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Introdução Estado atual Estado futuro Benefícios Barreiras Soluções
PEA5918 – Redes Elétricas Inteligentes eMicrorredes (Smart Grids e Microgrids)
Sensoreamento e Medição
Giovanni Manassero Junior
Depto. de Engenharia de Energia e Automação ElétricasEscola Politécnica da USP
Agosto/2011
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Introdução Estado atual Estado futuro Benefícios Barreiras Soluções
TecnologiasViabilização das características
As tecnologias chave, capazes de implementar as característicasbásicas das redes elétricas inteligentes estão ilustradas a seguir.
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Introdução Estado atual Estado futuro Benefícios Barreiras Soluções
Sensoreamento e mediçãoSistemas e equipamentos de sensoreamento e medição
Tecnologias avançadas de sensoreamento e medição devem sercapazes de registrar os dados de interesse, transformando-os eminformações;
Como resultado, essas informações podem ser utilizadas de modo amelhorar seu desempenho global. Os sistemas que podem utilizaressas informações são:
Operação: conhecimento adequado sobre o estado operativo dasredes elétricas pode auxiliar na tomada de decisões;
Tarifação: melhorias nos sistemas de tarifação implicam aredução nos custos com leituristas e a consequente redução noserros de leitura;
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Sensoreamento e mediçãoSistemas e equipamentos de sensoreamento e medição
Como resultado, essas informações podem ser utilizadas de modo amelhorar seu desempenho global. Os sistemas que podem utilizaressas informações são:
Engenharia: informações acerca das condições operativas dossistemas podem ser úteis nos projetos de ampliação das redeselétricas; e
Manutenção: o conhecimento sobre o estado dos ativos em“tempo real” pode auxiliar nas tarefas de manutenção.
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Sensoreamento e mediçãoEstado atual
O aumento da aplicação da tecnologia digital nos diversos setoresprodutivos da sociedade resultou na redução dos custos dosdispositivos baseados nessa tecnologia;
Essa é uma das razões pela qual a indústria de energia elétrica vemmodernizado seus dispositivos há algum tempo;
Pode-se dizer que a digitalização da distribuição está mais atrasadaque digitalização da transmissão e geração;
Sistemas de proteção, monitoramento, automação e controle baseadosem IED’s, PMU’s e sensores são utilizados com sucesso nos sistemasde geração e transmissão;
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Sensoreamento e mediçãoEstado atual
A utilização de medidores digitais nos consumidores comerciais eindustriais é prática comum, atualmente;
Porém, a utilização de medidores digitais nos consumidoresresidenciais ainda é bastante modesta (algumas implantações empequena escala de AMR e AMI).
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Sensoreamento e mediçãoEstado atual
Atualmente existem iniciativas de medição e sensoreamento tanto parao lado da demanda quanto para o lado da oferta de energia elétrica;
Essas iniciativas fazem parte de projetos piloto ou já foram implantadasem pequena escala;
Do ponto de vista do lado da demanda (consumidores residenciais,comerciais e industriais) há iniciativas quanto à medição digital deenergia elétrica;
Do ponto de vista do lado da oferta (geração, transmissão edistribuição de energia elétrica) há uma ampla gama de sensores queestão sendo utilizados e/ou desenvolvidos.
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Sensoreamento e mediçãoAlternativas para o lado da demanda
Atualmente a infraestrutura para medição digital é composta por trêselementos: o gateway do consumidor, a rede local do consumidor, e omedidor avançado;
Essa estrutura está ilustrada a seguir.
Figure 2: Example of a residential consumer network. Home gateway reads the meter, is tied to various end-use devices, and
Meter
Home
Gateway
Appliances
HVAC
Security Monitors
Local Home Network
Service Provider (Utility
or other)
Monitor
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Sensoreamento e mediçãoAlternativas para o lado da demanda
De um modo geral, o gateway do consumidor permite:
Comunicação bidirecional entre o cliente e a concessionária;
AMR – Advanced meter reading;
Precificação dinâmica (TOU, CPP ou RTP);
Controle das cargas;
Identificação e notificação de interrupções no fornecimento deenergia elétrica;
Integração de DER;
Monitoramento de eventos de qualidade de energia elétrica;
Funções adicionais (p. ex. sistemas de gerenciamento de energiapara edificações).
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Sensoreamento e mediçãoAlternativas para o lado da demanda
A rede local do consumidor permite:
Efetuar a leitura do consumo no medidor e se comunicar com aconcessionária de energia elétrica;
O monitoramento de outros recursos, como por exemplo oconsumo de água e gás;
Que os consumidores efetuem a configuração do controle dascargas locais, pelo medidor eletrônico inteligente, a partir da redelocal.
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Sensoreamento e mediçãoAlternativas para o lado da demanda
O medidor eletrônico inteligente:
Utiliza tecnologia digital para efetuar o registro dos sinaisnecessários para a tarifação;
Possui portas de comunicação para troca de informações com ocentro de operação e com as cargas do consumidor;
Fornece dados sobre o consumo ao consumidor, além defornecer à concessionária;
Pode atuar sobre cargas específicas, comandando suaenergização ou desligamento a partir de informações fornecidaspelo consumidor ou pela concessionária.
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Sensoreamento e mediçãoAlternativas para o lado da oferta
Atualmente algumas das alternativas de sensoreamento para o lado daoferta, que estão sendo desenvolvidas ou estão em fase de testes, são:
WAMPAC’s;
Capacidade de transmissão dinâmica;
Sensor para estimação de correntes de fuga em isoladores;
Tecnologia de rádio por retroespalhamento (backscatter radiotechnology );
Transformadores de instrumentação eletrônicos;
Outros sistemas de monitoramento.
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Alternativas para o lado da ofertaWAMPAC’s
Essa alternativa é baseada no uso de unidades de medição fasorial,sincronizadas por GPS (PMU’s);
Fornece um panorama dinâmico do estado das redes elétricas,alertando quando limites de tensão e corrente são ultrapassados epodem colocar em risco a integridade do sistema;
Fornece uma visão global das ocorrências nas redes elétricas, bemcomo seus impactos no restante do sistema;
A combinação dos dados fornecidos por esse sistema, com os dadoscoletados pelo SCADA podem fornecer subsídios para estimações deestado.
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Alternativas para o lado da ofertaCapacidade de transmissão dinâmica
Os métodos de estimação dinâmica da capacidade de transmissãofornecem subsídios para a determinação da corrente que pode circularpelas linhas de transmissão;
Existem diversos métodos propostos na literatura e alguns deles foramimplantados em caráter experimental.
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Alternativas para o lado da ofertaSensor para estimação de correntes de fuga em isoladores
São sensores desenvolvidos com o objetivo de efetuar omonitoramento do estado das cadeias de isoladores, para minimizar aocorrência de flashovers;
Esses sensores são posicionados sobre os isoladores e medem acorrente de fuga decorrente da contaminação desses isoladores;
Normalmente não utilizam baterias e a comunicação é efetuada viaredes wireless.
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Alternativas para o lado da ofertaBackscatter radio technology
É uma tecnologia utilizada para eliminar a necessidade de unidades dearmazenamento de energia em sensores, com o objetivo de reduzir seucusto e as despesas de manutenção;
De um modo bastante simplificado, o equipamento que faz a leitura dosdados dos sensores irradia ondas de rádio e essas ondas sãocaptadas pelo sensor;
Parte da energia das ondas é empregada para manter o sensorfuncionando e parte é empregada na transmissão dos dados do sensorpara o equipamento de leitura.
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Alternativas para o lado da ofertaTransformadores de instrumentação ópticos
A utilização de TP’s e TC’s ópticos ao invés dos TP’s e TC’seletromecânicos pode reduzir os erros de medição decorrentes da nãolinearidade dos núcleos ferromagnéticos;
Atualmente, existem algumas empresas que fabricam esse tipo deequipamento e esse número tende a aumentar;
O emprego da norma IEC 61850 na automação de subestações e oconsequente uso do barramento de processo pode viabilizar aproliferação dessa tecnologia.
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Alternativas para o lado da ofertaOutros sistemas de monitoramento
Atualmente existem outros sistemas de monitoramento sendoempregados comercialmente ou experimentalmente. Alguns exemplossão apresentados a seguir:
Monitoramento de temperatura em transformadores;
Monitoramento da vida útil dos disjuntores (número de operaçõese intensidade de corrente nessas operações, nível do elementoisolante, estado do mecanismo de abertura, etc.);
Avaliação do estado de cabos subterrâneos, com omonitoramento da sua isolação (a injeção de impulsos no cabopara verificação da atenuação do sinal refletido pode dar indíciosda capacitância do cabo).
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Estado futuroIntrodução
O desenvolvimento das tecnologias atuais e o desenvolvimento denovas tecnologias devem resultar em benefícios para o lado dademanda e da oferta;
Demanda: medidores eletromecânicos devem ser substituídospor medidores digitais;
Oferta: desenvolvimento de ferramentas para monitoramento doestado da rede e dos equipamentos que a compõem (fator depotência, qualidade de energia, perfis de tensão, consumo deenergia, carregamento, vida útil, temperatura, etc.) e ferramentaspara identificação e solução de interrupções (corte seletivo decargas, localização de falta, etc.).
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Estado futuroSoluções para o lado da demanda
As alternativas para o lado da demanda devem se concentrar nodesenvolvimento dos medidores digitais e das soluções para a redelocal e o gateway do consumidor;
Tanto a rede local quanto a arquitetura do gateway devem ser similaresàs arquiteturas atualmente empregadas em sistemas computacionais;
Os medidores digitais devem efetuar a medição de diversas grandezasanalógicas ao longo do tempo, para que seja possível implantar aprecificação dinâmica;
Além disso, esses medidores devem ser configuráveis pelo consumidorde modo a responderem às sinalizações de preço, reduzindoautomaticamente o consumo de energia elétrica.
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Estado futuroSoluções para o lado da oferta
As soluções para o lado da oferta devem ser baseadas em ferramentasavançadas de sensoreamento e medição, que fornecem dados para ossistemas de operação, manutenção, engenharia e tarifação;
Novas ferramentas de software devem coletar, armazenar, processar eanalisar essa quantidade de dados, de forma a auxiliar na tomada dedecisões;
É de se esperar que o custo da implantação dessas tecnologias sejainferior aos benefícios decorrentes do seu uso (benefícios sociais e desegurança).
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BenefíciosMedição digital
Para o lado da demanda, os benefícios resultantes da substituição dosmedidores convencionais pelos medidores digitais são:
Monitoramento real do consumo de energia elétrica;
Capacidade de redução no custo de energia elétrica;
Participação informada em programas de eficiência energética.
Para o lado da oferta, são:
Melhor controle sobre as cargas do sistema;
Redução nos custos operacionais;
Redução no congestionamento das linhas de transmissão;
Redução das perdas não técnicas.
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BenefíciosColeta de dados
Os benefícios decorrentes da utilização de novos dispositivos paramedição e sensoreamento são:
Gestão otimizada dos ativos;
Percepção apurada sobre o estado dos ativos em operação e suacapacidade de geração e/ou transporte de energia elétrica;
Detecção antecipada de potenciais falhas nos ativos emoperação, e tomada de decisões para minimização dessas falhas.
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Introdução Estado atual Estado futuro Benefícios Barreiras Soluções
BarreirasSensoreamento e medição
A principal barreira para a implantação de soluções de sensoreamentoe medição é o desenvolvimento dessas soluções;
Apesar dos programas de P&D existentes, há pouco interesse dasconcessionárias em investir no desenvolvimento de tecnologias deponta, devido ao seu alto custo e retorno questionável.
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Introdução Estado atual Estado futuro Benefícios Barreiras Soluções
SoluçõesMedição e sensoreamento
Tecnologias de medição e sensoreamento avançadas, que poderiamter um grande impacto na modernização das redes elétricas, estãodisponíveis atualmente. No entanto, a produção em larga escala, ainstalação e os custos de manutenção, têm dificultado sua adoção;
Nesse contexto, o papel das agências reguladoras é fundamental paraviabilizar a recuperação do investimento nessas tecnologias e garantiro desenvolvimento de novas alternativas;
Além disso, a viabilização dos sistemas de medição digital depende daregulamentação dos modelos de precificação dinâmica.