EDUARDO AUGUSTO JUNGBLUT FERNANDES
PROPOSTA PARA O DESENVOLVIMENTO DE UMA REDE
INTELIGENTE COM COMUNICAÇÃO EM PLC
Santa Rosa 2016
PROPOSTA PARA DESENVOLVIMENTO DE UMA REDE
INTELIGENTE COM COMUNICAÇÃO EM PLC
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
Orientador (a): Prof. MSc Mauricio de Campos
Santa Rosa 2016
PROPOSTA PARA DESENVOLVIMENTO DE UMA REDE
INTELIGENTE COM COMUNICAÇÃO EM PLC
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Santa Rosa, XX de mês de 2015.
Prof. MSc Mauricio de Campos Doutor pela Unijui - Orientador Prof. Taciana Enderle Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA
Prof. Sandro Alberto Bock Engenheiro Eletricista
Prof. MSc Mauricio de Campos Doutor pela Unijui - Orientador
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me norteado para a escolha deste curso e ter me acompanhando na passagem de cada semestre letivo, fazendo com que a desistência não tomasse conta de minha mente;
Ao meu orientador professor MSc. Mauricio de Campos, por ter-me acolhido e me direcionando na construção deste trabalho, através de correções, revisões e conselhos, mostrando disposição e paciência em ajudar para o sucesso do trabalho final.
A professora Taciana Paula Enderle e ao professor Sandro Bock pela participação na banca examinadora, contribuindo por meio de suas críticas, análises e opiniões para o enriquecimento e desenvolvimento deste trabalho.
Aos meus familiares e amigos por terem me fortalecido cotidianamente com gesto de amor, carinho, paciência e confiança;
Por fim, às pessoas que participaram direta ou indiretamente para a construção deste trabalho, e que não forma explicitamente citada, mas que com toda a certeza tiveram suas contribuições e fico totalmente grato pelo auxilio, incentivos, confiança e paciência que forma prestada.
conquistadas do que parecia impossível. Charles Chaplin
FERNANDES, Eduardo Augusto. Proposta para o desenvolvimento de uma rede inteligente
com comunicação em PLC. 2016. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica,
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Santa Rosa, 2016.
A eletricidade como recurso energético adquiriu importância vital na sociedade moderna, pois permite atender de modo relativamente simples a demanda pelos seus serviços. Dessa forma a demanda pela eletricidade aumenta proporcionalmente a evolução da população que dela se beneficiam. O sistema elétrico que produz essa energia está limitado em sua capacidade de recursos disponíveis para transmissão e distribuição de energia, sendo esse sistema concebido na década de 40. O conceito de Rede Inteligente pretende modernizar esse sistema, esta evolução constitui uma infraestrutura que integrará os pontos de consumo com o sistema de fornecimento de energia, podendo assim otimizar as perdas do sistema. Neste trabalho é estudado a viabilidade técnica de implementação do conceito de rede inteligente em consumidores finais, partindo da utilização de transmissão de sinais de comunicação em alta frequência, usualmente utilizadas em tráfegos, conhecidas como Power Line Communication (PLC). Inicialmente foram realizados estudos sobre conceitos de Redes Inteligentes e de PLC e como esse conceito e essa tecnologia podem se interagir entre elas, e então realizar a construção de um circuito elétrico representativo na ferramenta matemática MATLAB, de um trecho real de uma concessionária de energia do município de Ijuí-RS no qual se teve a oportunidade de adquirir os dados do DEMEI. Como o foco do trabalho é uma proposta de rede inteligente, portanto se faz necessário a implementada de uma simulação da transmissão de dados em PLC, sendo possível realizar às análises de satisfação de comunicação entre os pontos de consumo com a distribuição de energia elétrica.
FERNANDES, Eduardo Augusto. Proposal for the development of an intelligent network with
PLC communication. 2016. Work Completion of course. Course of Electrical Engineering,
Regional University of Rio Grande do Sul state Northwest - UNIJUÍ, Santa Rosa, 2016.
Electricity how energetic resource acquired vital importance in modern society because it allows you to answer a relatively simple way the demand for their services. Thus, the demand for electricity increases with the evolution of the population who benefit from it. The electrical system that produces this power is limited in its capacity of available resources for the transmission and distribution, and this system designed in the 40 The concept of Intelligent Network aims to modernize this system, this development constitutes an infrastructure that integrate the consumption points with the power supply system can thus optimize system losses. This paper examines the technical feasibility of implementing the concept of intelligent network end users, based on the use of transmission of communication signals at high frequency, usually used in traffic, known as Power Line Communication (PLC). Initially it was studies on concepts of Intelligent Networks and PLC and how this concept and this technology can interact with them, and then carry out the construction of a representative electrical circuit in MATLAB mathematical tool, a real stretch of utilities in municipality of Ijui-RS in which I had the opportunity to acquire the data of DEMEI. As the focus of the work is, a proposal for intelligent network was then implemented if the simulation data transmission in PLC and so it was possible to perform the communication satisfaction analysis of the consumption points with the distribution of electricity.
Figura 1 - Sistema elétrico convencional... 16
Figura 2 - Distribuição da Matriz energética Nacional ... 18
Figura 3 - Estrutura básica para redes de telecomunicação ... 21
Figura 4- Motivadores regionais das RI ... 27
Figura 5- Rede Tradicional e Rede Inteligente ... 29
Figura 6- Medidor Eletrônico Monofásico ... 31
Figura 7- Elementos Elétricos RI ... 33
Figura 8- Modulação PLC ... 37
Figura 9- Topologia de rede PLC ... 39
Figura 10- Master PLC ... 40
Figura 11- Topologia PLC Indoor ... 41
Figura 12- Topologia PLC para acesso na última milha ... 42
Figura 13- Topologia PLC para acesso WAN ... 42
Figura 14- Esquema circuito elétrico ... 45
Figura 15- Sistema Rede inteligente ... 46
Figura16- Modelo PI Simples ... 47
Figura17- Modelo PI redefinido... 48
Figura 18- Configuração do poste ... 51
Figura 19- Circuito construído para simular trecho de distribuição... 53
Figura 20- Resposta da Tensão ... 54
Figura 21- Resposta da corrente ... 55
Figura 22- Proposta para injetar comunicação PLC em rede de distribuição ... 56
Figura 23- Configuração blocos alimentação PLC ... 57
Figura 24- Circuito postes enumerados ... 58
Tabela 1- Valores rede primária ... 49
Tabela 2- Valores rede secundária ... 50
Tabela 3- Detalhes cabo distribuição ... 51
Tabela 4- Resultados das Potencias em cada Fase ... 55
AAAC All-aluminum-alloy conductors (Condutor de liga de alumínio pura)
AAC All Aluminum Conductor
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ACAR Aluminum conductor
ACSR Aluminum Conductor Steel Reinforced AMI Advanced Metering Infrastructure
AMM Automatic Meter Management AMR Automatic Meter Reading
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
APTEL Associação de Empresas Proprietárias de Infraestrutura e de Sistemas Privados de Telecomunicações
AT Alta Tensão
BP L Broadband Over Power Line
BT Baixa Tensão
CA Corrente alternada
CAA Condutor de alumínio com alma de aço CATV Community Access Cable Television CC Corrente contínua
CEEE Companhia Estadual de Distribuição de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul
CRE Comunicação pela Rede Elétrica DMS Distribution Management System EBE Empresa Brasileira de Engenharia EMS Energy Management System EPE Empresa de Pesquisa Energética
EPRI Electric Power Research Institute FDM Frequency Division Multiplex
GAIC Grupo de Automação Industrial e Controle GMSK Gaussian Minimum Shift Keying
HDSL High-bit-rate Digital Subscriber Line
HFC Hybrid Fiber – Coaxial Cable
IEC International Electrotechnical Commission IHM Interface Homem Máquina
IP Internet Protocol (Protocolo de Internet) KEPCO Korea Electric Power Corporation LT Linhas de transmissão
MAT Muito Alta Tensão
MKS Metro, quilograma e segundo
Divisão de Frequência)
OPLAT Onda Portadora em Linhas de Alta Tensão PLC Power Line Communication
PLTF Power Line Telecommunicantions Fórum PPC Power Plus Communications
RMS Root Mean Square RPC Ripple Control
RS Rio Grande do Sul
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition SDSL Symmetric Digital Subscriber Line
SE Subestação de distribuição SI Sistema Internacional TI Tecnologia da Informação WAN Wide Area Network
WANS Wide Area Sensor Networks WIFI Wireless Local Area Network
WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access xDSL Digital Subscriber Line
1 Introdução ... 12
1.1 Justificativa ... 12
1.2 Objetivos ... 14
1.3 Estrutura do trabalho ... 15
2 Embasamento teórico ... 16
2.1 Sistema Elétrico de Potência ... 16
2.1.1 História ... 17
2.1.2 Geração ... 17
2.1.3 Rede de Transmissão de Energia ... 18
2.1.4 Rede de Distribuição de Energia ... 20
2.1.5 Transformador de Distribuição ... 21
2.2 Sistemas de transmissão de dados ... 21
2.2.1 Rede de comunicação ... 22
2.2.2 Protocolos de rede ... 24
3 Redes de energia elétrica Inteligentes ... 25
3.1 História ... 25
3.2 Definição ... 28
3.3 Medidor inteligente ... 31
3.4 Normativas existentes para RI ... 34
3.5 Integração com PLC ... 35
4 Power line communication ... 37
4.1 Funcionamento ... 37
4.2 Topologias existentes ... 40
4.3 Requisitos para rede inteligente ... 43
5 Modelagem mátematica Linhas de distribuição ... 45
5.1 Modelo PI rede de distribuição ... 46
5.2 Medições iniciais ... 49
6 Modelagem Linhas de distribuição MATLAB ... 53
6.1 Simulação PLC no Matlab ... 56
6.2 Resultados limites atenuação plc ... 58
7 Conclusão ... 61
REFERÊNCIAS ... 64
Anexo A.1 – Tabela de Consumo ... 69
Anexo A.2 – Tabela de Consumo ... 70
Anexo A.3 – Tabela de Consumo ... 71
Anexo A.4 – Tabela de Consumo ... 72
Anexo B – Datasheet modem PLC ... 73
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1
INTRODUÇÃO
O uso da eletricidade permitiu ao homem moderno a busca de melhorias em sua qualidade de vida. Além disto, ela é insumo fundamental para a economia dos países, exercendo importante função na sociedade.
A arquitetura e concepção dos sistemas de distribuição de energia elétrica instalados no país, datam da década de 40 do século passado. Com o passar dos anos, eles vêm sendo aperfeiçoados para garantir um bom atendimento e melhor desempenho do sistema. Outra questão funcional é que caso a interrupção no fornecimento de energia elétrica aconteça, espera-se que o restabelecimento ocorra de forma mais rápida possível para que os diversos setores, tanto econômicos como sociais, não sejam prejudicados.
O conceito de redes inteligentes de energia (RI), do inglês Smart Grid, surgiu há alguns anos e têm sido aprimoradas e aplicado na última década. Neste conceito é proposto aperfeiçoamentos na atual arquitetura com vistas a resoluções de diversos problemas. O setor energético em função disto, tornou-se um dos temas mais discutidos em fóruns e políticas mundiais. Por se tratar de um conceito, e não de um produto, suas motivações, interpretações abrangências e desafios, são diferenciados entre seus locais de aplicação seja eles concessionárias ou países.
Este trabalho está delimitado ao estudo envolvendo consumidores finais, alimentados em tensão secundária do sistema de distribuição de eletricidade de um dos alimentadores da cidade de Ijuí - Rs. Estes consumidores são caracterizados principalmente por residências e comércio. Neste contexto pretende-se estudar alguns conceitos de Redes Inteligentes, a partir de alguns cenários. Por fim, este trabalho aborda a utilização da tecnologia de comunicação Power Line Communication (PLC), verificando o seu uso mais adequado e sua viabilidade nestes cenários. 1.1 JUSTIFICATIVA
A revolução industrial foi um marco para toda a humanidade, alinhado ao crescimento econômico e populacional. Neste “novo mundo”, a demanda de recursos naturais se tornou cada vez mais intensa e necessária para responder aos anseios do crescimento econômico. Dentre os recursos mais importantes. À geração de energia elétrica é um dos pilares deste crescimento. Esse
recurso foi considerado um assunto estratégico para toda comunidade internacional, na década de 70 e 80, quando foi inserido o conceito de desenvolvimento sustentável e de uso inteligente dos recursos do planeta. No entanto, somente nos últimos anos estes temas ganharam real importância nas comissões internacionais.
No Brasil, no início da década de 90, houve um impulso na economia, motivado principalmente pela abertura ao mercado internacional. Essa transformação se caracteriza principalmente pelo processo de redemocratização e as modificações nas estruturas produtivas no país. A expansão dos parques industriais e o aumento exponencial da população acabam refletindo diretamente no consumo de energia elétrica. A estimativa mais conservadora prevê um aumento neste consumo de cerca de 3,4% para os próximos anos no Brasil, segundo a projeção da demanda de energia elétrica, da Empresa de Pesquisa Energética. (Brasil, 2015).
Além do aumento de consumo, um fator naturalmente preocupante são as perdas por transmissão e distribuição de Energia Elétrica. No Brasil, elas representam cerca de 10% de toda geração de energia elétrica, segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2015)
Portanto, além da escassez de recursos naturais, é necessário somar as perdas do Sistema elétrico de Potência (SEP). Uma solução neste sentido é o incremento da geração distribuída utilizando fontes de energia renovável, principalmente a geração fotovoltaica. No entanto, o controle do despacho de potência é um dos novos desafios da comunidade científica. Além disto, existe a necessidade de possuirmos um sistema elétrico de maior eficiência energética.
Segundo Prata (2014), embora os sistemas de geração e transmissão tenham um grau de monitoramento e controle, razoavelmente avançado, a maior parte do Sistema de Distribuição de energia elétrica, não possui ainda funções de monitoramento e controle, nem redes de comunicação associadas (ou possui somente redes incipientes).
Os principais objetivos e necessidades para a modernização das redes elétricas foram adotadas de acordo com Arnold (2011) e são:
Possibilitar de forma confiável e estável a expansão da capacidade de fornecimento de eletricidade, mediante a crescente demanda;
_____________________________________________________________________________________________ Melhorar a relação custo-benefício nos processos de produção e de fornecimento de energia elétrica;
Prover informações ao consumidor sobre o consumo individual de energia elétrica, bem como prover ferramentas para auxiliar no controle e na tomada de decisão acerca do consumo;
Auxiliar na redução da emissão de gases decorrentes da produção de energia elétrica com recursos fósseis;
Melhorar os níveis de confiabilidade dos serviços ofertados;
Explorar novos nichos mercadológicos no setor, por meio do fornecimento de novos produtos e serviços;
Operar de forma resiliente em situações de ataque ou de desastres naturais;
Antecipar e responder a perturbações no sistema mediante reconfiguração automática;
Preparar a rede elétrica para suportar a crescente demanda futura de veículos elétricos;
Dotar a rede de dispositivos de armazenamento de energia para uso conjunto com fontes intermitentes.
1.2 OBJETIVOS
Este trabalho objetiva criar um cenário para estudar a implementação de uma rede inteligente, utilizando preferencialmente a comunicação PLC para consumidores finais. Para tanto é necessária uma avaliação e análise desta arquitetura suas vantagens e as dificuldades da implementação este conceito.
Para tanto, é necessário realizar uma revisão bibliográfica sobre RI. Além disto, estudar as tecnologias existentes de RI que estão sendo aplicadas em consumidores residenciais e comerciais A partir disto, realizar simulações comparativas entre as tecnologias RI. E por fim, analisar e discutir os resultados do estudo realizado.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está estruturado da seguinte forma, após a introdução tem-se o Capítulo 02, onde é apresentada uma revisão os conceitos básicos referentes à energia elétrica, necessários para o entendimento subsequentes do trabalho. No Capítulo 03, é apresentado o tema de RI, demonstrando seu conceito e aplicabilidade de projetos no país e os próximos passos segundo especialistas, sendo alvo principal deste trabalho. No Capítulo 04, está apresentado o conceito de comunicação de alta frequência via tecnologia PLC e suas características e aplicabilidades. No Capítulo 05, estão relatados os dados práticos da rede existente e criados modelos para representação do mesmo. Finalmente, no Capítulo 06, desenvolvimento simulado da aplicação integrada de RI e PLC, baseado em uma utilização prática destes e a apresentação dos resultados dos experimentos. E por fim, no Capítulo 07, são apresentadas as considerações finais sobre o trabalho.
_____________________________________________________________________________________________
2
EMBASAMENTO TEÓRICO
Neste capítulo serão apresentados alguns conceitos básicos necessários para o correto entendimento e compreensão desta pesquisa. Serão, portanto, apresentados inicialmente a definições de termos técnicos e o seu significado, posteriormente serão apresentados os principais conceitos básicos, para entendimento do contexto e, por último, será feita a revisão bibliográfica dessa pesquisa.
2.1 SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA
Um sistema elétrico de potência (SEP) compreende uma complexa infraestrutura para fornecimento de energia elétrica, atendendo a padrões de confiabilidade e qualidade, modicidade tarifaria e sustentabilidade social e ambiental.
O SEP é composto do sistema de geração, rede de transmissão, rede de distribuição e consumidores de energia elétrica. Segundo relatado e ilustrado na Figura 1 por Xinghuo (2011) a geração no país é essencialmente fornecida por grandes usinas conectadas a rede de transmissão e as redes de distribuição alimentando os consumidores industriais e residenciais.
Figura 1 - Sistema elétrico convencional
2.1.1 História
Desde a descoberta da eletricidade surgiu a necessidade de transportá-la de um ponto para outro. É a partir desta que se tornou indispensável a construção de redes elétricas. É desta forma que a energia gerada, normalmente em pontos distantes, chega aos consumidores finais.
Em 1882, Thomas Edison construiu as primeiras usinas geradoras de energia elétrica em corrente contÍnua gerando em torno de 110 Volts. Porém, somente em 1886 ocorreram as primeiras transmissões em corrente alternada onde foram definidos padrões de tensão e frequência que são utilizadas até nos dias de hoje.
Segundo Garcia e Duzzi (2012), as redes de energia elétrica evoluíram a partir da construção das primeiras redes de corrente alternada na virada do século XIX e XX. Nesta época, as redes elétricas eram estruturadas da seguinte forma, grandes centrais de geração, transmissão e distribuição de eletricidade conforme a demanda.
No início do século XX, surge o conceito de descentralizar a geração de energia. Isto fundamentalmente em função de questões econômicas e também de confiabilidade do serviço, desde então esse assunto vem atraído os olhares dos fóruns de energia elétrica internacionais.
Segundo o instituto ABRADEE (2015), a indústria de energia elétrica brasileira atualmente é composta por usinas geradoras espalhadas no território nacional e pelas linhas de transmissão e de distribuição de energia, que compõem o SEP.
Todo o sistema é eletricamente conectado, exigindo o balanço constante e instantâneo entre tudo o que é produzido e consumido. Sobre um aspecto mais regulador a indústria de energia elétrica é construída por agentes independentes que, ou produzem ou transportam ou comercializam a eletricidade.
2.1.2 Geração
A geração é um o segmento responsável por produzir energia elétrica e injetá-la no sistema de transporte seja ele de transmissão quanto de distribuição, até chegar ao consumidor.
_____________________________________________________________________________________________ Serviço Público de geração de energia elétrica; são as concessionárias e permissionárias de serviço público de geração de energia elétrica.
Produtor Independente de Energia Elétrica, a pessoa jurídica ou empresas reunidas em consórcio que recebem concessão ou autorização para produzir energia elétrica destinada ao comércio de toda ou parte da energia produzida, por sua conta e risco; Autoprodutor de Energia e Elétrica, a pessoa física ou jurídica ou empresas reunidas em consórcio que recebem concessão ou autorização para produzir energia elétrica de destinada ao seu uso exclusivo.
O segmento nacional de geração é bastante pulverizado, atualmente contando, segundo dados Ministério de Minas e Energia, através do balanço energético nacional (BEN 2015), com 3.152 empreendimentos geradores, sendo de maioria empreendimentos (1570) em usinas termelétricas de médio porte, porém cerca de 65% da energia gerada são de origem hidrelétrica, contando com 199 usinas de grande porte e 418 Pequenas Centrais Hidrelétrica (PCH), e mais de 385 micros usinas. Além disto, tem-se nessa matriz geração eólica e nuclear. Essa supremacia da geração hidráulica pode ser facilmente visualizada na Figura 02 representando a matriz energética nacional.
Figura 2 - Distribuição da Matriz energética Nacional
(Fonte: BEN 2015)
O segmento de transmissão de energia elétrica é aquele que se encarrega de transportar grandes quantidades de energia provenientes das usinas geradoras. Segundo a NBR5422 da Associação Brasileira de Normas Técnicas a transmissão de energia elétrica é o processo de transporte de alta potência, normalmente caracterizado por tensões acima de 138kV. E segundo a ONS (2015), esse sistema é responsável pelo atendimento de cerca de 98% do mercado brasileira de energia elétrica e a extensão de sua rede atinge aproximadamente 100mil km de linha (de alta tensão 230kV).
Para Pizzali (2003) as redes elétricas são compostas por linhas de alta, média e baixa tensão, podendo ser classificadas em três níveis (>100 kV) alta tensão, (1 – 100 kV) média tensão e (1kV) baixa tensão, cada qual adaptado para interligar diferentes distancias e consumidores.
As linhas de transmissão com tensão igual ou superior a 230 kV constituem a chamada rede básica. Apesar de algumas transmissoras também possuírem linhas com tensão abaixo de 230 kV, as chamadas Demais Instalações da Transmissão (DIT), grande parte das linhas de transmissão com tensão entre 69 kV e 138 kV são de responsabilidade das empresas distribuidoras. Essas linhas são também conhecidas no setor como linhas de subtransmissão.
No que diz respeito à transmissão de energia elétrica, a ABRADEE publicou a seguinte nota em seu site oficial:
As linhas de transmissão são basicamente constituídas por fios condutores metálicos suspensos em torres, também metálicas, por meio de isoladores cerâmicos ou de outros materiais altamente isolantes. Como os sistemas de potência são trifásicos, geralmente existem três conjuntos de cabos de cada lado das torres, acompanhados por um cabo mais alto, no topo, que é o cabo para raios, ou também chamado de cabo guarda. As linhas de transmissão se estendem por longas distâncias, conectando também, além de usinas geradoras aos grandes consumidores, aqueles que adquirem energia em alta tensão, como fábricas e mineradoras, ou às empresas distribuidoras de energia, as quais vão se encarregar de transportar a energia aos consumidores de menor porte. (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA (http://www.abradee.com.br/setor-eletrico/redes-de-energia-eletrica)
Para Schreiber (2013) as linhas de transmissão de energia elétrica podem ser categorizadas através do seu tamanho, podendo ser classificadas como linhas curtas (até 80 km), linhas médias (entre 80 km e 240 km) e linhas longas (acima de 240 km).
_____________________________________________________________________________________________ O setor em questão, também é caracterizado por monopólio natural das redes, as tarifas para a transmissão são reguladas, segundo Bongiolo e Miranda (2013), pela metodologia revenue-cap1, ou seja, as empresas que operam os ativos recebem receita baseada na disposição do serviço.
2.1.4 Rede de Distribuição de Energia
Segundo ABRADEE (2015), o sistema de distribuição de energia é constituído por uma rede de energia elétrica que se confunde com a própria topografia das cidades. Ela se apresenta, ramificado ao longo de ruas e avenidas para conectar fisicamente o sistema de transmissão (ou mesmo unidades geradoras de médio e pequeno porte), aos consumidores finais que são majoritariamente os consumidores residenciais.
Assim como ocorre com o sistema de transmissão, a rede de energia elétrica da distribuição é também composta por fios condutores, transformadores e equipamentos diversos de medição, controle e proteção das redes elétricas. Todavia, de forma bastante distinta do sistema de transmissão, o de distribuição é muito mais extenso e ramificado, pois deve chegar aos domicílios e endereços de todos os seus consumidores.
As redes de distribuição apresentam características muito particulares e que as diferenciam das redes de transmissão. Entre estas características segundo Pizzali (2013), distinguem-se: a topologia radial, as múltiplas conexões (monofásica (MRT), bifásica, etc.), as cargas de distinta natureza, as linhas com resistências muitas vezes comparáveis à reatância e na maioria das vezes sem transposições. As diferenças e equações características, referentes a modelos matemáticos de cada categoria das linhas de transmissão ou distribuição, serão abordadas em outro capítulo específico.
As distribuidoras que atuam nesse segmento, operam linhas de média e baixa tensão, também conhecidas como redes primárias e secundárias respectivamente. Nas redes de distribuição de média tensão também são, frequentemente, encontrados equipamentos auxiliares, tais como capacitores e reguladores de tensão. Estes são utilizados para auxiliar na correção de anomalias na
1Regulação Receita-cap ajusta uma receita operadores com base em um índice de revenue cap. O
rede, as quais podem prejudicar a própria rede elétrica ou mesmo os equipamentos dos consumidores.
2.1.5 Transformador de Distribuição
Os transformadores relacionados a distribuição de energia elétrica surgiram para adequar os níveis de tensão e permitir a transmissão de energia em longas distâncias, uma vez que estes equipamentos são capazes de converter energia elétrica de um circuito a outro, utilizando condutores ou bobinas que permitam o fluxo de corrente elétrica. No caso da distribuição este equipamento rebaixa os níveis de média para baixa tensão. Na grande maioria das regiões do país, os transformadores de distribuição transformam 13.800 V, ou 13,8 kV, em 220 V ou 127 V.
Diferentemente dos transformadores de subestações, os de distribuição localizam-se nos postes de distribuição, podendo ser compostos por um único equipamento ou um conjunto deles. Esses transformadores alimentam as redes que efetivamente entregam a energia elétrica para os consumidores residenciais e pequenos comércios e indústrias.
2.2 SISTEMAS DE TRANSMISSÃO DE DADOS
O objetivo de um sistema de transmissão de dados é transferir informações de um equipamento para outro, deste modo um sinal pode ser transmitido de duas maneiras, sendo elas de forma analógica, representada pela variação de uma grandeza física e contínua, e de maneira digital, ou seja, a codificação da informação num conjunto binário.
Para que seja definido um sistema de telecomunicação segundo Gallo e Hancock (2003), deve ser estabelecido 4 elementos básicos, conforme ilustrado pela Figura 03.
Figura 3 - Estrutura básica para redes de telecomunicação
_____________________________________________________________________________________________ O emissor tem o papel de transmitir a informação, enquanto o receptor é o dispositivo que recebe estas informações. O meio de transmissão ou meio físico é a interface, ou ainda o caminho entre eles. Já o sinal contém a mensagem composta de dados ou informações.
Conforme detalhado por Comer (2000), é importante notar duas características sobre telecomunicações. A primeira define que a mensagem não é transmitida diretamente, mas é compartilhada por meio de um sinal. Segunda, que o sinal deve obrigatoriamente ter algum meio de comunicação qualquer que carregue o sinal entre o transmissor e o receptor, tendo como exemplo fios, cabos, fibra ótica, ondas de rádio, entre outros.
Para Percilia (2016) uma linha de transmissão é a ligação entre duas máquinas, onde geralmente o emissor desempenha a função de enviar os dados para o receptor, porém um canal de transmissão não necessariamente é construído por um suporte físico de transmissão, por esse motivo as máquinas de extremidades são conhecidas como ETTD (equipamento terminal de tratamento de dados, ou em inglês DTE, Data Terminal Equipment), possuem cada uma um equipamento relativo ao suporte físico ao qual estão ligadas, chamado ETCD (equipamento terminal de circuito de dados, ou em inglês DCE, Data Communication Equipment).
2.2.1 Rede de comunicação
Uma rede é um sistema de dispositivos eletrônicos que estão conectados com o propósito de compartilhar informações. Cada dispositivo na rede é chamado de nó. Diferentes tipos de rede vêm sendo desenvolvidos para atender necessidades específicas. Elas foram desenvolvidas para atenderem eficientemente a grande quantidade de tipos de dados encontrados num sistema de controle. Cada protocolo de rede possui uma estrutura de dados diferente e incorpora diferentes conjuntos de características.
Comer (2000), classifica as redes de comunicação de acordo com sua escala, compreendendo basicamente três grandes níveis, sendo elas redes locais (LAN-Local Area Network) tendo no máximo alguns quilômetros de distância, redes metropolitanas (MAN-Metropolitan Area Network), podendo abranger uma cidade, relacionadas muitas vezes com redes de televisão a cabo, e redes de longa distâncias (WAN-Wide Area Network), consegue atingir uma área maior, como um país ou até mesmo um continente.
Segundo Percilia (2016), um sistema de comunicação de dados pode ser definido com eficiente se apresentar três características básicas, mas essenciais, que pode ser dito como:
Entrada: conhecida também com delivery, caracterizada pelo objetivo do entregar os dados ao destino correto. Os dados devem ser recebidos somente pelo dispositivo ou usuário de destino especificado.
Confiabilidade: em um sistema de comunicação deve ser garantida a entrada dos dados. Modificação ou rompimento de dados em uma transmissão fazem com que o sistema seja inútil.
Tempo de atraso: a entrega dos dados deve acontecer em um tempo finito e predeterminado pelo sistema, de modo que eles devem ser entregues praticamente no mesmo instante em que foram produzidos, isto é, sem atrasos significativos.
A direção e o fluxo de dados entre os dispositivos podem ser dados de três maneiras distintas, conforme descrito por Kioskea (2016), são as ligações simplex, half-duplex, full-duplex.
A ligação Simplex caracteriza-se por ser de modo unidirecional, ou seja, de um único sentido, sendo capaz somente de emitir ou receber os dados. Este tipo de ligação é útil por exemplo, para comunicação de um computador para a impressora ou do mouse para o computador.
A ligação Half-duplex, tem a capacidade de transmitir ou receber dados, mas nunca ao mesmo tempo, quanto um dispositivo está recebendo a informação o outro estará transmitindo, assim permitindo uma ligação bi-directiva que utiliza a capacidade total da linha.
A ligação full-duplex por usa vez é caracterizada por ter a capacidade de realizar as ligações de dados de forma bi-directiva e simultaneamente. Tem-se então como emitir e receber as informações ao mesmo tempo, o que significa que a banda concorrida está dividida por dois para cada sentido de emissão dos dados, se um mesmo suporte de transmissão for utilizado para as duas transmissões.
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2.2.2 Protocolos de rede
Os protocolos são elementos chave que identificam e que definem como a comunicação funcionará, e são interpretadas pelas entidades componentes da comunicação. Para Gallo e Hancock (2003) protocolo é conjunto de regras de comunicação, sendo utilizado pelos atuadores do emissor ou receptor do sinal, que estabeleceram a troca de informações, sendo responsável também pela iniciação da comunicação, o controle de erros, controle do tráfego, e o fim de uma comunicação. Para cada tipo ou conjunto de protocolos é definido um padrão.
Existem inúmeros protocolos de comunicação, porém conforme Castelucci (2011), dois tipos de padrões são relacionados a protocolos de redes:
de facto: são padrões que são usados pela comunidade, principalmente por fabricantes quando lançam novos produtos, mas que ainda não foram aprovados por um comitê reconhecido, como ISO ou ANSI. Um exemplo é o protocolo IP.
de jure: são padrões ou protocolos que foram reconhecidos por comitês reguladores. Um exemplo é a arquitetura OSI. Estes padrões de jure já passaram pelo status de facto e tiveram suas especificações submetidas a um corpo avaliador no formato RFC (request for change), até que tiveram sua versão final aprovada.
3
REDES DE ENERGIA ELÉTRICA INTELIGENTES
Uma rede elétrica segundo Caires (2012) e Mandelman (2011), depende da qualidade dos recursos materiais e da competência das operações técnicas, os quais determinam seu custo de manutenção e operação do serviço. Isto determina uma condição mais restrita, aumentando a exigência no desempenho econômico e diminuição de perdas, onde o conceito de RI, entra para coexistir com as redes elétricas, não as substituindas, mas evoluindo-as, adicionado a novas capacidades e funcionalidades.
Para Guimarães (2009), um dos conceitos presentes nas chamadas RI`s é a medição Inteligente (smart meetering) onde se faz necessário a troca dos medidores atualmente instalados por dispositivos com capacidade de comunicação. Isto permite o monitoramento do sistema em tempo real do consumo de energia elétrica e fundamentalmente do carregamento do sistema em vários níveis. No entanto esta é uma meta que não pode ser cumprida em médio prazo.
3.1 HISTÓRIA
As primeiras abordagens a este tema aconteceram na última década, tendo com o foco a tecnologia AMR (Automatic Meter Reading). A medição era feita através da comunicação de dados unidirecional somente do medidor para o sistema central de gestão de dados. O maior benefício trazido por essa tecnologia foi a substituição das leituras manuais, de alto custo, pôr medidas estimadas, as quais não eram exatas sobre seu consumo dos clientes, (Oliveira, 2010).
A geração seguinte foi baseada na utilização da tecnologia AMM (Automatic Meter Managent), além de telecontagem2, permitia o corte e religação controlando o fornecimento de
energia. Oliveira (2010) e Lamin (2009), caracterizam essa tecnologia como a transmissão bidirecional de dados onde, é possível realizar leituras a distâncias e configurar remotamente os parâmetros do medidor, além de enviar essas leituras ao consumidor final.
Segundo Schreiber (2013), estudos sugerem que as concessionárias, antes de investir nas tecnologias de AMR e AMM, realizem investimentos diretamente em AMI (Advance Metering
_____________________________________________________________________________________________ Infrastruture), que permite uma comunicação bidirecional com o sistema de medição e fornece um conjunto maior de informações, como por exemplo, fator de potência, potência instantânea, e serviços ao consumidor, atendendo assim tanto a oferta quando a demanda de energia.
Segundo Caires (2012), os conceitos fundamentais do que se conhece por RI não são necessariamente algo novo, mas sim a aplicação inteligente de várias tecnologias e sistemas existentes. Tudo isto, objetivando a automação e o controle da rede de distribuição, coordenando suas atividades energéticas, e permitindo a otimização do aproveitamento da capacidade disponível em função do tempo.
Nos EUA, pioneiros na criação do conceito de RI, elaboraram uma padronização para projetos de subestações elétricas automatizadas e as demais arquiteturas de referência para sistemas de energia elétrica. Segundo Bulgarelli (2006, p.4), a IEC - International Electrotechnical Commission reconheceu a necessidade de elaborar um padrão abrangendo redes de comunicação em subestações. Para isto, foi desenvolvido o padrão de comunicação IEC 61850, esta tem como principais objetivos uma maior integração das informações de campo utilizando padrões abertos, visando à redução de custos, comissionamento3, monitoramento, diagnóstico e manutenção.
A união europeia estabeleceu conceitos diferenciados para RI, que visam maior sustentabilidade e menor agressão ao meio ambiente. Segundo Antunes (2008, p.15) as políticas energéticas europeias refletem esse mesmo interesse que são:
20% do total do consumo de energia proveniente de energias renováveis; Poupanças de 20% no consumo total de energia primária;
Redução de emissão de gás carbônico em 20%.
Apesar de identificar diferentes iniciativas em vários países e concluir que a RI é uma tendência mundial, existem diferentes objetivos na expansão desta tecnologia no mundo. Isto pode ser comprovado e resumido de modo geral na Figura 4. Nesta figura pode-se perceber a Europa buscando investir em ações sustentáveis. Os EUA focam seus estudos na eficiência energética da
3 Comissionamento é um programa de garantia de qualidade que verifica se os sistemas relacionados ao consumo de
energia do empreendimento estão projetados, instalados, calibrados e funcionam em conformidade com os Requisitos do Proprietário para o Emprendimento. (BANDEIRAS, 2012)
rede para maiores expansões, e a Ásia e Pacífico avalia as RI`s como uma ferramenta que possibilitará melhorar o atendimento à demanda e ainda a busca por um mercado tecnológico emergente.
Figura 4- Motivadores regionais das RI
Fonte: Redes Elétricas Inteligentes: contexto nacional (centro de gestão e estudo estratégico).
No caso do Brasil, o objetivo das redes Inteligentes engloba boa parte dos motivos americanos quanto os europeus sob os pontos de vista das concessionárias, dos consumidores e do agente regulador, com destaque para:
Reduzir as perdas técnicas e comerciais (fraudes);
Melhorar a qualidade do serviço prestado pelas distribuidoras; Reduzir os custos operacionais;
Melhorar o planejamento da expansão da rede; Melhorar a gestão dos ativos;
Promover a eficiência energética;
Fomentar a inovação e a indústria tecnológica.
Manter a estabilidade da rede é um desafio, devido às constantes oscilações entre oferta e a demanda de energia, principalmente, devido à grande demanda em horários específicos (picos de carga). Além disso, tem que ser considerado a precariedade das redes em alguns locais.
_____________________________________________________________________________________________ O conceito de RI está associado principalmente aos aspectos de distribuição de energia elétrica. O impacto nos níveis mais altos do sistema elétrico ocorre de forma indireta, por meio do aplainamento da curva de carga e das consequências do surgimento de uma quantidade significativa de geração distribuída (ABRADEE, 2011).
3.2 DEFINIÇÃO
Segundo Pomilio (2011), para ser caracterizada como uma rede inteligente (RI), esta deve ter a capacidade de integrar as ações de todos os agentes conectados à rede de distribuição, seja, geradores de energia, consumidores ou os chamados "prosumers4" (productor and consumer), ou em outras palavras, agentes que se comportam como geradores e consumidores. Como objetivo principal a busca da produção, transporte, a distribuição e ao uso final de energia elétrica de forma mais eficiente, ambientalmente sustentável, viável economicamente e de forma confiável e segura. No que diz respeito a esse assunto a European Union (EU,) Comission Task Force for Smart Grids, publicou a seguinte nota:
O Smart Grid é uma rede elétrica, na qual se incorpora tecnologias de sensoriamento, monitoramento e tecnologias da informação e telecomunicações, visando utilizar eficientemente a energia, considerando o comportamento e ações dos usuários conectados a ela, incluindo geradores, consumidores, e aqueles que pertencem aos dois grupos ao mesmo tempo. Desta forma, automatiza-se a rede e se garante um sistema de potência sustentável e economicamente eficaz com poucas perdas e alto nível de segurança (EUROPEAN UNION COMISSION TASK FORCE FOR SMART GRIDS, 2010, p. 6). Para Schreiber (2013), a rede inteligente consiste na modernização das tecnologias de geração, transformação, transmissão, distribuição e o uso da energia, onde elementos de comunicações e controle em tempo real serão agregados à infraestrutura da rede tradicional de energia elétrica, possibilitando o gerenciamento, o monitoramento e a supervisão do sistema transformando-o assim em um sistema realmente inteligente.
Pode-se, portanto, notar uma mudança considerável de conceito de rede de transmissão/ distribuição convencionais com o conceito de redes inteligentes, conforme visto na Figura 05, principalmente no modo de operação e na configuração de rede, como por exemplo:
4Prosumersé o consumidor que, além de consumir, produz energia. No Brasil este consumidor é conhecido
De centralizado para recursos distribuídos; De uma rede passiva para uma rede ativa;
De um pré-determinado fluxo de potência para um fluxo dinâmico com direções imprevisíveis.
Figura 5- Rede Tradicional e Rede Inteligente
Fonte: Santacana (2010)
Para que o consumidor final tenha iteração e possa ser um agente ativo no sistema de rede de energia elétrica é essencial que o sistema atual de transmissão/distribuição migre para um sistema deste tipo.
_____________________________________________________________________________________________ Pode-se dizer que RI é caracterizado pelo uso de tecnologias digitais, de telecomunicações, de tecnologias da informação (TI), de sensoriamento e operações remotas das instalações. Promovendo, portanto:
"O significativo aumento da quantidade e da qualidade das informações relativas ao desempenho da rede; a disponibilidade dessas informações na própria rede (trafegam fisicamente na própria rede); e a possibilidade de atuação dos consumidores finais para, com base nessas informações, influírem no desempenho da rede, otimizando-o. Essa otimização do desempenho da rede de energia elétrica reflete-se em menores custos para a energia fornecida e, consequentemente, em menores tarifas para os consumidores." (BANDEIRA, 2012).
Segundo Falcão (2010), algumas das características geralmente atribuídas à rede inteligente são:
Auto recuperação (Self Healing): capacidade autônoma da rede de detectar, analisar, responder e restaurar falhas;
Fortalecimento dos Consumidores: habilidade de incluir os equipamentos e monitorar o comportamento dos consumidores nos processos de planejamento e operação da rede;
Tolerância a Ataques Externos: capacidade de mitigar e resistir a ataques físicos e cyber-ataques;
Qualidade de Energia: prover energia com a qualidade exigida pela sociedade digital;
Acomodar uma grande variedade de fontes e demandas: capacidade de integrar de forma transparente (plug and play), uma variedade de fontes de energia de várias dimensões e tecnologia;
Reduzir o impacto ambiental do sistema produtor de eletricidade, reduzindo perdas e utilizando fontes de baixo impacto ambiental;
Resposta da demanda mediante a atuação remota em dispositivos dos consumidores;
Viabilizar e beneficiar-se de mercados competitivos de energia, favorecendo o mercado varejista e a micro geração.
O conceito de RI pode ser dividido em três áreas que interagem entre si, sendo a primeira associada ao sistema que está a montante do medidor de energia elétrica, portanto, os sistemas
geradores, as linhas de transmissões e as redes de distribuições. Os quais neste caso, são responsáveis, segundo esse conceito, pela otimização e automação das ações de proteção e operação do sistema, além de disponibilizar as informações relacionadas ao seu desempenho para concessionárias e também consumidores.
A segunda área está relacionada ao próprio medidor de energia. Em uma rede inteligente, geralmente se trabalha com medidores inteligentes, conhecidos também com o Smart Metering, que fará, portanto, a interface da rede com o consumidor final.
A terceira não se trata da RI, mas sim dos "consumidores inteligentes” ,ou ainda das “Casas inteligentes (Smart Houses) ”, ou seja, edificações e indústrias inteligentes, equipadas com eletroeletrônicos eficientes, além de sistemas integrados de cogeração. Neste caso, podem ter conceitos de sustentabilidade como, geradores eólicos, solares, biomassa, entre outros. Podendo, portanto, reduzir o consumo, ou até mesmo injetar energia na rede elétrica.
3.3 MEDIDOR INTELIGENTE
Conforme já mencionado, este é um dos principais componentes do sistema de rede inteligente o chamado "Smart Meter" ou em português medidor inteligente (Figura 6), que utiliza a tecnologia AMI, é responsável por processar dados e enviar comandos para vários outros equipamentos, permitindo a integração de toda a cadeia de fornecimento.
_____________________________________________________________________________________________ Fonte:http://www.energia.sp.gov.br/lenoticia. php?id=187/
Para Lamin (2009) os medidores inteligentes podem ser descritos como:
Os medidores eletrônicos são dispositivos, inovadores capazes de proporcionar uma gama de informações úteis, permitindo a introdução de novos serviços de energia e de novos acordos contratuais entre distribuídas e consumidores [...]
[...]. Um benefício considerável do medidor eletrônico é possibilitar a existência de comunicação com sistemas de gerencia de medição automática, sem a utilização de operações manuais, que inserem erros a utilização de operações manuais, que inserem erros nas etapas de leitura e de digitação, tornando as medições mais rápidas e precisas. (LAMIN, 2009, p.71)
Para a medição inteligente é necessário à instalação deste tipo de medidor na residência habilitando desta forma a leitura periódica, que permite a concessionária traçar perfis de consumo e avaliar comportamento além de inúmeras funcionalidades práticas, como corte e religação por exemplo. E ainda, a realimentação dos dados de consumo para o próprio consumidor permitindo mudanças de comportamento. A principal diferença entre a Rede Inteligente (Smart grid) e o medidor inteligente (Smart Metereing), é representada pela Figura 7, note que o espaço ocupado pela RI se apresenta-se num contexto mais amplo.
Figura 7- Elementos Elétricos RI
(Fonte: Petenel 2014)
Um medidor inteligente deve ter as seguintes capacidades segundo Caires (2012) e também Lamin (2009):
Registro em tempo real do uso da eletricidade e possível geração local (exemplos: células solares, geradores eólicos);
Capacidade de leitura local e remota (sob demanda), tornando desnecessário o deslocamento físico da concessionária até a unidade consumidora;
Limitar a energia que passa pelo medidor, permitindo a atuação, de forma rápida e sem necessidade de deslocamento, em unidades consumidoras que possuem clientes inadimplentes;
Interconexão com redes e dispositivos (exemplo micro geração distribuída5); Capacidade de se integrar com outros medidores de outras redes (exemplo: gás, água);
Cunha (2009) afirma que a importância da medição inteligente se traduz como uma unidade terminal remota no cliente e necessariamente deve ser composta por:
_____________________________________________________________________________________________ Elemento de medição de energia elétrica (opcionalmente em quatro quadrantes, isto é, energia ativa e reativa em qualquer sentido, além de demanda ou incorporação de medição do consumo de gás natural);
Disjuntor para seccionamento e religamento remoto; Microprocessamento e memória local de dados; Módulo de comunicação bi-direcional;
Interface de visualização ao usuário (IHM), com eventual conexão a eletrodomésticos inteligentes.
3.4 NORMATIVAS EXISTENTES PARA RI
No que se refere ao assunto de normativas criadas para regularização de Rede Inteligente, uma das principais dificuldades encontradas na criação de uma estratégia de implementação desses sistemas, é a exigência de uma grande quantidade de padrões distintos. Para o presente trabalho será utilizado a transmissão de dados pela própria rede elétrica o que será melhor explicado na sequência do Capitulo 4.
Além desta, existem inúmeras outras possibilidades. Como as referenciadas e padronizadas pela IEC, como por exemplo, a criação da normativa IEC62056, indicado por Petenel (2014), como uma das sete normas mais relevantes para aplicação de RI no que se refere a troca de dados para leitura, tarifação e controle de carga em medidores de energia. Similar a outras normativas americanas como a ANSI C12. 18, que utiliza uma interfaces ópticas ou seriais a dois fios baseados em comunicação half-duplex. regida pela EIA RS-232. Além dessas, conforme citado anteriormente, tem-se a IEC 61850 que tem como foco inicial na automação de subestações, mas atualmente vêm expandido suas aplicações para fora deste escopo.
Outras normativas são importantes, como a IEC62351, que tem como objetivo a segurança da informação para as operações de controle do sistema de potência e, a IEC 61508 – Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems (E/E/PE), que traz uma abordagem funcional para todas as atividades ligadas ao ciclo de vida de sistemas compostos por elementos E/E/PE (Electrical/Electronic/Programmable Electronic), que são utilizados para realizar alguma tarefa ligada à segurança. Em conjunto, as sete normas recebem a classificação core, que indica o maior grau de importância para aplicação em RI.
No que se refere a padrões nacionais em 25 de agosto de 2009, foi lançada a Resolução 375/2009 pela ANEEL (2009), que regulamenta a transmissão de dados em banda larga através da rede elétrica, viabilizando a utilização dessa forma de transmissão de informações. No mesmo ano, ocorre a consulta pública nº 15/2009 - Coleta de Subsídios para Formulação de Regulamento acerca de Implantação de Medidores Eletrônicos em Unidades Consumidoras de Baixa Tensão. Esta consulta deu início às discussões sobre o que o medidor inteligente instalado, junto aos consumidores residenciais e comerciais, forneceria de informações, quais recursos de telecomunicações seriam adotados, assim como sobre a sua vida útil.
A ANEEL em 2013, apresentou uma relação de temas passíveis de regulamentação ou melhorias que foram debatidas por meio de audiências e consultas públicas durante dois anos. Entre os temas relacionados às Redes Elétricas Inteligentes está a implantação de medidores eletrônicos em unidades consumidoras de baixa tensão, a regulamentação das modalidades de faturamento pré-pago e pós-pré-pago eletrônico e o aprimoramento da regulamentação da estrutura tarifária. A agência realizou audiência pública sobre Procedimentos de Regulação Tarifária (Proret) na perspectiva de incluir a modicidade tarifária para consumidores de baixa tensão (ANEEL, 2011).
Entre as diversas discussões, alguns requisitos mínimos foram definidos, tais como: Medição da tensão, energia ativa e energia reativa instantânea;
Registro de frequência e duração das interrupções, bem como dos indicadores de nível de tensão (DRP, DRC);
Capacidade de aplicação de quatro postos tarifários;
Corte, religamento, parametrização e leitura realizados remotamente; Protocolo de comunicação aberto.
3.5 INTEGRAÇÃO COM PLC
Pascalicchio (2011), afirma que o PLC se constitui na tecnologia que, integrada a outras tecnologias de telecomunicação tem conduzido ao desenvolvimento da rede de distribuição, ou Redes Inteligentes de Energia Elétrica.
Para Mikos, Schiochet e Costa (2014), algumas aplicações do PLC são possíveis na RI às quais são: mediação remota, comunicação entre equipamentos da rede de distribuição, complementação do sistema de comunicação em sistemas de gerenciamento de energia em
_____________________________________________________________________________________________ residências e automação de residências, onde seria possível promover a comunicação dos equipamentos eletrodomésticos.
Segundo Cunha (2009), na última década, vários grupos de pesquisadores conseguiram transmitir dados sem perdas e sem interferências externas, viabilizando assim a instalação dessa tecnologia. Para Pomilio (2011), a integração das redes inteligentes com a tecnologia é uma solução viável para o futuro conforme segue:
Uma possível solução para a transmissão de dados para as redes inteligentes é a tecnologia Power Line Communications, que é um canal de comunicação natural para redes elétricas. Nesse caso, a topologia de comunicação que corresponde exatamente à topologia da rede, não requer implantação de novos cabos. Apesar de vários esforços de padronização para apoiar as redes inteligentes, ainda não foi encontrada uma solução definitiva, com as taxas de transmissão de dados necessária às estratégias de controle. (Pomilio 2011)
Já Feliciano (2008), retrata que mesmo no atual desenvolvimento da comunicação por meio de redes sem fio e fibras óticas, ainda faz jus estudar um meio de transmissão de dados por meio das redes elétricas de potência, devido à capilaridade e abrangência das redes de energia elétrica, no âmbito econômico.
4
POWER LINE COMMUNICATION
Segundo Oliveira (2010), o Power Line Communication (PLC), é um sistema que permite a transmissão de comunicação digital e analógica utilizando a rede como meio físico de transporte. Para Schreiber (2013) a tecnologia PLC permite a utilização de estrutura já consolidada da rede elétrica existente, para a transmissão de dados, fazendo com que a rede de distribuição se comporte complementarmente, como uma rede de dados.
4.1 FUNCIONAMENTO
Para Cunha (2009), o PLC consiste em um sinal de alta frequência, modulado senoidalmente sobreposto à frequência da rede, o qual é enviado os dados. Este sinal composto (energia elétrica + dados), é enviado pela rede elétrica. Na recepção, filtros e processadores de sinais são utilizados para distinguir os dados da forma de onda de energia elétrica. Na Figura 8 pode-se observado os componentes que fazem parte para a construção de um sinal PLC.
Figura 8- Modulação PLC
_____________________________________________________________________________________________ Para a ANEEL (2008), o sinal de alta frequência que trafega sobre os 60Hz existente na rede elétrica, utiliza uma faixa entre 9kHz a 500MHz. Ainda, segundo Mikos, Schiochet e Costa (2014) o sinal a ser transmitindo passa por um, a etapa de modulação6 antes de ser injetado na rede de energia. A faixa de frequência varia de acordo com a finalidade.
Conforme observa-se na Figura 8, o sinal é transmitido nos fios das redes de distribuição de baixa e média tensão, permitindo criar enlaces de comunicação, desde que exista uma ponte de conectividade com a mesma ou qualquer outra tecnologia. A comunicação sobre as linhas de corrente alternada é de forma não trivial por diversos fatores, como citado em Oliveira (2010).
O sinal é transmitido nos fios das redes de distribuição de baixa e média tensão, permitindo criar enlaces de comunicação, desde que exista uma ponte de conectividade com a mesma ou qualquer outra tecnologia. A comunicação sobre as linhas de corrente alternada é de forma não trivial por diversos fatores, como citado em Oliveira (2010):
A atenuação e a interferências não previsíveis existentes na rede, oriundas pela abertura e fechamento de circuitos, aparelhos acoplados as tomadas, e outros; As irradiações das frequências transportadas nas linhas abertas com alta potência de interferência com sistemas de mesma frequência;
A topologia das linhas de distribuição de energia, tendo características não lineares, existência de derivações ao logo de toda linha, transformadores.
É apresentada na Figura 09, a visão geral de uma possível rede elétrica integrada com a tecnologia PLC, onde qualquer ponto de acesso à energia elétrica em conjunto de um modem PLC, poderia ser acessado o sinal de dados, obtendo as informações que a rede possui.
6Modulação é um processo de modificação de um sinal da portadora pelo sinal da informação que
se deseja transmitir. A portadora possui uma frequência mais alta que o sinal da informação e propicia a ser transmitida no meio a ser utilizada. (Cunha, 2010)
Figura 9- Topologia de rede PLC
Fonte: Oliveira (2010)
Em sistemas de distribuição elétrica Schreiber (2014), publicou a seguinte nota:
[...] a rede PLC/BPL inicia na subestação de distribuição (SE), onde se encontra disponível um ponto de conectividade com a internet. Na sequência, o sinal PLC segue pela rede primária, ou alimentador, de média tensão para prover conectividade em toda a extensão da rede. Ao longo deste alimentador estão os transformadores, interface entre as redes primárias e secundárias de baixa tensão. O transporte do sinal PLC do alimentador para a rede de baixa tensão pode ser feito em cada um dos ramais secundários, a partir daí os sinais seguem em direção às residências. Desta forma, os sinais adentram as residências oferecendo conectividade com a subestação de distribuição através de qualquer tomada, sendo que os sinais não se propagam indevidamente através dos alimentadores, pois precisam de equipamentos ao longo da rede para reforçar os sinais. (Schreiber 2014. p.49)
A rede PLC quando empregada na rede de distribuição elétrica pode interligar o mundo elétrico com o mundo de dados, ou seja, com a rede de transporte da operadora de telecomunicações, e daí segue até alcançar um ponto de acesso à Internet, esta interligação pode ser efetuada pelo Master.
Para comunicações em PLC apenas 4 tipos de equipamentos são encontrados no mercado, são eles:
_____________________________________________________________________________________________ Repetidor Média/Baixa Tensão – responsável por tratar o sinal e injetá-lo novamente à rede, este equipamento é instalado junto ao transformador da rede elétrica;
Repetidor Baixa Tensão – responsável por recompor o sinal de dados, caso a distância entre Modem PLC e o Repetidor de Média/Baixa Tensão for inferior a 300 m se o sinal mantiver boa qualidade, o uso deste equipamento tornar-se-á desnecessário.
Modem PLC – responsável pela interface entre o meio de transmissão, neste caso a rede elétrica, e às camadas superiores do modelo OSI, tendo em mente que a tecnologia PLC envolve a camada Física e MAC. (subcamada de Enlace do mesmo modelo).
Dependendo das características e topologia da rede, o repetidor de baixa tensão poderá ser suprimido, reduzindo ainda mais os custos de implantação. Na Figura10 é apresentado uma foto do equipamento Master.
Figura 10- Master PLC
Fonte: https://tsilvestre.wordpress.com/redes/redes-plc-power-line-connection/
Possível ainda, outra configuração, pois, caso a interligação com a rede de transporte se dê diretamente através da linha de baixa tensão, tem apenas o modem PLC e o Master de baixa tensão.
4.2 TOPOLOGIAS EXISTENTES
4.2.1 Topologia PLC INDOOR
Constituída pela rede elétrica de baixa tensão e por modems para conexão dos equipamentos interligados, sendo que inúmeros aparelhos podem estar conectados a tomadas que disponibilizariam as informações via rede elétrica. Essa topologia pode ser representada pela Figura 11.
Figura 11- Topologia PLC Indoor
Fonte: Cunha (2009)
4.2.2 Topologia PLC para acesso na última milha
_____________________________________________________________________________________________ o transformador de distribuição, de modo que os usuários, por meio de modems acessem ao sistema, A Figura 12 demonstra esta aplicação.
Figura 12- Topologia PLC para acesso na última milha
Fonte: Cunha (2009)
4.2.3 Topologia PLC para acesso WAN
Para topologia de acesso rápido a um sinal o sinal é proveniente de um provedor de serviço através de fibra óptica, cable modem ou solução PLC de media tensão até um equipamento PLC servidor, onde este faz a distribuição do sinal na rede de baixa tensão a todos os usuários da rede. Devido ao sinal percorrer uma distância muito grande, se faz necessário o uso de repetidores de sinal. A Figura 13 representa a topologia PLC para acesso em WAN.
Fonte: Cunha (2009)
O conhecimento e a compreensão dos princípios norteadores deste projeto de pesquisa se baseiam no desenvolvimento e aplicação de uma simulação, utilizando a PLC para acesso em WAN, com a utilização de um Master em cada ponto proposto que será comentado nos capítulos 6 e 7, essa topologia representará uma importante contribuição ao setor nacional de distribuição de energia elétrica que, ainda carece de regulamentações nacionais nesta área.
4.3 REQUISITOS PARA REDE INTELIGENTE
Para que o PLC seja utilizado como tecnologia auxiliar de comunicação para a RI, algumas características devem ser satisfeitas, tanto para transmissão em banda larga (nas linhas de transmissão e distribuição) ou de banda estreita (última milha).
Para transmissão de dados sobre a rede elétrica de distribuição, se faz necessário trabalhar com transmissão de dados em banda larga (1,8 até 250MHz), com uma baixa latência e conectividade segura entre os transmissores e repetidores de sinal, conforme caracterizado por Sadan, Majka e Renz (2012). Essas características se fazem necessário pela necessidade de grande velocidade de transmissão, pois o sistema tende a um comportamento em tempo real, sendo possível alcançar velocidades como de 10 Mbps em ramos de 500 metros.
_____________________________________________________________________________________________ Pode se destacar que nas linhas de transmissão o funcionamento do PLC é melhor pelo fato que as linhas sofrem menor atenuação. Entretanto segundo Galli, Scaglione e Wang (2011) as taxas de transmissão de dados ainda não atingiram uma alta velocidade, sendo que as tecnologias atuais operam sobre linhas até 1100 kV na banda de 40 até 500 kHz transmitindo algumas centenas de kbps.
5
MODELAGEM MÁTEMATICA LINHAS DE DISTRIBUIÇÃO
Este capítulo objetiva caracterizar e desenvolver o modelo de um trecho da rede de distribuição da concessionária municipal de energia elétrica de Ijuí RS (DEMEI), sendo composto por cargas distribuídas ao longo da rede com os seus devidos parâmetros. Na Figura 14 está representado o diagrama de distribuição de baixa tensão da rede do alimentador proposto, distribuídas ao longo de aproximadamente 250 metros de rede.
Figura 14- Esquema circuito elétrico
Fonte: DEMEI Ijuí- RS
Essas linhas são interligadas entre si, que consequentemente estão atribuídas à uma subestação de energia, como maneira ilustrativa a Figura 15 representará como o sistema proposto funcionaria em conjunto com as demais redes de distribuição ao seu redor.
_____________________________________________________________________________________________ Figura 15- Sistema Rede inteligente
Fonte: http://docslide.com.br/documents/plc-powerline-communication.html
5.1 MODELO PI REDE DE DISTRIBUIÇÃO
Os modelos matemáticos já criados e comprovados para representação de linhas de distribuição podem ser divididos basicamente quanto ao comportamento da corrente elétrica, sendo possível agrupá-los ou distribuí-los. Os fluxos de corrente em determinado instante de tempo apresenta diferentes valores e diferentes posições no espaço, dependendo do componente elétrico utilizado no sistema.
Comentado por Monteiro (2006), os modelos podem ser utilizados na construção de um único circuito equivalente, quando analisando um determinado trecho do SEP, desde que todos os componentes estejam modelados em relação a corrente na função de um determinando instante de tempo.
Se a variável independente é o tempo e a variável dependente é a corrente no componente, temos uma equação diferencial ordinária que descreve a variação da tensão v num capacitor de capacitânciaC, ligado a um indutor de indutância L.
( )
+ ( ) = 0 (1)
Onde é função do tempo .
Portanto o sinal é função do tempo e do espaço, tendo uma equação a derivadas parciais que representa a variação da tensão , em uma linha de transmissão com resistência nula, caracterizada por uma indutância por unidade de comprimento e por uma capacitância por unidade de comprimento.
( , ) ( , )
= 0 (2)
Onde é função da posição ao longo da linha e do tempo .
Se for adotado o modelo PI, pode-se considerar em um circuito trifásico ou monofásico o efeito do acoplamento entre as três fases, conforme demonstrado na Figura 16, sendo considerados os efeitos elétricos e magnéticos, através de capacitâncias e indutâncias agrupadas.
Figura16- Modelo PI Simples
(Fonte Schreiber 2013)
Neste modelo deve ser considerada a variação dos parâmetros com a frequência e a variação das grandezas elétricas, ao longo do trecho, portanto deve-se redefinir o modelo PI nominal podemos representado conforme a Figura 17.
_____________________________________________________________________________________________ Figura17- Modelo PI redefinido
(Fonte: Schreiber 2013)
Se representar o que foi demonstrado na Figura 18 em equações de quadripolos, onde =impedância em série ( ), =resistência dos condutores ( ), =indutânciadas linhas ( ), =comprimento da linha de transmissão ( ), =corrente nas barras de transmissão e =corrente nas barras receptoras, se terá os seguintes cálculos:
= 1 + 2 + (3)
= 1 + 4 + 1 + 4 (4)
Sendo
= 1 + 2 ; = ; (5)
= 1 + 4 ; = 1 + 4 (6)
Agora as equações para o terminal receptor:
= = 1 (8) 5.2 MEDIÇÕES INICIAIS
Inicialmente foram realizadas medições no trecho de distribuição, comentado anteriormente, para que fosse possível criar um modelo representativo de maneira fiel às características do trecho, e posteriormente feitas as simulações propostas nesse trabalho.
Os dados necessários para identificar um sistema de alimentação são: Potência de curto-circuito –Scc;
Valor Médio da Média Tensão –MT; Impedância de curto-circuito- Zcc; Valor Médio da Baixa Tensão – BT
A partir dos parâmetros V (kV), P (kW) e Q (kVAr) do fluxo de potência (load flow), a modelagem para a carga pode ser feita com um R e X em paralelo. Também são necessários os dados da estrutura de distribuição do alimentador, por exemplo, os postes e os cabos.
Para isso foi utilizado como referência Gasparin (2010), pois segundo o autor a linha de distribuição de energia elétrica escolhida é derivada de uma subestação transformadora, ponto inicial de distribuição elétrica na região, seguindo pela entrega de energia, ou seja, localização da leitura e verificação do sinal, situação adequada para os objetivos de estudo da presente dissertação. A Tabela 1 estabelece os dados medidos no alimentador para realização da simulação.
Tabela 1- Valores rede primária
Dados Valores Scc 150kVA Tensão de fase de MT 13,8kV Zcc Tensão de fase BT 220V Fonte: (Gasparin 2010)
