UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MONITORAMENTO DE DEMANDA A PARTIR DE UM MEDIDOR ELETRÔNICO DE ENERGIA EDER FABIANO MÜLLER Disciplina: Eng. de Processamento Digital II Prof.:Cocian Canoas, Julho de 2007

2 SUMÁRIO 1

3 2 1. INTRODUÇÃO 1.1 OBJETIVOS O objetivo deste trabalho é descrever do projeto final da disciplina de Engenharia de Processamento Digital II, cujo aplicativo desenvolvido em linguagem C++, funciona como um supervisório para monitoramento da demanda e fator de potência, a partir de dados do medidor eletrônico, utilizado pelas concessionárias de energia elétrica para medição de unidades consumidoras com fornecimento em Alta Tensão. Trata-se de uma ferramenta complementar a equipamentos microprocessados de controle de demanda, visando à eficiência dos custos de energia, de modo a eliminar os encargos que ocasionam multas por parte da concessionária tais como: ultrapassagem de demanda e reativos excedentes. 1.2 VISÃO GERAL DO PROJETO O sistema de tarifação de energia elétrica no Brasil é bastante complexo. Para os grandes e médios consumidores, cujo fornecimento de energia é em alta tensão, além do consumo, também é faturada a demanda, sendo que estes podem ter tarifas diferentes dependendo da hora do dia e período do ano, conforme o enquadramento tarifários em que encontra-se o consumidor. Além disso, existe a cobrança de elevadas multas por ultrapassagem de demanda contratada e reativos excedentes devido ao baixo fator de potência, quando houver. Com isso, além do emprego de equipamentos bem dimensionados e instalações devidamente projetadas, torna-se necessário a utilização de dispositivos para o controle da demanda e do fator de potência. 1.3 VISÃO GERAL DO PROJETO O projeto tem um baixo custo, em relação aos benefícios que podem ser obtidos com a eficiência energética em termos de faturamento de energia elétrica para grandes consumidores. Além disso, tem fácil operação e clara apresentação de dados ao usuário.

4 3 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 DEFINIÇÕES GERAIS São algumas definições contidas na Resolução 456, de 29 de Novembro de 2000, da ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica: Demanda Média das potências elétricas ativas ao sistema elétrico pela parcela da carga instalada consumidora, durante um intervalo de tempo especificado. Demanda medida Maior demanda de potência ativa, verificada por medição, integralizada no intervalo de 15 (quinze) minutos durante o período de faturamento, expressa em quilowatts (kw). Demanda de ultrapassagem Parcela da demanda valor da demanda contratada, expressa em quilowatts (kw). Observando os seguintes limites de tolerância: Fator de potência Razão entre a energia elétrica ativa e a raiz quadrada da soma dos quadrados das energias elétricas ativa e reativa, consumidas num mesmo período especificado. Estrutura Convencional Forma tradicional de faturamento para instalações com fornecimento em A.T., na qual há apenas uma tarifa para energia, e uma tarifa para a demanda. Estrutura Horosazonal do ano. Estrutura na qual a tarifa da energia muda conforme a hora do dia, e o período

5 4 2.2 FATURAMENTO Demanda faturável Em geral é o maior valor entre a demanda contratada e a demanda medida para o ciclo de faturamento Demanda de ultrapassagem Sobre a parcela da demanda medida, que superar a respectiva demanda contratada, será aplicada a tarifa de ultrapassagem (que eqüivale a três vezes o valor da tarifa de demanda), caso aquela parcela seja superior aos limites de tolerância: 5% para unidade consumidora atendida em tensão de fornecimento igual ou superior a 69kV; e 10% para unidade consumidora atendida em tensão de fornecimento inferior a 69kV Fator de Potência Mensal O período de avaliação do fator de potência é mensal para consumidores na estrutura Convencional de faturamento. A demanda de potência e o consumo de energia reativo excedentes, calculado através do fator de potência mensal, serão faturados pelas expressões: 0,92 FDR = DM. DF. TDA FM 0,92 FER = CA. 1. TCA FM sendo: FDR= Faturamento da demanda de reativo excedente. DM= Demanda ativa máxima registrada no mês (KW). DF= Demanda ativa faturável no mês (KW). TDA= Tarifa de demanda ativa (R$/KW).

6 5 FER= Faturamento do consumo de reativo excedente. CA= Consumo ativo do mês (KWh). TCA= Tarifa de consumo ativo (R$/ KWh). FM= Fator de potência médio mensal.. 0,92 f t Abaixo tem-se um gráfico comparativo do fator multiplicador de consumo 1 em função do fator de potência ( f t ) : 7 Multiplicador do Cons ,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 F.P Fator de Potência Horário O período de avaliação do fator de potência é horário para consumidores com medição horosazonal. Para consumidores horosazonais está estabelecido que das 6h da manhã ás 24h o fator de potência deve ser no mínimo 0,92 para a demanda de potência reativa indutiva, e das 24h até às 6h no mínimo 0,92 para a demanda de potência reativa capacitiva. A demanda de potência e o consumo de energia reativa excedentes, calculados através do fator de potência horário, serão faturados pelas expressões:

7 6 FER FDR p p = 0,92 n [ CAt. 1 ]. TCA( P) t 1 f = t N = MAX DA t 1 = 0,92 T. DF( p). TDA( P) f t sendo: FDR = Faturamento da demanda de potência reativa excedente por posto (p) tarifário. DA = Demanda de potência ativa medida de hora em hora. (t) DF = Demanda de potência ativa faturada em cada posto horário (p) TDA = Tarifa de demanda de potência ativa. (p) FER = Faturamento do consumo de reativo excedente por posto tarifário. (P) CA = Consumo de energia medido em cada hora. (t) TCA = Tarifa de energia ativa (p) f = Fator de potência calculado de hora em hora. (t) = Soma dos excedentes de reativos calculados de hora em hora. MAX = Função que indica o maior valor da expressão entre parênteses, calculada de hora em hora. t = Indica cada intervalo de uma hora. p= Indica posto tarifário: ponta e fora de ponta, para as tarifas horo-sazonais, e único, para a tarifa convencional. n= Número de intervalos de uma hora, por posto horário no período de faturamento.

8 7 3. METODOLOGIA 3.1 HARDWARE O Medidor Eletrônico O modelo de medidor eletrônico utilizado no protótipo é o modelo ELO.2113D de fabricação da Elo Sistemas Eletrônicos, projetado para uma corrente nominal de 15A e corrente máxima de 120A. Classe de exatidão igual a 0,5. Alimentação por 1, 2 ou 3 fases, na faixa de 90 a 280 V CA, sem necessidade de configuração de por chave ou estrape. Este medidor é preparado para efetuar a medição horo-sazonal, e atende aos padrões da norma NBR Intercâmbio de Informações para Sistemas de Medição de Energia Elétrica. A constante de medição (Kh), que eqüivale ao menor valor de energia registrado, é de 4,0Wh/pulso ou 4,0var/pulso para este modelo de equipamento.

9 Protocolo de comunicação O protocolo de comunicação serial da saída de usuário obedece ao disposto no capítulo 11 da NBR , descrita abaixo: A cada segundo cheio, o Registrador deve enviar um bloco pela saída serial de usuário. A cada fim de intervalo de demanda, um bloco correspondente a este momento de ser enviado três vezes consecutivas, repetindo os mesmos dados, uma vez a cada segundo cheio; Características da transmissão: Velocidade: 110 Bauds ± 3% Tipo: Assíncrona Modo: Monodirecional Caracter: 1 start bit 8 bits de dado 1 stop bits Tamanho do Bloco: Tempo entre blocos: Correspondência lógica: 8 caracteres. 1 segundo cheio Nivel lógico 1 corresponde a saída desativada Formato de um octeto (um caracter), depois de complementado

10 Formatação dos blocos de dados: Octeto 001: Bits 0 a 7: Bits 0 a 3: Bit 4: Número de segundos até o fim do intervalo de demanda ativa atual LSB Número de segundos até o fim do intervalo de demanda ativa atual MSB Indicador de fatura. É complementado a cada reposição de demanda. Octeto 002: Bit 5: Bit 6: Bit 7: Indicador de intervalo reativo. É complementado a cada fim de intervalo de consumo reativo. Se igual a 1, indica que os pulsos de energia reativa capacitiva estão sendo computados para cálculo de UFER e DMCR. Se igual a 1, indica que os pulsos de energia reativa indutiva estão sendo computados para cálculo de UFER e DMCR. Octeto 003: Bits 0 a 3: Segmento horo-sazonal atual: 0001 ponta 0010 fora da ponta reservado Bits 4 a 5 Tipo de tarifa: 00 Azul 01 Verde 10 Irrigantes 11 Outras Bit 6: Não usado Bit 7: Octeto 004: Bits 0 a 7: Se igual a 1, tarifa de reativos ativada. Número de pulsos de energia ativa desde o início do intervalo de demanda ativa atual LSB. Octeto 005: Bits 0 a 6: Bit 7: Octeto 006: Bits 0 a 7: Octeto 007: Bits 0 a 6: Bit 7: Octeto 008: Bits 0 a 7: Número de pulsos de energia ativa desde o início do intervalo de demanda ativa atual MSB. Não usado. Número de pulsos de energia reativa desde o início do intervalo de demanda ativa atual LSB Número de pulsos de energia reativa desde o início do intervalo de demanda ativa atual MSB Não usado Complemento do ou exclusivo dos octetos anteriores.

11 Circuito de Interface O circuito implementado para tratamento dos dados fornecidos pelo medidor até a porta serial do computador, constitui-se de um acoplador óptico, um decodificador/demulplexador e um conversor RS232. A primeira etapa de foi a comunicação da saída de usuário do medidor eletrônico com um computador, através da porta serial. Para tal utilizou-se um acoplador óptico 4N25, para isolar eletricamente o equipamento medidor do circuito de controle de demanda. Como os sinais do medidor são ativos em nível baixo, utilizou-se uma configuração da saída do acoplador óptico que já procede a inversão do sinal. Sem seguida há um circuito integrado para converter o padrão de comunicação serial de TLL para RS232. Deve-se observar a taxa de transferência de dados, no caso igual a 110 bauds.

12 SOFTWARE Fluxogramas

13 Funções O modelo...

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18 4. RESULTADOS E CONCLUSÕES 17

19 18 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Elo Sistemas Eletrônicos Ltda. Manual do Medidor Eletrônico ELO.2113 Porto Alegre, ABNT NBR Intercâmbio de Informações para Sistemas de Medição de Energia Elétrica Rio de Janeiro, Cocian, Luiz F.E. Manual da Linguagem C 1ª Ed. Canoas: ULBRA, Cocian, Luiz F.E. Cadernos Universitários: EPDII Canoas: ULBRA, Dias, Adilson de S. - Desenvolvendo em Borland C++ Builder 5.0 Rio de Janeiro: Ciência Moderna, Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL Resolução n o 456, Condições Gerais de Fornecimento de Energia Elétrica, de 29 de Novembro de 2000.

20 19 APÊNDICE A FLUXOGRAMAS inicio principal nc = nb = 0 cargaon=bcapon=0 nminutos = 0 a Define dados a receber: coct1 coct2=[cl:cc:cir:crd:cnmais(4)] coct3=[ctr:cnull3:ctar(2):cph(4)] coct4 coct5 coct6 coct7 coct8 nseg=union[cnmais:coct1]&0x0fff npulsosa=union[coct5:coct4]&0x7fff npulsosr=union[coct7:coct6]&0x7fff nminutos=nauxmin nminutos==15 nminutos=nauxmin s nminutos=0 intserial VerPostoHorario VerTarifa VerPH fpint=pulsosa*ctemed*rtt*perdas*3600/ntin t coct8==coct1^c Oct2^...^cOct7 n Mensagem erro npulsosa==0 ffp=1 s ntint=900-nseg nauxmin=ntint/60 ffp=cos(atan(pulsosr/pulsosa)) nauxmin>nminutos n fim s a

21 20 APÊNDICE B FLUXOGRAMAS calcula_dem fpint=npulsos*ctemed*rtt*perdas*3600/ntint bcargaon == 1 n s n fpint>=pcontr*1.1 fpint>=pcontr*1.1 n s nc==8 s s s fpint>=pcontr n n nc-- ligacarga[nc] desligacarga[nc] nc++ cargaon=0 sinaliza que não há mais cargas a desligar. Haverá ultrapassagem. carga[0]==on n cargaon=0 s cargaon=1 fim da subrotina