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Universidade Federal de Mato Grosso Faculdade de Engenharia e Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica

Controladores de Demanda Trabalho de Conclusão Curso

Acadêmico

Henrique Matheus

Orientador Mario K . Kawaphara

Cuiabá -MT Outubro de 2003

Universidade Federal de Mato Grosso Faculdade de Engenharia e Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica

Controladores de Demanda Trabalho de Conclusão Curso

“Com isso as indústrias precisam de meios para controlar essa variável, já que a multa pela ultrapassagem da demanda (tipicamente três vezes maior do que a tarifa normal) muitas vezes não justifica a produção extra conseguida”

O autor

Cuiabá -MT Outubro de 2003

Sumário

1. INTRODUÇÃO 4

2. OBJETIVO 4

3. DEMANDA 5

3.1. Demanda versus Consumo 6

3.2. O Controlador de Demanda. 8

3.3. A comunicação entre o Controlador e o Medidor da Concessionária 9 3.3.1. Comunicação Serial 9

3.3.1.1. Taxa de Transferência (Baud Rate) 9 3.3.1.2. Transmissão Assíncrona versus Transmissão Síncrona 10

3.3.2. Protocolo 12

3.4. Métodos de controle 14 3.4.1. Janela móvel 14 3.4.2. Retas de Carga ou Retas Inclinadas 15 3.4.3. Preditivo Adaptativo 16

4. O CONTROLADOR IMPLEMENTADO 17

4.1. Materiais Utilizados 17

4.2. Metodologia 18

4.3. Simulações 23

4.4. Possibilidades de melhoria. 28

5. CONTROLADORES COMERCIAIS 28

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS 29

7. REFERÊNCIAS. 31

1. Introdução

Segundo Costa e Silva (2003), os estudos realizados nos anos oitenta,

constatam que o perfil de comportamento do consumo ao longo do dia encontra-

se vinculado aos hábitos do consumidor e às características próprias do

mercado de cada região. Foi também caracterizado que o sistema elétrico

brasileiro, em quase sua totalidade, possui geração por meio de hidroelétricas.

Portanto, o maior potencial de geração concentra-se no período chuvoso.

Baseando-se nestas características originou-se, em 1982, a nova

Estrutura Tarifaria Horo-sazonal. Em que as tarifas tem valores diferenciados

segundo: horários do dia e períodos do ano.

Nessa nova estrutura tarifária, hoje na forma da Resolução da ANEEL nº

456 de 29 de novembro de 2000, também está inclusa a tarifação sobre a

demanda, que na tarifa de energia elétrica representa a estrutura de geração e

transmissão que a concessionária disponibiliza para o consumidor

respondendo tipicamente por 20% desta, representando portanto, um insumo

significativo.

Com isso as indústrias precisam de meios para controlar essa variável,

já que a multa pela ultrapassagem da demanda (tipicamente três vezes maior

do que a tarifa normal) muitas vezes não justifica a produção extra conseguida.

Foi aí que começaram a surgir os primeiros controladores de demanda, que

são os equipamentos destinados a monitorar e controlar essa variável,

ajudando as indústrias a serem mais competitivas no mercado.

2. Objetivo

Vista a necessidade do controle da demanda, este trabalho visa o

estudo, através da implementação de um controlador de demanda, das

principais características e especificidades desses equipamentos.

Pág.4

3. Demanda

De acordo com a resolução 456 de 29 de novembro de 2000, Art. 2°, §

VIII: “Demanda: média das potências elétricas ativas ou reativas, solicitadas ao

sistema elétrico pela parcela da carga instalada em operação na unidade

consumidora, durante um intervalo de tempo especificado”.

No Brasil o intervalo de tempo (período de integração) é de 15 minutos,

portanto, em um mês teremos: 30 dias x 24 horas / 15 minutos = 2880

intervalos.

“Em termos de medição temos os métodos de medição

síncrona e assíncrona. O método de medição síncrona é aquele

utilizado por todas as concessionárias brasileiras e pela maioria

dos países medindo a energia ativa num determinado intervalo de

tempo que pode variar de 15 à 60 minutos na maioria dos casos.

... Na prática o que se faz é integrar os pulsos de energia dentro

deste intervalo, por isso chamado de intervalo de integração,

obtendo o que chamamos de demanda de energia ativa, ou seja,

a demanda é a energia média consumida em cada intervalo de 15

minutos não existindo plenamente antes do fechamento do

intervalo.

Na maioria dos casos a concessionária fatura pelos

maiores valores registrados nos períodos de fora-ponta e ponta

ou pelos valores contratados, os que forem maiores.

A cada início do intervalo de integração o consumo é

zerado dando início a uma nova contagem. Se ao final do

intervalo o valor médio de fechamento for superior ao limite

permitido o usuário arcará com pesadas multas por

ultrapassagem. Neste ponto é interessante frisar que poderão

ocorrer picos de potência dentro do intervalo de integração desde

que os mesmos não levem à ultrapassagem da demanda. Ao

contrário do que muitos apregoam são os picos de demanda

(média das potências) que não podemos permitir e não os picos

de potência instantânea, normais para a produção, principalmente

Pág.5

em processos onde existem grandes variações de carga durante

curtos períodos de tempo.”(Suppa e Terada)

O método de medição assíncrono será tratado no decorrer do trabalho.

3.1. Demanda versus Consumo Muitas vezes os consumidores confundem os valores de demanda e

consumo numa tarifa de energia elétrica, prejudicando seus custos e

ressaltando o importante papel conscientizador que o Engenheiro Eletricista

deve exercer.

A demanda, como dito anteriormente, representa a estrutura de geração

e transmissão da energia elétrica que a concessionária disponibiliza ao

consumidor. Ela é disponibilizada perante contrato com a concessionária, onde

esta se responsabiliza em manter essa estrutura de fornecimento e o

consumidor, por sua vez, compromete-se a pagar por essa estrutura, usando-a

ou não, e ele também não deve ultrapassar os valores contratados podendo

ser cobradas multas pesadas, caso isso ocorra.

Já o consumo representa a quantidade de energia ativa consumida.

Comparando com um sistema mecânico, a demanda representa o quão

rápido um trabalho foi executado (potência) e o consumo representa o trabalho

executado. Portanto, para um mesmo consumo, podemos ter demandas

diferentes.

Pág.6

Figura 1- Tarifa de Energia com Ultrapassagem de Demanda. A demanda representa 23,48% da tarifa.

Figura 2-Tarifa sem ultrapassagem da demanda. A demanda representa 10,71% da tarifa.

Pág.7

Figura 3-Tarifa com demanda má dimensionada. A demanda representa 53,15% da tarifa.

3.2. O Controlador de Demanda. O controlador de demanda é o equipamento destinado a monitorar e

controlar a variável demanda de forma precisa e, de preferência, com a menor

interferência no processo produtivo, já que para que ele realize o controle é

necessário que este faça a retirada de alguma carga, com intuito de manter a

demanda daquele intervalo dentro de valores aceitáveis.

“Um Controlador de Demanda necessita medir

corretamente para poder controlar. Em termos globais a

informação para controle deverá vir do medidor da concessionária

pois lá estão os sinais de controle além das variáveis a serem

controladas, liberadas pela mesma através de solicitação padrão.

Logo o Controlador de Demanda deverá estar conectado a este

medidor recebendo as mesmas informações da concessionária e

baseado nestas realizar suas ações sobre as cargas passíveis de

serem controladas. Uma vez recebendo os sinais da

concessionária o Controlador de Demanda passará a verificar

dentro de cada período de integração a necessidade de se retirar

ou não alguma carga elétrica da instalação afim de que a

demanda global se mantenha, dentro deste intervalo, abaixo dos

Pág.8

limites de controle pré estabelecidos (os quais na maioria das

vezes são os valores de contrato junto à concessionária com ou

sem as tolerâncias permitidas).

Voltando à atuação do Controlador de Demanda não

havendo tendência de ultrapassagem da demanda ele não

atuará. Caso contrário ele poderá atuar e quando a demanda

diminuir ele terá que repor (ou pelo menos liberar para uso) de

forma automática as cargas antes retiradas...”(www.gestal.com)

3.3. A comunicação entre o Controlador e o Medidor da Concessionária

O controlador de demanda se comunica com os medidores das

concessionárias, através da saída serial do usuário, disponível em todos os

medidores eletrônicos. Sua comunicação é padronizada pela NBR 14522

“Intercâmbio de informações para sistemas de medição de energia elétrica –

Padronização”

3.3.1. Comunicação Serial A maioria das mensagens digitais são mais longas que alguns poucos

bits. Por não ser prático nem econômico transferir todos os bits de uma

mensagem simultaneamente, a mensagem é quebrada em partes menores e

transmitida seqüencialmente. A transmissão bit-serial converte a mensagem

em um bit por vez através de um canal. Cada bit representa uma parte da

mensagem. Os bits individuais são então rearranjados no destino para compor

a mensagem original. Em geral, um canal irá passar apenas um bit por vez. A

transmissão bit-serial é normalmente chamada de transmissão serial, e é o

método de comunicação escolhido por diversos periféricos de computadores.

3.3.1.1. Taxa de Transferência (Baud Rate)

A taxa de transferência refere-se a velocidade com que os dados são

enviados através de um canal e é medido em transições elétricas por segundo.

Pág.9

Na norma EIA232, ocorre uma transição de sinal por bit, e a taxa de

transferência e a taxa de bit (bit rate) são idênticas. Nesse caso, uma taxa de

9600 bauds corresponde a uma transferência de 9600 dados por segundo, ou

um período de aproximadamente, 104 ms (1/9600 s). Outro conceito é a

eficiência do canal de comunicação que é definido como o número de bits de

informação utilizável (dados) enviados através do canal por segundo. Ele não

inclui bits de sincronismo, formatação, e detecção de erro que podem ser

adicionados a informação antes da mensagem ser transmitida, e sempre será

no máximo igual a um.

3.3.1.2. Transmissão Assíncrona versus Transmissão Síncrona

Geralmente, dados serializados não são enviados de maneira uniforme

através de um canal. Ao invés disso, pacotes com informação regulares são

enviados seguidos de uma pausa. Os pacotes de dados binários são enviados

dessa maneira, possivelmente com comprimentos de pausa variável entre

pacotes, até que a mensagem tenha sido totalmente transmitida. O circuito

receptor dos dados deve saber o momento apropriado para ler os bits

individuais desse canal, saber exatamente quando um pacote começa e quanto

tempo decorre entre bits. Quando essa temporização for conhecida, o receptor

é dito estar sincronizado com o transmissor, e a transferência de dados precisa

torna-se possível. Falhas na manutenção do sincronismo durante a

transmissão irão causar a corrupção ou perda de dados.

Duas técnicas básicas são empregadas para garantir a sincronização

correta. Em sistemas síncronos, canais separados são usados para transmitir

dados e informação de tempo. O canal de temporização transmite pulsos de

clock para o receptor. Através da recepção de um pulso de clock, o receptor lê

o canal de dado e armazena o valor do bit encontrado naquele momento. O

canal de dados não é lido novamente até que o próximo pulso de clock chegue.

Como o transmissor é responsável pelos pulsos de dados e de temporização, o

receptor irá ler o canal de dados apenas quando comandado pelo transmissor,

e portanto a sincronização é garantida.

Pág.10

Em sistemas assíncronos, a informação trafega por um canal único. O

transmissor e o receptor devem ser configurados antecipadamente para que a

comunicação se estabeleça a contento. Um oscilador preciso no receptor irá

gerar um sinal de clock interno que é igual (ou muito próximo) ao do

transmissor. Para o protocolo serial mais comum, os dados são enviados em

pequenos pacotes de 10 ou 11 bits, dos quais 8 constituem a mensagem.

Quando o canal está em repouso, o sinal correspondente no canal tem um

nível lógico ‘1’. Um pacote de dados sempre começa com um nível lógico ‘0’

(start bit) para sinalizar ao receptor que um transmissão foi iniciada. O “start bit”

inicializa um temporizador interno no receptor avisando que a transmissão

começou e que serão necessários pulsos de clocks. Seguido do start bit, 8 bits

de dados de mensagem são enviados na taxa de transmissão especificada. O

pacote é concluído com os bits de paridade e de parada (“stop bit”).

O comprimento do pacote de dados é pequeno em sistemas assíncronos

para minimizar o risco do oscilador do transmissor e do receptor variar. Quando

osciladores a cristal são utilizados, a sincronização pode ser garantida sobre os

Pág.11

11 bits de período. A cada novo pacote enviado, o “start bit” reseta a

sincronização, portanto a pausa entre pacotes pode ser longa.

3.3.2. Protocolo

No capítulo 11 da NBR 14522 está a normalização para saída do

usuário, descrita abaixo:

A cada segundo cheio, o Registrador deve enviar um bloco pela saída

serial de usuário. A cada fim de intervalo de demanda, um bloco

correspondente a este momento de ser enviado três vezes consecutivas,

repetindo os mesmos dados, uma vez a cada segundo cheio;

Características da transmissão.

Velocidade: 110 Baud ± 3%

Tipo: Assíncrona

Modo: Monodirecional

Caracter: 1 start bit

8 bits de dado

1 a 2 stop bits

Tamanho do Bloco: 8 caracteres.

Tempo entre blocos: 1 segundo cheio

Correspondência lógica: Nivel lógico “1” corresponde a saída

desativada

Formatação dos campos:

Dados binários, exceto quando indicado.

Formatação dos blocos de dados:

Octeto 001: Bits 0 a 7: Número de segundos até o fim do intervalo de

demanda ativa atual LSB

Octeto 002: Bits 0 a 3: Número de segundos até o fim do intervalo de

demanda ativa atual MSB

Bit 4: Indicador de fatura. É complementado a cada

reposição de demanda.

Pág.12

Bit 5: Indicador de intervalo reativo. É complementado

a cada fim de intervalo de consumo reativo.

Bit 6: Se igual a 1, indica que os pulsos de energia

reativa capacitiva estão sendo computados para

cálculo de UFER e DMCR.

Bit 7: Se igual a 1, indica que os pulsos de energia

reativa indutiva estão sendo computados para

cálculo de UFER e DMCR.

Octeto 003: Bits 0 a 3: Segmento horo-sazonal atual:

0001 – ponta

0010 – fora da ponta.

1000 – reservado

Bits 4 a 5 Tipo de tarifa

00 – Azul

01 – Verde

10 – Irrigantes

11 – Outras

Bit 6: Não usado

Bit 7: Se igual a 1, tarifa de reativos ativada.

Octeto 004: Bits 0 a 7: Número de pulsos de energia ativa desde o início

do intervalo de demanda ativa atual LSB.

Octeto 005: Bits 0 a 6: Número de pulsos de energia ativa desde o início

do intervalo de demanda ativa atual MSB.

Bit 7: Não usado.

Octeto 006: Bits 0 a 7: Número de pulsos de energia reativa desde o

início do intervalo de demanda ativa atual LSB

Octeto 007: Bits 0 a 6: Número de pulsos de energia reativa desde o

início do intervalo de demanda ativa atual MSB

Bit 7: Não usado

Octeto 008: Bits 0 a 7: Complemento do “ou exclusivo”dos octetos

anteriores.

Pág.13

3.4. Métodos de controle O método de controle do controlador de demanda define a estratégia

que este irá utilizar para monitorar e controlar a demanda. É, portanto, sua

componente mais importante, afinal é o método de controle quem determina a

maior ou menor precisão do controlador e o grau de interferência que o

controlador irá imprimir ao processo produtivo.

3.4.1. Janela móvel

O chamado algoritmo da janela móvel, inventado no final da década de

70, para uso nos primeiros controladores microprocessados, nada mais é que

um processamento "first-in first-out" (o primeiro que entra é o primeiro que sai),

onde a janela de 15 minutos é dividida em compartimentos. Em cada

compartimento são armazenados o total de pulsos de energia contados no

correspondente período de tempo. Para exemplificar facilmente, diremos que

este compartimento é de 1 minuto. Então, a cada minuto, o controlador

descarta o número de pulsos contados há 16 minutos atrás, e acrescenta o

número de pulsos contados no último minuto.

Figura 4- Método de controle por Janela Móvel

A figura 4 ilustra este tipo de algoritmo. A Demanda Projetada, neste

sistema, nada mais é que a demanda média dos últimos 15 minutos,

independentemente do fato de estarmos no início, no meio ou no fim do

intervalo de integração de 15 minutos. Trata-se de um algoritmo assíncrono em

relação à medição da concessionária, que utiliza o pulso de sincronismo

apenas para o armazenamento dos valores na memória de massa do

controlador. A Demanda Projetada pelo algoritmo da janela móvel reflete o que

ocorreu no passado, e não, a tendência da demanda para o futuro, ou para o

final do intervalo de 15 minutos atual.

Pág.14

“...A janela móvel na verdade é um filtro de média móvel que

“caminha” a cada período de atuação do controlador trazendo

consigo todo o histórico (inércia) do período de integração

anterior. Em outras palavras, antes de entrar num novo período

de integração visto pela concessionária, mas não por este

método, a medição por janela móvel traz consigo um valor médio

acumulado do período imediatamente anterior ao invés de entrar

“zerado” como o faz o método de medição síncrona. Este fato por

si só impede qualquer tipo de otimização do consumo dentro do

intervalo de integração e portanto da própria demanda...” (Suppa

e Terada)

3.4.2. Retas de Carga ou Retas Inclinadas

Em meados da década de 80, surgiram os algoritmos chamados de reta

de carga. A grosso modo, eram algoritmos que faziam uma "regra de três" com

o número de pulsos acumulado no intervalo, o tempo transcorrido, o tempo

total do intervalo (15 minutos), para chegar à Demanda Projetada. Este

algoritmo é síncrono à medição da concessionária, pois não considera valores

do intervalo anterior na projeção do intervalo atual. Entretanto, apresenta

grandes erros no início de cada intervalo.

Figura 5- Método de controle por Reta de Carga ou Retas Inclinadas

Pág.15

A figura 5 mostra o funcionamento prático do algoritmo reta de carga.

Uma análise mais atenciosa da figura mostra que a tendência de

ultrapassagem da demanda máxima se iniciou no instante t1, tendo sido

detectada pelo algoritmo apenas no instante t2. Isto ocorre tanto quando a

demanda sobe, como quando ela cai. A demora na tomada de decisões é o

principal defeito deste algoritmo.

3.4.3. Preditivo Adaptativo

O controle preditivo adaptativo é uma variante do controle por retas

inclinadas, porém, de complexididade maior, permite um melhor grau de

otimização do controle da demanda, com menor interferência no processo.

O termo adaptativo significa que a função de controle se adapta às

mudanças do processo e no caso do controle de demanda significa que as

prioridades de atuação sobre as cargas podem variar automaticamente de

acordo com as condições do processo, impedindo que o controlador penalize

primeiro sempre uma mesma carga.

A parte preditiva utiliza medição sincronizada com a concessionária,

integrando os pulsos recebidos a partir do instante zero (chegada do

sincronismo) e trabalhando sempre com a projeção da demanda dentro do

intervalo de integração e com o conhecimento prévio do valor da potência da

carga, podendo ainda operar de forma adaptativa.

É muito importante ressaltar que dentro do método de controle preditivo

temos diversas variantes, que traduzem em mais ou menos eficiência em termos

de otimização da freqüência de chaveamento das cargas elétricas.

A parte adaptativa se caracteriza por prioridades de atuações sobre as

cargas controláveis, que se alteram automaticamente durante o período de

integração em função de uma variável elétrica ou de processo (demanda média,

consumo, temperatura, pressão, vazão, etc.) ou em função de uma condição

operacional qualquer configurada pelo usuário em tempo real. Com este recurso

é possível alterar dinamicamente as prioridades sobre as cargas controláveis em

função de mudanças na linha de produção ou ainda visando atuar

Pág.16

prioritariamente sobre as cargas que pertençam ao setor responsável pela

tendência de ultrapassagem de sua própria demanda setorial.

Considerando uma instalação com três setores distintos, cada qual com

suas cargas elétricas associadas e suas demandas setoriais próprias, além da

demanda global de contrato. E utilizando-se um controlador de demanda com

um método de controle por janela móvel ou retas inclinadas as prioridades de

atuação seriam fixas penalizando sempre as mesmas cargas prioritariamente,

mesmo que estas não fossem responsáveis naquele momento pela tendência de

ultrapassagem da demanda global de contrato. Com o recurso de adaptação o

controlador irá atuar prioritariamente sobre as cargas pertencentes ao setor

responsável pela tendência de ultrapassagem de sua própria demanda de

controle setorial, e não sobre as cargas de outro setor que estaria atuando

dentro dos seus limites pré configurados.

Supondo outra instalação com três fornos elétricos com a mesma

potência nominal. Utilizando-se um controlador de demanda sem um controle

adaptativo, as prioridades de atuação seriam fixas penalizando sempre um

determinado forno prioritariamente, mesmo se este estivesse numa condição

proibitiva de ser atuado, como na fase de aquecimento. Com o recurso de

adaptação o controlador irá atuar prioritariamente sobre o forno que estivesse na

melhor condição de processo, como na fase de estabilização, e não sobre

aquele na rampa de aquecimento.

4. O Controlador Implementado

Os equipamentos e linguagens escolhidos para implementação do

Controlador de Demanda deste trabalho foram escolhidos com base na

disponibilidade desses equipamentos na Faculdade de Engenharia Elétrica, e

na experiência do autor.

4.1. Materiais Utilizados

O equipamento escolhido para implementação do controlador de

demanda foi o Controlador Lógico Programável (CLP) modelo MPC 4004 da

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marca Atos Automação Industrial. A linguagem utilizada foi a linguagem ladder

ou diagrama de contatos.

Lista dos Materiais:

Item Descrição Quantidade

01 Bastidor de 06 passos 01

02 CPU 4004.5E 01

03 Fonte chaveada para alimentação

4004.40

01

04 IHM 4x20 01

As cargas e o medidor para ligação ao controlador foram implementadas

através de simulação através de um micro computador IBM-PC® com software

desenvolvido em linguagem Borland Delphi®.

4.2. Metodologia O controlador foi implementado com base no algoritmo reta de carga,

como apresentado na figura 3. Nesse exemplo o software utiliza como

referência uma demanda de 150kW e uma banda de controle de 20kW, 160kW

para o limite superior e 140 kW para o limite inferior. O ponto 1, na figura 6,

indica a ultrapassagem do limite superior, momento em que as cargas

começam a ser desligadas, até que a demanda projetada retorne para dentro

da faixa de controle. O ponto 2, na figura 6, indica a passagem da demanda

projetada pelo limite inferior, momento em que o controlador começa a religar

as cargas. Caso a demanda projetada esteja dentro da faixa de controle, não

há atuação sobre as cargas. O objetivo do controlador é que a demanda no

momento do fechamento esteja dentro da faixa de controle.

Pág.18

Figura 6-Crescimento da Demanda no Tempo. G

A demanda projetada é calculada ut

do simulador. Os dados enviados pelo

medidor da concessionária, o número d

horário (ponta ou fora da ponta) e o pulso

Os pulsos de energia ativa são cont

integralização e zerados a cada sincro

encontrada através da seguinte equação:

projDem Puls=

Onde:

Demproj → Demanda Projetada. Indica

o fechamento do intervalo.

Pulsos → Número de pulsos de ene

demanda.

Kdem → Constante de demanda defin

10demKK RTC RTP= × ×

Limite superior

a

r
Limite inferio
ráfico sim

ilizando

simulad

e pulsos

de sincr

abilizado

nismo. A

demos K×

o valor

rgia ativ

ida pela

400h kW⎡× ⎣

Demanda Projetad

Ponto 1

ulando d

as inform

or são,

de ene

onismo (

s dentr

projeç

da dema

a recebi

seguint

rot⎤⎦

Ponto 2

Faixa de controle

entro do software.

ações provenientes

a exemplo de um

rgia ativa, o posto

a cada 15 minutos).

o do intervalo da

ão da demanda é

nda caso ocorresse

dos no intervalo de

e equação:

Pág.19

Onde:

RTC → Relação do Transformador de Corrente

RTP → Relação do Transformador de Potencial

Kh → Valor que expressa a relação entre a energia registrada pelo medidor

e o valor correspondente na saída de pulsos do usuário, dado em

Wh/rot.

A constante 4 é devida a transformação de Kwh para Kw pois a

integralização é feita em intervalos de 15 min ou ¼ de hora.

A constante de demanda é informada ao controlador de demanda

através da IHM no menu de configuração. No caso deste trabalho a constante

de demanda vale:

1160 1 41000

0.64

kWKdem rotkWKdem rot

⎡ ⎤= × × × ⎣ ⎦

⎡ ⎤= ⎣ ⎦

Os valores das retas superior e inferior para comparação com a

demanda atual são calculados, segundo a segundo, dentro do controlador e

comparadas com a demanda projetada. As retas são geradas através das

seguintes equações:

[ ]

[ ]

max

min

900

900

superior

inferior

DemDem tempo Banda kW

DemDem tempo Banda kW

⎛ ⎞= × +⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞= × −⎜ ⎟⎝ ⎠

Onde:

Demmáx, Demmin → Projeção da Demanda máxima (reta superior) e

mínima (reta inferior) respectivamente.

Dem → Demanda informada ao controlador de

demanda

Bandasuperior e Bandainferior → Definem a faixa de controle, ambas são

informadas ao controlador de demanda.

Tempo → Tempo em que se encontra o intervalo atual da

demanda em segundos.

Pág.20

A constante 900 é equivalente ao tempo total do intervalo que são 900s

ou 15min.

O software simulador faz o papel do medidor da concessionária e das

cargas, enviando os dados ao CLP através da porta de comunicação RS-232,

utilizando o protocolo de comunicação do CLP, APR 03 em anexo.

As cargas são programáveis e pode-se informar a potência em cv, o FP,

a tensão e o rendimento. Todas as cargas são consideradas trifásicas. As

seguintes equações são aplicadas:

[ ]

[ ][ ]

[ ]

( ) 7363

3

sen(arccos( )) 3

1000 36001000

cvPI A

V FP

P V I FP W

Q V I FP VArPW kWh

WtPulsosRTC RTP Kh

η×

=× × ×

= × × ×

= × × ×

=×

×=

× ×

Onde:

I → Corrente calculada para cada carga

P → Potência ativa calculada para cada carga

Q → Potência reativa calculada para cada carga

W → Energia ativa medida a cada segundo para cada carga

Wt → Energia ativa total medida a cada segundo

Pulsos→ Número de pulsos gerados naquele segundo

Os pulsos ativos enviados têm que ser números inteiros, então, a cada

segundo é enviado somente a parte inteira do pulso e o que sobra é somado

ao pulso do próximo segundo.

Pág.21

Figura 7-Tela do software simulador

Além de calcular as potências e as energias consumidas pelas cargas o

software permite a escolha do posto horário, essa informação faz com que o

controlador de demanda alterne entre as variáveis de controle, para os horários

de ponta e fora-de-ponta. A saída serial pode conter os dados para envio ao

CLP ou pode simular uma saída do usuário, como em um medidor real, e o

tempo base pode ser alterado a fim de aumentar a velocidade da simulação.

Pág.22

4.3. Simulações Abaixo foram colocados alguns resultados de simulações realizadas.

Cargas definidas no software:

Carga Potência (cv) Tensão FP Rendimento

01 30 380 0,90 0,92

02 40 380 0,90 0,92

03 50 380 0,90 0,92

04 75 380 0,90 0,92

05 75 380 0,90 0,92

06 200 380 0,90 0,92

Pág.23

Análise 1:

Com todas as cargas acionadas. Tempo total da simulação de 5h

Configurações feitas no Controlador de Demanda:

Demanda: 150 kW

Banda Superior: 10 KW

Banda Inferior: 10 kW

Tempo atuação das cargas: 30s

Resultados obtidos

Demanda Máxima 1: 153,16 kW

Demanda Máxima 2: 153,16kW


Energia Total: 760,20 kWh

Demanda Média: 152,04 kW

Limite Superior

Limite Superior Projeção da Demanda

Figura 8-Gráfico da primeira simulação. Comportamento da demanda em um intervalo.

Pág.24

Análise 2:

Com as cinco primeiras cargas acionadas. Tempo total da simulação de 5h

Configurações feitas no Controlador de Demanda:

Demanda: 150 kW







Energia Total: 714,27k Wh


Limite Superior


Figura 9-Gráfico da segunda simulação. Comportamento da demanda em um intervalo.

Pág.25

Análise 3:

Com as cinco primeiras cargas acionadas. Tempo total da simulação de 5h

Configurações do Controlador de Demanda:

Demanda: 150 kW









Limite Superior


Figura 10-Gráfico da terceira simulação. Comportamento da demanda em um intervalo.

Pág.26

Análise 4:

Com as quatro primeiras cargas acionadas. Tempo total da simulação de 5h

Configurações do Controlador de Demanda:

Demanda: 130 kW









Projeção da Demanda

Limite Superior

Limite Superior

Figura 11-Gráfico da quarta simulação. Comportamento da demanda em um intervalo.

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4.4. Possibilidades de melhoria.

O controlador implementado é dedicado somente ao controle de

demanda, mas, observando as informações que estão disponíveis nos

medidores das concessionárias, observa-se que é possível a inclusão do

controle do fator de potência através do chaveamento de bancos de

capacitores.

Além desses dois tipos de controle é possível, a exemplo de

controladores comerciais, a inclusão da programação horária das cargas,

escolhendo os horários em que as cargas serão habilitadas ou não, e nesse

sentido, implementar prioridades variáveis através dessa programação e do

rodízio das cargas ou através das entradas do CLP, recebendo informações

sobre grandezas do processo e escolhendo a carga que irá ter menor influência

na produção.

Outro item que pode ser desenvolvido é um outro método de controle, no

qual o controlador “sentiria” a tendência da ultrapassagem da demanda, como

no controle preditivo adaptativo, postergando o chaveamento das cargas até o

último momento.

5. Controladores comerciais

Os controladores de demanda disponíveis comercialmente normalmente

são de hardware dedicado, ou seja, o seu hardware é desenvolvido

especialmente para o controle de demanda. Dificilmente encontramos sistemas

abertos, utilizando como hardware, os CPs (Controladores Programáveis).

Além do controle de demanda, os sistemas comerciais também

disponibilizam o controle do fator de potência através do chaveamento de

bancos de capacitores e o controle de cargas através de programação horária.

Os métodos de controle utilizados são os mais diversos, desde janela

móvel até o controle preditivo adaptativo, alguns inclusive com vários métodos

de controle disponíveis para escolha num mesmo controlador.

Atualmente, a palavra de ordem para os fabricantes de controladores de

demanda é a conectividade, e nesse sentido, eles vem desenvolvendo cada

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vez mais a conectividade com a Internet. E o Engenheiro ou Empresa de

Engenharia que trabalhe na área de consultoria pode, hoje, instalar

equipamentos para monitoramento e/ou controle da demanda em seus clientes

e confortavelmente visualizar as informações de demanda, chaveamento das

cargas e fatura através de um micro computador conectado a Internet.

6. Considerações Finais

“Afim de se obter o máximo aproveitamento da demanda

de energia ativa contratada junto à concessionária de energia

elétrica muitas vezes se necessita de um grau mínimo de

automatismo sobre as cargas da instalação através de um

controlador digital de baixo custo do tipo CLP (controlador

lógico programável).

Independente da plataforma de hardware utilizada o

método de controle (o qual depende diretamente do método de

medição) é que irá definir o índice deste aproveitamento

permitindo ao usuário otimizar ou não os valores de contrato

bem como o número de chaveamento das cargas controladas.”(

Suppa Terada)

Afinal, será que realmente é importante o uso de um controlador de

demanda?

Em uma análise prévia, podemos ver que cada caso tem que ser

analisado individualmente. Só para citar duas idéias, vamos pensar em um

processo industrial contínuo, veremos que a demanda é praticamente

constante, com pouca ou nenhuma variação durante o dia. Nesses casos, o

controlador de demanda pouco contribuiria para o controle da demanda,

porém, ele poderia servir como um sistema de monitoramento e dessa forma

auxiliar na escolha da demanda ótima a ser contratada e numa segunda fase

auxiliaria no controle dessa demanda, otimizando o sistema elétrico da

indústria.

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Já nas indústrias seriadas, como as que trabalham por encomenda, o

controlador de demanda é um item quase que obrigatório, afinal, não é viável

contratar a demanda de acordo com a carga instalada, mas as máquinas

poderão ser ligadas todas ao mesmo tempo, pois a indústria obedece aos

pedidos encomendados e a demanda medida poderia ficar muito acima do

contratado gerando multas elevadas na fatura de energia. Nesses casos, o

controlador faria o papel de um limitador de demanda, e com o uso dos

métodos mais modernos como o preditivo adaptativo, ele poderia fazer o

rodízio automático dessas máquinas ou variar a prioridade de acordo com

variáveis colhidas no próprio chão de fábrica ou vindas do nível administrativo.

Enfim, fazendo uma análise do que foi exposto nesse trabalho, é

possível perceber o nível atual da tecnologia nacional no que diz respeito ao

gerenciamento inteligente de energia elétrica, que hoje é um insumo importante

para indústria, influindo diretamente na produtividade e na capacidade de

competir com indústrias não só nacionais como internacionais. Além de

vislumbrar um ramo para atividade do Engenheiro Eletricista, que é a

consultoria nessa área.

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7. Referências.

Brasil, Resolução ANEEL nº 456 de 29 de novembro de 2000 .

ABNT/CB-03, NBR 14522, “Intercâmbio de informações para sistemas de

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Ref. 3-0053.140, Manual Ver. 1.40, São Paulo, Julho, 2003.

Atos Automação Industrial, Conjunto de Instruções DWARE, Ref. 3-0002.160,

Manual Rev. 1.60 – São Paulo, Janeiro/2000.

Matcho, Salmanowitz, et all, Usando Delphi 2, O Guia de Referência mais

Completo, Editora Campus, Rio de Janeiro, 1996.

ESB Medidores, Manual do Usuário ver.3.2, medidor eletrônico SAGA1000,

São Paulo, Junho/2002.

Gestal, Manual do Usuário Smart Box, São Paulo, 2003.

Costa J.M., Silva L.C. E.- UNIOESTE em Energia Elétrica – Tarifação, São

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WWW.gestal.com.br 20/10/2003.

Como funciona um controlador de demanda ? Especialista on line–Site:

www.gestal.com 18/10/2003.

O que é controle preditivo adaptativo ? (Especialista on line –Site:

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