OS DESAFIOS DA IMPLANTAÇÃO DA SMART GRID NO … · Figura 18 Topologia de uma rede Bluetooth 72...

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA – SISTEMAS DE POTÊNCIA

SANDRA ALELUIA HORA DA COSTA

OS DESAFIOS DA IMPLANTAÇÃO DA SMART GRID

NO MODELO DE NEGÓCIOS DO SETOR ELÉTRICO:

PROPOSTA DE CONFIGURAÇÃO DE UMA REDE

INTELIGENTE

SALVADOR, 2014

II

SANDRA ALELUIA HORA DA COSTA

OS DESAFIOS DA IMPLANTAÇÃO DA SMART GRID NO MODELO DE NEGÓCIOS

DO SETOR ELÉTRICO:

PROPOSTA DE CONFIGURAÇÃO DE UMA REDE INTELIGENTE

Dissertação apresentada ao Departamento de Engenharia Elétrica, da

Universidade Federal da Bahia – UFBA, para requisito de obtenção

do título de Mestre em Engenharia Elétrica, junto ao Programa de

Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, área de concentração

Engenharia Elétrica. Linha de Pesquisa: Sistemas de Potência.

Orientador: Prof. Dr. Caiuby Alves da Costa

SALVADOR, 2014

III

Dedico este trabalho à todas as pessoas que acreditaram

no meu esforço e na minha capacidade de buscar os

meus sonhos.

IV

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus, pois sem Ele nada seria possível. Agradeço também aos

meus familiares pelo contínuo estímulo e valores que me ensinaram. A todos os meus

professores por exercerem esta profissão tão bela e assim puderam me passar grandes

conhecimentos que vou carregar durante toda a minha vida.

Agradeço ainda, ao meu orientador, o Prof. Dr. Caiuby A. Costa, pela sua orientação e

palavras de apoio. Ao professor Alexandre Castro, pelo tempo e ajuda. Ao CNPq, pelo apoio

financeiro durante o curso. E finalmente a todos os meus amigos e colegas pela amizade que

resiste mesmo com a distância, por suas críticas que me ensinaram a ver a vida de maneira

melhor e por estarem sempre torcendo pelo meu sucesso.

V

“Sem o esforço da luta, é

impossível a alegria da vitória.

Autor Desconhecido.

VI

LISTA DE ABREVIATURAS

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AEEG Autorità per l’Energia Elettrica e Il Gas

AES Advanced Encryption Standart

AMM Automated Meter Management

ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

ARRA American Recovery Reinvestment Act

ASEP Automação do Sistema Elétrico de Potência

AT Alta Tensão

ATM Ashynchronous Transfer Mode

BPL Broadband Open Powerline

BRICs Brasil, Rússia, Índia, China e Áfric a do Sul

BT Baixa Tensão

CO Monóxido de Carbono

CO2 Dióxido de Carbono

COP 16 16ª Sessão da Conferência das Partes



DNAEE Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica

DoE Department of Energy

EB Energy Box

EISA Energy Independence and Security Act

ENEL Ente Nazionale per l’Energia Elettrica

EPAct Energy Policy Act

ERB Estação Rádio base

ERDF Électricité Réseau Distribution France

EV ElectricVehicle

FERC Federal Energy Regulatory Comission

FFD Full Function Device

FH-CDMA

Frequency Hopping - Code-Division

Multiple Access

FIT Tarifa feed-in

FNA Federal Network Agency for Electricity, Gas, Telecommunications, Post and Railway

GEE Gases do Efeito Estufa

GGSN Gateway GPRS Support Node

GHz Gigahertz

GIS Sistema de Informação Geográfica

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System of Mobile Communications

IEA International Energy Agency

IEC International Electrotechnical Commission

VII

IED Dispositivos Eletrônicos Inteligentes

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

IHM Interface Homem-Máquina

IMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

IPv6 Internet Protocol version 6

ISM Industriais, Científicas e Médicas

ISSO/OSI Open System Intercommunication

JSCA Japan Community Alliance

kHz Quilohertz

MHz Megahertz

MME Ministério de Minas e Energia

MT Média Tensão

NGN Next Generation Networking

NLOS Non-Line-of-Sight OCDE Organization for Economic Co-operation and Development

OFGEM Office of Gas and Electricity Markets

ONU Organização das Nações Unidas

OSI Open Systems Interconnect

P&D Pesquisa & Desenvolvimento

PAN Cordenador Central

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

PLC Power Line Communication

PMP Ponto Multiponto

PRODIST Procedimentos de Distribuição

PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia

P2P Peer-to-Peer

QoS Quality of Service

RDEs Redes de Distribuição de Energia

REI Redes Elétricas Inteligentes

RFD Reduced Function Device

RI Redes Inteligentes

RS Relay Station

SE Subestação

SEP Sistema Elétrico de Potência

SG Smart Grid

SGCC State grid Corporation of China

SGDP Smart Grid Demonstration Program

SGIG Smart Grid Investment Grant

SGSN Serving GPRS Support Node

SIG Special Interest Group

SM Smart Meters

SS Subscriber Station

SSC Sistema de Supervisão e Controle

STA Station

VIII

STAmi Advanced Metering Interface

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

TIC Tecnologia da Inforção e Computação

TKIP Temporal Key Integrity Protocol UAC Unidade de Aquisição de Dados e Controle

UD Unidades Dedicadas

UE União Europeia

USB Universal Serial Bus

VoIP Voz sobre IP

WEP Wired Equivalent Privacy

Wi-Fi Wireless Fidelity

WiMAX

Worldwide Interoperability for

Microwave Access

WPA Wired Protected Access

WPA 2

(AES)

Wired Protected Access 2 (Advanced

Encryption Standard)

ZB ZigBee

ZC Coordenador Zigbee

IX

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Interação da smart grid 27

Figura 2 O sistema energético: passado, presente e futuro 28

Figura 3 Visão geral do sistema energético com o uso das SG 28

Figura 4 Modelo de rede utilizando smart grid em sete domínios 29

Figura 5 Etapas de uma rede inteligente de energia 33

Figura 6 Interações derivadas das redes inteligentes de energia 34

Figura 7 Sistema de medição inteligente 36

Figura 8 Mapa de projetos em SG no mundo 51

Figura 9 Aspectos da rede inteligente de energia 56

Figura 10 Tecnologias utilizadas na navegação dos dados na rede inteligente 57

Figura 11 Áreas de aplicação da tecnologia Zigbee 58

Figura 12 Modelo de rede ZigBee e seus elementos 60

Figura 13 Topologias da rede ZigBee 61

Figura 14 Rede comercial da tecnologia PLC 64

Figura 15 Configuração de uma rede GPRS 66

Figura 16 Exemplo de uma rede Wi-Fi 68

Figura 17 Conexão utilizando o WiMAX 70

Figura 18 Topologia de uma rede Bluetooth 72

Figura 19 Proposta da rede inteligente de energia 81

Figura 20 Modelo energético atual da geração até o consumidor final 82

Figura 21 Modelo de sistema utilizando smart grid 83

Figura A-1 Topologia da rede smart grid do estudo de caso 103

X

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Resumo da família IEEE 802.11 para Wi-Fi 67

Tabela 2 Características das tecnologias para SG 75

Tabela 3 Comparação entre as redes atuais e as redes inteligentes de energia 85

Tabela A-1 Resultados obtidos no Caso 1 104



XI

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 Custos totais dos projetos em REI por região 52

Gráfico 2 Composição estimada dos custos de um sistema de medição inteligente 78

Gráfico A-1 Hops em função do casos. 106

XII

RESUMO

Esta dissertação apresenta um estudo sobre a importância das Redes Inteligentes de Energia

no cenário do sistema energético atual, denominadas como Smart Grids. O objetivo maior

desta investigação foi propor um modelo de configuração de rede inteligente baseada nas

características das diferentes tecnologias que existem na área, através de uma pesquisa

bibliográfica. Realizou-se também uma análise comparativa dentre as principais tecnologias

que estão sendo adotadas em projetos pilotos no cenário mundial e nacional, por meio de

parâmetros pré-definidos, tais como banda, espectro, alcance, imunidade a ruídos, topologia,

custo e consumo de energia, buscando a melhoria da eficiência energética e qualidade do

sistema. Um estudo de caso foi realizado a fim de exemplificar uma das características da

smart grid, que é a sua capacidade de autorrecuperação. O referencial teórico para a

elaboração deste trabalho pauta-se em uma abordagem histórica sobre a evolução da energia

no processo de formação de desenvolvimento da sociedade e seus costumes, que adotou como

base para esta evolução os combustíveis fósseis. Os principais autores adotados neste

referencial foram Jardini (1999), Lopes (2013), Machado (2009), dentre outros. Foi abordado

também as mudanças que estão ocorrendo nas redes de distribuição de energia através da

automação dos sistemas de potência e por fim, as transformações que as redes elétricas irão

sofrer para atingir a ideia de Smart Grid, através das definições sobre seu conceito, benefícios

e potenciais barreiras que existem na adoção das redes inteligentes.

.

Palavras-Chave: Energia, Smart Grid, Sociedade, Evolução.

XIII

ABSTRACT

This dissertation presents a study about the importance of Smart Grid in the scenario of the

current energy system, known as Smart Grids. The larger goal of this research was to propose

a model of intelligent network configuration based on the characteristics of the different

technologies that exist in the area, through a literature search. Another method used was a

comparative analysis among the main technologies being adopted in pilot projects in national

and world stage, through pre-defined parameters such as bandwidth, spectrum range, noise

immunity, topology, cost and consumption energy, seeking to improve energy efficiency and

system quality. A case study was conducted to exemplify one of the features of the smart grid,

which is their ability to self-healing. The theoretical framework for the elaboration of this

agenda in a historical approach to the evolution of the energy in the formation of development

of society and its customs process, which was adopted as the basis for this evolution fossil

fuels. The principal authors were adopted in this framework Jardini (1999), Lopes (2013),

Machado (2009), among others. Was also discussed changes that are occurring in the power

distribution networks through automation of power systems and finally the transformations

that power grids will undergo to achieve the idea of Smart Grid, through the definitions of the

concept, benefits and potential barriers that exist in the adoption of smart grids.

Keywords: Energy, Smart Grid, Environmental Impact, Society.

XIV

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ................................................................................................. IV

LISTA DE ABREVIATURAS ..................................................................................... VI

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... IX

LISTA DE TABELAS .................................................................................................... X

LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................... XI

RESUMO ...................................................................................................................... XII

ABSTRACT ............................................................................................................... XIII

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ................................................................................. 17

1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 17

1.1. OBJETIVOS ............................................................................................................. 18

1.1.1. Objetivo Geral ..................................................................................................... 18

1.1.2. Objetivos Específicos ........................................................................................... 18

1.2. JUSTIFICATIVAS ................................................................................................... 18

1.3. PERCURSO METODOLÓGICO ............................................................................ 19

1.3.1. Tipo de Estudo ..................................................................................................... 19

1.3.2. Instrumento de Coleta de Dados ........................................................................ 20

1.3.3. Análise de Dados .................................................................................................. 20

1.3.4. Sujeitos da Pesquisa ............................................................................................ 20

1.3.5. Aspectos Éticos da Pesquisa ............................................................................... 20

1.4. ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ................................................................. 21

1.5. CONCLUSÕES .......................................................................................................21

CAPÍTULO 2 – SMART GRID E ALTERNATIVAS USUAIS ............................... 25

2. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 25

2.1. O CONCEITO DE SMART GRID .......................................................................... 26

2.2. DIFICULDADES DE UMA SMART GRID ........................................................... 30

2.3. MOTIVOS PARA IMPLANTAÇÃO DA SMART GRID ...................................... 31

2.4. IMPACTOS DA IMPLEMENTAÇÃO DAS REDES INTELIGENTES DE ENERGIA

......................................................................................................................................... 33

2.5. MEDIDORES INTELIGENTES .............................................................................. 36

2.6. REGULAÇÃO BRASILEIRA PARA SMART GRID ............................................ 37

2.7. SMART GRID NO CENÁRIO MUNDIAL ............................................................ 40

2.7.1. Europa .................................................................................................................. 40

2.7.1.1. Itália .................................................................................................................... 41

2.7.1.2. Portugal ............................................................................................................... 42

XV

2.7.1.3. França ................................................................................................................. 43

2.7.1.4. Holanda ............................................................................................................... 43

2.7.1.5. Dinamarca ........................................................................................................... 44

2.7.1.6. Espanha ............................................................................................................... 44

2.7.1.7. Alemanha ............................................................................................................ 45

2.7.1.8. Reino Unido ........................................................................................................ 46

2.7.2. Estados Unidos ..................................................................................................... 47

2.7.3. Ásia-Pacífico ......................................................................................................... 49

2.7.3.1. China ................................................................................................................... 49

2.7.3.2. Índia .................................................................................................................... 49

2.7.3.3. Japão ................................................................................................................... 50

2.7.3.4. Coréia do Sul ...................................................................................................... 50

2.8. O BRASIL NO CONTEXTO DAS REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES ........ 51

2.9. CONCLUSÕES ........................................................................................................ 55

CAPÍTULO 3 – TECNOLOGIAS PARA SMART GRID ........................................ 57

3. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 57

3.1. A REDE ZIGBEE ..................................................................................................... 58

3.1.1. Funções Lógicas dos Dispositivos da Rede Zigbee ........................................... 59

3.1.1.1. Dispositivo Coordenador .................................................................................... 59

3.1.1.2. Dispositivo Roteador .......................................................................................... 59

3.1.1.3. Dispositivo Final ................................................................................................ 59

3.1.2. Topologias da Rede ZigBee ................................................................................. 60

3.1.2.1. Topologia Estrela ................................................................................................ 60

3.1.2.2. Topologia Árvore ............................................................................................... 60

3.1.2.3. Topologia Malha ................................................................................................ 61

3.1.3. Formação da Rede Zigbee .................................................................................. 61

3.2. TECNOLOGIA POWERLINE COMMUNICATION - PLC .................................. 62

3.2.1. Características do PLC ....................................................................................... 63

3.2.2. Funcionamento .................................................................................................... 64

3.3. TECNOLOGIA GENERAL PACKET RADIO SERVICE – GPRS ....................... 65

3.3.1. Características GRPS .......................................................................................... 65

3.3.2. Funcionamento .................................................................................................... 66

3.4. TECNOLOGIA WI-FI – IEEE 802.11 ..................................................................... 67

3.4.1. Características ..................................................................................................... 67

3.4.2. Funcionamento .................................................................................................... 68

3.4.3. Vantagens ............................................................................................................. 69

3.5. TECNOLOGIA WORLDWIDE INTEROPERABILITY FOR MICROWAVE ACCESS

– WiMAX ........................................................................................................................ 69

3.5.1. Funcionamento .................................................................................................... 69

3.5.2. Topologias ............................................................................................................ 70


3.6. TECNOLOGIA BLUETOOTH – IEEE 802.15 ....................................................... 72

XVI

3.6.1. Funcionamento .................................................................................................... 72


3.7. CONCLUSÕES ........................................................................................................ 74

CAPÍTULO 4 – DESENVOLVIMENTO DA PROPOSTA E ANÁLISE

COMPARATIVA: SMART GRID VS REDES ATUAIS ......................................... 77

4. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 77

4.1. DESENVOLVIMENTO DA PROPOSTA .............................................................. 77

4.2. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE SMART GRID E A REDE ATUAL .......... 82

4.3. CONCLUSÕES ........................................................................................................ 86

CAPÍTULO 5 – CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ....................................... 87

REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 89

APÊNDICE A – ESTUDO DE CASO – CONTROLE DO FLUXO DE ENERGIA EM

UMA SMART GRID ................................................................................................... 100

17

CAPÍTULO 1

1. INTRODUÇÃO

Para gerar uma mudança econômica significativa em um modelo atual é preciso que se

invista em infraestrutura. Há algum tempo atrás esta afirmativa seria sinônimo de grandes

obras com estradas, viadutos e aeroportos, entretanto, na atualidade, ela afirma um amplo

investimento em tecnologias mais inteligentes e eficazes para que estes possam modernizar o

tradicional modelo econômico.

Um exemplo seria o desenvolvimento das redes de energia nos próximos anos até que

possam atingir o conceito de Smart Grid (SG), este, fundamentalmente prevê a aplicação de

técnicas mais avançadas de telecomunicações e automação no setor elétrico, o que irá gerar

impactos ambientais menos agressivos (JONHSON, 2010).

O cenário para o desenvolvimento futuro da energia está sendo bastante impulsionado

pela automação inteligente das redes de energia elétrica, o que irá gerar uma grande mudança

na operação da rede. O termo smart grid, ou simplesmente redes inteligentes (RI), está sendo

apontado como a maior tendência para o novo modelo do sistema energético.

Com a modernização da economia, o preço do petróleo e seus derivados - as principais

fontes geradoras de energia no cenário mundial – embora haja usualmente tendência alta e

com a notável escassez da oferta de energia pelo mundo, as pressões tanto ambientais quanto

econômicas estão se tornando maiores no que diz respeito às perdas de energia na entrega ao

consumidor final (XIN-WEI, D.; QUIANG, Y., 2010).

Neste trabalho foi realizado um estudo aprofundado sobre as Redes Inteligentes de

Energia, Smart Grid, para que se possa mostrar os detalhes da fundamentação teórica e da

implantação deste novo conceito no setor elétrico. Também se desenvolveu uma proposta de

uma Configuração de Redes Inteligentes que contribua para melhorar a qualidade dos

serviços, a confiabilidade do sistema elétrico e a redução do desperdício de energia. Ao final,

no Apêndice A, foi realizado um breve estudo de caso, objetivando reduzir o números de hops

em uma rede SG em caso de falha, a fim de comprovar a capacidade de autorrecuperação do

sistema que as redes inteligentes possuem.

18

1.1. OBJETIVOS

1.1.1. Objetivo Geral

Fazer um estudo aprofundado sobre o conceito de Smart Grid, a fim de viabilizar a

proposta de desenvolvimento de uma Rede Inteligente de Energia.

1.1.2. Objetivos Específicos

Contribuir na elaboração de uma Rede Inteligente de Energia, incluindo

funcionalidades e requisitos, padronização das tecnologias, adequação da legislação e

regulamentação de um programa avançado de capacitação;

Fazer uma análise comparativa entre as redes de energia atuais e as redes inteligentes e

mostrar as transformações e os benefícios que a última proporciona;

Desenvolver uma proposta de modelo de configuração de uma rede inteligente de

energia, por meio da análise comparativa entre as tecnologias existentes.

1.2. JUSTIFICATIVAS

Com o aumento da demanda por energia, da pressão sobre a conservação do meio

ambiente, a modernização da economia mundial e as perdas técnicas e não-técnicas de energia

devido à baixa eficiência do atual sistema energético, faz surgir à necessidade da busca por

novas soluções para que estes sejam capazes de operar de maneira mais eficiente e que este

novo conceito não interfira nas normas regulamentadoras do setor que já existem. Neste

intento, a migração do atual modelo de sistema para um capaz de oferecer segurança,

confiabilidade, fonte de alimentação de alta qualidade, conservação dos recursos ambientais e

que possa se adaptar aos vários tipos de geração de energia elétrica é imperativo para que as

problemáticas existentes do sistema atual sejam minimizadas (XIN-WEI, D.; QUIANG, Y.,

2010).

Para este efeito, grandes empresas do setor de energia em muitos países estão migrando

suas tecnologias para uma topologia de redes multidirecionais, principalmente devido aos

incentivos governamentais (JONHSON, 2010).

19

1.3. PERCURSO METODOLÓGICO

Para Goldemberg (1999), a pesquisa é a edificação do conhecimento original de acordo

com certas exigências científicas. Para que seu estudo seja considerado científico é preciso

que se obedeça aos critérios de coerência, consistência, originalidade e objetivação.

Observando de maneira mais filosófica, Minayo (1996), analisa a pesquisa como:

―Uma atividade básica das ciências na sua indagação e descoberta da

realidade. É uma atitude e uma prática teórica de constante busca que define

um processo intrinsecamente inacabado e permanente. É uma atividade de

aproximação sucessiva da realidade que nunca se esgota, fazendo uma

combinação particular entre teoria e dados‖.

A pesquisa também é inserida como uma atividade cotidiana, considerando-a como uma

atitude, isto é, ―um questionamento sistemático crítico e criativo, mais a intervenção

competente na realidade, ou o diálogo crítico permanente com a realidade em sentido teórico

e prático‖ (DEMO, 1996).

Desta maneira, a pesquisa científica seria a realização concreta de uma investigação

planejada e desenvolvida baseada nas normas consagradas pela metodologia científica.

Metodologia esta, que é entendida como um conjunto de etapas ordenadamente disposta que

se deve vencer na investigação de um determinado objeto de estudo e/ou fenômeno. Ela está

composta pelo tema escolhido, o planejamento da investigação, o desenvolvimento

metodológico, a coleta e a análise dos dados e dos resultados, a elaboração das conclusões e

premissas futuras e, por fim, a divulgação dos resultados obtidos.

1.3.1. Tipo de Estudo

Este trabalho é uma pesquisa bibliográfica, pois de acordo com Gil (1996), a pesquisa

bibliográfica refere-se à leitura, análise e interpretação de livros, periódicos, documentos

mimeografados ou xerocopiados, mapas, fotos, manuscritos, etc. Quaisquer materiais que

devem ser submetidos a uma triagem para que se possa estabelecer um plano de leitura que

poderá servir como fundamentação teórica ao estudo realizado.

Como instrumento complementar no estudo da problemática apresentada, foi realizada

uma análise de documentos das determinações legais que norteiam esta pesquisa – Lei nº

9.427/1996, Resolução Normativa nº 517/2012 e ainda, a Norma IEC 61850, com a intenção

de compreender a normas que regem a geração, transmissão, distribuição e comercialização

20

da energia, bem como os novos procedimentos que deverão ser adotados como pilares para a

implantação efetiva das redes inteligentes.

1.3.2. Instrumento de Coleta de Dados

Para Santana (2003), existem dois tipos de dados: primários e secundários. Dados

primários são aqueles obtidos a partir de informações do próprio pesquisador e os secundários

são os dados já existentes, que podem ser utilizadas nas pesquisas científicas. Neste trabalho

foram utilizados os dados primários e secundários, visto que os mesmos foram obtidos através

de artigos, consulta a revistas e jornais especializados em redes inteligentes de energia, livros

e meios eletrônicos e ainda através de simulações em ambiente virtual, desenvolvidas pelo

próprio autor da pesquisa.

1.3.3. Análise de Dados

Para Minayo (1996), a etapa de análise de dados é uma fase muito importante para a

pesquisa, pois possibilita uma maior absorção do conteúdo que foi adquirido, o que contribui

para um maior conhecimento sobre o assunto pesquisado. Neste trabalho, foi feita a análise

dos dados adquiridos e interpretadas as informações, tendo como base os preceitos contidos

na fundamentação teórica, a qual norteou o desenvolvimento deste estudo.

1.3.4. Sujeitos da Pesquisa

Este estudo foi integrado pela própria estudante que está matriculada no Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Elétrica, da Universidade Federal da Bahia, que tem conhecimento

sobre a crescente importância do conceito de Smart Grid e da necessidade de se implantar esta

tecnologia na atual modelo energético do país para se possa oferecer melhorias e

confiabilidade na distribuição de energia.

1.3.5. Aspectos Éticos da Pesquisa

Este trabalho foi fundamentado nas determinações da Autarquia criada pela Lei 9.427 de

26/12/1996, com a finalidade de regular e fiscalizar a produção, transmissão, distribuição e

comercialização de energia elétrica, de acordo com a legislação e em conformidade com as

diretrizes e as políticas do governo federal.

A pesquisa foi realizada após análise e aprovação da Banca de Qualificação deste que foi

integrada pelos professores da Universidade Federal da Bahia, visando assim, pela liberdade,

21

dignidade e integridade da participante desta pesquisa e ainda acompanharam o

desenvolvimento da mesma, tendo caráter consultivo e educativo.

1.4. ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO

O presente trabalho está disposta em 5 capítulos e um apêndice. O primeiro capítulo trata

da introdução, mostrando os principais aspectos a serem abordados no mesmo, a metodologia

adotada bem como a justificativa para a escolha deste tema.

O segundo capítulo trata do conceito de redes inteligentes de energia, e também o conceito

de medidores inteligentes, equipamento crucial na implantação das smarts grids, mostra ainda

como se encontra a regulamentação brasileira em relação a este conceito e as iniciativas em

redes inteligentes de energia no mundo e no Brasil assim como as perspectivas futuras.

Já o capítulo três apresenta algumas das tecnologias que já existem nas telecomunicações

que podem ser utilizadas para viabilizar as redes inteligentes. O capítulo quatro mostra os

detalhes do desenvolvimento da proposta de uma arquitetura para smart grid e uma análise

comparativa entre as redes inteligentes e as redes atuais de energia.

O quinto capítulo expõe as conclusões obtidas da fundamentação teórica e análise

comparativa, assim como as recomendações futuras que este trabalho pode proporcionar,

através do plano de redes inteligentes.

O apêndice A mostra um breve estudo de caso que foi realizado a fim de comprovar a

capacidade de autorrecuperação que as redes inteligentes de energia possuem em caso de

algum tipo de falha no sistema.

1.5. CONCLUSÕES

Os combustíveis fósseis são ainda responsáveis pela maior parte da matriz energética

mundial e ainda movem boa parte do setor econômico das principais potências. Porém esta

forma de energia é finita e altamente poluente. Estes fatores acrescidos das crises geopolíticas

entre os principais produtores do petróleo intensificam os problemas causados ao meio

ambiente e a urgência na mudança da atual matriz energética pela busca de fontes mais

limpas, renováveis e inteligentes, que não coloquem em risco o futuro das próximas gerações.

A era do petróleo está cada vez mais ameaçada e gerando mudanças de enfoque nas principais

22

empresas petrolíferas do mundo, voltando estas para o desenvolvimento de tecnologias limpas

(CORDIS, 2009).

As pressões de instituições ambientais se tornaram ainda mais fortes nos últimos anos,

forçando os governos de todo o mundo a acelerar a diminuição das emissões de gases

poluentes e assim investir em novos recursos energéticos, dando início a pesquisas e

investimentos em redes inteligentes de energia. Muitos países na União Europeia já se

comprometeram em reduzir estas emissões em até 20% até antes do ano de 2020. Após a não

eficiência na resolução do Protocolo de Quioto, as grandes potências mundiais se reúnem,

numa Conferência Internacional sobre as Mudanças Climáticas no Mundo para tratar e impor

a todos os países taxas de reduções dos gases poluentes do efeito estufa a fim de minimizar os

efeitos do aquecimento global sobre a Terra, encontro este, sem muito sucesso, apenas uma

declaração de intenções dos líderes participantes (MUNIZ, 2009).

Em 2010, em Cancun, ocorreu a 16ª Sessão da Conferência das Partes (COP 16), esta

reunião resultou num acordo mínimo, concluído rapidamente por um número irrisório de

governantes, comprometendo-se a reduzir as emissões de CO2 na atmosfera, de forma

voluntária, porém, mais uma vez não foram especificadas as maneiras de como estas metas

seriam alcançadas (BARBOSA, 2010). Em novembro de 2012, foi realizada a COP 18, em

Doha, Qatar, país considerado como o maior emissor per capita de dióxido de carbono (ONU,

2012) e em novembro de 2013 foi realizada a COP 19, na Polônia (UNFCCC, 2013).

As energias alternativas causarão um grande impacto positivo na economia mundial o que

implicará numa maior oferta de empregos. Foram analisados diversos setores da economia e o

resultado comprova que é imperativo se investir nestas fontes limpas para poder se obter o

máximo potencial delas. O uso das energias limpas mais inovadoras, apesar de exigiram um

suporte financeiro maior, trarão um retorno significativo para a economia o que permitirá

atingir as metas futuras das energias alternativas e a oferta de empregos também será melhor,

diante dos investimentos nestas novas tecnologias (CORDIS, 2009).

Com o objetivo de estimular a matriz energética com o uso das energias alternativas, o

governo brasileiro criou em abril de 2002 o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas

(PROINFA), em 2003 o Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel para promover a

implantação sustentável e econômica a produção e uso do biodiesel, enfocando na inclusão

social, garantindo preços e qualidade. A Lei 10.762 de 11 de Novembro de 2003 estende os

23

benefícios do desconto tarifário aos empreendimentos com base em fontes solar, eólica e

biomassa (sendo de potência instalada menor ou igual a 30.000 kW).

O Decreto nº 6.048 de Fevereiro de 2007, assegurando às distribuidoras, nos leilões

públicos de compra de energia, o repasse integral da aquisição, como valor máximo sendo

definido pela ANEEL, Resolução Normativa nº 482 de 17 de abril de 2012 (modificada pela

Resolução Normativa nº 517 de 11 de dezembro de 2012), estabelecendo condições gerais

para o acesso de micro e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia, entre

outras medidas. Além de proporcionar esta diversificação considerável na economia do país e

reduzir as emissões de gases poluentes na atmosfera (MME, 2012).

Para que a sociedade evolua para um modelo de desenvolvimento sustentável é preciso

acontecer revisões do seu comportamento em relação a este novo paradigma. O homem já

despertou parcialmente para este problema, mas ainda há muito para ser feito em termos de

educação e cooperação entre os povos e em termos de meio ambiente.

O conhecimento que o homem tem sobre o funcionamento do planeta Terra até então é

pequeno, mas é suficiente para saber que é preciso aprender a habitá-lo e usufruí-lo de

maneira consciente e responsável, preparando-o para que possa continuar sustentando

gerações futuras.

As agressões que o mundo sofreu durante todos estes anos com a ação do homem no

desenvolvimento da sociedade tiveram um grande impacto ambiental e hoje a Terra mostra o

que está por vir se nada for feito mediante ao alarmante quadro de devastação. A era do ―ouro

negro‖ não irá durar para sempre, mesmo com a descoberta de novas jazidas de petróleo na

camada do pré-sal, de acordo com as estatísticas de especialistas (ONU, 2012).

O momento exige por parte dos governos e da sociedade uma revisão dos costumes e

interesses de tal forma que surja uma nova mentalidade e um compromisso com o futuro. É

preciso apressar as soluções necessárias e mudar a percepção de progresso enquanto ainda há

tempo.

O mundo não consegue mais absorver os gases provenientes da sua combustão,

intensificando o aquecimento global que somado aos problemas geopolíticos que os grandes

países produtores de petróleo, acometem numa mudança imediata da matriz energética

mundial. Por isso que o uso das fontes alternativas e redes inteligentes de energia cada vez se

torna mais imperativo e imediato, garantindo assim uma melhoria tanto na expectativa de vida

24

na Terra quanto na qualidade da mesma e fazendo com que a sociedade, através do

desenvolvimento sustentável, consiga suprir suas necessidades.

É importante ressaltar que para que o processo de mudança do atual sistema de energia,

também atinge as redes de distribuição, estas que já sofreram melhorias, como a automação, o

que possibilitou inúmeras vantagens para o sistema energético, dentre as quais se podem

destacar a rapidez na detecção e localização de falhas, maior flexibilidade na operação,

diminuição do tempo de corte e religamento, monitoramento das variáveis do sistema, o

controle de cargas interruptivas, menor custo operacional, redução das perdas e priorização de

ações de manutenção preventiva.

Entretanto, o maior desafio será promover a interoperabilidade entre os inúmeros

protocolos de comunicação que existem ao logo de toda a rede de distribuição. Uma possível

solução para este grande número de protocolos, proposta com a implantação das redes

inteligentes, é utilizar um padrão único que especificasse todos os parâmetros dos dispositivos

eletrônicos inteligentes - IEDs, permitindo a comunicação entre eles, que ficou conhecido

como Redes de Comunicação e Sistemas em Subestações - IEC 61850. Esta padronização está

sendo adotada como um dos pilares para a implantação das smart grids como solução para

estas barreiras tecnológicas (LOPES et al., 2012).

A IEC 61850 visa propor uma solução simples para integrar a comunicação entre os

dispositivos comum a todos os fabricantes, o que possibilitará um melhor controle em tempo

real da rede de distribuição e, permitirá que a tecnologia evolua ao longo dos anos, pois ela

possibilita as atualizações dos softwares. Esta norma abrange todos os níveis de comunicação

e fornece métodos para a promoção das melhores técnicas de proteção, controle, integração,

monitoramento e padronização, seguindo uma hierarquia iniciada pelo dispositivo físico no

nível mais elevado até o menor nível.

O setor elétrico busca constantemente pelo aperfeiçoamento tecnológico, principalmente

devido a vulnerabilidade deste sistema (STRACHMAN, 2005). As evoluções das RDEs

devem continuar, principalmente com o advento das redes elétricas inteligentes, ou Smart

Grids, que estão mudando o modelo do sistema energético da atualidade.

25

CAPÍTULO 2: SMART GRID E ALTERNATIVAS USUAIS

2. INTRODUÇÃO

A indústria elétrica é considerada uma das mais essenciais para a sociedade devido a total

dependência deste produto – eletricidade – para a execução das atividades do cotidiano. Os

avanços tecnológicos feitos por esta indústria tinham se concentrado até o momento em

aproveitar os benefícios de economias de escala e escopo e também no avanço das redes de

transmissão com a evolução da transmissão através de correntes contínuas e alternadas. Porém

não tinha sido observado nenhum avanço expressivo na direção de implementação de

tecnologias de informação como forma de aumentar a eficiência do sistema.

Contudo esta realidade começou a ser modificada nos últimos anos, devidos os avanços

em direção de tecnologias que possibilitem uma melhor gestão do sistema e que promova

ganhos de eficiência, visto que o principal desafio deste século será conseguir suprir o

crescimento da demanda respeitando os limites ambientais que serão impostos. Essa

tecnologia chamada de Smart Grid promete ser o novo cenário da indústria elétrica (HICKS,

2012).

As smarts grids são um conjunto de tecnologias que, se forem utilizadas de forma

adequada, com as especificidades e prioridades do país, poderão de forma significativa

aumentar a eficiência do sistema energético. A saber, as principais inovações tecnológicas que

as SGs propõem: instalação de medidores inteligentes, que possibilitam a medição em tempo

real, utilização de tarifas diferenciadas para períodos de pico e vale como estímulo ao

consumidor, aumento expressivo da capacidade de armazenamento de dados, possibilidade de

geração a partir de fontes renováveis (principalmente eólica e solar) em pequena escala etc.

Este trabalho visa elucidar as perspectivas e desafios da implementação destas tecnologias

respeitando as características de cada sistema. Principalmente os desafios referentes às

mudanças que serão impostas aos reguladores neste novo contexto marcado pelo dinamismo,

visto que a estrutura das relações observadas nas redes tradicionais se difere muito dos novos

tipos de relação que as smarts grids propõem.

As atuais redes têm relações muito mais estáticas e indiretas, a começar pelo consumidor

que não possui informações sobre o sistema e não tem nenhuma participação na geração, com

as smarts grids esse quadro se modifica substancialmente, o consumidor passa a ter um perfil

26

dinâmico, tendo acesso a várias informações, participando das relações diretas inclusive na

geração.

Já em relação à operação do sistema, sua confiabilidade e qualidade, as redes atuais

possuem mecanismos para esta coordenação muito limitados, diferente da proposta que as

smarts grids trazem para a operação do sistema, sua confiabilidade e qualidade são feitos em

tempo real, com mecanismos avançados para restaurar qualquer dano que haja na rede,

tentando minimizar ao máximo as perdas dos consumidores. A ação das smarts grids é pró-

ativa e não reativa, como as atuais (HICKS, 2012).

Pelo exposto é possível perceber que os desafios em reorganizar a estrutura regulatória

após esses avanços tecnológicos serão proporcionais às mudanças que esta nova tecnologia

propõe, principalmente no que concerne aos novos tipos de relação que serão criados,

destacando se a interface direta com o consumidor.

2.1. O CONCEITO DE SMART GRID

A definição para Smart Grid, de acordo com a International Energy Agency (IEA, 2011) é

―Smart Grid é uma rede de energia que usa tecnologia digital para monitorar e gerenciar o

transporte de eletricidade a partir de todas as fontes de geração encontrando uma variedade de

demandas e usuários.‖ Ou ainda, pela definição do DoE ―Trata-se de um conceito abrangente,

fazendo uso de diversas tecnologias para controlar, através da automação e comunicação de

toda a rede elétrica, o que propicia uma infraestrutura mais integrada entre geração,

transmissão e distribuição de energia.‖ (DoE, 2010).

A figura 1 mostra as áreas que as SG interagem. As smart grids fornecem uma

oportunidade de ligação social, financeira, tecnológica, regulamentar, bem como objetivos

políticos.

27

Figura 1: Interação da smart grid (Modificado de EIA, 2011).

A tecnologia Smart Grid possibilita tornar as redes de energia comuns em redes de

energia inteligentes. No cenário atual, a transmissão de energia é feita de tal forma que esta

trabalha em uma via única, com outras palavras, parte das centrais geradoras para o

consumidor (cliente), e as redes necessitam trabalhar continuamente, já que não é viável ter o

conhecimento sobre a real demanda de cada cliente (SLOOTWEG, H; ENEXIS, B. V., 2009).

Outra dificuldade no atual sistema elétrico é que o mesmo é bastante vulnerável a falhas.

Quando ocorre a interrupção de um braço da rede, esta irá estabelecer um efeito cascata, pois

não é possível formar rotas alternativas para que o fluxo de energia possa chegar ao destino

final, não obstante as distribuidoras só têm o conhecimento de tal falha quando os

consumidores começam a registrar reclamações sobre a falta de energia. A figuras 2 apresenta

um esquemático entre o passado, o presente e o futuro do setor.

28

Figura 2: O sistema energético: passado, presente e futuro (Modificado de EIA, 2011).

A figura 3 a seguir mostra como será o sistema energético com o uso das redes

inteligentes de energia.

Figura 3: Visão geral do sistema energético com o uso das SG (LOPES et al, 2012).

A smart grid irá proporcionar um feedback do consumidor para a distribuidora de energia.

Através de tecnologias digitais, as distribuidoras poderão estabelecer uma comunicação

constante com os clientes, gerando o controle mas eficiente da energia, a identificação de

falhas em tempo real além do controle dos inúmeros equipamentos que estão conectados à

29

rede, tornando-as redes com maior confiabilidade e qualidade, as principais exigências do

mercado atual (LI, F. et al, 2010).

Esta tecnologia trará grandes melhorias na parte operacional e a possibilidade de se

oferecer novos recursos para se reduzir a grande taxa de desperdício de energia. Porém,

mesmo com todos estes benefícios, o smart grid enfrenta ainda muitas dificuldades para a sua

implantação em larga escala, e a principal é o custo desta adoção. É necessário que as

concessionárias façam grandes investimentos em infraestrutura de telecomunicações e

sistemas de informação (SWEET, W., 2009).

A implantação deste princípio irá abranger qualidades que serão capazes de consentir a

transição da atual matriz energética para as fontes renováveis, contendo tecnologias que

possibilitem a interatividade do cliente com o sistema, além de preços de energia que

modificam de acordo com o horário em que a energia for consumida e a utilização de carros

elétricos em detrimento daqueles que empregam derivados dos combustíveis fósseis. Outras

novidades, como o detalhamento da conta de luz, distinguindo exatamente quanto e a que

horas foi o consumo de cada dispositivo, que irá possibilitar assim a diminuição do uso da

energia, também fazem parte deste conceito (LU, J.; XIE, D, 2009). A figura 4 mostra uma

estrutura de rede com smart grid, nela, nota-se que esta configuração permite mudanças

significativas no modelo energético da atualidade.

Figura 4: Modelo de rede utilizando smart grid em sete domínios (Adaptado de NIST7628, 2010).

Este modelo está disposto em sete domínios. O domínio de Geração está relacionado com

a produção em larga escala de energia elétrica, sejam de fontes renováveis ou não-renováveis.

Este domínio também realiza o armazenamento de energia para o caso de algum contratempo.

Na transmissão, é feito o transporte da energia das centrais geradoras até o cliente, por meio

30

de linhas de transmissão. Neste domínio, o gerador é conectado aos centros através das

subestações (RIBEIRO, 2010).

O domínio de distribuição possui as subestações e realiza a distribuição da energia para o

cliente final. Aqui é que se deve conectar os medidores inteligentes entre a rede e o

consumidor para que possam ser controlados e gerenciados. O consumo é responsável pela

comunicação entre usuário e rede, por meio dos Smart Meters (SM), isto é, medidores

inteligentes. Dispositivos que fornecem informações sobre o consumo de energia em tempo

real às concessionárias e aos clientes, possibilitando que os mesmos possam controlar seus

gastos da forma mais apropriada (RIBEIRO, 2010).

Na operação há o gerenciamento e o controle da energia em todas as outras operações,

utilizando uma rede de comunicação em duplo sentido, sendo muito importante em tomadas

de decisões e correção de erros no sistema. No domínio do mercado existe a coordenação das

empresas distribuidoras de energia elétrica, bem como o controle da troca de energia entre

subestação e cliente final. Por último, existe o domínio do provedor de serviço que controla

todas as ações de empresas terceirizadas (RIBEIRO, 2010).

2.2. DIFICULDADES DE UMA SMART GRID

Esta tecnologia trará grandes melhorias na parte operacional e a possibilidade de se

oferecer novos recursos para se reduzir a grande taxa de desperdício de energia. Porém,

mesmo com todos estes benefícios, a SG enfrenta ainda muitas dificuldades para a sua

implantação em larga escala e, a principal, é o custo desta adoção. É necessário que as

concessionárias façam grandes investimentos em infraestrutura de telecomunicações e

sistemas de informação (SWEET, 2009).

Outra barreira para implantação da SG é a sua regulamentação, pois ainda não existe nada

de concreto com relação a operação das redes inteligentes, a redução das emissões de carbono

podem gerar um aumento de cargas parasitas durante a etapa de transmissão de energia assim

como uma diminuição tanto da potência reativa como nas cargas das redes de transmissão e

distribuição (PNNL, 2010).

Há ainda os desafios relacionados à interoperabilidade dos sistemas (na comunicação dos

dispositivos inteligentes) que farão parte da rede inteligente, determinação de um novo

horário de pico para definir a horossazonalidade e ajustes de sensibilidade do medidor

(DUTRA, et al., 2013), promoção da segurança dos dados que irão trafegar na rede (cyber-

31

security), equipamentos inteligentes com suporte às funcionalidades desejáveis, comitê de

acompanhamento (CGEE, 2012).

Devido ao número de soluções tecnológicas já existentes e, como não se pode definir

apenas uma como padrão de aplicação, há a barreira de fazer todo o mapeamento das regiões

(por parte das concessionárias) para definir quais as melhores tecnologias a serem adotadas

(DUTRA, et al., 2013).

A integração das fontes renováveis de energia, possibilitando a micro e minigeração,

desafio este que já está sendo superado, pela aprovação da Resolução Normativa nº 482, de 17

de Abril de 2012 e da Resolução Normativa nº 517, de 11 de Dezembro de 2012,

estabelecendo as condições gerais para o acesso da mini e microgeração distribuída, sendo

que a última altera a Resolução nº 482 e o Módulo 3 dos Procedimentos de Distribuição

(ANEEL, 2012n).

Novos padrões de serviços e o perfil do novo consumidor. Estas mudanças na matriz

energética possibilitarão que os usuários deixem de ser agentes passivos e agora atuem como

agentes ativos no sistema, pois eles serão também produtores de energia, o que acaba se

tornando uma incógnita, pois não se sabe como será o seu papel de protagonista no sistema

(ALCANTARA, 2012b).

Desafios relacionados ao gerenciamento da demanda e quanto à tarifação dinâmica. É

preciso ações regulatórias relativas às tarifas (as mesmas devem variar deverão surgir para

beneficiar o sistema) e ainda com relação a geração distribuída da energia (BANDEIRA,

2012).

2.3. MOTIVOS PARA IMPLANTAÇÃO DA SMART GRID

Com relação aos benefícios que as SGs podem gerar, tem-se (FALCÃO, 2010):

Geração distribuída, pois as SGs irão proporcionar a microgeração (eólica, solar,

biomassa, etc.) nas proximidades das cargas, sendo necessária formas para balancear

carga e geração, permitindo também o armazenamento de energia;

Eficiência energética. Com a diminuição do pico de carga nos horários de maior

consumo, o que proporcionará a redução dos custos tanto para as centrais quanto para

os consumidores;

Uso de novas tecnologias para aperfeiçoar a rede, como medidores inteligentes,

sistemas de controle e de telecomunicações;

32

Monitoramento eficiente dos consumidores da rede para evitar furtos de energia;

Programas inteligentes capazes de programar eletrodomésticos para que funcionem de

forma mais eficiente;

Evitar apagões. O sistema energético atual é vulnerável em relação aos blackouts e,

este problema aumenta à medida que a demanda por energia cresce, sobrecarregando a

rede;

Possibilidade de cálculos para a redução das emissões de gases poluentes da

atmosfera;

Diminuição destes gases, em virtude do aumento da microgeração, baseada em fontes

alternativas de energia;

As redes inteligentes de energia tornarão o sistema elétrico mais protegido no que diz

respeito às falhas da rede e bem preparado para enfrentar problemas de causas

naturais, além de conseguir se autorrecuperar rapidamente;

Controle do sistema em tempo real e gerenciamento da demanda, possibilitando maior

confiabilidade do sistema (HICKS, 2012);

Sensores, atuadores e controladores que permitirão um número maior de

processamento de dados;

Chaveamento eletrônico de potência, menor custo operacional, uso otimizado dos

ativos de rede com menores investimentos;

Melhor relação custo-benefício para as concessionárias e clientes finais;

Sistema de controle com vários níveis de decisão e hierarquia bem definida (VALE,

2009);

Existência de medidores inteligentes, Smart Meters (KIRKHAM, 2009);

Possibilidade de operação da rede de modo isolado (CHEN et al., 2009);

Integração de novos sistemas de comunicações (LOBO, 2008);

Tolerância a ataques externos, sendo capaz de mitigar e resistir a ataques físicos e

virtuais (FALCÃO, 2010).

A figura 5 mostra as etapas de uma rede inteligente de energia.

33

Figura 5: Etapas de uma rede inteligente de energia (CEMIG, 2012).

Nota-se a interação entre os diversos elementos da rede sendo adaptados às redes

inteligentes. Além destes benefícios, o consumidor comum após gerar a própria energia,

poderá comercializar o excedente de energia, caso seja produzido mais que o necessário,

ajustando um desconto na conta de luz. As usinas térmicas a óleo diesel ou carvão mineral

deixarão de ser empregadas. O cultivo da geração limpa de eletricidade serão unânimes.

Como os carros elétricos são a tendência mundial, estes utilizarão baterias permitindo a venda

da energia armazenada à rede nacional (LI, F. et al, 2010).

2.4. IMPACTOS DA IMPLEMENTAÇÃO DAS REDES INTELIGENTES DE ENERGIA

O novo modelo do sistema energético visa maior interatividade entre os equipamentos da

rede, sendo capaz de promover melhor a administração do sistema, dos níveis de pico do

consumo, maior eficiência e qualidade da energia. Ainda não é possível dizer os verdadeiros

impactos que este novo paradigma trará, pois é uma tecnologia nova e poucos países

avançaram nas suas pesquisas e implantações. Alguns destes impactos que vem sendo

discutidos são (RIBEIRO, 2011).

Gerenciamento da demanda e tarifação dinâmica, através de buscas pela padronização

do consumo, podendo conter os picos de energia em curto prazo e, em longo prazo

podem reduzir a demanda;

Fiscalização e monitoramento das fases de geração, transmissão, distribuição e

consumo de energia, preocupações que devem ser consideradas a fim de garantir a

34

qualidade em toda rede elétrica. A rede conseguirá se comunicar com um centro de

controle garantindo entrega da energia de forma eficaz ao consumidor final;

Segurança cibernética e privacidade dos consumidores, o que se torna como o maior

desafio das redes inteligentes: manter a integridade e privacidade das informações ao

longo da smart grid, colocando em pauta a natureza pública e privada das informações

dos clientes;

Novos padrões de serviço de distribuição, consumo e comercialização. O usuário é

capaz de redefinir seu papel na rede de energia, bem como as atividades de consumo

paralelas (distribuição e comercialização).

Com base na figura 6, percebe-se como as SGs irão dinamizar o sistema de energia, por

meio de 3 interfaces: de comunicação externa, interna e elétrica. Estas serão direta ou

indiretamente conectadas às smarts grids (IEC, 2010).

Figura 6: Interações derivadas das redes inteligentes de energia (Modificado de IEC, 2010).

É possível constatar o dinamismo das relações entre os agentes e a maior eficácia do

sistema, devido à possibilidade de agrupar novas soluções ao sistema de energético como:

geração de eletricidade de fontes renováveis, instalação de medidores inteligentes, a inserção

do carro elétrico, automação dos controles etc.

35

Boccuzzi e Mello (2009) conseguem estabelecer as mudanças que as smarts grids

causarão no setor elétrico:

―Nesse novo paradigma, haverá espaço cada vez maior para a geração

distribuída em pequena escala, voltada ao consumo local e ao fornecimento

do excedente à rede de distribuição. Esses novos consumidores, que também

produzem energia, são chamados ―prosumers‖. Ao mesmo tempo, a

automação dos sistemas elétricos dos usuários possibilitará o gerenciamento

do consumo, evitando desperdícios e otimizando o sistema de suprimento.‖

A expectativa é que com a implantação destas novas tecnologias, o setor de energia ganhe

interatividade que a evolução digital provocou em outros setores. O ganho em eficiência

energética devido a implantação da SG é imenso e, por este motivo, é preciso que ter recursos

energéticos eficientes capazes de suportar a crescente demanda por energia.

O potencial de ganho de eficiência com a implantação das redes inteligentes é imenso e no

novo contexto mundial em que os recursos energéticos precisam ser mais eficientes para

comportar o crescimento da demanda, segundo o Departamento de Energia dos Estados

Unidos (DoE, 2009b):

―Como inúmeros estudos indicam, os benefícios financeiros para a sociedade com a

adoção das smarts grids se mostram reais, duradouros e fundamentais e fluirão para todas

as partes envolvidas:

Em 20 anos, poderão ser economizados de 46 a 117 bilhões de dólares, visto que

não serão necessárias as construções de plantas de geração, linhas de transmissão

e subestações;

O aumento da eficiência energética, a utilização de energias renováveis e a

geração distribuída podem economizar cerca de 36 bilhões de dólares anualmente

até 2025;

A geração distribuída pode reduzir significativamente os custos de

congestionamento de transmissão, atualmente estimado em 4.8 bilhões de dólares

anualmente;

Os aparelhos inteligentes tem custo estimado em 600 milhões de dólares que

pode fornecer através de ganhos de eficiência uma reserva na capacidade das

redes equivalente a uma planta de geração que custe 6 bilhões de dólares.‖

(tradução própria).

Convém dizer que as principais dificuldades tecnológicas para a implantação das SGs em

médio e curto prazo já foram sanadas, mas ainda existe a necessidade de mecanismos que

possibilitam sua introdução no mercado (BOCCUZZI; MELLO, 2009).

Portanto, com base no que foi mostrado, consegue-se resumir que os desafios para a

implantação das redes elétricas inteligentes são:

Instalação de Smart Meters, de preferência com blindagem para evitar desperdícios e

furtos ao sistema;

Implantação de um serviço de atendimento ao consumidor, com serviços e aplicativos

operacionais para que os clientes interajam com a rede;

36

Comunicação bidirecional, em tempo real, possibilitando a resposta em demanda dos

clientes e ainda a verificação de todos os equipamentos da rede, facilitando sua

operação;

Programas de gerenciamento da demanda e automação das redes de distribuição.

2.5. MEDIDORES INTELIGENTES

Os medidores inteligentes, ou Smart Meters, é um dos principais componentes das redes

inteligentes de energia, responsável pela maior parte das atividades da rede, processando a

todo o momento dados e os enviando para a rede, proporcionando a integração de todo o

sistema (MME, 2010b).

Estes aparelhos permitem que os usuários da rede tenham informações em tempo real

sobre o seu consumo, permitindo que os mesmos se adaptem e melhorem seus hábitos,

reduzindo seu consumo e aumentando a eficiência energética (DECC, 2012).

A figura 7 mostra um sistema de medição inteligente.

Figura 7: Sistema de medição inteligente (Modificado de VIEIRA; GRANATO, 2011).

Dentre as funcionalidades que este equipamento deve ter, pode-se citar (MME, 2010):

Proporcionar para a concessionária o maior controle sobre as perdas comerciais;

Reduzir os custos operacionais, como leitura, corte e religamento;

Proporcionar ao consumidor um acompanhamento detalhado de seu consumo e opções

diferenciadas de tarifas;

Suspender e restabelecer o fornecimento de energia elétrica automaticamente;

37

Agilidade na detecção de falhas tanto no fornecimento do consumidor quanto no

equipamento de medição;

Rapidez na troca de informações e comandos entre a gestão do sistema e o

consumidor;

Devem possuir terminais de comunicação padronizados e normatizados;

Interface para recarga, no caso do pré-pagamento;

Terminal para mensagens da concessionária.

Existem várias tecnologias para promover a comunicação entre os medidores inteligentes

e a rede de energia, as mesmas serão estudadas no capítulo seguinte. A ANEEL publicou a

Resolução Normativa n º 502/2012, que regulamenta os sistemas de medição de energia

elétrica das unidades consumidoras do grupo B, ao qual pertencem as unidades residenciais,

rurais e demais classes, com exceção da iluminação pública e consumidores de baixa renda

(ANEEL, 2012d).

As distribuidoras terão um prazo de até 18 meses para oferecer os smart meters aos para

seus clientes. De acordo com a resolução, serão dois tipos de equipamentos: o primeiro, a ser

instalado sem ônus, possibilitando que o consumidor adquira à tarifa branca (varia de acordo

com faixas horárias de consumo). E o segundo modelo de medidor, mais completo,

proporcionará o acesso a informações específicas individualizadas sobre o serviço prestado, e

a instalação poderá ser cobrada pela distribuidora.

Apesar de já possuir regulamentação ainda é preciso que o Instituto Nacional de

Metrologia, Qualidade e Tecnologia – IMETRO, certifique estes equipamentos, permitindo

desta forma sua comercialização (XIMENES, 2012).

2.6. REGULAÇÃO BRASILEIRA PARA SMART GRID

Os agentes reguladores terão um papel muito importante neste novo cenário, definindo as

normas de uso destas tecnologias para que possam promover a qualidade dos serviços

fornecidos com a implantação e comercialização das redes inteligentes.

O maior desafio dos reguladores será manter protegido os interesses do consumidor e das

concessionárias, com a forma adequada de utilização destes novos recursos tecnológicos,

mantendo a interoperabilidade entre as tecnologias adotadas, devido a viabilidade econômica

deste novo paradigma no setor energético.

38

É importante dizer que os consumidores deixarão de ter papel passivo na rede e terão

efeitos expressivos na cadeia, logo, os reguladores deverão criar regras para que o novo

consumidor, o smart customer, utilizem estas novas tecnologias.

Outra barreira será a padronização destas tecnologias, pois cada localidade quer atender a seu

objetivo de acordo com as suas necessidades (The Economist, 2009), desta maneira, ele

deverá oferecer assistência as concessionárias em soluções para viabilizar o uso das SGs de

maneira mais eficiente para o sistema em geral.

É necessário que os agentes reguladores definam claramente os principais objetivos de

uma rede inteligente, como o manejo da demanda por energia e a tarifação flexível que as

mesmas devem possuir (FARUQUI; HLEDIK, 2009):

Receitas neutras para cada taxa de preço;

Curta duração nos períodos de pico da carga;

A tarifação deve passar para o consumidor a sinalização dos preços da energia;

A tarifação deve refletir os custos do fornecimento de energia;

Possibilidade de redução nas contas de energia;

Simplicidade nas taxas para o melhor entendimento do consumidor;

Garantia de investimentos em longo prazo;

Estimulação da entrada de novos agentes no mercado e novas fontes de energia;

Além de uma interação entre os agentes do sistema;

Normas para o uso de eletrodomésticos e prédios inteligentes, bem como processos

industriais, mircrogeração e o armazenamento de energia;

Protocolos de comunicações que assegurem a segurança dos dados que circulam pela

rede;

No mais, as normas que já regem o setor de energia não precisam ser modificadas. Com

relação as empresas distribuidoras, os desafios relacionados a estruturação e implantação

podem ser citados (BANDEIRA, 2012):

Gestão de ativos da rede, incluindo a ampliação da rede atual, manutenções

preventivas e de emergência, controle da carga e qualidade dos serviços;

Gestão do trabalho, incluindo a logística de equipamentos e pessoal, segurança do

trabalho e qualidade dos serviços operacionais;

Gestão da receita, incluindo a leitura e entrega das contas, corte e religamento,

controle das perdas e dos clientes e a eficiência energética.

39

Algumas das iniciativas da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, sobre as

redes inteligentes de energia podem ser listadas a seguir (ALCÂNTARA, 2012):

Seminário Internacional de Medição Eletrônica, em Setembro de 2008, que trata

medição de energia elétrica em unidades consumidoras de baixa tensão (BT) com os

agentes do setor elétrico e demais interessados;

Consulta Pública nº 015/2009, que trata da implantação da medição eletrônica em

baixa tensão (ANEEL, 2009e);

Audiência Pública nº 043/2010, minuta de Resolução Normativa para padronizar

requisitos mínimos do medidor eletrônico (Jan/2011): Definição do padrão do medidor

(Grandezas Medidas; Funcionalidades mínimas; Comunicação do medidor;

Informações ao consumidor) (ANEEL, 2010f);

Elaboração de análise de impacto regulatório preliminar (em andamento);

Plano de substituição dos medidores a partir de 2013;

Audiência Pública nº 120/2010 (Mar/2011) (ANEEL, 2011g) que visa alteração da

Estrutura Tarifária aplicada ao setor de distribuição de energia elétrica no Brasil;

Consulta Pública nº 015/2010, tópicos e perguntas sobre pontos gerais relativos a

geração distribuída de pequeno porte (ANEEL, 2010h);

Audiência Pública nº 042/2011, minuta de Resolução Normativa que procura

diminuir as barreiras para a instalação de micro e minigeração distribuída incentivada

e alterar o desconto na TUSD e TUST para usinas com fonte solar (Out/2011). A

norma cria o Sistema de Compensação de Energia, que deixa o consumidor instalar

pequenos geradores em unidade consumidora e trocar energia com a distribuidora

local;

Sistema de Informação Geográfica (GIS): PRODIST e REN 395/2009, aprova a

Revisão 1 dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico

Nacional (ANEEL, 2009i);

Power Line Communications (PLC): REN 375/2009, Utilização das instalações de

distribuição como meio de transporte para a comunicação (ANEEL, 2009k);

Seminário Internacional de Pré-Pagamento de Energia Elétrica, realizado em

Setembro de 2011 (ANEEL, 201l);

Participação importante no Grupo de Trabalho criado pelo MME através da Portaria nº

440/2010 para ―analisar e identificar ações necessárias para subsidiar o

40

estabelecimento de políticas públicas para a implantação de um Programa Brasileiro

de Rede Elétrica Inteligente‖ (MME, 2010);

Projeto de P&D Estratégico Chamada nº 011/2010. Programa Brasileiro de Rede

Elétrica Inteligente (ANEEL, 2010m).

Resolução Normativa nº 482/2012 que ―estabelece as condições gerais para o acesso

de microgeração e minigeração distribuída de energia elétrica, o sistema de

compensação de energia elétrica‖ e Resolução Normativa nº 517/2012, que altera a

Resolução nº 482 e o Módulo 3 dos Procedimentos de Distribuição - PRODIST

(PRODIST, 2012).

Atuando de maneira rápida e eficaz, a ANEEL poderá se tornar um líder em redes

elétricas inteligentes nos países dos BRICs, atuando como peça importante no cenário futuros

do setor energético.

As smarts grids possibilitarão que os consumidores produzam sua própria energia,

descentralizando a produção e abrindo portas para o uso de fontes renováveis de energia,

contribuindo para a significativa redução das emissões de gases poluentes da atmosfera. Logo,

é cogente que os agentes reguladores atuem o mais rápido possível a fim de viabilizar esta

tecnologia que mudará de maneira significativa o cenário da economia mundial.

2.7. SMART GRID NO CENÁRIO MUNDIAL

As metas instituídas pelo Conselho Europeu para a diminuição das emissões de dióxido de

carbono, o CO2, o aumento da eficiência energética, ampliação das fontes alternativas de

energia e o aumento da interconexão dos sistemas energéticos estão exigindo um novo

modelo para as redes de distribuição existentes. Tanto a Europa quanto os Estados Unidos

tornaram-se os pioneiros do desenvolvimento e implantação desta nova tecnologia, em

relação aos outros países, mas o Brasil tem se tornado um país com um potencial elevado no

que diz respeito a estas mudanças, principalmente, devido aos seus recursos naturais.

Algumas das iniciativas internacionais e nacionais neste contexto de redes inteligentes

serão descritas para mostrar seus principais aspectos e as barreiras encontradas ao longo deste

processo de mudança (CGEE, 2012)

2.7.1. Europa

Na Europa, as redes inteligentes de energia surgiram para incentivar o uso de fontes

renováveis na matriz energética. Para estimular a disseminação da smart grid, foi aprovado

41

pelo Parlamento Europeu, em 2008, o plano de medidas para formular uma visão estratégica

no que diz respeito ao desenvolvimento das RIE, este foi chamado de Agenda 20-20-20, cujos

principais objetivos são: 20% a menos de gases do efeito estufa (em relação ao nível

calculado em 1990), 20% a mais de fontes renováveis na geração de energia e ainda 20% a

menos no consumo de energia por meio de programas de eficiência energética. (DUTRA, et

al., 2012).

2.7.1.1. Itália

No cenário europeu, destaca-se a Itália como o país que saiu na frente na implantação

desta tecnologia, principalmente devido a falta de recursos energéticos. A principal

distribuidora do país é a Ente Nazionale per l’Energia Elettrica – Enel, com cerca de 95 GW

de capacidade instalada (DUTRA, et al., 2012). A empresa foi a pioneira em projetos de RI

no mundo, substituindo os medidores analógicos pelos inteligentes. Dentre os principais

projetos em smart grid no país são:

Telegestore – Enel: Com a instalação de mais de 32 milhões de smart meters, o projeto

possibilitou a mudança total dos medidores analógicos dos seus clientes em escala

nacional. Esse medidor tem como principais características um alarme sonoro para

indicar o aumento do consumo e índice de falhas inferior a 0,3% ao ano (DUTRA, et

al., 2012), gerenciamento remoto do consumo, medição de energia ativa e reativa,

entre outras funcionalidades (CGEE, 2012). A empresa pretende melhorar o sistema

desenvolvendo tecnologia de georreferenciamento, medidores multifuncionais e ainda

mostrador de serviços de valor adicionado para ajudar o consumidor a gerenciar

melhor seu próprio consumo (DUTRA, et al., 2012).

Energia @ Home – Energy Home: A empresa pretende desenvolver um smart meter

que seja capaz de se adequar ao consumo em relação a tarifação e a fonte de

alimentação, reduzindo as chances de sobrecarga na homework. O aparelho também

proporciona as funcionalidades típicas de um SM. Um outro foco da empresa além da

medição inteligente é o domínio da microgeração (CGEE, 2012).

E-mobilidade – E-mobility Italy: O projeto criou uma infraestrutura para a recarga de

veículos elétricos, possibilitando a sua difusão e qualidade ao meio ambiente. Até

dezembro de 2013 a previsão é a instalação de 300 postos de recarga públicos e mais

100 residenciais em Milão, Pisa e Roma (CGEE, 2012).

STAmi: Advanced Metering Interface – Enel: Este projeto quer desenvolver uma

aplicação dedicada ao gerenciamento da rede em baixa tensão, utilizando a

42

infraestrutura de medição que já existe. Oferece a possibilidade dos dados dos clientes

em tempo real e de qualidade (CGEE, 2012).

Com o processo de liberalização do mercado de eletricidade no país, os consumidores

foram divididos em dois grupos (cativos e não cativos). O segundo grupo tem a

oportunidade de escolher o seu fornecedor de energia. A Itália possui um dos mercados de

energia mais liberalizados na Europa, entretanto o seu órgão regulador - Autorità per

l’Energia Elettrica e Il Gas - AEEG, atua em conformidade com as diretrizes energéticas

definidas pelo governo nacional e pela EU (DUTRA, et al., 2012).

2.7.1.2. Portugal

Devido as pressões para a mudança do mercado de energia na Europa, Portugal investiu

alto no projeto InovGrid, desenvolvido pela EDP Portugal, que tem como principais objetivos

a sustentabilidade, qualidade no fornecimento de energia e segurança na rede de distribuição

(CRAVEIRO, et al., 2011). Outro projeto que está sendo desenvolvido no país é o Mobi.E

(SILVA, 2012).

InovGrid – EDP Portugal: A cidade escolhida para a implantação da InovCity foi

Évora. A arquitetura do projeto é concentrada nos medidores inteligentes, conhecidos

por Energy Box (EB), na eficiência energética, por meio de sistemas de gestão da

energia e na microgeração, incentivando o aumento de micro unidades de geração, ao

exemplo do incentivo a construção de parques de energia fotovoltaica (CRAVEIRO,

et al., 2011). O projeto tem parceria ainda com empresas de gestão de energia,

automação e comunicações, tecnologia da informação e com o Instituto de Engenharia

de Sistemas de Computadores do Porto – INESC Porto (SILVA, 2012). Os EB

instalados no consumidor/produtor na baixa tensão realizam o registro com precisão

dos perfis de cada carga e da geração em tempo real, permitindo ao cliente interagir

com o sistema e também controlar a microgeração (CGEE, 2012). Neste projeto, as

empresas de comercialização são capazes de variar o seu portifólio sem preferências

na competição pelo mercado, bem como criar novos serviços de tarifação, o agente

regulador poderá promover a liberalização do sistema de energia e melhorar a

operação da rede e, como principal consequência, uma melhoria na qualidade da

energia oferecida (SILVA, 2012).

Mobi.E – Governo: O projeto conhecido como Mobilidade Eléctrica foi anunciado em

2009 e tem como principal objetivo a mobilidade urbana com o uso das fontes

renováveis de energia, para reduzir o número das emissões de CO2 na atmosfera. A

43

estimativa é que até 2020 sejam reduzidas até 25% destas emissões. Para isso foi

iniciada a instalação em escala nacional dos veículos elétricos, visando atender as

necessidades do cliente final, pois estes EVs são projetados de tal forma para que

possam integrar a nova rede de energia e seja de fácil manuseio para o consumidor

(SILVA, 2012).

Com estes projetos, Portugal se tornou pioneiro na implantação em larga escala dos

parques de energia fotovoltaica e ainda na promoção da mobilidade elétrica no conceito de

smart grid.

2.7.1.3. França

Em 2010, o governo francês, através do Decrét nº 2010-1022, tornou obrigatório a

substituição dos smart meters e, a mesma, deveria seguir o calendário definido pelo decreto,

visando a implantação destes medidores em até 95% até 2020 (livro). Alguns dos projetos em

SG na França são destacados a seguir:

Linky Piloto – EDF Group: O projeto é liderado pela subsidiária Électricité Réseau

Distribution France – ERDF, em conjunto com a Atos Origin para promover a

implantação de sistemas de computadores e de Automated Meter Management –

AMM (DUTRA, et al., 2013). O mesmo pretende desenvolver um computador

lógico, conhecido por Linky IS e implantação de mais 35 milhões medidores

inteligentes e 700.000 concentradores digitais, baseados em tecnologia PLC, GPRS,

LAN e WAN até 2020 (CGEE, 2012).

Outros projetos em redes inteligentes no país envolvem o desenvolvimento de fontes de

energia renováveis, conhecido por Renewable Energy and Green Chemistry Demonstration

(DUTRA, et al., 2013).

2.7.1.4. Holanda

Os principais projetos em redes elétricas inteligentes na Holanda estão sendo

desenvolvidos pela Enexis, cujo foco é melhorar a qualidade da energia oferecida,

principalmente em relação ao autorrecuperação do sistema em caso de falhas (SLOOTWEG,

H; ENEXIS, B. V., 2009)

Energia Inteligente Coletiva – Kema: O projeto envolve aproximadamente 10 projetos

em smart grid em larga escala, unindo mais de 5.000 empresas privadas de pequeno

porte e os clientes finais, tem como principais objetivos a integração dos serviços,

44

implantação das REI, desenvolvimento de tecnologias, infraestrutura e tecnologia de

informação e comunicação para energia e ainda sistema de gás (CGEE, 2012).

Easy Street – Enexis: ―Insight sobre o funcionamento da tecnologia, incentivos e

interação, a fim de mobilizar a flexibilidade de uso do cliente de energai elétrica‖

(CGEE, 2012).

PowerMatching City – Kema: Localizado no distrito de Hoogkerk, interligando cerca

de 25 casas com sistemas de potência de pequeno porte, smart meters, placas

fotovoltaicas para a alimentação dos SM, EVs e estações de recarga dos mesmos, o

projeto ainda possibilita aplicações de casas inteligentes (LOPES et al., 2012).

A conclusão para a substituição total dos medidores eletrônicos para os inteligentes está

prevista para 2015, quando todos os seus consumidores terão um novo sistema de medição

(MME, 2010)

2.7.1.5. Dinamarca

Os principais projetos em redes inteligentes na Dinamarca são apresentados a seguir:

ForskEL – CET-DUT: O projeto pretende promover o ilhamento dos subsistemas de

alimentação e pesquisar sobre os agentes de controle de base do sistema de energia

(CGEE, 2012).

ConsumidorWeb – Vestforsyning A/S: Através da medição inteligente, será possível

educar o cliente de maneira que o mesmo seja capaz de compreender o seu real

consumo, possibilitando a redução do mesmo e a eficiência energética (CGEE, 2012).

EDISON: Um projeto da Associação de Energia da Dinamarca irá analisar a

introdução dos veículos elétricos no mercado de energia e desenvolver estratégias para

a implantação em larga escala dos EVs e dos seus postos de reabastecimento (CGEE,

2012).

IPower – Riso DTU: O projeto pretende criar uma arquitetura de rede de energia

inteligente, com flexibilidade para as diferentes fontes renováveis que serão inseridas

no sistema, principalmente devido as condições climáticas do país (CGEE, 2012).

2.7.1.6. Espanha

Algumas das pesquisas desenvolvidas no país pela Iberdrola e pela Agência Regional de

Energia Vasque em relação as redes inteligentes são:

45

Almacena – Red Elétrica España (ES): O projeta objetiva demonstrar tecnologias de

armazenamento de energia através de testes e da instalação de 1MW em baterias

eletroquímicas em uma SE transmissora (CGEE, 2012).

Hidrogênio/Projetos de Sotavento: A companhia responsável pelo projeto é a Gás

Natural Fenosa e tem como principal meta fazer uma demonstração com a força dos

ventos, utilizando como base o hidrogênio. Este material é utilizado para promover a

gestão da produção de energia em um parque eólico. Esta usina é considerada a maior

nestes aspectos no mundo (CGEE, 2012).

SmartCity Malaga – Endesa: O projeto fez testes e implantou um novo modelo de

gestão da energia com a instalação de mais de 17.000 SM (ENDESA, 2013), inserção

das fontes renováveis na matriz, através da geração distribuída, dos veículos elétricos

bem como postos de recarga destes e também tornou a rede de iluminação pública

inteligente (CGEE, 2012).

Estrela – Iberdrola Distribución: A proposta deste projeto foi criar uma plataforma

remota que integrasse os SM utilizados no mesmo com os sistemas de comunicação

dos diversos fabricantes através de um Sistema de Gerenciamento de Medição

Avançado, ou seja, criar uma plataforma que fosse capaz de promover a

interoperabilidade entre todos os fabricantes dos SM (CGEE, 2012).

Um dos destaques no país é o grande incentivo para que consumidores participem do

mercado de energia no conceito de redes elétricas inteligentes, capacitando-as e motivando-as

a agir de acordo com o novo perfil do consumidor/produtor.

2.7.1.7. Alemanha

Possuindo como principais fontes geradoras de energia as termelétricas e usinas nucleares,

o país possui aproximadamente 11% de fontes renováveis na matriz, logo, a SG se tornou a

principal ferramenta na política de ampliação das energias renováveis, através de

investimentos em programas P&D das REI, armazenamento além de uma tarifa de feed-in

(FIT) de incentivo ao consumidor para que o mesmo invista em microgeração (CGEE, 2012).

Os principais projetos são:

Adele Projeto AA-CAES – RWEPower AG: O projeto visa a demonstração de

tecnologia para o armazenamento da energia utilizando ar comprimido como apoio na

geração por meio das fontes eólica e solar (CGEE, 2012).

46

E-Dema – RWE RWN: Um sistema integrado que objetiva aumentar a eficiência

energética, melhoria nos serviços públicos e na vida dos clientes por meio do controle

da energia pela rede Internet em tempo real (CGEE, 2012). Este projeto é dividido em

10 etapas de trabalho, sendo oito delas com foco científico e técnico e duas com foco

administrativo (E-DEMA, 2013).

E-Telligence – EWE AG: Integrar os sistemas inteligentes de geração e consumo,

realizando testes de campo, tarifação diferenciada, feedback ao cliente, gerenciamento

pelo lado da demanda e uso de tecnologia da informação e comunicação na rede. O

projeto promoveu a inserção das energia solar e eólica na matriz energética (CGEE,

2012).

Advanced Metering Systems – Yello Strom e Microsoft: A cooperação destas empresas

visa possibilitar a implantação de cerca de 100.000 medidores na cidade de Koln, com

o intuito de desenvolver um SM de padrão livre, promovendo a interoperabilidade

entre os sistemas e tecnologias utilizados no faturamento. Estes SM também poderão

interagir com os medidores de água e gás (MME, 2010).

Com a criação da agência reguladora em 2005, a Federal Network Agency for Electricity,

Gas, Telecommunications, Post and Railway – FNA foi possível desenvolver os mercados

nestas grandes áreas da economia alemã (eletricidade, gás, telecomunicações e postal), além

da liberalização do mercado de energia no país atraiu grandes investidores para o setor.

2.7.1.8. Reino Unido

Apesar de ser um dos grandes investidores em REI na União Europeia (UE), o Reino

Unido ainda se encontra em um estágio de discussões, devido às barreiras regulatórias. O

órgão regulador é o Office of Gas and Electricity Markets (OFGEM), que promove a

competição e regula as companhias do mercado de energia. O OFGEM também criou um

fundo para empréstimos em projetos que promovam a redução dos GEE na atmosfera

(DUTRA, et al., 2013). Alguns das iniciativas em REI são:

Low Carbon Hub – Central Networks: O projeto vai demonstrar que as geradoras de

energias renováveis (solar e eólica) podem ser inseridas na rede de distribuição

primária em grande quantidade, diminuindo a quantidade de carbono na atmosfera

(CGEE, 2012).

CET – CE Eletric: Desenvolver e explorar novas tarifas para a energia e explanar que

esta tarifação pode influenciar na vida do cliente, alterando seu comportamento. O

projeto possibilitará uma maior flexibilidade da rede com o uso de dispositivos

47

inteligentes. Visa ainda a implantação de aproximadamente 14.000 medidores e 600

eletrodomésticos inteligentes da linha branca (CGEE, 2012).

Low Carbon London – UK Power Networks: Pretende explorar as melhores

alternativas para a implantação das energia renováveis na rede energética de Londres

e no gerenciamento dos ativos da redes, através de pesquisas do comportamento do

novo consumidor/produtor (DUTRA, et al., 2013).

Plugged-in-Places – Various: este projeto visa instalar pontos de recarga para os

veículos elétricos puros (EVs), híbridos (PHEVs) e veículos movidos a hidrogênio,

mostrando na prática o funcionamento da recarga das baterias destes automóveis em

diferentes locais (CGEE, 2012).

De maneira geral, o Reino Unido ainda precisa vencer as diversas barreiras existentes para

concluir de maneira satisfatória a implantação das SG, tanto o governo como a OFGEM

devem garantir esta mudança e o primeiro passo é a regulação das funcionalidades dos

medidores inteligentes (OWEN, G; WARD, J.,2007).

A distribuição de energia na Europa irá se transformar bastante para poder atingir as metas

propostas na Agenda 20-20-20 será preciso acomodar o fluxo multidirecional da energia,

através da geração distribuída, tendo o centro de operação e controle como um supervisor

global do sistema inteligente.

2.7.2. Estados Unidos

Os principais motivadores para a mudança no setor energético no país foram a

dependência energética dos combustíveis fósseis e a segurança da oferta de energia. Sua

regulação em nível federal é feita pela Federal Energy Regulatory Comission – FERC

(atuando além da jurisdição estadual) e pelos reguladores estaduais, conhecidos por State

Public Utility Commission (realizam a regulação estadual) (ALCANTARA, 2012).

Em 2005, a FERC foi modificada pela Energy Policy Act – EPAct 2005, fazendo com que

sua atuação também fosse na área de confiabilidade da transmissão e operação do sistema,

através dos princípios de redes elétricas inteligentes. Em 2007, surge o Energy Independence

and Security Act – EISA 2007, que estimulou o desenvolvimento de pesquisas e projetos

piloto em smart grid e nas respectivas dificuldades deste processo. O presidente Barack

Obama aprovou em 2009 um pacote econômico de mais de quatro bilhões de dólares para o

desenvolvimento da smart grid, o American Recovery Reinvestment Act – ARRA 2009, além

disso, a grande maioria das empresas de energia e organizações específicas estão envolvidas

48

nestes projetos, que teve o objetivo de estimular a economia após a crise do ano anterior, com

investimento de bilhões de dólares em REI (DUTRA et al., 2013) através dos programas de

infraestrutura de medição (Smart Grid Investment Grant – SGIG) e criação de novos sistemas

para transmissão, distribuição e armazenamento de energia (Smart Grid Demonstration

Program – SGDP) (CGEE, 2012).

Alguns dos projetos em RIE no país são:

Pacific Gas & Electric Company: Um dos maiores utilities que investiram em smart

grid nos Estados Unidos. Desde 2006 iniciou a modernização dos medidores dos

sistemas de gás e energia ((DUTRA et al., 2013);

EPRI Intelligrid: Criado em 2001 pela Electric Power Research Institute

objetivando desenvolver uma infraestrutura do sistema de energia que possa

interagir com os sistemas de comunicação e computação, melhorando o alcance e a

melhoria dos serviços prestados (LOPES et al., 2012);

Perfect Power System for Mesa Del Sol: Um dos projetos é a criação de

mircrogrids, aumentando a capacidade de geração e armazenamento de energia.

GridWise: Desenvolvido pelo Departamento de Energia (DoE), tendo como

objetivo principal modernizar toda a rede (LOPES et al., 2012).

Smart Grid City: A XcelEnergy tinha um dos maiores projetos em smart grid no

país, localizado em Boulder, Texas. Porém, os custos elevados desta iniciativa

fizeram com que o ritmo desta implantação diminuísse significativamente,

reduzindo as expectativas em relação ao sucesso do mesmo (ALCANTARA, 2012).

A Califórnia se tornou o estado americano com os melhores resultados em relação

às RIE, principalmente devido a crise regulatória de 2001. O estado também foi o

pioneiro em programas de eficiência energética e fontes de energia renováveis. O

principal resultado destes estudos foi o ―protocolo de análise de custo-benefício

visando a padronizar a metodologia de avaliação de programas de resposta da

demanda implantados por companhias reguladas‖ (ALCANTARA, 2012),

estabelecido pela Califórnia Public Utilities Commission.

Muitos dos programas em redes inteligentes de energia nos Estados Unidos foram iniciados

após a crise de 2001 na Califórnia e estes se concentram em ―explorar o potencial da resposta

da demanda‖ (DUTRA et al., 2013) Estes projetos estão tendo resultados positivos, como a

49

redução do consumo no horário de pico, principalmente após a aprovação do protocolo de

padronização de metodologia da CPUC.

2.7.3. Ásia-Pacífico

Os principais países localizados nesta região denominada Ásia-Pacífico estão cada vez

mais investindo nas smart grid, objetivando melhorar a segurança do sistema, a eficiência

operacional da infraestrutura, o balanceamento energético entre oferta e demanda e diminuir

os impactos ambientais causados pelo sistema atual (PIKE RESEARCH, 2011). Os principais

investimentos estão relacionados à implantação dos medidores inteligentes.

2.7.3.1. China

O governo do país está desenvolvendo um plano para incentivar, a longo prazo, em

sistemas de energia, água e rurais, visando aumentar a eficiência e gerenciamento da rede, a

redução do consumo de energia e a ampliação da matriz energética renovável. O principal

agente regulador na China é o State Grid Corporation of China – SGCC que mantém

parcerias com outras instituições do governo, da indústria e de serviços (CGEE, 2012).

Grandes investimentos já estão sendo feitos, principalmente na província de Sichuan, onde

já há um acelerado desenvolvimento de transmissão de energia baseado em uma avançada

comunicação, tecnologia de controle e automação digital, porém ainda são necessários

grandes investimentos em segurança de informação.

2.7.3.2. Índia

Devido a forte dependência dos combustíveis fósseis, o governo indiano pretende

diversificar sua matriz de energia através das redes inteligentes e ainda aumentar sua

capacidade de produção aumentando o uso das hidrelétricas (IEA, 2011). Algumas das

iniciativas no país são:

Re-Structured Accelerated Power Development and Reforms Program (R-APDRP): O

programa envolve diversas etapas, dentre as quais estão a criação de TIC e

infraestrutura de rede a fim de reduzir as perdas técnicas e não-técnicas, modernização

das usinas geradoras e inserção das renováveis, criação de sistemas de controle e

gestão de energia automatizados.

India Smart Grid Forum: Criado pelo Ministry of Power para ser uma parceria com

diversas empresas de caráter público-privada para discutir sobre SG.

50

Grinpal Energy Management: Desenvolvido pela subsidiária da companhia Saab

Grintek (África do Sul), o projeto pretende implantar medidores inteligentes e criar

infraestrutura em AMI em Nova Délhi (DUTRA et al., 2013).

2.7.3.3. Japão

Através do uso das energias renováveis, da medição inteligente e dos serviços, dos

veículos elétricos, o país está conseguindo implantar as smart grids, através de parcerias

importantes como a da Japan Community Alliance – JSCA (CGEE, 2012).

2.7.3.4. Coréia do Sul

O país desenvolveu o projeto chamado de Korea’s Jeju Smart Grid Test-bed, através de

parcerias entre o governo e a indústria sul-coreana. Este projeto visa integrar cerca de 6.000

residências a quatro linhas de distribuição, através do uso da fonte de energia eólica (CGEE,

2012).

As redes inteligentes de energia já são uma realidade em nível internacional. As mesmas

estão fortemente se difundindo através de diversos programas de P&D e de demonstração,

sempre buscando a eficiência energética, gerenciamento pelo lado da demanda, controle do

consumo em tempo real, segurança da rede, interoperabilidade dos sistemas e a introdução

dos EVs e das fontes renováveis para diminuir o consumo dos combustíveis fósseis e as

agressões ao meio ambiente. A figura 8 a seguir mostra um mapa dos investimentos em REI

no mundo.

51

Figura 8: Mapa de projetos em SG no mundo (CGEE, 2012)

Os diversos projetos pilotos na Europa mostram seu comprometimento em cumprir as

metas estabelecidas da Agenda 20-20-20, ampliando a matriz de renováveis e reduzindo as

emissões de CO2. Nos Estados Unidos, o principal objetivo é melhorar as redes de

distribuição e a Ásia-Pacífico quer atender a crescente demanda por energia através de uma

matriz limpa. Desta análise é possível definir as potenciais barreiras a serem enfrentadas,

principalmente no que diz respeito à regulação e dos custos relacionados com a substituição

dos medidores e podendo definir quais serão os dilemas políticos e práticos na implantação

das redes inteligentes no Brasil (CGEE, 2012).

2.8. O BRASIL NO CONTEXTO DAS REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES

Atualmente o Brasil dispõe de diversas iniciativas em pesquisas de P&D e de

demonstração no universo das redes inteligentes, que estão sendo realizadas através de

parcerias do governo com institutos, universidades, concessionárias e empresas fabricantes do

ramo, ambas são coordenadas pelos agentes reguladores do país (CGEE, 2012).

Segundo a ANEEL, o país detém de aproximadamente 178 projetos de P&D relacionados

à automação das redes de distribuição, smart meters, microgeração e minigeração distribuída,

sistemas de armazenamento (EVs e PHEVs), TICs, casas e edifícios inteligentes entre outros,

52

somando cerca de R$ 411,3 milhões investidos. Estes investimentos podem ser observados no

gráfico 1 a seguir (CGEE, 2012):

Gráfico 1: Custos totais dos projetos em REI por região.

Fonte: (CGEE, 2012).

No Brasil, os principais motivadores para implantar SG estão relacionados com as perdas

técnicas e não-técnicas no sistema, promoção da medição inteligente do consumo, eficiência

da operação da rede, a redução dos custos operacionais e dos apagões, diminuição da

inadimplência, gerando acima de tudo a satisfação do cliente (DUTRA et al., 2013).

Com os últimos avanços tecnológicos nos setores da energia, telecomunicações e

informação, foi possível realizar muitos dos projetos P&D no país e, os principais projetos

estudados serão relatados a seguir:

Cidades do Futuro – CEMIG: Realizado em Sete Lagos, MG e em parceria com o

CPqD, FITec, Fapemig e a Solária, atua nas áreas da medição inteligente, sistemas de

iluminação eficiente, utilizando LED, automação das redes de distribuição e das SEs,

TICs e ainda o gerenciamento da rede e interface com os clientes/produtores (LOPES

et al., 2012), aplicando todas as tendências das REIs. Seus objetivos são promover a

aceitação do consumidor a sua nova condição de produtor de energia, testar a

viabilidade técnica e econômica da SG, implementar um modelo de referência de

arquitetura de rede em larga escala, promover a disseminação do conhecimento sobre

este novo cenário no setor de energia (CEMIG, 2013c).

Cidade Inteligente Búzios – AMPLA: Uma parceria com o governo do Rio de Janeiro

com as concessionárias AMPLA, ENDESA e ENEL. É a primeira cidade inteligente

da América Latina. O projeto está elaborado para atender as áreas de

53

telecomunicações, controle, geração distribuída de energia, gerenciamento,

armazenamento, iluminação pública e edifícios inteligentes, veículos elétricos e

híbridos na matriz e a conscientização do consumidor/produtor (CGEE, 2012). O local

foi escolhido conforme sua importância turística e abriga um novo modelo de gestão

de energia. O projeto atende 100.000 clientes entre residenciais e industriais e conta

com a ampliação da matriz renovável com o uso das energias solar e eólica, tarifação

diferenciada no horário de pico, cidadão produtor, edifícios e iluminação pública

inteligentes, controle em tempo real e remoto do consumo, veículos elétricos e postos

de abastecimento da bateria, maior eficiência energética e a conscientização do

consumidor (AMPLA, 2013).

Smart Grid Light – LIGHT: O projeto está localizado no Rio de Janeiro, mas possui

parceria com a empresa catarinense LACTEC, além do CPqD, Axxiom, CAS

Tecnologia, INMETRO, CEMIG, universidades e fabricantes. É um programa bem

amplo que abrange desde a automação das redes até as residências, por meio dos SM

que serão instalados e poderão acompanhar o consumo em tempo real e dar um

feedback ao consumidor para que o mesmo tome as atitudes necessárias em caso de

consumo elevado (LIGHT, 2013). Ele está configurado em cinco importantes áreas,

tais como Plataforma SG, Gestão Otimizada da Rede Subterrânea e Aérea, Gestão da

SG pelo Lado da Demanda, Gestão das Fontes Renováveis de Energia,

Armazenamento de Energia e EV na rede (CGEE, 2012).

Projeto Parintins – Eletrobras: O projeto conta com a integração entre distribuidoras

do grupo Eletrobras, Cetel, CPqD, as universidades UFF e UFMA. Ele pretende

substituir cerca de 15.000 medidores analógicos pelos inteligentes no município de

Parintins, automatizar equipamentos da rede de distribuição e fazer o monitoramento

dos transformadores (CGEE, 2012). A escolha do local foi influenciada pela

característica de abastecimento por um sistema isolado, permitindo um melhor

acompanhamento da nova rede. É inovador e irá modificar o cotidiano da população

(ELETROBRAS, 2013).

Smart Grid AES Eletropaulo – Eletropaulo: A distribuidora tem a parceria com o

CPqD para desenvolver um sistema inteligente, com flexibilidade e capacidade de se

autorrecuperar capaz de atender tanto as necessidades das concessionárias quanto do

cliente final (CPqD, 2013). A previsão é de se tornar o maior projeto em SG no país,

atendendo mais de 60.000 consumidores. Inicialmente foram substituídos cerca de

54

2.100 medidores, atendendo aos municípios de Barueri e Vargem Grande Paulista.

Através do projeto, os clientes serão capazes de acompanhar em tempo real seu

consumo e a concessionária poderá detectar falhas automaticamente e recuperar o

sistema (CPqD, 2013).

InovCity – EDP Bandeirantes: As parcerias são entre o governo de São Paulo, a Ecil

Informática e a Universidade de São Paulo (USP). Localizado em Aparecida – SP, o

projeto ganhou subsídios no Brasil a partir do sucesso projeto piloto no município de

Évora, Portugal. A EDP conseguiu consolidar a inovação e a sustentabilidade em uma

só área (EDP, 2013). Faz parte do projeto a medição inteligente nas unidades

consumidoras, eficiência energética (cada residência receberá até seis lâmpadas

eficientes), iluminação pública eficiente, veículos elétricos, microgeração distribuída e

o desenvolvimento da conscientização da comunidade local (FALCO, 2007).

Cidade Inteligente Aquiraz – COELCE/ENDESA: As parcerias são com a

Universidade Federal do Ceará, Instituto Federal de Educação, Tecnologia e Ciência,

Synapsis Brasil e a Universidade de Fortaleza e o projeto visa desenvolver e implantar

um piloto de SG no município. O mesmo possuirá m sistema de autorrecuperação na

rede de baixa tensão e na de média tensão, um sistema de autorrecuperação e proteção,

mas o principal objetivo é aumentar a eficiência energética da região (CGEE, 2012)

No Brasil, apesar de existirem representantes de empresas estrangeiras apresentando

soluções de redes inteligentes, são poucas as distribuidoras de energia no país que

avaliaram internamente a aplicação deste novo conceito de tecnologia, principalmente

pelo fato de envolver recursos extras, que ainda não são cobertos pelas tarifas existentes

no mercado e também pela falta de uma regulamentação desta nova tecnologia. Observa-

se que muitas das pesquisas são sobre desenvolvimento de uma plataforma interoperável

para os medidores inteligentes, sistemas de gerenciamento pelo lado da demanda, EVs e

os novos conversores para geração de energia através das fontes renováveis sendo estas

realizadas principalmente por universidades e laboratórios de pesquisas (CGEE, 2012).

É cogente falar que as regiões com os maiores investimentos em REI são o Sudeste e o

Sul. Sendo a primeira com um número bem distribuído de projetos em todas as áreas das

REIs, mas domina as pesquisas em relação aos EVs e a segunda com investimentos

concentrados em microrredes e na geração distribuída. No Nordeste, a atuação é mais

forte na área da automação da distribuição do sistema, apesar do grande potencial solar e

eólica para a geração distribuída (CGEE, 2012). Pesquisas referentes à medição

55

inteligente estão presentes em quase todas as regiões do país, enquanto sobre os novos

serviços para o cliente final ainda não estão sendo realizadas (CGEE, 2012).

2.9. CONCLUSÕES

Apesar da posição progressista da Agência Nacional de Energia Elétrica, na

regulamentação das novas tecnologias para a implantação das redes elétricas inteligentes, o

Brasil ainda está atrasado em relação a outros países no que diz respeito ao uso efetivo das

SGs. É muito importante que órgãos do governo incentivem as empresas do setor a implantar

imediatamente estas novas tecnologias e que os consumidores, ágoras como agentes ativos da

rede, difundam mais os conhecimentos e sejam conscientes em relação ao uso eficiente e

eficaz da energia (CANAZIO, 2009).

Os projetos piloto no país são de fundamental importância para fortalecer e criar diretivas

para a implantação em escala nacional das SGs, desenvolver uma arquitetura de rede segura e

interoperável para que as informações circulem sem prejuízos de ataques cibernéticos,

protegendo a privacidade do cliente (CGEE, 2012)

O IMETRO deverá também padronizar e certificar as tecnologias envolvidas neste

processo, visto que no momento é o único fator que impede a comercialização dos medidores

inteligentes, equipamento de fundamental importância para a viabilização das smarts grids

(CEMIG, 2009b).

A crise econômica mundial demonstra a fragilidade do sistema econômico, especialmente

para os países produtores de petróleo, com enorme dependência na produção de energia. A

necessidade de diminuir as emissões de gases do efeito estufa é um dos motivos que sustenta

este novo paradigma.

Redes inteligentes de energia definitivamente estão sendo consideradas como o que se tem

de mais moderno no ramo elétrico. A figura 9 mostra os principais aspectos das smarts grids.

56

Figura 9: Aspectos da rede inteligente de energia (CEMIG, 2009b).

As redes inteligentes devem proporcionar a segurança e qualidade do fornecimento de

energia, logo é fundamental a participação ativa do agente regulador do governo na criação e

desenvolvimento de um plano de rede inteligente bem estruturado que incentive e viabilize a

implantação deste novo conceito de sistema energético.

57

CAPÍTULO 3: TECNOLOGIAS PARA SMART GRID

3. INTRODUÇÃO

O novo conceito do setor elétrico para a geração, transmissão, distribuição e

comercialização da energia está originando uma série de estudos em P&D no Brasil e no

mundo, visando à implantação deste sistema. Tanto no mundo como no Brasil, as pesquisas

estão com o foco em desenvolver sistemas que promovam a interoperabilidade entre as

diversas tecnologias existentes.

Uma das iniciativas do Brasil neste contexto foi promovida pela Agência Nacional de

Energia Elétrica, em dezembro de 2010: a Chamada Pública nº 011/2010: Projeto Estratégico

– ―Programa Brasileiro de Rede Elétrica Inteligente‖ com a finalidade de realizar estudos

voltados para pesquisas em Redes Inteligentes (RI) e propor um plano nacional de migração

de tecnologia (ANEEL, 2010m).

Empresas do setor já estão colocando em prática suas pesquisas para poder definir quais

tecnologias a serem adotadas na implantação das RIE no Brasil, visto que este ainda é o maior

desafio a ser superado: a padronização e interoperabilidade das tecnologias para redes

inteligentes. Algumas das tecnologias utilizadas para o estudo em RI serão abordadas no

capítulo que se segue. A figura 10 apresenta algumas das técnicas de telemedição que estão

sendo utilizadas (LAMIN, 2010).

Figura 10: Tecnologias utilizadas na navegação dos dados na rede inteligente (LAMIN, 2010).

58

3.1. A REDE ZIGBEE

A rede Zigbee (ZB), criada por uma parceria entre o IEEE e o Grupo Alliance, foi

desenvolvido para se tornar uma solução alternativa de comunicação. Trata-se de um tipo de

tecnologia simples e barata, que proporciona flexibilidade quanto aos tipos de equipamentos

que irá utilizar. Nada mais é do que um padrão de tecnologia sem fio para arquitetura em

malha (melhor confiabilidade e maior alcance), que requer menos potência (aumentando a

vida útil de seus equipamentos), menor custo, o que possibilita que esta tecnologia seja

largamente utilizada no que diz respeito ao controle sem fio e aplicações de monitoramento

(LEG, 2004).

Seus dispositivos operam na faixa de rádio ISM – Industriais, Científicas e Médicas e não

requer licença para o seu funcionamento. São as faixas de 2,4GHz (Maior parte do mundo),

915MHz (América e Austrália), 868MHz (Europa). O padrão Zigbee (IEEE 802.15.4) tem

como principais características o consumo de baixa potência, baixo custo, implementação e

configuração simples, operação segura, maior densidade dos nós por rede, suporte a várias

topologias de rede, previne a colisão dos dados que estão trafegando, além de retransmitir

dados e garantir o recebimento dos frames (ERGEN, 2004). A figura 11 ressalta as principais

aplicações Zigbee.

Figura 11: Áreas de aplicação da tecnologia Zigbee (Modificado de ZIGBEE, 2012).

59

3.1.1. Funções Lógicas dos Dispositivos da Rede ZigBee

A rede Zigbee possui dois tipos de dispositivos, de acordo com a padronização do IEEE:

RFD-Reduced Function Device, isto é, função reduzida, este apenas se comunicam com

outros dispositivos FFD e apenas um coordenador de rede, são mais simples. FFD-Full

Function Device, função completa. Estes trabalham em quaisquer modos de operação da rede,

coordenador, roteador ou dispositivo final, são mais complexos (LEG, 2004).

3.1.1.1. Dispositivo Coordenador

Conhecido também como Coordenador Zigbee (ZC), é o nó inicial da rede e pode realizar

todas as funções da rede, por este motivo está presente em todos os tipos de rede. Ele é

implementado por FFD e realiza as funções de manutenção, endereçamento, reconhecimento

das topologias e serve como ponte para as outras redes Zigbee (LEG, 2004).

3.1.1.2. Dispositivo Roteador

São implementados por FFD e utilizados em redes de topologia mesh e cluster. Por

possuírem tabelas de roteamento, é possível definir o melhor caminho a ser percorrido até o

destino final da informação, permitindo a autorregeneração da rede para casos em que haja

falha no sistema ou queda de alimentação (LEG, 2004).

3.1.1.3. Dispositivo Final

Com as funções limitadas, deve sempre se comunicar com seu nó principal para receber e

transmitir os dados, é RFD e utilizado em topologias de rede star e cluster. Não realizam

função de roteamento e nem de coordenação da rede (LEG, 2004). A figura 12 apresenta um

modelo de uma rede Zigbee e seus elementos.

60

Figura 12: Modelo de rede ZigBee e seus elementos (LEG, 2004).

3.1.2. Topologias da Rede ZigBee

Existe uma pluralidade de formas de instalações de redes, dependendo do tipo de

funcionalidade, que pode levar a rede ser mais barata, robusta, distribuída ou centralizada

(ERGEN, 2004).

3.1.2.1. Topologia Estrela

Este tipo de configuração também é chamado de topologia star. Sua conexão é feita

através dos dispositivos e apenas um coordenador central (PAN). Ao ativar um FFD pela

primeira vez, ele estabelece sua própria rede e se transforma no coordenador PAN. É também

uma topologia muito simples de implementação. O ideal é ser instalada em locais que

possuam poucas barreiras físicas à transmissão e recepção dos sinais (ERGEN, 2004).

3.1.2.2. Topologia Árvore

Também chamada de rede Cluster Tree e é similar a rede em malha, porém com uma

hierarquia bem maior e o dispositivo coordenador se torna o nó mestre para fazer a conexão e

troca de informações entre os dispositivos finais e os roteadores. Sua vantagem está em

aumentar a área de cobertura, mesmo que cause o atraso no envio da mensagem (ERGEN,

2004).

61

3.1.2.3. Topologia Malha

A topologia em malha, também conhecida como mesh, possui um coordenador PAN.

Todos os seus dispositivos comunicam-se entre si, caso estejam dentro do mesmo alcance,

possui também a capacidade de se auto-organizar e possibilita o acesso a diversos caminhos

para os dados em navegação, tornando a rede mais robusta (LEG, 2004).

A figura 13 representa os tipos de topologias da rede ZigBee.

Figura 13: Topologias da rede ZigBee (Modificado de VIKA, 2008).

3.1.3. Formação da Rede ZigBee

Inicialmente o dispositivo coordenador procura pelas frequências disponíveis fazendo com

que os canais se organizam em níveis de energia decrescente. Então, o coordenador procura

pelo melhor canal, cria uma rede e escolhe um identificador para permitir o acesso dos outros

dispositivos à rede (LEG, 2004).

Cada dispositivo da rede recebe um endereço, escolhido por um roteador, através de um

comando request. O roteador vasculha toda a rede e emite uma requisição de integração para

aqueles que responderam a sua solicitação (LEG, 2004).

Os dispositivos finais tem processo semelhante ao dos roteadores para integrar a rede,

feita esta integração, eles conseguem se comunicar com os outros elementos da rede zigbee.

Existe ainda, no nível dos coordenadores de rede um elemento conhecido por stack profile,

que estabelece as características da rede (LEG, 2004).

Dentre as principais vantagens da rede zigbee pode-se citar:

Baixo consumo de energia;

Espalhamento espectral em Sequencia Direta;

62

Suporte a diversas topologias;

Permite até 65 mil nós numa mesma rede;

Segurança dos dados por meio de encriptação AES 128 bit;

Evita colisão da informação;

Retransmissão de dados;

Confirmação do recebimento dos pacotes.

Desta maneira, seu uso se torna simples e confiável em aplicações de redes sem fio e,

principalmente, nas redes de energia inteligentes.

3.2. TECNOLOGIA POWER LINE COMMUNICATION – PLC

O PowerLine Communication é um sistema de telecomunicações que transporta os dados

(internet, vídeo, voz etc.) num mesmo condutor da rede de energia e ainda o gerenciamento,

automação e controle dos equipamentos conectados à rede de energia elétrica, tornando cada

ponto elétrico da residência em um ponto de rede de dados (ARRL, 2010). Sabe-se que a

energia usa as linhas de transmissão para serem transportadas das centrais geradoras até os

centros de carga, passando por várias subestações para que se possam fazer as devidas

transformações da tensão (BERTONCEL, 2008).

O PLC utiliza-se da infraestrutura já existente, logo não é preciso a construção para que se

possa ser implantada. O mesmo trabalha com na segunda camada do modelo ISO/OSI (Open

System Intercommunication) (ARRL, 2010), ou seja, na camada de enlace ou também

conhecida como camada ligação de dados deste modelo, podendo deste modo trabalhar em

conjunto com uma rede TCP/IP – Transmission Control Protocol/ Internet Protocol – a

terceira camada já existente no sistema e também com as outras tecnologias que estão

disponíveis na segunda camada (HUNT, 1998).

Existem diferentes tipos de PLC, cada um exigindo faixas de frequências diferenciadas.

Para o PLC de faixa estreita, a frequência varia entre 3 kHz a 500 kHz, aproveitando-o na

realização da leitura dos medidores digitais. Já o PLC de faixa larga, a frequência varia entre

1,8 MHz e 34 MHz, conhecido também como BPL, seu aproveitamento é em internet banda

larga e entre as linhas de transmissão de alta tensão da rede elétrica, este ainda não se

consolidou (VIEIRA, J; GRANATO, S., 2011).

63

3.2.1. Características do PLC

O PowerLine Communication é capaz de utilizar, como suporte, a rede de baixa tensão

(BT) e/ou a rede de média tensão (MT) como. O emprego da rede de alta tensão (AT) é

considerado ainda como objeto de estudos adicionais com possíveis resultados futuros em

escala comercial (SILVA, E; JUNIOR, J., 2010).

Este tipo de tecnologia é apropriado tanto para as redes de baixa tensão aérea quanto para

as redes de distribuição subterrânea. Pode-se destacar alguns dos pontos fortes do PowerLine:

A utilização da infraestrutura que já faz parte da rede elétrica com um potencial de

cobertura superior ao das tecnologias competidoras, possibilitando deste modo

presença em todas as partes sem precedentes (indoor e outdoor);

De implantação veloz, modular e seletiva;

A instalação indoor (em residências e escritórios) é veloz e simplória;

Investimentos e custos operacionais na rede PLC estão ficando a cada ano mais

competitivo com relação a ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) e menor do

que o serviço de distribuição via cabo;

Desenvolver esta tecnologia é vantajoso, já que se apoia e é convergente com os

desenvolvimentos mais recentes do quadro de serviços NGN e protocolos IP, por

exemplo, parâmetros de QoS (Quality Of Service), IPv6 (Internet Protocol versão 6),

entre outros (SILVA, E; JUNIOR, J., 2010).

Convém dizer que há dois tipos de PLC, o indoor – ou seja, interior, a transmissão é

dirigida por meio da rede de energia que já existe numa residência e/ou prédio e também pode

ser outdoor – na parte externa, a transmissão é feita usando a rede pública de energia elétrica.

O PowerLine Communication apresenta um amplo espectro de aplicações, variando desde

acesso à internet em banda larga, telefonia, tele-controle, serviços de controle de

eletrodomésticos, serviços audiovisuais, segurança predial. Por causa da capacidade da

tecnologia no transporte e capilaridade já montada da rede, também estão aparecendo

propostas de evolução de serviços atuais de distribuição de energia utilizando exatamente

estes diferenciais (SILVA, E; JUNIOR, J., 2010).

64

3.2.2. Funcionamento

Pode-se dizer que o PLC, cuja frequência de sinal varia entre 1,7 a 30 MHz e a energia

elétrica, com frequência de 50 a 60 Hz, vivem em harmonia no mesmo meio de transporte, o

que significa dizer que ainda não a energia não esteja passando pelo condutor em determinado

momento, o sinal de internet não será cortado. A internet via PLC é síncrona, isto significa

dizer que possui o mesmo desempenho tanto no envio quanto no recebimento dos dados. A

figura 14 abaixo mostra o funcionamento de uma PLC.

Figura 14: Rede comercial da tecnologia PLC (LU, 2010).

O sinal PLC parte da central e então é atirado na rede elétrica por meio de injetores,

estando na rede, o sinal passa então pelos repetidores a fim de impossibilitar que os

transformadores da rede filtrem os sinais de frequência do PLC. Chegando ao local de acesso,

o sinal vai passar por um equipamento conhecido como extrator, que possui a finalidade de

preparar o sinal para o uso. No local de acesso, um modem PLC realiza a conversão do sinal

para o uso do computador por meio de uma porta Ethernet, entrada USB ou wireless. Vale

considerar que ao chegar no poste, o sinal pode ser enviado para o local de acesso por três

maneiras: via fibra, wireless e fiação elétrica, sendo a última a mais vantajosa por já ser

existente, diminuindo os custos da operação (LU, 2010).

Dentre os principais benefícios desta tecnologia estão:

65

A existência e o emprego da infraestrutura básica já existente para a comunicação

(SILVA, E; JUNIOR, J., 2010);

Do aspecto social, esta tecnologia representa a democratização dos meios de

transmissão de informação (FRANÇA et al, 2009);

Por utilizar a rede de energia, qualquer ponto elétrico pode se tornar um ponto de rede,

basta apenas conectar o modem PLC na tomada;

Suporta altas taxas de transmissão, chegando a faixa de 200 Mbit/s, conforme tabela 1,

em faixas frequência de 1,7 MHz a 50 MHz;

Segurança, com os dados criptografados em DES – Data Encryption Standard de 56

bits.

Esta tecnologia tem se favorecido de notável sinergia com a ampliação das tecnologias de

redes IP de maneira geral, sendo considerada uma alternativa competitiva no provimento de

acesso banda larga (SILVA, E; JUNIOR, J., 2010).

Com a implantação da tecnologia PLC empresas que ate hoje só forneciam energia

elétrica poderão agora fornecer serviços do tipo telefonia e banda larga, tornando-os viáveis e

alcançando lugares e cidades que ate então só possuíam redes elétricas (HRASNICA et al,

2004).

3.3. TECNOLOGIA GENERAL PACKET RADIO SERVICE – GPRS

É a evolução da tecnologia GSM, que permite a ampliação de sua arquitetura,

possibilitando a transferência dos dados por meio de pacotes. Estes são transportados através

de vários slots de tempo, que são alocados de acordo com a necessidade do sistema,

permitindo uma conexão permanente (TUDE, 2003).

3.3.1. Características GPRS

No que diz respeito a sua arquitetura, não modifica muito em relação à arquitetura GSM,

apenas a um acréscimo no nível de software, com a introdução dos seguintes elementos:

Serving GPRS Support Node (SGSN): Se preocupa em manter a conexão entre os

usuários móveis quando os mesmos mudam para uma área de cobertura fora da sua

cobertura local;

66

Gateway GPRS Support Node (GGSN): Responsável por fornecer o endereço de IP

para os terminais móveis da rede que estão conectados.

A figura 15 apresenta uma configuração da rede GPRS.

Figura 15: Configuração de uma rede GPRS (Modificado de TUDE, 2003).


Para que uma rede GPRS funcione, a conexão entre um terminal e a rede é realizada de

forma que, ao ser energizado, o terminal GPRS é reconhecido e logo se cria um enlace lógico

entre este terminal e o SGSN.

Em seguida, consegue-se estabelecer uma conexão, após o recebimento do seu endereço

de IP dinâmico, por meio de um Packet Data Protocol. Assim, o terminal pode enviar e

receber pacotes de dados e ainda assumir os status de ocioso (idle), pronto (ready) de acordo

com a necessidade do sistema (TUDE, 2003).

Dentre as suas principais vantagens, estão:

Qualidade do serviço;

Permite o uso de voz e dados ao mesmo tempo no mesmo canal;

Cobertura ampla;

Acesso rápido e permanente dos dados da rede;

Maior velocidade de transmissão em relação a tecnologia GSM;

Menor custo;

Possibilidade de interoperabilidade entre as operadoras.

67

Esta tecnologia pode ser viabilizada sem muitas alterações da rede GSM já existente, mas

é preciso que seus terminais suportem este tipo de serviço. Aumentar o seu tráfego, exige

também uma maior capacidade da rede para não comprometer os dados que estão sendo

transmitidos.

3.4. TECNOLOGIA WI-FI – IEEE 802.11

Conhecidas como redes wireless, ou simplesmente redes sem fio, foi desenvolvida pela

Wi-Fi Alliance para o conjunto de normas do IEEE 802.11, definindo o primeiro padrão para

redes locais sem fio, principalmente para solucionar as limitações impostas pelos cabos

utilizados na interconexão dos computadores.

3.4.1. Características

A rede Wi-Fi funciona na faixa de frequência que não necessita de licença para a

instalação e para operar, no entanto, no Brasil é preciso autorização do agente regulador, a

Agência Nacional de Telecomunicações – ANATEL. Como este padrão funciona de acordo

com o IEEE 802.11, a tabela 1 apresenta um resumo dos principais padrões da família IEEE

802.11 que são utilizados na rede Wi-Fi.

Tabela 1: Resumo da família IEEE 802.11 para Wi-Fi

Família IEEE 802.11 Frequência

802.11a 5GHz (54Mbps)

802.11b 2.4GHz (11Mbps)

802.11g 2.4GHz (54Mbps)

802.11n 2.4 GHz e/ou 5GHz (65-600Mbps)

Fonte: SANCHES, 2007

Em 1997, foi lançado o primeiro padrão, mas foi o 802.11b o primeiro desta rede que foi

amplamente aceito, em seguida os padrões 802.11g e 802.11n. A segurança desta tecnologia

foi sendo aperfeiçoada ao longo da história de sua evolução.

68


A comunicação de uma rede sem fio utiliza as ondas de rádio para a transmissão dos

dados (HSW, 2013). Para se conectar à Internet utilizando a rede Wi-Fi é necessário está na

faixa de alcance de um ponto de acesso, conhecido por hotspot. Ao encontrar um hotspot,

quaisquer periféricos ou Station - STA habilitado para a rede Wi-Fi, pode se conectar à

Internet (SANCHES, 2007). A figura 16 a seguir exemplifica uma rede Wi-Fi, que utiliza

como a base para sua topologia de rede a camada de enlace do Modelo OSI por meio da

configuração Ponto Multiponto.

Figura 16: Exemplo de uma rede Wi-Fi. (ALECRIM, 2008).

O adaptador wireless do periférico traduz os dados sob forma de onda de rádio e realiza a

transmissão através de uma antena para um roteador que irá receber este sinal e decodificá-lo.

O mesmo irá transmitir a informação para a Internet, transformando-a em sinal de rádio e a

enviando para o periférico (SANCHES, 2007).

Existem alguns mecanismos de segurança para inibir o acesso de dispositivos não

autorizados na rede. Dentre os principais métodos pode-se destacar:

WEP: Wired Equivalent Privacy existe desde o surgimento do Wi-Fi. É um

mecanismo de autenticação aberto (aceitando qualquer STAs que solicitar acesso à

rede) ou fechado (o acesso é realizado por meio de chaves) pré-definidas.

69

WPA: Wired Protected Access. Mais seguro que o método anterior, pois funciona com

chaves temporárias (Temporal Key Integrity Protocol –TKIP) que são trocadas em um

intervalo de tempo definido no momento da configuração da rede.

WPA 2 (AES): Wired Protected Access Advanced Encryption Standard. É uma

variação do WPA baseado na encriptação AES. Oferece alta segurança dos dados e

opera com um alto processamento, logo não é recomendável para as redes domésticas.

3.4.3. Vantagens

Dentre os principais benefícios que o padrão Wi-Fi pode proporcionar, tem-se:

Implantação mais barata em redes locais;

É possível hospedar redes locais wireless onde os cabos não alcançam;

Popularização da rede e preços reduzidos;

Novos mecanismos para diminuir o consumo da bateria.

As limitações desta rede estão relacionadas ao espectro de frequência.

3.5. TECNOLOGIA WORLDWIDE INTEROPERABILITY FOR MICROWAVE

ACCESS – WiMAX

O padrão de Interoperabilidade Mundial para Acesso por Microondas, ou simplesmente

WiMAX, foi desenvolvido baseando-se na norma IEEE 802.16 (IADOCICCO, 2007). Esse

padrão também é chamado por Wireless MAN – WMAN (LIMA, et al., 2004) e tem como

principal objetivo a especificação de uma interface sem fio para as redes metropolitanas

(IADOCICCO, 2007).


Este é um padrão similar ao Wi-Fi, entretanto sua abrangência é maior, pois visa atender

uma ampla cobertura, um melhor desempenho de comunicação com velocidades maiores e

ainda estabelece a infraestrutura final para conexão banda larga na última milha, isto é,

possibilita a conexão à rede Internet em fins residenciais, comerciais e como access point

(WiMaxForum, 2013).

70

O acesso à rede é bem similar ao dos sistemas móveis celulares. Ele é realizado através de

antenas externas localizadas em Estações Rádio Base - ERB, ou ainda enlaces por meio de

fibras ópticas (LIMA, et al., 2004). O sistema é dividido em duas partes: o lado da antena

transmissora de WiMAX, que envia o sinal para outras ERBs que irão multiplicar o sinal para

o lado do receptor WiMAX (RIBAU, et al., 2006), este será acoplado ao disposto que está

solicitando o acesso, como mostra a figura 17 a seguir.

Figura 17: Conexão utilizando o WiMAX (RIBAU, et al., 2006)

Uma torre pode se conectar à Internet utilizando cabos de alta largura de banda, como

pode se conectar através de microondas, nesta segunda opção nota-se que é possível

estabelecer um link por duas maneiras. A primeira é chamada de serviço sem linha de visão

(usa baixo alcance de frequência, parecido com o Wi-Fi e normalmente não existem

obstruções físicas para o sinal) e a segunda é o serviço de linha de visão (uma antena aponta

fixamente para a torre WiMAX, estabelecendo uma melhor conexão e permitindo alcance

maiores (RIBAU, et al., 2006).

3.5.2. Topologias

As principais topologias de rede do padrão WiMAX são descritas a seguir:

71

Peer-to-Peer (P2P): Ou simplesmente ponto-a-ponto é formada por um link dedicado,

com longo alcance, alta capacidade e sem fio entre dois dispositivos do sistema. A

Base Station – BS (estação rádio base que realiza todo o controle de comunicações e

promove a segurança) é o local principal e o Subscriber Station – SS (estação

assinante) é o ambiente remoto. Opera com visada direta (CAVECCI, 2011).

Ponto Multiponto (PMP): É formada pela estação base (BS) como central de apoio e

por várias estação assinantes (SS), possibilitando o acesso à rede a muitos ambientes

através de um ponto de conexão. Pode operar utilizando visada direta ou a técnica

chamada de non-line-of-sight, NLOS (sem linha de visada) (CAVECCI, 2011).

Multi-Hop Relay: É uma arquitetura de retransmissão que estende a transmissão do

sinal de uma estação base para uma estação assinante através de uma Relay Station –

RS (estação de retransmissão) (CAVECCI, 2011).

Topologia Móvel: Similar a uma rede móvel celular, onde inúmeras estações base

promovem a comunicação por meio de uma rede distribuída para os SSs e as estações

móveis, com implementações para que o handoff ocorra sem perdas do sinal

(CAVECCI, 2011).


As principais características desta tecnologia são destacadas a seguir:

Possui cobertura de maior alcance, até 100 km, com velocidades de até 70 Mbps;

Independência de protocolo, pois permite o transporte de vários como IP, ATM,

Ethernet;

Serviços agregados. Existe a possibilidade para outros serviços além da conexão à

Internet, como um exemplo o Voz sobre IP – VoIP;

É uma tecnologia compatível com as antenas da rede de telefonia móvel.

Mas ainda existem algumas dificuldades relacionadas à esta tecnologia. Alguns dos

principais idealizadores desta ainda não chegaram a um consenso sobre as principais

especificações para a interoperabilidade do sistema. Em altas frequências existe a

possibilidade de interferências por fenômenos naturais, como a chuva, reduzindo as taxas de

transferência de dados e a área de cobertura (RIBAU, et al., 2006).

72

3.6. TECNOLOGIA BLUETOOTH – IEEE 802.15

A tecnologia Bluetooth foi desenvolvida inicialmente a fim de permitir a conexão entre

quaisquer dispositivos, por menores que sejam sendo esta operação realizada de tal maneira

que os custos de implantação e o consumo de energia sejam reduzidos (BRITO, 2003).


O desenvolvimento desta tecnologia permitiu uma comunicação de dados e voz mais

simples dentre os inúmeros dispositivos eletrônicos por meio da conexão wireless,

possibilitando ainda vantagens como baixo custo, baixa potência, e curta distância. A mesma

utiliza sinais de frequência de rádio.

A conexão entre dois dispositivos é feita por um rádio Bluetooth (nada mais que um chip

de computador) que realiza e controla as conexões individuais com baixo consumo de

energia. Este padrão define que os dispositivos eletrônicos façam a conexão através de

frequências de rádio e protocolos de rede (similares aos da camada OSI) específicos para que

possam enviar e receber dados. Vale ressaltar que os protocolos dos dispositivos Bluetooth

devem ser os mesmos, possibilitando uma fácil linguagem entre eles. (MILLER, 2001).

Os dispositivos do padrão Bluetooth precisam adotar as especificações determinadas pela

Special Interest Group – SIG (empresa desenvolvedora do padrão). A mesma é quem permite

o funcionamento e a comunicação ideal de seus chips com os demais chips existentes no

mercado (BILLO, 2003). A figura a seguir exemplifica uma rede usando Bluetooth.

Figura 18: Topologia de uma rede Bluetooth (Modificado de PRIESS, 2003).

73

A composição fundamental para o desenvolvimento da topologia de rede pode ser baseada

na camada física do Modelo OSI ou ainda Ponto Multiponto, chamada rede ad hoc, ou ainda

piconet. Esta é uma rede constituída por até oito dispositivos, onde um é o mestre da rede e os

outros serão os escravos (estes últimos só conseguem fazer a comunicação através do mestre

da rede) e formam uma topologia em estrela como mostrado pela figura 20 acima. Tendo em

vista o aumento da quantidade de estações e, por conseguinte, o seu alcance, foi criado o

conceito scatternet (aqui inúmeras piconets poderão ser interconectadas por uma ou mais

estações de rede) (PRIESS, 2003).

A tecnologia Bluetooth utiliza a banda ISM (similar a tecnologia ZigBee, que opera entre

2,4 GHz até 2,48 GHz e é uma banda livre). Como esta faixa de frequência é comumente

utilizada por outros dispositivos, há o risco de interferências entre os mesmos. A fim de

reduzir estas colisões, os rádios do padrão Bluetooth operam através da técnica de modulação

por salto de frequência por alargamento de banda, conhecida como FH-CDMA (Frequency

Hopping - Code-Division Multiple Access) (BONATTO; CANTO, 2005).

Os protocolos do padrão Bluetooth determinam o formato dos dados e como os mesmos

serão transmitidos e recebidos pelos dispositivos. Para cada aplicação desta tecnologia há

vários protocolos específicos para tal aplicação.


Para Bray, et al. (2001) este padrão é definido da seguinte maneira ―Bluetooth é uma

tecnologia de transmissão de dados e voz via rádio de baixo custo, baixo consumo e curto

alcance, onde as pessoas não precisam mais conectar, plugar, instalar, habilitar ou configurar

nenhum equipamento‖ .O seu principal objetivo é substituir os cabos que são utilizados para

conectar os mais diversos equipamentos de rede.

A redução do tamanho dos dispositivos bem como dos custos deste padrão fez com que a

capacidade de transmissão de dados fosse reduzida para até 723,32 Kbps, sendo a mesma

realizada de maneira unidirecional, alcance de 10 metros e o número máximo de dispositivos

conectados ao mesmo tempo na rede de oito (MILLER, 2001).

Com relação à segurança desta tecnologia, existem três diferentes modos de segurança

possíveis:

Modo de segurança 1: Sem medidas implementadas, o dispositivo é considerado

inseguro;

74

Modo de segurança 2: O dispositivo eletrônico com tecnologia Bluetooth realiza os

procedimentos de segurança quando a conexão é realizada;

Modo de segurança 3: Este é considerado o mais seguro, pois os procedimentos de

segurança são realizados antes da conexão ser estabelecida.

Os procedimentos de segurança definidos no modo 2 e 3 estão em três mecanismos na

especificação Bluetooth, Key Management (usa três chaves de acesso), Device Authentication

(autentica os protocolos através de uma chave simétrica) e Packet Encryption (utiliza três

modos de criptografia para a realização da conexão). Além da segurança existem outros

critérios que a tecnologia Bluetooth considera tais como confiabilidade dos dados,

autenticação e identificação, controle de acesso e integridade dos dados (MAIA, 2003).

3.7. CONCLUSÕES

A implantação das redes inteligentes de energia se faz muito importante devido a atual

situação do sistema energético e as pressões ambientais e econômicas da sociedade. A

mudança para este novo conceito é inevitável, porém para que ocorra com sucesso é preciso

que o governo, juntamente com as empresas do ramo e os consumidores interajam no sistema.

A tabela 2 apresenta um resumo das principais características das potenciais tecnologias

existentes para as smart grids, que foram apresentadas neste capítulo.

75

Tabela 2: Características das tecnologias para SG

Fonte: Autoria própria (Modificado de LOPES, et al., 2012)

Tecnologias para a implantação das RIE estão sendo estudadas para superar os desafios

existentes entre os principais pilares da Smart Grid que são os ativos elétricos, os sistemas de

telecomunicações e de tecnologia da informação de maneira a agrupar todos eles num sistema

global totalmente automatizado (LOPES et al., 2012.)

TECNOLOGIA

ESPECTRO

BANDA

ALCANCE

TOPOLOGIA

IMUNIDADE

A RUÍDOS

CUSTO

CONSUMO

GPRS

900-1800

MHz

Até 170

kbps

1-10 km

SGSN

GGSN

Alta

Baixo

Médio

Wi-Fi/IEEE

802.11

2.4-5.8 GHz

Até 155

Mbps

1-300 m

Camada de

Enlace/OSI

Ponto

Multiponto

Média

Baixo

Alto

WiMAX/IEEE

802.16

2.5 GHz

3.5 GHz

5.8 GHz

Até 75

Mbps

1-5 km

1-5 km

10-50 km

Peer-to-Peer

Ponto

Multiponto

Multi-hop

Relay

Móvel

Baixa

Médio

Médio

PLC

3-500 kHz

1.8-30 MHz

1-3

Mbps

Até 200

Mbps

1-3 km

Barramento

(BT)

Anel (MT)

Baixa

Alto

Alto

ZigBee

2.4 GHz

868 MHz

915 MHz

Até 250

kbps

30-150 m

Estrela

Árvore

Malha

Alta

Baixo

Baixo

Bluetooth

IEEE 802.15

2.4 – 2.4835

MHz

Até 721

kbps

1-10m

Camada

Física/OSI

Ponto

Multiponto

Alta

Baixo

Baixo

76

A maior dificuldade ainda está na escolha desta tecnologia e nos padrões a serem adotados

pelas empresas e fabricantes para promover a interoperabilidade destes equipamentos, a

regulação de algumas das novas tecnologias que vem sendo estudadas e ainda a aprovação do

INMETRO para a implantação e comercialização das redes inteligentes, bem como todos os

equipamentos existentes no sistema (LOPES et al., 2012.).

77

CAPÍTULO 4: DESENVOLVIMENTO DA PROPOSTA E ANÁLISE

COMPARATIVA: SMART GRID vs REDES ATUAIS

4. INTRODUÇÃO

Após todo o conteúdo exposto neste trabalho até o momento, este capítulo irá propor uma

alternativa para a implantação de uma rede inteligente de energia. A análise comparativa visa

proporcionar um melhor entendimento entre as novas tecnologias e a rede de energia atual.

A maior dificuldade para implantação das redes inteligentes de energia está em qual tipo

de configuração deve ser adotada para tal, mas é importante ressaltar que o modelo adotado

deve ser escolhido de acordo com as necessidades da região.

4.1. DESENVOLVIMENTO DA PROPOSTA

Pela exposição das potenciais tecnologias para a implantação das redes inteligentes, foi

possível elaborar uma tabela com um resumo das principais características destas tecnologias.

Os critérios resumidos na tabela 2 ao final do capítulo anterior foram analisados e serviram

como parâmetros norteadores para a escolha das tecnologias mais apropriadas para o

desenvolvimento da proposta de configuração de uma rede inteligente.

Da análise destes parâmetros apresentados na tabela, definiu-se que a tecnologia adotada

para a coleta e transmissão dos dados adquiridos nas unidades consumidoras de baixa tensão é

a ZigBee. A mesma apresenta um número maior de benefícios dentre os critérios expostos,

tais como:

Topologia de rede em três modelos (árvore, estrela e malha), sendo a topologia em

malha a mais utilizada, pois possibilita até 65.000 nós na rede (esta topologia foi

utilizada no estudo de caso apresentado no capítulo 7, que trata da autorrecuperação de

uma SG);

Baixo consumo de energia dos equipamentos que farão a leitura e aquisição dos dados

(os smart meters);

Alta imunidade a ruídos (evitando as perdas nas transmissões dos dados que foram

coletados), opera na frequência ISM (considera uma frequência livre).

Apesar da baixa largura de banda e do curto alcance desta tecnologia, a mesma satisfaz às

condições básicas para o funcionamento de uma SG, já que a ideia inicial das redes

78

inteligentes não é transmitir um alto volume de dados nas unidades consumidoras de baixa

tensão.

Outro critério utilizado na escolha desta tecnologia foi o baixo custo da mesma. O gráfico

a seguir mostra alguns dos principais custos de um sistema de medição inteligente (EPRI,

2012).

Gráfico 2: Composição estimada dos custos de um sistema de medição inteligente.

Fonte: EPRI, 2012.

Analisando o gráfico acima, é possível notar que o maior desafio para a implantação da

smart grid é o custo com os equipamentos de medição, conhecidos por smart meters, ou

medidores inteligentes.

Estes equipamentos digitais são de fundamental importância numa rede inteligente, eles

possuem uma infraestrutura avançada de medição (AMI – Advanced Metering Infrastructure),

com a tecnologia de computação necessária para permitir a aquisição de dados em um

determinado espaço de tempo (ROMANO; FARIA, 2012). Os mesmos devem proporcionar

maior controle para a concessionária sobre as perdas comerciais, a redução dos custos

operacionais de leitura, corte e religamento de cargas, para o consumidor, deve gerar o

acompanhamento do consumo e opções diferenciadas de tarifação, detecção de falhas em

tempo real e ainda maior agilidade na troca de informações entre os centros de gerenciamento,

supervisão e o consumidor final (EPRI, 2012).

79

Em dezembro de 2012 foi publicada a Resolução Normativa nº 502 que estabelece a

regulação do uso dos medidores eletrônicos para os consumidores do grupo B, a mesma

instituiu um prazo de 18 meses para que as distribuidoras se tornassem aptas para fornecer

estes equipamentos aos consumidores (ANEEL, 2012d), todavia, a resolução não impôs a

obrigatoriedade da substituição dos medidores, o que traz de volta o impasse dos custos desta

troca. De acordo com Relatório do Grupo de Trabalho de Redes Elétricas Inteligentes, do

Ministério de Minas e Energia (2012):

―As informações prestadas pelos fabricantes, através da ABINEE, podem

embasar a estimativa do custo do medidor com as funcionalidades a serem

requeridas pela ANEEL, de acordo com as especificações submetidas à

Audiência Pública nº 043/2010. Para efeitos deste trabalho, será considerando

que, em média, 70% dos consumidores na baixa tensão são monofásicos,

20% bifásicos e 10% trifásicos, e que o valor de cada medidor é de R$

250,00. A este valor, deve-se somar o custo de instalação, que é composto

pela mão-de-obra da instalação e componentes menores.

Atualmente, a ANEEL considera 12% do custo do medidor eletromecânico

como mão-de-obra e 45% como componentes menores. Considerando que

um medidor eletromecânico custa R$ 50,00, tem-se que a mão-de-obra para

instalar o equipamento é de R$ 6,00, enquanto que os componentes menores

somam R$ 22,50. Logo, os custos de instalação de cada medidor somam R$

78,50. Assim, o custo de um medidor inteligente instalado é de R$ 278,50.

Considerando a substituição de 45 milhões de medidores (valor referente a

consumidores de baixa tensão residencial não baixa renda, comercial e

industrial), o custo total dessa instalação é de aproximadamente R$ 12,5

bilhões‖.

Esta resolução foi um passo muito importante para a implantação das RIE no Brasil, mas,

como o direito de escolha pelo medidor eletrônico é de poder do consumidor, ele será o fator

determinante no que diz respeito ao tempo de instalação dos mesmos e ainda o INMETRO,

pois este deverá se adaptar aos testes técnicos propostos pela 502/2012 para aprovar os novos

medidores.

O uso de um Smart Meter com placa de rede que possua tecnologia Zigbee proporciona

um menor custo na aquisição e operação destes equipamentos. Medidores com esta

tecnologia, já são fabricados no Brasil e apresentam ―funcionalidades de combate a fraude,

medição de corrente de neutro, corte/religamento remoto e comunicação sem fio‖ (ECIL,

2013) e ainda oferece suporte a redes em malha, tornando a composição da rede mais

dinâmica. Ainda de acordo com Ecil (2013), tais características possibilitam que esta seja uma

solução completa, envolvendo além dos medidores, os coordenadores da rede e um

gerenciamento remoto de todos os elementos.

A rede smart grid proposta neste trabalho visa utilizar a tecnologia Zigbee para aplicações

de monitoração em baixa tensão, ao exemplo de ambientes locais – HAN (Home Area

80

Network), e ainda para as comunicações entre os principais dispositivos da rede de energia

pelas suas características já apresentadas. Este padrão é considerado um dos mais adequados,

já que ―atende aos requisitos de comunicação usando a funcionalidade de tolerância a falhas e

escalabilidade para o monitoramento de energia, automação residencial e leitura automática

dos medidores‖ (LOPES et al., 2012), possibilitando que a autorreconfiguração do sistema em

qualquer outro nó da rede em caso de indisponibilidade do nó que está sendo utilizado para o

tráfego das informações.

Nas componentes de média e alta tensão a tecnologia adotada, de acordo com os

parâmetros definidos pela tabela 2, foi a GPRS, devido aos seguintes critérios:

Topologia de rede em dois modelos (Serving GPRS Support Node – SGSN e Gateway

GPRS Support Node – GGSN), ambas interagem e funcionam similarmente como a

tecnologia Global System for Mobile – GSM,mais conhecidas como redes celulares;

Custo reduzido, principalmente pelo fato de funcionar similarmente com a rede GSM,

não é preciso grandes investimentos em infraestrutura de rede, pois pode-se aproveitar

a já existente das redes celulares;

Alta imunidade a ruídos;

Longo alcance, permitindo o atendimento em grandes centros urbanos e até mesmo em

áreas rurais;

Melhor eficiência espectral que suporta um maior número de clientes.

A proposta visa o uso da tecnologia GPRS (a mesma suporta a funcionalidade de repetidor

em AT) para a comunicação com os centros de gerenciamento e supervisão da rede, visto que

esta tecnologia é confiável, mais simples, pois utiliza a rede de telefonia móvel para realizar a

comunicação com a rede de distribuição, reduzindo o tempo e evitando gastos com a

infraestrutura e operacionais (LOPES et al., 2012).

A partir da escolha destas tecnologias foi possível configurar a proposta da rede inteligente

de energia como segue na figura a seguir.

81

Figura 19: Proposta da rede inteligente de energia (Autoria própria).

Esta configuração permite atender as funcionalidades que a rede smart grid proporciona

para o sistema. Na rede de baixa tensão, os dados serão adquiridos e transmitidos para a rede

de média tensão através do medidor inteligente com tecnologia ZigBee. Para a transmissão

destes dados para a rede de alta tensão (que transmitirá para o sistema de gerenciamento e

controle), ela adota a tecnologia GPRS, como foi explicado anteriormente.

No centro de gerenciamento e controle da rede, será realizada a análise destes dados e o

faturamento detalhado da conta de energia dos clientes, de acordo com as futuras regras de

tarifação (estas serão um pouco diferenciadas das atuais, como por exemplo, a inserção da

tarifa branca para consumidores de baixa tensão, de acordo com a Audiência Pública nº

120/2010 da ANEEL). Serão tomadas também medidas de controle (o sistema pode informar

ao cliente, caso o mesmo autorize, o corte automático de equipamentos que estejam

consumindo muita energia, a fim de reduzir o valor pago pelo mesmo ou ainda a energização

programada de parte da iluminação, alguns equipamentos da unidade consumidora, caso o

cliente fique fora de sua residência por um longo período de tempo), prevenção e recuperação

em tempo real de possíveis falhas na rede, como o caso de distúrbios em algum ponto da rede

que pode gerar um apagão (no capítulo sete foi realizado um estudo de caso que visa mostrar

a autorrecuperação de uma rede SG).

É importante ressaltar que a substituição de alguns equipamentos nas redes atuais, como

transformadores, disjuntores e chaves, sensores, reles, e ainda, os medidores analógicos, é

necessária para que a rede inteligente seja automatizada e funcione dentro dos padrões

IEC 61850

82

esperados (LOPES et al., 2012). Para este efeito, a implantação em larga escala da norma IEC

61850, que permitirá a padronização de todos os protocolos de comunicação dos dispositivos

eletrônicos inteligentes que existem nas redes de distribuição, eliminando o uso de

conversores de protocolos e permitindo a interoperabilidade destes IEDs, facilitando a

comunicação e operação da cadeia de conversão de energia.

4.2. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE SMART GRID E A REDE ATUAL

A rede de energia existente na atualidade é de fato sistema unidirecional, como

mostrado na figura 20 abaixo.

Figura 20: Modelo energético atual da geração até o consumidor final (ALCÂNTARA, 2012).

O fluxo da energia segue das centrais geradoras até o consumidor final e as geradoras

precisam injetar energia constantemente na rede, funcionando a toda capacidade, pois não é

possível saber a real demanda de cada consumidor (SLOOTWEG; ENEXIS, 2009).

Outra dificuldade deste sistema é que o mesmo é bastante vulnerável a falhas. Quando

ocorre uma interrupção em uma parte da rede, gera um efeito cascata, já que não se consegue

formar rotas de fugas para que a energia seja entregue.

A figura 21 ressalta a configuração de uma rede utilizando smart grid.

83

Figura 21: Modelo de sistema utilizando smart grid (LOPES et al., 2012).

É bem visível que esta arquitetura permite mudanças significativas no modelo energético

da atualidade (DoE, 2010). Percebe-se que este diagrama é multidirecional, ou seja, a energia

flui pela rede em diversas direções. As redes inteligentes de energia surgem como um

revolucionário conceito de gestão e operação do sistema (ETPS, 2010).

Esta arquitetura permite a visualização dos principais elementos da rede inteligente:

Comunicação Integrada: Possibilita um sistema de medição mais forte e preparado

contra falhas na rede e ainda a conexão do usuário final na rede em tempo real,

fazendo com que o mesmo receba as informações detalhadas de seu consumo;

Fontes de energia alternativas: As REIs permitirão a ampliação do quadro de

renováveis na rede, promovendo a sustentabilidade e redução dos custos para o

consumidor e se tornarão uma alternativa para países dependentes dos combustíveis

fósseis como principais fontes geradoras de energia. No Brasil, observa-se um cenário

84

favorável para a implantação destas fontes renováveis, devido ao seu grande potencial

de recursos naturais existentes. Através da geração distribuída, os clientes se tornarão

produtores e poderão comercializar a energia excedente para o sistema, obtendo

redução dos custos;

Microgrids: Será a inclusão da geração distribuída na rede smart grid, são os

chamados pequenos sistemas elétricos. A ANEEL através da RN 482/2012

estabeleceu os critérios necessários para micro e minigeração distribuída;

Sensoriamento e medidores inteligentes: Esta finalidade se tornará uma realidade

devido a toda infraestrutura de telecomunicações e tecnologia da informação que

estarão interligando todo o sistema elétrico, tanto na transmissão, distribuição como

nas extremidades da rede, no lado do cliente;

Veículos elétricos: A necessidade de reduzir as emissões dos GEEs e a busca por

veículos de boa autonomia e baixo custo está promovendo pesquisas e projetos-piloto

no que diz respeito aos veículos elétricos ou ainda aos veículos híbridos, mas se faz

imperativo, pontos de reabastecimento, eles ainda servirão como um banco de

armazenamento e uma fonte de energia (LOPES et al., 2012)

A tabela 3 estabelece algumas das principais diferenças entre a rede convencional e a rede

inteligente de energia.

85

Tabela 3: Comparação entre as redes atuais e as redes inteligentes de energia

Principais Características

Rede Atual

Smart Grid

Participação ativa dos

consumidores

São informados, mas não

participam da rede

Informados e ativos – resposta

em demanda e fontes de

energias distribuídas

Geração e opção de

armazenamento da energia

Centralizada na usina geradora

– muitos obstáculos na

distribuição e transmissão da

energia

Energia distribuída com foco

no uso das fontes renováveis

Qualidade da energia ofertada

Baseada em cortas, resposta

lenta em relação as falhas de

energia

Foco na qualidade da energia,

na relação qualidade/preço.

Resposta rápida a falhas.

Novos produtos, serviços e

mercado

Mercados limitados, mal

integrados, oportunidades

limitadas para os consumidores

Mercado integrado com amplas

oportunidades para o

consumidor

Otimização e Operação dos

ativos de forma eficiente

Pouca integração dos dados

operacionais com a gestão de

ativos

Maiores parâmetros de dados

de rede, poço na prevenção e

minimização dos impactos para

o consumidor

Resposta as perturbações do

sistema (self-healing)

Responde para evitar danos

maiores, foco em proteger os

bens após a falha

Detectação e resposta

automática aos problemas, foco

na prevenção, minimização dos

impactos para os consumidores

Resistência a ataques virtuais e

desastres naturais

Vulnerável, lenta resposta.

Resistente, possui alta

capacidade de recuperação.

Fonte: Autoria própria, traduzido e modificado de (MOMOH, 2012).

Elas irão proporcionar ainda grandes mudanças nas redes atuais como a participação ativa

dos consumidores (resposta em demanda e microgeração), existência de medidores

inteligentes que possibilitam a medição e controle em tempo real dos equipamentos dos

usuários, sistemas de armazenamento, existência de veículos elétricos, reconfiguração da rede

em tempo real, melhoria da segurança e qualidade do fornecimento da energia, redução dos

impactos ambientais (FALCÃO, 2010), integração de novos sistemas de comunicação, entre

outros benefícios que esta nova rede trará a todo sistema.

86

4.3. CONCLUSÕES

O cenário do setor energético atual está em fase de migração para este novo paradigma

das redes de energia, as smart grids. Com o perfil sempre mais exigente dos consumidores, no

que diz respeito a conforto e tecnologias e ainda as pressões ambientais para que haja uma

mudança radical no sistema econômico existente, é cogente ressaltar que o futuro para as

redes inteligentes está se voltando para a combinação de tecnologias de redes elétricas, de

telecomunicações e também de arquitetura de redes de computadores para melhorar e

promover a segurança da rede.

Dentre as tecnologias existentes, combinar as tecnologias ZigBee, GPRS com as

mudanças necessárias na rede de transmissão e distribuição (ao exemplo da substituição de

equipamentos na rede e instalação de medidores inteligentes), como proposto neste trabalho,

poderá ser uma das topologias adotadas para a implantação deste novo conceito.

Convém dizer que a maioria dos desafios tecnológicos de curto e médio já vem sendo

superados para que as redes inteligentes sejam uma realidade. Grupos de estudos, programas

de pesquisa e desenvolvimento de agências do governo, empresas de energia e universidades

estão formando parcerias para o desenvolvimento destas novas tecnologias, que possibilitam a

maior eficiência, segurança, introdução as microgrids, interoperabilidade de tecnologias,

resposta em demanda e vários benefícios para o modelo atual da economia.

87

CAPÍTULO 5

5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

O mundo sempre precisou buscar novas alternativas tecnológicas para sustentar o seu

modo de vida, principalmente na sociedade contemporânea. A energia foi o principal

propulsor para o desenvolvimento de uma pluralidade de setores na economia, fazendo com

que o homem sempre desenvolvesse técnicas para aproveitar os benefícios desta fonte.

Apesar de ser um dos requisitos primordiais para a sociedade atual, ao longo da história a

energia evoluiu apenas no que diz respeito às fontes geradoras de energia e, em relação ao seu

modo de produção e transmissão para o consumo final, ainda precisa evoluir para chegar ao

conceito de rede inteligente.

Os principais desafios para a implantação serão regulamentar as smarts grids e os custos

relacionados aos medidores inteligentes, equipamentos fundamentos para o sucesso destas

redes. O governo e as concessionárias precisam ainda esclarecer melhor para a sociedade os

benefícios que esta mudança no setor energético poderá oferecer, para que o consumidor se

torne ativo nesta evolução.

A rede apresentada como proposta foi escolhida devido aos benefícios apresentados na

comparação com outras tecnologias que foram expostas, pois a tecnologia ZigBee possui uma

plataforma livre, sendo possível se adequar a norma IEC 61850, além de ter um custo

menor,maior imunidade à interferências, topologia de rede em três modos, sendo a

configuração em malha a mais utilizada, pois permite um número maior de clientes na rede. Já

a tecnologia GPRS possibilita a implantação de SG em áreas urbanas e rurais e também

possui a vantagem da redução do custo por aproveitar a infraestrutura existente de

telecomunicação. Esta é uma tecnologia que será adotada para as redes de media e baixa

tensão, como proposto. É importante reforçar a ideia de que não existe um padrão de

configuração de rede inteligente, o que vai dizer a melhor escolha da tecnologia será a

característica da própria região a ser implantada.

Como recomendação futura, pode-se aprofundar os estudos sobre as tecnologias existentes

(como é o caso da tecnologia 4G que ainda está sendo implantada no Brasil (agora) e no

mundo. Projetos piloto para smart grid ainda não foram concluídos, mas esta tecnologia já

está sendo apontada como uma forte solução para a transmissão dos dados em alta velocidade

na última milha), para que se possa caracterizar, analisar e definir a melhor escolha para cada

88

região e ainda, a geração distribuída pelo lado do consumidor, e avaliar como a sua

participação agora poderá mudar o perfil da matriz energética. Um planejamento estratégico

em todos os níveis do setor energético é inevitável para que o conceito de Smart Grid se torne

uma realidade, enfatizando investimentos não apenas a rede de distribuição, mas todas as

partes para que ocorra a evolução do sistema.

O Brasil é contemplado com uma realidade favorável em se tratando aos recursos naturais

existentes e os utilizados. Sua principal fonte para eletricidade (hidráulica) é considerada uma

fonte renovável, porém ainda existe um leque muito grande para o uso destas tecnologias

limpas que o país precisa aproveitar e poder contribuir de forma efetiva no novo modelo do

setor energético.

Um grande passo para que as redes inteligentes sejam implantadas já foi dado, através das

reflexões e pesquisas que estão sendo realizadas através de chamadas públicas, fóruns e

congressos promovidos tanto por universidades, empresas do setor, como pelos órgãos

reguladores, contribuindo para a escolha, de maneira precisa sobre as inovações na criação de

políticas públicas na área.

89

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100

APÊNDICE A

101

APÊNDICE A - ESTUDO DE CASO: PLANEJAMENTO DO FLUXO DE ENERGIA

EM UMA SMART GRID

1. INTRODUÇÃO

Uma rede de energia Smart Grid tem como principal objetivo tornar o sistema de energia

atual inteligente, com capacidade de atuar de maneira rápida e eficiente (em tempo real) em

caso falhas, necessidade de reconfiguração, controle etc. O modelo atual, o qual não considera

esta inteligibilidade, está sujeito a falhas significativas, que se não tratadas correta e

rapidamente podem causar transtornos e prejuízos para a rede e para o cliente final.

Quando ocorre a falha em uma parte do sistema, ocorre um efeito cascata a partir deste

ponto defeituoso, implicando em perda da receita, multas dos agentes reguladores,

insatisfação dos clientes e ainda os custos operacionais para tratar o problema (SLOOTWEG;

ENEXIS, 2009). Com a ―smartificação‖ (termo utilizado para este processo de evolução) da

rede, será possível tomar medidas pró-ativas de controle e gerenciamento de toda a rede a fim

de minimizar estas perdas.

Neste estudo de caso, simples, foi desenvolvida uma formulação matemática, através de

Programação Linear Inteira – PLI (AHUJA, R; MAGNANTI, T; ORIIN, J., 1993), com o

objetivo de minimizar o número total de saltos (linhas de transmissão) que um fluxo de

energia deve percorrer para ir de uma fonte (unidade geradora) para um destino (unidade

consumidora) em uma smart grid. Logo, o objetivo deste estudo de caso é apresentar uma

estratégia básica de planejamento de redes smart grid. O modelo PLI foi escolhido por

fornecer a solução ótima do problema (HILLIER, S; LIEBERMAN, G., 2010).

Aplicando a formulação em PLI é possível estabelecer rotas alternativas para o fluxo de

energia, com uma quantidade reduzida de saltos.

1.1. FORMULAÇÃO PLI

Nesta seção é descrita uma formulação matemática para o problema de rota do fluxo de

energia aplicado a redes smart grid. Para isto é utilizada a formulação PLI a seguir:

102

A. Notação

s e d representam os nós de uma unidade geradora e unidade consumidora,

respectivamente, de energia na rede smart grid.

i e j representam os nós de origem e destino de uma rede smart-grid.

B. Dados

Número de nós da rede: N

Topologia física da rede (nós e linhas de transmissão), formando assim um grafo;

Matriz de demanda de energia: sd.

C. Variáveis

Número total de saltos: H

Fluxo de energia de s para d passando pela linha de transmissão i-j:

D. Formulação Matemática (PLI)

HMinimize : (1)

Sujeito a:

ji

sd

ijFH,

s,d

(2)

jds

jd

js

FF sd

sd

k

sd

ij

i

sd

ij

,0

(3)

Em (1), temos a função objetivo, a qual define o número total de saltos. A restrição (2)

estabelece como a quantidade de saltos está relacionada com as variáveis de fluxo. Em (3),

tem-se a equação que define a conservação de fluxo de potência nos nós da rede.

1.2. CARACTERÍSTICAS DA SMART GRID

A rede smart grid adotada para a realização deste estudo de caso está apresentada na

Figura A-1. Ela é um grafo em que os nós representam as estações geradoras ou consumidoras

e os enlaces representam as linhas (unidirecionais) de transmissão.

103

A) Características da rede sob estudo

Dois geradores com potência máxima de 7 MW, representados pelos nós 1 e 2, os

mesmos estão alocados em pontos distintos da rede;

Sete nós com potência máxima de 1 MW, representando as cargas do sistemas;

A distância entre cada dispositivo é de 1 km;

Figura A-1: Topologia da rede smart grid do estudo de caso (Autoria prrópria, 2013).

Esta é uma estrutua abstrata de nós, criada em ambiente virtual para poder atestar a

capacidade de autorrecuperação do sistema, uma vez que algum erro for diagnosticado na

rede, através da escolha da menor rota para que o fluxo de energia volte a atender a unidade

que falhou.

1.3. SIMULAÇÃO

Para esta rede, foram adotados três casos com o objetivo de quantificar número de hops

(saltos) do fluxo de energia em casos de transitórios. Todas as simulações foram realizadas

com o software de otimização CPLEX (IBM, 2013).

1.3.1. Caso 1

No primeiro caso, a simulação foi realizada da seguinte maneira:

A rede foi configurada para que o Gerador 1 atendesse aos nós 3, 5 e 7;

A rede foi configurada para que o Gerador 2 atendesse aos nós 4, 6, 8 e 9.

104

1.3.2. Caso 2

A rede foi configurada para que o Gerador 1 atendesse a todos os nós da rede, operando com

capacidade máxima;


capacidade máxima.

1.3.3. Caso 3


metade da sua capacidade;


metade da sua capacidade.

1.4. RESULTADOS OBTIDOS

Para cada caso apresentado, foram apresentados os seguintes resultados das simulações.

As tabelas A-1, A-2 e A-3 apresentam os resultados o número de hops e ainda a rota em cada

hop nos Caso 1, 2 e 3, respectivamente.

Tabela A-1: Resultados obtidos no Caso 1

CASO 1

Demanda Rota Hops

1—3 1—3 1

1—5 1—3—5 2

1—7 1—3—5—7 3

2—4 2—4 1

2—6 2—4—6 2

2—8 2—4—6—8 3

2—9 2—4—7—9 3

Total 7 7 15 Fonte: Autoria própria, 2013.

105


CASO 2

Demanda Rota Hops

1—2 1—3—5—7—4—2 5

1—3 1—3 1

1—4 1—3—8—6—4 4

1—5 1—3—5 2

1—6 1—3—8—6 3

1—7 1—3—5—7 3

1—8 1—3—8 2

1—9 1—3—8—9 3

2—1 2—4—6—8—3—1 5

2—3 2—4—6—8—3 4

2—4 2—4 1

2—5 2—4—7—5 3

2—6 2—4—6 2

2—7 2—4—7 2

2—8 2—4—6—8 3

2—9 2—4—7—9 3



CASO 3

Demanda Rota Hops

1--2 1--3--5--7--4--2 5

1--3 1--3 1

1--4 1--3--8--6--4 4

1--5 1--3--5 2

1--6 1--3--8--6 3

1--7 1--3--5--7 3

1--8 1--3--8 2

1--9 1--3--8--9 3

2--1 2--4--6--8--3--1 5

2--3 2--4--6--8--3 4

2--4 2--4 1

2--5 2--4--7--5 3

2--6 2--4--6 2

2--7 2--4--7 2

2--8 2--4--6--8 3

2--9 2--4--7--9 3


106

Da análise das três tabelas expostas é possível gerar o gráfico 3 a seguir:

Gráfico A-1: Hops em função do casos.

Fonte: Autoria própria, 2013.

Do gráfico A-1, percebe-se que o Caso 1 foi o que apresentou o menor número de hops na

rede. Em caso de alguma falha, a rede procura pela menor rota para a sua autorrecuperação e

permite que o fluxo de energia volte a circular em um curto intervalo de tempo.

Os Casos 2 e 3 apresentaram o mesmo número de hops, pois ambos os geradores foram

configurados para atender toda a rede. Esta configuração, conhecida por proteção dedicada,

permite a total segurança do sistema, porém os custos se tornam muito elevados.

A principal diferença entre o Caso 2 e o Caso 3 é que no primeiro, os geradores trabalham

com sua capacidade máxima. No Caso 3, os geradores 1 e 2 estão operando na metade da sua

capacidade, pois em caso de perda de um deles, o sistema ativa a capacidade máxima do

gerador em funcionamento para que a rede não pare de funcionar.

1.5. CONCLUSÕES

Através do estudo de caso apresentado é possível perceber claramente a capacidade de

autorrecuperação que uma rede inteligente irá proporcionar ao futuro sistema de energia. Esta

é apenas uma das principais vantagens dentre todas as existentes, tais como segurança,

flexibilidade, autonomia, agilidade na detecção de falhas, gerenciamento e controle mais

eficiente na rede, eficiência energética que as smart grids promoverão na rede.

A topologia da rede apresentada reforça a ideia do uso da tecnologia ZigBee como um dos

potenciais padrões para a implantação da smart grid, visto que a mesma possui uma

107

arquitetura de rede conforme apresentada neste estudo e também baseando-se no benefício

desta promover uma medição inteligente de menor custo. Quanto maior o número de nós

numa arquitetura de redes, maior a capacidade de operação do sistema. Esta tecnologia

permite a inserção de uma topologia em malha de até 65.000 nós.

O modelo de otimização desenvolvido neste estudo de caso permitiu que o objetivo

proposto fosse atingido com sucesso, pois, durante as simulações, o sistema calculou e definiu

o menor número de hops para que a rede se autorrecupere, caso ocorra algum distúrbio na

mesma.

OS DESAFIOS DA IMPLANTAÇÃO DA SMART GRID NO … · Figura 18 Topologia de uma rede Bluetooth 72...

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