Projecto InovGrid - A evolução da rede de distribuição como resposta aos novos desafios do sector eléctrico. Portugal

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1 Projecto InovGrid - A evolução da rede de distribuição como resposta aos novos desafios do sector eléctrico F. M. Gomes EFACEC A. M. Carrapatoso EFACEC Portugal fernando.gomes@efacec.pt, amc@efacec.pt

2 RESUMO Este trabalho descreve a arquitetura desenvolvida para a implementação de uma rede ativa até ao consumidor / produtor (prosumer), alinhada com a implementação de uma rede inteligente (SmartGrid). O projeto InovGrid foi lançado como uma resposta ao desafio colocado à EDP Distribuição (EDPD) relativamente à liberalização do mercado elétrico Ibérico e Europeu [1] e à necessidade de introduzir mais inteligência na rede por forma a gerir e controlar de forma mais abrangente a rede de distribuição incluindo a integração em larga escala de micro-produção e responsive loads. Este projeto que será aplicável aos 6 milhões de clientes da EDPD, trará benefícios a todos os envolvidos, contribuindo para a mudança de hábitos de consumo por forma a endereçar os requisitos de Eficiência Energética, de acordo com a Diretiva Européia [2] e as legislações nacionais dos diferentes países envolvidos [3]. O projeto InovGrid para além de ser um grande desafio tecnológico, é uma excelente oportunidade de implementação do paradigma das redes inteligentes, permitindo a integração dos processos de smart metering e comerciais definidos pelos reguladores ibéricos [4,5] e permitindo simultaneamente o aumento da eficiência e da flexibilidade da operação da rede, a melhoria da qualidade de serviço, entre outros. Por forma a desenvolver o projeto, foi formado um consórcio liderado pela EDPD e incorporando empresas com competências nas áreas da medição e comunicações (Janz), automação de sistemas de energia, comunicações, SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) e automação de subestações (EFACEC), sistemas de informação (Edinfor / LOGICA CMG) e institutos de investigação (INESC Porto), com o suporte da nolimits Consulting. Este trabalho descreve os principais objetivos, o trabalho desenvolvido e planeado, e os resultados esperados do projeto InovGrid, que incluem um projeto piloto em 2009 actualmente em implementação. A arquitetura técnica da solução baseia-se numa arquitetura hierárquica multinível, capaz de integrar as componentes comerciais e técnicas. As soluções escolhidas privilegiaram a escolha de soluções abertas e a modularidade, já que se trata de uma área onde a evolução tecnológica poderá permitir ter num futuro próximo, tecnologias que potencializem uma maior capacidade de comunicação. As próximas fases de desenvolvimento do projeto estarão focadas numa rede elétrica ativa, incluindo soluções de self-healing (auto-recuperação), estratégias de controle de microgeração por forma a permitir o funcionamento em ilha e recuperação de serviço após blackouts, gestão de ativos, demand response, entre outras. PALAVRAS CHAVE AMR, AMI, Smart Metering, Redes Inteligentes, Telecontagem, Distribuição de Energia, Automação da Distribuição. 2

3 1. Introdução Os sistemas inteligentes de contagem são o instrumento chave para a implementação da infraestrutura que dará suporte à gestão técnica e comercial dos sistemas eléctricos de energia do futuro. Os benefícios destes sistemas são ainda potenciados pela possibilidade de colaborarem na integração em larga escala de geração de energia renovável. As abordagens de telecontagem tem vindo a evoluir do ponto de vista de sofisticação tecnológica, desde o AMR até AMI, introduzindo o conceito de smart metering. Desde os anos 90 até ao inicio do Século XXI foram introduzidas soluções de telecontagem como resposta à liberalização do mercado eléctrico que colocou novas necessidades, nomeadamente de dados operacionais da rede e de consumo mais detalhados. Foram instalados contadores electrónicos nos clientes principais e foram utilizados sistemas de comunicação baseados nas redes GSM ou PSTN. Como consequência da penetração da tecnologia associada aos contadores digitais no segmento de baixa tensão e da necessidade de ter novos mecanismos que potenciem a eficiência energética dos consumidores desenvolveram-se novas soluções que estão actualmente a ser implementadas por várias utilities, permitindo um novo tipo de relações contratuais, introdução de demand response, e fundamentalmente, uma abordagem centrada no consumidor. Ambition levels introducing network intelligence + InovGrid Project Smart Metering and Energy Management: Customer-centric approach; promoting energy efficiency; provide a new set of services Stakeholders benefits AMM Automated Meter Management Micro and dispersed generation: Provided integration and growing capacity into distribution network - - AMR Automated Meter Reading Solution complexity and innovation + Smart Grids: Increase intelligence, efficiency and quality of service Ilustração 1 - Âmbito do projecto InovGrid Aproveitando o facto de se vir a dispor de uma nova infra-estrutura de telecomunicações e um número alargado de dispositivos electrónicos inteligentes na rede de média tensão (MV) e de baixa tensão (LV) é possível tornar real esta mudança de paradigma [6]. A nova infra-estrutura permite realizar a gestão técnica e comercial, introduzir serviços avançados, integrar a crescente microgeração e geração dispersa com a inerente necessidade de controlo adicional, e simultaneamente aumentar a disponibilidade de informação e inteligência em todos os níveis da rede [7, 8]. 3

4 Este artigo descreve a arquitectura técnica, os componentes principais e serviços que estão a ser desenvolvidos e instalados por forma a implementar uma rede de distribuição verdadeiramente activa. 2. Arquitectura Por forma a desenvolver este projecto foi criado um consórcio, liderado pela EDP Distribuição (EDPD) e que integra empresas da área da automação e comunicações (EFACEC), da contagem (Janz / Contar), dos sistemas de informação (LOGICA) e institutos de investigação (INESC Porto), com o suporte de consultoria na gestão do projecto da NoLimits Consulting. A arquitectura técnica baseia-se numa arquitectura hierárquica multinível, capaz de gerir simultaneamente de forma separada ou integrada a informação técnica e comercial. Os componentes definidos para a fase 1 (actualmente em instalação no terreno) estão representados na figura seguinte. Ilustração 2 - Arquitectura técnica de referência InovGrid A arquitectura encontra-se dividida em 3 níveis: 1. Nível do produtor / consumidor Neste nível encontram-se as Energy Boxes (EB), que implementam as funções de contagem de energia e também a gestão de energia doméstica, incluindo o controlo de equipamentos consumidores de energia e o controlo da microgeração. 2. Nível da subestação MV/LV (posto de transformação - PT) Neste nível encontra-se o Distribution Transformer Controller (DTC), com funções de concentração de informação, gestão das Energy Boxes e ainda a monitorização, controlo e automação do PT (transformador e restantes activos da subestação MV/LV) 3. Nível de controlo e gestão central Neste nível é realizada a agregação da informação comercial e de gestão de energia, sendo ainda implementado o controlo operacional da rede. 4

5 Foram estudadas as diferentes possibilidades existentes do ponto de vista das tecnologias e protocolos de comunicações e foram avaliadas as infraestruturas existentes por forma a fazer uma escolha adequada ao tipo e quantidade de tráfego previsto entre os diferentes níveis da arquitectura e aos níveis de robustez de comunicação necessários. A solução encontrada baseia-se em protocolos standard, abertos e interoperáveis, por forma a garantir a compatibilidade, a evolução e o controlo do risco inerente a uma instalação em larga escala. Até ao arranque do roll-out massivo do projecto serão introduzidos desenvolvimentos significativos na rede de distribuição, incluindo sensorização de rede de média tensão, detecção de defeito, restabelecimento de serviço automático e self-healing, controlo da microgeração incluindo estratégias para gestão do funcionamento em ilha e para restabelecimento de energia após problemas de exploração e situações de blackout, monitorização de activos, automação e controlo, demand response, etc. Para além dos níveis anteriormente referidos, a implementação do projecto envolverá a revisão e o desenho de novos processos organizacionais que permitirão um impacto positivo nos serviços prestados e na relação com os diferentes stakeholders Energy Box A Energy Box é o gateway inteligente doméstico para smart metering, demand response, demand side management, controlo da microgeração, serviços de valor acrescentado e domótica. Ilustração 3 - A Energy Box como o gateway inteligente de energia As Energy Boxes (EB) são os dispositivos que ficam mais próximos dos produtores / consumidores, implementando os serviços de contagem e contratuais e permitindo, através 5

6 da sua capacidade comunicativa local, a troca de mensagens entre cliente e fornecedor incluindo a informação detalhada dos consumos. Onde aplicável, as EB darão suporte à gestão e controlo da microgeração (tanto ao nível local como ao nível da rede de baixa tensão, respondendo a pedidos recebidos do DTC), bem como à gestão e controlo de cargas locais, incluindo cargas que contratualmente possam ser deslastradas Distribution Transformer Controller O Distribution Transformer Controller (DTC) fica localizado na subestação MV/LV (Posto de Transformação - PT) e além de comunicar e gerir as Energy Boxes existentes na rede LV da subestação, opera ainda como um dispositivo inteligente de controlo e automação do PT, detecção de defeito e controlo da Iluminação Pública. O DTC é o componente principal neste nível da arquitectura, permitindo a introdução faseada de novas funcionalidades conforme elas se tornem necessárias, face ao seu conceito modular e expansível. Num cenário de um sistema DMS distribuído, o DTC terá um papel fundamental no controlo e gestão avançada da geração distribuída, possibilitando a implementação local de algoritmos avançados. O DTC implementa ainda outras funções, tais como balanço energético, monitorização do desequilíbrio de carga, monitorização de sobrecarga do transformador, analise da qualidade de energia, detecção e notificação de falhas de energia. As funcionalidades implementadas em cada um dos PT durante a fase de roll-out do projecto dependerão do tipo de PT, condições de instalação, e principalmente de uma análise de custo beneficio tendo em conta a operação da rede e a qualidade de serviço. O DTC terá ainda a responsabilidade de gerir a operação da rede em ilha, explorando a capacidade de geração local existente na rede de baixa tensão desde que disponível [9]. Numa fase mais avançada do projecto serão ainda implementadas funções de reposição automática de serviço, self-healing e gestão da microgeração [10] Comunicações As comunicações tem um papel fundamental no projecto, já que disponibilizam todo o suporte de infraestrutura às diversas funcionalidades e serviços. A infraestrutura divide-se nas seguintes redes: 1. WAN (Wide Area Network) - Interliga os Sistemas de Informação / SCADA/DMS com os DTC 2. TAN (Transformer Area Network) Interliga o DTC e os restantes dispositivos electrónicos inteligentes (IED) existentes no PT 3. LAN (Local Area Network) Interliga o DTC e as EB 4. HAN (Home Area Network) Interliga a EB com dispositivos instalados na casa do consumidor / produtor (para interacção com o consumidor / produtor, controlo individual de cargas, etc.) Na implementação actualmente em fase de instalação foi escolhida a tecnologia PLC de banda estreita, GSM/GPRS e radiofrequência em frequência não licenciada. Foi contemplada a possibilidade de existirem evoluções das tecnologias de comunicações ao longo das diferentes fases do projecto já que esta é uma área com um nível de evolução muito elevado e estão a surgir tecnologias com bastante potencial como o PLC recorrendo à modulação OFDM, ou a estandardização do ZigBee para este tipo de aplicações. Para isso os produtos desenvolvidos no âmbito deste projecto foram concebidos de forma modular por 6

7 forma a permitirem a alteração da tecnologia de comunicações sem que seja necessário substituir todo o equipamento. A migração para uma rede full IP e os problemas ligados à cibersegurança são também importantes desafios para a evolução deste projecto para as fases seguintes Sistemas de Informação A nova plataforma de IT e os sistemas técnicos e comerciais existentes contribuem fortemente para a implementação da visão do projecto InovGrid. Esta infraestrutura que inclui os Sistemas de Informação Centrais, processa a informação recebida de todos os componentes envolvidos, suportando as operações e o controlo da rede de distribuição de energia. A integração de todos os sistemas técnicos e comerciais (billing, outage management, GIS, SCADA / DMS, Portal do Cliente) permitirá atingir um novo patamar na qualidade e nível de serviço da EDP Distribuição. Estes sistemas agregam a funcionalidade de gestão comercial e de gestão técnica, implementando de forma precisa os processos de facturação através da utilização de dados de consumo / produção obtidos em tempo real. Os sistemas centrais disponibilizam uma visão global de todos os dispositivos existentes, permitindo a operação de uma rede verdadeiramente activa. A ponte entre os componentes SCADA, aplicações EDM e outros sistemas empresariais é realizada a todos os níveis, desde os sistemas centrais até aos níveis inferiores, possibilitando uma gestão optimizada da rede eléctrica, melhoria na qualidade do fornecimento de energia e permitindo a introdução de novas funcionalidades. A gestão dos activos da rede será também melhorada, através da monitorização em tempo real dos activos e análise diferida dos dados adicionais adquiridos que passarão a cobrir integralmente toda a rede de distribuição de energia. 3. Benefícios principais A integração da rede eléctrica actual com uma plataforma tecnológica e de comunicações avançada trará benefícios às utilities, stakeholders e à sociedade Improve access to micro-generation Reduce energy costs VAS, tariffs and price plans Real-time billing Consumer/ Producer Provide new services New price plans and real-time tariffs Improve CRM Reduce entry barriers Supplier Regulator Market efficiency Continuous reliability and quality improvement More accurate information about activities New tariffs models Reduce OPEX Reduce network losses Optimize management and control Optimize CAPEX Improve QoS Distributor National Economy Improve energy efficiency Increase penetration of DG Converge to European goals Boost R&D and economy Facilitate market liberalization Ilustração 4 - Principais benefícios esperados 7

8 3.1. Utilities A existência de informação detalhada proveniente de todos os níveis da rede eléctrica contribuirá para planear melhor as necessidades de investimento, evitando ou adiando alguns dos investimentos, reduzindo desta forma o CAPEX A supervisão e controlo remoto abrangendo toda a rede eléctrica, suportado através de dados de tempo real potenciará mecanismos que melhoram as operações, optimizando a gestão da rede nomeadamente ao nível do controlo de tensão e de minimização de perdas O acesso generalizado à informação em tempo real e monitorização de activos permitirá reduzir o custo nas operações através da redução de acções correctivas e reparações / substituições, reduzindo desta forma o OPEX. Através da optimização do controlo e operação da rede e também da integração de geração dispersa e microgeração espera-se obter uma melhoria na qualidade de serviço, nomeadamente na fiabilidade do fornecimento de energia aos clientes finais. Pelo facto de se obter de forma global os trânsitos de energia e de se poder optimizar a integração da geração dispersa e microgeração poderão ser optimizadas as condições operacionais da rede e minimizadas as perdas técnicas. A detecção de fraude será potenciada pela obtenção de dados detalhados de consumo de energia e de balanços energéticos na rede de baixa tensão realizados ao nível do Posto de Transformação, o que em conjunto permitirá minimizar as perdas técnicas e comerciais Stakeholders Os comercializadores poderão introduzir novos serviços (incluindo serviços de valor acrescentado), podendo implementar tarifários inovadores que reflictam as condições reais de mercado. As operações em tempo real permitirão melhorar também a gestão da relação com os clientes. Os reguladores verão uma melhoria de eficiência no mercado através de uma melhoria continua da qualidade de serviço, maior facilidade na mudança de comercializador, disponibilidade de informação detalhada da actividade das utilities e das operações de mercado, etc. Os consumidores / produtores poderão reduzir o valor da sua factura, não apenas pela melhoria da operação da rede ou por mudança do plano tarifário, mas fundamentalmente porque passam estar sensibilizados acerca do potencial de melhoria de eficiência energética. A facturação passa também a ser suportada por valores reais, incluindo informação detalhada de consumo, incluindo por exemplo curvas de carga. Como a utility passa a poder gerir de forma optimizada a geração dispersa, poderão ser implementados novos modelos de integração de microgeração, beneficiando os produtores. Do ponto de vista económico e politico, permitirá potenciar a convergência com os objectivos ambientais da União Europeia [11], através do aumento da eficiência energética. Esta transformação tecnológica contribuirá para a dinamização da actividade de Investigação e Desenvolvimento, criação de novos centros de competências, desenvolvendo novos clusters industriais e de serviços Sociedade As redes de energia do futuro permitirão promover uma abordagem centrada no consumidor / produtor e melhorar a qualidade de serviço, promovendo activamente um mercado europeu de energia e a sustentabilidade ambiental. 8

9 4. Conclusões A fusão da rede actual de distribuição de energia com uma nova plataforma tecnológica e de comunicações criará uma nova super-infraestrutura que será o inicio da implementação de redes inteligentes. A plataforma InovGrid combina hardware (suportado por uma rede de comunicações bidireccional) e sistemas desenhada para endereçar a integração de Smart Metering, gestão de energia, microgeração e ainda a gestão avançada da rede eléctrica. Quando efectivamente integrada com os sistemas comerciais e técnicos, a solução InovGrid é um dos pontos chave para atingir os objectivos definidos para a área da energia uma abordagem centrada no cliente consumidor / produtor, qualidade de serviço, sustentabilidade ambiental e mercado europeu de energia aportando benefícios às utilities, stakeholders e à sociedade. BIBLIOGRAFIA [1] - Directiva 2003/54/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 26 de Junho de 2003, que estabelece regras comuns para o mercado interno da electricidade e que revoga a Directiva 96/92/CE (OJ L 76/ ) [2] - Directiva 2006/32/CE do Parlamento Europeu e do Conselho de 5 de Abril de 2006 relativa à eficiência na utilização final de energia e aos serviços energéticos e que revoga a Directiva 93/76/CEE do Conselho, Jornal Oficial da União Europeia, Estrasburgo, 2006 [Online]. Available: [3] Ministério da Economia e da Inovação. Portugal Eficiência 2015 Plano nacional de acção para a eficiência energética, 2008, Lisboa, Portugal [Online]. Available: [4] ERSE. Funcionalidades mínimas e plano de substituição dos contadores de energia eléctrica - proposta a apresentar ao governo português no âmbito do plano de compatibilização regulatória (MIBEL), 2007, Portugal [Online]. Avilable: [5] - Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. ORDEN ITC/3860/2007, (BOE de 29/12/ Sección I), 2007 [Online]. [6] - European smartgrids technology platform: vision and strategy for Europe's electricity networks of the future / European Commission, Directorate-General for Research, Sustainable Energy Systems, Luxembourg, 2006 [Online]. Available: [7] - R. Lasseter et al., White paper on integration of distributed energy resources The CERTS MicroGrid concept [Online]. Available: [8] - J. A. Peças Lopes, J. Tomé Saraiva, N. Hatziargyriou, "Management of Microgrids", Proceedings of JIEEC' International Electrical Equipment Conference' 2003, Bilbao, Espanha, Outubro de [9] - J. A. Peças Lopes, C. L. Moreira, A. G. Madureira, Defining control strategies for MicroGrids islanded operation, IEEE Transactions on Power Systems, vol.21, no.2, pp , Maio, [10] -C. L. Moreira, F. O. Resende, J. A. Peças Lopes, Using low voltage MicroGrids for service restoration, IEEE Transactions on Power Systems, vol.21, no.1, pp , Fevereiro,

10 [11] - Brussels European Council, 8-9 March 2007: Presidency Conclusions, Brussels, Belgium, [Online]. Available: 10