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Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio

http://www.fee.unicamp.br/dse/antenor 9-1

9. 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 [1]

, ambientais [2]

, econômicos [3]

, políticos,

legislativos [4]

, etc.

Sendo uma tecnologia da atualidade, 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 desenvolvimento [5]

, de empresas [6,7,8]

e governamentais [9]

que se dedicam ao tema.

8.1 Uma perspectiva histórica 10

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 9.1 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 horo sazonal, implantada no

Brasil somente na década de1980 – Portaria Nº 33 do DNAEE, de 11 de fevereiro de 1988).



Figura 9.1 Sistema elétrico convencional. Figura obtida em

[11]

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.

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.

Transmissão

Geração

Distribuição

Indústria

Comércio

Residências



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 [12]

“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, supercapacitores, 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 9.2. 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 9.3 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 [13]

. 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.



Figura 9.2 Instalação residencial como uma microrrede.

Figura obtida em: http://visually.visually.netdna-cdn.com/Microgrid_4e40d45e77b9a.jpg

Figura 9.3 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://visually.visually.netdna-cdn.com/Microgrid_4e40d45e77b9a.jpg

http://www.sissolarventures.com/Microgrids.php

http://sissolarventures.com/images/microgrid_Concept_Sandia_National_Lab.gif



Há enfoques ligeiramente distintos a depender da região do mundo em que se desenvolvem as

tecnologias das redes inteligentes.[10]

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 [14]

. 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 [15]

.

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: [16,17]

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 autocorreção.

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.



Figura 9.4 Visão geral conceitual de uma smart grid. Figura obtida em

[18].

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” [7]

.

8.2.3 Cidades modelo [19]

Há vários lugares onde as Smart Grids estão em testes: Manhein, na Alemanha,[20]

Pullman,

no estado de Washington (EUA), [21]

Amsterdan, na Holanda, [22]

Boulder, Colorado (EUA), [23]

Paredes, em Portugal,[24]

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.

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 [14]

.

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 deve 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.



LC

CL RL

L1R2

S4

S3S1

S2

L1

C0

L2

CDC

IDC

VG

iG iL

iF

PIDC-+ + -+ CIinv

-+

iC0KD

PWMV*DC

v1pcc x

Ge1

vpcc

x

iGVDC

VDC

S1

S2

S3

S4

Load

vpcc

+

Figura 9.5 Inversor monofásico com ação multifuncional e possível estratégia de controle.25

Operação THD Ig THD Vpcc

Inversor desligado (Fig. 9.6) 88 % 5.1 %

Operação como Filtro Ativo (Fig. 9.7) 4.8 % 2.4 %

Operação como Filtro Ativo + injeção de potência (Fig. 9.8) 3.8 % 2.1 %

Operação como Filtro Ativo + injeção de potência – sem

carga local (Fig. 9.9)

1.5 % 1.8 %

Fig. 9.6 Tensão e corrente na rede (PCC) e no inversor. Inversor desligado e carga não-linear.



Fig. 9.7 Tensão e corrente na rede (PCC) e no inversor. Carga não linear alimentada e inversor

operando como filtro ativo.

.

Fig. 9.8 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. 9.9 Tensão e corrente na rede (PCC) e no inversor. Inversor operando como filtro ativo e

injetando potência ativa na rede, sem carga local.



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 (Inter-Control Center

Communications) em subestações e centros de controle, o que permite um grau de inteligência

avançado na automação destes sistemas, Figura 9.10 [26]

.

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.

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) [27]

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 9.10 Esquema baseado na Norma IEC 61850.

[http://www.sisconet.com/iec61850_products.htm]

a) 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 as camadas do sistema.

Diversos agentes (técnico-financeiros) deverão estar envolvidos com tal sistema, conforme diagrama

conceitual da Figura 9.11.

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 [28]

.

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 [29]

. 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.

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.

http://www.sisconet.com/iec61850_products.htm



Figura 9.11 Modelo Conceitual de uma Smart Grid.

http://smartgrid.ieee.org/ieee-smart-grid/smart-grid-conceptual-model

b) 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. [30]

.

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 distantes, 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.

http://smartgrid.ieee.org/ieee-smart-grid/smart-grid-conceptual-model



Dentre os muitos tipos de medidores inteligentes de mercado (Figura 9.12) 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 9.12 Alguns tipos de Medidores Inteligentes. [Texas Instruments]

c) Sistema de comunicação

Para o desenvolvimento da camada de comunicação há discussões para definir qual ou quais

protocolos de comunicação utilizar 31

, 32

. 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 33

. Cada network ou rede corresponde a um trecho pelo qual

as informações devem passar. A Figura 9.13 ilustra a camada HAN.

Figura 9.13 Ilustração de uma Home Area Network. [Texas Instruments]

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 34

.

d) 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 35

36

.

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:

Informar o usuário o consumo de energia e custo, o histórico de consumo, tarifação e

avisos de sobrecarga.

Gerenciar e regular de modo autônomo a operação dos recursos energéticos distribuídos

de acordo com demanda, tarifa, energia armazenada, meio ambiente, etc.

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 9.14).

Figura 9.14 Ilustração do Sistema de Gerenciamento de Energia da Hitachi Social Innovation.

a) 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 37

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 9.15

mostra uma “Casa Inteligente”, na qual os aparelhos eletrônicos fazem parte da WoT.



Figura 9.15 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

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