Estudo de volumetria de dados de medição para arquitetura de redes Smart Grid

Por: Lucas Moreira de Souza - Luciano Figueiredo Marinelli - Rafael Mendes Pimentel - Rodrigo Tenório Lopes de Souza

Resumo

Este trabalho visa compartilhas informações de volumetria que são necessárias para iniciar o estudo e planejamento  de uma rede Smart Grid, Embora exista outros fatores para a tomada de decisão do investimento, a volumetria é um  importante dado que depende da expertise das distribuidoras e fabricantes de equipamentos de medição, que embora  sejam públicos, são poucos difundidos e/ou conhecidos.  

Foi passado os dados principais que precisam ser monitorados e transmitidos e criado valores de referência para  facilitar o planejamento de futuros projetos, além de uma equacionada das tecnologias de comunicação e medição  mais utilizadas no setor elétrico brasileiro.  

PALAVRAS-CHAVE: Smart Grid, volumetria , dados de medição, redes de comunicação, telemedição.

1.0 – Introdução

Pesquisas no mundo inteiro reforçam que um dos pilares do combate as perdas de energia (PT e PNT), inadimplência  e ineficiência operacional no setor elétrico é a tecnologia e inovação (Souza, 2018). Um dos carros chefes neste quesito, que tem obtido grande sucesso e investimentos cada vez mais altos no mundo e possivelmente no Brasil, é a rede ou sistema Smart Grid. Empresas como a LIGHT, ENEL, CPFL, EDP e CEMIG já investem na tecnologia para  automação de suas redes, mas principalmente na redução das perdas comerciais com a gestão inteligente do  consumo. (Revista Exame, 2013)  

Embora haja um número crescente de investimentos em pilotos pelas distribuidores, publicações e congressos, um dos grandes desafios das empresas brasileiras que implementam a tecnologia Smart Grid é a falta de dados históricos e  expertise que permitem orçar e escolher a tecnologia mais aderente a sua realidade, seus desafios e expectativa de  futuro.  

Este trabalho pretende elucidar um dos maiores desafios dos projetos Smart Grid que é a quantificação das  características de transmissão e volumetria de dados de medição, para o desenho da topologia de rede que sustentam  um projeto de Smart Grid, com base em um estudo de caso. Serão descritas a volumetria por segmentação de medição  em Alta Tensão, Média Tensão, Mercado Livre e Varejo (Baixa Tensão), considerado tecnologia de ponta em  monitoramento e operações comerciais.  

Devido ao conhecimento em telemedição já amplamente difundido no setor elétrico brasileiro, pretende-se facilitar e  discriminar a compreensão dos impactos, detalhando em volume de bits o modelo de transmissão de Memória de  Massa via coleta dos leituristas e eventos pela telemedição. Estas informações permitirão que empresas do setor  elétrico e telecomunicações, criem arcabouços para futuros projetos de redes inteligentes. O escopo deste trabalho  restringe-se, a informações já conhecidas na área de medição com fabricantes de medidor e telecomunicações, sem  dados estratégicos, que garantam a segurança da informação. 

Embora não exista um único modelo, para se projetar um sistema de comunicação de redes inteligentes, um dos principais fatores a ser levado em conta é o dimensionamento estratégicos de equipamentos, de modo que o desempenho da rede de comunicação seja eficaz e seguro. A identificação da infraestrutura adequada para coleta e transmissão de dados dos medidores existentes, deve atender as seguintes variáveis: densidade de rede de comunicação (baseada na volumetria), posicionamento geográfico dos pontos de transmissão, número de repetição ou saltos (qualidade e risco de perda de pacote de dados) e tempo resposta, pois estas variáveis são determinísticas para definição do orçamento e qual tecnologia deva ser empregada.

2.0 – Comunicação e redes

A telemedição é a forma como se comunica virtualmente os medidores ou opera os equipamentos da Rede de Distribuição com as concessionárias. A tecnologia da telemedição ou da medição por telemetria, refere-se a comunicação sem fio, utilizando um sistema de rádio frequência, linha telefônica, micro ondas, espectros magnéticas e rádio fusão (sinais de TV), satélites ou a rede de operadoras (GSM ou GPRS), No setor elétrico brasileiro, seja no grupo B, no grupo A ou ACL mercado Livre, este tipo de tecnologia utilizada para ações comerciais ou monitoramento de combate às Perdas já é utilizada pelas Distribuidoras.

A comunicação dos medidores com a rede de telemetria pode ser feita através de modens de comunicação interligados à porta óptica, saída serial ou até mesmo com a tecnologia já embarcada no próprio equipamento (novas tecnologias).

2.1 – Tipos de rede

Este presente estudo avaliará a volumetria a ser utilizada nas redes de Comunicação WAN e MAN. As tecnologias  de redes comumente utilizadas na WAN e MAN são as tecnologias GSM, GPRS, RF e PLC.  

Para as redes de transmissão de dados a classificação são denominadas pelo alcance e utilização geográfica, desta  forma são definidos os equipamentos, topografia e os protocolos a serem utilizados, ou seja, determinará o  investimento mais adequados conforme mostrado na tabela 1. 

Tabela 1 – Denominação das Redes pela dimensão e localização do processador  

Fonte: adaptada de Tanenbaum, 1997.

Entretanto este modelo de referência que foi apresentado em 1997, pode ser atualizado pela tabela 2.

Tabela 2 – Classificação das Redes de Transmissão de dados

Fonte: Adaptação da IBM.

2.1.1 – Rede GSM

 A rede GSM (Groupe Special Mobile, Global System for Mobile Communications) ou Sistema Global para  Comunicações Móveis, mais conhecido como rede 2G, é a tecnologia mais popular para telefones móveis do mundo.  O sinal e os canais de voz são digitais, o que considera a rede GSM como segunda geração e a estrutura oferece as  mesmas funções básicas dos demais sistemas associadas à mobilidade roaming e hadover, conforme a figura 1.  (ALVES, 2017) 

Figura 1 – Rede GSM  

Fonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialtelemed/default.asp Acessado em 26/04/2019.

2.1.2 – Rede GPRS

O GPRS (Serviço de Rádio de Pacote Geral), apresenta uma característica da elevação das taxas de transferência  de dados da rede GSM, permitindo assim o trafego de dados através de comutação de pacotes. Dessa formar, o  sistema GPRS oferece uma taxa de transferência consideravelmente maior que as tecnologias anteriores. As  transferências através do GPRS podem ultrapassar os 170 kbit/s, porém na prática chega em torno de 40 kbit/s. As  tecnologias que utilizam a comutação por circuitos, que é um modo onde uma conexão é estabelecida do ponto de  origem da transferência dos dados ao destino, onde os recursos da rede estão dedicados exclusivamente para  duração total da chamada, já no GPRS, o serviço sempre está ativo, os recursos são atribuídos, somente a um  usuário quando necessário enviar ou receber dados, o que torna o custo mais baixo.  

Principais Vantagens são a ampla cobertura, rapidez em que se conecta, alta velocidade na transmissão dos dados,  utilização de protocolos X.25 e IP amplamente divulgados, várias operadoras de telefonia (múltiplos fornecedores) e  custos adequados, pois a tarifação é calculada com base na quantidade de dados transmitidos.(ALVES, 2017) 

2.1.3 – Rede RF Rádio Frequência 

É a comunicação que transmite dados pelos espectros eletromagnéticos que utiliza as faixas de frequência das ondas  de rádio, a faixa de transmissão encontra-se entre 3 kHz a 300 GHz e que embora possa ter um condutor mecânico,  este estudo baseia-se na rede mais comum sem fio.  

2.1.4 – Rede PLC  

A tecnologia PLC (Power Line Comunication) é uma das redes mais utilizadas no mundo, a comunicação é feita  através da própria rede elétrica. Está consistida em transmitir dados e voz em banda larga. O princípio do  funcionamento é transmitir dados pelos condutores através das ondas magnéticas da frequência na faixa de 1 a 30  MHz, enquanto na rede elétrica do Brasil utiliza-se a faixa de 60 Hz, esta utilização do mesmo condutor em frequências distintas torna os sistemas independentes, ou seja, além de não causarem interferência entre si, a  transmissão de dados não é interrompida com a falta de energia.  

Embora tenha muitas vantagens técnicas como suportar altas taxas de transmissão (pode atingir 200Mbit/s) e até  mesmo financeira pela rede já existir no local e ter muita capilaridade, a desvantagem são os ruídos que a rede pode sofrer pelo uso de outras tecnologia ou carga do cliente e pelo alto custo dos equipamentos de transmissão.  

2.2 – Transmissão de dados

2.2.1 – Medidor Eletrônico Inteligente  

Nos dias atuais, o medidor de consumo mesmo do grupo B, passou de um simples marcador de consumo para uma  poderosa ferramenta de combate às perdas de energia, e nestes novos medidores, a exemplo do que ocorria no  grupo A, fornece dados de medição, alarmes e comportamento de carga que possibilitam um monitoramento capaz  de identificar de defeitos, fraudes ou comportamentos de consumo incompatíveis com horários ou atividades.  

Entretanto, toda essa informação precisa ser, de alguma maneira transportada com segurança (livre de  manipulações) e rapidez para serem processadas em tempo hábil, para as concessionárias sinalizarem qualquer  indicio de irregularidade.  

Tendo em vista um cenário, onde o furto de energia vem se especializando tecnologicamente os novos medidores,  mesmo da baixa tensão, vem evoluindo na mesma proporção e uma das eventos, página fiscal e memória de massa  deixaram de ser exclusividade de um nicho tornando-se essencial ao novo parque. Sendo assim, iremos focar neste  capitulo nos dados de medidores que possuem memória de massa, sendo eles disponíveis para clientes do tipo Livre,  Média Tensão ou Baixa tensão. Esses medidores, possuem como norma regulamentar a ABNT NBR 14519, que  dispõe a respeito das especificações físicas e construtivas do medidor, e a ABNT NBR 14522, que dispõe a respeito  do intercâmbio de informações para sistemas de medição de energia elétrica. Sobre esta última que nos basearemos,  tendo em vista que nosso interesse se encontra no tamanho digital das informações necessárias aos ensejos da  concessionária. (MELLO & REIS, 2014)  

Tabela 3 – Comandos padronizados

Fonte: ABNT NBR- 14522, 2008.

Os arquivos são formados por um sistema binário e são criados podendo ser divididos em arquivo público e arquivo  fk7, ambos são extensão de arquivos que possuem dados de leitura do medidor, sendo estas segregadas da seguinte  maneira:  

a. Verificação: Trata-se de um formato de leitura que irá compreender dados de memória de massa  consistido entre a última reposição de demanda até a data de solicitação desta leitura, respeitando o  último intervalo integralizado. 

Figura 2: Arquivo de Leitura de verificação

b. Verificação resumida: Trata-se de um formato de leitura igual à verificação, com o diferencial de ser  resumido apenas, ou seja, não apresenta memória de massa, somente registradores e demais  informações, dentro do mesmo período informado acima.  

c. Recuperação: Trata-se de um formato de leitura que irá compreender dados de memória de massa  consistidos entre as duas últimas reposições de demanda no medidor. 

Figura 3: Arquivo de Recuperação  

d. Recuperação resumida: Trata-se de um formato de leitura igual à recuperação, com o diferencial de ser  resumido apenas, ou seja, não apresenta memória de massa, somente registradores e demais  informações, dentro do mesmo período informado acima. 

2.2.2 – Sistema de Medição Centralizada – SMC  

O Sistema de Medição Centralizada, é um modelo de conjunto de medição para baixa tensão, onde os medidores  são protegidos dentro de uma caixa com sensores de abertura de porta denominada CS ou Concentrador Secundário.  Esta tecnologia permite ler, cortar, religar os medidores além de monitora-los. Tanto estes medidores quanto estas  CS possuem alarmes de parâmetros, sensores, presença de tensão na carga, estado do contactor que podem indicar  irregularidades.  

Esta tecnologia homologada em 2008 tem como objetivo principal proteger a medição das agressões e tentativas de  furtos, por isso são instalados no alto do poste da rede, para dificultar o acesso às medições.  

A comunicação desta tecnologia ocorre através de varreduras sistemáticas onde são coletadas os dados de leitura  e sensores e alarmes, este processo também chamado de polling. Ao finalizar a varredura os dados são agrupados  em arquivos protegidos por protocolos de cada fabricante que utiliza o sistema binário e hexadecimal, posteriormente  são validados pelo Concentrador Primário e enviados para as empresas distribuidoras.  

É importante ressaltar que cada Concentrador primário pode contem em média 300 Concentradores Secundários e  que por sua vez possuem até 12 medidores, ou seja, 3.600 leituras por varredura. 

2.2.3 – Sistema de Medição Individual  

Nesta tecnologia os medidores eletronicos possuem funcionalidades de monitoramento e alarmes, embora não sejam  tão robustos quando os medidores indiretos com memória de massa. Esta tecnologia diferentemente da medição  centralizada, os medidores ficam dentro de prédios ou nas próprias caixas de proteção nos limites das propriedades.  

Esta tecnologia pode ter em seu sistema a funcionalidade de corte e religar assim como a medição centralizada,  além de enviar dados de leitura para faturamento. Também como no SMC os arquivos obedecem protocolos de seus  fabricantes.  

2.4 – Rede Smart Grid

Diante dos desafios contemporâneos em aumentar a eficiência operacional, reduzir os custos e reduzir as perdas  torna-se cada vez mais necessário o investimento em tecnologia. Estes investimentos além de trazer o retorno às  distribuidoras precisam fornecer um aumento de confiabilidade no sistema elétrico de distribuição e sub transmissão,  além de integrar as novas fontes de geração (PCH, Geração distribuída) atender as demandas de qualidade dos  consumidores.  

Neste contexto o mundo inteiro vem investindo em rede inteligentes ou Smart Grid que são redes capaz de monitorar  e gerenciar o transporte de eletricidade a partir de todas as fontes de geração encontrando uma variedade de  demandas e usuários. Também podem restabelecer e auto reconfigurar em caso de falta de energia ou sobrecargas.  (SOUZA & JUNIOR, 2011)  

Figura 4: Rede Smart Grid

Fonte: IN2 ( https://in2.com.br/smart-grid-ou-redes-inteligentes/ ).

Na decisão da implementação de um sistema de Smart Grid, as distribuidoras devem avaliar o impacto da tecnologia  em seus processos e tecnologia, bem como o investimento em novos equipamentos de HARDWARE e  SOFTWARES.  

Entretanto um fator que deve ser determinístico para a escolha da tecnologia é conhecer as principais volumetrias  de dados de medição utilizados no setor elétrico brasileiro, pois o empacotamento e transmissão dos dados pelas  redes WAN e MAN precisam atender as necessidades das distribuidoras e de seus clientes, evitando o monopólio  de fabricantes e mantendo os sistemas com interoperabilidade entre diversas tecnologias e fabricantes. 

Tabela 4 – Volumetria básica de uma rede de medição

(*) referência CP com 300 CS e 1 varredura diária. Fonte: Autores.

3.0 – Conclusão

Com base nas demonstrações do presente estudo podemos verificar a volumetria dos dados de medição das  principais tecnologias de medição utilizadas no setor elétrico brasileiro. A partir dos valores apresentados deve-se  avaliar a periodicidade que se espera receber as informações e o tipo de informação. Estes valores ajudarão a  decidir pelo tipo de tecnologia da rede WAN e MAN, pois cada uma das redes possui uma performance pelos dados  trafegados e esta expertise é pouco conhecida pelos fornecedores da rede.  

Para projetar uma rede que permita a comunicação eficiente, requer conhecer a real demanda aos dados que serão  transferidos e a respectiva frequência. Para que assim o design da rede possa ser feito dentro da conformidade  desejada levando-se em conta as condições topológicas e densidade de clientes na instalação e a quantidade e  localização dos endpoints.  

Este estudo visou contribuir com futuros projetos de Smart Grid, uma vez que apresentou mesmo que de forma mais  simplificada dados das redes mais utilizados e o volume dos principais dados de medição, isso possibilitará que  empresas multipliquem os valores de referencia para obterem não somente o volume da rede, mas dos dados que  deverão armazenados e processados, evitando assim perdas de pacotes dos dados trafegados e sobrecarga na  infra estrutura de processamento e banco de dados.  

Desta maneira, podemos concluir que, tendo em vista um recurso finito existente na capacidade de transmissão de  pacotes de dados, faz-se necessário todo um estudo prévio de volumetria, bem como a definição de um percentual de  expansão, para que assim, tenhamos uma rede dimensionada a atender o cenário de comunicação atual existente,  mantendo a segurança na integridade dos pacotes de dados e suporte ainda uma expansão de clientes existentes. 

4.0 – Referências bibliográficas

(1) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT – NBR 14519 e 14522  

(2) ALVES, Jéssica Martins da Cruz, Telemedição: As Telecomunicações Impulsionando a Energia – Blog  TELECO, 2017 (http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialtelemed/default.asp)  

(3) MELLO, Fernando Barmbilla; REIS, Silvio da Costa – MEDIDOR DE ENERGIA – Trabalho conclusão de  curso – PUC –Paraná da Mello; 2014  

(4) REVISTA EXAME 2013 – https://exame.abril.com.br/revista-exame/o-brasil-na-onda-das-smart-grids/)  

(5) SOUZA, Gustavo Batista de Catsro; JUNIOR, Getúlio Antero de Deus – TECNOLOGIAS DE  COMUNICAÇÃO E APLICAÇÕES EM SMARTGRID – Escola de Engenharia Elétrica e de Computação,  Universidade Federal de Goiás 2011 

5.0 – Dados biográficos

Rodrigo Tenório Lopes de Souza (*), nascido em 09/06/1978, Rio de Janeiro/RJ. Graduado em Administração de  Empresas pela UNISUAM (2009), MBA em Gestão da Qualidade pela UFF – Universidade Federal Fluminense  (2011), Mestre em Sistema de Gestão pela UFF –Universidade Federal Fluminense (2018), Graduação em  engenharia elétrica (Incompleta), Formação Técnica em Eletrotécnica e Automação. Possuí 20 anos de experiência  no setor de energia atuando tanto na área técnica quanto executiva. Trabalhou em Distribuidoras de Gás e  eletricidade CEG- Tecder (Naturgy), CERJ – AMPLA (ENEL Rio), e atualmente na LIGHT como gestor da área de  Controle da Medição e Smart Grid. Publicações para o SENDI 2012 e 2018, revista o setor elétrico, palestrante  WAF2016 e FIRJAN 2017  

Rafael Mendes Pimentel, nascido em Rio de Janeiro – RJ, em 29/08/1989, Formado em Eng. Elétrica em 2017 pela  Universidade Augusto Motta – UNISUAM. Formação Técnica em Eletrotécnica. Atua na área de Recuperação de  Energia na distribuidora Light SESA a 8 anos. Publicação “Método Simplificado de Detecção de Fraudes por  Magnetismo” durante o SENDI 2018.  

Luciano Figueiredo Marinelli, nascido em São Gonçalo – RJ, em 18/01/1974. Formado em eng. de Produção em 2012  pela Universidade Salgado de Oliveira – UNIVERSO. Formação Técnica em Eletrotécnica. Atua na área de  recuperação de energia há 17 anos, sendo 2 na distribuidora de energia CERJ (Enel) e 15 na distribuidora de energia  Light. Tem publicações no SENDI 2018 “Método Simplificado de detecção de fraudes por magnetismo” e no SENDI  2008 “Rastreabilidade de Medidores em Poder do Executante”.  

Lucas Moreira de Souza, nascido em Rio de Janeiro – RJ, em 26/04/1990, Formado em Eng. Elétrica em 2018 pela  Universidade Augusto Motta – UNISUAM. Formação Técnica em Eletrotécnica. Atua na área de Recuperação de  Energia na distribuidora Light SESA a 8 anos. Publicação ” Desenvolvimento de sistema que opere diversas  tecnologias e de interoperabilidade para telemedição BT” durante o SENDI 2012.  

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