Gestão de Energia Elétrica Residencial Controlada por Dispositivos Eletrónicos via Radiofrequência

Gestão de Energia Elétrica Residencial Controlada por Dispositivos Eletrónicos via Radiofrequência Luis Gomes, Marco Silva, Filipe Fernandes, Pedro Domingues, Sérgio Ramos, Zita Vale ISEP - Instituto Superior de Engenharia do Porto GECAD - Grupo de Investigação em Engenharia do Conhecimento e Apoio à Decisão Politécnico do Porto Porto, Portugal lufog@isep.ipp.pt, marsi@isep.ipp.pt, fijgf@isep.ipp.pt, 1101055@isep.ipp.pt, scr@isep.ipp.pt, zav@isep.ipp.pt Resumo Nas últimas décadas o mundo tem-se desenvolvido a um ritmo estonteante a nível tecnológico, motivado pelo crescimento económico e social. A interação entre as pessoas e as habitações tem vindo progressivamente a sofrer alterações, com a introdução, por exemplo, de sistemas de domótica. Contudo, esta interação permite, ainda, a introdução de novas tecnologias. Este trabalho propõe um sistema de gestão de energia elétrica de instalações residenciais com base no desenvolvimento de todo um sistema de dispositivos eletrónicos com comunicação via radiofrequência. O sistema proposto permitirá adaptar as instalações tradicionais em instalações inteligentes sem a necessidade de alteração das infraestruturas existentes, adaptando-a para os ambientes de Smart Grids que cada vez mais se tornam uma realidade. Palavras chave controlador de cargas; dispositivos eletrónicos; gestão de energia; radiofrequência. I. INTRODUÇÃO Atualmente as tecnologias de informação e controlo encontram-se disseminadas por todo o nosso quotidiano. A interação com os dispositivos de comunicações tem vindo a sofrer significativas evoluções, contudo a interação com as habitações continua, na sua maioria, semelhante à que tem sido vivida há décadas. A introdução da domótica veio, numa fase inicial, propor uma nova interação com os equipamentos elétricos, possibilitando aos seus utilizadores o controlo das instalações à distância [1]. A domótica surgiu primariamente com conceitos e métodos invasivos para as instalações, obrigando a modificações estruturais e custos muitas vezes avultados. Porém, a par da evolução tecnológica surgem novos métodos de controlo e comunicação, tais como os protocolos Z-Wave e ZigBee [2], que possibilitam o controlo de cargas à distância, acabando com a necessidade de alteração da infraestrutura da instalação existente. O protocolo de comunicação Z-Wave, específico para eletrodomésticos, não possui o grau de segurança de dados que o protocolo de comunicação ZigBee detém [3]. Por esse motivo, o sistema proposto neste trabalho utiliza o protocolo ZigBee, embora no futuro possa vir a acomodar o protocolo Z- Wave com a implementação de encriptação nas comunicações para assegurar a integridade do sistema. Atualmente existem outros produtos, tais como o MeterPlug [4] ou os produtos concebidos pela FIBARO [5], que monitorizam e controlam cargas. O MeterPlug é um dispositivo de controlo de cargas que requer sempre a interação humana, não possuindo autonomia capaz de realizar a gestão da carga em função de critérios previamente definidos. Os produtos concebidos pela empresa FIBARO possuem inúmeros sensores e dispositivos, que permitem soluções de controlo e gestão evoluídas, no entanto o fator económico poderá ser, ainda nesta fase uma desvantagem. O objetivo principal do sistema proposto é dotar a instalação residencial com inteligência na gestão da energia, com baixo custo e, concomitantemente, não invasivo para a infraestrutura existente. De facto, uma das grandes vantagens da instalação do sistema proposto é a facilidade da sua implementação e utilização. Neste sentido, a constituição do sistema baseia-se na utilização de dispositivos eletrónicos, com comunicação via radiofrequência, geridos por um servidor responsável pela monitorização e controlo dos dispositivos eletrónicos. O presente documento encontra-se dividido em cinco secções distintas. A seguir à presente secção de introdução surge a secção II em que é apresentado o sistema proposto. Na secção III é enunciada a composição e funcionalidades dos dispositivos eletrónicos. A secção IV apresenta as componentes de software do trabalho. Para finalizar, a secção V contém as principais conclusões e descreve algumas melhorias que poderão ser aplicadas ao sistema. II. SISTEMA DE GESTÃO DE ENERGIA ELÉTRICA RESIDENCIAL Este trabalho visa o desenvolvimento e implementação de um sistema capaz de transformar instalações residenciais tradicionais em instalações inteligentes de uma forma não invasiva e economicamente viável. A componente eletrónica necessária para o desenvolvimento de dispositivos capazes de gerir e controlar as cargas da instalação, e as

radiocomunicações que asseguram as comunicações entre dispositivos, sem que exista a necessidade de alterar a estrutura das instalações, são dois aspetos essenciais e críticos para o sucesso do sistema proposto. O sistema propõe a existência de dispositivos capazes de substituir, por exemplo, uma tomada de energia elétrica e/ou um interruptor simples, por tomadas e interruptores que permitam controlar e monitorizar as cargas a eles ligadas. Por sua vez, estes dispositivos comunicam com um server (servidor) capaz de analisar o estado atual de todos os dispositivos associados a ele. A interação do utilizador com o server pode ser realizada através de uma interface desenvolvida para uma aplicação móvel. Esta interface pode ser aplicada e adaptada para outras aplicações móveis existentes no mercado. A Figura 1 apresenta um cenário real para o sistema proposto, onde apresenta os vários dispositivos de comunicação e a aplicação móvel para o controlo e monitorização das cargas. Figura 1. Representação de um cenário real do sistema proposto O server do sistema permite o controlo das cargas segundo ordens dos utilizadores e, ainda, contribuir para a otimização do consumo total das cargas, permitindo uma redução nos custos com o consumo de energia elétrica da instalação. A capacidade de otimização do consumo total aliada ao controlo e monitorização das cargas através dos dispositivos eletrónicos tornam-se fundamentais para o conceito de Smart Grids e programas de Demand Response [6]. O conceito de Smart Grid está de momento em ênfase devido a este ser o caminho a tomar no que toca a redes de distribuição de energia elétrica [7]. Este conceito assenta no uso eficiente da energia elétrica suportada na gestão da procura, na aposta nas energias renováveis e na produção distribuída, reforçando o papel do consumidor/produtor e a capacidade de integrar e gerir todos os seus recursos. III. DISPOSITIVOS ELETRÓNICOS DE MONITORIZAÇÃO E CONTROLO O trabalho apresentado neste documento diz respeito a um sistema de controlo de cargas elétricas possibilitando a interação entre o utilizador e a instalação elétrica, com suporte a uma rede de dispositivos eletrónicos (sensores e atuadores) e um servidor. A escolha e implementação dos dispositivos eletrónicos revela-se como uma das fases cruciais do trabalho. Com efeito, o seu desenvolvimento teve em consideração três aspetos fundamentais: Fiabilidade dos sensores; Minimização do custo de fabrico; Facilidade de integração nas cargas, sem necessitar da alteração da instalação existente. Efetivamente, o aumento da fiabilidade é inversamente proporcional à minimização do custo de fabrico dos dispositivos eletrónicos. Assim, privilegiou-se a escolha de dispositivos eletrónicos que assegurassem boa fiabilidade de serviço, nomeadamente a ausência de falhas na comunicação e leituras precisas. Um dos aspetos importantes deste sistema proposto é a possibilidade de adaptação a qualquer instalação elétrica já existente sem a necessidade da sua modificação. Para tal, adotou-se o uso de radiocomunicações entre os diversos dispositivos eletrónicos de modo a evitar quaisquer reformas estruturais na instalação elétrica evitando-se, assim, custos acrescidos na implementação do sistema proposto. A escolha do protocolo ZigBee como via de comunicação deve-se à segurança e fiabilidade que este proporciona ao sistema. O componente usado para as comunicações com protocolo ZigBee foi um módulo XBee, conforme ilustrado na Figura 2. Este componente tem a vantagem de possuir portas de entrada e saída que podem ser usadas pelos dispositivos evitando, assim, o uso de um microcontrolador. A não utilização de um microcontrolador torna o dispositivo mais barato, mas nem sempre é possível evitá-lo, designadamente quando é necessária programação no dispositivo. Um outro aspeto favorável à utilização do módulo XBee é o facto de este possuir um consumo de corrente muito baixo e de passar ao modo stand by sempre que não estiver em funcionamento permitindo, deste modo, ter um impacto irrelevante no consumo total de energia elétrica da instalação. Afim de se proceder ao controlo de potência de carga, isto é, variação do valor de potência, é necessário a deteção da passagem por zero (zero-crossing) da corrente AC implicando, assim, o uso de um microcontrolador capaz de detetar esta passagem e conseguir manusear o TRIAC de modo a controlar o fluxo de potência da carga. A Erro! Fonte de referência não encontrada. ilustra o esquema eletrónico do dispositivo desenvolvido neste trabalho. O circuito da Figura 2 possui os módulos: Controlador de cargas com o uso de um TRIAC, este módulo permite controlar o fluxo de potência da carga a ele ligada; Microcontrolador essencial para coordenar a totalidade dos módulos presentes no circuito; Módulo XBee este módulo funciona como meio de comunicações entre o microcontrolador e a central (server) do sistema; Regulador de 230V AC para 5V DC permite que o circuito seja diretamente conectado a 230V/50Hz AC;

Regulador de 5V DC para 3,3V DC apesar de a maioria do circuito funcionar a 5V DC, o módulo XBee necessita de uma alimentação de 3V DC, assim, este módulo vem permitir a alimentação do XBee; Zero-Crossing a deteção de passagem por zero da rede elétrica é essencial para que se proceder ao controlo de fluxo de potência da carga. Sensor de corrente é neste módulo que as leituras de corrente são efetuadas, os seus valores são enviados para o microcontrolador do circuito; Figura 2 Esquema elétronico do dispositivo desenvolvido para o sistema Dado que este dispositivo está preparado para ser conectado diretamente a 230V/50Hz AC, possibilita a sua colocação em qualquer tomada ou interruptor da instalação elétrica. A sua capacidade de comunicação via radiocomunicação permite uma instalação que não seja invasiva para a estrutura da instalação. O dispositivo foi desenvolvido para poder ser acomodado no interior de interruptores e tomadas, aproveitando espaço disponível no interior da caixa de aparelhagem funda. Este conceito vem permitir que o utilizador equipe a sua casa por etapas ao ritmo que desejar, possibilitando reduzir custos iniciais de instalação, podendo mesmo usar o sistema apenas para cargas prioritárias da instalação. Com intuito de se proceder ao controlo dos dispositivos, este trabalho proposto possui uma central capaz de lidar com todas as comunicações. Esta central encontra-se desenvolvida a nível de software, usando a linguagem Java, e apenas necessita de um módulo XBee e um Shield USB para acomodar o módulo. Este sistema permite ainda recolher medições ambientais tais como temperatura, humidade, luminosidade, movimento e leitores de identificação por radiofrequência (RFID 1 ), para identificar que utilizador se encontra dentro da instalação. Esta informação é recolhida através de sensores apropriados e 1 Radio-Frequency IDentification

enviada para a central, devidamente conectados por porta série. Este tipo de informação é bastante profícua com vista à implementação de algoritmos de otimização que, em função do perfil de utilização do consumidor, permitirá estabelecer critérios de utilização das diversas cargas elétricas visando à redução do consumo de energia elétrica da instalação. Estes algoritmos serão incorporados no servidor e dotarão, assim, o sistema com inteligência artificial. IV. SISTEMA SHIM A central dos dispositivos é designada por SCADA de Gestão Inteligente da Casa (SHIM 2 ) e foi desenvolvida tendo em vista a gestão e controlo do consumo de cargas elétricas dentro de uma instalação. Este sistema funciona com o auxílio de um servidor que gere e controla todos os dispositivos inerentes à instalação [8]. O SHIM é controlável através de uma aplicação móvel desenvolvida especialmente para acomodar as suas funcionalidades. Esta aplicação móvel encontra-se na sua fase de prototipagem e até à data apenas se encontra otimizada para ser executa em dispositivos de 10,1 polegadas com 1280x800 de resolução. Na Figura 3, encontra-se a imagem do ecrã principal existente na aplicação móvel desenvolvida. No lado direito do ecrã encontram-se as informações mais relevantes da instalação, sempre visível ao utilizador. O painel lateral direito contém as seguintes informações: Dia da semana; Hora; Temperatura interna da instalação; Temperatura externa da instalação; Estação do ano; Número e localização das pessoas dentro da instalação; Luminosidade que se faz sentir dentro da instalação; Existência de limites de consumo (campos Offset e Continuous); Possibilidade de existência de algum evento Demand Response a ocorrer; Consumo total da instalação; Energia total a ser produzida na instalação; Existência de veículos elétricos. interagir com cada carga individualmente ou optando por efetuar uma otimização total das cargas na instalação. As otimizações existentes no sistema integram o uso de redes neuronais artificiais para poderem produzir uma otimização segundo os interesses e níveis de conforto dos utilizadores presentes na instalação [9]. O SHIM conta atualmente com três métodos de otimização: Otimização instantânea este tipo de otimização é atuada uma única vez e visa, fundamentalmente, atuar sobre um conjunto de cargas que respeitem critérios previamente estabelecidos; Otimização por Offset neste tipo de otimização são previamente estabelecidos limites de consumo de energia elétrica, e o sistema vai de uma forma sistemática monitorizando os consumos de energia e procurando adaptar o consumo de energia elétrica aos limites estabelecidos, sempre que possível; Otimização contínua este tipo de otimização é em tudo semelhante à otimização por Offset, com a principal diferença de além de desligar também permite a sua ligação. A Figura 4 apresenta um exemplo da utilização da aplicação móvel para a gestão de cargas. Aqui, o utilizador pode consultar o estado das cargas (ligadas ou desligadas) o consumo atual de cada equipamento e pode variar, em certas cargas, o valor de consumo de potência. No exemplo demonstrado na Figura 4 as três cargas centrais representam três equipamentos de ar condicionado cujo consumo pode ser variável. Esta variação pode ser controlada nas barras azuis de baixo de cada carga variável (estes objetos são designados por seekbars). A conjugação entre o sistema SHIM e o dispositivo eletrónico, apresentado na secção anterior, promovem inúmeras funcionalidades para a gestão e interação entre as pessoas e as suas instalações. Figura 3. Aplicação móvel para controlo do sistema SHIM A aplicação desenvolvida permite ao utilizador visualizar o estado da instalação e de cada carga, podendo mesmo 2 SCADA House Intelligent Management Figura 4. Gestão de cargas no sistema móvel Neste trabalho proposto, o sucesso desta interação é alcançado com a utilização de radiocomunicações entre os diversos dispositivos, de forma a todo o sistema poder comunicar em plena sintonia.

V. CONCLUSÃO O trabalho proposto neste documento visa a implementação de um sistema capaz de contribuir para a redução do consumo de energia elétrica em instalações residenciais. Este sistema poderá receber ordens diretamente do utilizador bem como receber pedidos de Demand Response por parte dos operadores, inserindo-se numa lógica de Smart Grids. O sistema proposto apresenta todo um conjunto de sensores/atuadores que comunicam via radiofrequência com um server central. Por sua vez, este server comunica também com os diversos dispositivos eletrónicos (via radiofrequência) de forma a alterar o seu estado de funcionamento (ligado/desligado), assim como possibilitar o controlo do valor da potência consumida por certas cargas. Este conceito de comunicação entre dispositivos apresenta a vantagem de não necessitar de alterações à instalação existente, nomeadamente na abertura de roços nas paredes, ou colocação de calhas de rodapé para a passagem de cabelagem. A nível de aplicabilidade o sistema tem o benefício de permitir que o utilizador transforme progressivamente a sua instalação, de forma a minimizar o custo inicial. Dado que a comunicação entre os dispositivos é realizada via radiofrequência é imperativo a salvaguarda da informação transmitida. Assim a encriptação e segurança de dados é um aspeto primordial a ter em conta neste trabalho. A segurança de comunicações é salvaguardada pela utilização do protocolo ZigBee, que torna o sistema mais robusto e fiável para a aplicação habitacional. O sistema proposto permite ainda a passagem das instalações tradicionais para a integração participativa em ambientes de Smart Grids. O uso de uma central gestora dos dispositivos vem dotar a instalação de mecanismos automáticos e inteligentes capazes de tomar decisões, aspeto fulcral nos programas de Demand Response. O custo de implementação deste sistema pode ainda ser minimizado propondo que as comunicações possam ser efetuadas através do protocolo Z-Wave. A utilização deste protocolo fará parte de uma etapa futura deste trabalho, o qual privilegiará a integridade e segurança das comunicações deste sistema, com base na aplicação de técnicas convenientes de encriptação nas comunicações de dados. REFERENCIAS [1] J.P. Cofre G. Moraga, C. Rusu, I. Mercado, R. Inostroza, C. Jimenez, "Developing a Touchscreen-based Domotic Tool for Users with Motor Disabilities," Information Technology: New Generations (ITNG), 2012 Ninth International Conference on, pp.696,701, 16-18 de Abril de 2012. [2] C. Gomez, J. Paradells, "Wireless home automation networks: A survey of architectures and technologies," Communications Magazine, IEEE, vol.48, no.6, pp.92,101, Junho de 2010. [3] M. Zareei, A. Zarei, R. Budiarto, M.A. Omar, "A comparative study of short range wireless sensor network on high density networks," Communications (APCC), 2011 17th Asia-Pacific Conference on, pp.247,252, 2-5 Outubro de 2011. [4] MeterPlug, website: http://www.meterplug.com/, consultado em 12 de Setembro de 2013. [5] FIBARO, website: http://www.fibaro.com/, consultado em 12 de Setembro de 2013. [6] L. Gomes, P. Faria, H. Morais, Z. Vale, C. Ramos, Distributed Agent-based Intelligent System for Demand Response Program Simulation in the Scope of Smart Grids, IEEE Intelligent Systems, Digital Object Identifier : 10.1109/MIS.2013.2. [7] C. Brandstatt, N. Friedrichsen, R. Meyer, M. Palovic, "Roles and responsibilities in smart grids: A country comparison," European Energy Market (EEM), 2012 9th International Conference on, pp.1,8, 10-12 de Maio de 2012. [8] L. Gomes, F. Fernandes, P. Faria, Z. Vale, C. Ramos, H. Morais, Contextual Intelligent Load Management Considering Real-Time Pricing in a Smart Grid Environment, 17th International Conference on Intelligent System Applications to Power Systems (ISAP2013), Tóquio, Japão, 01-04 de Julho de 2013. [9] L. Gomes, F. Fernandes, T. Sousa, M. Silva, H. Morais, Z. Vale, C. Ramos, Contextual intelligent load management with ANN adaptive learning module, International Conference on Intelligent System Applications to Power Systems (ISAP), Hersonissos, Crete, Grécia, 25-28 de Setembro de 2011. BIOGRAFIAS Luis Gomes recebeu o grau de licenciado em Engenharia Informática no Instituto Politécnico do Porto (ISEP/IPP), Portugal em 2009. Atualmente é um Investigador Assistente no GECAD - Grupo de Investigação em Engenharia do Conhecimento e Apoio a Decisão do ISEP/IPP. As suas atividades atuais de investigação estão focadas em simulação com apoio de sistemas multiagente e em Técnicas de Aprendizagem. Marco Silva recebeu o grau de licenciado em Engenharia Elétrica no Instituto Politécnico do Porto (ISEP/IPP), Portugal em 2007. Atualmente é um Investigador Assistente no GECAD - Grupo de Investigação em Engenharia do Conhecimento e Apoio a Decisão do ISEP/IPP. As suas atividades atuais de investigação estão focadas em Redes Elétricas Futuras com intensiva utilização de Produção Distribuídas. Filipe Fernandes recebeu o grau de licenciado em Engenharia Elétrica no Instituto Politécnico do Porto (ISEP/IPP), Portugal em 2009. Atualmente é um Investigador Assistente no GECAD - Grupo de Investigação em Engenharia do Conhecimento e Apoio a Decisão do ISEP/IPP. As suas atividades atuais de investigação estão focadas em sistemas de Gestão de Energia aplicados a Consumidores Finais. Pedro Domingues é finalista da licenciatura em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores no Instituto Politécnico do Porto (ISEP/IPP). Atualmente encontra-se a desenvolver o projeto final de curso no GECAD - Grupo de Investigação em Engenharia do Conhecimento e Apoio a Decisão do ISEP/IPP. Sérgio Ramos é professor assistente no Instituto Politécnico do Porto (ISEP/IPP) e investigador no GECAD - Grupo de Investigação em Engenharia do Conhecimento e Apoio a Decisão do ISEP/IPP. Os seus principais interesses de investigação incluem a operação de Mercados Elétricos e as Instalações Elétricas. Recebeu o grau de Mestre em 2006 no Instituto Superior Técnico em Lisboa, Portugal. Atualmente é aluno de doutoramento no Instituto Superior Técnico em Lisboa, Portugal. Zita A. Vale (SM 10 M 93 S 86) é diretora do Grupo de Investigação em Engenharia do Conhecimento e Apoio a Decisão (GECAD) e professora no Instituto Politécnico do Porto (ISEP/IPP). Recebeu o diploma de Engenharia Elétrica em 1986 e doutoramento em 1993, ambos pela Universidade do Porto. Seus principais interesses de investigação são a aplicação de Inteligência Artificial na operação e controlo dos Sistemas Elétricos, os Mercados Elétricos e a Geração Distribuída.