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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ CAMPUS SOBRAL EIXO DE CONTROLE E PROCESSOS INDUSTRIAIS CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL SMART GRID: A TECNOLOGIA DAS REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES SOBRAL 2017 SMART GRID: A TECNOLOGIA DAS REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES Trabalho de pesquisa na área de redes elétricas para à disciplina de Metodologia Científica do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, como requisito à obtenção da nota da segunda etapa. Área de concentração: Sistemas de Energia Elétrica. Professor: João Batista. SOBRAL 2017 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 3 2 JUSTIFICATIVA .................................................................................................................. 4 3 QUESTÕES A INVESTIGAR ............................................................................................. 4 3.1 Estudos Tecnológicos .......................................................................................................... 4 3.2 Panorama Mundial ............................................................................................................. 5 4 REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................................. 6 4.1 Panorama de implantação de redes inteligentes no Brasil ............................................. 6 4.2 Medição Eletrônica ............................................................................................................. 7 4.3 Comunicação ....................................................................................................................... 7 4.4 Sensoriamento ..................................................................................................................... 7 5 OBJETIVOS .......................................................................................................................... 8 5.1 Para empresas de energia .................................................................................................. 9 5.2 Para os usuários .................................................................................................................. 9 5.3 Para o meio ambiente ......................................................................................................... 9 6 METODOLOGIA ................................................................................................................ 10 7 CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO .................................................................................. 10 8 RECURSOS MATERIAIS E HUMANOS ........................................................................ 11 9 REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 13 3 1 INTRODUÇÃO Desde a criação da primeira rede de energia elétrica feita por Nikola Tesla em 1888, não aconteceram inovações significativas na maneira como a energia elétrica é fornecida ao consumidor. Muitas das tecnologias usadas naquela época ainda continuam em uso, limitando a capacidade de inovação. Nos últimos cinquenta anos, as redes não evoluíram para encarar os desafios das mudanças modernas. Ameaças à segurança, possibilidade de uso de energia alternativa e intermitente, metas de economia de energia para redução de picos de demanda e controles digitais para aumentar a confiabilidade e abreviar a restauração são alguns exemplos de desafios que terão que ser enfrentados nos próximos anos. A situação mais indesejável em uma rede elétrica é a interrupção de fornecimento. Em alguns casos essa falha no fornecimento se prolonga por várias horas, aumentando o tempo de espera da população pelo retorno da eletricidade. Essa situação afeta toda a economia, fazendo com que áreas de produção, de prestação de serviços e trânsito sofram impactos, gerando prejuízos. Sempre que há uma interrupção no fornecimento, percebemos o quanto somos dependentes da energia elétrica. Nossa segurança fica ameaçada quando estamos no trânsito, em elevadores, caminhando pelas ruas, portanto, uma rede mais confiável é o desejo de todos. Vivemos na era da tecnologia, e chega a ser surpreendente que as empresas de distribuição ainda dependam dos clientes para ser notificadas de uma falta de energia. Segundo informações da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL –, a média de perdas elétricas no Brasil é de 16%. Há um grande espaço para avanço nessa área. A redução dessas perdas pode significar a postergação de investimentos em geração e o aumento dos investimentos em infraestrutura, melhorando a qualidade do fornecimento. Nossa matriz de geração é limpa. Contudo, nos últimos anos, estamos acompanhando o crescimento do número de usinas térmicas. Devido à dificuldade de construção de grandes usinas hidráulicas, fica evidente a necessidade de investimentos em pequenas geradoras, que estejam mais próximas aos centros de cargas e que ofereçam mais oportunidades de comercialização. O conceito de Smart Grid se apresenta como uma tecnologia que permite o uso eficiente da energia elétrica e, assim, configura-se como importante ferramenta no enfretamento desses desafios. 4 2 JUSTIFICATIVA O conceito de smart grid – ou redes elétricas inteligentes (REI) – traz uma mudança de paradigma para o setor de energia elétrica. As REIs objetivam otimizar produção, distribuição e consumo de energia, viabilizando a entrada de novos fornecedores e consumidores na rede, com melhorias significativas em monitoramento, gestão, automação e qualidade da energia ofertada, por meio de uma rede elétrica caracterizada pelo uso intensivo das tecnologias de informação e comunicação (TIC). Neste trabalho de pesquisa serão apresentados aspectos tecnológicos, econômicos, regulatórios e de financiamento envolvidos e serão identificados elementos que auxiliem na formação de uma política para adensamento produtivo e tecnológico por meio da implantação das REIs no país. 3 QUESTÕES A INVESTIGAR 3.1 Estudos Tecnológicos O cenário de evolução do setor elétrico, ao atingir o conceito de Smart Grid, traz benefícios para consumidores, concessionárias, demais agentes participantes do setor de energia elétrica e a sociedade em geral, mas também demanda importantes requisitos para sua implementação. Esses requisitos devem ser contemplados durante a evolução do cenário de médio em longo prazo para adoção dos conceitos de Smart Grid. Esse cenário é composto por inteligência na transmissão e em centros de controle, inteligência em subestações, inteligência na distribuição e nas instalações do consumidor final. O conceito de Smart Grid envolve múltiplas entidades com potencial troca de dados que pode alcançar grande volume de dados e tempos de resposta distintos. O desempenho deve ser escalável para permitir entrada de novas entidades. Dessa forma é necessário compreender os requisitos de comunicação entre entidades e delinear como seria possível tornar a arquitetura escalável. Um sistema complexo para o fornecimento de energia envolve múltiplos processos. No caso da Smart Grid, buscam-se elementos de tecnologia a proporcionar inteligência em várias fases do fornecimento de energia elétrica. A Figura1 apresenta uma visão abrangentede processos dispostos em uma camada física, composta por fases de transmissão, subestação, distribuição, consumidor, fontes alternativas etc. A camada física é composta pelas diversas tecnologias a permitir inteligência na 5 transmissão, distribuição ou consumo de energia elétrica. É composta por elementos tais como medidores eletrônicos, equipamentos de proteção e operação das redes de transmissão e distribuição, geração distribuída, sincrofasores e elementos de inteligência em subestações como IEDs (Intelligent Electronic Devices). Fig. 1: visão abrangente do cenário smart grid. Fonte: Página da Slide player, disponível em: <http://slideplayer.com.br/slide/1247583/3/images/58/Novo+Modelo+de+Rede+El%C3%A9t rica+Vis%C3%A3o+geral.jpg>, acesso em setembro, 2017. 3.2 Panorama Mundial Diversos projetos de redes inteligentes têm sido implementados fora do Brasil, principalmente na Europa e Estados Unidos onde a qualidade da energia é alta. Estes projetos têm objetivos diversificados como: restringir a demanda no horário de ponta, gerir a integração de fontes renováveis de energia distribuídas pela rede e oferecer outros serviços voltados para o cliente. No Brasil, o principal objetivo é aperfeiçoar a operação e manutenção das redes de distribuição, oferecendo melhor nível de qualidade do fornecimento de energia, bem como possibilitar a integração de fontes alternativas de energia e aplicação de tarifas horo-sazonais – diferenciadas de acordo com a hora do dia, período do ano ou demanda de consumo. 6 4 REVISÃO DE LITERATURA A implantação das REIs pode ser compreendida em três dimensões complementares e independentes. Na primeira, as intervenções são feitas com o objetivo de agregar inteligência ao sistema de fornecimento de energia elétrica – geração, transmissão e distribuição –, promovendo robustez, segurança e agilidade na rede. Em outra frente, busca-se extrair os benefícios da substituição dos medidores eletromecânicos por eletrônicos inteligentes, que passam a oferecer inúmeras funcionalidades, dependendo do tipo do medidor escolhido. Do ponto de vista dos consumidores, podem -se obter: informação sobre o consumo de energia por horário – tarifa branca;1 apresentação de dados do último período de faturamento (memória de massa); e indicativos da qualidade da energia ofertada pelas concessionárias, permitindo que a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) possa, por exemplo, reduzir o valor cobrado pela energia caso os indicadores fiquem fora do padrão de qualidade estabelecido. Já as concessionárias poderão realizar corte e religamento remotos, oferta pré-paga de energia (comunicação de dados uni ou bidirecional do medidor ao centro de medição) e obter uma redução de custos operacionais. Por fim, tem-se a dimensão do uso da inteligência nos centros consumidores, caracterizada por residências com eletrodomésticos inteligentes interconectados ao medidor, permitindo melhor gestão do consumo energético, comunicação bidirecional de energia, por meio da geração distribuída com fonte solar, eólica ou biomassa, e armazenamento de energia com o uso dos carros elétricos. 4.1 Panorama de implantação de redes inteligentes no Brasil A implantação das REIs no Brasil teria como principais motivadores, a busca das eficiências comercial e energética, o aumento da confiabilidade do sistema elétrico, a segurança operacional e sistêmica e sustentabilidade econômica e ambiental. A eficiência comercial e energética seria obtida por meio da redução de perdas técnicas e comerciais, melhoria na qualidade da energia ofertada ao consumidor e gestão do horário de consumo de energia pelo consumidor. A confiabilidade do sistema elétrico aumentaria com a interoperabilidade entre os diversos componentes da rede e as subestações, gestão de ativos e do planejamento da capacidade de geração, transmissão e distribuição de energia. A segurança operacional e sistêmica seria atingida por meio do controle de acesso dos usuários de rede, da redução de energia não distribuída e das perdas por fraudes, bem como viabilizaria a geração distribuída e a gestão para contingências e autor recomposição. Por fim, a sustentabilidade econômica e ambiental seria fruto da diversificação dos negócios e das 7 oportunidades para novos serviços de valor agregado ofertados pelas concessionárias, tais como a recente regulamentação do net metering8 e o uso de veículos elétricos e híbridos conectados às redes. 4.2 Medição Eletrônica Toda a medição envolvida, desde a geração até o consumidor final, faz parte dessa categoria. O controle de perdas, planejamento e operação da rede estão diretamente ligados a essa tecnologia. Ao se substituírem os medidores eletromecânicos por outros eletrônicos, uma grande massa de dados poderá ser alocada nos centros de controle das empresas, permitindo melhor planejamento e controle de toda a rede. Com esses medidores, vários serviços poderão ser ofertados ao consumidor, além de se mudar o conceito de utilização das cargas, que poderão ser controladas remotamente, tanto pelo usuário, quanto pela concessionária. O despacho de equipes deverá ser bastante reduzido, já que a suspensão e religação do fornecimento poderão ser feitas de forma remota pela concessionária, graças à comunicação bidirecional dos novos medidores. Além disso, uma falta será percebida pela concessionária quase que automaticamente, não havendo mais a necessidade de o consumidor avisar à empresa o fato. Com a introdução desse tipo de medidor, o consumidor terá mais condições de gerenciar seu uso de energia. 4.3 Comunicação Uma das funcionalidades mais importantes dos medidores inteligentes é a capacidade de se comunicar com outros equipamentos instalados na rede ou mesmo dentro das unidades consumidoras. Essa inovação será a responsável por uma relevante mudança na prestação de serviços de energia. Já existe uma gama de tecnologia disponível para propiciar essa comunicação. Entre elas o PLC, ZibBee, redes Mesh, Radiofrequência e redes celulares (GRPS). A escolha de uma delas dependerá de uma série de fatores, como topologia, preço, disponibilidade, alcance e viabilidade. Uma mesma concessionária deverá fazer uso de mais de uma tecnologia, já que existem áreas de concessão extensas e com grande variedade de terrenos e classes consumidoras. 4.4 Sensoriamento A instalação de sensores ao longo de todo o sistema de distribuição de energia elétrica é outro passo para que a rede se torne realmente inteligente. A auto recuperação, uma das 8 responsáveis pela diminuição de clientes atingidos por faltas de energia, é beneficiada com o sensoriamento da rede. Os sensores são responsáveis por enviar as informações para a central de controle da concessionária e prover dados para a tomada de decisão dos operadores da rede. A automatização será uma realidade e o religamento de áreas não afetadas poderá ser feito mais rapidamente, eliminando o desconforto dos usuários e aumentando a receita. 4.5 Computação O processamento dos dados recebidos por todos os equipamentos da rede irá aumentar substancialmente, por isso, torna-se necessário que os centros de controle das distribuidoras sejam capazes de transformá-los em informações úteis para os operadores. Muitos dados disponíveis podem tornar confusa a leitura e a decisão pode ser equivocada e piorar as condições da rede. Não há dúvida de que um filtro é necessário. 5 OBJETIVOS Têm-se como objetivos atingir algumas das principais funções requeridas em uma rede inteligente: • Auto recuperação: capacidade de automaticamente detectar, analisar,responder e restaurar falhas na rede; • Envolvimento dos consumidores: habilidade de incluir os equipamentos e comportamento dos consumidores nos processos de planeamento e operação da rede; • Tolerância a ataques externos: capacidade de mitigar e resistir a ataques físicos e cyber- ataques; • Qualidade de energia: prover energia com a qualidade exigida pela sociedade digital; • Acomodar uma grande variedade de fontes e necessidades: capacidade de integrar de forma transparente (plugand play), uma variedade de fontes de energia de várias dimensões e tecnologia; • Reduzir o impacto ambiental do sistema produtor de eletricidade, minimizando perdas e utilizando fontes de baixo impacte ambiental; • Resposta à necessidade mediante a atuação remota em dispositivos dos consumidores. 9 5.1 Para empresas de energia As empresas de energia se beneficiam do número de informações que se fazem disponíveis com o aumento do nível de automação da rede. Dessa forma, a empresa pode reagir melhor aos níveis de demanda, diminuir custos de infraestrutura e construção de novas usinas, melhor serviço e capacidade de utilizar os dados para planejamento estratégico da empresa. A topologia descentralizada das redes inteligentes permite que falhas n-1 sejam resolvidas sem a necessidade da utilização de transmissores adicionais, pois a demanda pode ser controlada no caso de falha. Como a demanda e oferta são dinâmicas nas redes inteligentes, os geradores podem ser projetados para suprir a média de demanda e, dessa forma, não trabalham abaixo de sua capacidade, o que reduz o desperdício de tecnologia e investimento. 5.2 Para os usuários Do ponto de vista do consumidor, o principal benefício é a diminuição do custo, ou uso mais eficiente da energia proporcionado pelo smart grid. Essa redução de gastos é devida a fatores como a possibilidade do acesso a dados da rede em tempo real e redução nos custos de distribuição de energia. Além do nível econômico, também existem benefícios do ponto de vista da confiabilidade e qualidade do serviço: como a rede se torna mais confiável, o usuário pode usufruir da distribuição de energia sem correr o risco de perder o serviço por sobrecarga da rede. 5.3 Para o meio ambiente Os fatores ambientais são percebidos à longo prazo. A troca de energia poluente, aumento da eficiência na distribuição e melhor uso da infraestrutura atual, alguns dos benefícios da Smart Grid, são causadores de benefícios apenas de longo prazo no meio ambiente. Ainda do ponto de vista das emissões de gases poluentes, que seriam substituídos por fontes alternativas de energia mais limpa, os benefícios se encontram na forma de emissões de poluentes que são evitadas, ou substituídas. E essas emissões evitadas normalmente não são quantificadas. O maior impedimento de quantificar os benefícios ambientais, é que eles não advêm de uma única organização ou empresa. 10 Tanto do ponto de vista do melhor aproveitamento da energia gerada, quanto da fonte utilizada para gerar tal energia, o smart grid contribui para uma rede elétrica com geração e distribuição mais limpa que uma rede convencional. 6 METODOLOGIA Para a execução deste trabalho foi realizado uma revisão de literatura em artigos, relatórios, dissertações e trabalhos em geral. Uma pesquisa geral foi abordada para um maior entendimento do assunto. 7 CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO Cronograma de execução divide-se em formulação ou formação do conceito smart grid, que se baseia em medições eletrônicas amostras retiradas, ao desenvolver da pesquisa, através de sensores. Com a introdução de sensores e controles automatizados, tornando a rede capaz de antecipar, detectar e resolver problemas no sistema. Assim, podem-se evitar ou apontar faltas de energia, problemas na qualidade do serviço e suas interrupções. Um dos principais objetivos é uma maior participação do usuário. Nas redes inteligentes, estarão incorporados os aparelhos domésticos e o comportamento do usuário na utilização deles. Isso permitirá um melhor controle por parte do usuário no seu consumo, reduzindo seus custos através de sinais tarifários emitidos pela concessionária. Não se trata apenas dos medidores instalados nas residências, indústrias e comércio. Toda a medição envolvida, desde a geração até o consumidor final, faz parte dessa categoria. O controle de perdas, planejamento e operação da rede estão diretamente ligados a essa tecnologia. Possibilitando ao usuário ou ao consumidor a capacidade de se comunicar com outros equipamentos instalados na rede ou mesmo dentro das unidades consumidoras. Essa inovação será a responsável por uma relevante mudança na prestação de serviços de energia. Com a parte introdutória explanada, há uma base de estudos sobre o cenário atual sobre a tecnologia existente, arquitetura, baseada na região do campo de estudo. O cenário de evolução do setor elétrico, ao atingir o conceito de Smart Grid, traz benefícios para consumidores, concessionárias, demais agentes participantes do setor de energia elétrica e a sociedade em geral, mas também demanda importantes requisitos para sua implementação. Esses requisitos devem ser contemplados durante a evolução do cenário de médio em longo prazo para adoção dos conceitos de Smart Grid. Esse cenário é composto por 11 inteligência na transmissão e em centros de controle, inteligência em subestações, inteligência na distribuição e nas instalações do consumidor final. Em resumo, envolve evolução em todas as fases no setor elétrico. Em particular, os cenários para a implantação de Smart Grid requerem uma dependência grande entre sistemas heterogêneos. 8 RECURSOS MATERIAIS E HUMANOS Recursos utilizados e providos de pesquisas já existentes em outros países com por exemplo Alemanha: Na Alemanha, em um projeto de cooperação com a Microsoft, a Yello Strom, um fornecedor de gás e energia elétrica com cerca de 1,4 milhões de consumidores, apresentou um programa para implantar medidores inteligentes em todo seu mercado no ano de 2008. A empresa RWE iniciou um projeto piloto com a implantação de medidores inteligentes para 100.000 unidades consumidoras residenciais, com o objetivo de 103 desenvolver um medidor com "padrão aberto", que pode funcionar com todos os programas comuns de faturamento e também integrar medidores de água e gás. A empresa EnBW anunciou um projeto piloto com 1.000 unidades consumidoras para testar medidores inteligentes e interfaces com os consumidores. O objetivo do projeto é instalar medidores externamente e disponibilizar um display com representações gráficas de consumo, incluindo a comparação com domicílios de referência. O sistema ainda pode ser ligado ao computador pessoal da residência, disponibilizando interfaces com mais informações e funcionalidades ao consumidor. Possibilitando a interação com o sistema ao todo com consumidor e a rede de distribuição. Resultados que refletem na região socioeconômico abordado em questão com resultados esperados pela a pesquisa, e uma maior eficiência energética na rede distribuidora de alimentação. Em geral essa infraestrutura de comunicação está organizada em três enlaces distintos: 1. Distribuidora – concentrador; 2. Concentrador – medidor; 3. Medidor – equipamentos domésticos; os concentradores de dados realizam a tarefa de reunir os dados dos consumidores para enviá-los à concessionária e também são o canal para informações ou ordens da concessionária para o consumidor. O Centro de Medição, localizado na distribuidora de energia, é o responsável pela solicitação de leitura das informações de medição; pelo envio de comandosde interrupção e restabelecimento do fornecimento de energia (corte e religa) e pela análise das informações de leitura. O principal componente do Centro de Medição é o Sistema de Gerenciamento da Medição. 12 Os medidores eletrônicos agregam novas funções além da medição de energia ativa convencional, que associado a uma infraestrutura de telecomunicações adequada oferece possibilidades de modernização na relação entre a empresa que fornece a energia (distribuidora) e aquele que a recebe (consumidor). O medidor eletrônico é o elemento chave nesse novo contexto. Através dele, sempre em associação com a infraestrutura de comunicação adequada, será possível: • Suspender e restabelecer remotamente o fornecimento de energia; • Obter informações relativas à qualidade do fornecimento de energia; • Auxiliar o consumidor a estabelecer e alcançar metas de consumo; • Reduzir o tempo de reparos em casos de mau funcionamento ou de sinistros que levem à interrupção do fornecimento; • Permitir esquemas tarifários com múltiplos postos; • Permitir ao consumidor atuar como produtor de energia. Sistemas de Gerenciamento da Medição Um dos grandes desafios impostos pelas redes elétricas inteligentes é a necessidade de lidar com uma grande quantidade de dados medidos e transformá-los em informações úteis tanto à distribuidora quanto ao consumidor. Para atender a essa necessidade, os fabricantes em geral oferecem softwares para gerenciamento dos dados medidos conhecidos como Gerenciadores de Dados da Medição (MDM – Metering Data Management). O MDM é o responsável pelo tratamento de todas as informações oriundas dos sistemas (físicos) de medição. Além disso, para simplificar a aplicação da arquitetura de Redes Elétricas Inteligentes, o MDM permite também o relacionamento com outros sistemas da distribuidora, tais como: Sistema de Gerenciamento da Distribuição (DMS – Distribution Management System), Sistema de informações Georreferenciadas – GIS (Georeference Information System), Sistema de Gestão de Faltas de Energia (OMS – Outage Management System), etc. Algumas funcionalidades que esse sistema deve possuir são destacadas a seguir: • Armazenamento dos dados de medição; • Mapeamento de ativos e do estado dos equipamentos monitorados; • Escalabilidade; • Integração com sistemas legados; • Monitoração de processos; • Capacidade de previsão de falhas em equipamentos (transformadores, medidores, interfaces de comunicação, etc); • Capacidade para processar, analisar e padronizar as informações recebidas; 13 • Parametrização de sistemas e equipamentos de medição. 9 REFERÊNCIAS RIVERA, Ricardo; ESPOSITO, Alexandre Siciliano. Redes elétricas inteligentes (smart grid): oportunidade para adensamento produtivo e tecnológico local; Ministério de Minas e Energia, Relatório Smart Grid; Página da EletroPaulo, Disponível em: <http://www.smartgridaeseletropaulo.com.br/Paginas/EntendaOqueESmartGrid.aspx>, Acesso em Setembro, 2017. Página da EletroPaulo, Disponível em: < https://www.gta.ufrj.br/grad/13_1/smartgrid/beneficios.html >, Acesso em Setembro, 2017. 1 INTRODUÇÃO 2 JUSTIFICATIVA 3 QUESTÕES A INVESTIGAR 3.1 Estudos Tecnológicos 3.2 Panorama Mundial 4 REVISÃO DE LITERATURA 4.1 Panorama de implantação de redes inteligentes no Brasil 4.2 Medição Eletrônica 4.3 Comunicação 4.4 Sensoriamento 5 OBJETIVOS 5.1 Para empresas de energia 5.2 Para os usuários 5.3 Para o meio ambiente 6 METODOLOGIA 7 CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO 8 RECURSOS MATERIAIS E HUMANOS 9 REFERÊNCIAS
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