TCCI - Nilson Custódio Junior, Teses (TCC) de Engenharia Elétrica

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FACULDADE ASSIS GURGACZ

NILSON CUSTÓDIO JUNIOR

PROJETO DE MEDIDOR INTELIGENTE PARA SISTEMA SMART GRID

CASCAVEL

FACULDADE ASSIS GURGACZ

NILSON CUSTÓDIO JUNIOR

PROJETO DE MEDIDOR INTELIGENTE PARA SISTEMA SMART GRID

Projeto de pesquisa apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação da Faculdade Assis Gurgacz para elaboração do Trabalho de Conclusão de Curso. Professor Orientador: Arthur Schuler da Igreja

CASCAVEL

1 TÍTULO

Projeto de Medidor Inteligente para Sistema Smart Grid.

1.1 TEMA

Realizar um projeto prático de Smart Meter seguindo as características pertencentes ao conceito Smart Grid^1.

1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA

Delimitar as diversas características do desenvolvimento do Smart Meter , acentuando características de precisão, conectividade e padronização com sistemas vigentes, capaz de realizar medições e integrar sistemas de geração distribuída.

2 O PROBLEMA

O sistema de medição de energia brasileiro é totalmente feito por medidores eletromecânicos, sendo 63 milhões de medidores e sua leitura abrange apenas a energia ativa do sistema e não oferece possibilidade de leitura bidirecional^2. Além de não possuir nenhum tipo de controle remoto, tão pouco gerenciamento embarcado [1]. O sistema elétrico brasileiro possui extensões continentais, com uma linha de transmissão em 230 KV com mais de 97825 km, na qual possui um sistema 100% interconectado. Características únicas do ponto de vista mundial e ainda com um modelo de transmissão e distribuição totalmente unidirecional, ou seja, o sentido de consumo se dá de forma da geração as fontes consumidoras, possuindo algum tipo de inteligência e controle nos sistemas de transmissão e praticamente nenhum tipo de controle e inteligência em sistemas de distribuição.

(^1) Conceito explanado na seção 6.1 Conceito Smart Grid.

(^2) Diz-se leitura bidirecional, a capacidade de leitura de grandezas que entram e que saem do circuito terminal. Na prática é o que permite a contabilização de energia excedente à rede de energia elétrica.

Dos seis maiores apagões registrados no mundo, três deles se deram no Brasil:

• Dia 11 de março de 1999: Aproximadamente 97 milhões de pessoas;
• Dia 10 de novembro de 2009: Aproximadamente 60 milhões de

pessoas;

• Dia 3 de fevereiro de 2011: Aproximadamente 53 milhões de pessoas;

Dados da ANEEL estimam em todo Brasil um percentual de até 10% em perdas globais de energia, considerando perdas técnicas e não técnicas do sistema, na qual se enquadram as interligações não autorizadas.

Fonte: Relatório de Perdas Técnicas de Energia Elétrica na Distribuição - ANEEL 2010 Figura 2-1 – (a) Perdas Técnicas de Energia Elétrica na Distribuição (b) Perdas não técnicas de Energia Elétrica na Distribuição.

O Brasil apresenta um crescimento extraordinário em fontes de energia eólica, saltando de 22 MW em 2003 para 1509 MW em 2011 e com previsão de 8088 MW em 2016, e já é a segundo fonte de energia mais produtiva no Brasil [2]. Fontes de energia do tipo fotovoltaicas estão em ascensão no país, e em 2012 um projeto piloto em Salvador, pretende abastecer 100% da demanda de energia elétrica no estádio Pituaçu, com painéis fotovoltaicos. A geração de energia elétrica através do biogás, atualmente se mostra como uma alternativa bastante viável e sustentável para os criadores de suínos.

3 DELIMITAÇÃO DA PESQUISA

Estudar as formas de mensuração da energia elétrica nos pontos finais de distribuição de energia elétrica, os protocolos e meios físicos necessários a serem incorporados ao meio físico e as principais grandezas e componentes de dados necessários a central de controle de uma rede considerada inteligente ou Smart Grid.

4 JUSTIFICATIVA

O Brasil é a quinta maior economia do mundo, e já é um dos principais mercados do mundo em termos de potencial a entrada de sistemas Smart Grid , e com um governo decidido a inovar sua infraestrura, estimando que até o fim da década seja um dos maiores mercados de Smart Grid do mundo, devido também ao seu tamanho continental [7]. Estima-se a adoção de três cenários de implantação de sistemas Smart Grid no Brasil [5]:

• Conservador: A adoção seria feito por necessidade das

concessionárias e teria muito pouco ou nulo investimento por parte do governo;

• Moderado: Os investimentos partiriam do governo e concessionárias;
• Acelerado: O governo seria um forte fomentador e investidor na adoção

de novas tecnologias para sistemas Smart Grid ;

No cenário acelerado mostra uma penetração de mais de 75% e mais de 74 milhões de residências com Smart Meters em 2030, como mostra a Figura 4-1 e Figura 4-2.

Fonte: [5] Figura 4-1 - Penetração de Smart Meters nas residências

Fonte: [5] Figura 4-2 - Número de Smart Meters nas residências

De acordo com o mesmo relatório, até 2030, considerando um cenário acelerado, o mercado de medidores movimentaria algo em torno de 45,6 bilhões de reais na economia do Brasil, num total de 91 bilhões de reais, a ser distribuída para Telecom Medição, TI e incentivos a Geração Distribuída.

A Figura 4-5 mostra uma estatística de consumo de energia mundial per capita. Nota-se que o consumo do Brasil está abaixo de países como África do Sul e Argentina. Isso, em teoria, poderia significar uma maior eficiência energética no país, uma baixa industrialização e baixo poder de consumo da população. São aproximadamente seis vezes menos que o consumo de países como Estados Unidos e Japão. Mediante este fato, pode-se prever um crescimento de consumo de energia per capita no Brasil [8], como mostra a Figura 4-6, conforme a maior industrialização e poder de consumo da população e levando em consideração alta dependência em usinas hidrelétricas e sua rede integrada, será inevitável o aumento da geração distribuída e maior a dificuldade em controle da energia mantendo e até aumentando a qualidade de energia elétrica, resultando em uma demanda cada vez maior da inteligência na rede e controle [9].

Fonte: [14] Figura 4-5 - Consumo de Energia Elétrica per Capita.

Fonte: [8] Figura 4-6 - Previsão de Produção e Transmissão para 2030.

A geração distribuída está intimamente ligada ao conceito Smart-Grid. No mês de abril de 2012, a Agência Nacional de Energia Elétrica aprovou o texto da resolução que regulamenta e aprova a cogeração de energia elétrica em residências. Tal resolução permitirá que as residências continuem usando a rede elétrica convencional, mas também poderia instalar microgeradores solares ou eólicos para complementar o consumo e caso haja energia excedente o usuário poderia vender para a companhia de energia elétrica. Uma forma diferente de geração distribuída também estudada e ligada aos Smart Meters é a utilização da energia elétrica proveniente de baterias elétricas. Tal conceito se encaixa na utilização de carros elétricos prevendo que carros estacionados nas garagens e estacionamentos possam alimentar a rede elétrica quando o sistema demanda mais energia e outras fontes de energia do grid estão com produção em baixa. O que atrasa a implantação de novos sistemas de medições remotas e gerenciamento mais inteligente é o custo de tais tecnologias, principalmente a estrutura de transmissão de dados [10]. Mas a receita gerada pelos usuários, e as diversas formas de beneficio como mostram a Figura 4-4, tornam viável a utilização os Smart Meters. O Smart Meter pode ser considerado um dos pontos mais importantes de um sistema Smart Grid. Nele se captura todas as informações necessárias e com ele se realiza alguma parte da atuação referente ao gerenciamento da rede Smart Grid.

6 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

6.1 CONCEITO SMART GRID

O conceito Smart Grid surge mediante as necessidades impostas pelas empresas de energia, órgãos governamentais e consumidores proativos. Em síntese, a principal característica do conceito Smart Grid é a interconectividade. “[…] um sistema de energia que pode incorporar milhões de sensores todos conectados através de uma comunicação avançada e sistema de aquisição de dados. Este sistema irá fornecer análises em tempo real por um sistema de computação distribuída que permitirá respostas preditivas ao invés de reativas, mediante as interrupções.” ( THE ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE – EPRI, tradução nossa^3 )

Tal interconectividade, na qual englobam algum tipo de tecnologia de telecomunicação, permite sistemas de Tecnologia da Informação a ter parâmetros e informações necessárias a tomar a algum tipo de atitude dita como inteligente, com ou sem decisão humana, fornecendo assim [11]:

• Medição inteligente;
• Resposta à demanda;
• Gerenciamento a geração distribuída;
• Gerenciamento de energia elétrica armazenada;
• Gerenciamento de energia térmica armazenada;
• Gestão de transmissão;
• Detecção e restauração da energia elétrica;
• Gestão da qualidade de energia;
• Manutenção preventiva, segurança e confiabilidade da rede de

distribuição;

• Distribuição automatizada;

(^3) “… a power system that can incorporate millions of sensors all connected through an advanced communication and data acquisition system. This system will provide real-time analysis by a distributed computing system that will enable predictive rather than reactive responses to blink-of-the- eye disruptions.” (The Electric Power Research Institute - EPRI)

• Quaisquer instalações, equipamentos ou sistemas que operam em

conjunto com a rede de comunicação, tal que, opere em interface com sistema de

geração, transmissão ou distribuição, oferecendo recursos tal qual os descritos nos

itens acima.

O uso do Smart Grid , não necessariamente, implica no aumento das fontes de geração renovável, fato este, comprovado pelas várias instalações de usinas solares e eólicas existentes sem sensoriamento e gerenciamento global dos recursos [12]. Mas é fato que um gerenciamento inteligente e um sensoriamento eficiente, podem trazer benefícios extraordinários, uma melhor eficiência e uma maior capacidade de recuperação e entendimento do comportamento da rede elétrica.

6.2 SMART METER

O medidor inteligente ou Smart Meter tem função fundamental em um sistema Smart Grid. É ele que alimenta os dados do gerenciamento central e que executa determinadas tarefas, tais como corte e religamento de luz. O Smart Meter tem as seguintes funções:

• Medir tensão de entrada;
• Medir corrente de consumida ou corrente gerada;
• Calcular a energia consumida ou gerada;
• Realizar o corte ou religamento da energia;
• Armazenar os dados lidos por um período;
• Entregar os valores a central de supervisão;
• Obedecer a comandos remotes da central de supervisão;
• Oferecer uma opção de leitura local pelo consumidor e pelo agente da

companhia da concessionária de energia;

ᡈ〨 = Tensão eficaz de fase; ᠵ〨 = Corrente eficaz de linha; ℎ = Ordem harmônica (múltiplo inteiro da frequência fundamental); ″⡩ = Frequência angular (2.π.f);

⡩ = Ângulo de fase das componentes harmônicas de tensão; ‐⡩ = Ângulo de fase das componentes harmônicas de corrente;

Substituindo as equações (2) e (3), tem-se a equação de potência ativa.

(4)

Realizando uma análise no tempo, pode-se dizer que a potência ativa é a integral da multiplicação entre corrente e tensão instantânea.

Nota-se que os ângulos α e β são iguais num circuito ativo. Podendo considerar a potência ativa igual ao produto da tensão eficaz e corrente eficaz.

(6)

6.4 ENERGIA REATIVA

A energia reativa é a energia gasta em componentes reativas do circuito, como indutâncias e capacitâncias. No caso de motores e transformadores a energia reativa é a energia gasta para magnetizar a máquina. Tal energia não produz trabalho efetivo, sendo, portanto uma energia indesejável no sistema [28]. Sua atuação na prática ocorre na forma de defasagem fasorial entre a corrente elétrica e a tensão. Sua presença em excesso no circuito causa uma elevação de consumo e energia desperdiçada. Sua análise matemática é a mesma considerada na equação (5), porém, por essa equação ter-se-ia a potência total do circuito, ou seja, a soma da parcela ativa

〡 ⡨

ᡂ〨 = ᡈ〨ᠵ〨 cos( (^) 〨 − ‐〨) + 㔳 ᡈ〨〵ᠵ〨〵cos ( (^) 〨〵 − ‐〨〵) 〵⦙⡩

e reativa da potência, conhecida com potência Aparente. Com a potência Aparente, é possível então determinar as duas parcelas distintas de potência Ativa e Reativa. A equação (4) mostra os ângulos terão uma defasagem, portanto a equação (5). O triângulo das potências, umas das potências. O ângulo formado ent o ângulo de defasagem entre a corrente e tensão do circuito, e o cosseno desse ângulo é chamado de Fator de Potência e é amplamente utilizado nos equipamentos para indicar níveis de eficiência

Portanto, realizando uma análise trigonométrica, equação:

Sendo:

ᡂ = Potência Ativa. ᡅ = Potência Aparente. ᡃ = Potência Reativa.

Conclui-se, portanto, que com a potência Aparente e o ângulo de defasagem entre corrente e tensão, é possível independentes.

e reativa da potência, conhecida com potência Aparente. Com a potência Aparente, é possível então determinar as duas parcelas distintas de potência Ativa e Reativa. ) mostra os ângulos α e β. Em um circuito reativo, ta terão uma defasagem, portanto a análise em circuitos reativos deverá ser ). O triângulo das potências, Figura 6-1, ilustra bem a parcela de cada umas das potências. O ângulo formado entre a potência real e a potência aparente é o ângulo de defasagem entre a corrente e tensão do circuito, e o cosseno desse ângulo é chamado de Fator de Potência e é amplamente utilizado nos equipamentos para indicar níveis de eficiência [21].

Fonte: Do autor Figura 6-1 - Triângulo das Potências Portanto, realizando uma análise trigonométrica, chega

cos(^ ) = 〗〠

sen(^ ) = 〘〠

portanto, que com a potência Aparente e o ângulo de defasagem entre corrente e tensão, é possível obter as potências Ativas e Reativas

e reativa da potência, conhecida com potência Aparente. Com a potência Aparente, é possível então determinar as duas parcelas distintas de potência Ativa e Reativa.

. Em um circuito reativo, tais ângulos a análise em circuitos reativos deverá ser feitas com ilustra bem a parcela de cada re a potência real e a potência aparente é o ângulo de defasagem entre a corrente e tensão do circuito, e o cosseno desse ângulo é chamado de Fator de Potência e é amplamente utilizado nos equipamentos

chega-se à seguinte

(7)

(8)

portanto, que com a potência Aparente e o ângulo de defasagem obter as potências Ativas e Reativas

Os medidores de energia residencial atual faz apenas a leitura da energia ativa. Seu principio é totalmente eletromecânico, onde o campo magnético gerado pela corrente passante gera um campo de indução, movimentando o disco e acionando um mecanismo que realiza a contagem da potência ativa. Para conseguir medir a potência reativa dos sinais, é necessário obter-se o ponto no tempo onde a corrente e tensão passam pelo ponto zero. O tempo entre a passagem quando os dois pontos passam pelo zero pode ser usado para determinar o ângulo do mesmo. No mercado encontram-se algumas soluções customizadas a este tipo de leitura. São microchips que possuem conversores ADs apropriados em termos de velocidade e resolução, na qual já possuem no próprio encapsulamento dois conversores deste tipo, sendo um para leitura da tensão e outro para leitura da corrente. O circuito integrado MCP3909 da empresa Microchip®^ tem encapsulamento SMD com estas características e também é compatível com normas internacionais. A Figura 6-4 mostra a estrutura interna do integrado. Nota-se que o circuito integrado entrega os valores de tensão, corrente e uma medida indireta do fator de potência.

Fonte: [15] Figura 6-4 - Estrutura interna do MCP

6.6 SENSORES DE CORRENTE

Os sensores de corrente são elementos de sensoriamento que geram um dado sinal de saída para uma determinada corrente na qual se deseja mensurar. Em alguns casos a corrente é lida de forma indireta, onde tensão correspondente a corr

6.6.1 Transformador de Corrente

Os transformadores de corrente são amplamente utilizados na rede elétrica atual. Sua construção é feita basicamente por dois circuitos, o primário e o secundário, onde o primário na maioria das vezes é constituído pelo próprio condutor de medição, contendo mais espiras e é padronizado para uma corrente nominal de Dessa forma a nomenclatura dos transformadores de corrente segue corrente de secundário como ponto de referência, assim, um transformador corrente com primário máximo de transformador de corrente de 500 A máximo de primário 100: padronizadas são determinadas pela A Figura 6-5, mostra Como todo transformador, o mesmo apresenta impedâncias internas referentes a magnetização do núcleo

Fonte: [26] Figura 6- 5

SENSORES DE CORRENTE

Os sensores de corrente são elementos de sensoriamento que geram um dado sinal de saída para uma determinada corrente na qual se deseja mensurar. Em alguns casos a corrente é lida de forma indireta, onde se lida tensão correspondente a corrente.

Transformador de Corrente

Os transformadores de corrente são amplamente utilizados na rede elétrica atual. Sua construção é feita basicamente por dois circuitos, o primário e o secundário, onde o primário na maioria das vezes é constituído pelo próprio condutor de medição, contendo assim apenas uma espira. O secundário apresenta mais espiras e é padronizado para uma corrente nominal de 5 A. a nomenclatura dos transformadores de corrente segue corrente de secundário como ponto de referência, assim, um transformador corrente com primário máximo de cinco A é dado pela relação 1:1 e um transformador de corrente de 500 A máximo de primário 100: são determinadas pela Ansi [27]. , mostra o esquema equivalente de transformador de corrente. Como todo transformador, o mesmo apresenta impedâncias internas referentes a magnetização do núcleo [26].

5 - Circuito equivalente do Transformador de Corrente

Os sensores de corrente são elementos de sensoriamento que geram um dado sinal de saída para uma determinada corrente na qual se deseja mensurar. Em se lida com um sinal de

Os transformadores de corrente são amplamente utilizados na rede elétrica atual. Sua construção é feita basicamente por dois circuitos, o primário e o secundário, onde o primário na maioria das vezes é constituído pelo próprio assim apenas uma espira. O secundário apresenta A. a nomenclatura dos transformadores de corrente segue essa corrente de secundário como ponto de referência, assim, um transformador de A é dado pela relação 1:1 e um transformador de corrente de 500 A máximo de primário 100:1 [25]. Tais relações

o esquema equivalente de transformador de corrente. Como todo transformador, o mesmo apresenta impedâncias internas referentes a

Circuito equivalente do Transformador de Corrente