Desenvolvimento de um sistema de supervisão e gestão para sistemas de monitorização de energia elétrica

Filipe Batista Rodrigues

Desenvolvimento de um Sistema de

Supervisão e Gestão para Sistemas de

Monitorização de Energia Elétrica

Filipe Batista Rodrigues

4 Desen vol vimento de um Sis tema de Super visão e Ges tão par a Sis temas de Monitor ização de Ener gia Elétr ica

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Dissertação de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de

Mestre em Engenharia Eletrónica e de Computadores

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor Doutor João Luiz Afonso

Professor Doutor Adriano José Conceição Tavares

Filipe Batista Rodrigues

Desenvolvimento de um Sistema de

Supervisão e Gestão para Sistemas de

Monitorização de Energia Elétrica

Universidade do Minho

Agradecimentos

O trabalho realizado nesta Dissertação de Mestrado não teria sido possível sem o apoio do meu orientador Doutor João Luiz Afonso que acompanhou e orientou o meu trabalho durante este ano. A realização do trabalho aqui apresentado não teria sido possível sem a disponibilidade de recursos e acesso às ferramentas que permitira m desenvolver o projeto.

Um agradecimento especial ao meu orientador Doutor Adriano Tavares pelo apoio e suporte sempre que foi necessário.

Agradeço aos meus colegas que também realizaram a Dissertação de Mestrado no Laboratório de Eletrónica de Potência pelo companheirismo e amizades proporcionadas.

Um agradecimento aos Bolseiros de Investigação, Engenheiros e Doutores do GEPE pois despenderam o seu valioso tempo comigo a apoiar-me sempre que necessário. Um sincero agradecimento a todos os meus colegas e amigos que me acompanharam ao longo dos últimos anos e que me apoiaram sempre que foi possível.

Por fim, um agradecimento à minha família. Em especial agradeço aos meus pais e à minha namorada por todo o apoio neste último ano mas sobretudo pelos sacrifícios por eles suportados.

Resumo

A alteração de fatores económicos, tecnológicos e ambientais obriga a sociedade a adaptar-se às novas situações impostas. O valor da energia tem vindo a subir, e se por um lado esta subida afeta a situação económica da população, por outro lado, viabiliza o desenvolvimento de novas tecnologias. No entanto, novas soluções tecnológicas ligadas à produção de energia continuam, ainda, acima do poder de compra do cidadão comum. Posto isto, uma vez que a disponibilidade de recursos económicos é limitada, existe a necessidade de se proceder a gestão de despesas, neste caso, do sector energético

O mercado já possui diversos equipamentos tecnológicos com o intuito de controlar e gerir os consumos domésticos de energia elétrica. Estes sistemas de monitorização de energia elétrica possuem características bastante desejáveis. A tecnologia atual permite que sejam compactos e discretos, o que os torna fáceis de instalar e utilizar. A maioria destes sistemas, após a sua instalação, é acessível e configurável a partir de um software instalável num computador pessoal. No entanto, a maior parte dos sistemas presentes no mercado apresentam algumas limitações. Além disso, em relação ao custo de aquisição destes sistemas, estes continuam longe do valor que o cidadão comum pode despender. Alguns desses equipamentos permitem apenas monitorizar o consumo global da habitação, enquanto outros mais avançados já permitem monitorizar o consumo ao nível de várias tomadas elétricas.

Esta Dissertação de Mestrado apresenta o desenvolvimento de um sistema de supervisão e gestão de monitorizadores de energia elétrica. O sistema permite consultar todas as características relevantes sobre o consumo de energia de vários equipame ntos elétricos a partir de monitorizadores instalados ao nível das tomadas elétricas.

O principal objetivo desta Dissertação consiste em agregar um conjunto desejável de características num único sistema. Além de realizar todas as operações típicas de qualquer sistema de monitorização, este sistema colmata alguns dos problemas anteriormente citados. Este sistema, além de monitorizar os consumos de energia, é capaz de efetuar controlo de cargas e detetar problemas de qualidade de energia elétrica. A interface com o utilizador é feita através de um browser. Todo o sistema foi desenvolvido tendo como foco apresentar um sistema interativo, dinâmico e flexível orientado para o utilizador final de energia elétrica.

Palavras-Chave: Consumo de Energia Elétrica, FPGA, Monitorizador de Energia Elétrica, Qualidade de Energia Elétrica, Raspberry Pi.

Abstract

The changing in economical, technological and environmental factors forces the society to adapt to new imposed situations. The cost of energy has been rising, and if on one hand, this increase affects the economic situation of the population, on the other hand, it enables the development of new technologies. However, new technological solutio ns linked to energy production remain above the average purchasing power of the citize ns. Therefore, since the availability of financial resources is limited, there is a need to carry out cost management, in this case, in the energy sector

The market already has several technologies in order to monitor and manage energy consumption of household equipment. These monitoring systems have very desirable electric characteristics. Moreover, the actual technology allows them to be compact and discreet which makes them easy to install and use. Most of these systems after installa t io n are accessible and configurable from an installable software that runs on a personal computer. However, the majority of the systems on the market have some limitatio ns. Besides, regarding to the price of these systems, they remain far from the value that the average citizen can afford. Furthermore, part of those equipments only allow to monitor the overall consumption of the habitation, while others, more advanced, are able to monitor the consumption at the level of the wall socket.

This MSc Dissertation presents the development of a system of supervision and management of power consumption. The system allows consulting all relevant characteristics of the power consumption of various electrical equipments installed at the level of the electrical wall sockets.

The main goal of this Dissertation is to aggregate a set of desirable features into a single system. Besides performing all the typical operations of any monitoring system, this system overcomes some of the problems mentioned above. This system in addition to monitoring energy consumption, is capable of perform load analysis and detect power quality problems. The user interface is made via a browser. The entire system was developed with a focus in presenting an interactive, dynamic and flexible system oriented to the final user of electrical energy.

Keywords: Energy Consumption, FPGA, Power Quality Analyzers, Electric Power Quality, Power Quality Analyzers, Raspberry Pi.

Índice

Agradeci mentos ... v

Resumo...vii

Abstrac t ...ix

Lista de Tabelas ...xvii

Lista de Siglas e Acróni mos ...xix

CAPÍTULO 1 Introduç ão ...1

1.1. Importância dos Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica ... 1

1.2. Enquadramento ... 3

1.3. Motivações... 4

1.4. Objetivos ... 4

1.5. Organização da Dissertação... 5

CAPÍTULO 2 Sistemas de Super visão e Gestão de Energia Elé trica ...7

2.1. Introdução ... 7

2.2. Soluções no Mercado... 8

2.2.3. Cloogy... 10

2.2.4. G Smart ... 11

2.2.5. EnergySTEP@Work ... 13

2.2.6. Open Energy Monitor ... 15

2.2.7. Fluke 430 Série II ... 18

2.3. Monitorizadores Desenvolvidos na Universidade do Minho... 20

2.3.1. Sistema Distribuído de M onitorização de Consumos e Qualidade de Energia Elétrica ... 20

CAPÍTULO 3 Projeto do Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elé trica... 29

3.1. Introdução ... 29

3.2. Qualidade de Energ ia Elétrica ... 30

3.3. Monitorizador baseado no IC ADE7753 ... 32

3.4. Monitorizador Baseado no Sistema Distribuído de Monitorização de Consumo s de Energia Elétrica ... 34 3.5. Requisitos do Sistema ... 36 3.6. Arquitetura Proposta ... 38 3.7. FPGA ... 39 3.8. Raspberry Pi ... 42 3.9. Conclusão... 44

CAPÍTULO 4 Simul ações e Ensai os do Sistema Desenvol vi do ... 45

4.1. Introdução ... 45

4.2.1. ISE Design Suite e Linguagem Verilog ... 45

4.2.2. NetBeans IDE e Linguagem C++ ... 47

4.2.3. Joomla! e Linguagens HTM L e PHP ... 47

4.3. Simu lações na FPGA ... 49

4.3.1. Simulação do Funcionamento do M onitorizador 1 ... 50

4.3.2. Simulação do Funcionamento do M onitorizador 2 ... 53

4.3.3. Simulação da Comunicação entre a Raspberry Pi e a FPGA ... 56

4.4. Teste dos Softwares Usados na Raspberry Pi... 58

4.4.1. Servidor Web ... 58

4.4.2. Base de Dados MySQL e phpMyAdmin ... 60

4.4.3. Programa de Supervisão e Gestão em C++ ... 61

4.5. Conclusão... 62

CAPÍTULO 5 Imple me ntação do Sistema par a Configuraç ão de Condiç ões Reais de Utilizaç ão .... 63

5.1. Introdução ... 63

5.2. Progra ma de Supervisão e Gestão Desenvolvido em C++ ... 63

5.3. Constituição Física do Sistema ... 66

5.4. Descrição da Interface Grá fica do Siste ma ... 67

5.4.1. Interface Aplicada à Configuração dos M onitorizadores ... 68

5.5. Conclusão... 75

CAPÍTULO 6 Testes do Sistema em Condições Reais de Utilização em Modelo de Rede desenvol vi do e m Laboratóri o ... 77

6.1. Introdução ... 77

6.2. Testes da Comunicação entre a FPGA e os Monitorizadores e com a Raspberry Pi ... 77

6.2.1. Teste da Comunicação entre a FPGA e o M onitorizador 1 ... 77

6.2.2. Teste da Comunicação entre a FPGA e o M onitorizador 2 ... 79

6.2.3. Teste da Comunicação entre a FPGA e a Raspberry Pi... 80

6.3. Testes Utilizando o Monitorizador 1... 80

6.3.1. Simulação de um Sag... 80

6.3.2. Simulação de uma Interrupção M omentânea ... 82

6.4. Testes Utilizando o Monitorizador 2... 83

6.4.1. Simulação de uma Subtensão e Swell ... 83

6.4.2. Simulação de Sag Seguido de Interrupção do Fornecimento de Energia ... 84

6.5. Resultados Obtidos da Monitorização de Equipa mentos ... 85

6.5.1. M onitorização do Consumo Energético de um Computador Portátil... 86

6.5.2. M onitorização do Consumo Energético de um Frigorífico M ini Bar... 87

6.5.3. M onitorização do consumo energético de um Termo Ventilador ... 89

6.6. Conclusão... 91

CAPÍTULO 7 Concl usão ... 93

7.1. Conclusões... 93

Lista de Figuras

Figura 2.1– Aspeto do Fluk someter e respetiva pinça de corrente [17]. ... 9

Figura 2.2 – Plataformas de consulta de dados e aparelho de medição do sistema OWL Intuition-e [19]. ... 9

Figura 2.3 – Arquitetura do sistema Cloogy [22]. ... 11

Figura 2.4 – (a) To mada inteligente Cloogy. (b) Sensor e transmissor Cloogy [22]. ... 11

Figura 2.5 – Aplicações avançadas para smart grids [23]. ... 13

Figura 2.6 – Controlador inteligente G Smart [23]. ... 13

Figura 2.7 – Visualização de um e xce rto do software StructureWare [24]. ... 14

Figura 2.8 – Extensão PX-5528 Raritan [26]... 15

Figura 2.9 – Arquitetura do sistema Open Energy Monitor [27]... 16

Figura 2.10 – Aspeto visual do módulo e mon GLCD [27]. ... 17

Figura 2.11 – Plataformas de consulta dos dados emoncms [27]. ... 17

Figura 2.12 – Analisador de Qua lidade de Potência Fluk e 435 Série II [28]. ... 19

Figura 2.13 – Possível arquitetura do sistema distribuído [29]. ... 20

Figura 2.14 – Arquitetura do nó sensor [29]. ... 21

Figura 2.15 – Aspeto do menu de co municação [29]. ... 22

Figura 2.16 – Aspeto dos elementos que constituem o monitorizador desenvolvido. ... 23

Figura 2.17 – Soft ware Qt do MQEE. ... 25

Figura 2.18 – Representação de uma forma de onda. ... 26

Figura 2.19 – Visualização dos dados em tabela. ... 26

Figura 3.1 – Diagra ma de blocos do ADE7753 [30]. ... 33

Figura 3.2 – Vista de topo da PCB do monitorizador. ... 33

Figura 3.3 – Circu ito sugerido pelo datasheet do IC ADE7753 [30]. ... 34

Figura 3.4 – Vista de topo, lateral e base do monitorizador. ... 35

Figura 3.5 – Vista do interio r da caixa do monitorizador. ... 36

Figura 3.6 – Esquema representativo da comunicação entre o monitorizador e o recetor. ... 36

Figura 3.7 – Possível arquitetura do sistema de supervisão e gestão de energia elétrica. ... 39

Figura 3.8 – Aspeto da Basys 2 [39]... 40

Figura 3.9 – Características da Basys2 [39]. ... 40

Figura 3.10 – Possível organização dos módulos da FPGA. ... 41

Figura 3.11 – Esquema da co municação entre a FPGA e dife rentes monitorizadores. ... 42

Figura 3.12 – Relação entre os softwares executados na Raspberry Pi e co m o e xterior. ... 43

Figura 4.1 – Aspeto visual do ISE De sign Suite [44]... 46

Figura 4.2 – Representação de cross compiling... 47

Figura 4.3 – Arquitetura desenvolvida para a FPGA . ... 49

Figura 4.4 – Representação algoritmica do funciona mento do monitorizador 1. ... 50

Figura 4.6 – Simu lação dos pedidos dos parâmetros da rede. ... 52

Figura 4.7 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 1. ... 52

Figura 4.8 – Representação algoritmica do funciona mento do monitorizador 2. ... 53

Figura 4.9 – Simu lação do arranque do monitorizador 2. ... 54

Figura 4.10 – Simu lação do acesso aos registos do monitorizador 2. ... 55

Figura 4.11 – Visão geral do funciona mento do monitorizador 2. ... 55

Figura 4.12 – Simu lação de um pedido de le itura a u m registo. ... 57

Figura 4.13 – Simu lação de uma resposta após o pedido de leitura. ... 58

Figura 4.14 – Exerto da página de informações sobre o servidor... 59

Figura 4.15 – Aspeto visual do modo de edição de conteudos do Joomla!. ... 60

Figura 4.16 – Captura de ecrã co m a ap licação web a correr no browser do smatphone. ... 60

Figura 4.17 – Ho me page da interface da aplicação phpMyAdmin. ... 61

Figura 5.1 – A lgorit mo representativo do funcionamento do programa e m C++. ... 65

Figura 5.2 – Excerto do terminal da Raspberry Pi durante a fase de testes. ... 66

Figura 5.3 – Vista do ele mentos do sistema de supervisão e gestão de energia eletrica. ... 67

Figura 5.4 – Aspeto da página principa l da aplicação web. ... 68

Figura 5.5 – Apresentação das funcionalidades do monitorizador 1. ... 69

Figura 5.6 – Página de configuração dos parâmetros da mon itorização. ... 70

Figura 5.7 – Página de resultados, com opções usadas para analisar os resultados. ... 71

Figura 5.8 – Montagem gráfica da página de resultados, com aspeto dos gráficos interativos para diferentes opções de visualização e escala. ... 72

Figura 5.9 – Página de resultados, com re latório co m pormenores da monitorização. ... 73

Figura 5.10 – Exe mplo do aspeto da página da plataforma phpMyAdmin. ... 74

Figura 5.11 – Pág ina de resultados relativa ao mon itorizador 2. ... 75

Figura 6.1 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 1. ... 78

Figura 6.2 – Pormenor da leitura do valo r de tensão do monitorizador 1. ... 78

Figura 6.3 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 2. ... 79

Figura 6.4 – Pormenor do mo mento e m que se inic ia a co municação. ... 79

Figura 6.5 – Visão geral de u m pedido da Raspberry Pi seguido de resposta. ... 80

Figura 6.6 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de frequência, registados ao longo do tempo, co m a ocorrência de u m sag detetado pelo monitorizador 1. ... 81

Figura 6.7 – Tabe las de resultados relativa ao sag detetado pelo monitorizador 1. ... 81

Figura 6.8 – Gráfico com valor eficaz de tensão, com valor de frequência, registados ao longo do tempo, co m a ocorrência de u ma interrupção detetada pelo monitorizador 1. ... 82

Figura 6.9 – Tabe las de resultados relativa à interrupção detetada pelo monitorizador 1. ... 82

Figura 6.10 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência, registados ao longo do tempo, com a ocorrência de uma subtensão seguida de swell detetados pelo monitorizador 2. ... 83

Figura 6.11 – Tabelas de resultados relativa à subtensão e swell detetados pelo monitorizador 2. ... 84 Figura 6.12 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência, registados ao longo

Figura 6.13 – Tabelas de resultados relativos à interrupção detetada pelo monitorizador 2. ... 85 Figura 6.14 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de potência, registado ao longo do

tempo, correspondente à mon itorização de u m co mputador portátil. ... 86 Figura 6.15 – Tabela de resultados relativa à mon itorização do co mputador portátil. ... 87 Figura 6.16 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência e potência ativa,

registados ao longo do tempo, correspondente à monitorização de um frigorifico mini bar. ... 88 Figura 6.17 – Tabela de resultados relativa à mon itorização de u m frigorifico mini bar. ... 88 Figura 6.18 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de potência ativa, registados ao

longo do tempo, correspondente ao consumo de potência pelo termo ventilador nos diferentes estágios de funcionamento. ... 89 Figura 6.19 – Gráfico com valor eficaz de corrente, e com valor de fator de potência, registado ao

longo do tempo, correspondente à análise da corrente consumida e variação do FP nos

diferentes estágios de funcionamento do termo ventilador... 90 Figura 6.20 – Tabela de resultados relativa à mon itorização de u m termo ventilador. ... 91

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 – Princ ipais proble mas de QEE [29]. ... 31 Tabela 4.1 – Protocolo utilizado para co municar entre a Raspberry Pi e a FPGA . ... 56

Lista de Siglas e Acrónimos

AT Alta Tensão

ADC Analog to Digital Converter

API Application Programming Interface

BT Baixa Tensão

CPU Central Processing Unit

CMS Content Management System

DSP Digital Signal Processor

FFT Fast Fourier Transform

FP Fator de Potência

FPGA Field Programmable Gate Array

GPIO General Purpose Input/Output

GEPE Grupo de Eletrónica de Potência e Energia

HDL Hardware Description Language

HDMI High Definition Multimedia Interface

HTML HyperText Markup Language

HTTP Hypertext Transfer Protocol

HTTPS Hypertext Transfer Protocol Secure

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IC Integrated Circuit

IDE Integrated Development Environment

I2_{C Inter-Integrated Circuit}

IoT Internet of Things

ISim ISE Simulator

JTAG Joint Test Action Group

MISO Master In Slave Out

MOSI Master Out Slave In

MT Média Tensão

MQEE Monitorizador de Qualidade de Energia Elétrica

PC Personal Computer

PT Posto de Transformação

QEE Qualidade de Energia Elétrica

RF Radio Frequency

RAM Random Access Memory

RxD Receber

SCLK Serial Clock

SPI Serial Peripheral Interface

SSEL Slave Select

SOC System-on-a-chip

TI Tecnologia de Informação

THD Total Harmonic Distortion

TxD Transmitir

USB Universal Serial Bus

CAPÍTULO 1

Introdução

1.1.

Importância dos Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica

Nas últimas décadas, diversos fatores como o crescente aumento populacional e o desenvolvimento económico de países emergentes resultaram no aumento global do consumo da energia elétrica [1]. Este aumento do consumo, por si só, exige novas infraestrutura na rede elétrica ou reforço das mesmas, isto sem contar todos os efeitos nefastos ao meio ambiente [2]. Por sua vez, como medida preventiva, governos e outras entidades não-governamentais têm-se esforçado para promover o uso de equipame ntos mais eficientes [3]. Embora, à primeira vista, este movimento seja visto como um movimento nobre, alguns equipamentos ditos eficientes e de baixo consumo têm consequências negativas para a rede elétrica [4].

Os equipamentos antigos e energeticamente não eficientes são essencialme nte compostos por cargas lineares. Este tipo de cargas, embora consuma mais, não afeta a qualidade da energia elétrica. Enquanto as novas cargas, ditas eficientes são classificadas como não lineares, pois não apresentam uma relação linear entre o consumo de tensão e corrente e que em certos casos podem causar problemas [5]. Usando o exemplo das lâmpadas económicas, que podem chegar a consumir 90% menos de energia do que uma lâmpada incandescente, contundo, estas podem diminuir a qualidade da energia elétrica e aumentam a distorção harmónica. As consequências da presença destas cargas na rede traduzem-se no aumento das perdas nas linhas e obriga ao uso de equipame ntos sobredimensionados na distribuição [6].

Uma vez que não se pode impedir os países de se desenvolverem, a tendência será o aumento global do consumo de energia elétrica. Por outro lado, os países ditos desenvolvidos até têm apresentado uma diminuição no consumo através do uso de equipamentos mais eficientes mas com as consequências acima referidas [7].

Para superar as dificuldades em manter o sistema elétrico a operar eficienteme nte, este terá de ser ajustado às novas necessidades. O modelo de distribuição e consumo de energia elétrica não sofreu alterações significativas desde a sua criação , consequentemente, está a atingir as suas limitações tecnológicas. No entanto,

gradualmente, está a ser desenvolvido e adotado um novo modelo. Este é conhecido como

smart grid, é uma tecnologia que visa aumentar a eficiência, fiabilidade e segurança em

todos os setores da energia elétrica [8].

Neste novo paradigma, a produção da energia deixa de ser exclusiva aos fornecedores e passa, também, a ser uma opção para os consumidores. Esta característica bidirecional na distribuição da energia elétrica tem uma série de consequências. Se, por um lado, permite responder com flexibilidade a situações de alterações de consumo, por outro lado, necessita de coletar enormes quantidades de informação sobre os diversos elementos que constituem a rede. Será inevitável a união entre o sistema elétrico e os sistemas de informação. Espera-se que, num futuro próximo, a rede elétrica seja uma área dominada por amplos sistemas de aquisição de dados e comunicação [9]. Portanto, considerando que existe uma solução inteligente, fiável e segura para gerir o consumo e a produção de energia, será de esperar que este conceito se alastre às áreas residenciais.

As áreas residenciais, até há pouco tempo, possuíam apenas um fornecedor de energia, considerando o exemplo de Portugal. No ano de 2012 o mercado da eletricidade foi liberalizado, os consumidores, desde então, têm uma atitude mais ativa em relação ao seu fornecedor de energia elétrica [10].

Qualquer individuo deve poder avaliar o serviço que subscreveu. Os monitorizadores de energia elétrica surgem no mercado de forma a colmatar essa necessidade. Estes devem, também, ser vistos como uma extensão da própria smart grid mas aplicados à área residencial. Do mesmo modo que a smart grid gere a produção e consumo de energia, os monitorizadores devem permitir aos consumidores analisar os seus próprios consumos ou, até mesmo, a produção de energia [11].

Um monitorizador de energia elétrica deve possuir características atrativas que justifiquem a sua aquisição. Começando pelas suas funcionalidades, estes devem ser capazes de analisar de forma fiável o consumo de uma habitação, equipamento ou conjunto de equipamentos. Um consumidor com o conhecimento dos seus hábitos de consumo energético tem a possibilidade de se tornar num individuo mais consciente.

Utilizando os dados obtidos através de monitorizadores de energia elétrica, é possível tomar atitudes com o intuito de diminuir os custos associados ao consumo de energia, bem como aumentar a eficiência no consumo, e beneficiar de informação sobre a qualidade da energia elétrica [12].

um monitorizador compacto por cada tomada e interruptor de uma habitação, seria possível analisar ao pormenor o consumo e comportamento de cada um dos eletrodomésticos [11].

Não menos importante que as suas características técnicas, os monitorizadores devem possuir interfaces amigáveis de modo a adequarem-se à maioria dos utilizadores. Os dados adquiridos devem ser apresentados de forma clara, e, se possível, com funcionalidades uteis para, por exemplo, comparar resultados antigos ou analisar a evolução do consumo de energia ao longo de um determinado período de tempo . Essencialmente os monitorizadores são o instrumento que torna possível gerir e supervisionar consumos de energia elétrica [13]. Tal como acontece numa smart grid, são necessários inúmeros pontos de recolha de dados para que depois um sistema os interprete e atue em conformidade.

Por fim, a disseminação do uso de sistemas de gestão e supervisão de consumos de energia só é possível se o custo de aquisição destes sistemas se traduzir em retorno positivo do investimento. Por isso, é importante que o mercado reconheça a necessidade destes sistemas. Um sistema de gestão e supervisão é uma ferramenta primordial, assim sendo, é necessário desenvolver equipamento especializado. O custo da solução embora seja importante pode ser significamente diminuído quando o produto é produzido em massa.

1.2. Enquadramento

A sociedade atual desenvolveu uma forte dependência por equipame ntos tecnológicos. Os equipamentos mais procurados, por norma, permitem ser conectados à internet e são vistos como equipamentos inteligentes. Esta tendência na procura destes equipamentos inteligentes abriu caminho para o aparecimento do movimento da Internet

of Things (IoT).

O movimento da IoT é abrangente e consegue envolver virtualmente qualquer setor do mercado. No âmbito de estudo desta Dissertação de Mestrado, é estudado o mercado doméstico de equipamentos de monitorização. As caraterísticas desejáveis para estes equipamentos, os monitorizadores de energia elétrica, devem antever as necessidades do cliente. Um equipamento de monitorização deve ser fácil de utilizar, compacto e, se possível, com um aspeto apelativo. Felizmente, o estado da tecnologia dos dias de hoje permite superar as exigências do mercado.

Esta Dissertação descreve o desenvolvimento de um sistema de supervisão e gestão para monitorizadores de energia elétrica. O Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho tem vindo a desenvolver diversos sistemas de monitorização ao longo da sua existência. O objetivo primordial desta Dissertação consiste em associar os sistemas de monitorização previamente criados no GEPE a uma plataforma web. A partir da web, remotamente, os utilizadores poderão com este sistema acompanhar e interagir em tempo real com os seus equipamentos sob monitorização. Através da plataforma poderá ser consultado o consumo dos equipamentos sob monitorização. O sistema também permitirá analisar parâmetros relativos à qualidade de energia elétrica, e poderá possuir eventuais aplicações úteis para o utilizador.

1.3.

Motivações

As principais motivações para este trabalho de Dissertação são:

 Possibilidade de desenvolver um trabalho cujo tema se encontra inserido nas áreas de Sistemas de Energias e Sistemas Embebidos;

 Aumento do know-how sobre o desenvolvimento de sistemas para FPGAs;

 Aumento do knwo-how sobre o desenvolvimento de software para Linux;

 Possibilidade de adquirir novos conhecimentos na área de programação web;

 Possibilidade de desenvolver novas soluções na área da eficiência energética e o consumo sustentável de energia elétrica.

1.4. Objetivos

Os principais objetivos desta Dissertação são os seguintes:

 Projetar e desenvolver um dispositivo de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica que permita a integração de monitorizado res pré-existentes, e que seja acessível remotamente;

 Estudar o estado atual dos sistemas de monitorização de energia elétrica;

 Selecionar as plataformas de desenvolvimento necessárias para o sistema;

 Desenvolver o software necessário para o sistema de aquisição de dados;

 Desenvolver o software necessário para a interface com o utilizador;

 Desenvolver as condições para o teste em laboratório para o sistema desenvolvido;

1.5.

Organização da Dissertação

Os tópicos abordados ao longo desta Dissertação de Mestrado estão organizados em sete capítulos. O conteúdo de cada um dos capítulos é descrito de seguida.

No Capítulo 1 são introduzidos os conteúdos abordados no trabalho de Dissertação, bem como os objetivos e motivações do trabalho proposto.

No Capítulo 2 é feito um levantamento do estado da arte de sistemas de monitorização existentes no mercado, e são, também, apresentados dois monitorizadores desenvolvidos no GEPE.

No Capítulo 3 é introduzido o conceito de qualidade de energia elétrica (QEE), são apresentados os monitorizadores utilizados no sistema e, por fim, é apresentada a arquitetura do sistema de supervisão e gestão de monitorizadores de energia elétrica.

No Capítulo 4 são apresentadas as ferramentas e linguagens de programação necessárias para o desenvolvimento do trabalho de Dissertação. De seguida, são apresentadas simulações dos módulos executados pela FPGA que permitem a aquisição dos dados vindos dos monitorizadores. Por fim, são testados os softwares instalados na Raspberry Pi necessários para o funcionamento do sistema.

No Capítulo 5 descreve-se o sistema como um todo. Este inicia com a apresentação física do sistema, destacando os componentes usados, e termina com a apresentação do ambiente gráfico.

No Capítulo 6 são expostos resultados obtidos a partir do sistema desenvolvido. São essencialmente apresentados dois conjuntos de resultados diferentes, resultados contendo eventos de QEE e resultados de monitorização de equipamentos elétricos variados.

No Capítulo 7 são apresentadas as conclusões resultantes do trabalho desenvolvido. No final, são apresentadas sugestões para trabalhos futuros que possam complementar o trabalho.

CAPÍTULO 2

Sistemas de Supervisão e Gestão de Energia Elétrica

2.1.

Introdução

Atualmente, o setor dos edifícios (residencial e serviços) é responsável pela utilização de cerca de 30% do total de energia consumida em Portugal [14]. Uma das causas encontra-se na evolução das exigências de conforto das famílias portuguesas, que se traduz numa maior procura de eletrodomésticos. Este aumento do consumo de energia pode ser moderado informando e sensibilizando os consumidores domésticos para os seus perfis de consumo. O conhecimento do perfil de consumo de cada eletrodomést ico permite ao consumidor conhecer os seus equipamentos e tomar decisões conscientes relativamente ao futuro dos mesmos. Sempre que é detetado um equipamento energeticamente pouco eficiente ou defeituoso podem ser tomadas decisões que permitam ao consumidor reduzir o valor da fatura de energia elétrica mas também diminuir a pegada ecológica. Uma das possíveis soluções para equipamentos pouco eficientes e, naturalmente, pouco económicos passa pela sua troca ou abate. Apesar de ser necessário um investimento inicial considerável, o retorno do investimento pode, dependendo do caso, ser reavido em poucos ano.

O valor da fatura da energia elétrica é um dos fatores que diretamente mais influencia o consumidor a mudar de atitude em relação à forma como usa a energia elétrica. Uma vez que a tendência atual é de aumento de preços em vários setores do mercado, incluindo o da energia, têm surgido novas entidades cujo objetivo é difund ir informações ou soluções para melhorar a eficiência do consumo de energia. Se por um lado campanhas de sensibilização alertam a população sobre o desperdício de energia, por outro, aparecem novas empresas com soluções direcionadas para gerir, controlar e otimizar o consumo e difundir novos hábitos energéticos [15].

No mercado existem várias soluções orientadas para a monitorização de consumos de energia. Os monitorizadores que podem ser encontrados no mercado têm diversos graus de complexidade, vão desde simples ferramentas de cálculo até sistemas muito complexos e repletos de aplicações extra.

Os problemas de qualidade de energia elétrica (QEE) são também um fator a considerar no momento da aquisição de um monitorizador. Existem equipame ntos residenciais e industriais que podem ser mais ou menos sensíveis à qualidade da energia. A má qualidade da energia deve-se, por norma, a eventos que ocorrem na rede. Eventos como por exemplo os sags (subtensões momentânea da tensão), ou swells (sobretensão momentânea da tensão), resultantes da entrada ou saída de grandes cargas na rede, e distorção harmónica devido à presença de cargas não lineares. Além dos já referidos, existe, ainda, uma série de outros eventos, como por exemplo os harmónicos, micro-cortes (notching), flickers,etc.

Os problemas associados à má qualidade da energia são um dos fatores geradores de avarias em equipamentos, logo, estes devem ser detetados e posteriormente estudados de forma a corrigir a anomalia que os provoca.

Recorrendo a monitorizadores de QEE é possível identificar a fonte dos problemas na rede e, por sua vez, tomar as respetivas medidas no sentido de os prevenir, atenuar ou eliminar [16].

2.2. Soluções no Mercado

Neste item serão referidas algumas soluções e equipamentos disponíveis no mercado cujo propósito é informar o consumidor sobre os consumos elétricos e sobre eventuais problemas de qualidade de energia elétrica. Serão, também, apresentados equipamentos com a capacidade de atuar sobre as cargas, ligando ou desligando- as, conforme as necessidades do consumidor ou agindo preventivamente em caso de anomalias no sistema elétrico.

2.2.1. Fluksometer

O Fluksometer V2 é um dispositivo da empresa belga Flukso que permite a monitorização do consumo total de energia elétrica de uma residência. Este dispositivo deve ser instalado junto do quadro elétrico. Caso exista uma rede sem fios disponível na residência onde foi instalado, o Fluksometer fica conectado à mesma e envia as suas medições em intervalos de 5 minutos. Os dados adquiridos são guardados numa base de dados disponível no servidor da Flukso e podem ser consultados via internet. Na Figura 2.1 é possível observar o aspeto deste dispositivo junto com a pinça de corrente [17]. O valor comercial deste equipamento é de 96,80€ [18].

Figura 2.1– Aspeto do Fluk someter e respetiva pinça de corrente [17].

2.2.2. Sistema OWL Intuition-e

O OWL Intuition-e é um sistema de monitorização da empresa britânica OWL. Este efetua o registo de consumo de energia elétrica de uma residência e guarda, de forma automática, os valores adquiridos num servidor dedicado. Para o correto funcioname nto deste sistema é necessário existir ligação à internet na habitação onde este é instala do. Este sistema tem como grande vantagem o acesso aos valores guardados, isto é, a possibilidade de visualização destes valores ou até mesmo de gráficos ilustrat ivos relativos às variações de consumo ao longo do dia. Para visualizar os registos pode ser utilizado um computador ou até mesmo um smartphone ou tablet, o que torna o sistema bastante prático. As diferentes interfaces de acesso aos dados estão representadas na Figura 2.2.

As características mais significativas desde sistema são a taxa de amostragem dos valores relativos à energia consumida, que é de 12 em 12 segundos, e o alcance do transmissor que é de aproximadamente 30 metros. Embora o transmissor seja alimentado a pilhas, este tem autonomia de aproximadamente 14 meses [19]. O preço deste equipamento é de aproximadamente 76,00€ [20].

2.2.3. Cloogy

O Cloogy® Home, da empresa portuguesa Cloogy®, é uma solução de gestão energética para residências. Este sistema é constituído por diversos sensores e equipamentos estrategicamente colocados na residência para informar o utilizador sobre o consumo doméstico. Além de dispositivos de recolha de dados, o Cloogy possui tomadas inteligentes que podem ser usadas para controlar eletrodomésticos, isto é, permitem ligar e desligar equipamentos remotamente. Os dados obtidos pelos sensores podem ser consultados em diversas plataformas, nomeadamente no Monitor Cloogy, como é exemplificado na Figura 2.3. Estes são, também, acessíveis através de computadores, smartphones ou tablets. Os equipamentos que constituem o Cloogy têm um design agradável e moderno, esta característica, associada às suas funcionalidades, faz com que esta seja uma solução de gestão energética bastante desejável.

Esta empresa possui, também, outras soluções direcionadas para a gestão de consumos. Como pacotes Cloogy Premium, para os utilizadores com necessidades mais exigentes de controlo e monitorização, e pacotes Cloogy Renewables, para quem possui sistemas de microgeração e pretende monitorizar a energia produzida em tempo real e à distância. O valor do pacote mais simples, o Cloogy Go, tem o preço de 199,00€ [21].

O funcionamento do sistema Cloogy é facilmente entendido analisando a Figura 2.3. Um pequeno sensor é instalado no quadro elétrico e recolhe informação sobre o consumo global da habitação. Por sua vez, as tomadas inteligentes também recolhem informação sobres os equipamentos ligados a estas. Os dados obtidos no quadro elétrico e pelas tomadas inteligentes são enviados para um concentrador. Este, por sua vez, reencaminha os dados para uma plataforma web, sendo assim possível ao consumidor aceder a esses mesmos dados.

As tomadas inteligentes, Figura 2.4 (a), permitem ser controladas remotamente, ou seja, é possível controlar o estado dos equipamentos bem como programar modos de funcionamento.

Figura 2.3 – Arquitetura do sistema Cloogy [22].

A comunicação entre as tomadas inteligentes, Figura 2.4 (a), os sensores, Figura 2.4 (b), e o concentrador, é efetuada através de rede sem fios ZigBee. Por sua vez, o acesso aos registos é efetuado através da rede sem fios wireless recorrendo aos equipamentos de uso pessoal supracitados [22].

Figura 2.4 – (a) Tomada inteligente Cloogy. (b) Sensor e transmissor Cloogy [22].

2.2.4. G Smart

O G Smart é um controlador inteligente ou concentrador de contadores desenvolvido pela empresa EFACEC, uma empresa Portuguesa [23]. Segundo a empresa, este é um produto inovador cujo propósito é ser usado em redes de distribuição onde pode controlar e monitorizar a rede de média tensão (MT) e baixa tensão (BT). O produto é orientado para soluções de automação avançadas de postos de transformação e automação do circuito de MT. O G Smart é perfeitamente capaz de ser integrado em aplicações relativas à gestão de consumos, por exemplo numa Smart Grid.

O G Smart tem a capacidade de recolher e gerir contagens de troços a jusante da rede de BT por meio de várias das suas interfaces de comunicação padrão. Por outro lado, quando este é usado no sector das smart grids, intervém tanto na rede de alta como de média tensão. Os campos em que este é aplicado são os da gestão de procura, de carregamento de veículos elétricos, de controlo de microgeração e de iluminação pública. As características físicas que dão suporte ao funcionamento do G Smart são o seu servidor web embebido, as diferentes interfaces de entrada e saída para comunicação com outros equipamentos, os slots de expansão para módulos personalizados e, por fim, a capacidade de armazenamento de dados localmente. O gestor da rede tem a possibilidade de adicionar novas funcionalidades de software ou de harware usando os slots de expansão. Uma vez que o G Smart tem a capacidade de ser programado com um conjunto de APIs de software, é possível moldar as suas funcionalidades em função dos projetos ao qual este se destina.

Por exemplo, é possível programar o G Smart para funcionar como monitorizador de QEE. Ao ser adicionado um módulo de QEE, este pode registar os parâmetros e anomalias na rede. Podem ser definidos alertas sempre que este deteta uma anomalia ou problema de QEE. Os eventos de QEE que este é sensível são variações de frequência, variações de tensão, flickers, THD, conteúdo harmónico e desequilíbrios na tensão. Para cada uma das perturbações é criado um documento estatístico com a frequência do acontecimento.

De modo a melhor visualizar o papel deste equipamento num determinado projeto é explicado o funcionamento deste quando é utilizado em aplicações avançadas em smart

grids. Como se pode ver Figura 2.5, o G Smart gere diversas áreas de consumo de energia.

Este tem como função gerir a procura e efetuar um controlo combinado entre consumo, armazenamento, carregamento e microgeração. O seu funcionamento neste modo pode ser isolado ou ligado à rede.

Figura 2.5 – Aplicações avançadas para smart grids [23].

O aspeto exterior do controlador inteligente pode ser visto na Figura 2.6, onde é possível identificar algumas das suas interfaces de saída tais como duas portas USB, uma porta RS-232, duas portas ethernet e vários leds de sinalização de eventos.

Figura 2.6 – Controlador inteligente G Smart [23].

2.2.5. EnergySTEP@Work

A Schneider Electric desenvolveu o EnergySTEP@Work [8]. É uma solução direcionada para informar as empresas de Tecnologia de Informação (TI) sobre os

consumos de energia ao nível da tomada. Cada vez mais, o local de trabalho é usado pelos funcionários para recarregarem os seus dispositivos móveis, sejam estes computadores portáteis, telemóveis ou outros. Esta tendência, embora seja individualmente pouco significante, pode representar um aumento de cerca de 40% no consumo de energia do edifício, quando somadas todas as contribuições individuais.

No sentido de controlar o consumo de energia extra, a Schneider Electric apresenta em conjunto com a tecnologia da Cisco® EnergyWise [9], o software StructureWare que disponibiliza online o consumo dos diversos aparelhos ligados às tomadas do edifíc io. Este software tem como propósito reduzir e controlar o desperdício de energia associado aos equipamentos de TI, como por exemplo, iluminação de secretária, impressoras, telefones IP, routers, entre outros. A Figura 2.7 demonstra o aspeto gráfico do software.

Figura 2.7 – Visualização de um excerto do software StructureWare [24].

A tecnologia da Cisco® EnergyWise que dá suporte ao software de recolha de dados é composta por uma rede de extensões elétricas que alimentam os equipamentos da empresa ou escritórios. Existem diferentes tipos de extensões, cada uma com características ligeiramente diferentes, no entanto, para exemplificação, será usado o modelo PX-5528 Raritan, representado na Figura 2.8. Este permite monitorizar e controlar os equipamentos a si ligados. A monitorização é feita ao nível da tomada, cada tomada da extensão permite obter os valores de corrente, tensão, potência, fator de potência (FP) e consumo de energia com uma precisão de aproximadamente 1%. Os dados podem ser consultados localmente através de um pequeno LCD ou remotamente,

dados são encriptados por uma chave de 256-bits, palavra passe e outras opções avançadas de segurança [25].

Figura 2.8 – Extensão PX-5528 Raritan [26].

2.2.6. Open Energy Monitor

O Open Energy Monitor consiste num projeto open-source cujo objetivo é permitir que qualquer individuo possa desenvolver o seu próprio monitorizador de energia. Todos os elementos constituintes do projeto estão disponíveis online. O software pode ser descarregado diretamente do website e o hardware pode ser adquirido em várias lojas referenciadas no website.

O sistema Open Energy Monitor é compatível com o Integrated Development

Environment (IDE) do Arduíno, o que facilita a sua utilização e perceção por parte do

publico em geral. O sistema é constituído, essencialmente, por quatro partes principa is emonTx, emonGLCD, emonBase e emoncms. As diferentes partes podem ser montadas e configuradas para trabalhar numa variada gama de aplicações. Estas vão desde monitorizadores de energia, temperatura, pressão, até controladores de energia solar. Esta versatilidade do sistema permite utilizar os conhecimentos adquiridos na montagem do projeto para outras aplicações. A Figura 2.9 ilustra a arquitetura geral do sistema.

Figura 2.9 – Arquitetura do sistema Open Energy Monitor [27].

O módulo emonTx é responsável pela aquisição das grandezas elétricas, processamento, e posterior envio das mesmas para o emonBase. Os sinais adquiridos pelos sensores de tensão e corrente são processados localmente e resultam em informações úteis sobre a habitação ou equipamento sob monitorização. O processamento é realizado no microcontrolador ATmega328, este tem como principais características ser um microcontrolador bastante conhecido e com muita documentação disponível online, o que facilita a sua programação por parte utilizadores menos experientes. Este pode, também, ser configurado ao gosto do utilizador. As informações obtidas através do processamento deste módulo, como por exemplo, o consumo de energia, valores de potência, tensão e corrente, são enviados para o módulo emonBase via wireless.

O módulo wireless que permite a comunicação entre as diferentes partes do sistema é o RFM12B. A comunicação só é possível se for usada a mesma frequência em todos os módulos do sistema, este valor é tipicamente 433 MHz.

A estação base, constituída pelo módulo emonBase, tem como principal finalidade reencaminhar os dados para um servidor emoncms, de modo a disponibilizar os mesmos

online. O módulo emonBase pode ser constituído por uma Raspberry Pi ou NanodeRF SMT e um sensor RFM12B. A estação base permite organizar os dados

recebidos e definir o seu percurso até ao utilizador. Os dados podem ter várias origens, como por exemplo, grandezas medidas por sensores extra de temperatura e humidade. Uma vez processados, os dados são enviados para o módulo emoncms. Por fim, todos os dados podem ser apresentados no emonGLCD.

O aspeto deste módulo, o emonGLCD, pode ser visto na Figura 2.10. O design do módulo fica ao encargo do utilizador e este é constituído por um LCD de 128x64 polegadas. Este módulo é, por sua vez, constituído por uma Arduíno ATmega323 e um transmissor RFM12B. O transmissor recebe os dados vindos da estação base e o Arduíno organiza-os de modo a apresenta-los corretamente no visor.

Figura 2.10 – Aspeto visual do módulo emonGLCD [27].

Por último, o módulo responsável por disponibilizar os dados online, o emoncms, consiste numa aplicação web open-source para a consulta e visualização de registos de energia, temperatura, entre outros. Este módulo, representado pela Figura 2.11, consiste num software que pode ser instalado na própria estação base ou externamente num servidor remoto [12]. Quando instalado na estação base, os dados que este armazena são menos suscetíveis a questões de segurança e privacidade, pois estes nunca saem do local onde o Open Energy Monitor é instalado [27]. É de salientar que todo o código necessário ao funcionamento de qualquer parte deste sistema se encontra disponível no website do produto.

2.2.7. Fluke 430 Série II

Os equipamentos Fluke 430 Série II são analisadores de qualidade de energia para sistemas monofásicos e trifásicos. O objetivo destes equipamentos é, acima de tudo, localizar, prever, evitar e detetar avarias relacionadas com questões de QEE.

Estes produtos têm excelentes características e diversas funcionalidades extra, razão pela qual o seu preço é consideravelmente elevado em comparação com outras soluções existentes no mercado. Embora o preço não esteja ao alcance de qualquer consumidor, este equipamento também não se destina a simples monitorizações pontuais.

O uso de um equipamento tão sofisticado quanto este torna-se viável sempre que seja necessário prevenir e, consequentemente, evitar situações de grande prejuízo. Como exemplo ficam as seguintes situações. As perdas financeiras relativas à avaria de equipamentos ou à paragem de uma linha de produção onde o investimento na aquisição do monitorizador é compensado pela redução ou mesmo eliminação de avarias. O perigo associado a avarias em meios de transporte como aviões é um risco constante para os passageiros. Por isso, justifica-se que as empresas envolvidas adquiram bons equipamentos para manter os aviões em perfeitas condições de segurança e funcionamento.

Vistos estes exemplos, conclui-se facilmente que a má qualidade ou mesmo falhas de energia elétrica têm consequências nos equipamentos, avariando-os, parando linhas de produção mas também colocando em risco vidas humanas. Com este equipamento da

Fluke não só se consegue evitar e prever avarias mas também se torna possível estimar o

valor de prejuízo financeiro que uma determinada organização poderá sofrer devido a problemas de QEE.

Os equipamentos da família Fluke 430 permitem vários tipos de medições e análises e possuem diversas funções integradas no aparelho. São de destacar as seguintes funcionalidades:

 Análises gráficas automáticas;

 Cálculo de perda de energia:

 Mede a energia ativa e reativa, desequilíbrios e potência dos harmónicos. No final, devolve o valor das perdas no sistema;

 Captura de dados PowerWave;

 Captura de formas de onda;

 Eficiência do inversor de potência;

 Medição de três fases e neutro;

 Monitorização de equipamentos;

 Visualização e elaboração de gráficos e relatórios:

 Os dados examinados e armazenados no Fluke podem ser revistos no PC através de um software de análise.

Uma série de funções avançadas permitem analisar várias situações. Deve-se destacar a seguinte funcionalidade. É possível analisar o perfil de consumo de determinados equipamentos e concluir quais podem ser otimizados de modo a poupar energia. No entanto, a poupança de energia pode, também, ser estimada em termos de prejuízo que um determinado equipamento pode causar por estar inativo devido a uma avaria e pelo custo da reparação do mesmo. Em situações de perdas por desequilíbrios de tensão em sistemas trifásicos e perdas associadas à presença de harmónicos na instalação, também é calculada uma estimativa do prejuízo causado.

Para finalizar, o analisador presente na Figura 2.12 tem todas as competências para analisar e identificar situações de desperdício de energia, de avaria eminente e má qualidade de energia elétrica [28].

2.3.

Monitorizadores Desenvolvidos na Universidade do Minho

Em ambiente académico, mais especificamente no Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho, foram desenvolvidos alguns monitorizadores de energia elétrica. Serão aqui apresentados e descritos dois projetos desenvolvidos nos laboratórios do GEPE.

2.3.1. Sistema Distribuído de Monitorização de Consumos e Qualidade de Energia Elétrica

O trabalho resultante desde sistema de monitorização foi desenvolvido por Manuel Pereira no âmbito da sua Dissertação de Mestrado em Eletrónica Industrial e Computadores. O título da Dissertação atribuído a este projeto é “Sistema distribuído de monitorização de consumos e qualidade de energia elétrica” [29].

Trata-se de um monitorizador de baixo custo utilizando uma rede sem fios. A rede sem fios utiliza o protocolo ZigBee/IEEE 802.15.4.

Arquitetura do Sistema Distribuído

O sistema distribuído de monitorização é constituído por quatro partes: pelo nó sensor, pela estação base, pelo nó coordenador da rede sem fios ZigBee, e pelo software do PC. A possível arquitetura do sistema pode ser vista na Figura 2.13. Dependendo da necessidade pode ou não existir um quinto elemento, o nó router. No entanto, a necessidade deste último nó, só é justificada se existirem nós sensores fora do alcance da estação base. A função do nó router consiste apenas em reencaminhar informação e estender o alcance da rede.

Os dados adquiridos pelo nó sensor são enviados para o nó coordenador através dos nós routers da rede sem fios. O software do PC, por sua vez, coleta os dados da estação base e exibe-os para o utilizador.

Detalhes do Hardware

A placa que forma o nó sensor, como pode ser visto na Figura 2.14, é constituída pelo circuito integrado ADE7753 no verso da placa e pelos restantes componentes no topo. O ADE7753 é o elemento chave da placa, este é responsável pela aquisição e processamento dos sinais vindos dos sensores de tensão e corrente [30]. Uma vez processados, os dados são colhidos pelo SoC CC2530EM e enviados para a estação base. As características deste módulo são as seguintes, é constituído por um microcontrolador 8051, um transcetor RF de alto desempenho compatível com o padrão IEEE 802.15.4 na faixa de 2.4 GHz, possui 8 kB de RAM e até 256 kB de memória Flash. Este módulo é usado em todos os nós da rede (nó sensor, router e estação base).

Por último, um relé permite que o nó sensor atue como um interruptor ligando e desligando os equipamentos a este ligados.

O nó sensor é adequado à rede elétrica residencial em Portugal, cujas características são tensão de 230 V/50 Hz e corrente máxima de 16 A.

Figura 2.14 – Arquitetura do nó sensor [29].

Por sua vez, a estação base funciona como coordenador da rede ZigBee e é conectada a um PC por USB. A estação base comunica com o software do PC sempre que dados vindos de nós sensores chegam à mesma.

Detalhes do Software

Cada módulo CC2530EM é programado em função do seu propósito, o módulo presente no nó sensor é programado de modo a ler os registos do ADE7753 e enviar os dados para a estação base. Por outro lado, o módulo presente na estação base é responsável por receber os dados vindos dos nós a jusante e enviar para o PC as informações inerentes aos nós sensores. A programação destes módulos é realiza da através do software IAR Embedded Workbench. Os módulos CC2530EM usados neste projeto foram programados usando a Z-Stack-CC2530-2.4.0-1.4.0 que é compatível com dois perfis da norma ZigBee 2007, sendo estas ZigBee e ZigBee Pro.

O software que corre no PC do utilizador foi desenvolvido em linguagem C#. O objetivo deste é proporcionar ao utilizador uma interface onde todos os dados adquiridos pelos nós sensores podem ser consultados. O programa consiste numa aplicação para o Windows, constituída por três opções na parte superior. Quando alguma das opções for selecionada, a respetiva informação é apresentada na parte inferior. Uma vez iniciado e configurado o software, este fica pronto para receber a informação dos nós sensores. A informação pode ser analisada em tempo real através do menu “End Device”, como pode ser visto na Figura 2.15. Os dados nesta etapa são atualizados sempre que novos dados chegam.

Figura 2.15 – Aspeto do menu de comunicação [29].

Relativamente aos consumos de energia elétrica, o utilizador é informado sobre a tensão, corrente, frequência, potência consumida e fator de potência. Uma vez que o

de energia, sags e swells, estes são, de igual modo, exibidos no programa sempre que ocorrem. O preço da energia pode ser definido no programa para que ao longo da monitorização este possa indicar o montante consumido. Mais do que calcular a energia consumida, o software consegue estimar o consumo mensal e anual de um determinado equipamento. Por fim, os dados podem ser exportados para um ficheiro Excel e armazenados para futura consulta.

2.3.2. Monitorizador da Qualidade da Energia Elétrica

O Monitorizador da Qualidade da Energia Elétrica (MQEE) descrito nesta secção foi desenvolvido nos laboratórios do GEPE. O aspeto do monitorizador pode ser visto na Figura 2.16. A plataforma de desenvolvimento usada foi a F28M35H52C da Concerto

Microcontrollers family produzida pela da Texas Instruments. São de salientar as

seguintes características da plataforma, esta possui um System on Chip com um DSP C28 e microprocessador ARM M3, interfaces para ethernet, µSD, USB, e possui também um circuito dedicado para depuração por JTAG.

Figura 2.16 – Aspeto dos elementos que constituem o monitorizador desenvolvido.

Para interagir com o hardware foi desenvolvido um software, cuja função é comunicar com o hardware de modo a receber todos os dados relevantes. O software permite representar graficamente os valores obtidos pelo MQEE bem como alterar

definições. Os dados resultantes do processamento das grandezas físicas de interesse são armazenas no µSD

Por fim, as grandezas obtidas pelos sensores são processadas e posteriorme nte armazenadas localmente no cartão µSD ou podem ser acedidas via ethernet.

Características do Hardware

O monitorizador desenvolvido apresenta as seguintes características técnicas:

 4 Canais isolados de tensão (600 Vrms max.) + 4 canais isolados de corrente;

 Acesso remoto aos dados armazenados e controlo remoto da monitorização;

 Armazenamento num cartão de memória com sistema de ficheiros FAT;

 Cálculo da FFT de 1024 amostras para um conjunto de 10 ciclos;

 Cálculo dos valores eficazes das tensões e correntes, THD, TPF, potências ativa, reativa e aparente, e frequência segundo a norma IEC 6100-4-30;

 Deteção de eventos: sags, swells, interrupções;

 Taxa de amostragem de 25,6 kS/s (512 amostras por ciclo de 50Hz).

É de destacar a gama de valores máximos para os quais este monitorizador foi projetado. Este suporta tensões até 1500 Vrms em tensão continua e alternada, este facto

deve-se aos sensores usados serem do tipo CYHVS5-25A. Uma vez que os canais de aquisição de sinal são isolados, podem ser feitas medições com referências diferentes. Relativamente aos valores máximos de corrente, o MQEE possuí sensores que permitem medições até 400 Arms. Os sensores que permitem esta gama de valores de corrente são

do tipo CYHCS-WLY-400A têm a vantagem de poderem ser instalados sem desconectar qualquer condutor uma vez que possuem um ponto de abertura.

Detalhes do Software

A placa de desenvolvimento é programada usando o software Code Composer

Studio da Texas Instruments. O IDE por eles fornecido é usado para desenvolver

aplicações de baixo nível. Neste caso o IDE é utilizado para compilar e depurar código para o DSP e o ARM M3, ambos elementos base da placa de desenvolvime nto F28M35H52C.

Relativamente à aplicação gráfica que permite controlar o monitorizador, esta foi desenvolvida em línguagem C++ e biblioteca Qt Framework. Esta aplicação comunica com o MQEE por ethernet. A aplicação tem diversas funcionalidades, em lugar de

destaque está o modo “scope” que permite visualizar as formas de onda das tensões e correntes para todos os canais, como pode ser visto na Figura 2.17. A aplicação permite, também, uma série de ajustes de escala. O modo “Spectrum” dá ao utilizador o espectro harmónio das tensões e correntes para cada uma das três fases. O modo “Monitor” proporciona ao utilizador uma série de opções configuráveis de modo a tornar a monitorização o mais personalizável possível. São de salientar as seguintes opções, monitorização manual ou programável, tempo de monitorização e acesso a registos e consulta de eventos armazenados no MQEE.

Por fim, o modo “Setup” deve ser usado para consultar ou definir parâmetros físicos relativos ao MQEE, estes podem ser sobre o estado de utilização da memória, hora e data, aspeto das formas de onda, etc.

Figura 2.17 – Software Qt do MQEE.

Um segundo software foi desenvolvido para correr no sistema operativo Android. Neste estão disponíveis alguns dos modos da aplicação principal, por exemplo o modo “Scope” e “Meter”. Este segundo software permite ao utilizador acompanhar a monitorização com mais comodidade a partir do seu smartphone. Na Figura 2.18 e Figura 2.19, pode ser observados o modo “Scope” e “Meter” respetivamente. Assim se concluem as funcionalidades deste MQEE.

Figura 2.18 – Representação de uma forma de onda.

Figura 2.19 – Visualização dos dados em tabela.

2.3.3. Conclusões

Ao longo deste capítulo foram apresentados vários sistemas de monitorização existentes no mercado, bem como alguns exemplos do que o GEPE (Grupo de Eletrónica de Potência e Energia da Universidade do Minho) é capaz de desenvolver nos seus laboratórios. O mercado tem disponibilizado monitorizadores de tamanho reduzido e cada vez mais user friendly ou seja, fáceis de utilizar por parte dos consumidores. Estes monitorizadores são adequados para ambientes domésticos, pois em determinadas situações podem possibilitar reduções significativas no consumo de energia, ou em caso de serem usados em habitações já por si bastante eficientes, permite na mesma ao utilizador conhecer o seu perfil de consumo de energia.

Relativamente aos sistemas de monitorização de energia elétrica direcionados à indústria, os que se têm destacado são os monitorizadores associados ao conceito de smart

tempo real, a procura e a oferta de energia nas cidades. Sendo assim, as casas, bem como outros elementos da própria rede elétrica, têm de estar equipadas com sistemas que permitam monitorizar o fluxo de energia.

Por fim, é de realçar o caminho tecnológico que os sistemas de monitorização estão a seguir. Estes vão de encontro ao conceito de Internet of Things (IoT). À semelhança de tantos outros equipamentos, como eletrodomésticos e smartphones, são cada vez mais os sistemas de monitorização que estão ligados à internet e que podem ser acedidos e configurados remotamente.