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Introdução Estado atual Estado futuro Benefícios Barreiras Soluções PEA5918 – Redes Elétricas Inteligentes e Microrredes (Smart Grids e Microgrids) Sensoreamento e Medição Giovanni Manassero Junior Depto. de Engenharia de Energia e Automação Elétricas Escola Politécnica da USP Agosto/2011

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Page 1: PEA5918 Redes Elétricas Inteligentes e Microrredes (Smart ... · Alternativas para o lado da demanda Atualmente a infraestrutura para medição digital é composta por três elementos:

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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TecnologiasViabilização das características

As tecnologias chave, capazes de implementar as característicasbásicas das redes elétricas inteligentes estão ilustradas a seguir.

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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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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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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.