Telemonitoramento de Consumo e Qualidade de Energia
Elétrica
Pedro L. Navarro1, Fernando S. Silva1, Felipe A. M. Miranda2, Jessica L. Silva3
1Centro Universitário Salesiano de São Paulo (Unisal) - Campus São José
Caixa Postal 13075-490 – Campinas – SP – Brasil
2Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP) – Campus
Salto - Salto – SP – Brasil
3Universidade Federal do Pará (UFPA) – Campus Belém
Belém – PA – Brasil
pl.navarro@yahoo.com.br, fernando.silva@sj.unisal.br, felipe@ifsp.edu.br, jessica.lopes@icen.ufpa.br
Abstract. In this work presents the development of a system for monitoring
consumption and power quality using transmission in the Zigbee standard. Communication is based on the wireless using the 802.15.4 protocol in the 2.4GHz band, provided by the XBee module. Are collected from the power supply voltage values through the AC Voltage Measurement circuit, the values of electric current through the Current Transformer (CT) and samples of the electric power signal sinusoid, to check the quality of energy. The measures are directed to the pin A / D Router XBee and sent to the XBee Coordinator connected to the Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (LabVIEW).
Resumo. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema para
monitoramento de consumo e qualidade de energia utilizando transmissão no padrão Zigbee. A comunicação é fundamentada no wireless, utilizando o protocolo 802.15.4 na faixa de 2,4GHz, fornecida pelo módulo XBee. São coletados da rede elétrica os valores de tensão através do circuito Medidor de Tensão CA, os valores da corrente elétrica através do Transformador de Corrente (TC) e amostras do sinal de energia elétrica, senóide, para verificar a qualidade de energia. As medidas são direcionadas para o pino A/D do Xbee Router e enviadas para o XBee Coordinator conectado ao Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (LabVIEW).
1. Introdução
A evolução da informática e das telecomunicações possibilitaram o crescimento das áreas de telemetria e telemática impulsionando, assim, o tema Internet das Coisas (IOT - Internet of Things).
Portanto para poupar as fontes de energia hoje utilizadas, a elaboração do projeto de pesquisa criará rotinas lógicas de consumo e empregará tecnologia para racionalizar o uso com monitoramento e controle de gastos excessivos, assim reduzindo o centro de custo da energia elétrica juntamente com a análise da qualidade de energia entregue pela concessionária.
2. Tecnologia Zigbee
O Zigbee é um padrão de rede sem fio, wireless, com baixo custo e consumo de energia. Utiliza o protocolo 802.15.4 do Institute of Electrical and Eletronics Engineers (IEEE) na camada física e de enlace [Santos 2013].
O padrão Zigbee é muito usado em aplicações de sensoriamento, que necessitam de fluxo de informações e pouca manutenção. O consumo de energia do dispositivo é baixo, o módulo hiberna quando não há comunicação, assim podendo ser alimentado por baterias. A transmissão de dados na frequência de 2,4Ghz é realizada a uma taxa de 250Kbps, com raios de alcance entre 100m a 1,6Km [Souza, 2013].
3. Sensoriamento
Serão coletadas da rede elétrica informações para o correto funcionamento da aplicação, como sinal de tensão, corrente e amostras do sinal de energia elétrica. A figura 1 ilustra o diagrama de funcionamento:
Figura 1. Diagrama de funcionamento do projeto.
O projeto é dividido em quatro etapas:
Sensor de tensão; Sensor de corrente; Monitoramento da qualidade de energia e Supervisão com LabVIEW.
3.1. Sensor de tensão
Emissor de Luz (LED) para saturação da base de um fototransistor, que por sua vez funciona como chave para o acionamento da carga. O circuito montado no LTSpice é ilustrado na Figura 2:
Figura 2. Circuito para o sensor de tensão.
O sinal do output será diretamente ligado à um dos pinos A/D que o XBee Router possui, essa informação será enviado para o XBee Coordinator, onde através de uma rotina programada no LabVIEW, será informado ao usuário o valor da tensão medida.
3.2. Sensor de corrente
Para fazer a coleta do valor da corrente de cada cabo condutor fase, utilizamos o Transformador de Corrente (TC) indutivo e não invasivo. Foi escolhido esse TC ao invés do sensor de efeito hall pelos seguintes motivos: possui a vantagem de apenas envolvê-lo no cabo de alimentação e máximo de leitura 100A.
Na saída do TC é disponibilizada um sinal proporcional à corrente do cabo condutor, a razão de transformação é de 1 : 2.000. Com isso o máximo sinal de corrente em sua saída será de 50mA para um máximo de leitura de 100A.
O sinal da saída do TC é alternada, para realizar a medição desse sinal através do pino A/D do XBee, será necessário inserir a saída do sinal do TC em um circuito DC Bias, esse circuito adiciona tensão ao sinal de saída do TC, tornando positivo o semiciclo negativo do sinal alternado. O circuito pode ser visto na figura 3:
Figura 3. Circuito para conectar o sinal da saída do TC.
3.3. Monitoramento da qualidade de energia
do módulo XBee Router e transmitido ao módulo XBee Coordinator. O software LabVIEW irá aplicar a transformada de Fourier e disponibilizar o gráfico do resultado no domínio da frequência.
Pela norma de limites para emissão de harmônicos de corrente [IEC 61000-3-2], que se aplica aos equipamentos eletroeletrônicos que possuem uma corrente máxima de entrada de até 16 A por fase, conectados a uma rede pública de baixa tensão alternada, de 50 ou 60 Hz, com tensão fase-neutro entre 220 e 240V, se segue os valores da tabela 1 para garantir a qualidade de energia elétrica. Para os equipamentos domésticos, os valores estão localizados nas colunas A e B.
Tabela 1. Limites para os harmônicos de corrente [IEC 61000-3-2].
Esta norma tem aplicação principalmente na Europa, pois as tensões se encontram nessa faixa detalhada. Já os sistemas com tensão nominal inferior a 220V, não existem limites definidos. A ABNT não define padrões para a qualidade de energia elétrica, mas define especificações para equipamentos eletroeletrônicos. [Pomilio, 2014]
Por limitações do hardware, só será possível exibir até a 8ª harmônica, assim quanto mais componentes hamônicos no domínio da frequência na rede elétrica, mais o funcionamento dos equipamentos conectados nesta rede é prejudicado. O objetivo desse monitoramento é analisar o quanto de “sujeira” existe na rede elétrica.
3.4. Supervisão com o LabVIEW
O LabVIEW é uma linguagem de programação assim como a linguagem C, Basic e Delphi. Ele se insere na programação gráfica (G), sendo altamente produtiva para a elaboração de sistemas de aquisição de dados e instrumentação e controle. Assim a linguagem G permite usar uma estrutura em forma de gráficos, painel de interface e diagrama para criar os códigos em blocos, facilitando o entendimento e construção da aplicação. [Regazzi; Rogério Dias, 2005]
Para o monitoramento da qualidade de energia, haverá o gráfico do sinal da rede elétrica no domínio da frequência, informando a frequência fundamental e as suas harmônicas.
4 Resultados Esperados
Os principais resultados esperados para o projeto são:
Monitorar o consumo de energia elétrica; Monitorar a qualidade de energia elétrica; Êxito nas medições e transmissões de dados utilizando interfaces de comunicação sem fio; Diminuir o consumo de energia elétrica do local onde foi instalado o periférico.
5 Referências
Balanço Energético Nacional (2015) “Análise energética e dados agregados.” Disponível em: < https://ben.epe.gov.br/downloads/Relatorio_Final_BEN_2015.pdf> Acesso em: 20/05/2016.
IEC 61000-3-2 (1995). "Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 3: Limits -
Section 2: Limits for Harmonic Current Emissions (Equipment input current < 16A per phase)". International Electrotechnical Commision, First edition 1995-03.
Ministério de Minas e Energia (2015) Consumo de energia elétrica residencial. Resenha energética brasileira. Disponível em: < http://www.mme.gov.br/documents/1138787/1732840/Resenha+Energ%C3%A9tica +-+Brasil+2015.pdf/4e6b9a34-6b2e-48fa-9ef8-dc7008470bf2> Acesso em: 05/04/2016.
POMILIO, J. A. (2014) “Normas Relativas à corrente de linha: Harmônicas de baixa
frequência e interferência eletromagnética conduzida.” Capitulo 1. Disponível em:
<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/pfp/Cap1.pdf>. Acesso em: 20/05/2016.
REGAZZI, R. D. (2005) “Soluções Práticas de Instrumentação e Automação”. Rio de Janeiro, s.n, 465p.
SANTOS, L. F. (2013) “A IEEE 802.15.4 como plataforma de comunicação de
dados”. Revista Ilha Digital [on-line]. Vol.4. Santa Catarina. Instituto Federal de
Santa Catarina. ISSN 2177-2694. Disponível em: <http://ilhadigital.florianopolis.ifsc.edu.br/index.php/ilhadigital/article/viewFile/55/5 0> Acesso em 30/03/2016.
SOUZA, D. E. (2013) “Estudo das tecnologias de monitoramento de painéis em
usinas fotovoltaicas através de redes de sensores sem fio.” Arquitetura. Disponível
