Desafios tecnológicos das smart grids: contadores inteligentes

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Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Desafios Tecnológicos das Smart Grids – Contadores Inteligentes

Dissertação de Mestrado em Engenharia de Energias

Ricardo Filipe da Costa Carvalho

Orientadores: Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão Professor Doutor Eurico Vasco Ferreira Amorim

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Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Desafios Tecnológicos das Smart Grids – Contadores Inteligentes

Dissertação de Mestrado em Engenharia de Energias

Ricardo Filipe da Costa Carvalho

Orientadores: Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão Professor Doutor Eurico Vasco Ferreira Amorim

Composição do Júri

Professora Doutora Margarida da Conceição Rasteiro Magano Lopes Rodrigues Liberato Professor Doutor João Rafael da Costa Sanches Galvão

Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão

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V

Resumo

Atualmente verifica-se um consumo excessivo de energia obtida a partir de combustíveis fósseis. Esta tendência, conjuntamente com as alterações climáticas, a limitação das reservas destes combustíveis, o fraco rendimento global do sistema energético e a presente dependência energética dos países, tem impulsionado as energias renováveis a constituírem a base de um novo cenário energético. Desta forma, para integrar as energias renováveis no sistema elétrico, e promover uma participação ativa dos consumidores na sua própria produção, as redes inteligentes de eletricidade podem ser fundamentais para colmatar as necessidades do setor elétrico. Consequentemente, os contadores inteligentes surgem como elemento fundamental para tirar vantagens das redes inteligentes.

A necessidade de avaliar a implementação de sistemas de contadores inteligentes assumiu grande prioridade com a publicação da Diretiva 2006/32/CE sobre eficiência energética e mais recentemente as Diretivas n.os 2009/73/CE e 2009/72/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 13 de julho, que respetivamente estabelecem regras comuns para o mercado interno da eletricidade e do gás natural, integrando o designado «Terceiro Pacote Energético».

Sendo uma das principais vantagens dos contadores inteligentes, os consumidores puderem gerir os seus consumos através de informações recolhidas no contador, neste trabalho é proposto o estudo de diferentes perfis de consumo para consumidores residenciais urbanos e rurais, consumidores contínuos, comerciais e de serviços. Desta feita, foi realizado em Microsoft Excel uma plataforma, em que o utilizador pode consultar os preços da energia consumida em função da potência contratada para os diferentes cenários possíveis com diferentes tarifários disponíveis, podendo assim saber quais os ganhos/perdas na escolha de determinado tarifário.

Por outro lado, nessa mesma plataforma é possível ao utilizador gerar um cenário onde pode alterar o horário de funcionamento de algumas cargas em função daquele que é desejável ou de menor custo de energia sendo-lhe apresentado os ganhos na sua faturação mensal.

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VII

Abstract

Currently it turns excessive consumption of energy obtained from fossil fuels. This tendency, together with climate change, the limits of the reserves of these fuels, the poor overall performance of the energy system and the present energy dependence on countries, has driven renewable energy to form the basis of a new energy scenario.

This way, to integrate renewable electrical system, and promote the active participation of consumers in their own consumption, smart electricity grids can be critical to meet the needs of the electricity sector. Therefore, smart metering appears as key to taking advantages of the smart grids.

The need to evaluate the implementation of smart meters systems assumed high priority with the publication of Directive 2006/32/EC on energy efficiency and more recently Directives 2009/73/EC and 2009/72/EC, of the European Parliament and of the Council dated July 13, which respectively establish common rules for internal market in electricity and natural gas, integrating the called 'Third Energy Package'. Being one of the main advantages of smart meters, the consumers can manage their consumption through information obtained on the meter in this work it’s proposed the study of different consumption profiles for urban and rural residential, continuous, commercial and service consumers.

Thus, was performed in Microsoft Excel, a platform in which a user can see the energy prices according to their contracted power for different possible scenarios with different tariff available, and thus know what the gains / losses on the choice of a specific tariff.

Moreover, this same platform has generated a scenario in which a the user can change the opening hours of some charges on the basis of what is desirable or lower-cost energy being introduced to him gains in their monthly billing.

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IX

Agradecimentos

Os meus agradecimentos ao meu orientador Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão, pelo constante auxílio na elaboração deste trabalho, por todo o tempo disponibilizado e pelo conhecimento transmitido.

Ao meu coorientador Professor Doutor Eurico Vasco Ferreira Amorim pelos ensinamentos e conselhos dados durante todo o percurso universitário.

Ao Engenheiro Nuno Silva da empresa EFACEC, pela colaboração no esclarecimento de algumas questões, assim como pelas dicas para a elaboração da dissertação.

Ao Professor Doutor António Manuel Ribeiro de Sousa pela ajuda na criação do código em VBA que me ajudou na evolução da dissertação.

A todos os colegas e amigos que me acompanharam durante esta etapa de vida, que proporcionaram momentos fantásticos e me ajudaram no que precisei.

À minha família, pela educação, apoio e força e que tudo fez para que eu nunca desistisse.

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XI

Índice Geral

Resumo ... V Abstract ... VII Agradecimentos ... IX Índice de Figuras ... XIII Índice de Tabelas ... XV Lista de abreviaturas ... XVII

Capítulo 1-Introdução ... 1

1.1. Enquadramento... 1

1.2. Motivação e Objetivos ... 3

1.3. Organização da dissertação ... 5

Capítulo 2-Redes Inteligentes de Energia Elétrica ... 7

2.1. Caracterização da situação de contagem de eletricidade em Portugal ... 7

2.2. Redes e contadores inteligentes ... 10

2.2.1. Redes Inteligentes ou smart grids ... 10

2.2.1.1. Tecnologias “Smart grid” ... 13

2.2.2.Contadores Inteligentes ou Smart Meters (SM) ... 16

2.2.2.1. Funções e benefícios dos contadores inteligentes ... 18

2.2.2.2. Tecnologias de comunicação ... 19

2.2.2.3. Problemas e Desafios ... 21

2.2.2.4. Aplicações e Vantagens ... 24

2.3. Smart Meetering na Europa. ... 26

2.3.1. Projetos-Piloto de contadores inteligentes em Portugal ... 29

Capítulo 3- Estimação de consumos de energia elétrica usando tarifários variáveis. ... 39

3.1. Consumidor Residencial Rural ... 44

3.2. Consumidor Residencial Urbano ... 50

3.3. Consumidor de Serviços ... 54

3.4. Consumidor Comercial ... 57

3.5. Consumidor Contínuo ... 61

Capítulo 4- Conclusões e Trabalho Futuro ... 63

4.1. Conclusões... 63

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XIII

Índice de Figuras

Figura 1: Evolução das redes de distribuição de energia: o Passado (a), o Presente (b) e o Futuro (c) (IEA, 2011). ... 12

Figura 2: Partes interessadas nas redes inteligentes (IEA, 2011). ... 12

Figura 3: Áreas de Tecnologia das Redes Inteligentes (IEA, 2011). ... 13

Figura 4: Modelo de arquitetura de um contador de energia convencional, adaptado de (Jixuan et al., 2013). ... 17

Figura 5: Modelo de arquitetura de um contador de energia inteligente, adaptado de (Jixuan, Gao, & Li, 2013). ... 17

Figura 6: Arquitetura genérica da rede de comunicação (Cleveland, 2008). ... 19

Figura 7: Questões de design para um sistema com contador inteligente- adaptado de (Depuru et al., 2011). ... 23

Figura 8: Questões de manutenção para um sistema com contador inteligente- adaptado de (Depuru, Wang, & Devabhaktuni, 2011). ... 23

Figura 9: Desafios da transferência de dados para um sistema com contador inteligente- adaptado de (Depuru et al., 2011)... 24

Figura 10: Mapa de cores referentes aos projetos smart grid: organizações e locais de

implementação-adaptado de (JRC, 2014b). ... 26

Figura 11: Número de projetos smart grid na Europa (com especificações para Portugal) adaptado de (JRC, 2014a). ... 27

Figura 12: Situação legal e regulamentar do processo de implementação de contadores

inteligentes na União Europeia e Noruega (Hierzinger et al., 2012). ... 29

Figura 13: Número de EBs instaladas (milhares) em Évora no período de 2010-2011(KEMA, 2012). ... 32

Figura 14: Número de DTCs instaladas (unidades) em Évora no período de

2010-2011(KEMA, 2012). ... 32

Figura 15: Arquitetura da EDP Distribuição no Projeto InovGrid, adaptado de (METER-ON, 2014) ... 33

Figura 16: Contadores utilizados no projecto-piloto InovGrid (KEMA, 2012). ... 35

Figura 17: Rosto da aplicação para estimar consumos de energia elétrica ... 39

Figura 18: Aspeto da secção de otimização dos custos de energia elétrica na utilização dos equipamentos. ... 40

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XIV

Figura 19: Localização de 5 Postos de Transformação na cidade de Vila Real. ... 41

Figura 20:Perfil típico de um consumidor residencial rural. ... 44

Figura 21: Comparação dos custos energéticos mensais entre tarifários para um consumidor residencial rural. ... 48

Figura 22: Lucros/Prejuizos do tarifário smart grids em relação aos restantes para um

consumidor residencial rural. ... 48

Figura 23: Custos energéticos mensais durante um ano, para um consumidor residencial rural que utiliza um tarifário smart grids. ... 49

Figura 24: Perfil típico de um consumidor residencial urbano ... 50

Figura 25: Comparação dos custos energéticos mensais entre tarifários para um consumidor residencial urbano. ... 53

Figura 26: Lucros/Prejuízos do tarifário smart grids em relação aos restantes tarifários, para um consumidor residencial urbano. ... 53

Figura 27: Perfil típico de um consumidor de serviços. ... 54

Figura 28: Custos mensais para os diferentes de um consumidor de serviços, resultantes das alterações ... 56

Figura 29: Lucros/Prejuízos do tarifário smart grids em relação aos restantes tarifários para um consumidor de serviços. ... 56

Figura 30: Perfil energético típico de um consumidor comercial. ... 57

Figura 31: Comparação dos custos energéticos mensais entre o tarifário smart grids e os restantes tarifários para um consumidor comercial. ... 59

Figura 32: Lucros/Prejuízos do tarifário smart grids em relação aos restantes tarifários para um consumidor comercial. ... 60

Figura 33: Perfil típico de um consumidor contínuo ... 61

Figura 34: Comparação dos custos energéticos mensais entre o tarifário smart grids e os restantes para um consumidor contínuo. ... 62

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XV

Índice de Tabelas

Tabela 1: Número de contadores de BTN instalados em Portugal Continental, no final de 2010, em função do seu tipo ... 8

Tabela 2: Número de contadores de BTN instalados na R.A.da Madeira, no final de 2010, em função do seu tipo ... 9

Tabela 3: Número de contadores de BTN instalados na R.A dos Açores, no final de 2010, em função do seu tipo ... 9

Tabela 4: Tecnologias Smart Grid- Hardware e Software em função da área tecnológica(IEA, 2011). ... 15

Tabela 5: Implementação das tecnologias de comunicação nas Smart Grids. ... 21

Tabela 6: Principais características das Energy Boxes (Monofásicos e Trifásicos) (KEMA, 2012). ... 36

Tabela 7: Tarifário Simples, com respetivos preços de potência e de energia em função da potência contratada. ... 42

Tabela 8: Tarifário Bi-horário, com respetivos preços de potência e de energia em função da potência contratada. ... 42

Tabela 9: Tarifário Tri-horário, com respetivos preços de potência e de energia em função da potência contratada. ... 43

Tabela 10: Tarifário do Futuro ou Tarifário Smart Grids. ... 43

Tabela 11: Utilização de equipamentos consoante o período horário de um consumidor residencial urbano. ... 45

Tabela 12: Custos mensais para os diferentes tarifários de um consumidor residencial rural. 46

Tabela 13: Custos mensais para os diferentes tarifários de um consumidor residencial rural, resultantes das alterações ... 47

Tabela 14: Custos mensais para os diferentes tarifários de um consumidor residencial urbano ... 51

Tabela 15: Tarifário smart grids modificado nas potências contratadas de 3,45; 20,7 e

41,4kVA. ... 52

Tabela 16: Custos mensais para os diferentes de um consumidor residencial urbano,

resultantes das alterações ... 52

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XVI

Tabela 18:Comparação dos custos mensais com alteração custo horário no tarifário smart-grids ... 55

Tabela 19: Custos mensais para os diferentes tarifários de um consumidor comercial. ... 57

Tabela 20: Preços por kWh em função do horário (a) e preços de potência em função da potência contratada (b) ... 58

Tabela 21: Custos mensais para os diferentes tarifários de um consumidor comercial,

resultantes das alterações ... 59

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XVII

Lista de abreviaturas

AMI- Advanced metering infrastructure ou infraestruturas de medição avançada AMR- Automated meter reading ou leitura de contador automatizada

AT- Alta Tensão BT- Baixa Tensão

BTE- Baixa Tensão Especial BTN- Baixa Tensão Normal

CMVM- Comissão do Mercado de Valores Mobiliários

CNE- Comisión Nacional de Energía ou Comissão Nacional de Energia CO2- Dióxido de Carbono

DTC- Distribution Transformer Controller ou Controlador do transformador de distribuição EB- Energy Boxes

EDA- Eletricidade dos Açores EDP- Energias de Portugal

EEM- Empresa de Eletricidade da Madeira

ERSE- Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos

GPRS- General packet radio service ou Serviço de Rádio de Pacote Geral

GSM- Global System for Mobile Communications ou Sistema Global para Comunicações HAN- Home Area Network

HVDC- High-Voltage, Direct Current LAN- Local Area Network

MIBEL- Mercado Ibérico de Eletricidade MLL-Máquina de Lavar Loiça

MLR- Máquina de Lavar Roupa MT- Média Tensão

ORDs- Operadores de Rede de Distribuição

PLC DCSK- Power Line Communication- Differential Code Shift Keying PLC- Power Line Communication OU Comunicação via rede elétrica PT- Posto de Transformação

SEE- Sistema Elétrico de Energia

SIG- Sistemas de Informação Geográfica SIM- Subscriber Identity Module

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XVIII

SNGN- Sistema Nacional de Gás Natural WAMS- Wide Area Monitoring Systems WAN- Wide Area Network

WASA- Wide Area Situational Awareness

WAUPACA- Wide Area Adaptive Protection Control and Automation WiMAX- Worldwide Interoperability for Microwave Access

SM- Smart Meter ou Contador Inteligente SMS- Short Message Service

(19)

1

Capítulo 1-Introdução

1.1. Enquadramento

O atual paradigma energético baseia-se nos combustíveis fósseis. O petróleo, carvão e gás natural cobrem cerca de 80% das necessidades energéticas mundiais, prevendo-se um aumento na procura de energia de aproximadamente 50% até ao ano de 2030. As alterações climáticas induzidas pela queima desses combustíveis, conjuntamente com a limitação das suas reservas, o aumento da procura de energia, o fraco rendimento global do sistema energético e a elevada dependência energética impulsionam medidas de mitigação e uma necessidade de alterar o atual cenário energético. As energias renováveis desempenham assim, um papel fundamental num novo paradigma energético alicerçado na diversidade, flexibilidade e eficiência.

Assim, de forma a se poder integrar no sistema elétrico cada vez mais fontes de energia renovável, melhorar a eficiência energética das mesmas e promover uma participação cada vez mais ativa dos consumidores na sua própria produção, as redes inteligentes são apontadas então, como um bem fundamental para colmatar as novas necessidades do setor elétrico (Ipakchi & Albuyeh, 2009).

De realçar as preocupações com a complexidade crescente das redes elétricas de energia, o crescimento dos consumos elétricos, a exigência de uma maior fiabilidade, segurança e eficiência, bem como a sustentabilidade ambiental e energética têm vindo a destacar a necessidade de modernizar a atual infraestrutura do Sistema Elétrico de Energia (SEE).

Ao longo do último século foram poucas as mudanças na estrutura básica do sistema elétrico. Trata-se de uma estrutura fortemente hierarquizada e centralizada e que se prevê inadequada para as necessidades dos próximos anos, que vão para além do simples fornecimento de energia elétrica (ENERGY.GOV; Gungor et al., 2011). Como já referido acima, as redes inteligentes representam uma nova tendência para a modernização da rede elétrica de energia. Estas irão permitir uma produção, distribuição e consumo de energia mais fiável, eficiente, seguro e económico, através da integração de infraestruturas de comunicação e de tecnologias de eletrónica avançadas, presentes na sua constituição, assim como os sistemas “cloud”, que irão ter um papel importante na gestão, controlo e otimização dos diferentes dispositivos funcionais, inteligentes e sistemas presentes nas redes inteligentes. Os contadores

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1-Introdução

2

inteligentes surgem então como elemento fundamental dos sistemas de contagem (Gomes F. M 2008; Niyato & Wang, 2012).

A necessidade de avaliar a implementação de sistemas de contadores inteligentes assumiu grande prioridade com a publicação da Diretiva 2006/32/CE sobre eficiência energética (ERSE, 2012) e mais recentemente, a Portaria n.º 231/2013 de 22 de julho do Ministério da Economia e do Emprego, com os Decretos-Lei n.os 77/2011 e 78/2011, de 20 de junho, que transposeram para o ordenamento jurídico nacional as Diretivas n.os 2009/73/CE e 2009/72/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 13 de julho, que respetivamente estabelecem regras comuns para o mercado interno da eletricidade e do gás natural, integrando o designado “Terceiro Pacote Energético”.

O Terceiro Pacote Energético tem como principais objetivos o aumento da concorrência, a existência de uma regulamentação eficaz e o incentivo ao investimento em benefício dos consumidores de eletricidade e de gás natural.

Desta forma, os referidos Decretos-Lei n.os 77/2011 e 78/2011, de 20 de junho, vieram alterar os Decretos -Lei n.os 30/2006 e 29/2006, de 15 de fevereiro, que estabelecem as bases gerais da organização e funcionamento do Sistema Nacional de Gás Natural (SNGN) e do Sistema Elétrico Nacional (SEN).

Assim, perante as alterações apresentadas, prevê -se a introdução de sistemas com contadores inteligentes, como forma de reforço dos direitos dos consumidores e da participação ativa destes nos mercados de eletricidade e do gás natural, a qual fica dependente da realização, pela Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos (ERSE), de uma avaliação económica de longo prazo de todos os custos e benefícios, para o mercado e de um estudo que determine a solução de contadores inteligentes, economicamente mais racional, assim como períodos de instalação.

Segundo o artigo nº 3, relativo aos requisitos técnicos e funcionais, da Portaria nº 231/2013, os contadores inteligentes, a instalar no âmbito do sistema inteligente, devem dispor, pelo menos, das funcionalidades previstas no anexo I (funcionalidades dos contadores inteligentes), desse mesmo artigo. Da mesma forma, as tecnologias de comunicação dos contadores inteligentes necessitam ser as mais adequadas, tendo em conta a localização geográfica do ponto de consumo e a distância deste relativamente ao ponto de recolha de dados, devendo a escolha das tecnologias adotadas ser precedida de uma análise dos respetivos custos e benefícios, que exige ponderar o investimento inicial com os custos operacionais e de comunicações (Portaria n.º 231/2013 de 22 de julho).

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1-Introdução

3

1.2. Motivação e Objetivos

A gestão inteligente dos consumos resulta do facto de os consumidores terem disponível informação e meios (contadores inteligentes) que lhes permite gerir de forma mais eficiente o consumo de energia elétrica. Para o consumidor essa gestão passa essencialmente por consumir no período em que a energia é mais económica.

Para que tudo seja possível há também necessidade de desenvolver equipamentos e redes de comunicação. Assim, interessa definir estratégias de oferta de serviços aos clientes e as características que os meios físicos (contadores) devem possuir para as implementar.

Assim, este trabalho tem como principais objetivos a abordagem e compreensão de conceitos, tais como, redes inteligentes, contadores inteligentes, feedback do consumidor, e de que maneira a gestão ativa dos consumidores influencia os custos mensais.

Desta forma, algumas questões devem ser respondidas, relativamente à forma como a informação do preço é apresentada, em quantos intervalos de tempo deve ser dividido o tarifário ao longo do dia, qual a melhor estratégia de decisão para funcionamento dos equipamentos, assim como saber que outras funcionalidades são interessantes ter disponíveis, com a finalidade de tornar o sistema mais eficiente.

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1-Introdução

5

1.3. Organização da dissertação

Nesta seção, pretende-se identificar quais as principais fases do trabalho desenvolvido assim como a estrutura escolhida para redigir esta dissertação. Após serem definidos os objetivos e motivação inerentes a este trabalho, é feita a revisão de literatura associada ao mesmo, sendo apresentada no capítulo 2.

Nomeadamente a secção 2.1 é caracterizada a situação de contagem de eletricidade em Portugal; a secção 2.2 introduz o conceito de redes inteligentes e contadores inteligentes, assim as suas funções, benefícios e tecnologias de comunicação utilizadas; a secção 2.3 faz referência ao smart meetering na Europa, assim como a alguns projetos implementados em Portugal.

O capítulo 3 centra-se na apresentação da aplicação criada para estimar os custos energéticos para diferentes consumidores em tarifários variáveis, em que a secção 3.1 é referente ao estudo do tipo de consumidor residencial rural; a secção 3.2 do tipo de consumidor residencial urbano; a secção 3.3 do tipo de consumidor de serviços; a secção 3.4 do tipo de consumidor comercial e por fim a secção 3.5 do tipo de consumidor contínuo. Nestas secções são apresentados os resultados obtidos no caso de estudo.

Por fim, o capitulo 4, refere as principais conclusões, as contribuições desta dissertação, assim como eventuais possibilidades para trabalhos futuros.

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7

Capítulo 2-Redes Inteligentes de Energia Elétrica

O objetivo deste capítulo consiste na caraterização da situação de medição de eletricidade em Portugal, assim como abordar os conceitos de redes e contadores inteligentes. A secção 2.1 é relativa à caracterização da situação de contagem de eletricidade em Portugal, nomeadamente do estado de instalação de contadores convencionais em Portugal.

A secção 2.2 é essencialmente constituída pelos conceitos de contadores e redes inteligentes, assim como pela situação de Portugal e da União Europeia em relação a estes, onde serão caraterizados pontos associados à sua constituição, infraestrutura e benefícios associados à sua implementação.

Por fim a secção 2.3, é referente a projetos-piloto implementados na União Europeia, onde de destaca o projeto InovGrid em Portugal.

2.1. Caracterização da situação de contagem de eletricidade em Portugal

Nesta secção apresenta-se uma breve caraterização dos contadores de Baixa Tensão Normal (BTN) instalados em Portugal Continental e nas Regiões Autónomas dos Açores e da Madeira no final de 2010 (ERSE, 2012).

Os Operadores de Redes de Distribuição (ORDs) considerados são a EDP Distribuição, a Empresa de Eletricidade da Madeira (EEM) e a Eletricidade dos Açores (EDA), respetivas a Portugal Continental, Madeira e Açores, respetivamente (KEMA, 2012).

De referir que a situação atual em Portugal para as atividades de “medição” e “leitura”, rege-se pelo Regulamento de Relações Comerciais do Sector Elétrico e pelo Guia de Medição, Leitura e Disponibilização de Dados do Sector Elétrico, ambos emitidos pela ERSE em Julho e Dezembro de 2011, respetivamente.

Desta forma, os contadores de energia elétrica e respetivos acessórios são fornecidos e instalados pelo operador da rede nos pontos de ligação às instalações de clientes, que estejam fisicamente ligadas às redes de distribuição.

O fornecimento e a instalação dos equipamentos de medição constituem encargo do operador da rede, enquanto proprietário dos mesmos, o qual não pode cobrar qualquer quantia a título de aluguer ou indemnização pelo uso dos referidos aparelhos.

Por acordo com o operador da rede, o detentor da instalação pode instalar e proceder à manutenção do respetivo equipamento de medição, desde que sejam cumpridas as

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2-Redes Inteligentes de Energia Elétrica

8

especificações técnicas estabelecidas no “Guia de Medição, Leitura e Disponibilização de Dados”. Com efeito, a legislação não impede a instalação, por conta do interessado, de um segundo equipamento de características idênticas ou superiores às do equipamento fornecido pelo ORD (ERSE, 2011a, 2011b).

De destacar que os ORDs devem promover a leitura mensal para os clientes em BTE (potência contratada superior a 41,4 kVA). No caso dos clientes em BTN (potência contratada até 41,4 kVA), onde se incluem os consumidores domésticos, o ORD deve assegurar que o intervalo entre duas leituras não seja superior a três meses. Caso contrário o operador avisa o cliente de que foi tentada a leitura ou diligencia no sentido de informar o cliente da data da próxima leitura. As indicações recolhidas por leitura direta dos contadores prevalecem sobre quaisquer outras, sem prejuízo de poderem ser utilizados métodos para estimar o consumo (KEMA, 2012).

De seguida apresenta-se o ponto de situação no final de 2010, relativamente ao parque de contadores instalados em BTN, para Portugal Continental, Região Autónoma da Madeira e Região Autónoma dos Açoes.

No final de 2010, em Portugal Continental, estavam instalados pela EDP Distribuição 6 121 250 contadores em BTN, dos quais aproximadamente 70% são monofásicos e 30% trifásicos (ERSE, 2012; KEMA, 2012). Na Tabela 1, podemos verificar estes valores em função do tipo de contador.

Tabela 1: Número de contadores de BTN instalados em Portugal Continental, no final de 2010, em função do seu tipo

Tipo de Contadores Contadores de BTN instalados em Portugal

Continental

Eletromecânicos 4 418 969

Estáticos 1 367 601

Híbridos 334 680

Em Portugal Continental, os contadores em BTN são maioritariamente eletromecânicos (72%), representando os contadores estáticos e híbridos, respetivamente 22% e 6% do número total de contadores instalados. Cerca de 3,8 milhões de contadores (62%) foram instalados anteriormente ao ano 2000, encontrando-se já amortizados, sendo este período de amortização de 10 anos.

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9

Na Região Autónoma da Madeira, em 2010, a EEM apresenta 140 312 contadores instalados em BTN (ERSE, 2012; KEMA, 2012), com as características apresentadas na Tabela 2.

Tabela 2: Número de contadores de BTN instalados na R.A.da Madeira, no final de 2010, em função do seu tipo

Tipo de Contadores Contadores de BTN instalados na R.A. Madeira

Eletromecânicos 75 264

Estáticos 65 048

A distribuição entre contadores monofásicos e trifásicos é respetivamente 87% (122 128) e 13% (18 184).

Na Região Autónoma dos Açores, no final de 2010, a operadora de distribuição EDA, apresenta instalados 119 946 contadores em, com as seguintes características da Tabela 3 (ERSE, 2012; KEMA, 2012).

Tabela 3: Número de contadores de BTN instalados na R.A dos Açores, no final de 2010, em função do seu tipo

Tipo de Contadores Contadores de BTN instalados na R.A. Açores

Eletromecânicos 82 695

Estáticos 36 981

A distribuição entre contadores monofásicos e trifásicos é respetivamente 84% (100 343) e 16% (19 603).

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10

2.2. Redes e contadores inteligentes

Nesta secção apresenta-se a definição dos conceitos de redes inteligentes (ou

smart grids) e de contadores inteligentes (smart meters). Consequentemente, será

analisada a evolução da rede elétrica, assim como as tecnologias utilizadas nas

redes inteligentes. Em relação aos contadores inteligentes, serão abordados

aspetos como as funções e benefícios, tecnologias de comunicação, problemas e

desafios e ainda as aplicações e vantagens.

2.2.1. Redes Inteligentes ou smart grids

Smart grid ou rede inteligente trata-se de uma rede de energia elétrica, que utiliza tecnologias para monitorizar e gerir o transporte de eletricidade, a partir de todas as fontes de produção, para atender as diferentes necessidades dos utilizadores finais. Esta coordena as necessidades e capacidades de todos os produtores, operadores de rede, utilizadores finais e intervenientes do mercado de eletricidade para operar todas as partes do sistema de forma mais eficiente possível, minimizando os custos e os impactos ambientais, maximizando a confiabilidade, a resistência e a estabilidade do sistema. Assim, as redes inteligentes são consideradas, o futuro da rede de energia elétrica, capazes de gerir a produção, transmissão e distribuição de eletricidade, de maneira a resolver problemas dos sistemas das redes atuais, dos quais se destacam as quedas de tensão, blackouts, questões económicas, assim como problemas ambientais (IEA, 2011).

Assim, considerando-se os interesses económicos e ambientais, a aplicação de uma rede inteligente será essencial para o futuro próximo (Fadaeenejad et al., 2014; Ho & Le-Ngoc, 2013).

Segundo (Litos, 2011), uma smart grid é inteligente, eficiente, acolhedora, motivadora, oportunista, de qualidade, resiliente e “verde”.

 Inteligente pois reconhece sobrecargas no sistema, conseguindo evitar ou minimizar uma queda de potencial, e trabalha de forma autônoma quando as condições exigem uma resolução mais rápida do que os seres humanos podem responder

 Eficiente, uma vez que é capaz de atender o aumento do consumo dos clientes, sem adição de infraestruturas

 Acolhedora pois aceita energia a partir de praticamente qualquer fonte, incluindo solar e eólica tão facilmente e de forma transparente, como o carvão e o gás natural;

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11  Motivadora visto que permite a comunicação em tempo real entre o distribuidor e o consumidor, permitindo ainda aos consumidores adaptarem o seu consumo de energia a preferências individuais, como o preço e/ou preocupações ambientais;

 Oportunista porque cria novas oportunidades e mercados, através da sua capacidade de capitalizar sobre a inovação plug-and-play, onde e quando apropriado;

 De qualidade porque é capaz de fornecer a energia necessária com menores de quedas e picos de tensão, perturbações e interrupções;

 Resiliente porque é cada vez mais resistente a ataques e desastres naturais, tornando-se mais descentralizada e reforçada com protocolos de segurança;

 "Verde" uma vez que retarda o avanço das alterações climáticas oferecendo um caminho significativo para uma melhoria ambiental, devido à diminuição da necessidade de consumo.

As redes inteligentes são assim, um conjunto evolutivo de tecnologias que serão implementadas a velocidades diferentes numa variedade de configurações diferentes em todo o mundo, de acordo com a atração comercial, a compatibilidade com as tecnologias existentes, os desenvolvimentos regulatórios e estruturas de investimento.

A Figura 1 demonstra o caráter evolutivo das redes de distribuição de energia até às redes inteligentes. No Anexo 1 temos presente esta figura em maior detalhe.

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12

Atualmente, os sistemas de energia elétrica enfrentam uma série de desafios, tais como o envelhecimento das infraestruturas, o aumento contínuo na procura, a integração de novas fontes de energia renováveis e de veículos elétricos, a necessidade de melhorar a segurança do abastecimento, assim como de reduzir as emissões de dióxido de carbono. Estes desafios devem também ser abordados em relação ao ambiente regulatório de cada região. Dada a natureza de regulação do sistema elétrico, os defensores das redes inteligentes devem garantir o envolvimento com todas as partes interessadas, incluindo os fabricantes de equipamentos, operadores de sistemas e consumidores, para desenvolver soluções técnicas, financeiras e regulatórias adequadas que permitam maior potencial das smart grids, como ilustrado na Figura 2.

Figura 2: Partes interessadas nas redes inteligentes (IEA, 2011).

Figura 1: Evolução das redes de distribuição de energia: o Passado (a), o Presente (b) e o Futuro (c) (IEA, 2011).

c)

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13

2.2.1.1. Tecnologias “Smart grid”

Existem várias áreas de tecnologia nas redes inteligentes, das quais cada uma é composta por conjuntos de tecnologias individuais, que abrangem toda a rede, desde a produção à transporte e distribuição até aos consumidores de eletricidade.

Atualmente, algumas das tecnologias estão ativamente implementadas e são consideradas maturas, tanto no seu desenvolvimento como em aplicação (IEA, 2011).

Na Figura 3 podemos verificar as várias áreas de tecnologia aplicadas às redes inteligentes.

Figura 3: Áreas de Tecnologia das Redes Inteligentes (IEA, 2011).

O wide-area monitoring and control, denominado por controlo e monitorização em tempo real do desempenho dos componentes do sistema de energia, possibilita aos operadores do sistema entenderem e otimizarem estes mesmos componentes. Além de controlo e monitorização, existem ainda sistemas de:

 Conhecimento da situação (Wide Area Situational Awareness -WASA);

 Monitorização (Wide Area Monitoring Systems -WAMS);

 Proteção, controlo e automação (Wide Area Adaptive Protection Control and Automation -WAUPACA) - geram informações que ajudam na tomada de decisão, assim como pemitem diminuir/mitigar distúrbios na rede, e ainda melhorar a capacidade da transmissão e confiabilidade.

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14

Na integração da produção de energia renovável, as redes inteligentes podem ajudar através da automação e controlo da produção, para garantir o equilíbrio entre a oferta e procura. Quanto às aplicações de aperfeiçoamento de comunicação, há uma série de tecnologias e aplicações para este sistema. Os sistemas de transmissão flexíveis AC são utilizados para aumentar a capacidade do controlo das redes de transmissão e maximizar a capacidade de transferência de energia. A implantação deste tipo de tecnologia, nas linhas elétricas existentes, pode melhorar a eficiência da rede e adiar a necessidade de investimentos adicionais. Por outro lado, as tecnologias de alta tensão DC (High-Voltage, Direct Current -HVDC) são usadas para conectar a energia eólica offshore e parques solares a grandes áreas de energia, permitindo o uso eficiente de fontes de energia afastadas dos centros de carga. Por fim, os supercondutores de alta temperatura (HTS) são utilizados para reduzir significativamente as perdas de transporte. Um outro aspeto a abordar é a infraestrutura de medição (Advanced Metering Infrastructure-AMI) envolve a implantação de uma série de tecnologias, além dos contadores inteligentes que permitem o fluxo bidirecional de informações, oferecendo aos clientes e utilitários dados sobre preços e consumos de energia elétrica. A AMI proporciona uma vasta gama de funcionalidades:

 Fornecimento de informações sobre preços e tempo de utilização;

 Habilidade para obter, armazenar e reportar dados de consumo de energia do cliente para quaisquer intervalos de tempo necessários;

 Melhoria dos diagnósticos energéticos de perfis de carga;

 Capacidade de identificar a localização e extensão das falhas de forma remota;

 Ligação e abertura remota;

 Deteção de roubo;

 Permissão ao fornecedor energia para gerir as suas receitas através de cobranças de imposto de forma mais eficaz.

Por outro lado, as infraestruturas de carregamento de veículos elétricos lidam com a faturação e programação e outros recursos para um carregamento inteligente, durante o período de baixa procura de energia. A longo prazo prevê-se que a instalação deste tipo de estruturas possibilitará auxílio aos serviços de energia, nomeadamente na capacidade de reserva de energia.

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15

Por fim, os costumer-side systems, são usados para gerir o consumo da energia elétrica, quer a nível industrial quer residencial, e incluem sistemas de gestão de energia, dispositivos de armazenamento de energia e ainda dispositivos inteligentes.

A Tabela 4 destaca um conjunto de hardware e software associados a cada área de tecnologia. Existem assim uma vasta gama de tecnologias e aplicativos, em vários níveis de maturidade, das quais algumas ainda têm que ser demonstradas ou implementadas em grande escala.

Tabela 4: Tecnologias Smart Grid- Hardware e Software em função da área tecnológica(IEA, 2011).

Área

Tecnológica Hardware Software

Wide-area monitoring and

control

-Unidades de medição fasorial (PMU) e outros equipamentos sensoriais.

-Sistemas de controlo de supervisão e aquisição de dados (SCADA); -Sistemas de monitoramento em área

ampla (WAMS);

-Sistemas de controlo, automação e proteção em área ampla (WAUPACA).

Information and communication technology integration -Equipamento de comunicação (PLC, WIMAX, LTE);

-Routers, relés, interruptores e computadores (servidores).

-Software de planeamento de recursos empresariais (ERP)

-Sistemas de informação de clientes (CIS)

Renewable and distributed generation integration -Equipamentos de condicionamento de energia

para suporte de rede -Hardware de comunicação e

controlo de produção

-Sistema de gestão de energia (EMS); -Sistema de gestão de distribuição (DMS);

-SCADA;

-Sistemas de informação geográfica (GIS)

Transmission enhancement

-Supercondutores; -FACTS;

-HVDC.

-Análises de estabilização de rede; -Sistemas de recuperação automáticos.

Distribution grid management

-Interruptores e capacitores;

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-Sensores de armazenamento e de produção distribuída.

-Sistemas de gestão de distribuição (DMS);

-Sistemas de gestão de interrupção (OMS).

Advanced metering infrastructure -Contadores inteligentes -Servidores; -Relés.

-Sistemas de gestão de dados de contagem (MDMS). EV charging infrastructure -Infraestrutura de carregamento; - Baterias e inversores.

-Sistemas de faturação de energia; -Redes de carregamento (G2V) e de descarregamento (V2G) para veículos

elétricos; Customer-side systems -Aparelhos inteligentes; -Sistemas de automação em edifícios; -Acumuladores térmicos, -Termostatos inteligentes - Painéis de energia; -Sistemas de gestão de energia; -Aplicações de energia para smartphones e

tablets.

Uma vez abordadas as tecnologias aplicas nas redes inteligentes, assim como os seus principais clientes, é assim importante determinar e explorar o conceito de smart meters.

2.2.2.Contadores Inteligentes ou Smart Meters (SM)

Os contadores inteligentes (smart meters) podem ser definidos como contadores de energia avançados que medem o consumo de energia de determinado consumidor e fornecem informação adicional para a empresa de distribuição (Depuru et al., 2011; Jixuan et al., 2013).

Estes contadores denominados por inteligentes apresentam a capacidade de ler informações em tempo real do consumo de energia, incluindo os valores de tensão, ângulo de fase e frequência, permitindo o envio desses dados, de forma segura. A esta capacidade de envio de dados dá-se o nome de comunicação bidirecional, que permite a recolha de informações sobre a eletricidade reenviada das instalações do cliente para a rede elétrica. Um sistema de contagem inteligente, como o próprio nome indica, inclui um contador inteligente, uma infraestrutura de comunicação e dispositivos de controlo. Estes podem ser usados para monitorizar e controlar todos os aparelhos e dispositivos domésticos nas instalações do cliente,

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17

assim como recolher informações de diagnóstico sobre a rede de distribuição e ainda comunicar com outros contadores no seu alcance (Depuru et al., 2011). Contudo, podem ainda medir o consumo de eletricidade da rede, apoiar fontes de produção descentralizada e dispositivos de armazenamento de energia, assim como faturar o cliente em conformidade.

Do ponto de vista do consumidor, os SM oferecem uma série de potenciais benefícios. Os consumidores são assim capazes de estimar as suas contas a partir das informações recolhidas e, assim, gerir os seus consumos de energia para reduzir a faturação de energia elétrica (Depuru et al., 2011; Jixuan et al., 2013). Estes smart meters podem ser programados de tal forma que, só a energia consumida a partir da rede elétrica é faturada enquanto a energia consumida a partir de fontes de produção distribuída ou dispositivos de armazenamento de propriedade dos clientes não é faturada. Desta forma podem limitar o consumo máximo de energia elétrica, e podem terminar ou recomeçar o fornecimento de energia elétrica a qualquer cliente remotamente.

Em futuras redes de distribuição de energia elétrica, os SM terão um papel preponderante no controlo do desempenho e uso de energia (Depuru et al., 2011).

Nas Figuras 4 e 5 estão apresentados os modelos de arquitetura de um contador de energia convencional e de um contador inteligente.

Figura 4: Modelo de arquitetura de um contador de energia convencional, adaptado de (Jixuan et al., 2013). Cliente Residencial ou Industrial Contador de Energia Convencional Recolha de

dados Manual Faturação _Manual

Cliente Residencial ou Industrial Contador Inteligente Comunicação interface/protocol Entrada Comunicação interface/protocolo Base de dados

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Os SM podem ainda ser programados para controlar o horário de uso de determinados eletrodomésticos, assim como de outros dispositivos em conformidade. Além disso, a integração dos contadores inteligentes ajuda as empresas de distribuição de energia elétrica na deteção de uso não autorizado ou furto de energia, tendo em vista melhorar a eficiência da distribuição e qualidade de energia (Depuru, Lingfeng, & Devabhaktuni, 2010).

Nos subcapítulos seguintes serão apresentadas as funções e benefícios, as tecnologias de comunicação, assim como os problemas e desafios dos contadores inteligentes.

2.2.2.1. Funções e benefícios dos contadores inteligentes

Segundo (Jixuan et al., 2013), as principais funções de um contador inteligente são de recolha, gravação e armazenamento de dados, de controlo de carga, de segurança, de comunicação bidirecional e de faturação. Este destaca ainda que são numerosos os benefícios da instalação dos SM, quer para os ORDs, quer para os consumidores, e ainda para entidades governamentais. Assim, para os ORDs, os SM permitem a redução de custos, através da melhoria da leitura remota e do sistema de faturação; são capazes de gerir melhor os períodos de pico de carga; usam de forma mais eficiente os recursos energéticos e a rede elétrica e ainda a melhoram a gestão de carga do transformador da linha de transmissão.

Para os consumidores, os SM mostram os dados do cliente em função do seu uso de energia elétrica, atualizam automaticamente as leituras com frequência suficiente, permitindo o uso da informação no sentido de atingir poupanças de energia (KEMA, 2012), apresentam ao cliente a fatura elétrica mais rigorosa e atempada e ajudam o cliente a usar melhor os equipamentos elétricos durante o período em que a energia se encontra mais cara.

Para o Governo, os SM estimulam a economia através do investimento em redes de contadores inteligentes, melhoram a condição do meio ambiente através da redução de emissão de CO2, levam à redução do consumo, aumentando a consciência do padrão de consumo e

ajudam numa melhor previsão de carga para a rede elétrica e evitam um blackout de grande escala.

Por fim, os contadores inteligentes são também benéficos em aspetos comerciais do fornecimento de energia e a nível de segurança (KEMA, 2012), uma vez que suportam sistemas de tarifários avançados; permitem remotamente ligar/desligar e limitar potência relativamente

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ao fornecimento e fluxo de energia; providenciam uma comunicação de dados segura; permitem prevenção e deteção de roubo e proporcionam leituras de energia importada/exportada e energia reativa.

No futuro, os contadores inteligentes terão um papel importante para as redes de distribuição de eletricidade, nomeadamente no acompanhamento do desempenho e uso de energia da rede. A recolha de dados do consumo de energia de todos os clientes com regularidade permitirá às empresas ligadas à área da energia, gerirem a procura de eletricidade de forma mais eficiente e aconselharem também os clientes sobre as maneiras mais eficientes de utilizarem os seus aparelhos.

2.2.2.2. Tecnologias de comunicação

Como citado anteriormente, os contadores inteligentes envolvem uma enorme quantidade de transferência de dados. Sendo estes dados sensíveis, confidenciais e restritos, os padrões e diretrizes de comunicação necessitam ser reformulados para garantir que a transferência de dados dentro da rede seja segura. Além da segurança, é também importante que estes dados contenham as informações completas e credíveis sobre o consumo de energia, sem manipulações ou erros de cálculo, sendo assim necessário a autenticação destes dados (Cleveland, 2008).

A Figura 6 mostra a arquitetura genérica da rede de comunicação capaz de desempenhar todas as características acima citadas.

Figura 6: Arquitetura genérica da rede de comunicação (Cleveland, 2008).

Unidades de Produção Setor de Comunicação ( garante a continuidade de fornecimento ) Setor de Distribuição ( monitoriza e controla as falhas ) Fornecedores de energia ( Contadores de fontes de energia renováveis ) Dispositivos de clientes ( contadores inteligentes e aplicações domésticas ) Operações de rede

( dados de coordenadas e sinais de controlo entre clientes , aparelhos e operadoras de distribuição )

Dispositivos de comunicação ( protocolos de comunicação , coletores de

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Como se verifica na Figura 6, os dispositivos no setor de comunicação, garantem o transporte adequado da energia produzida; os sistemas de controlo no setor de distribuição asseguram o acompanhamento e as falhas de controlo; os dispositivos de comunicação como gateways de protocolo, coletores de dados e repetidores coordenam os sinais de dados e de controlo entre todos os dispositivos a rede de comunicação.

Por outro lado é importante saber quais os sistemas de comunicação utilizados nos sistemas de contagem inteligente. Desta feita, o sistema que utiliza a comunicação unidirecional (one-way) para recolher os dados é chamado de leitura de contador automatizada (AMR) e o sistema que utiliza comunicação bidirecional (two-way) com a capacidade de controlar e monitorizar os contadores é referida como sistema de medição avançada de infraestruturas (AMI). A combinação da leitura automática e a comunicação de duas vias é a razão pela qual o contador é chamado de inteligente (Arif et al., 2013).

A tecnologia AMRé idealizada para fazer a leitura do contador de forma automática e precisa, reduzindo o custo do contador para o fornecedor e a faturação aos clientes com leituras reais. Além disso a AMR tem a capacidade de aumentar a precisão das leituras assim como permite uma leitura frequente. Os contadores inteligentes são capazes de enviar as leituras através de linhas de comunicação e reconhecer os seus endereços e ativar/desativar os módulos internos. Para ter essa capacidade, a tecnologia AMR requer uma infraestrutura específica, que possa torná-lo bidirecional, a AMI, como referido anteriormente. O meio de comunicação num sistema de AMI deve garantir a comunicação entre os SM e o computador central no provedor de serviços. A rede AMI tem a capacidade de registar pontos do contador, e comunicar com as instalações do cliente (Arif et al., 2013; Hart, 2008). A estrutura de comunicação pode ser ligada por Power Line Communication (PLC), ou sem fios como Global System Mobile (GSM) e Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX). O modo como é feita a escolha deve ter em conta as distâncias entre os dispositivos e a infraestrutura existente (Arif et al., 2013; Bennett & Highfill, 2008).

GSM é um sistema de telefone móvel que digitaliza e comprime os dados antes do seu envio. A principal vantagem do GSM é a sua utilização generalizada em todo o mundo assim como o uso de Subscriber Identity Module (SIM) e possibilidade de envio de Short Message Service (SMS).

Outra nova tecnologia que os SM estão a usar atualmente é a comunicação ZigBee, de baixo custo, baixo consumo de energia e sem fios. Segundo (Arif et al., 2013) a ZigBee é uma tecnologia-chave para as redes inteligentes, considerando o seu fácil controlo automatizado dos

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aparelhos e o baixo custo de instalação e manutenção. Tem ainda a particularidade de oferecer comunicação entre contadores e capacidade de monitoração remota (Arif et al., 2013; Hurwitz & Wing-Hung, 2011).

PLC e Wi-Fi são outras tecnologias de comunicação que têm sido estudadas. Power Line Communication ou PLC é um tipo de comunicação capaz de transmitir dados sobre condutores de linha de energia existentes, de forma confiável e a alta velocidade (Rafiei & Eftekhari, 2012; Sungwook et al., 2011)

Os sistemas PLC operam com o envio de um sinal modulado pelos condutores da linha elétrica. Dependendo das características da transmissão efetuada, para diferentes sistemas PLC, existem diferentes faixas de frequência, que podem ir desde os 24 kHz até aproximadamente 2GHz (Rafiei & Eftekhari, 2012).

Por fim, a tecnologia WiFi, desenvolvida na década de 1990, é uma tecnologia sem fios que apresenta um alcance finito em que uma ligação sem fios pode ser mantida entre o computador e o ponto de acesso, neste caso o contador inteligente. Esta distância varia em função da banda de frequência do sinal e da velocidade contratada (Popa, Ciocarlie, Popa, & Racz, 2010; Rafiei & Eftekhari, 2012).

Na Tabela 5 podemos verificar a penetração das tecnologias de comunicação nas smart grids.

Tabela 5: Implementação das tecnologias de comunicação nas Smart Grids.

2.2.2.3. Problemas e Desafios

Tendo em vista as vantagens técnicas e melhorias de operação, a integração das smart grids destaca-se como uma solução valiosa na gestão da rede existente. No entanto, a implementação e manutenção do sistema de contagem inteligente envolve muitas questões e

Tecnologias de Comunicação

Produção Transmissão Distribuição _Consumidor

Convencional Energias Renovávei s Monitorização e proteção da linha Controlo e monitorização de dados Proteção e monitorização da linha de distribuição Proteção e monitorização do equipamento Leitura automática Controlo e automação residencial e industrial PLC o o       ZigBee   o o     WiFi  o  o o    WiMax    o o o  o GSM e GPRS        

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desafios, essencialmente no custo elevado de investimento para a implementação e manutenção da rede (Depuru et al., 2011; Hallberg, 2009).

Desta forma, este investimento tem de ser realizado proporcionalmente ao aumento da procura de energia. Inicialmente, o processo de substituição de contadores inteligentes requer um enorme desafio das empresas de distribuição, assim como se complicará com o aumento do número de clientes. Na implementação da rede de comunicação, algumas localidades poderão surgir como obstáculo, devido às dificuldades de acesso (Bennett & Highfill, 2008; Depuru et al., 2011).

A recolha e a transmissão dos dados do consumo de energia é um processo contínuo que é feito de forma automática, que pode gerir conflito entre clientes, umas vez que os SM podem criar alguns riscos de privacidade e segurança de dados, podendo revelar informação sobre a presença de pessoas nas suas residências, e consequentemente alguns clientes podem não estar dispostos a comunicar os seus dados de consumo com o contador inteligente do “vizinho” (Depuru et al., 2011; Hallberg, 2009; Silva, 2009).

Além da comunicação com a estação base, os SM devem executar comandos de controlo com as empresas de serviços públicos, envolvendo uma enorme quantidade de transferência de dados entre o contador e o servidor da estação base, no qual a manutenção, gestão e armazenamento destes pode ser uma tarefa tediosa. Há ainda algumas questões técnicas a serem consideradas, a de segurança, de largura da banda, a integração de dispositivos de modulação, o software implementado e o tipo de protocolo (Cleveland, 2008; Depuru et al., 2011).

Assim, apesar destas questões, os ORDs podem encontrar alguns desafios na cobertura de rede, capacidade de armazenamento de dados e questões de propagação.

A Figura 7, ilustra alguns dos principais problemas e restrições de design de um contador inteligente, incluindo a tecnologia a ser incluída. Esta tecnologia pode incluir o tipo de sistemas de faturação, os sistemas de controlo e outras tecnologias de medição, os aspetos de segurança físicos, tais como posicionamento e tipo de estrutura que abriga os componentes do contador inteligente, o custo dos dispositivos inteligentes, o tipo de infraestrutura de comunicação necessária, incluindo o custo total para a receção e transmissão de dados, o tipo de rede a ser escolhida com base nas dificuldades terrestres, a disponibilidade de sinal, a segurança cibernética e ainda o tipo e alcance do sinal (Depuru et al., 2011; Ericsson, 2010; Foley, 2008).

Embora as gateways dos clientes sejam inteligentes e facilmente compatíveis com outros dispositivos, eles são propensos a riscos de segurança. Além disso, os contadores de

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energia estão localizados em ambientes abertos e inseguros e precisam de abrigo adequado para ser fisicamente seguro (Depuru et al., 2011; Ericsson, 2010; Foley, 2008).

Na Figura 8, podemos verificar os problemas a nível da manutenção de um sistema de contador inteligente, na media em que é necessário ter em conta as falhas de rede de comunicação e do servidor base e ainda o facto do contador inteligente necessitar de manutenção. Contador Inteligente Tecnologia Software Faturação Tecnologia de contagem Aspetos físicos Força Custo Comunicação

Tipo de rede Gama de rede

Custos de dispositivos de rede Dificuldades Terrestres Sinal de Disponibilidade Qualidade de sinal Segurança Cibernética Identificação dos aparelhos Manutenção Falhas de Rede Rede de Comunicação Contador

Inteligente Servidor Base

Figura 7: Questões de design para um sistema com contador inteligente- adaptado de (Depuru et al., 2011).

Figura 8: Questões de manutenção para um sistema com contador inteligente- adaptado de (Depuru, Wang, & Devabhaktuni, 2011).

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Quanto à Figura 9, verificam-se os desafios relativamente à transferência de dados, na medida em que devem ser estudadas as variáveis necessárias a apresentar, a quantidade de informação, o tipo de modulação de dados e ainda quem tem a possibilidade de acesso a estes dados.

2.2.2.4. Aplicações e Vantagens

Um sistema de contagem inteligente oferece várias vantagens, das quais o controlo e a monitorização eficiente do sistema de energia. Particularmente em micro redes, os contadores inteligentes podem realizar a alocação de custos de energia, análise de falhas, o controlo da procura e a análise da qualidade de energia. Estes podem ainda programar a manutenção preventiva e faturar de forma precisa (Depuru et al., 2011; Mahmood, Aamir, & Anis, 2008).

Além disso, os contadores inteligentes podem detetar a presença da componente harmónica indesejada na corrente fornecida a partir de fontes de produção de forma descentralizada, o que ajuda na identificação e eliminação da fonte do problema (Depuru et al., 2011; Lee & Lai, 2009).

Técnicas de reconhecimento de padrões podem também ser utilizadas como parte do sistema de contagem inteligente, a fim de ter acesso à informação dos dispositivos e incentivos financeiros para o desempenho do cliente. A leitura do contador de energia manual é um trabalho tedioso, contínuo e caro. No sistema de medição convencional, o leitor do contador tem que se deslocar às habitações e fazer a leitura manualmente para produzir e emitir a fatura. Todo este processo pode ser simplificado com a ajuda de um contador inteligente e mecanismos de comunicação adequados. O aumento da segurança energética, bem como a economia de energia impulsiona a instalação e a adoção de contadores inteligentes (Boait, 2009; Depuru et al., 2011). Dados Variáveis necessárias Quantidade de informação Quem pode acessar Modulação

Figura 9: Desafios da transferência de dados para um sistema com contador inteligente- adaptado de (Depuru et al., 2011)

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Geralmente, cargas desequilibradas causam flutuações no perfil de tensão de um alimentador de distribuição localizado distante da subestação. Os SM podem analisar e controlar essas flutuações em redes de baixa tensão, assim como controlar a carga máxima de um cliente durante um período de pico. Caso algum cliente exceda o seu limite, o fornecimento de energia elétrica será impedido para esse mesmo cliente (Abart, Lugmair, & Schenk, 2009; Depuru et al., 2011; Maitra, 2008).

Adicionando novos dispositivos ao sistema de contagem inteligente, verifica-se um aumento das capacidades deste tipo de tecnologia. Desta forma, ferramentas baseadas em Sistemas de Informação Geográfica (SIG) podem ser integradas ao sistema, a fim de obter informações específicas sobre a localização geográfica de uma falha potencial. De notar que a identificação rápida e a retificação de erros e outras questões que exigem a atenção da empresa concessionária reduz a duração das perdas de energia global (Depuru et al., 2011; Mahmood et al., 2008).

Para além das vantagens apresentadas anteriormente, a possibilidade de acesso a tarifários novos, assim como de novas dinâmicas que permitem ao consumidor final tirar benefício dessas mesmas, são outros aspetos benéficos com a inclusão de contadores inteligentes nas habitações, possibilitando desta forma aos utilizadores dar uma resposta à procura de energia, deslocando as cargas para outros períodos do dia (Cowburn, 2001; Depuru et al., 2011; Vojdani, 2008).

Contudo, os SM devem ser introduzidos, a fim de lutar contra os problemas básicos que as empresas de serviços públicos de energia e respetivos clientes enfrentam e não como um produto de luxo. Assim, a integração de contadores inteligentes facilita a integração de dispositivos de produção descentralizada e de armazenamento de energia.

Num futuro próximo, a procura de energia deverá ser muito mais elevada que a atual. Diante dessa situação, muitos países em desenvolvimento não têm capacidade para tal. Assim, para preencher esta lacuna, além destes necessitarem de aumentar a produção, o controlo do furto de energia e a normalização dos clientes de eletricidade existentes pode gerenciar este aumento da procura de energia. Os contadores inteligentes surgem como equipamentos que possibilitam a promoção destes pontos (Depuru et al., 2011).

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2.3. Smart Meetering na Europa.

Com base no relatório “Smart Grid Projects Outlook 2014” do Instituto de Energia e Transporte (IET) do Joint Research Centre (JRC), é possível apresentar as últimas análises referentes aos projetos de redes inteligentes de todos os Estados-Membros da União Europeia. Desta feita, este relatório apresenta uma pesquisa de um total de 459 projetos smart grid, implementados a partir de 2002 até hoje, com um investimento total de 3,15 mil milhões de euros.

Com o auxílio de ferramentas de visualização interativa é possível estar atualizado acerca do tema, permitindo gerar mapas personalizáveis conforme a informação desejada. Na Figura 10, através de um mapa de calor (heat map) verificam-se todas os locais de implementação de projetos smart grid, assim como as empresas, centros de investigação, universidades e outras organizações ativas no estudo das redes inteligentes. De realçar que este mapa é referente a todos os estudos e projetos implementados até dia 1 de Agosto de 2014.

De verificar que cidade como Paris, Bilbao, Roma, Madrid, Kobenhavn são os que apresentam de forma global maiores estudos nesta área. Contudo, a nível de projetos implementados, são Bilbao, Barcelona, Londres e Genève, os locais com maior destaque.

Figura 10: Mapa de cores referentes aos projetos smart grid: organizações e locais de implementação-adaptado de (JRC, 2014b).

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Contudo, se verificarmos o número total de projetos na União Europeia até 1 de Agosto de 2014, a Alemanha surge como o país que apresenta o maior número de projetos associados às redes inteligentes. A partir da Figura 11, verifica-se que a Alemanha apresenta um total de 131 projetos, dos quais 66 em pesquisa e desenvolvimento (R&D) e 65 em demonstração e implementação (Demo & Deployment).

De destacar o segundo lugar para a Dinamarca com um total de 118 projetos, e a Itália em terceiro lugar com 110. Quanto a Portugal, este ocupa o décimo segundo lugar na Europa com um total de 34 projetos, dos quais 17 estão em pesquisa e implementação e os restantes 17 em demonstação e implementação.

Posteriormente ao estudo da situação das redes inteligentes na Europa é então importante saber a situação dos contadores inteligentes também na Europa. Desta feita, de acordo com o relatório do "JRC Reference Reports, Smart Grid projects in Europe: lessons learned and current developments", de 2011, cerca de 45 milhões de contadores inteligentes estão atualmente instalados na Europa, sendo expectável que existam cerca de 240 milhões em 2020 (Giordano et al., 2011).

Devido à pressão regulamentar do terceiro pacote do mercado de energia da União Europeia, a maioria dos países da UE têm, ou estão a instalar contadores inteligentes. Além disso, em alguns Estados-Membros estão a ser instalados contadores eletrónicos com comunicação bidirecional, por questões económicas, mesmo sem todos os requisitos legais específicos (Giordano et al., 2011; Hierzinger et al., 2012).

Com base no relatório do projeto “Smart Regions” que visa promover as melhores práticas dos serviços de smart metering na Europa foram analisados em todos os países o estatuto legal e regulamentar, assim como o progresso na implementação.

Figura 11: Número de projetos smart grid na Europa (com especificações para Portugal) adaptado de (JRC, 2014a).

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Assim os Estados-Membros da Europa e a Noruega foram divididos em cinco grupos: os dynamic movers, market drivers, ambiguous movers, waverers e laggards(Hierzinger et al., 2012).

1. Os “motores dinâmicos” caracterizam-se pela totalidade de contagem inteligente. Ou a implementação de contadores inteligentes já é obrigatória, ou existem grandes projetos-piloto que estão à espera de uma decisão posterior. Neste grupo inserem-se a Estónia, Finlândia, França, Irlanda, Itália, Malta, Holanda, Noruega, Portugal, Espanha, Suécia e Reino Unido.

2. Os “drivers de mercado” são países onde ainda não existem requisitos legais para a implementação, ou as empresas de distribuição de energia ainda não apresentaram projetos-piloto. Neste grupo estão presentes a Dinamarca, Alemanha e a República Checa.

3. Os “ambíguos”, como a Áustria e Polónia representam os países em que a questão dos contadores inteligentes está no topo da agenda das partes interessadas. Contudo, devido à falta de clareza, apenas alguns distribuidores de energia decidiram instalar contadores inteligentes.

4. Os “indecisos” como o próprio nome indica, já mostraram interesse na medição inteligente. No entanto, as iniciativas ainda estão em andamento, ou ainda não surgiu esforço para a regulamentação da medição inteligente. Bélgica, Grécia, Letónia e Roménia são os países que representam este grupo.

5. Por fim, os " atrasados " são países onde a medição inteligente ainda não é um um caso a implementar. Este grupo é composto por Bulgária, Chipre, Hungria, Lituânia, Luxemburgo, Eslovénia e Eslováquia.

Assim, completando a informação anteriormente citada, a Figura 12 apresenta uma visão geral da situação legal e regulamentar do processo de implementação de contadores inteligentes permitindo tecnologias e serviços com o objetivo de alcançar poupanças de energia e /ou deslocamento dos picos de carga.