SISTEMA DE MONITORAMENTO E ALERTA DE TENSÃO ZIGBEE

SISTEMA DE MONITORAMENTO E ALERTA DE TENSÃO ZIGBEE
Frederico Antônio Simões de Souza
Aluno de especialização do IFMT, Campus Cuiabá
Ed´ Wilson Tavares Ferreira
Prof. Doutor do IFMT, Campus Cuiabá, orientador
Resumo
O presente artigo resulta da pesquisa que investiga uma solução Smart Grid baseada na
tecnologia de rede sem-fio ZigBee para monitoramento da tensão elétrica de ambientes como
DataCenter, salas de servidores, unidades consumidoras residenciais e industriais, etc. O
objetivo proposto é o monitoramento de tensão em uma sala de servidores através da
implementação de um sistema supervisório. Os procedimentos metodológicos executados
envolveram através de revisão sistemática e entrevista no desenvolvimento de um aplicativo
implementado na linguagem pascal como Interface Homem Máquina, que tem a função de
monitorar em tempo real a tensão elétrica medida, demonstrar o seu comportamento histórico
e compará-la com o valor de falta especificado. Os resultados alcançados confirmam o
sistema como ferramenta valiosa na obtenção de dados tanto em tempo real como estatísticos
para tomada de decisões nas formas preventivas e corretivas de forma célere da infra-estrutura
em medição.
Palavras-chave: Sistema de Monitoramento de Tensão. Rede de sensores sem fio Zig-Bee.
Linguagem pascal. Smart Grid.
Introdução
A presente pesquisa aborda uma aplicação do conceito de Smart Grid, focando na
área de distribuição de energia elétrica, com a utilização de medidor eletrônico digital,
possibilitando a coleta de dados deste equipamento e enviando a um sistema central de
gerenciamento, implementado na linguagem pascal, através de uma infra-estrutura de rede
sem fio zigbee, permitindo deste modo o monitoramento de grandezas elétricas, tal como a
tensão elétrica neste caso em tempo real, a detecção imediata de valores anormais da tensão
como a falta e, histórico da medição. Desta forma possibilitando ao operador do sistema a
reconfiguração e restauração do serviço de forma célere. Os impactos visíveis da aplicação
deste sistema de tecnologia da informação numa infra-estrutura de rede de energia elétrica
convencional são de aumentar a segurança, confiabilidade e disponibilidade da mesma
resultando numa clara redução de perdas e prejuízos materiais e financeiros tanto para o lado
do consumidor como para o da concessionária de energia elétrica.
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Fundamentação Teórica
Smart
Grid é um conceito que define a utilização intensiva de tecnologia de
informação e comunicação no sistema de rede elétrica, possibilitando a comunicação dos
diversos componentes da rede, permitindo o seu controle e otimização de forma eficiente em
relação ao quadro atual (FALCÃO, 2010).
Uma das áreas de aplicação é na distribuição de energia elétrica com a utilização de
medidores eletrônicos no lugar dos eletromecânicos possibilitando a coleta de dados destes
equipamentos e enviando a um sistema central de gerenciamento através de uma
infraestrutura de rede sem fio tal como a Zig-Bee, permitindo deste modo o monitoramento
de grandezas elétricas como tensão, corrente, energia consumida, fator de potência em tempo
real, controle da tensão e dos fluxos de reativos, detecção e isolamento automático de faltas,
reconfiguração e restauração de serviço. Os benefícios visíveis de um sistema Smart Grid são
a possibilidade de maior inserção de fontes de energia renováveis na infraestrutura existente,
aumentar a segurança, confiabilidade e disponibilidade da rede permitindo solucionar de
forma eficiente uma deficiência histórica no setor energético, como apagões e furtos de
equipamentos e de energia elétrica (ARRUDA, 2013). A figura 1 demostra um panorama de
uma infraestrutura com a utilização desta tecnologia.
Figura 1 - Topologia de uma infra-estrutura energética com smart grid
Fonte: Trilliant, Smart Grid Communications Platform (2014).
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Ela está sendo cada vez mais implementada em países da Europa, Ásia e América do
Norte, permitindo integrar fontes de energias renováveis e intermitentes como as solares e
eólicas na formação de redes de distribuição em que há uma relação de concessionária e
consumidor de fornecimento e compartilhamento da energia, resultando num sistema
balanceado, seguro e eficiente de fornecimento e demanda (Trilliant, 2014).
Uma das grandezas do sistema que deve ser gerenciada é a tensão elétrica, este
parâmetro obtido de uma unidade consumidora ou de um ponto de distribuição permite obter
informações, verificar se seu valor fornecido está dentro das especificações estabelecidas
pelas normas ou se há alguma anormalidade como a falta ou curto-circuito. Com o objetivo de
evitar que equipamentos do consumidor e da própria concessionária estressem e
sobreaqueçam excessivamente a fim de evitar seu funcionamento anormal e até mesmo a
queima constante dos equipamentos. No controle da tensão elétrica em um sistema de
distribuição, é importante verificar se as especificações de qualidade da energia elétrica
regulamentada pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) que aborda a qualidade
do produto e a dos serviços prestados, definindo mecanismos e indicadores de referência
relativos à conformidade de tensão em regime permanente e às perturbações na forma de onda
de tensão e que, para a qualidade dos serviços prestados estabelece a metodologia para
apuração dos indicadores de continuidade e dos tempos de atendimento a ocorrências
emergenciais, definindo padrões e responsabilidades (ANEEL, 2014).
Em função do avanço tecnológico e a redução dos custos de fabricação, grandes
quantidades de equipamentos com circuitos eletrônicos hipersensíveis são adquiridos pelos
consumidores, os quais desejam que esses funcionem de forma adequada (MEIRA, 2013). O
controle da qualidade da energia permite que os equipamentos destes consumidores com
maior nível de exigência operem de forma segura e confiável apresentando um Tempo Médio
entre Falhas (Mean Time Between Failures MTBF) dentro das especificações dos fabricantes,
vindo a reduzir multas e prejuízos ao consumidor e ao concessionário pela sua
responsabilidade.
No desenvolvimento da pesquisa foi adotado como padrão de comunicação de rede
sem fio a tecnologia Zigbee, desenvolvida pela Zigbee Alliance (ALLIANCE, 2011), cujas
especificações foram definidas para atender a requisitos de baixo custo, baixa latência, baixo
consumo de energia e atender a pequenas distâncias, exigência da grande maioria das redes de
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monitoramento do mercado. A topologia de uma rede ZigBee é formada basicamente por três
componentes:
•
Coordenador: Estabelece e organiza a rede, existe somente um por rede e sempre está
operante.
•
Roteador: tem a função de rotear, repetir, os dados pela rede para mantê-la em
funcionamento, podem existir vários em uma rede e sempre devem estar operantes.
•
Dispositivo Final: normalmente é acoplado a um circuito sensor ou atuador conectado
ao dispositivo, cujos dados são enviados e recebidos a outro nó da rede, tem a
capacidade de dormir, modo sleep, podem existir vários em uma rede, apresenta baixo
consumo.
Na figura 2 é demonstrada a topologia de uma rede típica ZigBee, formada por um
coordenador, roteadores e dispositivos finais sensores.
Figura 2 - Topologia de uma rede típica Zigbee
Fonte: Elaborado pelo autor.
Metodologia
No desenvolvimento desta pesquisa para montagem da topologia da figura 3, foram
empregados equipamentos de hardware e software. O medidor inteligente está ligado ao
quadro de distribuição de uma sala de servidores de rede, em que o valor de referência
especificada pelo concessionário local é de 127V (volts) em corrente alternada, com isto
consideraremos esta a tensão permitida no ambiente.
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Figura 3 - Diagrama esquemático do sistema de monitoramento de tensão
Fonte: Elaborado pelo autor.
Hardware do Sistema
Foi empregado um equipamento digital de leitura de tensão alternada, Voltímetro
digital Marca TekTronix modelo DMM4020 com interface serial, configurado para emissão
de valores de tensão alternada via porta serial RS232, disponível no laboratório do Campus
Cuiabá do Instituto Federal do Mato Grosso (IFMT), responsável pela medição em tempo real
da rede elétrica do ambiente, cuja informação é disponibilizada e transmitida pela sua porta
serial.
Para viabilizar o transporte dos dados até o computador com o sistema de
gerenciamento foi empregada uma interface serial zigbee, composta de um módulo ZigBee
Xbee Pro acoplado a uma placa adaptadora serial Proto-Bee RogerComm, para acoplamento
entre a porta serial do medidor digital de tensão e o módulo Xbee, conforme visualizado na
figura 4.
Figura 4 – Interface serial zigbee
Fonte: Elaborado pelo autor.
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No módulo do controle do sistema foram empregados um módulo ZigBee INT700
XBee Adapters
com interface USB, configurados como coordenador para conexão ao
computador com processador Core i3, 3 GB de memória RAM, 500GB de HD e porta USB,
com sistema operacional Microsoft Windows 7 32bits no qual está sendo executado o
aplicativo desenvolvido em pascal.
Software
O software desenvolvido obtém os dados do medidor através da rede, monitora a
tensão indicando seu estado em tempo real e registra seu histórico num gráfico no próprio
painel da Interface Homem Máquina (IHM). O servidor receberá a informação, a cada 3 s
(segundos), converterá para um valor decimal na grandeza [V] volt e fará a comparação com
o valor de referência de falta de energia (0 volt), caso atinja este valor de referência o sinal de
alerta será visualizado na IHM. Assim que a situação crítica for normalizada, o sistema
indicará através da IHM a normalização.
As redes zigbee podem transportar dados através da emulação de um meio físico de
comunicação serial direta, os módulos Xbee são padronizados pelo fabricante para operar no
Modo Transparente, conhecido como Modo AT, nesta situação apresentam um
comportamento de um cabo serial que conecta dois equipamentos (Digi International Inc.,
2009). Esta característica permite a utilização de aplicações, que funcionam com conexão
serial diretamente em uma rede zigbee. Dessa forma na pesquisa foi utilizado o projeto open
source 5dpo desenvolvido em pascal no qual foi utilizado para desenvolver um protótipo e
testar a comunicação com o Xbee. O levantamento de requisitos e a modelagem de diagramas
foram os passos realizados dentro do projeto.
O desenvolvimento da interface foi realizado com a linguagem Pascal utilizando a IDE
Lazarus. Esta linguagem de programação possui sintaxe simples e a compilação gerada
executa nativamente no sistema operacional utilizado (Windows); diferente de linguagens
interpretadas que necessitam de máquinas virtuais para sua execução, propiciando respostas
mais rápidas e menor probabilidade de travamentos, o que a torna uma ótima escolha para
implementação desta pesquisa. O desenvolvimento do software utilizou o conhecimento
empírico formulado a partir do equipamento de leitura de tensão. Os requisitos levantados e
analisados para o desenvolvimento do projeto foram:
•
Efetuar a comunicação com o XBee para obter a leitura da tensão.
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•
Efetuar o tratamento do valor obtido do Xbee para a tensão em volts.
•
Emitir alerta ao usuário responsável que ocorreu falta no sistema em medição.
•
Registro de histórico da leitura de forma intuitiva através de gráfico, mostrado em
tempo real.
Resultados e Discussões
Baseados nos requisitos levantados durante a pesquisa foram desenvolvidos os
diagramas de caso de uso na figura 5, demonstrando a presença dos dois elementos principais
do sistema sendo a interface serial xbee e o sistema de monitoramento com suas interações, e
o diagrama de atividade na figura 6, exibindo os procedimentos executados pelo software.
Aos quais resultaram na compilação da IHM demonstrada na figura 7, mostrando claramente
o valor monitorado em tempo real, o registro do histórico lido de forma gráfica e a sinalização
de falta no campo estado.
Figura 5 - Diagrama de Caso de Uso do sistema
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Figura 6 - Diagrama de Atividade
Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 7 - Interface IHM do aplicativo
Fonte: Elaborado pelo autor.
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O sistema de monitoramento da tensão atualiza os dados tempestivamente emitindo
um alerta ao profissional responsável enquanto a tensão estiver fora da faixa que foi
determinada na configuração do programa, possibilitando um tempo de resposta rápido à
situação de anormalidade, resultando em redução e até eliminação de prejuízos ao consumidor
e a concessionária de energia, além da redução de custos na manutenção dos equipamentos da
infra-estrutura de energia elétrica.
Considerações Finais
Nesta pesquisa foi desenvolvido um sistema para monitoramento de tensão em uma rede
smart grid, com o transporte dos dados através da rede zigbee. Mesmo estando em estágio
inicial, foi possível verificar que o sistema permaneceu estável em seu funcionamento
atendendo aos objetivos citados, revelando ainda o seu baixo custo numa implementação
prática comparado a sistemas complexos de supervisão, necessitando implementação de
equipamentos digitais de medição habilitados para comunicação serial. Este software pode ser
utilizado para supervisionar a alimentação de todo equipamento cujas especificações de
energia são mais críticas, permitindo ao consumidor verificar de forma imediata a situação
dos níveis de tensão da sua rede, bem como verificar o seu histórico, podendo subsidiar
relatórios de reclamações junto a concessionária em casos de baixa qualidade da energia e na
prestação de serviços da mesma. Verifica-se desta forma a importância desta ferramenta na
obtenção deste tipo de informação, pois geralmente o consumidor não tem como comprovar
as faltas de energia e nem as variações dos níveis de tensão, comprovando somente nos casos
extremos quando na queima de seus equipamentos.
Como trabalhos futuros sugere-se a implementação numa rede mais complexa para
analisar o trafegabilidade dos dados verificando a taxa de ocupação da banda e possíveis
interferências.
Referências
ARRUDA, Marcos Vinicius Nunes. Implementação de Projetos Smart Grid no Brasil.
Cuiabá: IFMT, 2013.
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FALCÃO, Dijalma M. Smart grids e microrredes: o futuro já é presente. VIII SIMPASE,
Rio de Janeiro, 2009.
MEIRA, Andrey Glayverson Pegado. et al. Análise e Diagnostico da Conformidade do
Nível de Tensão em Regime Permanente no Sistema de Distribuição. Belém: IESAM,
2013.
Trilliant INC., Smart Grid Communications Platform, Redwood City - USA, 2014.
Disponível em: <http://trilliantinc.com/smart-grid>. Acesso em: 23 de julho de 2014.
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<http://www.aneel.gov.br/visualizar_texto.cfm?idtxt=1877>. Acesso em: 23 de julho de 2014.
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pid=3257&type=documentation>. Acesso em: 20 de maio de 2014.
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