Sistema Smart Grid de Telemetria Não Invasiva Para Monitoramento de Consumo, Detecção e Comunicação de Anomalias e Fraudes de Energia Utilizando Tecnologia Arduino

Centro Tecnológico, Engenharia Elétrica - UFESCentro Tecnológico, Engenharia Elétrica - UFES

SISTEMA SMART GRID DE TELEMETRIA NÃO INVASIVA PARA SISTEMA SMART GRID DE TELEMETRIA NÃO INVASIVA PARA MONITORAMENTO DE CONSUMO, DETECÇÃO E COMUNICAÇÃO DE MONITORAMENTO DE CONSUMO, DETECÇÃO E COMUNICAÇÃO DE

ANOMALIAS E FRAUDES DE ENERGIA UTILIZANDO TECNOLOGIA ARDUINOANOMALIAS E FRAUDES DE ENERGIA UTILIZANDO TECNOLOGIA ARDUINO

Thiago Valfré LecchiEstagiário de Engenharia Elétrica – EDP Escelsa

Universidade Federal do Espírito Santo - UFES

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Índice ufes ufes

1. Introdução- Objetivos;

2. Análise de Cenário- O Setor Elétrico Brasileiro;- Smart Grid: a rede de distribuição inteligente do futuro;- Perdas não Técnicas Sobre o Sistema de Distribuição de Energia;

- O método de Combate às Perdas por Pré-Inspeção.

3. Embasamento Teórico- Teorema de Blondel: medição de potência em sistemas polifásicos;- Transformadores de Corrente.

4. Tecnologias Utilizadas- Plataforma de Prototipagem Arduino;- Tecnologia de Comunicação ZigBee.

5. Proposta de Novo Método e Ferramenta de Inspeção de Fraude – Sistema Smart Grid de Telemetria Não Invasiva

-Versão #1: Dispositivo Medidor com Comunicação Bluetooth;-Versao #2: Dispositivo Medidor com Comunicação ZigBee.

6. Resultados- Análise de Precisão;- Análise de Viabilidade Econômica.

1. Introdução1. Introdução

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ufes ufes Objetivos

Novo Método de Combate Às Perdas Não Técnicas de Energia Elétrica- Implantação da Logística de Pré-Inspeção;- Construção de Medidores Inteligentes para Pré-Inspeção.

Protótipo de Medidor Inteligente- Funcionalidade: precisão, flexibilidade; abrangência;- Acessibilidade de Dados: centralização de rede de medição;- Composição Estrutural Inteligente: tamanho, peso, tecnologia, autonomia;- Viabilidade Econômica.

2. Análise de Cenário2. Análise de Cenário

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ufes ufes O Setor Elétrico Brasileiro

Geração- 70% do montante energético proveniente de

UHE’s;- Dependência de fatores climáticos (↓ autonomia);- Fontes alternativas caras e poluentes:

. Termelétricas: carvão, diesel e gás.- Necessidade de redução de demanda:

. Estímulo ao consumo consciente e combate ao uso indiscriminado de energia.

Sistemas de Medição- 92% eletromecânicos: precisão de ±2%;- Leitura manual: sujeito a impedimentos;- Controle de consumo sem registro de demanda;- Alta susceptibilidade à fraudes (baixa segurança);

. Fraudes na rede e unidades de leitura;. Demora na indicação de fraudes;. Demora no combate à fraudes.

- Agente gerador (pela facilidade) de perdas não técnicas.

UHE Itaipu Binacional, RS - Brasil

Medidor Eletromecânico

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Smart Grid: a rede elétrica inteligente

Rede Atual

Sistema de distribuição de energia elétrica atual

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Smart Grid: a rede elétrica inteligente

Nova rede de distribuição inteligente, com total autonomia, controle, segurança e qualidade de fornecimento de energia elétrica.

Nova rede de distribuição inteligente, com total autonomia, controle, segurança e qualidade de fornecimento de energia elétrica.

Rede Smart Grid

Estímulo à práticas sustentáveis- Ganho em autonomia: cogeração / micro geração e

comercialização de energia:. Energia Solar, eólica, gás-natural

Medição e gerenciamento total da rede- Controle rígido da qualidade;- Sistemática diferenciada de cobrança;- Sistema de leitura e comunicação remoto preciso,

inviolável, em tempo real;- Fraudes identificadas instantaneamente;- Economia e assertividade em métodos de

inspeção de irregularidade / falha;- Corte e ligação remota em tempo real;- Redução de perdas não técnicas.

Sistema de distribuição de energia elétrica Smart Grid

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Smart Grid: uma nova realidade

AES Eletropaulo - SP Celpe - PE

EDP Bandeirante - SPCocern - RN

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O que são perdas não técnicas?

Transmissão

Distribuição

Geração

Perdas Técnicas:Perdas Técnicas:

-Efeito JouleEfeito Joule-Perdas no Núcleo de Perdas no Núcleo de TransformadoresTransformadores-Perdas DielétricasPerdas Dielétricas

“A perda não técnica é o montante de energia que é distribuída e consumida sem ser faturada” “A perda não técnica é o montante de energia que é distribuída e consumida sem ser faturada”

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O que causa uma perda não técnica?

- Bypass (Gato)Bypass (Gato)- Fraudes em MedidoresFraudes em Medidores

- Inversão de fasesInversão de fases- Bypass (ligação direta)Bypass (ligação direta)- Disco de leitura presoDisco de leitura preso- Bobina do medidor Bobina do medidor

desativadadesativada- Condutor (medição) Condutor (medição)

desconectadodesconectado- Manuseio do consumo: Manuseio do consumo:

retorno de ponteiros, retorno de ponteiros, desconecção de desconecção de condutores (violação)condutores (violação)

- Manuseio do calibrador Manuseio do calibrador (medição intermitente)(medição intermitente)

IMPUNIDADEFACILIDADE

PERDAS

NECESSIDADE

Triangulo de Perdas: Motivos que levam o cliente ao furto energético Triangulo de Perdas: Motivos que levam o cliente ao furto energético

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Quais os impactos para a EDP?

Consumidor Irregular - Consumo 2,5 vezes maior que o regular.

Bairros com complexidade social - 30% das unidades com ligação clandestina;- Perdas de 50% a 70% do montante fornecido.

Montante de Energia Furtada no Espírito Santo- Suficiente para alimentar a cidade de Vila Velha (183 mil unidades consumidoras).

Repasse de perdas- 9,27% máximo (ANEEL);- Cenário atual: 17,26% (EDP).

Ligação Clandestina (Bypass ou “gato”)

Medidor adulterado

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Como combater?

Dificuldade logística:- Demora na execução do total de inspeções;

. Lentidez no combate → Aumento nas perdas; - Alto gasto em mão de obra e tecnologia;

. Alocação de no mínimo 2 eletricistas (NR 10) + veículo e equipamentos especializados.

Alto Índice de improdutividade em inspeções: 88%.

MÉTODO ATUAL: Inspeções Convencionais

Eletricistas em procedimento de inspeção convencional

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Como Melhorar?!

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Como combater?

Economia:- Elevada eficiência nas inspeções: 90%;- Redução de custos (Pré inspeção = 1 eletricista isolado);- Redução de perdas não técnicas;- Equipamento de pequeno peso e dimensão, de fácil transporte e

instalação, baixo investimento e elevado Benefício/Custo.

Precisão:- Grande eficácia na identificação das irregularidades mais

incidentes (lig. clandestina, manipulação de medidor e derivações na mureta).

Continuidade:- Não é necessário desligar a UC para realizar a pré-inspeção.

Logística:- Direcionamento preciso de equipes de inspeção (maior produtividade).

MÉTODO PROPOSTO: Sistema não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos em Pré Inspeções via Tecnologia

Arduino

Propostas de Sistemas para Detecção de Fraude

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2. Instalação de Dispositivo Leitor de Pré-Inspeção

2. Instalação de Dispositivo Leitor de Pré-Inspeção 3. Tratamento de Dados3. Tratamento de Dados3. Tratamento de Dados3. Tratamento de Dados2. Instalação de Dispositivo Leitor de Pré-Inspeção



2. Instalação de Dispositivo Leitor de Pré-Inspeção1. Triagem Computacional1. Triagem Computacional1. Triagem Computacional1. Triagem Computacional1. Triagem Computacional1. Triagem Computacional

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Como funciona o projeto?

1) Seleção de clientes (banco de dados – SAP) por variação decrescente de consumo (conceito 2σ (sigma))

2) De maneira rápida e fácil, tem-se o início da leitura, registro e envio de consumo real.

3) Estudo de Resultados-Registro (via cartão SD) e recepção sem fio de log de dados (via bluetooth) e de curva de demanda on-line (memória de massa via GPRS*)-Comparação entre leitura de medidor e do sensor-Avaliação de clientes em possível situação de fraude energética-Designação final de clientes selecionados para processo de inspeção

Banco de Dados – EDP Escelsa (Sap – BW)Instalação do Sistema de Medição – Funcionário

utilizando garra/bastão de manobra

Memória de Massa Padrão

EtapasEtapas

* Sistema ainda em adaptação

Garra de Leitura e Fixação do Sensor

Análise estatística de variação de consumo por desvio padrão 2σ

3. Embasamento Teórico3. Embasamento Teórico

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ufes ufes Teorema de Blondel: Medição de Potência

“A potência total entregue a um sistema de cargas por n condutores é dada pela soma algébrica indicada por n wattímetros inseridos em cada um dos n fios, sendo a potência de referência de todos os n wattímetros conectados a um ponto comum; este ponto comum pode ser conectado a um dos n condutores, assim a potência total é dada por n-1 medidores de potência.”

“A potência total entregue a um sistema de cargas por n condutores é dada pela soma algébrica indicada por n wattímetros inseridos em cada um dos n fios, sendo a potência de referência de todos os n wattímetros conectados a um ponto comum; este ponto comum pode ser conectado a um dos n condutores, assim a potência total é dada por n-1 medidores de potência.”

Esquema de ligação Delta (triângulo)Esquema de ligação Y (Estrela)

𝑊1 +𝑊2 = 1𝑇න (𝑉𝐴𝑁.𝐼𝐴+ 𝑉𝐵𝑁.𝐼𝐵+𝑉𝐶𝑁.𝐼𝐶).𝑑𝑡 = 𝑃𝑇0

𝑊1 = 𝑅𝑒ሾ𝑉𝐴𝐶.𝐼𝐴∗ሿ 𝑊2 = 𝑅𝑒[𝑉𝐵𝐶.𝐼𝐵∗] Potência total entregue ao Sistema – Teorema de Blondel

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ufes ufes Transformadores de Corrente

Sistemas de Instrumentação e Medição- Limitação física de níveis de

corrente e tensão de circuitos de semicondutores;

Aplicação- Reprodução no terminal secundário de forma de onda de corrente similar à que circula no primário, com amplitude reduzida linearmente dezenas de vezes, possibilitando a leitura e análise de sinal por parte dos circuitos de processamento de dados

𝐼1𝐼2 = 𝑁2𝑁1 = 200

Relação de Transformação de Corrente Utilizada

Configuração TC + Burden Resistor - Entrada analógica de um Arduíno (5V) - Sinal de entrada

4. Tecnologias Utilizadas4. Tecnologias Utilizadas

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ufes ufes Arduino: Plataforma de Processamento

Características de Destaque- Baixo custo;- Fácil programação e operação;- Baixo peso e pequenas dimensões;- Grande adaptabilidade ao uso de diversos tipos de sensores / ferramentas / protocolos de comunicação;

- Interface Amigável: IDE Arduino;

Características Técnicas

Micro controlador ATmega328

Tensão de operação 5 V

Tensão de entrada (recomendada) 7-12 V

Tensão de entrada (limites) 6-20 V

Pinos de entrada e saída (I/O) digitais 14 (6 -saídas PWM)

Pinos de entradas analógicas 16

Corrente DC por pino I/O 40 mA

Memória Flash 256 KB (dos quais 8KB são usados

para o bootloader)

SRAM/EEMPROM 8 KB / 4 KB

Velocidade de Clock 16 MHz

Características Técnicas da Placa Arduino UNO Diagrama de Pinagem

Plataforma de Prototipagem Eletrônica – Arduino Uno

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ZigBee: Comunicação simples e eficaz

IEEE 802.15.4: Novo padrão de comunicações sem fio (wireless) de baixo consumo, fácil configuração, topologia variada e ampla empregabilidade em sensoriamento industrial e automação residencial.

IEEE 802.15.4: Novo padrão de comunicações sem fio (wireless) de baixo consumo, fácil configuração, topologia variada e ampla empregabilidade em sensoriamento industrial e automação residencial.

Simples Multitopologia de Rede- Star, Tree e Mesh;- Distâncias de até 1 [Km] (série Pro);- Coordenador, Roteador, End Service.

Alta eficiência e Baixo Consumo- 50 [mA] – Transmissão / Recepção;- 0,3 [mA] – Stand By.- 0,5 [μA] – Modo Sleep

Multi-adaptabilidade do transmissor- Conexão Serial: flexibilidade de integração

com sensores e periféricos;

Baixo Custo

Multitopologia de rede

Módulo Transmissor Xbee Pró Séries S2 - ZigBee

5. Proposta de Novo Método e Ferramenta 5. Proposta de Novo Método e Ferramenta de Inspeção de Fraude – Sistema Smart Grid de Inspeção de Fraude – Sistema Smart Grid

de Telemetria Não Invasivade Telemetria Não Invasiva

Plataforma de Processamento Arduíno (microcontrolador Atmel AVR)- Arduino Duemilanove

Módulo Leitor/Gravador SD- SD Card Module LC Studio

Módulo de Temporização- Clock Module RTC 12C

Módulo Bluetooth- JY MCU Bluetooth Module

Garra – TC Sensor de Corrente- Yhdc SCT-013-000 Current Transformer

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Detalhamento Técnico – Proposta #1

Dispositivo Sensor e Transmissor Bluetooth

Medidor não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos

via Tecnologia Arduino com Comunicação Bluetooth

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Sistema não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos via Tecnologia Arduino com Comunicação ZigBee / PHP


Módulo Leitor/Gravador SD (Back-Up)- SD Card Module LC Studio

Módulo de Temporização- Clock Module RTC 12C

Garra – TC Sensor de Corrente- Yhdc SCT-013-000 Current Transformer

Módulo de Comunicação ZigBee- Xbee XB24-Z7WIT-004 Digi (Séries S1)

Dispositivo Sensor e Transmissor ZigBee (End-Device)

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Módulo de Comunicação ZigBee- Xbee XB24-Z7WIT-004 Digi (Séries S1)

Módulo de Comunicação Ethernet- ENC28J60

Dispositivo Receptor (Coordenador / Servidor)

6. Resultados6. Resultados

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Análise de Precisão

Resultados

CargaTensão real

[V]

Tensão

estipulada

[V]

Corrente

real

[A]

Corrente

medidor [A]

Potência

estimada

[W]

Potência

real

[W]

Potência

medida

[W]

# 1

127,4 127

- 43,68 5500 - 5547,36

# 2 7.89 7,95 1000 1005,186 1009,65

# 3 6.80 6,89 900 866,32 875,03

# 4 3,18 3,29 400 405,132 417,83

# 5 2,38 2,46 300 303,212 312,42

#6 1,58 1,69 200 201,292 214,63

#7 0 0,08 0 0 10,16Leitura Real x Leitura dos Sensores Desenvolvidos


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Análise de Precisão

Resultados

CargaDivergência de Corrente

(medida – real)/real

Divergência de Potência

(medida – real)/real

# 1 0,87% 0,87%

# 2 0,76% 0,44%

# 3 1,32% 1,01%

# 4 3,46% 3,13%

# 5 3,36% 3,04%

# 6 6,96% 6,63%

Discrepância percentual - Leitura Real x Leitura dos Sensores Desenvolvidos


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Análise de Viabilidade Econômica

Detalhes do Projeto

Serviço / Produto / Investimento Valor

Custo médio da inspeção convencional de fraude (BT) R$ 45,45

Quantidade atual mensal de inspeções convencionais (2014) 11.368

Índice de sucesso com processo de inspeção atual (BT) 12%

Custo médio da pré-inspeção de fraude (BT) utilizando o sistema de medição não invasivo (Arduíno)

R$ 9,09

Quantidade de inspeções convencionais por mês (2014) utilizando o sistema de medição não invasivo (Arduíno)

1516

Percentual de Acerto do Procedimento de Pré-Inspeção 90%

Custo Estimado – Unidade End Device R$ 112,26

Unidades End Device necessárias 15.000

Custo Estimado – Unidade Coordinator R$ 111,93

Unidades Coordinator necessárias 1000


12 meses 11.368 inspeções

45,45 reais X __________________

R$ 6.200.107,20

1516 inspeções 45,45 reais

12 mesesX __________________

R$ 826.826,40

15.000*(112,26) 1000*(111,93) + __________________

R$ 1.795.830,00

6.200.107,20 - 1.240.021,44 - 826.826,40

- 1.795.830,00__________________

R$ 2.337.429,36


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Resultados

Cenário Atual Valor

Quantidade de Inspeções convencionais 11368

Custo anual das inspeções convencionais R$ 6.200.107,20

Cenário com Pré-Inspeção (utilização do sensor não invasivo Arduíno)

Valor

Quantidade mensal de pré-inspeções 11368

Custo anual das pré-inspeções R$ 1.240.021,44

Quantidade necessária de inspeções convencionais 1516

Custo anual das inspeções convencionais R$ 826.826,40

Investimento – Construção dos protótipos para realizar as pré-inspeções com sistema de medição não invasivo (Arduíno)

R$ 1.795.830,00

Economia total ao fim do 1º Ano de atuação R$ 2.337.429,36

Resultados





Valor






R$ 1.795.830,00


Resultados





Valor






R$ 1.795.830,00


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6.200.107,20 - 1.240.021,44 - 826.826,40

__________________

R$ 4.133.259,36

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.

[email protected]

Universidade Federal do Espírito Santo - UFESCentro Tecnológico

Departamento de Engenharia Elétrica - DEL

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