trabalho projeto TCC 1 imprimir

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(Parte 1 de 2)

1. INTRODUÇÃO4
2. TEMA5
3. DELIMITAÇÃO DO TEMA5
4. PROBLEMA DE PESQUISA5
5. HIPÓTESES5
6. OBJETIVO6
7. JUSTIFICATIVA6
8. REFERENCIAL TEÓRICO7
8.1 SMART GRID ( REDES INTELIGENTES)8
DE BAIXA TENSÃO)9
8.3 TECNOLOGIA ZIGBEE1
8.4 CONEXÕES SEGURAS12
8.5 APLICAÇÕES DO ZIGBEE13
8.6 TIPOS DE DISPOSITIVOS ZIGBEE13
8.7 TOPOLOGIAS DE REDES ZIGBEE13
8.8 MODELO SEGC_RSD E ZIGBEE15
8.9 CENTRO DE SUPERVISÃO (CS)16
8.10 UNIDADE DE TELESUPERVISÃO – UT17
8.1 UNIDADE DE DISTRIBUIÇÃO – UD18
8.12 INDICAÇÃO DIGITAL DE CONSUMO – IDC18
9. METODOLOGIA20
10. CRONOGRAMA21

4 1. Introdução

A crescente exigência da sociedade e dos entes reguladores por energia de alta qualidade a custo razoável tem obrigado as empresas do setor elétrico a investir intensamente em novas tecnologias para tornar mais seguros, eficientes e confiáveis os serviços de distribuição de energia elétrica dentro de custos adequados ao negócio. O Smart Grid envolve a utilização de modernos recursos tecnológicos para melhorar o fornecimento de eletricidade aos consumidores através do aperfeiçoamento dos níveis de eficiência, confiabilidade e segurança em redes de transmissão e distribuição de energia elétrica. 1

Neste trabalho será abordado o estudo de caso da tecnologia ZigBee aplicado ao Smart Grid modelo SEGC_RSD, criado na Escola Superior de Tecnologia NSE/UEA. Veremos seu funcionamento com base no gerenciamento e controle de cargas em redes secundárias de baixa tensão. Este modelo irá gerenciar remotamente o sistema de distribuição de energia elétrica, podendo fazer chaveamento, corte, religamento, detectar fraude e pane na rede, esse sistema controlará um conjunto de unidades de comunicação entre o centro de supervisão (CS) ate a unidade que ficará instalada na residência do consumidor (IDC - Indicação digital de consumo), porém para fazer essa interface de transmissão teremos a unidade de telesupervisão (UT) que ficara instalado no transformador e a unidade de distribuição (UD) que será o modulo de comutação de fases que ficará no poste, isso tudo interligados com base na tecnologia ZigBee.

5 2. Tema

Smart Grid modelo SEGC_RSD (sistema elétrico de gerenciamento de cargas das redes secundaria de distribuição).

3. Delimitação do tema

Com o trabalho de conclusão de curso I de Engenharia de

Telecomunicação, será apresentado o estudo de caso do uso da tecnologia ZigBee em sistemas SMART GRID, modelo SEGC_RSD desenvolvido pela NSE/UEA .

4. Problema de pesquisa

Com base no material coletado, a problemática da pesquisa sobre a tecnologia ZigBee, vem sendo ainda mais complexo, sobre o funcionamento na aplicação da Smart Grid modelo SEGC_RSD, com isso vamos fazer várias visitas a instituição NSE/UEA, para poder coletar informações sobre a tecnologia e entender a funcionalidade na prática.

5. Hipóteses

Com o sistema desenvolvido na NSE/UEA, vamos ver como será a aplicação da tecnologia ZigBee e quais vantagens foram trazidas para esse modelo. a) Como será o emprego da tecnologia ZigBee no sistema SEGC_RSD.

SEGC_RSD

b) Por que usar a tecnologia ZigBee no sistema SMART GRID. Modelo 6. Objetivo

O objetivo geral será explicar a funcionalidade da tecnologia SMART GRID modelo (SEGC_RSD), e as suas atribuições de gerenciamento das redes secundárias de baixa tensão, e como será empregado o uso da tecnologia ZigBee no sistema, bem como mostrar seu funcionamento de interface entre as Unidades de Transmissão. Centro de supervisão (CS), unidade de telesupervisão (UT), Unidade de Distribuição (UD), bem como as IDC (Indicação digital de consumo) que possibilitará o gerenciamento remoto da base de controle de distribuição de energia.

7. Justificativa

O presente projeto de conclusão de curso I vem com base no que foi apresentado e nas dificuldades atualmente existente, o trabalho trás uma proposta de pesquisa sobre a tecnologia ZigBee aplicado em sistemas SMART GRID, será pesquisado o modelo SEGC_RSD desenvolvido na NSE/UEA.

7 8. Referencial teórico

As redes elétricas estão enfrentando desafios importantes nos últimos anos, além disso, o setor de energia está mudando devido à liberalização do mercado de energia, e o novo modelo, onde os preços são determinados pela oferta e demanda, e não através de regulamentações? Ao mesmo tempo, há sérias preocupações no longo prazo quanto à sustentabilidade do setor de energia como um todo e seus impactos ambientais; a maioria dos governos deseja aumentar a quota de energia renovável, pois muitas das novas regulamentações no mundo exigem medidores inteligentes. 2

A execução de projetos pilotos será necessário não apenas para validação técnica das soluções, mas para a consolidação das premissas e diretrizes que nortearão a implantação da medição eletrônica.

O potencial de aplicações de tarifas diferenciadas e ou pré-pagamento deverá ser avaliado no piloto, assim como benefícios adicionais para planejamento e operação dos sistemas consolidados neste contexto.

O modelo de implantação deve ser modular, segmentado em etapas, de tal forma que possibilite a incorporação de requisitos e funcionalidades ao longo do tempo. Para garantir esta modularidade, um conjunto de requisitos primários para os medidores deve ser estabelecido a seguir:

• Conectividade – comunicação bidirecional, com protocolo padronizado.

• Relógio/calendário – base de tempo interna, com possibilidade de sincronismo remoto.

• Energia reativa e indutiva( kVArh).

Nota: estes requisitos primários podem variar em função, obviamente , dos resultados obtidos nos pilotos.

Observa-se que a implantação da infra-estrutura avançada de comunicação e de TI pode ser realizada em um segundo momento, desde que os requisitos primários sejam atendidos.

Nesta mesma linha de raciocínio, dispositivos de corte e religação podem ser aplicados também em um momento posterior à instalação, desde que a conectividade entre o medidor e o dispositivo tenha sido contemplada nos requisitos primários.

A disponibilização de recursos financeiros para a execução dos projetos pilotos, assim como para a implantação definitiva também deve ser ponto de atenção neste processo. O regulador deve fomentar os projetos pilotos através da disponibilização de recursos do programa de P&D e ou fundos de financiamentos com atratividade adequada ( taxas de juros e carências). 3

8.1 Smart Grid ( Redes Inteligentes)

Os primeiros passos para estabelecimento dos conceitos que preconizam uma Smart Grid, particularmente no sistema de distribuição, foram dados com a implantação, já em meados da década de 1980, dos primeiros sistemas de leitura automática implantados em mais ampla escala nos Estados Unidos e países europeus, tais como, Inglaterra e Alemanha. Esta tecnologia foi, ainda na década de 1990, designada com a sigla AMR.

Na primeira década do século XXI, ocorreu o surgimento de uma nova geração de medidores eletrônicos que, dotados de avançados recursos de comunicação e eletrônica de controle, apresentavam funções bem superiores àquelas verificadas na tecnologia AMR. Talvez por isso, tenham recebido a denominação de Smart Meters ou, em português medidores inteligentes.

AMR (automated meter reading): sistema capaz de coletar automaticamente informações de consumo de determinada utilidade( energia, água ou gás) através de meios físicos de comunicação, incluindo RF fixo, PLC, cabeamento de dados entre outros. 5

Nos EUA, Europa e até mesmo no Japão e China, o Smart Meters é o dispositivo base na implantação de infra-estrutura avançadas de centros de operação dotados de sistemas de gerenciamentos de dados de medição ou MDM.

A combinação das tecnologias AMI e MDM é, na atualidade, o que podemos denominar de estado da arte dos sistemas inteligentes de distribuição de energia. Elas têm viabilizado a implantação de sistemas que, de forma integrada, executam funções de telemedição do consumo, modicidade de serviços, bem como, as operações de desligamento e religamento remoto de circuitos. 4

AMI ( advanced metering infrastructure) – tecnologia que inclui hardware e software de comunicação, medidores inteligentes e todo o sistema de gerenciamento necessário para armazenar, validar e transmitir uma grande quantidade de dados que serão coletados através de um real sistema avançado de medição. Modelo americano. 5

Smart Grid, este termo carrega diversas definições as quais geralmente combinam diversas formas de sensoriamento, automação e tecnologias analíticas, incluindo AMI, comunicação direta com a residência do consumidor, automação da distribuição e transmissão, software avançados. Tecnologias Smart Grid são compostas de redes com ou sem fio com capacidades de trafegar grandes volumes de dados. O grande motivador de redes Smart Grid é a necessidade de modernização dos sistemas de distribuição de energia incluindo novas tecnologias visando a melhoria da capacidade operacional e criando oportunidades para eficientização da curva de carga e redução de demanda de energia. Smart Grid é um conceito em evolução que cobre micro geração ( solar e eólica ) alem do armazenamento de energia. 5

8.2 Modelo SEGC_RSD ( Sistema eletrônico de gerenciamento de cargas em redes secundarias de baixa tensão).

O modelo desenvolvido na NSE/UEA, trás uma grande novidade em relação ao modelo euro-americano, devido ao fato de integrar um conjunto de equipamentos eletrônicos interporáveis capaz de realizar funções relacionados ao Smart Grid. O projeto SEGC_RSD continha a proposta de desenvolvimento do primeiro protótipo de um sistema capaz de efetuar o gerenciamento remoto e a automação dos principais processos recorrentes na RSD. Considerando a coincidência de suas características com aquelas preconizadas na definição de uma Smart Meters, o sistema proposto foi reconhecido e definido como uma implementação de Smart Grid na rede secundaria de baixa tensão de energia.

É possível identificar duas principais características inovadoras no sistema do SEGC_RSD, que ainda não estão presentes em nenhuma das implementações existentes para automação do SEBT_BT.

A arquitetura de funcionalidade do sistema que não se baseia nos Smart

Meters, inovou com as unidades UD ( unidades de distribuição) e as UT ( unidades de transmissão) essas unidades são as principais mudanças existentes nesse modelo em relação aos modelos euro-americano.

Outra característica é a capacidade de realizar de forma dinâmica e automática a reconfiguração do arranjo de conexões dos circuitos monofásicos ligados a RDBT, efetuando a comutação suave destes circuitos de uma fase para outra em intervalos inferiores a um ciclo do sinal da rede o que evita a geração de harmônicas na rede, ou danos às cargas dos consumidores .

Na Smart Grid convencional ( baseada em Smart meters), para um mínimo de funcionalidades, busca-se estabelecer padrões para garantir a interoperabilidade de equipamentos e soluções de distintos fornecedores, a fim de que possam operar integrados em um mesmo sistema. O SEGC_RSD, por sua vez, já foi concebido com uma arquitetura integrada de um conjunto de componentes interoperáveis que realiza as principais funcionalidades de Smart GRID aplicável à rede secundaria de distribuição de energia. Esta é, talvez, a principal e mais importante distinção do modelo introduzido pelo SEGC_RSD em relação ao modelo euro-americano . 4

Na figura 1 segue uma visão do modelo SEGC_RSD desenvolvido na NSE/UEA.

Figura 1. Cenário do modelo SEGC_RSD ( fonte: NSE/UEA - R. Cláudio Gomes, M.Sc. André Printes, M.Sc. )

8.3 Tecnologia ZigBee

O termo ZigBee designa um conjunto de especificações para comunicação sem fio entre dispositivos eletrônicos, com ênfase na baixa potência de operação, na baixa taxa de transmissão de dados e no baixo custo de implementação.

Os dispositivos baseados na tecnologia ZigBee operam na faixa ISM industriais, científicos e médicos (ISM) faixa de radio, que não requer licença para funcionamento, incluindo as faixas de 2,4 GHz ( Global), 915 MHz (America) e 868 MHz (Europa) e com taxas de transferências de dados de 250 kbps em 2,4 GHz, 40 kbps em 915 MHz e 20 kbps em 868 MHz.

O padrão oferece atualmente interface com velocidade de conexão compreendida entre 10 Kbps e 115 Kbps e com um alcance de transmissão entre 10m e 100m, dependendo diretamente da potência dos equipamentos e de características ambientais ( obstáculos físicos, interferência eletromagnética, etc..).6

O protocolo ZigBee foi desenvolvido por volta do ano de 2002 pela Alliance, um consórcio criado por líderes de fabricação de semicondutores, integradores e usuários finais de tecnologia, criado e projetado para transmitir dados através de ambientes de radiofreqüência hostis, geralmente encontrados em aplicações industriais e comerciais com as seguintes características:

• Baixo consumo de energia elétrica. • Suporte a diversas topologias de rede, Cluster Tree, Star ou Mesh.

• Espalhamento espectral em seqüência direta (DSSS).

• Capacidade de até 65.0 nós em uma rede.

• Encriptação de dados AES 128-bits, que garante segurança na comunicação entre dispositivos.

• Previsão de colisão de pacotes de dados.

• Re-tentativas de transmissão e confirmações de recebimentos de pacotes de dados. 6

8.4 Conexões seguras

O protocolo ZigBee oferece um conjunto de ferramentas de segurança para garantir redes seguras e confiáveis.

• Lista de controle de acesso.

• Temporizadores de pacotes e criptografia AES ( Advanced Encryption Standadr) certificado pelo instituto nacional de padrões e tecnologias dos Estados Unidos ( NIST – National institute of Standard and tecnology) que auxiliam na proteção dos dados a serem transmitidos.

13 8.5 Aplicações do ZigBee

Com ZigBee é possível implementar amplas soluções de redes sem fio com baixo custo e baixo consumo de energia. Ele é capaz de funcionar durante anos com baterias comuns em diversas aplicações de monitoramento como controle de iluminação, medidores, sensores de fumaça ou gás carbônico, telemetria sem fio, controle de aquecedores, ventiladores e condicionadores de ar (HVAC), controle de aquecedores de fluidos, segurança doméstica, controle de perímetro, controle de cortinas e claridades e etc..

8.6 Tipos de dispositivos ZigBee

Numa rede podem existir três tipos de dispositivos ZigBee. O componente mais básico é o ZigBee End Device ( ZED), que tem a habilidade de se comunicar com outros nós da rede e interfacear a comunicação da rede com os terminais.

O seguinte na hierarquia é o roteador ou ZigBee router (ZR). O ZR age como um dispositivo terminal e, também, tem a capacidade de funcionar como um roteador intermediário de retransmissão de sinais para outros nós.

No topo da rede está o coordenador ou ZigBee coordinator ( ZC), ele atua para controlar a rede ( Home Área Network) e faz a ponte para outras redes. 7

8.7 Topologias de redes ZigBee

Numa rede ZigBee são identificados dois tipos de dispositivos, são o FFD e RFD.

FFD – Full Function Device ( Dispositivo de funções completas) – são dispositivos mais complexos e precisam de um hardware mais potente para a implantação da pilha de protocolos, conseqüentemente, consomem mais energia, numa rede ZigBee eles podem assumir o papel de coordenador, roteador ou mesmo um dispositivo final ( End Dervice). Dispositivos FFDs podem se comunicar com quaisquer membros da rede, são implementados em microcontroladores com no mínimo 32KB de memória de programa e ter uma certa quantidade de memória RAM, para implementações de tabelas de rotas e configurações de parâmetros.

RFD – Reduced Function Device ( Dispositivos de funções reduzidas) – São dispositivos mais simples, onde sua pilha de protocolo pode ser implementada usando os mínimos recursos possíveis de hardware, como por exemplo, em microcontroladores de 8 bits com memória de programa próxima a 6KB, mas só podem se comunicar com dispositivos FFDs ( coordenador ou roteador). Numa topologia de rede ZigBee eles assumem o papel de End Device ( dispositivo final), na prática podem ser interruptores de iluminação, dimmers, controladores de relês, sensores, entre outros. 9

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