PAPER 1/10 Title Desenvolvimento de uma plataforma de monitoramento em tempo de real do consumo de energia elétrica Registration Nº: (Abstract) ¹Softplan, ²IFSC Softplan Rod. José Carlos Daux 10 ParqTec Alfa, João Paulo Florianópolis/SC Brasil CEP 88030-000 IFSC Instituto Federal de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrotécnica Av. Mauro Ramos 950, Centro - Florianópolis/SC Brasil CEP 88020-300 Authors of the paper Name Country e-mail Paulo Leonardo Vieira Rodrigues¹ Brasil paulo@softplan.com.br Jaicimara Weber² Brasil jaicimara@outlook.com Rafael Nilson Rodrigues² Brasil rafael@ifsc.edu.br Key words Sistemas Elétricos de Potência, Smart Grids, Monitoramento de Energia Elétrica RESUMO A energia elétrica está presente numa gama muito ampla e variada de processos, e para o seu bom aproveitamento, é imprescindível que seu consumo seja monitorado. Os conceitos e vantagens que Redes Elétricas Inteligentes, em inglês Smart Grids trazem tornam relevante medições mais detalhadas e de monitoramento da energia elétrica. Na ótica dos consumidores, não há um número significativo de sistemas destinados a realizar este monitoramento do consumo de energia de maneira simples e de baixo custo. Este trabalho propõe o desenvolvimento de uma plataforma de baixo custo para o monitoramento de consumo da energia elétrica em tempo real, utilizando comunicação com medidores eletrônicos de energia das concessionárias de distribuição. Especificamente, busca-se o desenvolvimento de um protótipo eletrônico-computacional baseado em plataforma Arduino e microcontroladores ATmega328, no padrão de comunicação de dados ABNT NBR 14522 e em softwares livres de programação. 1 / 10
PAPER 2/10 1. INTRODUÇÃO O elevado consumo de energia elétrica tem levado a necessidade de otimização dos recursos naturais e de conscientização por parte dos consumidores. Os sistemas elétricos de potência têm avanço nos conceitos de Redes Elétricas Inteligentes, em inglês Smart Grids (SG), os quais visam, entre outros objetivos, o uso mais otimizado dos recursos energéticos, maior nível de detalhamento em medições e controle do sistema e a participação mais intensa pelos consumidores. Este novo paradigma acarreta um número significativo de desafios tecnológicos a serem vencidos [1,2], entre os quais dispositivos simples e de baixo custo que permitam aos consumidores acompanharem com precisão o seu consumo, a qualidade da energia entregue pelo sistema de distribuição e tomar decisões quanto a economia de energia elétrica O acompanhamento do consumo de energia elétrica pelo consumidor pode ser realizado pela aquisição de dados dos medidores de energia elétrica. Os medidores eletrônicos atuais fornecem dados para a concessionária de distribuição de energia e, também, possuem uma Saída de Usuário (SU) através da qual o consumidor pode obter instantaneamente informações sobre algumas grandezas elétricas relacionadas ao consumo de energia. Particularmente ao Brasil, para consumidores do Grupo A e Grupo B as concessionárias de energia utilizam significante o Medidor Eletrônico de Energia ELO 2113 [3]. A SU disponibiliza informações das medições de energia de maneira assíncrona via protocolos de comunicação definidos pela NBR 14522 [4], norma brasileira para intercâmbio de informações para sistemas de energia elétrica. O foco deste trabalho consiste no desenvolvimento de uma plataforma eletrônico-computacional de interface, armazenamento remoto de dados e monitoramento de energia elétrica, baseada em medidores eletrônicos de energia elétrica ELO 2113, microcontroladores da família ATmega328 [5], em protocolo de comunicação para medidores eletrônicos NBR 14522 e um ambiente computacional para monitoramento A seguir, são abordados medidores eletrônicos de energia e os microcontroladores utilizados neste trabalho. Posteriormente, o trabalho apresenta o desenvolvimento do protótipo eletrônico-computacional. Por último, as conclusões e trabalhos futuros. 2. MEDIDOR ELETRÔNICO DE ENERGIA ELO 2113 As concessionárias de distribuição de energia elétrica utilizam medidores eletrônicos para medir o consumo de energia em consumidores de Grupo A e, mais recentemente regulamentado pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) [6], também o Grupo B. Medidores eletrônicos são baseados em transdutores de tensão e corrente elétricas. O funcionamento consiste em registrar grandezas elétricas pertinentes ao faturamento da energia. Os medidores eletrônicos mais recentemente, inseridos no ambiente de SG, proporcionam benefícios aos consumidores, como a possibilidade de 2 / 10
difundir a microgeração e minigeração e de obter informações instantâneas de seu consumo de energia. A Figura 1 apresenta uma vista frontal do modelo ELO 2113 utilizado neste trabalho. PAPER 3/10 Tabela 1. Características de transmissão ELO2113 SU-GI. Fonte: ELO Sistemas Eletrônicos (2005) Velocidade 600 Baud (+- 3%) Tipo Modo Caractere Tamanho do bloco Tempo entre blocos Assincrono Monodirecional 1 start bit, 8 bits de dados, 1 stop bit 53 bytes 1 segundo cheio Tabela 2. Formato dos blocos de dados ELO2113 SU-GI. Fonte: ELO Sistemas Eletrônicos (2005) Posição Formato Descrição 1 Word8 Código do Bloco 2 Word8 Definição de Bloco 3 a 6 Word32 Nº de Série do Medidor 7 a10 Word32 Número de segundos desde 01/01/1980 Figura 1. Vista frontal do modelo ELO 2113. Fonte: ELO Sistemas Eletrônicos (2005) A SU do medidor de energia ELO 2113 envia um conjunto de dados de acordo com a NBR 14522, que define o padrão de intercâmbio de informações no sistema de medição de energia elétrica. A SU funciona de maneira assíncrona e monodirecional, ou seja, o medidor enviar pacotes de dados independentemente do equipamento receptor dos dados. Os pacotes são enviados com formatos e frequência definidos. O modelo ELO 2113 possui quatro tipos de SU [3]: Saída de usuário monodirecional; Saída de usuário estendida; Saída de usuário grandezas instantâneas; Saída de usuário mista. Este trabalho utiliza a SU do tipo Grandezas Instantâneas (SU-GI), cujas principais características são apresentadas pela Tabela 1. 11 a 13 Float24 Tensão Fase A 14 a 16 Float24 Tensão Fase B 17 a 19 Float24 Tensão Fase C 20 a 22 Float24 Corrente Fase A 23 a 25 Float24 Corrente Fase B 26 a 28 Float24 Corrente Fase c 29 a 31 Float24 Corrente de Neutro 32 a 34 Float24 Potência Ativa Fase A 35 a 37 Float24 Potência Ativa Fase B 38 a 40 Float24 Potência Ativa Fase C 41 a 43 Float24 Potência Reativa Fase A 44 a 46 Float24 Potência Reativa Fase B 47 a 49 Float24 Potência Reativa Fase C 50 a 51 Word16 Frequência da Rede (x100) 52 a 53 Word16 Caractere de Redundância CRC16 Observação: Valores do caractere de Definição do Bloco: 0: Ligação estrela, grandezas primárias 1: Ligação estrela, grandezas secundárias 2: Ligação delta, grandezas primárias 3: Ligação delta, grandezas secundárias 3. MICROCONTROLADORES PIC16F84A E ATMEGA328A Para obter os valores das grandezas oriundas do medidor de energia é necessário estabelecer um canal com o 3 / 10
medidor de energia. Esta interface é baseada em microcontroladores. Um microcontrolador é uma pastilha inteligente, ele possui um processador, pinos de entradas/saídas e memória. Por meio de programação pode-se controlar suas saídas e ler ou escrever em sua memória. O que difere um microcontrolador de outro são: a quantidade de memória, a velocidade de processamento, a quantidade de pinos de entrada/saída, a forma de alimentação, os tipos e as quantidades de periféricos internos, a arquitetura e o conjunto de instruções disponibilizadas nos circuitos internos. [7]. O protótipo eletrônico desenvolvido neste trabalho é baseado em dois microcrontroladores amplamente utilizado pela literatura. O primeiro é da Família PIC, utilizado na captura dos dados. O segundo microcontrolador, da família ATMEGA, realiza a interpretação dos sinais recebidos os envia para o computador. O microcontrolador PIC16F84 é amplamente utilizado na literatura por conter poucos periféricos e programação simplificada. Uma outra razão de utilizar a família PIC é que o conjunto de instruções entre um modelo e outro não sofre variações relevantes entre os diferentes modelos. Diante disto, este trabalho utiliza o microcontrolador PIC16F628A, por ser um pouco mais completo que o popular PIC16F84, principalmente por possuir uma porta de comunicação serial. Os pinos do PIC16F628A estão dispostos conforme ilustrado na Figura 2. PAPER 4/10 Figura 2. PIC16F628A. Fonte: MICROSHIP (2012). O microcontrolador ATmega328A [5], é formado pela combinação da arquitetura Harward e estrutura RISC. Possui um grande número de instruções, no total 131 instruções em seu microcódigo O ATmega328A possui 3 Ports de dados (PortB, PortC e PortD), programáveis individualmente como entrada ou saída permitindo a utilização de 23 I/Os. A PortB possui 8 I/Os (terminais 9, 10 e 14 ao 19), a PortC possui 6 I/Os (terminais 1 e 23 ao 28), e a PortD possui 8 I/Os (terminais 2 ao 6 e 11 ao 13). A tensão nominal do ATmega328 é 5 VCC para se trabalhar com frequência máxima (20 MHz). (ATMEL, 2012). Os pinos do O ATmega328A estão dispostos conforme ilustrado na Figura 3. Figura 3. ATmega328A. Fonte: ATMEL (2012). 4 / 10
4. INTERFACE DE AQUISIÇÃO DE DADOS A interface de aquisição dados tem por objetivo capturar e interpretar as informações provenientes do medidor de energia para transmiti-las, posteriormente, ao computador. A primeira parte da interface consiste no circuito de alimentação, baseado no regulador de tensão 78L05 [8] associado a uma fonte de alimentação comercial que tem o papel de realizar a conversão de nível de tensão 220V/9V. A alimentação ocorre em 5V e uma corrente máxima de 300 ma na saída do regular. A Figura 4 ilustra o circuito de alimentação. PAPER 5/10 Ainda para que estes sinais fossem fielmente reproduzidos e os riscos de interferência entre circuito do medidor e o circuito de aquisição de dados sejam minimizados, este trabalho utiliza o optoisolador 4N25 [9], o qual é responsável por realizar uma isolação óptica entre os circuitos. A inversão lógica necessária do sinal é realizada por meio do CI 74LS04 [9]. O diagrama deste circuito é exibido na Figura 5. Figura 5. Circuito de isolação elétrica e inversão de sinal Figura 4. Circuitos de Alimentação O medidor eletrônico de energia tem a transmissão de dados através de sinais digitais de forma serial, de acordo com o padrão TTL. No medidor de energia ELO 2113, estes sinais possuem a seguinte representação: 0V representa o estado lógico 1 e 5V representa o nível lógico 0. Neste caso, para os fins utilizados no protótipo computacional, é necessário realizar a inversão deste sinal, ou seja, 0V o nível lógico 0 e 5V o nível lógico 1. Uma vez estabelecidos os circuitos de alimentação, captura e inversão de sinal, segue a etapa de tratamento dos dados recebidos. Inicialmente, este trabalho previa empregar o microcontrolador ATMEGA328-P para realizar a etapa de leitura e tratamento dos dados devido aos recursos providos por ele e a facilidade de operação e programação deste. Porém na prática, verifica-se que há dificuldades significativas em utilizar o ATMEGA para estabelecer comunicação serial a taxa de 600 bps, processar as informações e enviá-las ao computador. Está é a taxa de transmissão utilizada pelo ELO 2113 e definida pela NBR 14522 acarreta o uso do ATMEGA em clock extremamente baixo. 5 / 10
PAPER 6/10 Figura 6. Circuito de captura dos dados Neste caso, este trabalho utiliza um segundo microcontrolador, dedicado exclusivamente à realizar a leitura a taxa compatível com o medidor de energia e transmitir estes dados para o ATMEGA328-P. O microcontrolador escolhido para tal tarefa foi o PIC16F628A, na configuração padrão com cristal de 1.8432 Mhz. Este componente foi escolhido por ser de fácil aquisição e ter valor relativamente baixo. A comunicação entre o ATMEGA328-P e o computador é intermediada pelo circuito integrado MAX232 [10]. Este CI realiza a conversão de nível de tensão TTL para RS232, que varia a tensão entre -10V e +10V para representar os níveis lógicos 0 e 1. O circuito pode ser visualizado através da Figura 7 e a suma do algoritmo pode ser visto através da Figura 8. O programa para o PIC16F628A foi desenvolvido através da ferramenta MPLAB XC 8, fornecida pelo fabricante do componente, e tem o único objetivo de capturar os dados a taxa de 110/600 bps e transmiti-los ao ATMEGA328-P a uma taxa de 9600 bps. Para isto, o programa faz uso da porta serial padrão do PIC para capturar os dados e implementa uma segunda porta serial, que é uma porta serial virtual com a responsabilidade de enviar os dados ao ATMEGA328-P. Os pinos utilizados para essa função são os pinos 10 (RB4) e 11 (RB5). O pino 10 é usado como RX e o pino 11 é utilizado como TX. O circuito em questão é ilustrado na Figura 6. Figura 7. Comunicação ATMEGA328-P Computador 6 / 10
PAPER 7/10 As Figura 9 exibe o esquemático do protótipo eletrônico da interface de aquisição de dados. A placa em que os componentes foram montados é de vibra de vidro revestida por cobre. A transferência do desenho para a placa é realizada através de transferência térmica. Por sua vez, o desenho é realizado com o software ARES, a partir do esquemático desenvolvido no ISIS. Ambos os softwares fazem parte do pacote Proteus 7.0 [11]. O resultado pode ser visto na Figura 10. Figura 8. Fluxograma software ATMEGA328-P Figura 9. Esquemático da interface de aquisição de dados 7 / 10
PAPER 8/10 Figura 10. Arranjo da interface de aquisição de dados e vista superior. Fonte: elaboração do autor. 5. PROTÓTIPO COMPUTACIONAL DE MONITORAMENTO Para possibilitar a visualização dos dados provenientes do medidor de energia é necessário existir um programa computacional. A comunicação serial é feita utilizando os próprios componentes disponibilizados pelo Visual Studio C# [12], através da classe SerialPort. A classe responsável por realizar a leitura dos dados fica constantemente monitorando a porta serial do computador, esperando um novo byte. Cada byte recebido é armazenado numa lista de valores até que receba um caractere indicando o fim da transmissão. O caractere utilizado para isto são os códigos ASCII #13#10. Na figura 11 pode-se visualizar o fluxograma da leitura dos dados. A Figura 12 ilustra a tela de monitoramento das grandezas básicas. Os quatro grupos superiores são destinados a exibir os dados da tensão, correntes potências ativa e potência reativa. Cada grandeza exibe a medida de três fases distintas. O grupo que está no meio da tela exibe a demanda do sistema. Figura 11. Fluxograma da recepção serial de dados O grupo localizado a parte inferior da tela exibe informações gerais, como potência ativa e reativa consumida, demanda acumulada, demanda máxima no intervalo e tempo restante para o final do intervalo. 8 / 10
No grupo nomeado Consumo está localizado o gráfico que exibe a potência consumida ao longo do tempo. Nesse grupo são exibidas todas as potências, ativas ou reativas. Os botões na parte superior deste grupo adicionam algumas funcionalidades, respectivamente, controle de visualização por segundo/minuto, exibição dos gráficos por fase e exibição das potências ativa ou reativa. PAPER 9/10 Ao fazer uso de uma ferramenta que seja destinada ao monitoramento da energia elétrica consumida, um gestor poderá ter subsídios que o auxilie em tomadas importantes de decisão, por exemplo, quanto ao tipo de contratação de energia elétrica, baseando-se no histórico de horários de maior e menor consumo. Desta forma, pode-se evitar a compra equivocada de certa modalidade de contratação de energia. 7. TRABALHOS FUTUROS O projeto de desenvolvimento do sistema de monitoramento está em uma fase intermediária. Atualmente, a comunicação de dados entre interface e computador concentrador ocorre via comunicação serial e o protótipo computacional está em uma versão inicial. Figura 12. Protótipo computacional de monitoramento Os próximos passos deste projeto consiste na utilização de plataforma Arduino [13,14] para a interface eletrônica, permitindo o envio de dados via TCP/IP. Essa melhoria permite o monitoramento remoto de cargas cujos medidores estão a longas distâncias. 6. CONCLUSÕES Este trabalho apresentou uma alternativa simples e de baixo custo para o desenvolvimento de uma plataforma de monitoramento do consumo de energia elétrica, baseado em medidores eletrônicos modelo ELO 2113. A maioria das ferramentas utilizadas ao longo do desenvolvimento desta plataforma é de código aberto. Mesmo que algumas destas não possuam código aberto, ainda assim, são gratuitas. REFERÊNCIAS [1] ABDI, Desafio tecnológicos e regulatórios em rede inteligente no Brasil, Revista O Setor Elétrico, Edição 66, p. 48 a 58, Julho de 2011. [2] CEER status review of regulatory approaches to smart electricity grids. CEER, julho 2011. [3] ELO SISTEMAS ELETRÔNICOS S.A., Manual do Medidor Eletrônico ELO 2113. Porto Alegre/RS, 2008. [4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14522: Intercâmbio de Informações para Sistemas de Medição de Energia Elétrica - Padronização. Rio de Janeiro, 2000. 9 / 10
[5] ATMEL. Datasheet Atmega328A: 8-bit Atmel Microcontroller with 4/8/16/32KBytes In-System Programmable Flash. 2012 Disponível em: <http://www.atmel.com/images/doc8271.pdf>. [6] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Resolução Normativa Nº 502, DE 7 DE AGOSTO DE 2012. Disponível em: < http://www.aneel.gov.br/cedoc/ren2012502.pdf> [7] MARTINS, Nardênio Almeida. Sistemas Microcontrolados. São Paulo/SP: Novatec Editora, 2005. [8] TEXAS. Datasheet LM78LXX: Series 3- Terminal Positive Regulators. 2013. Disponível em: <http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm78l05.pdf>. [9] MOTOROLA. Datasheet SN54/74LS04: HEX INVERTER. 2013. Disponível em: PAPER 10/10 <http://ecee.colorado.edu/~mcclurel/sn74ls04rev5.p df>. [10] TEXAS. Datasheet MAX232, MAX231I Dual EIA-232 Drivers/Receivers. 2004. Disponível em http://www.ti.com/lit/ds/symlink/max232.pdf [11] Proteus, Intelligent Schematic User Manual Issue 7.0 Labcenter Electronics. [12] MICROSOFT Visual Studio 2013. Guia de Introdução ao Visual C# < http://msdn.microsoft.com/ptbr/library/a72418yk.aspx> [13] ARDUINO TEAM. Arduino FAQ. 2013. Disponível em: <http://www.arduino.cc>. [14] ARDUINO.CC. Arduino. Disponível em: <http://arduino.cc/>. 10 / 10