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SISTEMA DE MONITORAMENTO (PMS) DE ENERGIA ELETRICA BASEADO NO PADRÃO
IEEE1451
JEANDRO C. DIAS, JOÃO C. SIQUEIRA, EDSON A. BATISTA
Laboratório de Sistemas Embarcados, Pós-graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de
Mato Grosso do Sul
Caixa Postal 549, 79070-900, Campo Grande, MS, Brasil
E-mails: [email protected] , [email protected],
ALEXSANDRO M. CARNEIRO
Engenharia de Computação, Universidade Católica Dom Bosco
Caixa Postal 100,79117-900, Campo Grande, MS, Brasil
E-mails: [email protected]
AbstractThis paper describes the development of a web PMS system for monitoring of a measurement of electricity, based on the IEEE 1451 standard developed in Java EE platform. This system is able to communicate with the device via the
TCP/IP communication, obtaining information consumption, power factor, harmonic compensation, and to evaluate the possible
energy production. As defined in the IEEE 1451.0 standard, this device has a set of specifications that make up the TEDS and TIM is an embedded processing with FPGA hardware module. The PMS implements the IEEE 1451.1 committee this system
performs the functions of the NCAP and embedded with the functionality of the TIM module. Thus, this paper implements the
IEEE 1451 standard concepts applied to Smart Grid, aiming to provide a system and plug and play interoperability for this sector.
KeywordsIEEE 1451, FPGA, Smart Grid, PMS, Java EE.
ResumoNeste trabalho descreve-se o desenvolvimento de um sistema web PMS para monitoramento de um equipamento
de medição de energia elétrica, baseado no padrão IEEE 1451 desenvolvido em plataforma Java EE. Este sistema é capaz de se comunicar com o equipamento através do protocolo de comunicação TCP/IP, obtendo informação de consumo, fator de potência,
compensação de harmônica, além de avaliar a possível produção de energia. Conforme definido no padrão IEEE 1451.0, este
equipamento possui um conjunto de especificações que compõem a TEDS e o TIM é um módulo embarcado com processamento em hardware FPGA. O PMS implementa o comitê IEEE 1451.1, este sistema realiza as funções do NCAP e o módulo embarcado
com a funcionalidade do TIM. Desta forma, este trabalho implementa conceitos do padrão IEEE 1451 aplicado a Rede Elétrica
Inteligente (Smart Grid), com intuito de fornecer um sistema de plug and play e interoperabilidade para este setor.
Palavras-chaveIEEE 1451, FPGA, Medidor Inteligente, Smart Grid, PMS, Java EE.
1. Introdução
Com o aumento da demanda energia elétrica
crescendo no Brasil a cada dia, grandes mudanças
estão acontecendo no sistema de geração, distribui-
ção, transmissão e tarifação de energia elétrica. Con-
tudo para um maior controle da energia produzida e
da energia consumida, muitos estudos estão sendo
realizados a fim de melhorar a qualidade da energia
(Leite, 2013).
Com a evolução tecnológica, muitos equipamen-
tos estão sendo desenvolvidos com o intuito de au-
tomatizar sistemas elétricos, garantindo precisão,
controle e segurança. Nesta evolução surgem a mi-
crogeração e a minigeração de energia elétrica, fa-
zendo com que o sistema elétrico tenha que se ade-
quar a um novo cenário de distribuição e transmissão
de energia. Este novo modelo é conhecido com Re-
des Elétricas Inteligentes (Smart Grid).
Existem enumeras áreas de pesquisa dentro das
redes inteligentes, dentre elas, a medição inteligente
ou “Smart Meter” pode ser considerada de grande
relevância, pois, devem exercer funções como comu-
nicação bidirecional (consumo/produção), identifica-
ção remota de clientes e se possível atuar positiva-
mente para qualidade de energia através da identifi-
cação e medição de tensão e corrente da rede elétrica
(Cho, Yamazaki, & Hahn, 2009).
A proposta de desenvolver a Rede Elétrica Inte-
ligente possui uma interligação de uma rede de
transdutores inteligentes em ambientes industriais, o
padrão IEEE 1451, busca metodologias para reduzir
a heterogeneidade em diversas situações, fazendo
com que todo o sistema se comunique em um mesmo
“protocolo". O padrão IEEE 1451 foi desenvolvido
pelo NIST (National Institute of Standartand Tecno-
logy) e pelo IEEE (Instituteof Electricaland Eletro-
nics Engineers) com intuito de desenvolver um con-
junto de especificações que viabilizasse a construção
de interfaces para rede de transdutores. Cada interfa-
ce detêm os seguintes comitês: IEEE 1451.0, IEEE
1451.1, IEEE 1451.2, IEEE 1451.3, IEEE 1451.4,
IEEE 1451.5, IEEE 1451.6 e IEEE 1451.7 (Batista,
2009) (Lee & Song, 2003).
O padrão IEEE 1451 define os módulos como
orientados a objeto, que incluem blocos de transduto-
res, blocos de função e blocos de rede, este é o de-
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
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senvolvimento de métodos de conexão padronizados
entre transdutores inteligentes e redes de controle
como descreve (Rossi, 2005). Para isso tecnologias
como a linguagem Java se tornam interessante para
se desenvolver aplicações com base nesta padroniza-
ção.
Este projeto tem como proposta um módulo
NCAP (Network Capable Application Processor)
desenvolvido na plataforma web (Java EE) com as
características de um sistema SCADA (Supervisory
Control and Data Acquisition) para o monitoramento
de medidores de energia elétrica em conformidade
com o padrão IEEE 1451. Este software deve permi-
tir o acesso das informações que compõem a TEDS
(Transducer Electronic Data Sheet) e dos dados de
medição através da comunicação TCP/IP em plata-
forma web e mobile. O bloco da TEDS foi inserido
juntamente com o bloco de medição de energia no
TIM (Transducer Interface Module).
O TIM é um hardware dotado com um processa-
dor sintetizado em FPGA (Field-Programmable Gate
Array) o qual permite a integração com diversos
tipos de transdutores, com o objetivo de gerenciar as
suas atividades e transmissão de suas informações
por meio do protocolo de comunicação TCP/IP para
o NCAP.
2. Padrão IEEE 1451
O padrão IEEE 1451 surgiu por volta de 1997
para suprir as necessidades na construção de redes de
transdutores inteligentes, vendo esta dificuldade do
mercado os órgãos NIST e o IEEE, formaram o refe-
rido com o intuito de padronizar a criação de uma
rede de transdutores inteligentes, criando comitês que
definem os quesitos que uma interface padronizada
deve possuir na construção desta rede, possuindo
comitês que as validam e estabelecem normas
(NIST), estes comitês são:
IEEE 1451.0: o qual define normas para
transdutores, onde ele tenha um TEDS, in-
formações sobre o modulo de transdutor em
uma interface gráfica;
IEEE 1451.1: define normas para a criação
de uma interface do NCAP. E através destas
normas, os quesitos para o desenvolvimento
do software da plataforma IEEE 1451 web,
este é o módulo implementado neste traba-
lho;
IEEE 1451.2: define normas para a utiliza-
ção do protocolo de comunicação RS232;
IEEE 1451.3: define normas para uma co-
nexão dos módulos de transdutores em bar-
ramento a uma interface, TBIM (Transducer
Bus Interface Module);
IEEE 1451.4: define normas para o projeto
de uma interface de modo mista MMI (Mi-
xed Mode Interface);
IEEE 1451.5 - define normas para conectar
o NCAP à rede de transdutores através da
comunicação sem fio, WTIM (Wireless
Transducer Interface Module);
IEEE 1451.6: propõe CanOPENCiA (Con-
trol in Automation) DS404 para implemen-
tar uma rede de sensores e alta velocidade.
IEEE 1451.7: propõe RFID (Radio Fre-
quency Identification) para comunicação e
formatação de dados, o qual ainda está em
fase de homologação;
Propõe-se neste trabalho a exploração de uma in-
terface que será definida como IEEE P1451.8: a
comunicação Ethernet para comunicação e for-
matação de dado da TEDS, modelo proposto
neste trabalho;
Na Figura 1 mostra-se o diagrama do padrão
IEEE 1451.
Figura 1. Diagrama do padrão IEEE 1451. Fonte: (Batista, 2009)
3. Medidor Implementado no TIM
O medidor inteligente desenvolvido neste proje-
to é um equipamento capaz de realizar medições de
potência em quatro quadrantes e compensação de
harmônicos de corrente em sistemas elétrico trifási-
cos.
A medição de potência nos quatro quadrantes
fornece os seguintes dados: fluxo bidirecional, o tipo
de carga predominante sendo indutiva ou capacitiva e
também o fator de potência se está atrasado ou adian-
tado a corrente em relação à tensão. Alguns medido-
res inteligentes já estão disponibilizando esses tipos
de informações através de display LCD ou software
supervisório (Engineering, 2008).
O equipamento possui a capacidade de realizar
leituras de corrente e tensão envolvendo conceitos de
sistemas embarcados, eletrônica de potência, instru-
mentação, qualidade de energia e sistema de comuni-
cação que podem ser identificados através das se-
guintes funções:
Realiza leitura de tensão e corrente do
sistema trifásico e fornecer dados como
potência ativa e reativa instantânea e média,
utilizando a teoria da Potência Instantânea;
Proporcionar consumo bidirecional de
energia elétrica com base nas potências
instantâneas do sistema;
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Calcular o fator de potência, tensão e
corrente rms;
Possibilita a comunicação entre
concessionária e o consumidor. O sistema
de comunicação proposto é baseado no
protocolo TCP/IP que permiti o
monitoramento em tempo real do sistema
PMS (Power Manager System);
Atua no sistema através do sistema PMS.
O desenvolvimento do hardware deste medidor
foi divido em três partes: circuitos de sensores, cir-
cuito de condicionamento e circuito digital.
Circuito de Sensores: Neste circuito são inseridos
três seis sensores de efeito Hall, três para tensão (LV
20-P) e três para corrente (HAS 50-S). Estes são
responsáveis pela transformação dos sinais de tensão
(10 – 500 V) e corrente (0 – 50 A) em referenciais de
tensão com valores reduzidos, ajustáveis de acordo
com o resistor utilizado na saída dos sensores;
Circuito de Condicionamento: Como os sinais de
saída dos sensores de efeito Hall são alternados,
devido aos próprios sinais de entrada, estes possuem
valores negativos e positivos, portanto, é necessário
ajustá-los para um referencial acima de 0 V e abaixo
de 5 V, devido a limitação da entrada do conversor
A/D. Este ajuste é proporcionado através de dois
amplificadores operacionais encapsulados em um
único circuito integrado, o LM 358, configurado
como somador, offset e buffer para cada sinal. A
conversão analógico-digital é realizada logo em
seguida com dois conversores A/D de 12 bits
(MCP3204), que possuem 4 canais, 100 ksps e co-
municação SPI, sendo que um realiza a conversão
das tensões e o outro das correntes.
Circuito Digital: Este circuito foi desenvolvido em
linguagem de descrição de hardware e embarcado em
FPGA com o auxílio do Kit de desenvolvimento da
Altera DE2-115, que contém um chip de FPGA
Cyclone IV. Para comunicação do hardware com um
sistema PMS foi sintetizado e embarcado um proces-
sador Nios II e um módulo externo de conversão
serial RS-232 para Ethernet TCP/IP, utilizado para
envio de dados ao PMS.
As simulações foram realizadas utilizando os
softwares MATLAB/SIMULINK, ModelSim e Quar-
tus II, e para os circuitos de condicionamento utili-
zou-se um software de desenvolvimento de circuitos
eletrônicos. Os testes em bancada são apresentados
através da Figura 2, que demonstra a utilização de
equipamentos disponíveis em laboratório para com-
provação e aferição do equipamento proposto. Para
validação das funções do equipamento e neste con-
texto, utilizaram-se cargas eletrônicas, sistema de
medição e os circuitos eletrônicos desenvolvidos.
Figura 2. Bancada de teste do medidor.
O avanço na utilização da tecnologia de silício
faz com que o FPGA trabalhe com mais recursos do
que somente elementos lógicos, integrando processa-
dores, multiplicadores, blocos de memória RAM e
circuitos integrados de clock em um único chip
(Chen, Yuan, & Wang, 2009; Rodriguez, Moure, &
Valdes, 2007). Utilizando a linguagem de descrição
VHDL (VHSIC Hardware Description Language) foi
possível realizar a aquisição de dados de tensão e
corrente de uma mesma fase em um mesmo instante
de tempo, pois o FPGA possibilita o recuso de exe-
cução de processos paralelo.
O medidor desenvolvido neste trabalho é inseri-
do no contexto de TIM proposto pelo padrão IEEE
1451. Na Figura 3 mostra-se a configuração do me-
didor inteligente em conformidade com padrão IEEE
1451.
Figura 3. Modelo implementado para o TIM.
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O TIM para atender os conceitos de um Smart
Meter será composto de sensores de corrente e ten-
são, interface de comunicação SPI e Ethernet, além
da TEDS. Na Figura 3, pode-se observar o modelo de
TIM proposto neste trabalho, sendo que os algorit-
mos para medição de energia, o protocolo de comu-
nicação e a TEDS foram desenvolvidos em VHDL.
Deve-se destacar que neste protótipo de medidor
utilizou-se a Teoria da Potência Instantânea para
realizar a medição de energia elétrica. Na parte de
protocolo de comunicação apresenta-se um modelo
de troca de informação entre o Medidor (algoritmos
executado no TIM) e o sistema PMS.
4. Especificação da Rede de Transdutores
para Smart Grid
A TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) é
definida pelo comitê IEEE 1451.0. As informações
dos transdutores devem estar em formato eletrônico,
regidas pela norma, sendo esta definida como TEDS.
Na primeira homologação do padrão IEEE 1451.2, a
TEDS deveria estar acoplada ao STIM (Smart Tran-
ducer Interface Module). Por volta de 2004, a TEDS
passou a ser tratada pelo comitê IEEE 1451.0, sendo
comum para as demais interfaces (1451.0). Com a
implementação da TEDS, um transdutor pode ser
identificado em uma rede de comunicação, fornecen-
do informações como fabricante, número de mano-
bras realizadas, faixa de atuação e número do canal
no qual está conectado (1451.0). Na Tabela 1 apre-
senta-se o um modelo de informação da TEDS apre-
sentado por (Song & Lee, 2007).
Tabela 1. Modelo de TEDS.
Meta Identification TEDS of TIM
ManufacturerId E-Sensor
ModelNo. IEEE-1451.2-TIM
versionCode V1.0
SerialNo. 0125
DateCode 10-20-06
NumberOfChanels 2
GroupName IEEE- 1451.2
ProductionDescription IEEE- 1451.2-TIM
Neste trabalho o bloco da TEDS foi inserido
juntamente com o medidor inteligente de energia.
5. Sistema PMS
O PMS (Power Manager System), sistema web
desenvolvido neste trabalho, é um aplicativo que está
em conformidade com o padrão IEEE 1451, especifi-
camente o comitê IEEE 1451.1. Este comitê é defini-
do como NCAP, esta interface é comum para interli-
gação entre as diferentes redes industriais e as de-
mais interfaces IEEE 1451. As duas funcionalidades
básicas deste software são: trocar informações com a
rede de controle e gerenciar as atividades dos trans-
dutores (Batista, 2009). Na Figura 4 é apresentada a
interface do sistema PMS.
Figura 4. Interface do sistema PMS.
O PMS foi desenvolvido em plataforma Java
EE, utilizando tecnologias e frameworks Open Sour-
ce, este são:
JSF: framework para tratamento da camada
de visão;
Hibernate: ferramenta de mapeamento obje-
to/relacional para Java. Ela transforma os
dados tabulares de um banco de dados em
um grafo de objetos definidos pelo desen-
volvedor;
EJB: para tratamento da comunicação entre
a camada de serviço e o banco de dados;
JBoss: para o servidor web para sistema em
Java2EE;
Jquery: framework para desenvolvimento de
JavaScript;
Postgres: Banco de Dado JDBC.
JaperReports: Ferramenta para gerar relató-
rios do sistema.
Com o uso das tecnologias citadas acima, permi-
tiu-se a criação de alguns módulos dentro do sistema
PMS. O primeiro módulo do sistema foi projetado
para ser aplicado na visão do controle de energia
elétrica fornecida pela concessionária, no qual possui
as informações dos medidores e de suas medições
enviadas remotamente, armazenando em um banco
de dados. O segundo módulo foi o desenvolvimento
de uma interface para o consumidor que possui um
medidor instalado, para acesso a todas as medições
enviadas remotamente ao PMS, sendo possível a
visualização do seu consumo de energia. Na Figura 5
é apresentado o modelo relacional do PMS.
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Figura 5. Diagrama de classe do PMS.
O terceiro módulo fez o uso de um WebService
implementado no PMS com a API Json, a fim de
fornecer uma comunicação com o Android, criando-
se um aplicativo para que o consumidor tenha acesso
aos dados de consumo de energia através do seu
Smartphone e outro aplicativo voltado para a conces-
sionária ter acesso as informações das leituras dos
medidores e da TEDS dos mesmos. Na Figura 6
mostra-se a interface do aplicativo para a concessio-
nária.
Figura 6. Aplicativo para Android.
O PMS é um nó de rede (NCAP) em plataforma
web que realiza as trocas de informações com o TIM
através do protocolo de comunicação TCP/IP. Este
modelo de comunicação do NCAP com o TIM ainda
não foi apresentado no site do NIST, assim é propos-
to um novo comitê, o IEEE P1451.8. Na Figura 7
mostra-se o modelo proposto para se implementar a
interface IEEE P1451.8.
Figura 7. Modelo do padrão proposto.
6. Sistema de comunicação
O sistema de comunicação deste projeto fez o uso do
protocolo de rede TCP/IP, com endereçamento de IP
na versão IPV4. A infraestrutura de rede utilizada no
laboratório de teste contou com o uso de um roteador
para interligação dos dispositivos de rede. Na Figura
8 mostra-se como foi montada a rede, na qual pode-
se observar que cada medidor (consumidor) será
identificado por um IP, neste protótipo utilizou-se
um switch para interligação dos equipamentos, um
Servidor de aplicação Java Web, no qual representa o
sistema de supervisão PMS e também foram testados
dois tipos de acesso ao sistema de comunicação.
Figura 8. Topologia de rede utilizada.
O equipamento desenvolvido se comunica com a
rede através do módulo de comunicação, conversor
TCP/IP para RS232, comunicando-se como o sistema
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PMS por meio do protocolo Socket. Na Figura 9
mostra-se o modulo utilizado.
Figura 9. Módulo de comunicação TCP/IP RS232.
7. Resultados
A implementação da TEDS no NCAP web é rea-
lizada em duas partes, estas são: a primeira parte é
descrita em um banco de dados do PMS, onde existe
uma tabela com os dados referentes aos transdutores
e a segunda parte é descrita em uma estrutura de
dados no TIM.
Através do ambiente NIOS II IDE, foi criada
uma estrutura de dados na linguagem C, onde são
alocadas a informações de cada transdutor conectado
ao TIM. Quando são solicitadas as informações refe-
rentes à TEDS por meio do software PMS, o TIM
envia os dados referente ao fabricante, tipo de trans-
dutor e ao canal pelo qual o transdutor está conecta-
do, por meio de um bloco de dados utilizando o pro-
tocolo de comunicação socket para o software mon-
tar um relatório de informações dos transdutores. Na
Figura 10 mostra-se como ficou estabelecida a topo-
logia do sistema. Cada TIM representa um medidor
com as funções que proporcione a execução dos
conceitos de Smart Grid.
Concessionária
Cliente
Internet
Interface Android
Ethernet
TEDS MEDIDOR
TCP/IP
TEDS
TCP/IPInterface
Concessionaria
Interface
Cliente
WebServiceBanco de
Dados
NCAP
TIM
TEDS MEDIDOR
TCP/IP
TIM
TEDS MEDIDOR
TCP/IP
TIM
Figura 10. Topologia do sistema apresentado neste projeto.
Por meio do sistema PMS, é enviada uma solici-
tação do envio das informações da TEDS, com as
informações recebidas e com o auxilio do banco de
dados, um relatório em formato PDF é gerado ao
usuário que solicitou as informações. Na Figura 11
apresenta-se a interface para obter a TEDS, neste
caso este procedimento estará condicionado apenas
para a concessionária.
Figura 11. Relatório TEDS gerado no PMS.
O medidor de energia implementado no modulo
TIM, realiza o envio de suas medições de energia de
forma temporizada para o sistema PMS, para alimen-
tar o banco de dados. As informações armazenadas
geram outras informações para o consumidor e para a
concessionária de energia através do PMS. Na Figura
12 é apresentada a interface de visualização do histó-
rico de medições.
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Figura 12. Histórico de medições enviadas pelo medidor ao PMS.
8. Conclusão
Com base nos resultados deste projeto, po-
de-se estabelecer uma metodologia que proporcione
um sistema de plug and play e interoperabilidade
para as Redes Elétricas Inteligentes. Outro aspecto
atrativo destes resultados são as contribuições para a
popularização do padrão IEEE 1451 no cenário do
Sistema Elétrico de Potência e não somente no setor
industrial. Com base no sistema web (PMS) proposto
neste projeto foi possível emular as informações dos
transdutores em uma rede de comunicação através de
um relatório digital, baseado nas especificações da
TEDS.
O uso de um FPGA neste projeto permitiu
desenvolver um equipamento de medição bidirecio-
nal de energia com compensação de corrente harmô-
nica, gerenciado pelo protocolo TCP/IP através do
sistema PMS.
Com o uso de uma plataforma robusta como
o Java, foi possível a integração de vários módulos
do sistema PMS com um medidor de energia inteli-
gente representado pelo hardware da Figura 2. Este
medidor inteligente troca informações com o sistema
de supervisão (concessionária e/ou cliente) através da
rede Ethernet, configurando um sistema popular e
flexível. Os testes realizados na troca de informação
utilizaram-se um nó de rede, ou seja, um medidor
inteligente, para trabalhos futuros serão inseridos
vários medidores inteligentes. Portanto o PMS de-
monstra aplicabilidade real para o setor elétrico e
atende os conceitos da Rede Elétrica Inteligente
(Smart Grid).
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