Sistema de Gerenciamento Pessoal do Consumo de Energia Elétrica

Sistema de Gerenciamento Pessoal do Consumo de
Energia Elétrica
Tiago Barbosa Melo1, Joari Santiago Lima Filho2, Dr. Pedro Klécius Farias Cardoso
3
SISCOME – Sistemas de controle e medição de energia
IFCE - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará
1
2
[email protected], [email protected] ,[email protected]
Resumo
Este trabalho tem como objetivo apresentar o sistema de
Gerenciamento Pessoal do Consumo de Energia elétrica (GPCE).
Esse sistema é capaz de ler as informações de consumo de
energia elétrica dos medidores das uma unidade consumidora em
tempo real, manipulando-as de forma a permitir o
gerenciamento e controle desse consumo. O conceito de redes
inteligentes e gerenciamento pessoal de energia tendem a serem
largamente aceitos pela indústria, pelo comércio e pelo público
residencial devido a sua dinamicidade. Utilizando-se da
informática, o usuário tem a capacidade de gerir suas
informações de forma clara e simples, obtendo um maior
detalhamento de consumo de energia que não são possibilitados
pelo sistema de medição atualmente utilizado pelas
concessionárias. Isso é feito utilizando-se dispositivos eletrônicos,
como Smartphones, para comunicação com o medidor de energia
e de um servidor para recepção e tratamento dos dados via
internet. Foram desenvolvidos dois softwares: um software para
Smartphone responsável pela conexão e coleta dos dados do
medidor de energia e outro para desktop que recebe, manipula e
exibe os dados enviados pelo Smartphone.
Palavras-chave — telemetria, medição de energia, Smart Grid,
computação móvel, redes móveis.
1.
INTRODUÇÃO
Os processos de geração, transmissão e medição de
energia, durante muito tempo, sofreram poucas mudanças
desde que foram concebidos, até alguns anos atrás. Como
conseqüência disso, ainda hoje, é possível ressaltar
características defasadas em relação a: qualidade de energia,
precisão de consumo, tolerância a falhas, dentre outros tópicos
[1]. Atualmente alguns métodos são utilizados para medição
de energia elétrica. O método mais antigo é o processo manual
onde um funcionário contratado, ou terceirizado, de uma
concessionária de energia elétrica, realiza uma visita mensal
aos clientes de forma a obter o valor do consumo exibido pelo
medidor. Após isto, a conta de energia é impressa e enviada
ao domicílio. Para medidores digitais, o funcionário que
realiza a visita mensal à unidade consumidora a forma de
leitura do consumo pode fazer uma conexão cabeada serial a
uma interface física ótico-magnética embutida no medidor.
Com isso, a informação é recebida por um dispositivo de
armazenamento e a conta de energia é impressa e enviada ao
domicílio. A leitura também pode ser feita através de uma
interface de comunicação serial RS-232 conectada a um
computador do tipo notebook.
Em vista disso, muitos países, inclusive o Brasil, adotaram
políticas para a otimização e a automação da medição e leitura
do consumo de energia elétrica. Surgiu assim, o conceito de
smartgrid, ou rede inteligente. Uma das características do
smartgrid é o termo “empoderamento” (do inglês
empowerment), que significa dar poder ao usuário.
Especificamente em telemetria, esse poder está diretamente
relacionado à gerência, à tomada de decisões e ao controle do
seu consumo de energia. No país, apenas clientes
coorporativos, ou instituições de grande porte, usufruem
desses benefícios.
Neste contexto que o presente trabalho apresenta um
projeto proposto para aplicar as características do
“empoderamento” para medição de energia a fim de beneficiar
os clientes consumidores de energia. O sistema de
Gerenciamento Pessoal do Consumo de Energia Elétrica
(GPCE) é um conjunto de recursos tecnológicos que servem
de auxilio para a gerência do consumo de energia, permitindo
que o usuário possa poderá obter informações sobre, tarifa
cobrada, histórico de consumo e controle de metas. Foram
desenvolvidos dois softwares que constituem o sistema: um
software para dispositivos móveis e o outro para desktops.
Este projeto está sendo desenvolvido como parte do programa
de bolsa de iniciação cientifica do CNPQ.
Este artigo está definido da seguinte forma: uma
introdução na parte 1, uma apresentação de novas tecnologias
em medição de energia na parte 2, apresentação do sistema
proposto na parte 3, exibição dos resultados obtidos na parte 4,
conclusão e proposta de trabalhos futuros na parte 5 e as
referências são citadas na parte 6.
2.
SMART GRID
Smart Grid, ou uma possível tradução para o termo
“medição inteligente”, deve ser entendida mais como um
conceito do que uma tecnologia ou equipamento específico.
Ela carrega a idéia da utilização intensiva de tecnologia de
informação e comunicação na rede elétrica, através da
possibilidade de comunicação do estado dos diversos
componentes da rede, o que permitirá a implantação de
estratégias de controle e otimização da rede de forma muito
mais eficiente que as atualmente em uso[1].
Uma tentativa abrangente de definição do conceito,
apresentada em [2], é:
“A expressão Smart Grid pode ser entendida como a
sobreposição dos sistemas unificados de comunicação
e controle, à infra-estrutura de energia elétrica existente,
para prover a informação correta para a entidade
correta (equipamentos de uso final, sistemas de
controle de T&D, consumidores, etc.), no instante
correto, para tomar a decisão correta. É um sistema que
otimiza o suprimento de energia, minimizando perdas
de várias naturezas, é auto-recuperável (self-healing), e
possibilita o surgimento de uma nova geração de
aplicações energeticamente eficientes.”
Algumas das características geralmente atribuídas à Smart
Grid são [3][4]:
• Auto-recuperação: capacidade de automaticamente
detectar, analisar, responder e restaurar falhas na rede;
• Empoderamento do Consumidor: habilidade de incluir os
equipamentos e comportamento dos consumidores nos
processos de planejamento e operação da rede;
• Tolerância a Ataques Externos: capacidade de mitigar e
resistir a ataques físicos e ciber-ataques;
• Qualidade de Energia: prover energia com a qualidade
exigida pela sociedade digital;
• Acomodar uma grande variedade de fontes e demandas:
capacidade de integrar de forma transparente (plug and
play) uma variedade de fontes de energia de várias
dimensões e tecnologia;
• Reduzir o impacto ambiental do sistema produtor de
eletricidade: reduzindo perdas e utilizando fontes de baixo
impacto ambiental;
• Viabilizar e beneficiar-se de mercados competitivos de
energia: favorecer o mercado varejista e a microgeração.
Essas características poderão ser alcançadas através da
introdução das seguintes áreas de inovação tecnológica [3]:
• Automação e controle digital da rede elétrica, utilizando
controles eletrônicos inteligentes, capazes de antecipar-se
a perturbações e corrigi-las antes que as mesmas ocorram;
• Introdução de medição inteligente com a capacidade de
funcionar como um portal inteligente do consumidor que
permitirá a disponibilização de sinais de preço e outras
informações;
• Integração de um grande número de fontes de geração e
armazenamento de energia de pequena e média capacidade,
intermitentes ou contínuas, permitindo ao consumidor
comprar e vender energia da rede.
Conforme abordado acima, o empoderamento do
Consumidor será possível, tornando consumidor um agente
ativo no processo de medição de energia, visto que este terá
ferramentas a sua disposição uma gama completa de soluções,
com alto nível de confiabilidade, para a aferição de dados
como consumo de energia elétrica, tarifa, histórico de
consumo, informações sobre horários de pico, dentre outras
informações relevantes.
Os medidores digitais de energia elétrica viabilizam em
parte o empoderamento do consumidor, porém questões como
interface amigável, praticidade e disposição física podem ser
fatores decisivos na atuação do consumidor como agente ativo
no processo de distribuição de energia elétrica.
Procurando suprir tais carências, este projeto consta no
desenvolvimento de um software a ser executado em
smartphones e PDA’s que realize conexões com medidores
digitais de energia elétrica, de modo a realizar aferições em
tempo real sobre consumo, bem com armazenando tais
informações para consultas futuras por parte do usuário.
3. SISTEMA DE GERENCIAMENTO PESSOAL DO CONSUMO DE
ENERGIA ELÉTRICA
O sistema de Gerenciamento Pessoal do Consumo de
Energia Elétrica (GPCE) é um conjunto de recursos
tecnológicos. Estes recursos irão servir de auxilio para a
gerência do consumo de energia. Desta forma o usuário
poderá obter informações sobre, tarifa cobrada, histórico de
consumo e controle de metas.
A funcionalidade básica deste sistema de gerência consiste
em se utilizar dispositivos móveis, dotados de tecnologias de
comunicação sem fio, para estabelecer conexão com
medidores digitais. Esta conexão irá coletar informações do
consumo aferidas por esse medidor. Em seguida os dados
coletados são enviados para um servidor remoto na Internet. O
servidor ao receber estes dados irá armazená-los em um banco
de dados que, posteriormente, possibilitará a análise mais
refinada do consumo de energia elétrica por parte dos clientes.
Conforme explicado em item anterior deste artigo, o
Gerenciador Pessoal do Consumo Elétrica Pessoal é uma
ferramenta
que
se
encaixa
no
conceito
de
empowerment(“empoderamento”), dentre os conceitos
definidos na Smart Grid. Este projeto consiste no
desenvolvimento de um software, a ser executado em
Celulares, smartphones e Pda’s, com o intuito de servir de
ferramenta de controle, análise e gerência do consumo
residencial de energia elétrica para os clientes das
concessionárias que estão habilitadas a fornecer tal serviço.
Figura 1 – Arquitetura do Sistema
Conforme mostrado na Figura 1, este projeto é subdividido
em dois softwares, que são:
• Coletor de dados móvel: é um software, a ser executado
em dispositivos móveis (como Celulares, Smartphone s e
Pda’s) que estabelece conexão sem fio com medidor
digital. Nesta conexão o medidor de energia envia
informações ao dispositivo móvel. Desta forma, o software
do dispositivo móvel exibe o consumo de forma
instantânea e em forma de histórico. Há também a
funcionalidade de controle de meta. Assim o usuário
estabelece uma tarifa a ser alcançada em um período de
tempo e o sistema informa o cumprimento desta.
• Servidor pessoal de gerenciamento do consumo de
energia elétrica: é um software a ser executado em
computadores pessoais ou servidores. A função do sistema
de gerenciamento é armazenar e manipular os dados
recebidos pelo dispositivo móvel, manipular informação
de consumo e exibir gráficos intuitivos para o cliente.
Além disso, é de suma importância fornecer um grau de
detalhamento que permita ao usuário conhecer e gerenciar
seu consumo diariamente, mensalmente ou mesmo
anualmente.
4. RESULTADOS ALCANÇADOS
Inicialmente serão mostrados os resultados obtidos da
conexão estabelecida entre o Smartphone e o medidor digital.
Em seguida, serão exibidos os resultados alcançados no
processo de transmissão de dados do Smartphone para o
servidor. Com esses dados, será possível observar os gráficos
de consumo.
4.1. Coletor de dados móvel
Figura 2 – Interface gráfica principal do software executado no smatphone
4.1.1 Desenvolvimento
Para o desenvolvimento deste projeto é requerido
ferramentas de desenvolvimento de software para dispositivos
móveis dotados de comunicação sem fio, juntamente com um
dispositivo móvel e um medidor de energia elétrica digital que
possua tecnologia Bluetooth embutida neste. Em vista disso
Gerenciador de Energia Elétrica Pessoal é um projeto de
software que está sendo desenvolvido em linguagem de
programação C/C++ para SmartPhones com Sistema
Operacional Palm OS 5.0, ou versões superiores, e o
dispositivo de teste utilizado é o Treo 650 do fabricante
Cingular. Para o seu desenvolvimento foi utilizado a IDE
(Ambiente de Desenvolvimento Integrado, do inglês)
CodeWarrior versão 5.0 em conjunto com as API’s fornecidas
pelo fabricante para seus desenvolvedores. O medidor de
energia elétrica utilizado para o desenvolvimento deste projeto
é o E34A do fabricante Landis+Gyr. Outra ferramenta
utilizada no auxilio a testes de transmissão de dados via
comunicação serial foi o software para computadores Desktop
DockLight.
4.1.2 Comunicação sem fio utilizada entre o SmartPhone e o
medidor de energia
Para a elaboração deste projeto, a tecnologia de
comunicação sem fio utilizada foi a Bluetooth, em virtude de
esta estar se tornando mais popular nos dispositivos móveis
fabricados ultimamente, inclusive presente em alguns
medidores digitais de energia elétrica, conforme citado nesta
bibliografia. A conexão Bluetooth é estabelecida conforme
mostrado na modelagem deste projeto. O software,
inicialmente realiza uma busca por dispositivos Bluetooth que
estejam nas proximidades do SmartPhone e exibe uma lista
dos dispositivos encontrados. O usuário então seleciona o
medidor de energia listado e a conexão é estabelecida.
4.1.3 Obtenção do consumo de energia elétrica
Para obter os dados de consumo, a ABNT, em seu
documento NBR 14522, especifica o “comando estendido
com resposta simples”, ou simplesmente comando 98, que
consta de um conjunto de bytes pré-definidos a ser enviado do
leitor do medidor, no caso o SmartPhone, para o medidor de
energia. O medidor de energia ao receber corretamente o
comando 98 envia a resposta deste comando para o
SmartPhone. Na resposta para este comando estão contidos os
dados de consumo utilizados neste trabalho, além de outras
informações especificadas no documento. Neste projeto, o
consumo de energia elétrica é exibido na tela do SmartPhone
em três unidades: Watt-Hora, potencia ativa e reativa. Além
do consumo, o software também exibe a data da última
medição e da tarifa correspondente desde a última medição. A
figura a seguir mostra a tela de exibição de tais parâmetros:
4.1.4. Armazenamento de informações sobre histórico das
medições no SmartPhone
Os valores de consumo lidos durante uma medição via
SmartPhone podem ser armazenados no dispositivo, de forma
que o usuário com posse de tais informações possa obter
levantamentos estatísticos acerca de seu consumo mensal,
bem como a tarifa cobrada por cada intervalo de tempo,
possibilitando a este estabelecer um maior controle sobre seu
consumo e orçamento residencial. A cada vez que o
SmartPhone realiza uma gravação em seus registros, ele
armazena os dados de consumo nas unidades descritas na
figura anterior, e uma estrutura de data, que é armazenada
utilizando o formato ssmm-hh-dd-mm-aaaa (segundo, minuto,
hora, dia, mês e ano) a cada vez que é gravado um novo
registro. Após estes dados serem gravados e armazenados na
memória interna do dispositivo móvel, desenvolveu-se rotinas
de software para manipulação de tais informações como
intuito de informar estatísticas de consumo mensal e diário.
4.1.5. Estatísticas de consumo
Para o Gerenciador de energia elétrica pessoal rotinas de
software foram implementadas com a funcionalidade de
informar as estatísticas de consumo e tarifação mensal, assim
como as estatísticas de consumo diário. As figuras a seguir
mostram as telas relativas à estatística de consumo mensal
implementadas no projeto:
Figura 3 – Estatísticas gerais
Figura 4 - Gráfico mensal
4.1.6. Transmissão de dados de consumo para um servidor
remoto
De forma a poder realizar uma análise da conexão do
SmartPhone com a rede neste projeto, rotinas foram
implementadas de forma a realizar a conexão do SmartPhone
via rede GPRS com um Notebook. Nesta conexão, dados
foram enviados para uma aplicação, com a funcionalidade de
um servidor, que irá ler os arquivos sobre o consumo de
energia elétrica enviados pelo SmartPhone e gerar um banco
de dados para realizar análises estatísticas das informações
obtidas, via conexão GPRS, da medição aferida pelo
SmartPhone na comunicação com o medidor de energia
elétrica.
4.2. Servidor pessoal de gerenciamento do consumo de
energia elétrica
Esse software foi desenvolvido utilizando-se a linguagem
de programação Java para funcionar em desktops com o
sistema operacional Windows. Ele é responsável pela recepção
e exibição de dados de consumo aferidos por um medidor
digital. É possível defini-lo em quatro funcionalidades básicas:
recepção de dados, armazenamento de dados, interface de
utilização com usuário e geração de gráficos
4.2.1. Recepção do dados
Os dados aferidos por um medidor são enviados de um
dispositivo móvel para o servidor pessoal. A comunicação
entre um dispositivo móvel e o servidor é feita através da
Internet. Assim sendo, a recepção de dados foi feita a partir de
sockets que é a tecnologia utilizada para a comunicação entre
dispositivos na Internet. Essa tecnologia constitui-se de
mensagens enviadas digitalmente e que podem representar
texto, áudio e vídeo. Em seguida definiu-se um protocolo de
codificação para que o servidor entendesse o que cada campo
da mensagem recebida significava.
A mensagem recebida do Smartphone é constituída de oito
campos: número de série do medidor, hora, dia, mês, ano,
quantidade de quilowatts-hora, potência reativa indutiva,
potência reativa capacitiva, conforme a Tabela 1. A
mensagem que contém esses dados possui como característica
a separação de cada campo com o caractere hífen (“-”) para
que os dados sejam distinguidos.
Tabela 1
INFORMAÇÕES ENVIADAS AO SERVIDOR PESSOAL
Variável
Descrição
medidorID
Hora
Dia
Mês
Ano
Wh
Número de série do medidor
Hora em que a Medição foi feita
Dia em que a Medição foi feita
Mês em que a Medição foi feita
Ano em que a Medição foi feita
Quantidade de Wh no momento da
Medição
Potência Reativa Indutiva
Potência Reativa Capacitiva
VArhI
VArhC
4.2.2 Armazenamento dos dados
Após a mensagem ter sido recebida, é necessário tratar
essa informação para que seja acessada de forma rápida e
inteligente. Com esse objetivo, utilizou-se o banco de dados
MySQL como ferramenta. Apesar das vantagens de se utilizar
banco de dados é necessário manipular a informação para que
ela seja incluída e acessada corretamente. Sendo assim, uma
função desse software é realizar as mediações com o banco de
dados. Ao se executar o software é exibido, próximo ao
relógio do Windows, um novo ícone, como se pode observar
na Figura 5. Ele tem como função informar ao usuário quando
uma nova mensagem foi recebida e gravada no banco de
dados.
data da medição e o tipo do gráfico a ser gerado. A seguir a
descrição dos campos presentes na interface.
• O campo Medidor informa de qual medidor será
analisado o consumo.
• No campo Amostragem, para gerar os gráficos é
preciso determinar como os dados serão exibidos. O
cliente tem a opção de exibir gráficos que mostram o
consumo diariamente, mensalmente ou anualmente.
• Com o campo Consumo é possível definir a unidade
que será utilizada. A unidade padrão utilizada pelas
concessionárias é o kWh (quilowatt-hora), mas é
possível que o usuário saiba o quanto gastou em
Reais.
• No campo Tarifa é definido o valor da tarifa paga,
em reais, pelo consumo de um quilowatt-hora
fornecido pela concessionária de energia.
• Como a amostragem dos dados é feita diariamente,
mensalmente ou anualmente, é necessário informar
uma data no campo Data para exibir o gráfico
daquele período de tempo específico.
• O cálculo dos quilowatts-hora gastos é feito de duas
formas e depende de como a medição é feita pelo
usuário.
- Por Hora: quando o usuário faz mais de
uma
medição
diariamente;
- Por Período: quando o usuário faz apenas
uma medição diariamente.
• No campo Meta define-se uma meta de consumo. Ao
se gerar o gráfico, com a opção de meta selecionada,
será possível observar se sua meta está sendo
cumprida ou não.
4.2.4. Geração de gráficos
Quando o servidor pessoal tem posse de algumas medições,
é possível gerar gráficos. Esses gráficos são gerados a partir
das informações que já foram recebidas anteriormente. Para a
geração dos gráficos usou-se o Framework JFreeChart que
possibilita a criação de gráficos de forma simplificada
utilizando a linguagem de programação Java.
4.2.4.1. Tipos de gráficos
Figura 5 – informando que nova mensagem foi recebida e armazenada
4.2.3. Interface de utilização
Para que muitos usuários pudessem utilizar o software de
forma simples, foi desenvolvida uma interface gráfica. Essa
interface contém os elementos necessários para que qualquer
usuário possa gerar os gráficos de consumo rapidamente.
4.2.3.1. Elementos da interface
Para que o usuário possa gerar gráficos, é necessário que
ele selecione algumas informações referentes ao medidor, à
Os gráficos gerados podem ser anuais, mensais ou diários.
Além disso, eles podem ser em Reais e ou em KWh. As
Figuras 6, 7 e 8 apresentam a interface gráfica e alguns tipos
de gráficos gerados pela aplicação.
4.2.4.2. Metas
O usuário pode definir uma meta para ser seguida, por
exemplo, mensalmente. Supondo que planeja gastar no
máximo 100 quilowatts-hora no mês, então ele define esse
valor no campo meta. O gráfico de consumo exibirá se o
cliente está conseguindo manter-se abaixo do gráfico da meta.
Essa ferramenta não ajudará a economizar, apenas mostrará se
o usuário está conseguindo, de fato, reduzir os gastos com
eletricidade.
5. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
Esse projeto contribuir com o desenvolvimento de novas
ferramentas utilizadas em telemetria e também visa gerar uma
evolução na forma da medição de energia elétrica. Trata da
forma como o cliente consumidor de energia interage com o
seu próprio consumo, visto que este terá uma grande
ferramenta de auxilio. Das várias possibilidades e utilizações,
fazer análises constantemente e verificar se não há nenhuma
irregularidade no seu consumo normal de energia elétrica, é o
foco principal.
Figura 6 – Interface gráfica
A fim de aprimorar este projeto e dar continuidade à
pesquisa, são necessários os seguintes trabalhos futuros:
• Confiabilidade da transmissão: é necessário se
estabelecer uma confiabilidade na transmissão de
dados, para situações onde a rede móvel esteja
indisponível e o dado não possa ser enviado ao
servidor.
• Migração da linguagem utilizada para linguagem
mais portável: este passo será dado com o intuito de
tornar o software o mais independente de plataforma
possível, possibilitando assim que vários usuários
com diversos celulares/Smartphones dos mais
diversos fabricantes possam fazer uso deste projeto,
com nenhuma, ou pouquíssima, modificação no
software.
• Desenvolvimento de rotinas de configuração de
perfil de usuário: este passo será realizado com o
intuito de obter do usuário informações que sofrem
variação de usuário para usuário e cidade para cidade.
REFERÊNCIAS
[1]
Figura 7 – Gráfico de consumo anual em reais
[2]
[3]
[4]
[5]
Figura 8 – Gráfico de Consumo diário com meta estabelecida
Djalma M. FalcãoSMART GRIDS E MICROREDES:
O FUTURO JÁ É PRESENTE. In: VIII Simpósio de
automação e sistemas elétricos.Rio de Janeiro Brasil.
2009.
The Green Grid: Energy Savings and Carbon
Emissions Reductions Enabled by a Smart Grid,
EPRI Technical Update Report 1016905, June 2008.
R. Galvin and K. Yeager, Perfect Power: How the
Microgrid Revolution Will Unleash Cleaner, Greener,
and More Abundant Energy, New York: McGraw-Hill,
2009.
Strategic Deployment Document for Europe’s
Electricity Network of the Future. Disponível em
<http://www.smartgrids.eu/>. Acesso em, Maio 2008.
ASSOCIAÇÃO
BRASILEIRA
DE
NORMAS
TÉCNICAS. NBR 14522: Intercâmbio de informações
para sistemas de medição de energia elétrica Padronização. Maio, 2000.