Prof. Roberto Alexandre Dias, Dr.

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Gestão de Energia Elétrica Pelo Lado da Demanda Empregando Arquitetura Orientada a Serviços sobre Tecnologias GPRS e PLC

� RAD, ROBERTO ALEXANDRE DIAS

ITMM, IGOR THIAGO MARQUES

MENDONÇA

� LFT, Luiz Fernando Teixeira

RS, Reginaldo Steinbach

� Instituto Federal de Santa Catarina � W2B Comunicações LTDA

� Brasil

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RESUMO

No presente artigo é apresentado o desenvolvimento de um sistema de gerenciamento pelo

lado da demanda da distribuição de energia elétrica. O sistema consiste em um módulo de

aquisição de dados microcontrolado com suporte a pilha TCP/IP que adquire os dados

relativos aos níveis de tensão, corrente e consumo de energia ativa e reativa de uma unidade

final de consumo e transmite estes dados para um centro de operações remoto, através da

Internet. Através de uma interface Web é possível gerar relatórios da qualidade e consumo da

energia, alertas e gráficos. Neste sistema, emprega-se a Arquitetura Orientada a Serviços, pelo

uso de Serviços Web, com transmissão de dados através da rede GPRS de uma operadora de

comunicação celular, bem como a transmissão de dados pela própria rede elétrica da

concessionária, através da tecnologia PLC (Power Line Communications).

PALAVRAS CHAVE

Gestão pelo lado da demanda; GPRS, PLC, Serviços Web.

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I. Introdução

A monitoração e gerenciamento remotos de dispositivos em uma concessionária de

distribuição de energia elétrica implicam, muitas vezes, na necessidade de monitoração

contínua, ou até mesmo em tempo real de grandezas físicas, como níveis de tensão e corrente

elétrica, energia ativa e reativa consumida, disponibilidade efetiva dos sistemas, entre outros

parâmetros. Tais sistemas demandam também ações de desligamento e religamento de

circuitos, o que exige requisitos estritos de segurança da informação. Os dispositivos

gerenciáveis também devem ter capacidade de emitir automaticamente alarmes em caso de

falhas ou condições de operação críticas.

Desta forma, foi desenvolvido um sistema de monitoração da qualidade de energia fornecida

por alimentadores de rede secundária de distribuição de energia elétrica e um sistema de

medição de consumo final de energia elétrica, numa colaboração entre o Núcleo de

Engenharia de Redes e Sistemas Distribuídos do Instituto Federal de Santa Catarina

(NERsD/IF-SC), a empresa W2B Comunicações LTDA e a Centrais Elétricas de Santa

Catarina (CELESC).

A adoção de uma abordagem de gerenciamento remoto do sistema de distribuição de energia

elétrica permite entre outras coisas a automatização dos procedimentos de medição com a

integração dos dados correspondentes aos sistemas gerenciais da empresa, bem como o

aumento da segurança em caso de desastres.

Numa sociedade cada vez mais conectada, a onipresença da Internet como meio de

comunicação exige que o gerenciamento destes dispositivos migre de soluções legadas e

proprietárias para padrões abertos e interoperáveis. Neste projeto, foi incorporado ao estudo,

o emprego da tecnologia de Serviços Web (SW), do inglês Web Services (WS) (W3C, 2008).

Pode-se definir Serviço Web como qualquer peça de software que utiliza interfaces Web

padrão para se comunicar com outro software contendo interfaces de serviço web. Esta

tecnologia proporciona um ambiente de desenvolvimento compatível com a Arquitetura

Orientada a Serviços (AOS) (JAMMES, 2005), do inglês Service Oriented Architecture

(SOA), permitindo a integração das aplicações nas várias camadas de serviço, disponíveis em

uma corporação, de forma autônoma e interoperável.

O uso de SW é uma alternativa nova e promissora na área industrial para se garantir a

independência de plataformas e a possível disponibilidade, em tempo real da informação

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colhida no nível operacional para os diversos níveis gerenciais, tomadores de decisão da

empresa.

Foram priorizadas soluções que possam ser integradas em sistemas computacionais de baixo

custo, com adoção de plataformas de desenvolvimento e protocolos abertos e interoperáveis,

favorecendo a viabilidade econômica e escalabilidade da proposta. Apesar do foco no setor

de distribuição de energia elétrica, a proposta será bastante genérica a fim de que possa ser

empregada em outras áreas, como: automação industrial e residencial, outros setores das

indústrias de serviços (setor de gás, água e vapor).

II. Arquitetura Orientada a Serviços

Conforme PAPAZOGLOU, “a Arquitetura Orientada a Serviços é uma caracterização de

sistemas distribuídos, em que as funcionalidades do sistema são expostas via descrição de

uma interface, permitindo a publicação, localização e a invocação por meio de um formato

padronizado” (PAPAZOGLOU, 2003). Neste sentido, tem por maior objetivo a capacidade de

conectar uma ampla variedade de sistemas sem uso de programas proprietários, a fim de

alcançar a interoperabilidade verdadeiramente aberta. AOS por si só é somente um

conceito. Imaginam-se dois programas que foram escritos em diferentes linguagens de

programação e em sistemas operacionais diferentes. Os Serviços Web, que é uma

implementação apoiada nos conceitos de AOS, tornaram possíveis a criação de ligações

operacionais entre programas distintos usando uma linguagem comum, conhecida como

Extensible Markup Language (XML).

Os SW são serviços disponíveis através da Internet, usando um sistema padrão XML para

troca de mensagens, independente do tipo de sistema operacional ou linguagem de

programação (CERAMI, 2002). Proposto inicialmente pela Microsoft, adotado e

regulamentado pela The World Wide Web Consortium (W3C), os SW fornecem padrões

abertos a comunicação entre aplicações de diferentes plataformas. É possível encontrar

várias definições para Serviços Web, mas todas elas terão os seguintes itens em comum: (i)

troca de mensagens: eles disponibilizam suas funções através de um protocolo padrão da

internet, como o HTTP ou o SMTP e na maioria dos casos é usado o Simple Object Access

Protocol (SOAP) sobre eles; (ii) auto-descrição: os Serviços Web fornecem uma descrição

completa dos seus serviços e como os usuários poderão criar aplicações para interagir com

eles através da Web Services Description Language (WSDL) e (iii) a auto-descoberta onde

os SW são registrados para que os potenciais usuários possam achá-los. Este serviço de

registro é chamado de Universal Discovery Description and Integration (UDDI).

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III. Tecnologia General Packet Radio Service (GPRS)

A tecnologia GPRS é um serviço para o envio e recepção de dados, utilizado para a

prestação do serviço de Internet através das redes de comunicação celular GSM. O

transporte de dados neste serviço é feito através da modalidade de comutação de pacotes

(SVERZUT, 2005). Esta modalidade permite que se estabeleça uma conexão somente

quando há informações sendo trafegada pela rede, não monopolizando o canal de

comunicação. Desta forma, o serviço GPRS oferece, além de outros benefícios, uma taxa

de transmissão que na prática pode chegar até 40 kbit/s e uma tarifação baseada no volume

da informação trafegada.

O uso desta tecnologia no cenário deste projeto possibilita maior flexibilidade para conexão

do sistema à Internet, podendo alocar o produto final em qualquer região onde não é

possível ter acesso a outros meios de conexão com a rede. Outra vantagem é que o sistema

pode estar sempre conectado, sem a necessidade de um canal exclusivo de comunicação.

Entretanto, a velocidade de transmissão de dados via Internet por GPRS pode ser

considerado uma desvantagem em certas aplicações, porém neste projeto a velocidade não

é um ponto crítico, já que o volume de informações é pequeno.

IV. Sistema de Comunicação PLC

Para transmissão de dados pela rede elétrica foi adotada a tecnologia Power Line

Communictions (PLC). Como a taxa de bits requerida para a aplicação é baixa, foi adotada

uma solução de modem PLC de banda estreita (BE). Após uma pesquisa de soluções no

mercado foi empregado o modem PLC BE fabricado pela empresa israelense Yitran modelo

Yitran IT800D, que se constitui numa solução do tipo SoC (System on a Chip), incorporando

interface física PHY e protocolos de camada de enlace como CSMA/CA no próprio chip. Sua

Capacidade de transmissão de até 7.5 Kbps, adotando uma modulação proprietária de alto

desempenho (Modulação DCSK da Yitran). O modem adotado suporta 4 modos de

modulação, configuráveis por software:

• Modulação padrão (Standard Mode - SM): com taxa de bits de até 7.5 kbps.

• Modulação robusta (Robust Mode - RM): com taxa de bits de até 5.5 kbps.

• Modulação extremamente robusta (Extremely Robust Mode - ERM): com taxa de bits

de até 1,75 Kbps.

• Modulação com controle automático (Automatic Control Mode - AC): de acordo com

a qualidade da rede elétrica, seleciona automaticamente um dos três modos acima.

A figura 1 mostra a arquitetura do sistema de comunicação PLC empregado.

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Figura 1. Arquitetura do Sistema de Comunicação PLC empregado.

Nesta arquitetura, o chip IT800D é responsável pelo processamento digital do sinal. Para o

protótipo foi empregado Yitran IT800D Starter Kit, conforme figura 2.

A interface de conversão analógica para digital e filtros digitais (Analog Front End) e o

acoplador de linha de alimentação já estão incorporados na fonte de alimentação fornecida

pela a Yitran. O subsistema de aplicação foi constituído por um módulo microcontrolado

fabricado pela empresa barsileira MicroTarget, baseado microcontrolador de 8 bits eZ80

Acclaim, dispondo de pilha completa de TCP/IP, duas interfaces seriais no padrão RS 232

ou 485 e uma interface ethernet.

Figura 2. Yitran IT800D Starter Kit

IV. Definição do Problema

Com este trabalho foi apresentada uma abordagem híbrida, com transmissão de dados

através de tecnologias GPRS e PLC, para gestão pelo lado da demanda do consumo final

de energia elétrica, empregando protocolos padronizados e arquiteturas abertas. O sistema

desenvolvido deve permitir a leitura da energia ativa e reativa consumida, além do

monitoramento da qualidade de energia, de acordo com a resolução 505 da ANEEL. Os

dados da telemetria devem ser concentrados em um cento de operações. Estes dados

devem ser coletados na unidade de consumo final e transmitidos para o centro de

operações de acordo com a norma NBR 14522 que especifica o protocolo de comunicações

entre medidores eletrônicos de energia e sistemas registradores de dados.

Como objetivos específicos o trabalho se propôs a:

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• Desenvolvimento de um protótipo de interface de comunicação PLC de

banda estreita para ser conectado aos medidores de energia a serem

gerenciados;

• Desenvolvimento de um protocolo de comunicações para transmitir os

dados de consumo final (potencia ativa, reativa, tensão e corrente) baseado

na norma ABNT 14522;

• Desenvolvimento de um protótipo de gateway de comunicações entre a

rede PLC e uma rede WAN (usando tecnologia GPRS, Ethernet ou WiFi));

• Desenvolvimento de um protótipo de ferramenta de gerenciamento das

medições via Web, empregando tecnologia de Web Services.

V. Solução Proposta

Para resolver o problema apresentado na seção anterior, foi empregado o modelo

apresentado na figura 3.

Figura 3. Modelo de Gestão Pelo Lado da Demanda da Energia Elétrica.

De acordo com a figura 3, o sistema proposto é composto dos seguintes elementos:

1. Medidor eletrônico de energia: para medição de consumo de energia ativa,

consumo de reativa, fator de potência, tensão e corrente RMS instantâneos. Os

dados de demanda são transmitidos para um modem PLC através e uma

interface de comunicação no padrão RS 232, seguindo a norma brasileira de

transmissão de dados entre medidores eletrônicos de energia e registradores de

dados a NBR 14522.

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2. Módulo de desligamento e religamento remoto do fornecimento de energia para o

consumidor final. Este componente permite o desligamento remoto do consumo

final em caso de pedido do consumidor ou em caso de inadimplência.

3. Barramento de comunicação PLC: onde o meio físico é composto da própria rede

elétrica da concessionária, livre de cobrança de tarifas de transmissão de dados.

O sistema emprega um modem PLC de banda estreita, utilizando técnicas de

modulação com alta imunidade a ruídos. O volume de dados e a metodologia de

aquisição de dados permite utilizar modens com taxas de transmissão entre 1,25

kbps e 7.5 Kpbs. As mensagens do protocolo NBR 14522 são encapsulados nos

protocolos de camada de enlace do modem PLC selecionado.

4. Gateway de comunicação GPRS: os dados de demanda dos medidores são

transmitidos pela rede PLC até o secundário do transformado que alimenta um

conjunto de consumidores. Ligado ao secundário do transformador está

conectado um modem PLC com três interfaces cada uma delas conectadas a as

três fases do transformador. Os dados transmitidos pelos medidores são

armazenados em um buffer de armazenamento temporário e retransmitidos para

um servidor de Web Services remoto, instalado na Intranet da concessionária

através da interface GPRS do gateway.

5. Web Service: na intranet da concessionária é instalado um Web Service

responsável em armazenar os dados em um banco de dados e disponibilizar o

acesso aos dados a aplicações de gerenciamento da concessionária.

6. Servidor de aplicações contendo uma aplicação de gerenciamento: na intranet da

concessionária são executadas aplicações de gerenciamento de GLD que

consomem os dados disponibilizados pelo Web Service. Aplicações legadas da

concessionária podem consumir dados do Web Service através de metodos

específicos.

7. Banco de dados corporativo responsável em armazenar os dados de demanda

coletados.

8. Estações de trabalho de gerenciamento do sistema na intranet da empresa para

gerenciamento do sistema.

9. Aplicações de acesso às informações de consumo e qualidade da energia pelos

clientes através de apliações Web e WAP.

V.1 Ferramenta de Monitoração

A fim de validar o modelo de infra-estrutura de comunicações para gerenciamento

de energia elétrica pelo lado da demanda foi desenvolvidao uma ferramenta Web

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simples que permite o monitoramento dos dados de demanda transmitidos pelo

medidor de energia protótipo em tempo real.

A interface do sistema principal, vista na figura 4a, é composta de um frame

contento uma lista de janelas representando os medidores de energia monitorados e

um segundo frame contendo relatório dos últimos 20 alarmes de monitoramento da

qualidade de energia, de acordo com a resolução 505 da ANEEL, que define os

limiares de níveis de tensão fornecidos pela concessionária. Além disso, a

ferramenta permite a visualização de gráficos de linha da tensão e corrente RMS

fornecidas; histogramas de consumo de energia ativa e reativa, como mostrado na

figura 4b.

(a) (b)

Figura 4. Sistema Web de monitoração

V.2 Avaliação do Sistema de Comunicações PLC

Para verificar a conformidade do sistema de coumicação PLC empregado, foi elaborado um

ambiente de testes simulado nos laboratórios do Instituto de Eletrônica de Potência da

Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). O cenário de testes teve as seguintes

características:

• Geração de ruído com sinal de até 50a harmônica;

• Analise de desempenho da rede através da medição de vazão (taxa de bits) e atraso

fim-a-fim de transmissão, medida em segundos;

• Foram adotadas cinco configurações diferentes de sinal de ruído com distorção

harmônica (THD) variando de 0,1% até 5,4%;

• Simulação de diferentes lances de cabo, variando de 50 a 200 metros;

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• Avaliação dos três modos de modulação suportados pelo modem PLC: standart

mode (SM), robust mode (RM) e extreme robust mode (ERM).

Em todos os cenários de testes empreendidos O modem PLC se comportou

adequadamente para o tipo de aplicação proposta. A vazão para um pacote de dados de

300 bytes é maior que 1800 bits/s para o pior caso: modulação extremamente robusta, com

pior qualidade da rede elétrica (TEK5) e com maior lance de cabo (200 metros). A vazão

requerida pela aplicação é inferior a 200 bits/s. A maior distância entre o medidor residencial

e o transformador é de 175 metros de acordo com a Divisão de Operação de Distribuição

da CELESC. Mesmo com modulação padrão (mais simples), que proporciona maior vazão,

atraso de transmissão médio é o mesmo da modulação robusta, o que indica que a mesma

poderia ser empregada sem aumento significativo da perda de pacotes. O modem pode ser

empregado para outras aplicações mais robustas de telecomando, onde as mensagens

podem ser maiores.

A figura 5 mostra os gráficos de desempenho do modem PLC para o pior caso, adotando modulação robusta.

Figura 5. Analise de desempenho da rede PLC.

A figura 6 mostra a forma de onda da tensão da rede de alimentação simulada empregada

no teste, com THD > 5,4 % (TEK5).

Figura 6. Forma de onda da rede simulada com THD > 5,4%.

Vazão da rede PLC - Lance de 200 m - Modulação Robusta

2100,0

2150,0

2200,0

2250,0

2300,0

2350,0

2400,0

0 100 200 300 400 500 600

Tamanho dos pacotes em bytes

Va

zão

em

bit

s/s TEK1

TEK2

TEK3

TEK4

TEK5

Atraso de transmissão - Lance de 200 m - Modulação Robusta

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 100 200 300 400 500 600

Tamanho dos pacotes em bytes

Atr

aso

em

us

TEK1

TEK2

TEK3

TEK4

TEK5

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VI. Conclusões

O emprego da tecnologia de Web Servces favorece a integração dos dados de demanda de

energia com sistemas legados da concessionária. A medição de consumo final em tempo

real permite a adequada gestão pelo lado da demanda. Além disso, os custos de

transmissão GPRS estão caindo significativamente favorecendo a adoção da solução.

O uso de um modem PLC de banda estreita para redução de custos demonstrou ótimo

desempenho mesmo em lances grandes de cabo sobre interferência de ruídos superiores

aos encontrados na rede elétrica brasileira.

A integração do sistema de comunicação, empregando tecnologias híbridas, PLC, ethernet,

WiFi e GPRS, proporciona uma boa interoperabilidade, facilitando a adoção de soluções de

múltiplos fabricantes. Finalmente a adoção da norma NBR 14522, como protocolo de

comunicação, facilita a integração com medidores de energia homologados pela

concessionária;

VII. BIBLIOGRAFIA

CERAMI, E. Web Services Essential. Distribuited Applications with XML-RPC, SOAP,

UDDI & WSDL. [S.l.: s.n.]. Sebastopol: O’REILLY, 2002.

JAMMES, Françóis. SMIT, Harm. Service-Oriented Architectures for Devices - The

SIRENA View. Industrial Informatics, 2005. INDIN ’05. 2005 3rd IEEE International

Conference on, Vol.pp. 140-147.

SVERZUT, José Umberto. Redes GSM, GPRS, EDGE e UMTS: Evolução a caminho da

terceira geração (3G). 1º Ed. São Paulo: Erica, 2005.

STEVENS, W. R. UNIX Network Programming. New Jersey: Prentice Hall, 1998.

PAPAZOGLOU, M. P. (2003). Service-oriented computing: Concepts, characteristics and

directions. In Fourth International Conference on Web Information systems Engineering

(WISE’03).

W3C (2008). Web services activity. Disponível em: < http://www.w3.org/2002/ws/> Acesso

em Março de 2008.