8. princípios e conceitos de redes elétricas inteligentes
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8. princípios e conceitos de redes elétricas inteligentes
Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio 8. PRINCÍPIOS E CONCEITOS DE REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES Este capítulo apresenta os princípios e conceitos relacionados às chamadas “Redes Inteligentes”, smart grids – SG, procurando indicar o papel das diferentes tecnologias necessárias à sua realização, especialmente no que se refere à eletrônica de potência. Embora seja uma área em intenso desenvolvimento, já existem publicações que abordam o problema sob diferentes aspectos – tecnológicos i, ambientais ii, econômicos iii, políticos, legislativos iv, etc. Sendo uma tecnologia dos tempos atuais, também na difusão tecnológica estão fortemente presentes os novos meios de comunicação, especialmente a internet. Há diversas páginas, nacionais e internacionais, de entidades de pesquisa e desenvolvimentov, de empresas vi vii viii e governamentais ix que se dedicam ao tema. 8.1 Uma perspectiva histórica x O texto a seguir foi adaptado e, em alguns trechos, transcrito, do artigo de D. A. A. Garcia e F. E. Duzzi Jr., publicado na Revista O Setor Elétrico, de abril de 2012. As redes de energia elétrica evoluíram a partir das primeiras redes de corrente alternada da virada do século XIX ao XX. Naquela época, a rede foi concebida como um sistema centralizado de geração, transmissão e distribuição de eletricidade com controle da demanda. No século XX, as redes elétricas cresceram e se descentralizaram, sendo eventualmente interligadas por questões de economia e razões de confiabilidade. Na década de 1960, as redes elétricas dos países desenvolvidos já haviam crescido e se tornado muito grandes, com alto nível de sofisticação. Apresentavam então centenas de usinas de geração de energia interligadas por linhas de transmissão de alta capacidade que se ramificaram para fornecer energia até os menores usuários industriais, comerciais e residenciais. As usinas hidrelétricas, distantes dos centros urbanos, exigem maior complexidade de operação das linhas de transmissão. Com usinas térmicas (carvão, gás e óleo), tipicamente com potência de 1 GW até 3 GW, a topologia da rede é diferente, pois sua instalação leva em conta, além da distribuição e consumo de energia, a logística do transporte dos combustíveis (e mais recentemente passaram a levar em conta fatores ambientais), como a proximidade de reservas de combustível fóssil (minas ou poços próprios, ou ainda perto de linhas de fornecimento de transporte ferroviário, rodoviário ou portuário). Nestas condições, na década de 1960, a rede elétrica interligada chegou praticamente à totalidade da população dos países desenvolvidos, com pequenas populações contando com sistemas isolados (off-grid). A figura 8.1 ilustra tal concepção centralizada de geração e distribuição de energia. A medição individualizada do consumo de energia elétrica é necessária para permitir o faturamento de acordo com o nível do consumo dos usuários. Devido ao sistema limitado de coleta de dados de leitura e também da capacidade de processamento, durante o período de crescimento da rede, apareceram regimes de tarifação fixa, ou com tarifação por período, em que era cobrada uma menor tarifa para alimentação noturna que a energia fornecida durante o dia. A motivação para regimes de tarifação pelo horário era a menor demanda no período noturno. Onde havia sazonalidade de oferta de energia, como ocorre no regime de chuvas para hidroelétricas, houve a inclusão deste fator no regime de tarifação (conhecido como tarifação horossazonal, implantada no Brasil somente na década de1980 – Portaria Nº 33 do DNAEE, de 11 de fevereiro de 1988). http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-1 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Transmissão Geração Distribuição Indústria Comércio Residências Figura 8.1 Sistema elétrico convencional. Figura obtida em xi Da década de 1970 para a década de 1990, a demanda crescente levou a um aumento do número de usinas geradoras. Em algumas áreas, o abastecimento de eletricidade, especialmente em horários de pico, não poderia ser mantido com essa demanda crescente, resultando em uma piora na qualidade da energia elétrica fornecida, o que incluía oscilações de tensão, quedas, cortes de energia e até “apagões”. Cada vez mais a sociedade dependia de eletricidade para a indústria, condicionamento de ambientes, comunicação, iluminação e entretenimento, e os consumidores exigiram níveis cada vez mais elevados de confiabilidade. Estabeleceram-se comportamentos de demanda de eletricidade mais críticos, levando a picos diários de demanda atendidos por geradores só utilizados por curtos períodos do dia. A relativamente baixa utilização destes geradores (normalmente turbinas a gás, devido ao seu custo de capital relativamente baixo e tempos de partida mais rápidos, ou então a óleo diesel), juntamente com a redundância necessária na rede elétrica, resultou em maiores custos para as concessionárias de eletricidade, custos estes que foram repassados aos consumidores. Embora possa ter surgindo anteriormente, o termo smart grid, tem sido usado mais frequentemente desde 2005, a partir do artigo "Toward a Smart Grid" (Amin and Wollenberg, IEEE Power and Energy Magazine, v. 3, n. 5, p. 34-38, set./out. 2005). Na década de 1980, a leitura automática de medidores foi usada para monitoramento de cargas de grandes clientes e evoluiu para uma infraestrutura avançada de monitoração. Medidores inteligentes passaram a adicionar comunicação em tempo real, tornando-se dispositivos de comando-resposta e comandos remotos com os usuários. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-2 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio A Itália, a partir do ano 2000, passou a instalar grandes quantidades de medidores (27 milhões) em residências usando módulos de leitura com algoritmos aperfeiçoados (“inteligentes”) com comunicação remota via PLC (do inglês, power line communications) de banda estreita. As redes elétricas nasceram isoladas, atendendo a pequeno número de consumidores (microrredes), a partir de fontes de pequena potência, com um uso mínimo de ações de controle (apenas algum tipo de regulação de frequência e de nível de tensão). O aumento na demanda, o distanciamento das fontes geradoras em relação às cargas e as exigências de confiabilidade no fornecimento levaram à interligação das redes, implicando em maiores exigências de controle e com início de procedimentos inteligentes para o despacho da energia. As redes modernas, especialmente na configuração de microrredes, retomam alguns aspectos primordiais, como a geração local de pequena potência sem, no entanto, deixar de serem redes interligadas. As exigências de controle sobre as variáveis se tornam muito maiores, implicando no uso de sistemas inteligentes para a operação da mesma, seja aplicando tecnologias já conhecidas, seja com o desenvolvimento de novas tecnologias para solução de problemas emergentes. 8.2 Definições 8.2.1 Microrrede De acordo com a definição apresentada por J. A. P. Lopes em xii “uma microrrede corresponde a uma rede de distribuição de baixa tensão onde são ligados sistemas de microgeração muito próximos das cargas. Uma microrrede pode ser constituída a partir de uma rede de distribuição de uma zona urbana, de uma rede de um centro comercial ou de uma unidade fabril. Usando as tecnologias atualmente disponíveis, os sistemas de microgeração podem incluir diversos tipos de células a combustível, microturbinas a gás, sistemas eólicos e fotovoltaicos (PV), juntamente com dispositivos de armazenamento de energia (volantes de inércia, super-capacitores, baterias)”. Uma microrrede inclui ainda um sistema de controle hierárquico suportado por um sistema de comunicações, normalmente com tecnologia PLC (Power Line Carrier) ou sem fio (wireless). Nesse sentido, a instalação elétrica de uma residência pode ser entendida como uma microrrede, pois todos os requisitos podem estar presentes, como mostra a figura 8.2. Mais genericamente, toda instalação elétrica de um avião, navio, plataforma de exploração de petróleo, uma central telefônica atendem (ou podem atender) aos requisitos apresentados. Ou seja, pode-se concluir que a existência de microrredes não é nova, apenas sua conceituação é recente. Já em uma amplitude geográfica mais ampla, a figura 8.3 ilustra uma microrrede no contexto de um condomínio ou bairro. Veja-se que o conceito de microrrede se aplica, assim, a limites geográficos relativamente pequenos, em uma situação em que a distribuição da eletricidade se dá em baixa tensão e apenas há (ou pode haver) conexões com redes de alta tensão para o intercâmbio energético. 8.2.2 Rede Inteligente – Smart Grid O que caracteriza uma rede elétrica como “inteligente” é a capacidade de integrar as ações de todos agentes a ela conectados, sejam geradores de energia, consumidores ou os chamados “prosumers” (do inglês “productor and consumer”), ou seja, agentes que ora se comportam como geradores de energia, ora como carga.xiii Como objetivo, busca-se a produção, o transporte, a distribuição e o uso final de energia elétrica de modo eficiente, ambientalmente sustentável, viável economicamente e de forma confiável e segura. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-3 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica Figura 8.2 Instalação residencial como uma microrrede. Figura obtida em: http://visually.visually.netdna-cdn.com/Microgrid_4e40d45e77b9a.jpg Figura 8.3 Microrrede conceitual (National Sandia Lab). Figura obtida em: http://www.sissolarventures.com/Microgrids.php. Acesso em http://sissolarventures.com/images/microgrid_Concept_Sandia_National_Lab.gif http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-4 J. A. Pomilio Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Há enfoques ligeiramente distintos a depender da região do mundo em que se desenvolvem as tecnologias das redes inteligentes.x Nos Estados Unidos o conceito é muito abrangente, referindo-se à transformação da indústria da eletricidade de um modelo centralizado, com a rede controlada pelo produtor, para um modelo menos centralizado e mais interativo com os consumidores, trazendo as ideias, conceitos e tecnologias que permitiram a criação da internet para a rede elétrica.xiv Na China, o conceito de SG se refere mais precisamente a uma rede que venha a assegurar um suprimento seguro, confiável e econômico, de um modo ambientalmente sustentável. Na Europa, SG se refere a uma rede baseada em energia renovável, que integre as diversas nações com ampla participação social.xv O cenário europeu é bem sistematizado pelas definições apresentadas no descritivo do laboratório de smart-grid da Universidade de Pádua, na Itália, com foco em redes com consumidores residenciais, reproduzidos a seguir: xvi xvii Smart Grids são redes de eletricidade que, inteligentemente, integram as ações de todos os usuários, geradores distribuídos, consumidores, produtores de energia verde e os "prosumers" - a fim de realizar de forma eficiente, sustentável, econômica e segura o fornecimento de energia elétrica. A SG utiliza produtos de ponta e serviços TIC junto com monitoramento inteligente, controle, comunicação e tecnologias de auto-correção. Representam um dos grandes desafios em nível planetário. A infusão de tecnologia da informação em toda a rede elétrica cria novos recursos, com impacto no meio ambiente, Ciência e Tecnologia, economia e estilo de vida. O termo "smart grid" descreve a evolução das redes elétricas e uma mudança de paradigma na organização do mercado elétrico e de gestão. Entre os vários motes para essa evolução, tem-se: A procura crescente de fornecimento de energia de forma confiável e de qualidade ambiental: a necessidade da introdução de SG é cada vez mais reconhecida pelos formuladores de políticas em todos os níveis de governo com vistas a encontrar formas de melhorar a eficiência energética, desde a produção até o uso final nas casas, empresas e instituições públicas. Muitos acreditam que uma SG é um fundamento essencial para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e fazer a transição para uma economia de baixo carbono. Uma utilização mais generalizada e em pequena escala de fontes de energia renováveis: armazenamento de energia distribuída permitirá o controle da energia no pico da demanda, bem como a operação no modo "ilhada". Modernização do setor de eletricidade mediante a aplicação das TIC de forma extensiva: sistemas de comunicação, algoritmos avançados para medição inteligente e de controle distribuído criará uma nova geração de sistemas de distribuição elétricos, onde a TIC irá coordenar o consumo de energia e sua produção, em conformidade com padrões de qualidade de energia, aproveitando ao máximo as fontes de energia renováveis. Reestruturação do setor elétrico e mercados de energia mais competitivos: isso envolve a participação ativa de clientes, isto é, a possibilidade de clientes individuais ou comunidades de clientes: 1) ter um papel no mercado elétrica por gestão cooperativa dos recursos energéticos; 2) obter mais investimentos em fontes renováveis de energia e instalações de armazenamento de energia; 3) aumentar a capacidade de negociação de contratos "tradicionais" com grandes fornecedores elétricos e utilitários de distribuição. De uma perspectiva científica, Smart Grids é inerentemente multidisciplinar: especialistas em economia industrial e ambiental, comunicação, medição de rede e controle, condicionamento de energia e gerenciamento de energia, normas e regulamentos precisam se reunir para construir uma plataforma comum para desenvolvimento e operação. Inovações relevantes são esperados em todos os campos, sob a pressão para atender à demanda crescente de energia, preservando o meio ambiente e as reservas de energia. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-5 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Figura 8.4 Visão geral conceitual de uma smart-grid. Figura obtida em xviii Esses novos cenários colocam desafios a todos os países no sentido de que “o planejamento energético deve considerar o incentivo ao emprego de padrões tecnológicos que privilegiem o uso racional e a conservação de energia, o emprego de fontes renováveis de geração de energia em pequena escala, de menor impacto ambiental e junto aos consumidores, bem como o emprego de sistemas avançados de sensoriamento, controle e medição de energia, para proporcionar precificação e retorno adequado aos investimentos realizados para que a energia seja acessível a todos. As novas redes já devem a ser construídas dentro de padrões tecnológicos avançados, a custos competitivos, sem onerar demasiadamente as tarifas, mas garantindo longevidade tecnológica. A mudança de foco no planejamento energético deve ser precedida por uma política energética que fomente o desenvolvimento, implantação e massificação de tecnologias avançadas em toda a cadeia do negócio, abrangendo produção (ou geração) transporte (transmissão), distribuição e comercialização, através de fomentos específicos à pesquisa, desenvolvimento, inovação, indústria e comércio, com adequadas linhas e mecanismos de financiamento”.vii Cidades modelo xix Há vários lugares onde as Smart Grids estão em testes: Manhein, na Alemanha,xx Pullman, no estado de Washington (EUA), xxi Amsterdan, na Holanda, xxii Boulder, Colorado (EUA), xxiii Paredes, em Portugal,xxiv etc. O projeto "Cidade Modelo Mannheim" (MoMa) inclui aspectos relacionados ao uso de uma rede elétrica inteligente. Através deste, Mannheim conseguiu garantir um elevado nível de estabilidade no fornecimento de eletricidade e de segurança através de uma combinação de geração centralizada e descentralizada. Conjuga-se produção própria de energia, por exemplo a partir de painéis fotovoltaicos, com energia produzida por grandes empresas, assegurando um mínimo de perdas. A SG no MoMa visa combinar os avanços das infra-estruturas de comunicação, sensoriamento e medição com a rede existente, visando um fornecimento mais confiável, uma vez que é possível identificar e resolver os problemas, bem como para melhorar o controle da tensão. 8.2.3 http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-6 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Em Boulder, no Colorado (EUA), o consórcio Xcel Energy vem testando mecanismos para potencializar o uso de energia. Formas tradicionais e emergentes de produção de eletricidade estão sendo avaliadas em algumas residências para verificar a eficiência deste tipo de rede. 8.3 Desafios Tecnológicos Os desafios que se apresentam dependem do contexto em que a rede inteligente é empregada, ou seja, em redes de transmissão, distribuição ou microrredes. Alguns aspectos são comuns a qualquer das estruturas. Outros são específicos como, por exemplo, a geração distribuída em baixa tensão, típica de microrredes. A realização de sistema com tal complexidade envolve a cooperação de diferentes disciplinas. Na sequência são listados alguns desafios tecnológicos para o melhor desenvolvimento das SG. No caso de microrredes residenciais inteligentes, que representam a evolução da rede de distribuição de baixa tensão, pode-se incluir uma variedade de recursos energéticos distribuídos (PV, eólica, baterias, células a combustível, micro-turbinas). Neste cenário, cada fonte de energia está ligada à rede de distribuição por um conversor de eletrônico de potência (CEP). O funcionamento da microrrede pode ser melhorado através de um controle sinérgico de tais processadores de energia. Para tal é necessário desenvolver uma arquitetura de TIC para o controle dos CEP distribuídos. Em uma abordagem plug & play de controle, cada CEP tem que identificar a rede ao redor e se comunicar com as unidades vizinhas para estabelecer uma regra de controle distribuído e próximo do ideal. Com tal procedimento pode-se explorar plenamente todas as fontes de energia existente; minimizar a perda local de distribuição; e estabilizar as tensões da rede. Além disso, a abordagem plug & play tem a flexibilidade e escalabilidade necessárias para integrar um número crescente de recursos distribuídos. xvi 8.3.1 Eletrônica de Potência A eletrônica de potência é fundamental no desenvolvimento das SG, uma vez que o aproveitamento das fontes renováveis depende de conversores de potência. Além disso, são necessários vários subsistemas envolvendo armazenagem de energia ou compensação de energia reativa e de componentes harmônicas. A natureza intermitente de fontes renováveis (eólica e solar) torna necessário que os conversores operem em malha fechada, garantindo a regulação das variáveis elétricas, bem como possibilitar o armazenamento da energia excedente e seu posterior aproveitamento. A possibilidade de operação ilhada (sem conexão à rede CA), assim como o intercâmbio de energia com a rede devem ser previstos e adequadamente geridos pelos conversores e seus respectivos sistemas de controle. Dependendo das fontes disponíveis, inversores, retificadores, e conversores CC-CC são necessários. Há outros conversores para estágios intermediários, necessários para adaptar a energia produzida pela fonte de tal modo que tanto a fonte de energia e quanto o conversor operem com mínimas perdas. Os conversores para SG, particularmente os inversores, podem apresentar maior complexidade em comparação com os utilizados na indústria ou sistemas de alimentação ininterrupta, pois têm que gerir de forma eficiente um fluxo de potência bidirecional, bem como garantir operação em situações críticas. Devem ser capazes de absorver energia a partir da rede para alimentar uma carga local ou injetar o excedente de energia produzida na rede. Além disso, devem ser capazes de mitigar flutuações e distorções de tensão. O uso multifuncional de conversores, principalmente dos inversores, é muito importante. Por exemplo, o inversor que conecta um painel fotovoltaico à rede pode, à noite (ou em qualquer horário em que sua produção de energia esteja abaixo da máxima) atuar como compensador de energia reativa ou de correntes harmônicas, pois ambas funções não consomem potência ativa. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-7 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Figura 8.5 Inversor monofásico com ação multifuncional e possível estratégia de controle.xxv Operação THD Ig THD Vpcc Inversor desligado (Fig. 8.6) 88 % 5.1 % Operação como Filtro Ativo (Fig. 8.7) 4.8 % 2.4 % Operação como Filtro Ativo + injeção de potência (Fig. 8.8) 3.8 % 2.1 % Operação como Filtro Ativo + injeção de potência – sem carga local (Fig. 8.9) 1.5 % 1.8 % Fig. 8.6 – Tensão e corrente na rede (PCC) e no inversor. Inversor desligado e carga não-linear. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-8 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Fig. 8.7 - Tensão e corrente na rede (PCC) e no inversor. Carga não linear alimentada e inversor operando como filtro ativo. . Fig. 8.8 - Tensão e corrente na rede (PCC) e no inversor. Carga não linear alimentada e inversor operando como filtro ativo e injetando potência ativa na rede. Fig. 8.9 Tensão e corrente na rede (PCC) e no inversor. Inversor operando como filtro ativo e injetando potência ativa na rede, sem carga local. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-9 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Para respeitar a potência nominal para a qual o conversor foi projetado podem ocorrer situações em que não seja possível compensar totalmente a distorção da corrente e os reativos sem ultrapassar os limites do conversor. Assim, ou a transmissão de potência da fonte primária local para o barramento CA deve ser limitada, ou a compensação deve ser limitada. Sendo que, possivelmente seja dada preferência a injetar o máximo de energia possível na rede. Neste ponto, a teoria CPT apresenta uma grande vantagem, pois possibilita, de forma simples e direta, a separação das componentes de corrente. A compensação total pode ser alcançada ao associar, por exemplo, fontes de reativos, como capacitores, deixando para o conversor a tarefa de compensar apenas a distorção e, eventualmente e injetar a energia que esteja disponível no barramento CC. Sistemas de energia renovável e alternativa requerem alto rendimento. O conversor tem para operar em monitoramento contínuo das grandezas de entrada e de saída, em tempo real, adequando o ponto de trabalho para assegurar o máximo aproveitamento de energia disponível, com o emprego de rastreamento do ponto de máxima transferência de potência. (MPPT). A continuidade do serviço é uma questão tão importante quanto entregar energia, o que faz da confiabilidade dos conversores um aspecto muito relevante. Uma questão fundamental para uma SG é a capacidade de evitar propagação de falhas entre os nós e para a recuperação de uma falha local. Esta capacidade deve ser garantida pelo conversor de energia, que deve incorporar monitoramento, sistemas de comunicação e sistemas de reconfiguração. A qualidade da energia injetada na rede deve respeitar padrões de compatibilidade eletromagnética (EMC). Informações devem ser passadas para o faturamento automático, de modo a levar em conta parâmetros como o preço para compra e venda de energia em tempo real, e informar o consumidor/produtor de todos os parâmetros de preços requeridos para suas decisões. 8.3.2 Controle Distribuído O cenário de redes inteligentes coloca a necessidade de desenvolvimento nas áreas de controle distribuído, identificação e algoritmos de previsão. Uma das razões é a necessidade de cooperação entre os geradores de energia dentro da rede inteligente. Questões a serem resolvidas por esses algoritmos são relacionadas ao caráter intermitente da geração das fontes eólica e solar, o que implica na necessidade de atuação coordenada entre os gerenciadores locais de energia (GLE), de forma a conseguir um funcionamento ótimo do sistema como um todo. Dado que uma microrrede pode hospedar um grande número de microgeradores, seria impraticável comandar todos de forma centralizada, até porque as condições de produção variam muito rapidamente (no caso de fontes eólica e solar). A cooperação entre geradores e conversores eletrônicos associados pode se dar em diferentes aspectos, incluindo controle ótimo de produção de potência ativa e reativa; regulação de tensão; controle de fluxo de potência na rede; garantia da estabilidade da operação; etc. 8.3.3 Tecnologia da Informação e da Comunicação A correta operação dos GLE exige que as informações colhidas possuam sincronização de tempo, conforme exigido pelos algoritmos de controle. No Brasil, as tecnologias que permitem automação inteligente em subestações de transmissão no contexto Smart Grid já se encontram em estágio avançado. Já existe também uma tendência clara de uso de protocolos abertos, relativos às normas IEC 61850, e ICCP (InterControl Center Communications) em subestações e centros de controle, o que permite um grau de inteligência avançado na automação destes sistemas, Figura 8.10 xxvi. Há companhias como Eletrosul e CHESF que o utilizam o ICCP para receber dados de concentradores localizados em nível inferior ao seu nível de centro de controle. Nos centros do ONS, o protocolo também é utilizado de forma crescente. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-10 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Atualmente, no âmbito do Comitê Brasileiro de Eletricidade da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT (Comitê ABNT/CB-03) – existem atividades para a criação de um protocolo de comunicação de equipamentos de medição. Em linhas gerais, o Sibma (Soluções em Sistema de Energia e Automação) xxvii tem o objetivo de automatizar e padronizar a medição de energia elétrica a distância, desde a concessionária até o consumidor, sem qualquer interferência humana, criando uma rede inteligente, também chamada de smart grid. Figura 8.10 Esquema baseado na Norma IEC 61850. [http://www.sisconet.com/iec61850_products.htm] Desenvolvimento de Sistema de Informação e Gerenciamento da Energia (SIGE) O funcionamento das redes inteligentes de energia depende da criação de um sistema de gestão de informações e gerenciamento de energia, o qual deve ser provido de técnicas e dispositivos para aquisição, validação e processamento dos dados proveniente de todas camadas do sistema. Diversos agentes (técnico-financeiros) deverão estar envolvidos com tal sistema, conforme diagrama conceitual da Figura 8.11. A área de operação é de fundamental importância para a confiabilidade do sistema, sendo uma área integradora. Seu principal objetivo é gerenciar a rede de energia em tempo real, de maneira segura, econômica e com qualidade garantida xxviii. Uma microrrede inteligente deve ser tratada como um sistema multiagentes. Tais agentes podem se localizar em diferentes locais, interagindo entre si, a fim de gerir de forma otimizada os recursos energéticos e, ao mesmo tempo, informar aos usuários sobre o consumo de energia e o perfil de produção. É importante ressaltar que a Smart Grid é um sistema de sistemas que ficam conectados por meio de malhas de controle. Estas malhas podem tornar o sistema estável ou instável xxix. Em tal cenário, a otimização dos recursos pode ser realizada em dois níveis diferentes: 1. Algoritmos de otimização global: com alvo na redução do consumo global de energia da rede pública, bem como das perdas de distribuição. 2. Algoritmos de otimização local: responsável por fornecer um perfil de tensão estável, o condicionamento da qualidade de energia local, a plena utilização das fontes de energia renováveis, incluindo também a utilização de armazenadores de energia. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-11 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Figura 8.11. Modelo Conceitual de uma Smart Grid. [http://smartgrid.ieee.org/ieee-smartgrid/smart-grid-conceptual-model] Para viabilizar a operação das microrredes, além da infraestrutura básica de potência (geradores e conversores eletrônicos), também devem ser desenvolvidas as infraestruturas de comunicação e gestão da informação, dentre elas: 1. Sistema de medição e sensoriamento de grandezas elétricas; 2. Sistema de comunicação; 3. Sistema de TI para integração dos dados; 4. Sistema de gerenciamento e controle da rede. • Sistema de monitoramento e controle supervisório • Sistema inteligente de recuperação do sistema • Sistema de proteção e controle. Sistema de medição e sensoriamento de grandezas elétricas Neste tópico estão os chamados “Medidores Inteligentes”, os quais têm muitas aplicações em Smart Grids, como tarifação dinâmica, resposta à demanda, conexão e desconexão remotas, gerenciamento de interrupções, segurança de rede e redução de perdas não técnicas, dentre outras. Tais medidores devem ser projetados para atender os requisitos das normas ANSI C12.20 e IEC 62053, bem como as exigências de sistemas abertos como: • Intercambiabilidade: capacidade de transferência de dados entre diferentes sistemas, de forma prática e rápida. • Portabilidade: capacidade de implementação da mesma funcionalidade em diferentes plataformas (hardware e software). • Conectividade: capacidade de conexão de plataformas de hardware distintas, e de diferentes portes, através de uma rede padrão. • Expansibilidade: capacidade de crescimento incremental de hardware (adição ou substituição) e de software (adição de novas funcionalidades). • Modularidade: capacidade de inclusão, eliminação e alteração de funções e módulos com impacto mínimo sobre os demais componentes do sistema. No quesito comunicação, os medidores inteligentes possuem comunicação bidirecional, podendo receber e enviar dados. Várias tecnologias podem ser usadas para tal, como ZigBee, PLC, rede Mesh, GRPS, etc. xxx. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-12 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Uma possível solução para a transmissão de dados é a tecnologia Power Line Communications (PLC), que é um canal de comunicação natural para redes elétricas. Nesse caso, a topologia de comunicação que corresponde exatamente à topologia da rede, não requer implantação de novos cabos. Apesar de vários esforços de padronização para apoiar as redes inteligentes, ainda não foi encontrada uma solução definitiva, com as taxas de transmissão de dados necessária às estratégias de controle. Não se deve desconsiderar um cenário que inclua comunicações sem fio que podem ser mais adequadas em casos de geradores ou cargas mais distantes, cuja comunicação pode ser mais facilmente implementada usando sistemas celulares, ou ainda o caso de um número muito elevado de cargas e fontes próximas em que as soluções de celulares ou mesmo redes WLAN/WiMax podem ser utilizadas. Dentre os muitos tipos de medidores inteligentes de mercado (Figura 8.12) ou dispositivos dedicados ao seu desenvolvimento, a escolha da tecnologia a ser utilizada será baseada em características como: quantidade de periféricos disponíveis, taxa de aquisição e processamento, quantidade de memória, consumo de energia, largura de banda, etc. Figura 8.12. Alguns tipos de Medidores Inteligentes. [Texas Instruments] Sistema de comunicação Para o desenvolvimento da camada de comunicação há discussões para definir qual ou quais protocolos de comunicação utilizar xxxi, xxxii. Existem basicamente 4 camadas na área de comunicação para Smart Grids: HAN – Home Area Network, LAN – Local Area Network, RAN – Regional Area Network e WAN – Wide Area Network xxxiii. Cada network ou rede corresponde a um trecho pelo qual as informações devem passar. A Figura 8.13 ilustra a camada HAN. Atualmente a tecnologia Zigbee é mais atrativa para interconectar dispositivos em uma rede privada. Protocolos ZigBee são destinados a aplicações embarcadas que exigem baixas taxas de dados e baixo consumo de energia. Tal tecnologia permite criar uma rede de sensores sem fio, como em uma rede de sensores doméstica xxxiv. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-13 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Figura 8.13. Ilustração de uma Home Area Network. [Texas Instruments] Sistema de gerenciamento e controle da rede A carga instalada está crescendo junto com o número de eletrodomésticos, de modo que impulsionam a P&D na área de sistemas de gerenciamento para casas e edificações xxxv xxxvi. Um sistema de gerenciamento de energia eficiente deve englobar um subsistema de monitoramento e controle supervisório, um subsistema inteligente de recuperação e um subsistema de proteção e controle, dentre outros. Adicionalmente, o SIGE deve ser capaz de: a) Informar o usuário o consumo de energia e custo, o histórico de consumo, tarifação e avisos de sobrecarga. b) Gerenciar e regular de modo autônomo a operação dos recursos energéticos distribuídos de acordo com demanda, tarifa, energia armazenada, meio ambiente, etc. c) Enviar o status da microrrede para outros SIGEs com a finalidade de coordenar a operação do sistema elétrico de uma dada região geográfica de maneira macroscópica. Um exemplo de sistemas de gerenciamento é o desenvolvido pela Hitach Social Innovation (Figura 8.14). Internet das Coisas (WoT – Web of Things) A realização de uma SG exige uma grande interação entre as fontes e as cargas, assim como um controle praticamente total sobre ambas. Nesse contexto, a aplicação dos princípios associados ao conceito de “Internet das Coisas” parece ser de grande interesse. A WoT xxxvii representa um paradigma de computação em que as coisas têm identidades virtuais, atributos físicos, personalidades virtuais, usam interfaces inteligentes e estão integrados na rede de informações. WoT é uma estrutura flexível e móvel que cria uma rede entre os diferentes dispositivos por meio da implantação de sensores, transformando-os em dispositivos inteligentes. Tal tecnologia de sensores sem fio pode ajudar no uso da energia de forma eficiente de muitas maneiras. A figura 8.15 mostra uma “Casa Inteligente”, na qual os aparelhos eletrônicos fazem parte da WoT. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-14 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Figura 8.14. Ilustração do Sistema de Gerenciamento de Energia da Hitachi Social Innovation. Figura 8.15 Casa Inteligente com equipamentos inteligentes que usam o conceito WoT. Figura obtida em http://www.tecmundo.com.br/3008-smart-grid-a-rede-eletrica-inteligente.htm 8.4 Referências http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-15 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica i J. A. Pomilio R. Strzelecki, G. Benysek (Eds.), “Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks”, Springer, 2008. ii P. Fox-Penner, “Smart Power – Climate Change, the Smart Grid and the Future os Electric Utilities”, Island Press, 2010. iii C. W. 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