XXI Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI 2014-08 a 13 de novembro Santos - SP - Brasil Fabio Andrey Salles PRAEX TECHNOLOGY LTDA fabio.salles@praex.com.br Thiago de Farias Pullig Ampla Energia e Serviços S/A tpullig@ampla.com Omar A. C. Macedo Ampla Energia e Serviços S/A omacedo@endesabr.com.br Fabio Porto de Melo Ampla Energia e Serviços S/A fmelo@endesabr.com.br Luciana Michelotto Iantorno Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento luciana.iantorno@lactec.org.br Diego Fenando de Araújo PRAEX TECHNOLOGY LTDA diego.araujo@praex.com.br Rafael Wagner Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento rafaelw@lactec.org.br Fabiano de Araujo S. Ferronato Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento fabiano.ferronato@lactec.org.br Haroldo Carlos Preston Giesta Ampla Energia e Serviços S/A hgiesta@ampla.com Orestes Castaneda Pacheco Ampla Energia e Serviços S/A orestesc@ampla.com Weules Fernandes Correa Ampla Energia e Serviços S/A wcorreia@ampla.com Cidade Inteligente Búzios: Sistema de Comunicação Multi-Meios e Multi-Aplicações Palavras-chave Comunicação Gateway Multi-Aplicações Multi-Meios Smart Grid Resumo Este trabalho aborda a problemática de interoperabilidade de meios de comunicação distintos. São analisadas alternativas para compatibilização de sistemas de comunicação heterogêneos. Os meios de comunicação são necessários para coletar e manipular informações sobre a geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica. Essas informações possibilitam a monitoração e gerência do fornecimento de energia, a tarifação diferenciada para os consumidores, o gerenciamento das interrupções de fornecimento de energia, assim como o planejamento da construção de novas plantas e linhas de transmissão, dentre outras. No entanto, do ponto de vista da comunicação, essas aplicações possuem necessidades distintas, sendo necessária a utilização de meios de comunicação diversos, conforme a aplicação. De tal modo, a interoperabilidade entre os diversos meios de comunicação das múltiplas aplicações utilizadas nas redes 1/9
elétricas inteligentes é de fundamental importância para garantir a operação adequada do conceito internacional de Smart Grids. 1. Introdução Uma rede elétrica inteligente (Smart Grid) utiliza tecnologia da informação e meios de comunicação para coletar e manipular informações sobre a geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica. Este conceito integra a infraestrutura das concessionárias de energia, incluindo equipamentos e informações em um processo coordenado e colaborativo que permite a geração, a distribuição e o consumo da eletricidade de forma mais eficiente, rentável, confiável e sustentável. A Smart Grid, da forma com que está sendo concebida internacionalmente, oferece vários benefícios às concessionárias e aos consumidores, possibilitando às concessionárias, entre outras vantagens: Monitorar e gerenciar o fornecimento de energia nas residências e empresas em tempo real; Oferecer tarifas diferenciadas, configuráveis remota e dinamicamente, para gerenciar picos de demanda, e serviços de gerenciamento de demanda para encorajar o uso da energia de forma mais eficiente; Gerenciar as interrupções de fornecimento de energia, tendo controle e monitoramento mais efetivo da rede de distribuição, visando isolar os problemas identificados de forma proativa, ágil e prática; Planejar a construção de novas plantas e linhas de transmissão através do gerenciamento mais ativo da demanda (carga). Do ponto de vista tecnológico, a essência da Smart Grid é o controle digital da rede de distribuição de energia e a comunicação com os clientes e o mercado. Ela tem por atribuição oferecer os benefícios e aplicações apresentados na Figura 1. Figura 1 - Aplicações e benefícios oferecidos pela Smart Grid 2/9
A ideia central da Smart Grid é de que a tecnologia da informação pode revolucionar a geração e a distribuição de eletricidade, da mesma forma como a Tecnologia da Informação tem transformado outros aspectos da indústria. Os principais fatores que possibilitam essa transformação são: a (1) inteligência distribuída, a (2) infraestrutura de comunicação e (3) os sistemas de controle e automação. 1. Inteligência distribuída: instalação de avançados sensores com capacidade de comunicação e processamento em cada elemento da rede (chaves, transformadores, subestações, linhas de distribuição, etc.) assim como a instalação de medidores de última geração em seus End Points para aplicações inteligentes nas residências. 2. Meios de Comunicação: a infraestrutura de comunicação é um item chave para habilitar um amplo sistema de monitoração e coordenação que possibilitam aplicações como automação distribuída, gerenciamento de interrupções e monitoração da qualidade de energia. Tais aplicações necessitam de uma rede de baixa latência, elevada largura de banda e priorização da qualidade do serviço (QoS). A infraestrutura de comunicação tem como função integrar os medidores, os sensores e centros de controle dentro de uma única rede. 3. Sistemas de controle automatizados: o terceiro elemento principal consiste de softwares centralizados e algoritmos de auto-reconfiguração e adaptação da rede. Atualmente, a infraestrutura de comunicação da maioria das concessionárias brasileiras está disponível para monitoração e controle dos troncos estratégicos de alta e média tensão, nos sistemas SCADA e, em certos casos, na medição remota de clientes do Grupo A (grandes consumidores atendidos com o fornecimento de energia nos níveis de tensão de 2,3 kv a 230 kv). Este artigo descreve a implementação de tecnologias de comunicação para inserir diversas aplicações da Smart Grid na rede elétrica atual, incluindo a medição remota de energia, automação da rede, controle de iluminação pública, inclusão de funcionalidades para veículos elétricos e geração distribuída. Esse processo visa manter a compatibilidade com os protocolos, sistemas e servidores já existentes na rede da AMPLA Energia e Serviços. 2. Desenvolvimento As aplicações Smart Grid utilizadas na Cidade Inteligente de Armação dos Búzios-RJ incluem: iluminação pública, automação de redes de distribuição, medição eletrônica, geração distribuída e veículos elétricos. Cada uma dessas aplicações possuem características de telecomunicações distintas. Para a iluminação pública e medição eletrônica, por exemplo, é essencial que a rede possua uma boa disponibilidade. Já para a automação de troncos e ramais, além da disponibilidade, é essencial que a rede possua velocidade e tempo de resposta de alto desempenho, uma vez que essa aplicação faz manobras em tempo real. A Figura 2 ilustra um cenário ideal, no qual todas as aplicações com meios de comunicação distintos são integradas através de um Gateway multi-meios e multi-aplicações. 3/9
Figura 2 - Arquitetura do sistema de comunicação Gateway multi-meios e multi-aplicações No projeto Cidade Inteligente Búzios focou-se em encontrar a melhor solução de comunicação para cada aplicação, sem a preocupação com a integração entre os Gateways. Cada aplicação possui seu próprio Gateway, que comunica-se individualmente com o respectivo servidor de aplicação. Foram analisadas as necessidades de cada aplicação juntamente com os protocolos utilizados em cada uma. 2.1 Iluminação Pública A arquitetura utilizada na Iluminação Pública de Búzios está ilustrada na Figura 3. As luminárias da área selecionada foram substituídas por luminárias a LED, diminuindo o consumo e aumentando a eficiência energética da Iluminação Pública na região. A comunicação entre as luminárias é realizada através de Power Line Communication (PLC), com controle centralizado em um concentrador, que por sua vez conecta-se a um módulo GPRS para realizar a comunicação com o servidor de iluminação pública onde seu controle é realizado. 4/9
Figura 3 - Arquitetura do sistema de Iluminação Pública de Búzios 2.2 Medição Eletrônica A medição de energia foi realizada utilizando três meios de comunicação distintos e independentes entre si, uma rede PLC com emprego do protocolo Meters&More, uma rede MESH com tecnologia AMRTEC e uma rede MESH IEEE 802.15.4 com tecnologia AMPLA/LACTEC/PRAEX. 2.2.1 PLC Meters&More A rede PLC Meters&More possibilita a medição remota de consumidores do Grupo B (unidades consumidoras atendidas com o fornecimento de energia nos níveis de tensão inferiores a 2,3 kv). Para isso, módulos de comunicação PLC utilizando o protocolo Meters&More foram acoplados a medidores Landis+Gyr. A comunicação entre os medidores e o concentrador da rede é realizado através de comunicação PLC. Inicialmente, os concentradores foram equipados com módulos GPRS para realizar a comunicação com o servidor, conforme ilustrado na Figura 4. 5/9
Figura 4 - Arquitetura da rede de medição Meters&More Durante os testes de funcionamento dos circuitos de medição utilizando PLC Meters&More, observaram-se problemas em seu funcionamento devido à instabilidade do sistema GPRS na região em análise. Cabe ressaltar que as falhas observadas ocorrem com frequência em outras regiões do Brasil devido à baixa qualidade dos serviços oferecidos pelas operadoras de telefonia móvel e dados. Com estes problemas identificados, decidiu-se realizar a instalação de um sistema de comunicação utilizando fibra óptica, substituindo a comunicação GPRS inicial. Os concentradores da rede de medição PLC foram interligados através de link de fibra óptica em topologia de anel. Este novo meio de comunicação solucionou os problemas inicialmente observados na comunicação GPRS. 2.2.2 Rede MESH AMRTEC A tecnologia AMRTEC possibilita a medição remota de energia em medidores do Grupo A. Este sistema de comunicação é constituído por um End Device conectado ao medidor de energia que lê os dados ABNT NBR 14522 do medidor e comunica-se com um concentrador através de uma rede MESH por RF com auxílio de repetidores. O concentrador é equipado com um módulo GPRS para permitir a comunicação com o centro de medição. A arquitetura utilizada na rede MESH da AMRTEC está ilustrada na Figura 5. 6/9
Figura 5 - Arquitetura da rede MESH AMRTEC 2.2.3 Rede MESH AMPLA/LACTEC/PRAEX A rede MESH tecnologia AMPLA/LACTEC/PRAEX possibilita o funcionamento de várias aplicações utilizando a mesma rede de comunicação. No caso de Búzios, a rede está sendo utilizada para a Iluminação Pública, Medição Inteligente de Energia e Automação de Rede, conforme ilustrado na Figura 6. Figura 6 - Arquitetura da rede MESH AMPLA/LACTEC/PRAEX A rede MESH tecnologia AMPLA/LACTEC/PRAEX é constituída pelos seguintes dispositivos: End Devices, Roteadores, Concentradores e Gateway, sendo que cada aplicação possui um modelo distinto de End Device desenvolvido para a sua aplicação específica. Para a aplicação de medição do Grupo A, por exemplo, os End Devices são conectados aos medidores de energia 7/9
através de uma porta óptica. Estes End Devices comunicam-se com os medidores utilizando o protocolo ABNT NBR 14522, e com o concentrador de sua aplicação conectado ao Gateway que está dentro do showroom do projeto "Cidade Inteligente Búzios". Este Gateway comunica-se com o centro de medição da Ampla em Niterói-RJ via fibra óptica. 2.3 Automação de Rede A automação de troncos e ramais da rede de distribuição de energia elétrica já fazia uso de uma rede de comunicação própria, antes mesmo do início do projeto "Cidade Inteligente Búzios", utilizando rádios ponto-a-ponto. Adicionalmente, foi aplicada também para essa comunicação a rede MESH tecnologia AMPLA/LACTEC/PRAEX utilizando a infraestrutura para medição de consumidores do Grupo A acoplada aos dispositivos já existentes através de End Devices projetados para compatibilidade com o protocolo DNP 3.0. 2.3.1 Rádio Ponto-a-Ponto A automação foi inicialmente realizada utilizando rádios ponto-a-ponto conectados diretamente ao religador, através da interface serial, e comunicam-se com o servidor (sistema SCADA) através da rede de RF, conforme ilustrado na Figura 7. Figura 7 - Arquitetura de comunicação da automação de troncos e ramais da rede de distribuição de energia elétrica 2.3.2 Rede MESH Para a realização de testes, rádios da rede MESH tecnologia AMPLA/LACTEC/PRAEX utilizando a mesma infraestrutura de comunicação da aplicação de medição foram instalados em alguns religadores da "Cidade Inteligente Búzios". 8/9
Nessa instalação, desenvolveu-se um circuito chaveador de interface serial que possibilita a seleção do meio de comunicação, rede MESH ou rádio ponto-a-ponto, para a realização de monitoração ou manobras no sistema de automação. A arquitetura desse sistema está ilustrada na Figura 6. Os testes realizados inicialmente indicaram resultados positivos, com uma taxa de 95% das solicitações realizadas pelo centro de operação da distribuição atendidas através da rede MESH. 2.4 Geração Distribuída A geração distribuída está instalada e funcional através de painéis fotovoltaicos instalados em consumidores preferenciais. Os inversores dessa aplicação são equipados com interface RJ45, o que os qualifica para interligação com o centro de supervisão da cidade inteligente via conectividade IP com fibra óptica para a obtenção das informações reais da energia alternativa gerada e quanto desta energia foi disponibilizada na rede de distribuição. 2.5 Veículos Elétricos O carregador de bicicletas elétricas utilizadas no projeto "Cidade Inteligente Búzios" é equipado com comunicação via rede MESH IEEE 802.15.4, sendo utilizada para o controle da recarga desses veículos. A implementação da função de rastreamento das bicicletas através dessa comunicação também está prevista no projeto. 3. Conclusões Diversos meios de comunicação foram empregados neste projeto, viabilizando aplicações do conceito internacionalmente difundido de Smart Grid. Esse sistema é caracterizado pelas suas múltiplas aplicações, utilizando múltiplos meios de comunicação. Até mesmo no caso em que uma única aplicação possui distintos meios de comunicação, é possível realizar a comunicação com o servidor desta aplicação. Observa-se que, para atender efetivamente à implementação do conceito de Smart Grid, é necessário empregar o meio de comunicação mais adequado para cada uma das aplicações, porque cada uma possui requisitos distintos. O GPRS, no escopo deste projeto, tem sido uma alternativa de solução para o caso da Iluminação Pública. Porém, para as medições eletrônicas este método não tem apresentado o mesmo desempenho. Além disso, é necessário observar os requisitos considerando a segurança dos dados, preservação da confiabilidade e algoritmos de recuperação de pacotes. O conceito Smart Grid está implementado na Cidade Inteligente de Armação dos Búzios-RJ, encontrando-se totalmente funcional e apresentando resultados positivos. 4. Referências bibliográficas IEEE Computer Society. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks- Part 15.4: Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). EUA, IEEE, setembro 2011. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Norma Técnica ABNT NBR 14522:2008, Intercâmbio de informações para sistemas de medição de energia elétrica. Brasil, ABNT, abril de 2008. METERS AND MORE 2013. Acesso em 16/04/2014, disponível em www.metersandmore.eu. 9/9