Considerando a Aplicação em Redes Inteligentes
(Smart Grids)
Jonas Fernando Schreiber
Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação em Modelagem Matemática da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - Unijuí - como parte dos requisi-tos necessários para a obtenção do Grau de Mestre em Modelagem Matemática.
Paulo Sérgio Sausen, D.sc. Orientador
Airam Teresa Zago Romcy Sausen, D.sc. Co-Orientadora
Ijuí, RS, Brasil c
Considerando a Aplicação em Redes Inteligentes
(Smart Grids)
Jonas Fernando Schreiber
Dissertação de Mestrado apresentada em Setembro de 2013
Paulo Sérgio Sausen, D.sc. Orientador
Airam Teresa Zago Romcy Sausen, D.sc. Co-Orientadora
Alexandre Cunha Oliveira, D.sc. Componente da Banca
Manuel Martín Pérez Reimbold, D.sc. Componente da Banca
Ao meu lho Miguel
por ser o bem mais precioso que tenho na vida.
Agradeço a toda minha família pelo apoio.
A minha esposa por me dar o maior presente que eu poderia ganhar, meu Miguel. Aos orientadores, obrigado pela paciência em minhas dúvidas.
Aos professores do mestrado pelos ensinamentos.
A todas as pessoas envolvidas do GAIC, em especial ao Prof. Maurício por ter me dado o apoio técnico e conhecimentos necessários e aos bolsistas por todo o esforço nas medições.
A UNIJUI pela estrutura física.
Aos servidores do DEMEI pela disponibilidade quando precisamos das instalações na rede elétrica.
A CAPES, pela bolsa, que me permitiu realizar mais uma etapa importante na minha vida.
A todos que, de uma forma ou de outra, me apoiaram e me deram forças para conti-nuar.
E a minha inesquecível vó Ana, que sempre tinha uma mensagem de otimismo. Esteja onde estiver Vó, muito obrigado...
Creo en la humildad del que sabe ganar, Creo en el honor sin uniformes ni Dios. No creo en un altar que salve mi fé, ser honesto es mejor que un cielo lleno de himnos. No creo en un líder que dirija mis pies, mi rey es mi voluntad, mi patria mi hogar." Txus Di Fellatio, Creo (La Voz Dormida - Parte II)
A presente dissertação tem como objetivo principal a validação do modelo matemá-tico PI a partir da avaliação do seu desempenho tanto a nível de representação elétrica, como também nas transmissões de sinal de comunicação em alta frequência, usualmente utilizadas em tráfego conhecido como Power Line Communication (PLC). Para atingir este objetivo, inicialmente, foi realizado o estudo e avaliação dos modelos matemáticos utilizados para representar um segmento de distribuição de energia. Depois foi utilizado um emulador em escala de potência reduzida, validado para baixa frequência, objetivando avaliar o modelo matemático escolhido. Como o foco do trabalho é a rede de distribuição em baixa tensão, foi realizada a construção de um circuito elétrico representativo de um trecho real de uma concessionária de energia, no caso deste trabalho o DEMEI, que foi implementado computacionalmente utilizando a ferramenta matemática Matlab e sica-mente em um dos laboratórios do Grupo de Automação Industrial e Controle (GAIC). Foi realizado um conjunto signi cativo de medições, de corrente e tensão, no circuito real e os resultados foram comparados com os dados obtidos a partir das simulações compu-tacionais do modelo escolhido para representar o circuito real utilizando uma transmissão PLC, no caso o modelo PI. A partir da análise dos resultados reais com os obtidos das simulações computacionais foi possível comprovar que o modelo PI representa satisfatori-amente o trecho simulado em relação a transmissão em altas frequências, uma vez que o sinal PLC transmitido no trecho simulado no Matlab em relação ao trecho real teve um erro inferior a 1%.
Palavras-chave: power line communications, plc, modelos matemáticos, modelo pi.
This master thesis is focused on the validation of a mathematical model able to sa-tisfactorily represent a power distribution network, evaluating their performance both in terms of electrical representation, but also in high frequency transmissions usually used in tra c called Power Line Communication (PLC). Initially we used an emulator on power reduced scale, previously validated for low frequency. As the focus of the study is the distribution network at low voltage, was builded a circuit representing a real power network, in the case of this study, of DEMEI, which was implemented using the mathe-matical tool Matlab and physically in one of the laboratories of the Grupo de Automação Industrial e Controle (GAIC). We conducted a signi cant number of measurements of current and voltage in real circuit and the results were compared with data obtained from computational simulations of the model chosen to represent the actual circuit using a PLC transmission, the PI model. From the analysis of real results with those obtained from computer simulations was possible to prove that the PI model represents satisfactorily the simulated power line regarding the transmission at high frequencies, since the PLC signal transmitted in the line simulated in Matlab in relation to real line had an error of less than 1%.
Keywords: power line communications, plc, mathematical models, pi model.
Lista de Abreviaturas e Siglas
BT - Baixa Tensão
P LC - Power Line Communication M T - Média Tensão
M G- Minas Gerais
M AT - Muito Alta Tensão AT - Alta Tensão
N BR- Norma Brasileira
ABN T - Associação Brasileira de Normas Técnicas CA - Condutor de Alumínio puro
AAC - All Aluminum Conductor
AAAC - All-aluminum-alloy conductors (Condutor de liga de alumínio pura) CAA - Condutor de alumínio com alma de aço
ACSR - Aluminum Conductor Steel Reinforced
ACAR - Aluminum conductor, Alloy-reinforced (Condutor de alumínio com alma de liga de alumínio)
LT - Linhas de transmissão SI - Sistema Internacional
M KS - Metro, quilograma e segundo d.d.p.- diferença de potencial
RS - Rio Grande do Sul
DEM EI - Departamento Municipal de Energia de Ijuí AM R - Automatic Meter Reading
AM M - Automatic Meter Management AM I - Advanced Metering Infrastructure W AN S - Wide Area Sensor Networks EP RI - Electric Power Research Institute EM S - Energy Management System DM S - Distribution Management System
SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition
IHM - Interface Homem Máquina T I - Tecnologia da Informação RJ - Rio de Janeiro
CEEE - Companhia Estadual de Distribuição de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul
IP - Internet Protocol (Protocolo de Internet) CEM IG - Companhia Energética de Minas Gerais SP - São Paulo
KEP CO - Korea Electric Power Corporation AN EEL - Agência Nacional de Energia Elétrica OP LAT - Onda Portadora em Linhas de Alta Tensão BP L - Broadband Over Power Line
CRE - Comunicação pela Rede Elétrica EDF - Électricité de France
EDP - Electricidade de Portugal
EEF - Entreprises Électriques Fribourgeoises P P C - Power Plus Communications
SSE - Scottish Southern Electric DS2- Design of Systems on Silicon
Copel - Companhia Paranaense de Energia Escelsa - Espírito Santo Centrais Elétricas Celg - Companhia Energética de Goiás SE - Subestação de distribuição
W AN - Wide Area Network
OF DM - Orthogonal Frequency Division Multiplex (Multiplexação Ortogonal por Di-visão de Frequência)
GM SK - Gaussian Minimum Shift Keying F DM - Frequency Division Multiplex
CEN ELEC - European Committee for Electrotechnical Standardization RM S - Root Mean Square
GAIC - Grupo de Automação Industrial e Controle
Lista de Símbolos
Hz - Hertz, unidade de frequência que equivale a ciclo por segundo V - Volt, unidade de tensão elétrica
kg - Quilograma m - Metro s - Segundo
m - Metro, unidade de medida km - Quilômetro, mil metros H - Henry F - Farad S - Siemens kV - Mil volts N - Newton m s2 - Aceleração v - Tensão −e - Elétron +e - Próton q - Carga de um condutor A - Ampère i - Corrente instantânea p - Potência elétrica t - Tempo T - Período W - Energia transferida R - Resistência L - Indutância C - Capacitância Z - Impedância Y - Admitância
r - Resistência dos condutores
Ir - Corrente nas barras receptoras α - Constante de atenuação
β - Constante de fase sen - Seno
cos - Cosseno
tanh - Tangente hiperbólica cosh - Cosseno hiperbólico sinh - Seno hiperbólico g - Condutância
Ω- Ohms
R1 - Resistência de sequência positiva
R0 - Resistência de sequência negativa
L1 - Indutância de sequência positiva
L0 - Indutância de sequência zero
C1 - Capacitância de sequência positiva
C0 - Capacitância de sequência zero
Zres - Impedância do resistor
XLres - Reatância Indutiva do resistor
π - Proporção numérica na relação entre o perímetro de uma circunferência e seu diâmetro
Lres - Indutância do resistor
Zsist - Impedância do resistor + cabo
XLsist - Reatância Indutiva do resistor + cabo
Lsist - Indutância do resistor + cabo
XLcabo - Reatância Indutiva do cabo
Lcabo - Indutância do cabo
Lmetro - Indutância por metro do cabo
f - Frequência mm- Milimetro r1 - Raio do cabo
D - Distância entre os cabos Diametro1 - Diâmetro do cabo
cabo1 - Diâmetro do primeiro cabo
cabo2 - Diâmetro do segundo cabo
tlab/Simulink
R6 - Resistência de 6, 6Ω
XLR6 - Reatância indutiva do resistor de 6, 6Ω
Vi - Tensão da fonte de entrada do circuito
V0 - Tensão no resistor do circuito
Ii - Corrente do circuito
Zi - Impedância do circuito
Rcabo - Resistência do cabo
Zcabodia01 - Impedância do cabo do dia 01
XLcabodia01 - Reatância Indutiva do resistor + cabo do dia 01
Lcabodia01 - Indutância do cabo do dia 01
Lmetrodia01 - Indutância por metro do cabo do dia 01
Zcabodia02 - Impedância do cabo do dia 02
XLcabodia02 - Reatância Indutiva do cabo do dia 02
Lcabodia02 - Indutância do cabo do dia 02
Lmetrodia02 - Indutância por metro do cabo do dia 02
Zcabodia03 - Impedância do cabo do dia 03
XLcabodia03 - Reatância Indutiva do cabo do dia 03
Lcabodia03 - Indutância do cabo do dia 03
Lmetrodia03 - Indutância por metro do cabo do dia 03
Zcabodia04 - Impedância do cabo do dia 04
XLcabodia04 - Reatância Indutiva do cabo do dia 04
Lcabodia04 - Indutância do cabo do dia 04
Lmetrodia04 - Indutância por metro do cabo do dia 04
Zcabodia05 - Impedância do cabo do dia 05
XLcabodia05 - Reatância Indutiva do cabo do dia 05
Lcabodia05 - Indutância do cabo do dia 05
Lmetrodia05 - Indutância por metro do cabo do dia 05
Zcabomedia - Impedância do cabo da media dos dias
XLcabomedia - Reatância Indutiva da media dos dias
Lcabomedia - Indutância da media dos dias
Lmetromedia - Indutância por metro da media dos dias
3.1 Comparação entre rede elétrica existente e Smart Grid . . . 33
6.1 Parâmetros dos cabos para o trecho estudado . . . 69
7.1 Resultados das medições com e sem o transformador . . . 84
7.2 Parâmetros da linha de cabos Coopernu CA . . . 85
8.1 Medições realizadas em laboratório no primeiro dia . . . 94
8.2 Medições realizadas em laboratório no segundo dia . . . 96
8.3 Medições realizadas em laboratório no terceiro dia . . . 98
8.4 Medições realizadas em laboratório no quarto dia . . . 100
8.5 Medições realizadas em laboratório no quinto dia . . . 102
8.6 Média das medições realizadas em laboratório . . . 103
Lista de Figuras
2.1 Cadeia de valores da energia elétrica [1] . . . 14
2.2 Distribução das Fontes Primárias no Brasil em 2010. Adaptado de [2] . . . 15
2.3 Distribução das Fontes Primárias no Mundo em 2007. Adaptado de [2] . . . 16
2.4 Componentes de um cabo condutor de energia elétrica [3] . . . 16
2.5 Tipos de cabos elétricos para baixa tensão [3] . . . 16
2.6 Fio elétrico [3] . . . 17
2.7 Condutor Encordoado Compactado [3] . . . 17
2.8 Condutor Encordoado [3] . . . 18
2.9 Condutor Flexível [3] . . . 18
2.10 Fio isolado [4] . . . 18
2.11 Condutor isolado [4] . . . 18
2.12 Cabo unipolar com um único condutor [4] . . . 19
2.13 Cabo multipolar com três condutores isolados [4] . . . 19
2.14 Componentes das linhas aéreas de transmissão [5] . . . 20
2.15 Sentido da corrente positiva [6] . . . 22
2.16 Potência Elétrica . . . 22 2.17 Resistor . . . 23 2.18 Indutor . . . 24 2.19 Capacitor . . . 24 2.20 Circuito em série [6] . . . 25 2.21 Circuito em paralelo [6]. . . 26
2.22 Admitância em Circuito Paralelo [6] . . . 26
3.1 Sistema de Fornecimento de Energia no Brasil [7] . . . 32
3.2 Sistema de Energia Integrado [7] . . . 32
3.3 Smart Grids em camadas [8] . . . 35
3.4 Medidor Inteligente de Energia Elétrica [9] . . . 38
3.5 Medidor Inteligente de Combustíveis [9] . . . 38
3.7 Medidor Inteligente de Gases [9] . . . 39
3.8 Funcionamento de um Relé [10] . . . 41
3.9 Esquema de instalação de medidores [11] . . . 42
3.10 (a) Religador com o PLC. (b) Equipe instalando os equipamentos [12] . . . 42
3.11 Modelo Conceitual de um Smart Grid [13] . . . 45
4.1 Topologia básica de uma rede PLC [12] . . . 49
4.2 Topologia PLC Indoor [14] . . . 50
4.3 Topologia PLC para acesso na última milha [14] . . . 50
4.4 Topologia PLC para acesso WAN [14] . . . 51
4.5 Subportadoras de um sinal OFDM [15] . . . 53
4.6 Comparação de espectros entre FDM convencional e o OFDM [15] . . . 53
5.1 Modelo PI . . . 57
5.2 Circuito Equivalente PI . . . 58
5.3 Representação por quadripolos . . . 58
5.4 Modelo PI Nominal . . . 59
5.5 Modelo de linha longa . . . 60
5.6 ABCD Constantes . . . 62
5.7 Modelo PI Equivalente . . . 63
5.8 Rede equivalente para linhas com perdas [16] . . . 63
5.9 Rede equivalente de meia-linha [16] . . . 64
5.10 Modelo Bergeron [16] . . . 64
6.1 Árvore de decisão para a escolha de um modelo [16] . . . 66
6.2 Circuito PI para linhas curtas . . . 67
6.3 Trecho a ser utilizado no modelo . . . 68
6.4 Circuito utilizado para a simulação . . . 70
6.5 Sinal de alta frequência obtido no Matlab . . . 71
6.6 Emulador com analisador instalado. . . 72
6.7 Grá co da tensão no Emulador . . . 72
6.8 Grá co Simulação x Emulador . . . 73
7.1 Multímetro de bancada Agilent HP 34401A [17] . . . 74
7.2 Osciloscópio Agilent DSO-X 2014A iniciando. . . 75
7.3 Resistor de 3, 3Ω utilizado . . . 75
7.4 Resistor de 6, 6Ω utilizado . . . 76
7.5 Condutor utilizado . . . 77
7.7 Dados da placa do transformador . . . 80
7.8 Sinais no resistor de 3, 3Ω sem estar ligado ao transformador . . . 80
7.9 Sinais no resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em BT . . . 81
7.10 Sinais no resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em MT . . . 82
7.11 Sinais no resistor de 6, 6Ω sem estar ligado ao transformador . . . 82
7.12 Sinais no resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em BT . . . 83
7.13 Sinais no resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em MT . . . 83
7.14 Topologia utilizada nas medições . . . 84
7.15 Condutores acondicionados em carretéis de madeira [18] . . . 85
7.16 Rede montada no textitMatlab/Simulink . . . 87
7.17 Bloco da fonte PLC . . . 87
7.18 Equipamento PLC . . . 88
7.19 Circuito montado em laboratório . . . 89
7.20 Circuito montado em laboratório . . . 90
7.21 Condutores em paralelo . . . 90
7.22 Isoladores xando os condutores . . . 90
7.23 Resistor de 6, 6Ω acoplado ao circuito . . . 91
7.24 Mesmo Resistor de 6, 6Ω acoplado ao circuito . . . 91
8.1 Equipamentos Agilent e PLC em funcionamento . . . 92
8.2 Equipamento Agilent em funcionamento . . . 93
8.3 Tensão e corrente do Dia 01, medidos na fonte transmissora . . . 93
8.4 Tensão do Dia 01, medida no resistor. . . 94
8.5 Tensão e corrente do Dia 02, medidos na fonte transmissora . . . 95
8.6 Tensão do Dia 02, medida no resistor. . . 96
8.7 Tensão e corrente do Dia 03, medidos na fonte transmissora . . . 97
8.8 Tensão do Dia 03, medida no resistor. . . 98
8.9 Tensão e corrente do Dia 04, medidos na fonte transmissora . . . 99
8.10 Tensão do Dia 04, medida no resistor. . . 100
8.11 Tensão e corrente do Dia 05, medidos na fonte transmissora . . . 101
8.12 Tensão do Dia 05, medida no resistor. . . 102
8.13 Bloco PI com dados de fábrica do cabo . . . 105
8.14 Bloco da carga com um resistor de 6, 6Ω . . . 105
8.15 Dados de fábrica: tensão no resistor . . . 106
8.16 Dados de fábrica: corrente obtida . . . 106
8.17 Dados de fábrica: tensão inicial, nal e corrente . . . 106
8.18 Bloco PI com dados da medição no laboratório . . . 107
8.20 Dados de laboratório: corrente obtida . . . 108 8.21 Dados de laboratório: tensão inicial, nal e corrente . . . 108
Sumário
1 Apresentação 8 1.1 Introdução . . . 8 1.2 Motivação . . . 8 1.3 Objetivos . . . 9 1.3.1 Objetivo Geral . . . 9 1.3.2 Objetivos Especí cos . . . 9 1.4 Contribuições . . . 10 1.5 Estrutura do Documento . . . 10 2 Conceitos Básicos 12 2.1 Energia Elétrica . . . 12 2.1.1 Histórico . . . 122.1.2 Cadeia de valores da Energia Elétrica . . . 13
2.2 Condutores . . . 16
2.2.1 Características Básicas . . . 17
2.2.2 Condutor de Alumínio . . . 19
2.3 Redes de Distribuição de Energia Elétrica . . . 19
2.3.1 Linhas de Transmissão . . . 20
2.4 Unidades de Medida . . . 21
2.5 Resistor, Indutor e Capacitor . . . 23
2.5.1 Resistência R . . . 23
2.5.2 Indutância L . . . 24
2.5.3 Capacitância C . . . 24
2.6 Circuitos em série e em paralelo . . . 25
3 Smart Grid 28 3.1 Conhecendo a tecnologia . . . 29
3.1.1 Características de Funcionamento . . . 31
3.1.2 Tecnologias utilizadas . . . 35 5
3.1.3 Aplicações Residenciais . . . 40
3.2 Projetos no Brasil . . . 41
3.3 Estado da Arte . . . 43
3.4 Futuro da Tecnologia . . . 43
4 Power Line Communication 46 4.1 Histórico . . . 46
4.2 Funcionamento . . . 48
4.2.1 Modulação . . . 51
4.2.2 Aplicações . . . 54
4.2.3 Desa os . . . 54
5 Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão 56 5.1 Linhas de Transmissão . . . 56
5.1.1 Modelagem através de parâmetros concentrados . . . 57
5.1.2 Modelagem através de parâmetros distribuídos . . . 60
5.2 Conclusão . . . 65
6 Modelo PI 66 6.1 Escolha do Modelo Matemático . . . 66
6.2 Simulação em Escala Reduzida . . . 69
6.2.1 Trecho Escolhido . . . 69
6.2.2 Modelo Simulado . . . 70
6.2.3 Modelo em Escala Reduzida . . . 71
6.2.4 Considerações Sobre a Escala Reduzida . . . 72
7 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 74 7.1 Caracterização dos componentes . . . 74
7.1.1 Resistores . . . 75
7.1.2 Condutor . . . 77
7.2 In uência do transformador para um sinal PLC . . . 79
7.2.1 Medições com resistor de 3, 3Ω sem o transformador . . . 80
7.2.2 Medições com resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em BT 81 7.2.3 Medições com resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em MT 81 7.2.4 Medições com resistor de 6, 6Ω sem o transformador . . . 82
7.2.5 Medições com resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em BT 82 7.2.6 Medições com resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em MT 83 7.2.7 Resultados . . . 84
7.4 Dados de fábrica do cabo utilizado . . . 85
7.4.1 Cálculo da indutância do condutor . . . 86
7.5 Modelo no MATLAB/Simulink . . . 87 7.6 Equipamento PLC . . . 88 7.7 Laboratório . . . 89 8 Resultados 92 8.1 Medição em laboratório . . . 92 8.1.1 Medições Dia 01 . . . 93 8.1.2 Medições Dia 02 . . . 95 8.1.3 Medições Dia 03 . . . 97 8.1.4 Medições Dia 04 . . . 99 8.1.5 Medições Dia 05 . . . 101 8.1.6 Médias . . . 103
8.2 Simulação com dados de fábrica . . . 105
8.2.1 Simulação com dados do laboratório . . . 107
8.3 Comparativo dos resultados obtidos . . . 108
9 Conclusão 109
Apresentação
1.1 Introdução
A energia elétrica representa, de forma muito consistente, a capacidade de evolução do ser humano, se caracteriza como fundamental e exerce uma importante função na socie-dade, pois contribui com o crescimento e bem estar de todos. Os sistemas de distribuição de energia elétrica utilizados atualmente foram desenvolvidos na década de 40 do século passado, e com o passar dos anos vários aperfeiçoamentos foram sendo realizados, sem-pre objetivando garantir o bom desempenho deste sistema. Neste sentido, em função do grande avanço da tecnologia da informação e da automação, alguns novos conceitos foram surgindo, entre eles, destaca-se o conceito de Redes Inteligentes (Smart Grids). As Redes Inteligentes caracterizam-se por novas tecnologias quem vêm sendo empregadas para tornar o sistema elétrico uma rede moderna integrando fontes de energia renováveis, automação, iluminação e telemetria para gerenciamento de recursos (e.g., água, gás e ele-tricidade). A partir do uso destas novas tecnologias (i.e., Smart Grid e Smart Metering) os modelos tradicionais utilizados para representar as redes de distribuição de energia ne-cessitam sofrer alterações para representar, corretamente, sinais elétricos com frequência diferente de 60Hz. Um exemplo, destas novas tecnologias, é a transmissão Power Line Communication (PLC).
1.2 Motivação
A transmissão de dados utilizando a rede elétrica possui diversos desa os, dentre eles pode-se destacar o problema da atenuação. Ocasionados, principalmente, pela utiliza-ção de diversos tipos de aparelhos elétricos conectados na rede, o que atenua o sinal de transmissão. A aceitação dos modelos matemáticos atualmente utilizados para simular linhas de distribuição, visando aplicá-los ao teste destas novas tecnologias (i.e.,
são PLC), é algo a ser veri cado. Para alcançar este objetivo é necessário realizar testes computacionais a partir de simulações e compará-los a resultados reais como forma de veri car se os modelos atuais conseguem representar coerentemente este ambiente com as novas tecnologias que vem surgindo, no caso deste trabalho será dado maior ênfase na tecnologia de transmissão de dados PLC.
1.3 Objetivos
Nesta seção são apresentados os objetivos do presente trabalho. Para facilitar a com-preensão, optou-se em dividí-los em Objetivo Geral e Objetivos Especí cos, os quais são detalhados na sequência.
1.3.1 Objetivo Geral
A presente dissertação tem como objetivo principal o estudo e validação de um modelo matemático que represente, adequadamente, um segmento de uma rede de distribuição de energia elétrica, avaliando o seu desempenho tanto em nível de representação elétrica, como também do ponto de vista de transmissões de sinais de dados a partir do uso da tecnologia Power Line Communications (PLC).
1.3.2 Objetivos Especí cos
• Realizar uma revisão bibliográ ca que contemple os principais modelos matemáticos usados para representar o sistema elétrico. Em um primeiro momento, esta revisão cará restrita a modelos que possam representar apenas um segmento de distribuição de energia em BT.
• Estudar o ambiente computacional (i.e., Ferramenta Computacional Matlab) utili-zado para implementar os modelos matemáticos utiliutili-zados neste trabalho.
• Seleção do modelo de linha de transmissão entre aqueles discutidos na da literatura que melhor represente o sistema a ser estudado.
• Validar o(s) modelo(s) escolhido(s), anteriormente, em uma rede de média tensão a partir da utilização de um emulador especialmente desenvolvido para esta nalidade. • Realizar uma revisão bibliográ ca da tecnologia Power Line Communication,
obje-tivando sua avaliação em uma rede de baixa tensão.
• Construir um circuito que represente uma linha de transmissão de energia elétrica em baixa tensão, realizando medições para comparar com os resultados simulados.
• Realizar um estudo por simulação objetivando a avaliação do comportamento da comunicação PLC, a partir da utilização do modelo selecionado.
1.4 Contribuições
Este trabalho faz uso de dados reais e simulações para realizar uma análise comparativa de modelos matemáticos de linhas de transmissão de energia elétrica. É fato que os mode-los hoje existentes representam satisfatoriamente o sistema real para operação em 60Hz, porém há uma carência na avaliação do comportamento desses modelos para frequências maiores. A principal contribuição deste trabalho é de realizar uma série de comparativos, veri cando qual modelo matemático consegue representar, de forma satisfatória, o com-portamento de uma rede de distribuição de energia tanto para frequências baixas, como para frequências mais elevadas utilizadas na comunicação PLC. Estes comparativos serão realizados a partir de simulações computacionais e experimentos práticos utilizando uma rede de energia elétrica de baixa tensão.
1.5 Estrutura do Documento
Nesta dissertação é proposto o estudo e validação de um modelo matemático que repre-sente, de forma satisfatória, o comportamento da rede elétrica de distribuição em baixa tensão para sinais de alta frequência. Para tanto, este trabalho está organizado da seguinte forma:
• No Capítulo 2 serão revisados os conceitos básicos, referentes a energia elétrica, necessários para o entendimento desta dissertação;
• No Capítulo 3 será apresentado o conceito de Smart Grid, mostrando as caracte-rísticas da tecnologia, bem como aplicações e projetos no país, e uma previsão do futuro da mesma;
• No Capítulo 4 é introduzida a tecnologia PLC, alvo principal deste estudo;
• No Capítulo 5 serão apresentados os modelos matemáticos utilizados atualmente para modelagem de linhas de transmissão de energia elétrica;
• No Capítulo 6 será apresentado o modelo matemático adequado para os testes de PLC, de acordo com as características da rede escolhida;
• No Capítulo 7 será realizada a caracterização dos componentes utilizados, bem como da aplicação do modelo matemático escolhido na linha de transmissão de baixa tensão;
• No Capítulo 8 serão apresentados os resultados dos experimentos em laboratório. Estes resultados serão comparados com os resultados obtidos a partir das simulações computacionais.
Conceitos Básicos
Nesta seção serão apresentados alguns conceitos básicos necessários para o correto enten-dimento e compreensão desta dissertação. Será apresentado, inicialmente, um histórico do surgimento e da evolução dos sistemas elétricos, posteriormente serão apresentadas as principais unidades de medida, de nições de circuitos, energia elétrica e redes de distri-buição de energia.
2.1 Energia Elétrica
Energia é a capacidade de realizar trabalho ou de transferir calor. Nas sociedades huma-nas, a energia teve origem na forma endossomática, ou seja, aquela que chega através de cadeias ecológicas, que possui como fonte primária de energia o sol, ao iluminar, aquecer, transferir energia para as águas, formando nuvens e chuvas, e fornecer energia aos ve-getais, através da fotossíntese. Para satisfazer suas primeiras necessidades, basicamente alimentação, fonte de iluminação noturna e aquecimento, o homem apropriou-se do uso do fogo e desenvolveu a agricultura e a pecuária, armazenando energia excedente nos animais e alimentos [19]. Atualmente a energia elétrica é indispensável, se tornando um item essencial no cotidiano.
2.1.1 Histórico
A primeira aplicação da eletricidade se deu no campo das comunicações, com o telégrafo e o telefone elétrico. O caráter econômico de energia elétrica data de 1870, aproximadamente, época em que as máquinas elétricas (dínamos e motores de corrente contínua) atingiram o estágio que permitiu seu uso na geração e na utilização da energia elétrica como força motriz em indústrias e nos transportes. A iluminação pública, com lâmpadas a arco voltaico, apresentava-se como uma alternativa à iluminação pública a gás [5].
Em 1882, Thomas Edison construiu as primeiras usinas geradoras em corrente contí-nua, para a iluminação. A rede de distribuição subterrânea abrangia uma área de 1600 metros de raio em torno da usina, gerando uma energia de 110V em corrente contínua. Com esta tensão de 110V para seu sistema, Edison praticamente iniciou uma padroniza-ção das tensões de energia elétrica a nível de consumidor, utilizada até hoje. As técnicas do transporte a distâncias maiores constituía-se em uma limitação ao uso da energia elé-trica, que o potencial energético hidráulico estava fora do alcance como fonte primária de energia.
Em 1886, ocorreu a primeira transmissão de energia elétrica em corrente alternada por George Westhinghouse. O uso da corrente alternada e dos sistemas polifásicos desen-volvidos por Nikola Tesla, em conjunto com o transformador e ciente de Willian Stanley, proporcionaram a transmissão a grandes distâncias e o uso doméstico da energia elétrica. Em maio de 1888, Nicole Tesla, na Europa, apresentou um artigo descrevendo motores de indução e motores síncronos bifásicos. O sistema trifásico seguiu-se com o desenvolvi-mento de geradores síncronos e motores de indução. As vantagens sobre os sistemas de corrente continua zeram com que os sistemas de corrente alternada passassem a ter um desenvolvimento muito rápido.
A energia elétrica se tornou o principal insumo, devido a facilidade de transporte e de conversão direta em qualquer outro tipo de energia [20]. Isto pode ser comprovado pelo fato de países mais industrializados duplicarem seu consumo de energia elétrica a cada dez anos. Atualmente, a produção de eletricidade é responsável por aproximadamente um terço do consumo de energia primária mundial.
No Brasil, a primeira linha de transmissão de que se tem registro foi construída por volta de 1883, em Diamantina/MG. Tinha por m transportar a energia produzida em uma usina hidrelétrica, constituída por duas rodas d'água e dois dínamos a uma distância de 2km. Esta energia transportada acionava bombas hidráulicas em uma mina de dia-mantes. Entre 1945 e 1947 foi construída a primeira linha de 230kV no Brasil, com um comprimento de 330km, destinada a interligar os sistemas Rio Light e São Paulo Light, operando inicialmente em 170kV, passando a 230kV em 1950 [5].
2.1.2 Cadeia de valores da Energia Elétrica
Basicamente, a cadeia de valores da energia elétrica divide-se em quatro etapas: produção, transporte, distribuição e comercialização, que são interligadas conforme Figura 2.1.
Figura 2.1: Cadeia de valores da energia elétrica [1]
De acordo com [1], a cadeia de valor da energia elétrica começa com a fonte de energia. A produção elétrica envolve a geração de potência elétrica, através de turbinas ligadas a geradores elétricos. As turbinas em questão são movidas pela ação de um uido, podendo ser:
a) Vapor - Resultado do aquecimento da água pela ssão nuclear ou pela queima de combustíveis fósseis (carvão, gás natural ou óleo). Algumas centrais também usam o sol como fonte de aquecimento, através de painéis solares;
b) Água - Através das usinas hidrelétricas;
c) Vento - A energia eólica é a energia obtida pelo movimento do ar, e pode ser trans-formada em energia mecânica e elétrica. Das energias renováveis a energia eólica é de maior interesse na atualidade [14]. É uma abundante fonte de energia, renovável, limpa e disponível em todos os lugares;
d) Gases quentes - As turbinas são movidas diretamente pela combustão de gases na-turais. Existem turbinas movidas simultaneamente pela ação do vapor e gás. Nestes casos, a energia é gerada pela queima do gás natural numa turbina de gás, usando o calor residual para gerar eletricidade pelo vapor.
A matriz energética do sistema elétrico brasileiro é baseada principalmente em ener-gias renováveis, com predominância de usinas hidrelétricas, com o transporte da energia possuindo proporções continentais. Quando as fontes de energia estão indisponíveis em uma região, ela é compensada por outra região. Adicionalmente, para complementar a oferta de energia, foram construídas novas usinas termoelétricas que podem ser acionadas, aumentando a quantidade de pontos de interconexão e a complexidade no gerenciamento do sistema [7].
Depois de produzida, é necessário fazer o transporte da eletricidade em Muito Alta Tensão (MAT) dos centros produtores até os centros de consumo. A rede de transporte assegura a interface entre as centrais de produção e as redes de distribuição.
A função da rede de distribuição é levar a energia até os consumidores nais (domés-ticos, empresariais ou industriais). Utilizam três níveis de tensão: Alta Tensão (AT) que fornece energia às subestações, Media Tensão (MT) que alimenta os postos de transfor-mação e Baixa Tensão (BT) a qual estão ligados diretamente os aparelhos nas residências. Finalmente, as empresas que comercializam a eletricidade gerem as relações com os consumidores nais, particulares ou empresas, incluindo o faturamento e o serviço ao cliente.
Genericamente o sistema elétrico é formado por geradores, transformadores, linhas de transmissão e alimentadores de distribuição. Geralmente os geradores transformam energia mecânica em elétrica, sendo que a energia mecânica é fornecida por turbinas hidráulicas ou a vapor. No caso do vapor, a energia térmica pode ter diversas origens: carvão, gás, nuclear, óleo entre outros [10]. No Brasil, é predominante o uso do potencial hidráulico (74%) conforme Figura 2.2, já no resto do mundo este per l é alterado, devido à di culdade da obtenção de uma geração hidráulica, como observa-se através da Figura 2.3.
Figura 2.3: Distribução das Fontes Primárias no Mundo em 2007. Adaptado de [2]
2.2 Condutores
Um condutor, também conhecido como cabo de transmissão, é um produto metálico, geralmente cilíndrico, utilizado para transportar a energia elétrica ou transmitir sinais elétricos [4]. Os principais componentes de um condutor de energia elétrica são o condu-tor, a isolação e a cobertura [3], como observa-se na Figura 2.4.
Figura 2.4: Componentes de um cabo condutor de energia elétrica [3]
Os cabos também podem ser constituídos apenas de condutor e isolação (condutores isolados) além de uma cobertura (cabos unipolares ou multipolares), conforme Figura 2.5.
Inicialmente eram utilizados apenas condutores de cobre, atualmente já houve sua substituição pelos de alumínio, tendo em vista o menor custo e peso. Por ser mais leve, o condutor de alumínio tem um diâmetro maior que o equivalente em cobre o que faz com que a densidade do uxo elétrico no condutor de alumínio seja menor para a mesma tensão [21].
2.2.1 Características Básicas
Para uma melhor compreensão dos termos utilizados na identi cação dos tipos de condu-tores existentes, serão apresentadas algumas caraterísticas básicas dos cabos. De acordo com a NBR 6880 [22], os condutores são de nidos em seis classes de encordoamento (da menor para a maior exibilidade):
• Classe 1 - Fio sólido: produto composto por um único elemento condutor, com reduzida exibilidade, conforme pode ser observado na Figura 2.6.
Figura 2.6: Fio elétrico [3]
• Classe 2 - Condutor encordoado compactado, representado na Figura 2.7, consiste em uma série de os dispostos helicoidalmente em formato de corda na qual foram reduzidos os espaços entre os componentes, resultando em um menor diâmetro e menor exibilidade que um não compactado.
Figura 2.7: Condutor Encordoado Compactado [3]
• Classe 3 - Condutor encordoado não compactado, apresentado na Figura 2.8, uma série de os elementares que são torcidos entre si, como uma corda. Apresenta uma melhor exibilidade que o o, tendo como formações padronizadas com 7 os (1+6), 19 os (1+6+12), 37 os (1+6+12+18) e assim por diante.
Figura 2.8: Condutor Encordoado [3]
• Classe 4, 5 e 6 - Condutores exíveis, apresentados na Figura 2.9, obtidos através do encordoamento de os com diâmetro reduzido.
Figura 2.9: Condutor Flexível [3]
O cabo é constituído por um conjunto de os encordoados [4] podendo ser isolado ou não. Um o chamado de nu é um o sem revestimento ou cobertura, e um cabo nu é um cabo sem isolação ou cobertura constituído por os nus. No caso da isolação, um material isolante é aplicado sobre o condutor com a nalidade de isolá-lo eletricamente do ambiente ao redor. Nas Figuras 2.10 e 2.11 são apresentados um o isolado e um cabo isolado, respectivamente.
Figura 2.10: Fio isolado [4]
Figura 2.11: Condutor isolado [4]
No caso dos condutores isolados, temos o cabo unipolar, constituído por um único condutor isolado e dotado de cobertura, ou o cabo multipolar, constituído por dois ou mais condutores isolados com uma cobertura. Estes cabos multipolares podem conter 2, 3 e 4 veias chamados, respectivamente, de bipolares, tripolares e tetrapolares. Nas Figuras 2.12 e 2.13 são apresentados um cabo unipolar e um multipolar, respectivamente.
Figura 2.12: Cabo unipolar com um único condutor [4]
Figura 2.13: Cabo multipolar com três condutores isolados [4]
2.2.2 Condutor de Alumínio
Para as medições e simulações desta dissertação foi levado em conta a característica do cabo de alumínio nu, comumente instalado nas redes de transmissão de baixa tensão. A identi cação dos cabos de alumínio nu é feita a partir dos tipos de condutores construídos, onde podem ser:
a) CA: Condutor de alumínio puro (ou AAC, all aluminum conductor);
b) AAAC: Condutor de liga de alumínio pura (all-aluminum-alloy conductors);
c) CAA: Condutor de alumínio com alma de aço (ou ACSR, aluminum conductor steel reinforced;
d) ACAR: Condutor de alumínio com alma de liga de alumínio (aluminum conductor, alloy-reinforced);
2.3 Redes de Distribuição de Energia Elétrica
Uma rede de transmissão ou de distribuição de energia elétrica é constituída por grandes extensões de cabos elétricos e de equipamentos que interligam as fontes de geração ao con-sumo. Para garantir qualidade no fornecimento de energia, com segurança e continuidade do serviço, é necessária uma gestão e ciente de comunicação com as centrais de controle, supervisão e medição das empresas distribuidoras [7].
Geralmente a geração de energia, principalmente de fonte hidráulica, se encontra longe dos centros consumidores, por isso a energia elétrica utiliza as linhas de transmissão para alcançar o consumidor nal, ocorrendo perdas de energia nos condutores destas linhas de transmissão, que são diretamente proporcionais ao comprimento dos condutores e ao quadrado do valor da corrente. Por outro lado, a potência transmitida pela rede elétrica é proporcional ao produto da tensão pela corrente, através da combinação dos valores de ambos é possível diminuir as perdas, utilizando tensões mais altas e correntes mais baixas para uma mesma potência transmitida pela linha [10].
2.3.1 Linhas de Transmissão
Resumidamente, uma linha de transmissão é composta por cabos condutores de energia, estruturas isolantes, estruturas de suporte, fundações, para-raios, aterramentos e acessó-rios diversos, ilustrados através da Figura 2.14.
Figura 2.14: Componentes das linhas aéreas de transmissão [5]
O desempenho das linhas está diretamente relacionado com as características e con -guração geométrica de seus componentes. O transporte de energia elétrica pelas linhas de transmissão tem o caráter de prestação de serviço, ou seja, deverá ser e ciente, con ável e econômico. No caso desta dissertação, serão levadas em conta apenas as características das linhas aéreas de transmissão, já que é o padrão da rede analisada, objeto deste estudo. Para transportar uma determinada quantidade de energia a uma distância preesta-belecida há um número muito grande de soluções possíveis, em função do grande nú-mero de variáveis associadas a uma linha, como o valor da tensão de transmissão, o número/tipo/bitola dos cabos condutores por fase, o número e tipo dos isoladores e dis-tâncias de segurança, materiais estruturais e a forma dos suportes resistirem aos esforços [5].
Conforme detalhado em [12,23] as LT são comumente encontradas em nosso dia a dia, sendo que elas podem ser classi cadas, basicamente, em dois tipos:
• Linhas de transmissão de energia: São responsáveis pelo transporte de grandes blocos de energia elétrica, às vezes possuindo grandes extensões, operam em altas tensões e baixa frequência;
• Linhas de transmissão de sinais: São responsáveis pelo transporte de informações e pequena quantidade de energia elétrica, possuindo distâncias menores, operando em baixas tensões e altas frequências, como as linhas telefônicas, as trilhas de um circuito impresso, redes de computadores, entre outros.
As linhas de transmissão de energia elétrica podem ser categorizadas através do seu ta-manho, podendo ser classi cadas como linhas curtas (até 80km), linhas médias (entre 80km e 240km) e linhas longas (acima de 240km) [24]. As diferenças e equações carac-terísticas referentes a modelos matemáticos de cada categoria das linhas de transmissão será abordado em outro capítulo especí co.
2.4 Unidades de Medida
A engenharia elétrica possui por padrão o Sistema Internacional (SI) [25] para unidades de medida. O SI por sua vez, é derivado do sistema M.K.S. racionalizado, que tem como letras iniciais as unidades metro (m) para comprimento, quilograma (kg) para massa e segundo (s) para o tempo. A partir destas unidades básicas, outras são criadas. A unidade de força derivada, newton (N), é a força que produz uma aceleração de 1m/s2 na massa
de 1kg:
Força(newtons) = massa(quilogramas) x aceleração(m/s2
)
Portanto, a medida de energia e trabalho é newton−metro, também chamado de joule. Tendo o joule obtém-se a unidade de potência joule/segundo, ou watt (1newton−metro = 1joule, 1joule/segundo = 1watt).
A diferença de potencial v entre dois pontos é medida pelo trabalho necessário a transferência da carga unitária de um ponto para o outro. O volt é a diferença de potencial (d.d.p.) entre dois pontos quando é necessário o trabalho de 1joule para a transferência de uma carga de 1coulomb de ponto ao outro, sendo 1volt = 1joule/coulomb.
O coulomb pode ser de nido como a quantidade de carga que colocada a um metro de distância de uma carga igual e do mesmo sinal, no vácuo, repele-a com uma força de 9x109newtons. A carga transportada por um elétron (−e) ou por um próton (+e) é
e = 1, 602x10−19coulombs.
O material que contém elétrons livres, que se deslocam de um átomo para outro, é um condutor. Aplicando-se nele uma diferença de potencial, os elétrons se deslocam. Quando
uma carga q se transfere de um ponto para outro de um condutor, existe nele uma corrente elétrica. Se a carga é transferida na razão constante de 1coulomb/s, a corrente constante existente é 1ampère (ou 1A), ou seja, 1ampère = 1coulomb/s. Em geral, a corrente instantânea i num condutor é:
i(ampères) = dq(coulomb) dt(segundos)
O sentido da corrente positiva é, por convenção, oposto àquele em que se deslocam os elétrons, demonstrado na Figura 2.15.
Figura 2.15: Sentido da corrente positiva [6]
A potencia elétrica p é o produto da tensão aplicada v pela corrente resultante i, ou seja,
p(watt) = v(volts) x i(ampères)
Por de nição, a corrente positiva tem a direção da seta na fonte de tensão, saindo da fonte pelo terminal +, como mostra na Figura 2.16. Quando p é positivo, a fonte transfere energia para o circuito.
Figura 2.16: Potência Elétrica
Se a potência p é uma função periódica do tempo t, de período T , a potência média é P = 1
T Z T
0
Como a potência é a taxa de transferência da energia em função do tempo, p = dω dt e W = Z t2 t1 p dt
onde W é a energia transferida durante o intervalo de tempo considerado.
2.5 Resistor, Indutor e Capacitor
Um elemento de circuito pode tratar a energia elétrica das seguintes formas: a) a energia é consumida - este elemento é um resistor puro;
b) a energia é armazenada num campo magnético - este elemento é um indutor puro; c) a energia é armazenada num campo elétrico - este elemento é um capacitor puro.
2.5.1 Resistência R
A diferença de potencial v(t) entre os terminais de um resistor puro é diretamente pro-porcional à corrente i(t) que nele circula. A constante de propro-porcionalidade R é chamada resistência do resistor e é expressa em volts/ampères ou ohms. Na Figura 2.17 é mostrado um resistor simples:
Figura 2.17: Resistor
v(t) = Ri(t) e i(t) = v(t) R
As letras minúsculas (v, i, p) em geral indicam funções do tempo. As maiúsculas (V, I, P ) indicam quantidades constantes.
2.5.2 Indutância L
Se a corrente em um circuito varia, o uxo magnético que o envolve também varia. A variação de uxo v é proporcional à taxa de variação da corrente em relação ao tempo, desde que a permeabilidade seja constante. A constante de proporcionalidade é chamada auto-indutância ou indutância do circuito. Na Figura 2.18 é apresentado um indutor simples: Figura 2.18: Indutor v(t) = Ldi dt onde i(t) = 1 L Z vdt
Com v em volts e di/dt em ampères/s, L é expressa em volt/ampère ou henrys. A auto-indutância de um circuito é de 1henry (1H) quando a corrente varia a razão de 1ampère/segundo.
2.5.3 Capacitância C
A diferença de potencial v entre os terminais de um capacitor é proporcional a carga q nele existente. A constante de proporcionalidade C é chamada capacitância do capacitor.
Figura 2.19: Capacitor q(t) = Cv(t), i = dq dt = C dv dt, v(t) = 1 C Z idt
Com q em coulombs e v em volts, C é obtida em coulombs/volt ou farads. Um capacitor terá a capacitância de 1farad (1F ) se adquirir a carga de 1coulomb para cada voltde diferença de potencial aplicada entre seus terminais.
2.6 Circuitos em série e em paralelo
Geralmente um circuito contém elementos em série e em paralelo. Na Figura 2.20 é apresentado um circuito em série com uma fonte de tensão e três impedâncias. A lei de Kirchho para as tensões estabelece que a soma das elevações de potencial é igual à soma das quedas de potencial, ao longo de qualquer circuito fechado.
Figura 2.20: Circuito em série [6]
V = V1+ V2+ V3 = Z1I + Z2I + Z3I = (Z1+ Z2+ Z3)I = ZeqI
onde I = V Zeq
e Zeq = Z1+ Z2 + Z3
A queda de tensão em uma impedância é dada pelo produto do fasor corrente I pela impedância complexa Z, então no circuito da Figura 2.20, V1 = IZ1, V2 = IZ2 e V3 = IZ3.
A seta estabelece um sentido de referencia para essas tensões e aponta para o terminal por onde entra o fasor corrente I. A impedância equivalente Zeq, para qualquer número de
impedâncias em série, é igual à soma das impedâncias individuais, Zeq = Z1+ Z2+ Z3+ ...
No circuito em paralelo da Figura 2.21(a) uma única fonte de tensão está aplicada a três impedâncias ligadas em paralelo. O circuito em 2.21(b) salienta para o fato de que a fonte e as três impedâncias tem dois terminais comuns (nós). Em um desses nós aplica-se a lei de Kirchho para as correntes, ou seja, a soma das correntes que chegam a um nó é igual à soma das correntes que dele saem.
Figura 2.21: Circuito em paralelo [6]
O potencial constante da fonte aparece diretamente nos terminais de cada uma das impedâncias em paralelo. As correntes de cada braço podem ser calculadas independen-temente, IT = I1+ I2+ I3 = V Z1 + V Z2 + V Z3 = V ( 1 Z1 + 1 Z2 + 1 Z3 ) = V Zeq então, IT = V Zeq e 1 Zeq = ( 1 Z1 + 1 Z2 + 1 Z3 )
Portanto a impedância equivalente de qualquer número de impedâncias em paralelo é 1/Zeq = 1/Z1+ 1/Z2 + 1/Z3+ ...
A impedância de um elemento ou de um circuito completo é a relação entre a tensão e a corrente:
Impedância = Função CorrenteFunção Tensão
A relação entre a tensão e a corrente mostra que a impedância é um número complexo com uma parte real R e uma parte imaginária ω L:
Z = v(t) i(t) = Vmejωt Vm R+jωLe jωt = R + jωL
O inverso do complexo impedância é o complexo admitância Y = 1/Z. Como Z = V /I, Y = I/V . Y é expressa em siemens (S) ou mhos. O conceito de admitância é muito conveniente em circuitos paralelos, conforme visto na Figura 2.22:
IT = I1+ I2+ I3 = Y1V + Y2V + Y3V = (Y1+ Y2+ Y3)V = VeqV e Veq = Y1+ Y2+ Y3
Portanto, a admitância equivalente de qualquer número de admitâncias em paralelo é igual à soma das admitâncias individuais.
Smart Grid
O desenvolvimento do sistema elétrico de potência desde o nal do século XIX fundamentou-se em esquemas pouco exíveis e refundamentou-servas de capacidade instalada, onde a geração é controlada de forma centralizada e a potência ui somente no sentido das cargas, com o despacho e o consumo bem ajustados, tanto nas condições normais, como de emer-gência. Instabilidades e faltas, são sanadas isolando-se as partes defeituosas do sistema, consistindo no desligamento, para afetar o menor número possível de consumidores, e seu religamento após reparo da origem do problema. Desenvolvimentos tecnológicos realiza-dos em muitas décadas foram direcionarealiza-dos a novos materiais e equipamentos, recursos de simulação, supervisão e controle, tendo contribuído para o avanço técnico e redução dos custos, essencialmente, não provocando alterações na concepção original do sistema elétrico de potência. Mesmo assim, fatores tecnológicos, econômicos e sócio-ambientais fomentam discussões para outro modelo de rede elétrica [26].
Entretanto, este é um setor que tem se mantido praticamente inalterado por quase cem anos, mesmo com avanços extraordinários das telecomunicações, computação e eletrônica [26]. A infra-estrutura elétrica atual caminha para o limite da sua capacidade. Embora a continuidade do serviço não esteja comprometida, os riscos associados a utilização de uma rede elétrica cada vez mais envelhecida crescem diariamente [1]. Além disso, no Bra-sil existem problemas de perdas comerciais, segurança patrimonial nas grandes cidades, furtos de cabos elétricos de distribuição, e população de baixa renda vivendo em conglo-merados urbanos de difícil acesso. Diante disso, a implementação de uma tecnologia que forneça a gestão e controle da rede de distribuição de energia elétrica se torna um desa o [7].
Países desenvolvidos e emergentes trabalham para desenvolver um sistema elétrico mais e ciente, con ável, exível e otimizado tanto em custos como em recursos [26]. Os sistemas elétricos de potência, em especial os sistemas de distribuição, estão passando por uma mudança radical em seu conceito e projeto, impulsionando pesquisas que
sam adicionar uma camada de informação à rede de distribuição [8]. Funcionalidades que auxiliem no gerenciamento do sistema, tornando-o mais con ável e transparente para os operadores, além de permitir que o próprio sistema execute tarefas de recon gura-ção, acompanhamento da demanda e do consumo, redução das perdas, entre outras são características das redes inteligentes ou Smart Grids.
3.1 Conhecendo a tecnologia
Uma rede elétrica depende de recursos materiais e das operações técnicas, representando um custo para a sociedade, sendo que é distribuído entre os consumidores na forma de fatura mensal. Pressões pela manutenção da qualidade do serviço fazem com que as redes elétricas passem a trabalhar em condições mais restritas, aumentando a exigência de desempenho econômico e diminuição das perdas nas redes, onde entram as Smart Grids, que devem coexistir com as redes elétricas, não as substituindo, mas adicionando novas capacidades e funcionalidades, gerando assim, uma evolução no ramo de energia elétrica [10,13].
Os processos de fabricação atuais necessitam cada vez mais de monitoramento, visando fornecer agilidade e exibilidade ao planejamento da produção, possibilitando respostas rápidas a alterações, tornando possível diagnosticar problemas durante um processo e corrigi-los de modo fácil e rápido, otimizando a produção e diminuindo o tempo de má-quina parada [14]. A Smart Grid possui um conceito de interoperabilidade de sistemas, que pode ser de nido como a capacidade de dois ou mais dispositivos ou sistemas trocarem informações de forma transparente, atingindo inteiramente suas nalidades, permitindo a execução de ações de controle sobre a rede [9]. Esta é uma característica marcante que aponta o grande diferencial entre as redes inteligentes e as redes elétricas conven-cionais, que não possibilitam a comunicação entre equipamentos sem oferecer subsídios para a tomada de decisão e automação na recon guração ou gerenciamento do sistema de distribuição [8].
A Smart Grid consiste na modernização das tecnologias de geração, transformação, transmissão, distribuição e uso nal da energia, onde elementos de telecomunicação agre-gam à tradicional infraestrutura de rede elétrica uma capacidade de gerenciar, monitorar e supervisionar este sistema mediante a incorporação de infraestruturas de comunicação digital e processamento de dados nos diversos setores do sistema elétrico, transformando-o em um sistema mais inteligente [9]. Esta rede inteligente interliga diversos dispositivos como medidores, sensores, controladores e equipamentos micro processados instalados nos sistemas elétricos. A rede elétrica inteligente executará continuamente o seu próprio di-agnóstico, estabelecendo condições adequadas de balanço de energia da rede, analisando,
localizando e respondendo em tempo real às necessidades de operação do sistema, ade-quando ou restabelecendo os componentes de rede ou das áreas afetadas por alguma condição incomum com um mínimo de intervenção humana [7]. Esta rede auto recuperá-vel ajudará a manter a con abilidade, a segurança, a qualidade da energia e a e ciência da rede elétrica, se caracterizando por uma estrutura de tecnologia da informação de alto nível, que pode transmitir energia e informação no modo bidirecional, do usuário para o sistema e vice-versa [10].
Considerando a análise da implantação da rede inteligente nos Estados Unidos, na Europa e no Brasil, observa-se que existem diferentes motivações em cada região [7]. No caso americano, trata-se dos esforços do setor de distribuição de energia em garantir a con abilidade no abastecimento. Na Europa, há um grande comprometimento com a redução de carbono e de gases causadores do efeito estufa. No Brasil, busca-se uma estratégia para melhorar aspectos técnicos da distribuição, diminuir as perdas técnicas, reduzir ou eliminar o roubo de energia e ajustar a oferta de energia com o crescimento urbano e industrial, aprimorando a regulamentação sobre o setor.
A primeira abordagem às Smart Grids realizou-se há mais de uma década, tendo como foco apenas a telecontagem, tecnologia denominada como AMR (Automatic Meter Re-ading) [1, 13]. Este conceito trazia a vantagem de substituir as leituras manuais, de alto custo, evitando também a utilização de medidas estimadas, as quais não dão aos clientes a informação exata sobre o seu consumo, tornando imprecisa a indução de alterações de comportamento associado ao consumo de energia. Existe a comunicação de transmissão de dados unidirecional somente do medidor para o sistema central de gestão de dados. Por essa tecnologia é possível realizar a leitura à distância, contudo não é possível enviar infor-mação para o medidor ou alterar remotamente quaisquer parâmetros desse equipamento [27].
A geração seguinte de equipamento, correspondeu à tecnologia AMM (Automatic Meter Management), que além da telecontagem, permitia ligar e desligar o fornecimento de energia e modi car a potência máxima disponibilizada ao cliente. A tecnologia AMM possibilita, igualmente, a monitorização das falhas e da qualidade da energia. Caracteriza-se pela transmissão bidirecional de dados e, assim, é possível realizar leitura à distância e ainda con gurar remotamente os parâmetros do medidor e enviar algum tipo de infor-mação ao consumidor.
Mesmo a tecnologia AMR se mostrando atrativa, ela não tem por objetivo resolver ou controlar a demanda e, portanto, não representa um requisito básico para uma rede inteligente. Estudos sugerem que as concessionárias, antes de investir na tecnologia AMR, realizem investimento diretamente na AMI (Advanced Metering Infrastructure), que per-mite uma comunicação bidirecional com o sistema de medidores e fornece um conjunto
maior de informações e serviços para o consumidor [7]. Essa tecnologia atende tanto a oferta quanto a demanda de energia. O contato com o consumidor, em uma relação bidire-cional, pode fornecer imediatamente um maior retorno sobre os investimentos, facilitando a prestação de serviços diferenciados e a integração do cliente com o sistema elétrico, for-necendo dados individuais de cada cliente, caracterizando-os como uma função de vários parâmetros [9].
Segundo Caires [10], a base do que se conhece por Smart Grid não é necessariamente algo novo, mas sim a aplicação inteligente de vários componentes e sistemas existentes, visando a automação e o controle remoto da rede de distribuição, coordenando suas ati-vidades energéticas, o que pode permitir a otimização do aproveitamento da capacidade disponível em função do tempo. Sup [9], em seu trabalho, relata que os centros de controle devem monitorar, atuar e interagir em tempo real sobre os dispositivos elétricos remotos, empregando novas tecnologias para melhorar a qualidade da energia e as subestações inte-ligentes devem coordenar os seus dispositivos locais com a principal nalidade de prever, detectar e corrigir falhas; gerenciando a geração e a demanda do sistema elétrico. Cada funcionalidade dessas pode ser vista como um objetivo a ser atingido, como por exemplo, redução das perdas, recuperação do sistema, gerenciamento da demanda, entre outras. Os equipamentos instalados observarão o estado da rede, comunicar-se-ão entre si caso necessário e executarão uma ação a m de alcançar seu propósito [8].
De acordo com Mantovani et al [28] o problema da recon guração de redes de distri-buição consiste em buscar uma estratégia ótima de operação para minimizar as perdas nos alimentadores propiciando um balanceamento adequado das cargas no sistema trifá-sico. Saraiva [8] a rma que essa realidade está cada vez mais perto de ser mudada, caso as promessas da nova geração dos sistemas elétricos sejam cumpridas. A possibilidade de medição e comunicação de dados na rede elétrica em tempo real, poderá indicar um ponto de ruptura na maneira como se dá a resolução de problemas em sistemas elétricos de distribuição convencionais e em sistemas Smart Grids, incluindo o gerenciamento e a recon guração do sistema.
3.1.1 Características de Funcionamento
O sistema de energia deve manter constante o fornecimento de energia, o que acaba obri-gando investimentos em grandes usinas de geração, longe dos locais de carga, e em longas linhas de transmissão, como observa-se na Figura 3.1, comprometendo o meio ambiente e comunidades, determinando investimento constante para aumentar alternativas de inte-gração e evitar os racionamentos e "apagões" [7].
Figura 3.1: Sistema de Fornecimento de Energia no Brasil [7]
Na Figura 3.2 é apresentada uma proposta de modelo com gestão da demanda de energia. Esse modelo inclui a existência dos prosumers (consumidores e produtores de energia) ao invés de produtores e consumidores. Nesse modelo os consumidores tornam-se interativos com as redes de transmissão. Caso ocorra falhas no sistema elétrico, o ope-rador deve encontrar alternativas e cientes para a energia direcionada às concessionárias de distribuição de energia, incorporando novas tecnologias, como sensores para grandes sistemas (WANS - Wide Area Sensor Networks) e equipamentos instalados nas redes de transmissão de longa distância [7]. O principal desa o para a implementação de uma Smart Grid é o acoplamento de uma adequada infraestrutura de comunicação ao sistema elétrico, projetada para suportar operações de controle e interação entre centros de con-trole e subestações individuais e capazes de integrar monitoramento e concon-trole de diversos dispositivos e fontes distribuídas [9].
Na Tabela 3.1 é apresentada uma comparação entre a rede elétrica existente e as redes inteligentes [13].
Tabela 3.1: Comparação entre rede elétrica existente e Smart Grid
Rede existente Smart Grid
Eletro-mecânica Digital
Comunicação em um sentido Comunicação em duplo sentido Geração centralizada Geração descentralizada
Hierárquica Não-hierárquica
Poucos sensores Muitos sensores
Cega Auto-monitoramento
Restauração manual Auto-restauração Falhas e blackouts Adaptativa
Controle manual Controle remoto
Controle limitado Controle ilimitado
Poucas escolhas para usuário Muitas escolhas para usuário
O Comitê "Intelligrid"do EPRI (Electric Power Research Institute) [29] em 2005 desen-volveu uma visão pioneira para o fornecimento de energia elétrica no futuro tais caracte-rísticas bem como os elementos básicos desta plataforma são apresentados a seguir [10,29]: • Interatividade: para a obtenção do melhor desempenho econômico do sistema, é obrigatório conceder ao usuário ampla visão e pleno acesso as tarifas de energia, possibilitando a resposta à demanda, representada pela variação dos preços das tarifas;
• Capacidade de adaptação: uma rede inteligente deve se adaptar às mudanças do ambiente circundante, que podem exercer in uência sobre ela, tendo inclusive a capacidade de auto recuperação pelo re-direcionamento de seus recursos;
• Previsibilidade: uma rede inteligente não tem somente a capacidade de adaptação e correção de eventos, mas também é capaz de diagnosticar situações de risco potencial antes que efetivamente ocorram, ou seja, ser autorecuperativa.
• Otimização: no que diz respeito à e ciência básica do sistema, a rede inteligente tem meios para otimizar o nível de utilização da capacidade instalada. Através de monitoração contínua, previsibilidade mencionada e controle pela interatividade o sistema pode racionalizar o uso de seus ativos, reduzindo as perdas de modo a postergar investimentos destinados à construção de novas plantas;
• Integração: as redes inteligentes devem reunir sistemas de monitoramento, controle, proteção e manutenção, além de funções avançadas como EMS (Energy Management System) e DMS(Distribution Management System);
• Segurança de dados: uma rede inteligente assim como qualquer sistema baseado na tecnologia da informação, deve garantir a segurança dos dados que por ela trafegam. Para o funcionamento destes elementos, é necessário uma adequação na estrutura atual dos sistemas de distribuição, dado as profundas mudanças que os Smart Grids trarão tanto para a topologia quanto para a operação das redes. Os atuais métodos computacionais também deverão ser atualizados para este novo paradigma, além de outros métodos ne-cessitarem ser criados e novas tecnologias para simulação desses sistemas avaliadas [8].
A arquitetura "intelligrid"é planejada para integrar dois sistemas do setor elétrico: a geração e a distribuição de energia juntamente com os sistemas de informação (comunica-ção, rede e equipamentos inteligentes) de forma a permitir o seu controle. Estes sistemas devem ser desenvolvidos para formar uma rede de comunicação com equipamentos inteli-gentes e algoritmos capazes de suportar a contínua so sticação dos sistemas operacionais. Os equipamentos devem perceber a falta de uxo de carga nas linhas e enviar esta in-formação para outros equipamentos da rede. Estes equipamentos, por sua vez, deverão encontrar uma topologia que envie energia de volta para a linha em falta (se possível), buscando suprir ainda a redução das perdas [7,8].
Ainda em 2005 a Comunidade Europeia divulgou o programa Smart Grids European Technology Platform for Electricity Networks of the Future [30]. Este estudo teve por objetivo formular, a longo prazo, o programa elétrico europeu, sendo o primeiro a es-tabelecer benefícios ambientais que foram relacionados com o uso otimizado da energia elétrica e com o emprego de uma rede operando com informações bidirecionais (enviando e recebendo informações). Ainda nesta pesquisa, a rede inteligente colabora com as deman-das sociais e políticas que surgirão na questão da oferta de energia, com novos desa os e oportunidades no setor, trazendo benefícios para todos os consumidores, acionistas e companhias [7].
Na Figura 3.3, é apresentada uma Smart Grid dividida em camadas: a camada do consumidor, camada de comunicação e camada da subestação. O uxo de informação ui nos dois sentidos entre camada do consumidor e a camada da subestação via camada de comunicação, sendo que cada camada possui equipamentos e tecnologias próprias. Em especial, naquela a qual faz parte o consumidor, existem diversos equipamentos compo-nentes de uma rede inteligente [8].
Figura 3.3: Smart Grids em camadas [8]
Espera-se que, com o contínuo desenvolvimento, pesquisa e implementação desta tec-nologia, mais funcionalidades deverão ser imaginadas e posteriormente estudadas para implementação no Smart Grid. Esta linha de estudos é bastante recente e com muitas possibilidades para pesquisa e inovação.
3.1.2 Tecnologias utilizadas
Sistemas SCADA
A sigla SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) signi ca controle supervisor e aquisição de dados sendo o nome dado ao sistema que faz a aquisição dos dados em campo, os supervisiona e permite ao operador controlar ou decidir com base nessa informação. A evolução dos sistemas computacionais permitiu que a tecnologia SCADA, além do acesso aos dados dos sensores, também possa executar comandos remotos, veri cando os valores de campo e chamando a atenção para os mais críticos através de alarmes visuais ou sonoros [10]:
a) Supervisão: função de monitoramento dos dados adquiridos em campo, veri cação da faixa de valores e exibição desses dados, incluindo grá cos, tendência, acionamento de alarmes, relatórios etc;
b) Operação: ação direta sobre elementos em campo tais como relés, atuadores pneumáti-cos e outros sendo capaz de enviar comandos como ligar, desligar e alterar parâmetros;
c) Controle: rotinas especí cas para atuação automática em determinadas situações de acordo com a necessidade e possibilidade de haver esse tipo de resposta, em princípio independente do operador.
Ainda de acordo Caires [10] o sistema SCADA é constituído por um computador prin-cipal denominado Unidade Terminal Mestre (UTM) que se conecta a várias Unidades Terminais Remotas (UTR). As UTR são responsáveis pela aquisição dos dados dos senso-res em campo e pelo comando de equipamentos. Além disso, as UTR enviam os dados dos sensores para a UTM, que os processa e emite alarmes ou comandos pré-programados cor-respondentes caso haja alguma falha. Ainda existe a Interface Homem Máquina (IHM), onde os dados são apresentados para o operador através do computador. Mesmo com estas características, o sistema SCADA ainda não é uma solução completa, sendo um sistema integrado de soluções que ajuda na organização dos vários elementos na medida em que cria um ambiente comum no qual eles podem interagir como objetos virtuais compatíveis. Sistemas de Medição
A aplicação exige um bom conhecimento dos conceitos associados aos sistemas de medição, começando pelas de nições básicas sobre a avaliação da demanda até o aspecto relacionado às tecnologias disponíveis. Para um perfeito controle de processos, surge o monitoramento remoto, permitindo uma avaliação contínua do processo, além de prover uma redução nos custos operacionais, já que dispensa a disposição de uma equipe de manutenção para cada sistema em funcionamento [10,14].
A lógica do Smart Grid se resume em "inteligência", com as novas redes automati-zadas com medidores de qualidade e de consumo de energia em tempo real, ou seja, as residências vão conversar com a empresa distribuidora, e até mesmo, geradora de energia em um futuro próximo. A medição do consumo de energia elétrica e o faturamento, pela sua importância no negócio de numa concessionária, vem sendo objeto de melhorias e evoluções para torná-los mais e cientes, rápidos e de menor custo. Hoje ainda há um grande número de medidores eletromecânicos, estes vem sendo substituídos através de sucessivas etapas de atualização, que tem proporcionado a eliminação da mão-de-obra com a leitura automatizada (AMR), a gestão da medição (AMM) e a medição inteligente (AMI ou Smart Metering) onde contempla tarifas dinâmicas e uma integração com a infraestrutura de TI, com dados referentes ao consumo, demanda, qualidade da energia elétrica e tarifação. Assim, pode-se pensar em medição inteligente, também conhecida como Smart Metering, que consiste em um conjunto composto pelo medidor eletrônico e por um sistema com transmissão remota e com disponibilização de dados processados aos consumidores e aos demais agentes [9,13,26,27].
