proposta de medidor inteligente de consumo de energia elétrica

PROPOSTA DE MEDIDOR INTELIGENTE DE CONSUMO DE ENERGIA
ELÉTRICA
Mariana Ferreira Damasceno, Wallace Oliveira Campos, Thompson Soares Tacon, Kety Rosa Barros
Caparelli, Mariana Cardoso Melo
Instituto de Engenharia e Tecnologia – Universidade de Uberaba (UNIUBE)
Av. Rondon Pacheco, 2000 - Lidice – Uberlândia - MG
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Keywords – Electrical energy, meter, overload.
Resumo - Este trabalho apresenta o desenvolvimento
de um medidor inteligente de consumo de energia
elétrica, que realiza medições de corrente e nível de
tensão e executa algoritmos para calcular o consumo de
energia de uma determinada carga. O protótipo do
medidor é constituído por dois Arduinos, juntamente
com outros dispositivos que possibilitam as medições de
corrente, tensão, potências, fator de potência, entre
outras grandezas elétricas. Fisicamente, tais medições são
selecionadas por meio de botões e apresentadas em uma
tela touchscreen. As leituras processadas pelo medidor
inteligente são exibidas na tela e é possível parametrizar o
dispositivo para que possa desligar no caso de
sobrecargas e ainda registrar o histórico de consumo. O
projeto tem por objetivo, oferecer uma alternativa que
possibilite a apresentação, de forma simples, das
medições e assegurar ao seu desligamento no caso de
sobrecargas.
Palavras-Chave
sobrecargas.
–
Energia
elétrica,
I. INTRODUÇÃO
Durante a evolução dos sistemas elétricos no mundo,
destaca-se uma preocupação com o processo de medição da
energia elétrica. Na história dos medidores de energia
elétrica, observa-se que os primeiros fabricados foram
desenvolvidos para realizar, unicamente, as medições de
tensão, corrente e potência elétrica [2].
Medidor de energia elétrica é um equipamento
eletromecânico e/ou eletrônico utilizado para medir o
consumo de energia elétrica. Este dispositivo é encontrado na
maioria de casas e habitações no mundo moderno [1].
O primeiro medidor de consumo de energia elétrica
conhecido foi desenvolvido e patenteado por Samuel
Gardiner, em 1872. Utilizado para corrente contínua, seu
cálculo para consumo é dado a partir do tempo que uma
lâmpada fica acesa pela potência nominal da mesma [2].
Desde sua invenção, o medidor de quilowatt-hora (kWh)
passou a ser utilizado pelas concessionárias para medir o
consumo da energia elétrica dos seus clientes, para isso é
utilizado dois tipos de medidores: eletromecânico e
eletrônico. O eletromecânico utiliza o princípio da indução
eletromagnética para o seu funcionamento e o eletrônico
funciona através de circuitos integrados, sendo ambos
projetados para funcionar em tensões puramente senoidais
[1].
Este trabalho consiste na apresentação de uma proposta de
um medidor inteligente de consumo de energia elétrica, com
medição em tempo real do consumo de corrente, nível de
tensão e fator de potência; e o desenvolvimento de funções
programáveis pelo usuário. Além de possuir um sistema de
segurança para sobrecargas.
Com essa proposta, será gerado um produto em que é
possível ao usuário a configuração de alguns parâmetros
conforme a sua necessidade. O mesmo também poderá
estabelecer os limites de segurança em casos de sobrecarga.
medidor,
SMART METER CONSUMPTION OF
ELECTRICAL ENERGY
Abstract - This paper presents the development of a
proposal for a smart meter, which will hold current
measurements and voltage level and execute algorithms
to calculate the energy consumption of a given load. The
prototype of a meter consists of two Arduinos, along with
other devices that allow current measurements, voltage,
power factor, among other electrical parameters.
Physically, such measurements are selected by buttons
and displayed on a touchscreen. Readings processed by
the smart meter will be displayed on the screen and you
can parameterize the device to disconnect in the event of
overloads and even record the history of consumption.
The project aims to offer an alternative that allows the
presentation, simply, measurement and ensure its
shutdown in case of overload.
II. METODOLOGIA
1
O diagrama da Figura 1 apresenta o fluxograma da
proposta do medidor inteligente de consumo de energia
elétrica.
1
Fig. 2. Esquema circuito grampeador
O medidor ao ser ligado define as interrupções de
comunicação, que inicia a comunicação I²C e também o
controlador do LCD, que aguarda o estabelecimento de
comunicação com o microcontrolador para então receber
todos os parâmetros configurados, juntamente com os dados
do relógio. Enquanto não recebe esses dados, ele permanece
com uma mensagem de stand-by.
Quando os dados são recebidos, a tela exibe os mesmos, e
no microcontrolador, é iniciado o loop que monitora
constantemente possíveis alterações de dados no
touchscreen. As possíveis configurações são:
 Definir a corrente máxima;
 Definir a tensão máxima;
 Definir fator de potência.
Os comandos via touchscreen são verificados de acordo
com a tela atualmente selecionada. Ao ser pressionada a área
correspondente ao comando salvar, este ativa um flag que
sinaliza para o microcontrolador que um dado foi alterado,
exibe uma mensagem ao usuário, aguarda a coleta dos novos
dados e limpa a mensagem exibida assim que estes são
coletados.
As interrupções de comunicação garantem que os dados
não sejam perdidos e o escravo responderá sempre que o
mestre requisitar dados do dispositivo. Duas interrupções são
definidas, a de recebimento de pacotes e a de resposta ao
mestre. Na primeira, ao receber um pacote do mestre, o
dispositivo decodifica o primeiro byte e define qual o tipo do
pacote, se é de configurações, configurações avançadas,
leituras de tempo real, relógio ou ainda um sinal para seleção
dos dados na requisição de dados.
Na segunda interrupção, ao ser requisitado pelo mestre, o
escravo verifica qual foi sinal enviado pelo mestre e
responde com o pacote definido ou com um flag caso algum
parâmetro tenha sido alterado na interface. Estes pacotes de
resposta podem conter todos os pacotes anteriormente
citados ou ainda somente um sinal para indicar ao mestre de
que um dado foi alterado na tela, para que ele então requisite
os próximos pacotes.
Ao inicializá-lo, três tarefas são criadas com um
temporizador virtual da plataforma que utiliza o timer0 para
esta função. Em seguida, os dados são carregados da
EEPROM para a memória RAM e inicia-se a comunicação
I²C com o escravo. Caso ele não esteja disponível, o mestre
ignora a sua ausência e executa as últimas configurações que
foram salvas pelo usuário.
Conforme a figura 3 pode ser visto o fluxograma de
funcionamento destas tarefas.
Fig. 1. Fluxograma proposta medidor inteligente de consumo de
energia elétrica
Para a construção de um protótipo de um medidor de
carga utiliza-se de dois Arduinos UNO [4], um sensor de
efeito Hall [3], um RTC breakout board [5], um medidor de
tensão, um relé e um LCD touchscreen [8].
Um Arduino processa as informações provenientes dos
sensores de medição (entradas analógicas), que atua no
acionamento da carga, gerencia as informações e o seu
armazenamento (memória interna EEPROM). O outro
Arduino é responsável por comandar um display LCD com
touchscreen para visualização das informações e
configurações do dispositivo.
Também se utiliza um sensor de efeito hall (ACS71220A) que realiza a medição da corrente consumida pela
carga. O sensor funciona de maneira invasiva, ou seja, fica
em série com a carga. Internamente, com a passagem de
corrente pelo circuito, gera-se um campo magnético e um
sensor transforma este campo em diferença de potencial
proporcional ao campo gerado [3].
O RTC breakout board é um circuito pré-montado com
um relógio de tempo real com o chip DS1307 [5] com
56bytes de RAM. Os dados são acessados via protocolo I²C e
pode-se ainda utilizar a NVRAM (memória não volátil, ou
seja, não perde dados mesmo que não haja alimentação) para
armazenar dados retentivos, pois o circuito possui uma pilha
para manter os dados na memória. Juntamente a este chip,
está disponível também um chip de memória EEPROM
AT24C32 [6] de acesso via serial I²C que fornece mais 32Kb
de armazenamento retentivo para o projeto, totalizando 64Kb
para dados retentivos para armazenar as medições. Esse
dispositivo mantém o equipamento funcionando mesmo que
haja falhas ou caso seja reiniciado, e ainda mantém os dados
armazenados.
Devido ao fato dos microcontroladores não admitirem
valores negativos em suas entradas e saídas digitais e o sinal
trabalhado é senoidal, foi utilizado um circuito grampeador
(Figura 2), para adicionar um nível médio ao sinal, para que
sua faixa de tensão esteja entre 0 e 5V.
2
cada um dos valores (tensão e corrente) e a sua diferença
multiplicada pelo delay causado pelo conversor A/D.
O oscilador do conversor executa a 125kHz e o mesmo
leva 13 ciclos de clock para realizar a conversão que gera
104 microssegundos de atraso para cada amostra [7]. Porém,
deve-se levar em consideração que o conversor leva um
tempo para comutar o canal de medição de um pino para
outro.
Utilizando a função micros() da plataforma, verificou-se
que para cada amostra gera-se 112 microssegundos de atraso.
Desta maneira, obtêm-se a diferença temporal dos picos e em
seguida, transforma-se em radianos, que é utilizado para
encontrar o fator de potência da carga. O controle no caso de
sobrecarga é feito logo em seguida.
Caso o controle esteja desabilitado, o relé será acionado
deixando a carga funcionar livremente, e o dispositivo
permanece apenas exibindo os valores medidos. Caso o
controle esteja habilitado, o sistema verificará se a tensão
está dentro da faixa selecionada, que é definida pela tensão
configurada, e a variação suportada em porcentagem,
verificando se há sub tensão ou sobre tensão, e se a corrente
medida está abaixo do valor definido na interface,
verificando se há sobrecarga.
Uma vez que uma dessas falhas ocorre, o sistema
desligará o relé e este permanecerá desligado até que o
sistema seja desabilitado e habilitado novamente (reset de
software) ou o dispositivo seja desligado e religado (reset de
hardware).
Fig. 3. Fluxograma de funcionamento das tarefas
executadas pelo mestre.
III. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A tarefa comunicação é executada a cada 1000
milissegundos e faz a comunicação entre o mestre e o
escravo. Após o mestre receber os pacotes com ou sem
alterações, este envia os dados do relógio e de leitura em
tempo real (1 byte de comando e uma sequência de bytes de
dados para cada pacote).
A tarefa medição é temporizada pelo parâmetro de
intervalo que é definida através da interface. A cada intervalo
de tempo, o microcontrolador executa a amostragem de
acordo com a quantidade de medições definida na tela e
busca os valores de pico e médio (para o sensor de corrente)
e o número da amostra em que este pico foi detectado. Estas
amostras são medidas por duas entradas analógicas (uma
para tensão e outra para corrente). Para ambos, os valores
medidos são convertidos em valores de tensão (entrada
analógica de tensão) e depois calculados os valores de tensão
e corrente correspondentes. Para o valor de corrente, o valor
de pico é subtraído pelo valor médio (corrente CC) e depois é
multiplicado pela sensibilidade do sensor [3], isso nos dá o
valor de corrente de pico do circuito. Ao se dividir pela raiz
de dois, temos o valor eficaz de corrente, pois 𝐼𝑝 = 𝐼𝑟𝑚𝑠 ∗
√2. Para a medição de tensão, o circuito medidor é
alimentado com um valor médio de 0V no pino analógico.
Desta maneira, com o pico de tensão do conversor A/D,
multiplica-se pela sensibilidade do circuito e divide por raiz
de dois, pois V𝑝 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 ∗ √2. O valor de sensibilidade do
circuito medidor de tensão foi feito experimentalmente.
Aplicou-se tensões de entrada diferentes e verificou-se os
valores de tensão do conversor A/D do Arduino.
Para o cálculo de fator de potência, utilizou-se a variável
do número da amostra em que o pico foi encontrado para
Sem uma tela poderíamos desenvolver qualquer outra
interface que pudesse exibir/alterar os dados, mas a medição,
mesmo que fosse utilizado outro recurso (como recursos
computacionais – LabView) a ausência do Arduino ou
qualquer outro microcontrolador, dificultaria a coleta dos
dados, uma vez que o mesmo já conta com conversor A/D e
comunicação (serial e TWI – two wire interface). Como um
dos objetivos é facilitar a operação do usuário, todo o
processamento e controle foram colocados dentro deste
dispositivo.
A escolha de uma tela LCD com touchscreen possibilita a
leitura e configuração sem a necessidade de qualquer outro
dispositivo. No entanto, com a geração dos gráficos da tela
touchscreen perde-se capacidade de processamento do
microcontrolador. Assim, optou-se pela mudança do escopo
inicial, que era trabalhar com apenas um Arduino
Atmega328, utilizando-se de dois Arduinos UNO.
O registro de histórico de consumo e a integração dos
valores, para que estes fossem armazenados e consultados,
não pode ser implementado pela falta de espaço de
armazenamento no Arduino, responsável pelo controle da
interface. O programa final ocupou mais de 31.664 bytes de
ROM e 1.054 bytes de RAM.
Na Figura 4 abaixo, podemos visualizar a tela.
3
CC apresentado foi eficaz, no entanto a forma de onda
apresentou-se irregular, o que provavelmente influenciou a
medição do fator de potência pelo cálculo do defasamento de
ambas as senóides. Essa irregularidade na forma de onda da
tensão provavelmente é causada por ruídos provenientes da
rede. Neste caso, para que este problema seja resolvido
deverá ser projetado um filtro que consiga anular os ruídos.
O desligamento no caso de sobrecargas obteve sucesso.
A necessidade de mudar o controlador para o projeto fica
muito evidente, pois o mesmo não possui memória suficiente
para as características estabelecidas. O sistema utiliza dois
microcontroladores para que um deles monitore a carga em
tempo real, enquanto o outro se encarrega de realizar a
interface entre o homem e o sistema.
O objetivo geral do protótipo de um medidor inteligente
de consumo de energia elétrica foi atingido e as expectativas
foram parcialmente atendidas.
Os testes realizados apresentaram resultado satisfatório.
Deve-se realizar mais testes para que sejam detectados
possíveis erros e, assim execute-se os ajustes para obter êxito
nas medições e garantir o bom funcionamento do protótipo.
Fig. 4. Interface
Para o cálculo do fator de potência, foi utilizado o método
de medição do defasamento das senóides de tensão e
corrente, através da detecção do pico de cada uma delas. No
entanto, não se obteve uma medição estável, os picos mesmo
para carga resistiva variam sua posição. Foi definido via
software, uma posição temporal fixa para o início das
medições, mas ainda assim não foi atingido o resultado
esperado.
Os algoritmos utilizados juntamente com o sensor
ACS712 se mostraram muito precisos para a medição de
corrente dos circuitos, além de que a interface possibilita
facilmente que o projeto seja portado para cargas com
correntes menores ou maiores, ajustando apenas a
sensibilidade do sensor utilizado. Esta família de Circuitos
Integrados possui uma ampla faixa de medição que varia de
5A a 100A.
O circuito medidor de tensão possui uma ampla faixa de
medição que pode suportar as redes da concessionária. As
medições de tensão também se mostraram muito eficientes.
Porém, a forma de onda apresentou-se irregular, o que
provavelmente influenciou a medição do fator de potência
pelo cálculo do defasamento de ambas as senóides. Essa
irregularidade na forma de onda da tensão provavelmente é
proveniente de ruídos da rede. Nesse caso, para que o
problema seja resolvido deverá ser projetado um filtro que
consiga anular estes ruídos.
O parâmetro de variação de tensão permite que a carga
seja protegida por eventuais falhas na alimentação, tanto para
subtensões quanto para sobretensões com uma ação tão
rápida quanto o intervalo programado para as amostragens.
Assim, a medição de potência real da carga foi muito precisa
(considerando fator de potência 1).
REFERÊNCIAS
[1] NETO, Daywes Pinheiro; LISITA, Luiz R.; MACHADO,
Paulo César M.; NERYS, José Wilson L.; FIGUEIREDO,
Mara Grace. Desempenho dos medidores monofásicos de
energia dos tipos eletrônico e de indução. Disponível em:
<http://www.osetoreletrico.com.br/web/documentos/Outros/
Ed63_aula_pratica_medicao.pdf>. Acesso em: junho de
2016.
[2] PINCHEMEL, Rodrigo. Capítulo 2 – Sistemas de
medição
de
Energia
Elétrica.
Disponível
em:
<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAG_kAD/capitul
o-2-sistemas-medicao-energia-eletrica>.
Acesso
em:
novembro de 2015.
[3] ALLEGRO MICROSYSTEMS INC. Disponível em:
<Fonte:
www.allegromicro.com/
~/
media/Files/Datasheets/ACS712-Datasheet.ashx>.
Acesso
em junho de 2016.
[4] ARDUINO. Disponível em: <http://www.arduino.cc/
en/Main / arduinoBoardUno>. Acesso em: junho de 2015.
[5] DS1307 RTC breakout board. Disponível em:
<http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS1307.pdf>.
Acesso em: junho de 2016.
[6]
EEPROM.
Disponível
em:
<http://www.atmel.com/images/doc0336.pdf>. Acesso em:
junho de 2016.
[7]
Arduino
ATMEGA
328.
Disponível
em:
<http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/392243/ATMEL/ATMEGA328.html>. Acesso em:
junho de 2015.
[8]
LCD.
Disponível
em:
<http://www.buydisplay.com/download/manual/ERTFT032-2_Datasheet.pdf>. Acesso em: junho de 2016.
IV. CONCLUSÕES
As medições de corrente com o sensor de efeito hall se
mostraram muito eficientes e precisas, facilitando a
implementação e a portabilidade para várias faixas de
potências. A medição de tensão com o circuito grampeador
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