Modelagem de um Sistema de Distribuição de Energia
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Modelagem de um Sistema de Distribuição de Energia Considerando a Aplicação em Redes Inteligentes Smart Grids ) ( Jonas Fernando Schreiber Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação em Modelagem Matemática da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - Unijuí - como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Grau de Mestre em Modelagem Matemática. Paulo Sérgio Sausen, D.sc. Orientador Airam Teresa Zago Romcy Sausen, D.sc. Co-Orientadora Ijuí, RS, Brasil c Jonas Fernando Schreiber, Setembro de 2013 Modelagem de um Sistema de Distribuição de Energia Considerando a Aplicação em Redes Inteligentes Smart Grids ) ( Jonas Fernando Schreiber Dissertação de Mestrado apresentada em Setembro de 2013 Paulo Sérgio Sausen, D.sc. Orientador Airam Teresa Zago Romcy Sausen, D.sc. Co-Orientadora Alexandre Cunha Oliveira, D.sc. Componente da Banca Manuel Martín Pérez Reimbold, D.sc. Componente da Banca Ijuí, RS, Brasil, Setembro de 2013 Dedicatória Ao meu lho Miguel por ser o bem mais precioso que tenho na vida. i Agradecimentos Agradeço a toda minha família pelo apoio. A minha esposa por me dar o maior presente que eu poderia ganhar, meu Miguel. Aos orientadores, obrigado pela paciência em minhas dúvidas. Aos professores do mestrado pelos ensinamentos. A todas as pessoas envolvidas do GAIC, em especial ao Prof. Maurício por ter me dado o apoio técnico e conhecimentos necessários e aos bolsistas por todo o esforço nas medições. A UNIJUI pela estrutura física. Aos servidores do DEMEI pela disponibilidade quando precisamos das instalações na rede elétrica. A CAPES, pela bolsa, que me permitiu realizar mais uma etapa importante na minha vida. A todos que, de uma forma ou de outra, me apoiaram e me deram forças para continuar. E a minha inesquecível vó Ana, que sempre tinha uma mensagem de otimismo. Esteja onde estiver Vó, muito obrigado... ii "Creo en la amistad que no pide, da. Creo en el amor sin condición. Creo en la humildad del que sabe ganar, Creo en el honor sin uniformes ni Dios. No creo en un altar que salve mi fé, ser honesto es mejor que un cielo lleno de himnos. No creo en un líder que dirija mis pies, mi rey es mi voluntad, mi patria mi hogar." Txus Di Fellatio, Creo (La Voz Dormida - Parte II) iii Resumo A presente dissertação tem como objetivo principal a validação do modelo matemático PI a partir da avaliação do seu desempenho tanto a nível de representação elétrica, como também nas transmissões de sinal de comunicação em alta frequência, usualmente utilizadas em tráfego conhecido como Power Line Communication (PLC). Para atingir este objetivo, inicialmente, foi realizado o estudo e avaliação dos modelos matemáticos utilizados para representar um segmento de distribuição de energia. Depois foi utilizado um emulador em escala de potência reduzida, validado para baixa frequência, objetivando avaliar o modelo matemático escolhido. Como o foco do trabalho é a rede de distribuição em baixa tensão, foi realizada a construção de um circuito elétrico representativo de um trecho real de uma concessionária de energia, no caso deste trabalho o DEMEI, que foi implementado computacionalmente utilizando a ferramenta matemática Matlab e sica- mente em um dos laboratórios do Grupo de Automação Industrial e Controle (GAIC). Foi realizado um conjunto signicativo de medições, de corrente e tensão, no circuito real e os resultados foram comparados com os dados obtidos a partir das simulações computacionais do modelo escolhido para representar o circuito real utilizando uma transmissão PLC, no caso o modelo PI. A partir da análise dos resultados reais com os obtidos das simulações computacionais foi possível comprovar que o modelo PI representa satisfatoriamente o trecho simulado em relação a transmissão em altas frequências, uma vez que o sinal PLC transmitido no trecho simulado no erro inferior a Matlab em relação ao trecho real teve um 1%. Palavras-chave: power line communications, plc, modelos matemáticos, modelo pi. iv Abstract This master thesis is focused on the validation of a mathematical model able to satisfactorily represent a power distribution network, evaluating their performance both in terms of electrical representation, but also in high frequency transmissions usually used in trac called Power Line Communication (PLC). Initially we used an emulator on power reduced scale, previously validated for low frequency. As the focus of the study is the distribution network at low voltage, was builded a circuit representing a real power network, in the case of this study, of DEMEI, which was implemented using the mathematical tool Matlab and physically in one of the laboratories of the Grupo de Automação Industrial e Controle (GAIC). We conducted a signicant number of measurements of current and voltage in real circuit and the results were compared with data obtained from computational simulations of the model chosen to represent the actual circuit using a PLC transmission, the PI model. From the analysis of real results with those obtained from computer simulations was possible to prove that the PI model represents satisfactorily the simulated power line regarding the transmission at high frequencies, since the PLC signal transmitted in the line simulated in less than Matlab in relation to real line had an error of 1%. Keywords: power line communications, plc, mathematical models, pi model. v Lista de Abreviaturas e Siglas BT - Baixa Tensão P LC Power Line Communication - MT - Média Tensão MG - Minas Gerais M AT AT - Muito Alta Tensão - Alta Tensão N BR - Norma Brasileira ABN T CA - Associação Brasileira de Normas Técnicas - Condutor de Alumínio puro All Aluminum Conductor AAAC - All-aluminum-alloy conductors AAC CAA - (Condutor de liga de alumínio pura) - Condutor de alumínio com alma de aço ACSR - Aluminum Conductor Steel Reinforced ACAR - Aluminum conductor, Alloy-reinforced (Condutor de alumínio com alma de liga de alumínio) LT SI - Linhas de transmissão - Sistema Internacional M KS d.d.p. RS - Metro, quilograma e segundo - diferença de potencial - Rio Grande do Sul DEM EI - Departamento Municipal de Energia de Ijuí AM R - Automatic Meter Reading Automatic Meter Management AM I - Advanced Metering Infrastructure W AN S - Wide Area Sensor Networks AM M - EP RI - Electric Power Research Institute Energy Management System DM S - Distribution Management System SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition EM S - vi UT M - Unidade Terminal Mestre UT R - Unidade Terminal Remota IHM - Interface Homem Máquina TI - Tecnologia da Informação RJ - Rio de Janeiro CEEE - Companhia Estadual de Distribuição de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul IP - Internet Protocol CEM IG SP (Protocolo de Internet) - Companhia Energética de Minas Gerais - São Paulo KEP CO - Korea Electric Power Corporation AN EEL - Agência Nacional de Energia Elétrica OP LAT - Onda Portadora em Linhas de Alta Tensão BP L - Broadband Over Power Line CRE - Comunicação pela Rede Elétrica EDF - Électricité de France EDP - Electricidade de Portugal EEF - Entreprises Électriques Fribourgeoises PPC - Power Plus Communications SSE - Scottish Southern Electric DS2 - Design of Systems on Silicon Copel - Companhia Paranaense de Energia Escelsa Celg SE - Espírito Santo Centrais Elétricas - Companhia Energética de Goiás - Subestação de distribuição W AN - Wide Area Network OF DM - Orthogonal Frequency Division Multiplex (Multiplexação Ortogonal por Di- visão de Frequência) Gaussian Minimum Shift Keying F DM - Frequency Division Multiplex GM SK - CEN ELEC RM S GAIC - - European Committee for Electrotechnical Standardization Root Mean Square - Grupo de Automação Industrial e Controle vii Lista de Símbolos Hz V - Hertz, unidade de frequência que equivale a ciclo por segundo - Volt, unidade de tensão elétrica kg - Quilograma m - Metro s - Segundo m - Metro, unidade de medida km - Quilômetro, mil metros H - Henry F - Farad S - Siemens kV N - Mil volts - Newton m - Aceleração s2 v - Tensão −e - Elétron +e - Próton q - Carga de um condutor A - Ampère i - Corrente instantânea p - Potência elétrica t - Tempo T - Período W - Energia transferida R - Resistência L - Indutância C - Capacitância Z - Impedância Y - Admitância r - Resistência dos condutores viii l - Comprimento Is - Corrente nas barras de transmissão Ir - Corrente nas barras receptoras α - Constante de atenuação β - Constante de fase sen - Seno cos - Cosseno tanh - Tangente hiperbólica cosh - Cosseno hiperbólico sinh - Seno hiperbólico g - Condutância Ω - Ohms R1 - Resistência de sequência positiva R0 - Resistência de sequência negativa L1 - Indutância de sequência positiva L0 - Indutância de sequência zero C1 - Capacitância de sequência positiva C0 - Capacitância de sequência zero Zres - Impedância do resistor XLres π - Reatância Indutiva do resistor - Proporção numérica na relação entre o perímetro de uma circunferência e seu diâmetro Lres - Indutância do resistor Zsist - Impedância do resistor + cabo XLsist Lsist - Reatância Indutiva do resistor + cabo - Indutância do resistor + cabo XLcabo Lcabo - Indutância do cabo Lmetro f - Reatância Indutiva do cabo - Indutância por metro do cabo - Frequência mm - Milimetro r1 - Raio do cabo D - Distância entre os cabos Diametro1 - Diâmetro do cabo cabo1 - Diâmetro do primeiro cabo cabo2 - Diâmetro do segundo cabo ix ode45 - Método utilizado para resolver as Equações Diferenciais Ordinárias no tlab/Simulink R6 - Resistência de XLR6 6, 6Ω - Reatância indutiva do resistor de 6, 6Ω Vi - Tensão da fonte de entrada do circuito V0 - Tensão no resistor do circuito Ii Zi - Corrente do circuito - Impedância do circuito Rcabo - Resistência do cabo Zcabodia01 - Impedância do cabo do dia 01 XLcabodia01 Lcabodia01 - Indutância do cabo do dia 01 Lmetrodia01 Zcabodia02 - Indutância por metro do cabo do dia 01 - Impedância do cabo do dia 02 XLcabodia02 Lcabodia02 - Indutância por metro do cabo do dia 02 - Impedância do cabo do dia 03 XLcabodia03 Lcabodia03 - Indutância por metro do cabo do dia 03 - Impedância do cabo do dia 04 XLcabodia04 Lcabodia04 - Indutância por metro do cabo do dia 04 - Impedância do cabo do dia 05 XLcabodia05 Lcabodia05 - Indutância por metro do cabo do dia 05 - Impedância do cabo da media dos dias XLcabomedia Lcabomedia - Reatância Indutiva do cabo do dia 05 - Indutância do cabo do dia 05 Lmetrodia05 Zcabomedia - Reatância Indutiva do cabo do dia 04 - Indutância do cabo do dia 04 Lmetrodia04 Zcabodia05 - Reatância Indutiva do cabo do dia 03 - Indutância do cabo do dia 03 Lmetrodia03 Zcabodia04 - Reatância Indutiva do cabo do dia 02 - Indutância do cabo do dia 02 Lmetrodia02 Zcabodia03 - Reatância Indutiva do resistor + cabo do dia 01 - Reatância Indutiva da media dos dias - Indutância da media dos dias Lmetromedia - Indutância por metro da media dos dias x Ma- Lista de Tabelas Smart Grid 3.1 Comparação entre rede elétrica existente e . . . . . . . . . . . 33 6.1 Parâmetros dos cabos para o trecho estudado . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7.1 Resultados das medições com e sem o transformador 7.2 Parâmetros da linha de cabos Coopernu CA 8.1 Medições realizadas em laboratório no primeiro dia . . . . . . . . . . . . . 94 8.2 Medições realizadas em laboratório no segundo dia . . . . . . . . . . . . . 96 8.3 Medições realizadas em laboratório no terceiro dia . . . . . . . . . . . . . . 98 8.4 Medições realizadas em laboratório no quarto dia . . . . . . . . . . . . . . 100 8.5 Medições realizadas em laboratório no quinto dia . . . . . . . . . . . . . . 102 8.6 Média das medições realizadas em laboratório 8.7 Resultados obtidos com as medições e simulações . . . . . . . . . . . . 84 . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 . . . . . . . . . . . . . . . . 103 . . . . . . . . . . . . . . 108 Lista de Figuras 2.1 Cadeia de valores da energia elétrica [1] 2.2 Distribução das Fontes Primárias no Brasil em 2010. Adaptado de [2] 2.3 Distribução das Fontes Primárias no Mundo em 2007. Adaptado de [2] 2.4 Componentes de um cabo condutor de energia elétrica [3] 2.5 Tipos de cabos elétricos para baixa tensão [3] 2.6 Fio elétrico [3] 2.7 Condutor Encordoado Compactado [3] 2.8 Condutor Encordoado [3] 2.9 Condutor Flexível [3] 2.10 Fio isolado [4] 2.11 Condutor isolado [4] 2.12 Cabo unipolar com um único condutor [4] 2.13 Cabo multipolar com três condutores isolados [4] . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.14 Componentes das linhas aéreas de transmissão [5] . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.15 Sentido da corrente positiva [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.16 Potência Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.17 Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.18 Indutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.19 Capacitor 2.20 Circuito em série [6] 2.21 Circuito em paralelo [6] . 2.22 Admitância em Circuito Paralelo [6] 3.1 Sistema de Fornecimento de Energia no Brasil [7] 3.2 Sistema de Energia Integrado [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 . . . . . . 15 . . . . . 16 . . . . . . . . . . . . 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 19 24 25 26 26 . . . . . . . . . . . . . . . . 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 Smart Grids em camadas [8] 3.4 Medidor Inteligente de Energia Elétrica [9] 3.5 Medidor Inteligente de Combustíveis [9] 3.6 Medidor Inteligente de Água [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2 Lista de Figuras 3.7 Medidor Inteligente de Gases [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.8 Funcionamento de um Relé [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.9 Esquema de instalação de medidores [11] 3.10 (a) Religador com o PLC. (b) Equipe instalando os equipamentos [12] 3.11 Modelo Conceitual de um Smart Grid [13] 4.1 Topologia básica de uma rede PLC [12] 4.2 Topologia PLC 4.3 Topologia PLC para acesso na última milha [14] 4.4 Indoor [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 . . . . . . 42 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Topologia PLC para acesso WAN [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.5 Subportadoras de um sinal OFDM [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.6 Comparação de espectros entre FDM convencional e o OFDM [15] . . . . . . . 53 5.1 Modelo PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2 Circuito Equivalente PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.3 Representação por quadripolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.4 Modelo PI Nominal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.5 Modelo de linha longa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.6 ABCD Constantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.7 Modelo PI Equivalente 5.8 Rede equivalente para linhas com perdas [16] 5.9 Rede equivalente de meia-linha [16] 5.10 Modelo Bergeron [16] 6.1 Árvore de decisão para a escolha de um modelo [16] 6.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 . . . . . . . . . . . . . . . 66 Circuito PI para linhas curtas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.3 Trecho a ser utilizado no modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.4 Circuito utilizado para a simulação 6.5 Sinal de alta frequência obtido no Matlab 6.6 Emulador com analisador instalado . 6.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Gráco da tensão no Emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.8 Gráco Simulação x Emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7.1 Multímetro de bancada Agilent HP 34401A [17] 7.2 Osciloscópio Agilent DSO-X 2014A iniciando . 7.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Resistor de 3, 3Ω utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7.4 Resistor de 6, 6Ω utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 7.5 Condutor utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 7.6 Ângulo de defasagem para condutor com resistor de 3, 3Ω . . . . . . . . . . . . 78 3 Lista de Figuras 7.7 Dados da placa do transformador 7.8 Sinais no resistor de 3, 3Ω sem estar ligado ao transformador . . . . . . . . . . 80 7.9 Sinais no resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em BT . . . . . . . . . . 81 7.10 Sinais no resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em MT . . . . . . . . . 82 7.11 Sinais no resistor de 6, 6Ω sem estar ligado ao transformador . . . . . . . . . . 82 7.12 Sinais no resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em BT . . . . . . . . . . 83 7.13 Sinais no resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em MT . . . . . . . . . 83 7.14 Topologia utilizada nas medições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 7.15 Condutores acondicionados em carretéis de madeira [18] 7.16 Rede montada no textitMatlab/Simulink 7.17 Bloco da fonte PLC 7.18 Equipamento PLC 7.19 Circuito montado em laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 7.20 Circuito montado em laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.21 Condutores em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.22 Isoladores xando os condutores 7.23 Resistor de 6, 6Ω acoplado ao circuito 7.24 Mesmo Resistor de 6, 6Ω acoplado ao circuito 8.1 Equipamentos Agilent e PLC em funcionamento 8.2 Equipamento Agilent em funcionamento 8.3 Tensão e corrente do Dia 01, medidos na fonte transmissora 8.4 Tensão do Dia 01, medida no resistor . 8.5 Tensão e corrente do Dia 02, medidos na fonte transmissora 8.6 Tensão do Dia 02, medida no resistor . 8.7 Tensão e corrente do Dia 03, medidos na fonte transmissora 8.8 Tensão do Dia 03, medida no resistor . 8.9 Tensão e corrente do Dia 04, medidos na fonte transmissora 8.10 Tensão do Dia 04, medida no resistor . 8.11 Tensão e corrente do Dia 05, medidos na fonte transmissora 8.12 Tensão do Dia 05, medida no resistor . 8.13 Bloco PI com dados de fábrica do cabo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.14 Bloco da carga com um resistor de 6, 6Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.15 Dados de fábrica: tensão no resistor 8.16 Dados de fábrica: corrente obtida 8.17 Dados de fábrica: tensão inicial, nal e corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.18 Bloco PI com dados da medição no laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 8.19 Dados de laboratório: tensão no resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 . . . . . . . . . . . . . 85 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 91 91 . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 . . . . . . . . . . . 93 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 . . . . . . . . . . . 95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 . . . . . . . . . . . 97 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 . . . . . . . . . . . 99 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 . . . . . . . . . . . 101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4 Lista de Figuras 8.20 Dados de laboratório: corrente obtida 8.21 Dados de laboratório: tensão inicial, nal e corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 . . . . . . . . . . . . . . . 108 Sumário 1 Apresentação 8 1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3 Objetivos 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.2 Objetivos Especícos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Contribuições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 Estrutura do Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Conceitos Básicos 2.1 2.2 2.3 Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.1 Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2 Cadeia de valores da Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Condutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 Características Básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 Condutor de Alumínio 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Linhas de Transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Unidades de Medida 2.5 Resistor, Indutor e Capacitor 2.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes de Distribuição de Energia Elétrica 2.3.1 3 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5.1 Resistência R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5.2 Indutância L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.3 Capacitância C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Circuitos em série e em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Smart Grid 28 3.1 Conhecendo a tecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.1 Características de Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.2 Tecnologias utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5 6 Sumário 3.1.3 4 Aplicações Residenciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2 Projetos no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3 Estado da Arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.4 Futuro da Tecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Power Line Communication 46 4.1 Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2 Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2.1 Modulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.2.2 Aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2.3 Desaos 54 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão 5.1 5.2 Linhas de Transmissão 56 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.1.1 Modelagem através de parâmetros concentrados . . . . . . . . . . . 57 5.1.2 Modelagem através de parâmetros distribuídos . . . . . . . . . . . . 60 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Modelo PI 65 66 6.1 Escolha do Modelo Matemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.2 Simulação em Escala Reduzida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.2.1 Trecho Escolhido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.2.2 Modelo Simulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.2.3 Modelo em Escala Reduzida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.2.4 Considerações Sobre a Escala Reduzida . . . . . . . . . . . . . . . . 72 7 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 7.1 7.2 7.3 74 Caracterização dos componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 7.1.1 Resistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7.1.2 Condutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Inuência do transformador para um sinal PLC . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.2.1 Medições com resistor de 3, 3Ω sem o transformador . . . . . . . . . 80 7.2.2 Medições com resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em BT 81 7.2.3 Medições com resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em MT 81 7.2.4 Medições com resistor de 6, 6Ω sem o transformador . . . . . . . . . 82 7.2.5 Medições com resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em BT 82 7.2.6 Medições com resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em MT 83 7.2.7 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Topologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 84 7 Sumário 7.4 Dados de fábrica do cabo utilizado 7.4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cálculo da indutância do condutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 MATLAB/Simulink 7.5 Modelo no 7.6 Equipamento PLC 7.7 Laboratório 8 Resultados 8.1 8.2 92 Medição em laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 8.1.1 Medições Dia 01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 8.1.2 Medições Dia 02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 8.1.3 Medições Dia 03 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 8.1.4 Medições Dia 04 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 8.1.5 Medições Dia 05 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8.1.6 Médias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Simulação com dados de fábrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.2.1 8.3 85 Simulação com dados do laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Comparativo dos resultados obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 9 Conclusão Referências Bibliogracas 109 111 Capítulo 1 Apresentação 1.1 Introdução A energia elétrica representa, de forma muito consistente, a capacidade de evolução do ser humano, se caracteriza como fundamental e exerce uma importante função na sociedade, pois contribui com o crescimento e bem estar de todos. Os sistemas de distribuição de energia elétrica utilizados atualmente foram desenvolvidos na década de 40 do século passado, e com o passar dos anos vários aperfeiçoamentos foram sendo realizados, sempre objetivando garantir o bom desempenho deste sistema. Neste sentido, em função do grande avanço da tecnologia da informação e da automação, alguns novos conceitos foram surgindo, entre eles, destaca-se o conceito de Redes Inteligentes ( Smart Grids ). As Redes Inteligentes caracterizam-se por novas tecnologias quem vêm sendo empregadas para tornar o sistema elétrico uma rede moderna integrando fontes de energia renováveis, automação, iluminação e telemetria para gerenciamento de recursos (e.g., água, gás e eletricidade). A partir do uso destas novas tecnologias (i.e., Smart Grid e Smart Metering ) os modelos tradicionais utilizados para representar as redes de distribuição de energia necessitam sofrer alterações para representar, corretamente, sinais elétricos com frequência diferente de 60Hz. Um exemplo, destas novas tecnologias, é a transmissão Communication Power Line (PLC). 1.2 Motivação A transmissão de dados utilizando a rede elétrica possui diversos desaos, dentre eles pode-se destacar o problema da atenuação. Ocasionados, principalmente, pela utiliza- ção de diversos tipos de aparelhos elétricos conectados na rede, o que atenua o sinal de transmissão. A aceitação dos modelos matemáticos atualmente utilizados para simular linhas de distribuição, visando aplicá-los ao teste destas novas tecnologias (i.e., transmis- 8 Capítulo 1. 9 Apresentação são PLC), é algo a ser vericado. Para alcançar este objetivo é necessário realizar testes computacionais a partir de simulações e compará-los a resultados reais como forma de vericar se os modelos atuais conseguem representar coerentemente este ambiente com as novas tecnologias que vem surgindo, no caso deste trabalho será dado maior ênfase na tecnologia de transmissão de dados PLC. 1.3 Objetivos Nesta seção são apresentados os objetivos do presente trabalho. Para facilitar a com- preensão, optou-se em dividí-los em Objetivo Geral e Objetivos Especícos, os quais são detalhados na sequência. 1.3.1 Objetivo Geral A presente dissertação tem como objetivo principal o estudo e validação de um modelo matemático que represente, adequadamente, um segmento de uma rede de distribuição de energia elétrica, avaliando o seu desempenho tanto em nível de representação elétrica, como também do ponto de vista de transmissões de sinais de dados a partir do uso da tecnologia Power Line Communications (PLC). 1.3.2 Objetivos Especícos • Realizar uma revisão bibliográca que contemple os principais modelos matemáticos usados para representar o sistema elétrico. Em um primeiro momento, esta revisão cará restrita a modelos que possam representar apenas um segmento de distribuição de energia em BT. • Estudar o ambiente computacional (i.e., Ferramenta Computacional Matlab) utilizado para implementar os modelos matemáticos utilizados neste trabalho. • Seleção do modelo de linha de transmissão entre aqueles discutidos na da literatura que melhor represente o sistema a ser estudado. • Validar o(s) modelo(s) escolhido(s), anteriormente, em uma rede de média tensão a partir da utilização de um emulador especialmente desenvolvido para esta nalidade. • Realizar uma revisão bibliográca da tecnologia Power Line Communication, obje- tivando sua avaliação em uma rede de baixa tensão. • Construir um circuito que represente uma linha de transmissão de energia elétrica em baixa tensão, realizando medições para comparar com os resultados simulados. Capítulo 1. • 10 Apresentação Realizar um estudo por simulação objetivando a avaliação do comportamento da comunicação PLC, a partir da utilização do modelo selecionado. 1.4 Contribuições Este trabalho faz uso de dados reais e simulações para realizar uma análise comparativa de modelos matemáticos de linhas de transmissão de energia elétrica. É fato que os modelos hoje existentes representam satisfatoriamente o sistema real para operação em 60Hz, porém há uma carência na avaliação do comportamento desses modelos para frequências maiores. A principal contribuição deste trabalho é de realizar uma série de comparativos, vericando qual modelo matemático consegue representar, de forma satisfatória, o comportamento de uma rede de distribuição de energia tanto para frequências baixas, como para frequências mais elevadas utilizadas na comunicação PLC. Estes comparativos serão realizados a partir de simulações computacionais e experimentos práticos utilizando uma rede de energia elétrica de baixa tensão. 1.5 Estrutura do Documento Nesta dissertação é proposto o estudo e validação de um modelo matemático que represente, de forma satisfatória, o comportamento da rede elétrica de distribuição em baixa tensão para sinais de alta frequência. Para tanto, este trabalho está organizado da seguinte forma: • No Capítulo 2 serão revisados os conceitos básicos, referentes a energia elétrica, necessários para o entendimento desta dissertação; • No Capítulo 3 será apresentado o conceito de Smart Grid, mostrando as caracte- rísticas da tecnologia, bem como aplicações e projetos no país, e uma previsão do futuro da mesma; • No Capítulo 4 é introduzida a tecnologia PLC, alvo principal deste estudo; • No Capítulo 5 serão apresentados os modelos matemáticos utilizados atualmente para modelagem de linhas de transmissão de energia elétrica; • No Capítulo 6 será apresentado o modelo matemático adequado para os testes de PLC, de acordo com as características da rede escolhida; • No Capítulo 7 será realizada a caracterização dos componentes utilizados, bem como da aplicação do modelo matemático escolhido na linha de transmissão de baixa tensão; Capítulo 1. • Apresentação 11 No Capítulo 8 serão apresentados os resultados dos experimentos em laboratório. Estes resultados serão comparados com os resultados obtidos a partir das simulações computacionais. • E, nalmente, no Capítulo 9 serão apresentadas as conclusões deste estudo. Capítulo 2 Conceitos Básicos Nesta seção serão apresentados alguns conceitos básicos necessários para o correto entendimento e compreensão desta dissertação. Será apresentado, inicialmente, um histórico do surgimento e da evolução dos sistemas elétricos, posteriormente serão apresentadas as principais unidades de medida, denições de circuitos, energia elétrica e redes de distribuição de energia. 2.1 Energia Elétrica Energia é a capacidade de realizar trabalho ou de transferir calor. Nas sociedades humanas, a energia teve origem na forma endossomática, ou seja, aquela que chega através de cadeias ecológicas, que possui como fonte primária de energia o sol, ao iluminar, aquecer, transferir energia para as águas, formando nuvens e chuvas, e fornecer energia aos vegetais, através da fotossíntese. Para satisfazer suas primeiras necessidades, basicamente alimentação, fonte de iluminação noturna e aquecimento, o homem apropriou-se do uso do fogo e desenvolveu a agricultura e a pecuária, armazenando energia excedente nos animais e alimentos [19]. Atualmente a energia elétrica é indispensável, se tornando um item essencial no cotidiano. 2.1.1 Histórico A primeira aplicação da eletricidade se deu no campo das comunicações, com o telégrafo e o telefone elétrico. O caráter econômico de energia elétrica data de 1870, aproximadamente, época em que as máquinas elétricas (dínamos e motores de corrente contínua) atingiram o estágio que permitiu seu uso na geração e na utilização da energia elétrica como força motriz em indústrias e nos transportes. A iluminação pública, com lâmpadas a arco voltaico, apresentava-se como uma alternativa à iluminação pública a gás [5]. 12 Capítulo 2. 13 Conceitos Básicos Em 1882, Thomas Edison construiu as primeiras usinas geradoras em corrente contínua, para a iluminação. A rede de distribuição subterrânea abrangia uma área de 1600 metros de raio em torno da usina, gerando uma energia de 110V em corrente contínua. Com esta tensão de 110V para seu sistema, Edison praticamente iniciou uma padronização das tensões de energia elétrica a nível de consumidor, utilizada até hoje. As técnicas do transporte a distâncias maiores constituía-se em uma limitação ao uso da energia elétrica, que o potencial energético hidráulico estava fora do alcance como fonte primária de energia. Em 1886, ocorreu a primeira transmissão de energia elétrica em corrente alternada por George Westhinghouse. O uso da corrente alternada e dos sistemas polifásicos desenvolvidos por Nikola Tesla, em conjunto com o transformador eciente de Willian Stanley, proporcionaram a transmissão a grandes distâncias e o uso doméstico da energia elétrica. Em maio de 1888, Nicole Tesla, na Europa, apresentou um artigo descrevendo motores de indução e motores síncronos bifásicos. O sistema trifásico seguiu-se com o desenvolvimento de geradores síncronos e motores de indução. As vantagens sobre os sistemas de corrente continua zeram com que os sistemas de corrente alternada passassem a ter um desenvolvimento muito rápido. A energia elétrica se tornou o principal insumo, devido a facilidade de transporte e de conversão direta em qualquer outro tipo de energia [20]. Isto pode ser comprovado pelo fato de países mais industrializados duplicarem seu consumo de energia elétrica a cada dez anos. Atualmente, a produção de eletricidade é responsável por aproximadamente um terço do consumo de energia primária mundial. No Brasil, a primeira linha de transmissão de que se tem registro foi construída por volta de 1883, em Diamantina/MG. Tinha por m transportar a energia produzida em uma usina hidrelétrica, constituída por duas rodas d'água e dois dínamos a uma distância de 2km. Esta energia transportada acionava bombas hidráulicas em uma mina de diamantes. Entre 1945 e 1947 foi construída a primeira linha de 230kV no Brasil, com um comprimento de 330km, destinada a interligar os sistemas Rio Light e São Paulo Light, operando inicialmente em 170kV, passando a 230kV em 1950 [5]. 2.1.2 Cadeia de valores da Energia Elétrica Basicamente, a cadeia de valores da energia elétrica divide-se em quatro etapas: transporte, distribuição e produção, comercialização, que são interligadas conforme Figura 2.1. Capítulo 2. 14 Conceitos Básicos Figura 2.1: Cadeia de valores da energia elétrica [1] De acordo com [1], a cadeia de valor da energia elétrica começa com a energia. fonte de A produção elétrica envolve a geração de potência elétrica, através de turbinas ligadas a geradores elétricos. As turbinas em questão são movidas pela ação de um uido, podendo ser: a) Vapor - Resultado do aquecimento da água pela ssão nuclear ou pela queima de combustíveis fósseis (carvão, gás natural ou óleo). Algumas centrais também usam o sol como fonte de aquecimento, através de painéis solares; b) Água - Através das usinas hidrelétricas; c) Vento - A energia eólica é a energia obtida pelo movimento do ar, e pode ser transformada em energia mecânica e elétrica. Das energias renováveis a energia eólica é de maior interesse na atualidade [14]. É uma abundante fonte de energia, renovável, limpa e disponível em todos os lugares; d) Gases quentes - As turbinas são movidas diretamente pela combustão de gases naturais. Existem turbinas movidas simultaneamente pela ação do vapor e gás. Nestes casos, a energia é gerada pela queima do gás natural numa turbina de gás, usando o calor residual para gerar eletricidade pelo vapor. A matriz energética do sistema elétrico brasileiro é baseada principalmente em ener- gias renováveis, com predominância de usinas hidrelétricas, com o transporte da energia possuindo proporções continentais. Quando as fontes de energia estão indisponíveis em uma região, ela é compensada por outra região. Adicionalmente, para complementar a oferta de energia, foram construídas novas usinas termoelétricas que podem ser acionadas, aumentando a quantidade de pontos de interconexão e a complexidade no gerenciamento do sistema [7]. Capítulo 2. 15 Conceitos Básicos Depois de produzida, é necessário fazer o transporte da eletricidade em Muito Alta Tensão (MAT) dos centros produtores até os centros de consumo. A rede de transporte assegura a interface entre as centrais de produção e as redes de distribuição. A função da rede de distribuição é levar a energia até os consumidores nais (domés- ticos, empresariais ou industriais). Utilizam três níveis de tensão: Alta Tensão (AT) que fornece energia às subestações, Media Tensão (MT) que alimenta os postos de transformação e Baixa Tensão (BT) a qual estão ligados diretamente os aparelhos nas residências. Finalmente, as empresas que comercializam a eletricidade gerem as relações com os consumidores nais, particulares ou empresas, incluindo o faturamento e o serviço ao cliente. Genericamente o sistema elétrico é formado por geradores, transformadores, linhas de transmissão e alimentadores de distribuição. Geralmente os geradores transformam energia mecânica em elétrica, sendo que a energia mecânica é fornecida por turbinas hidráulicas ou a vapor. No caso do vapor, a energia térmica pode ter diversas origens: carvão, gás, nuclear, óleo entre outros [10]. No Brasil, é predominante o uso do potencial hidráulico (74%) conforme Figura 2.2, já no resto do mundo este perl é alterado, devido à diculdade da obtenção de uma geração hidráulica, como observa-se através da Figura 2.3. Figura 2.2: Distribução das Fontes Primárias no Brasil em 2010. Adaptado de [2] Capítulo 2. 16 Conceitos Básicos Figura 2.3: Distribução das Fontes Primárias no Mundo em 2007. Adaptado de [2] 2.2 Condutores Um condutor, também conhecido como cabo de transmissão, é um produto metálico, geralmente cilíndrico, utilizado para transportar a energia elétrica ou transmitir sinais elétricos [4]. Os principais componentes de um condutor de energia elétrica são o tor, a isolação e a cobertura [3], como observa-se na Figura 2.4. Figura 2.4: condu- Componentes de um cabo condutor de energia elétrica [3] Os cabos também podem ser constituídos apenas de condutor e isolação (condutores isolados) além de uma cobertura (cabos unipolares ou multipolares), conforme Figura 2.5. Figura 2.5: Tipos de cabos elétricos para baixa tensão [3] Capítulo 2. 17 Conceitos Básicos Inicialmente eram utilizados apenas condutores de cobre, atualmente já houve sua substituição pelos de alumínio, tendo em vista o menor custo e peso. Por ser mais leve, o condutor de alumínio tem um diâmetro maior que o equivalente em cobre o que faz com que a densidade do uxo elétrico no condutor de alumínio seja menor para a mesma tensão [21]. 2.2.1 Características Básicas Para uma melhor compreensão dos termos utilizados na identicação dos tipos de condutores existentes, serão apresentadas algumas caraterísticas básicas dos cabos. De acordo com a NBR 6880 [22], os condutores são denidos em seis classes de encordoamento (da menor para a maior exibilidade): • Classe 1 - Fio sólido: produto composto por um único elemento condutor, com reduzida exibilidade, conforme pode ser observado na Figura 2.6. Figura 2.6: • Fio elétrico [3] Classe 2 - Condutor encordoado compactado, representado na Figura 2.7, consiste em uma série de os dispostos helicoidalmente em formato de corda na qual foram reduzidos os espaços entre os componentes, resultando em um menor diâmetro e menor exibilidade que um não compactado. Figura 2.7: • Condutor Encordoado Compactado [3] Classe 3 - Condutor encordoado não compactado, apresentado na Figura 2.8, uma série de os elementares que são torcidos entre si, como uma corda. Apresenta uma melhor exibilidade que o o, tendo como formações padronizadas com 7 os (1+6), 19 os (1+6+12), 37 os (1+6+12+18) e assim por diante. Capítulo 2. Figura 2.8: • 18 Conceitos Básicos Condutor Encordoado [3] Classe 4, 5 e 6 - Condutores exíveis, apresentados na Figura 2.9, obtidos através do encordoamento de os com diâmetro reduzido. Figura 2.9: Condutor Flexível [3] O cabo é constituído por um conjunto de os encordoados [4] podendo ser isolado ou não. Um o chamado de nu é um o sem revestimento ou cobertura, e um cabo nu é um cabo sem isolação ou cobertura constituído por os nus. No caso da isolação, um material isolante é aplicado sobre o condutor com a nalidade de isolá-lo eletricamente do ambiente ao redor. Nas Figuras 2.10 e 2.11 são apresentados um o isolado e um cabo isolado, respectivamente. Figura 2.10: Figura 2.11: Fio isolado [4] Condutor isolado [4] No caso dos condutores isolados, temos o cabo unipolar, constituído por um único condutor isolado e dotado de cobertura, ou o cabo multipolar, constituído por dois ou mais condutores isolados com uma cobertura. Estes cabos multipolares podem conter 2, 3 e 4 veias chamados, respectivamente, de bipolares, tripolares e tetrapolares. Nas Figuras 2.12 e 2.13 são apresentados um cabo unipolar e um multipolar, respectivamente. Capítulo 2. Conceitos Básicos Figura 2.12: Figura 2.13: 19 Cabo unipolar com um único condutor [4] Cabo multipolar com três condutores isolados [4] 2.2.2 Condutor de Alumínio Para as medições e simulações desta dissertação foi levado em conta a característica do cabo de alumínio nu, comumente instalado nas redes de transmissão de baixa tensão. A identicação dos cabos de alumínio nu é feita a partir dos tipos de condutores construídos, onde podem ser: a) CA: Condutor de alumínio puro (ou AAC, all aluminum conductor ); b) AAAC: Condutor de liga de alumínio pura (all-aluminum-alloy conductors ); c) CAA: Condutor de alumínio com alma de aço (ou ACSR, aluminum conductor steel reinforced ; d) ACAR: Condutor de alumínio com alma de liga de alumínio (aluminum conductor, alloy-reinforced ); 2.3 Redes de Distribuição de Energia Elétrica Uma rede de transmissão ou de distribuição de energia elétrica é constituída por grandes extensões de cabos elétricos e de equipamentos que interligam as fontes de geração ao consumo. Para garantir qualidade no fornecimento de energia, com segurança e continuidade do serviço, é necessária uma gestão eciente de comunicação com as centrais de controle, supervisão e medição das empresas distribuidoras [7]. Capítulo 2. Conceitos Básicos 20 Geralmente a geração de energia, principalmente de fonte hidráulica, se encontra longe dos centros consumidores, por isso a energia elétrica utiliza as linhas de transmissão para alcançar o consumidor nal, ocorrendo perdas de energia nos condutores destas linhas de transmissão, que são diretamente proporcionais ao comprimento dos condutores e ao quadrado do valor da corrente. Por outro lado, a potência transmitida pela rede elétrica é proporcional ao produto da tensão pela corrente, através da combinação dos valores de ambos é possível diminuir as perdas, utilizando tensões mais altas e correntes mais baixas para uma mesma potência transmitida pela linha [10]. 2.3.1 Linhas de Transmissão Resumidamente, uma linha de transmissão é composta por cabos condutores de energia, estruturas isolantes, estruturas de suporte, fundações, para-raios, aterramentos e acessórios diversos, ilustrados através da Figura 2.14. Figura 2.14: Componentes das linhas aéreas de transmissão [5] O desempenho das linhas está diretamente relacionado com as características e conguração geométrica de seus componentes. O transporte de energia elétrica pelas linhas de transmissão tem o caráter de prestação de serviço, ou seja, deverá ser eciente, conável e econômico. No caso desta dissertação, serão levadas em conta apenas as características das linhas aéreas de transmissão, já que é o padrão da rede analisada, objeto deste estudo. Para transportar uma determinada quantidade de energia a uma distância preestabelecida há um número muito grande de soluções possíveis, em função do grande número de variáveis associadas a uma linha, como o valor da tensão de transmissão, o número/tipo/bitola dos cabos condutores por fase, o número e tipo dos isoladores e distâncias de segurança, materiais estruturais e a forma dos suportes resistirem aos esforços [5]. Conforme detalhado em [12, 23] as LT são comumente encontradas em nosso dia a dia, sendo que elas podem ser classicadas, basicamente, em dois tipos: Capítulo 2. • 21 Conceitos Básicos Linhas de transmissão de energia: São responsáveis pelo transporte de grandes blocos de energia elétrica, às vezes possuindo grandes extensões, operam em altas tensões e baixa frequência; • Linhas de transmissão de sinais: São responsáveis pelo transporte de informações e pequena quantidade de energia elétrica, possuindo distâncias menores, operando em baixas tensões e altas frequências, como as linhas telefônicas, as trilhas de um circuito impresso, redes de computadores, entre outros. As linhas de transmissão de energia elétrica podem ser categorizadas através do seu tamanho, podendo ser classicadas como 80km e 240km) e linhas curtas (até 80km), linhas médias (entre linhas longas (acima de 240km) [24]. As diferenças e equações carac- terísticas referentes a modelos matemáticos de cada categoria das linhas de transmissão será abordado em outro capítulo especíco. 2.4 Unidades de Medida A engenharia elétrica possui por padrão o Sistema Internacional (SI) [25] para unidades de medida. O SI por sua vez, é derivado do sistema M.K.S. racionalizado, que tem como letras iniciais as unidades metro (m) para comprimento, quilograma (kg ) para massa e segundo (s) para o tempo. A partir destas unidades básicas, outras são criadas. A unidade de força derivada, newton (N), é a força que produz uma aceleração de de na massa 1kg : Força(newtons) = massa(quilogramas) Portanto, a medida de energia e trabalho é Tendo o = 1m/s2 2 x aceleração(m/s ) newton−metro, também chamado de joule. joule obtém-se a unidade de potência joule/segundo, ou watt (1newton − metro 1joule, 1joule/segundo = 1watt). A diferença de potencial v entre dois pontos é medida pelo trabalho necessário a transferência da carga unitária de um ponto para o outro. O volt é a diferença de potencial (d.d.p.) entre dois pontos quando é necessário o trabalho de de uma carga de O coulomb 1coulomb de ponto ao outro, sendo 1joule para a transferência 1volt = 1joule/coulomb. pode ser denido como a quantidade de carga que colocada a um metro de distância de uma carga igual e do mesmo sinal, no vácuo, repele-a com uma força de 9x109 newtons. A carga transportada por um elétron (−e) ou por um próton (+e) é e = 1, 602x10−19 coulombs. O material que contém elétrons livres, que se deslocam de um átomo para outro, é um condutor. Aplicando-se nele uma diferença de potencial, os elétrons se deslocam. Quando Capítulo 2. uma carga 22 Conceitos Básicos q se transfere de um ponto para outro de um condutor, existe nele uma corrente elétrica. Se a carga é transferida na razão constante de existente é 1ampère instantânea i (ou 1A), ou seja, 1coulomb/s, 1ampère = 1coulomb/s. a corrente constante Em geral, a corrente num condutor é: i(ampères) = dq(coulomb) dt(segundos) O sentido da corrente positiva é, por convenção, oposto àquele em que se deslocam os elétrons, demonstrado na Figura 2.15. Figura 2.15: A potencia elétrica p Sentido da corrente positiva [6] é o produto da tensão aplicada v pela corrente resultante i, ou seja, p(watt) = v(volts) x i(ampères) Por denição, a corrente positiva tem a direção da seta na fonte de tensão, saindo da fonte pelo terminal +, como mostra na Figura 2.16. Quando p é positivo, a fonte transfere energia para o circuito. Figura 2.16: Se a potência p Potência Elétrica é uma função periódica do tempo 1 P = T Z T p dt 0 t, de período T, a potência média é Capítulo 2. 23 Conceitos Básicos Como a potência é a taxa de transferência da energia em função do tempo, dω p= dt onde W Z e t2 p dt W = t1 é a energia transferida durante o intervalo de tempo considerado. 2.5 Resistor, Indutor e Capacitor Um elemento de circuito pode tratar a energia elétrica das seguintes formas: a) a energia é consumida - este elemento é um resistor puro; b) a energia é armazenada num campo magnético - este elemento é um c) a energia é armazenada num campo elétrico - este elemento é um indutor puro; capacitor puro. 2.5.1 Resistência R A diferença de potencial porcional à corrente v(t) entre os terminais de um resistor puro é diretamente pro- i(t) que nele circula. A constante de proporcionalidade resistência do resistor e é expressa em volts/ampères ou ohms. R é chamada Na Figura 2.17 é mostrado um resistor simples: Figura 2.17: v(t) = Ri(t) e Resistor i(t) = v(t) R As letras minúsculas (v, i, p) em geral indicam funções do tempo. (V, I, P ) indicam quantidades constantes. As maiúsculas Capítulo 2. 24 Conceitos Básicos 2.5.2 Indutância L Se a corrente em um circuito varia, o uxo magnético que o envolve também varia. A variação de uxo v é proporcional à taxa de variação da corrente em relação ao tempo, desde que a permeabilidade seja constante. A constante de proporcionalidade é chamada auto-indutância ou indutância do circuito. Na Figura 2.18 é apresentado um indutor simples: Figura 2.18: di v(t) = L dt Com v em volts e di/dt onde em ampères/s, auto-indutância de um circuito é de Indutor 1 i(t) = L L Z vdt é expressa em 1henry (1H ) volt/ampère ou henrys. A quando a corrente varia a razão de 1ampère/segundo. 2.5.3 Capacitância C A diferença de potencial v entre os terminais de um capacitor é proporcional a carga nele existente. A constante de proporcionalidade Figura 2.19: C é chamada capacitância Capacitor dq dv 1 q(t) = Cv(t), i = = C , v(t) = dt dt C Z idt q do capacitor. Capítulo 2. Com q em coulombs e v em capacitor terá a capacitância de volt 25 Conceitos Básicos volts, C é obtida em 1f arad (1F ) coulombs/volt se adquirir a carga de ou f arads. 1coulomb Um para cada de diferença de potencial aplicada entre seus terminais. 2.6 Circuitos em série e em paralelo Geralmente um apresentado um de Kirchho circuito contém elementos em série e em paralelo. Na Figura 2.20 é circuito em série com uma fonte de tensão e três impedâncias. para as tensões A lei estabelece que a soma das elevações de potencial é igual à soma das quedas de potencial, ao longo de qualquer circuito fechado. Figura 2.20: Circuito em série [6] V = V1 + V2 + V3 = Z1 I + Z2 I + Z3 I = (Z1 + Z2 + Z3 )I = Zeq I onde I= V Zeq e Zeq = Z1 + Z2 + Z3 A queda de tensão em uma impedância é dada pelo produto do fasor corrente impedância complexa Z , então no circuito da Figura 2.20, V1 = IZ1 , V2 = IZ2 e I pela V3 = IZ3 . A seta estabelece um sentido de referencia para essas tensões e aponta para o terminal por onde entra o fasor corrente I. A impedância equivalente Zeq , para qualquer número de impedâncias em série, é igual à soma das impedâncias individuais, No Zeq = Z1 + Z2 + Z3 + ... circuito em paralelo da Figura 2.21(a) uma única fonte de tensão está aplicada a três impedâncias ligadas em paralelo. O circuito em 2.21(b) salienta para o fato de que a fonte e as três impedâncias tem dois terminais comuns (nós). Em um desses nós aplica-se a lei de Kirchho para as correntes, ou seja, a soma das correntes que chegam a um nó é igual à soma das correntes que dele saem. Capítulo 2. 26 Conceitos Básicos Figura 2.21: Circuito em paralelo [6] O potencial constante da fonte aparece diretamente nos terminais de cada uma das impedâncias em paralelo. As correntes de cada braço podem ser calculadas independentemente, IT = I1 + I2 + I3 = então, IT = V V V 1 1 1 V + + =V( + + )= Z1 Z2 Z3 Z1 Z2 Z3 Zeq V Zeq e 1 1 1 1 =( + + ) Zeq Z1 Z2 Z3 Portanto a impedância equivalente de qualquer número de impedâncias em paralelo é 1/Zeq = 1/Z1 + 1/Z2 + 1/Z3 + ... A e a impedância de um elemento ou de um circuito completo é a relação entre a tensão corrente : Impedância = Função Tensão Função Corrente A relação entre a tensão e a corrente mostra que a impedância é um número complexo com uma parte real R e uma parte imaginária v(t) Z= = i(t) ω L: Vm ejωt = R + jωL Vm ejωt R+jωL O inverso do complexo impedância é o complexo V /I , Y = I/V . Y é expressa em siemens (S ) ou admitância Y mhos. = 1/Z . Z= O conceito de admitância é muito conveniente em circuitos paralelos, conforme visto na Figura 2.22: Figura 2.22: Como Admitância em Circuito Paralelo [6] Capítulo 2. 27 Conceitos Básicos IT = I1 + I2 + I3 = Y1 V + Y2 V + Y3 V = (Y1 + Y2 + Y3 )V = Veq V e Veq = Y1 + Y2 + Y3 Portanto, a admitância equivalente de qualquer número de admitâncias em paralelo é igual à soma das admitâncias individuais. Capítulo 3 Smart Grid O desenvolvimento do sistema elétrico de potência desde o nal do século XIX fundamentouse em esquemas pouco exíveis e reservas de capacidade instalada, onde a geração é controlada de forma centralizada e a potência ui somente no sentido das cargas, com o despacho e o consumo bem ajustados, tanto nas condições normais, como de emergência. Instabilidades e faltas, são sanadas isolando-se as partes defeituosas do sistema, consistindo no desligamento, para afetar o menor número possível de consumidores, e seu religamento após reparo da origem do problema. Desenvolvimentos tecnológicos realizados em muitas décadas foram direcionados a novos materiais e equipamentos, recursos de simulação, supervisão e controle, tendo contribuído para o avanço técnico e redução dos custos, essencialmente, não provocando alterações na concepção original do sistema elétrico de potência. Mesmo assim, fatores tecnológicos, econômicos e sócio-ambientais fomentam discussões para outro modelo de rede elétrica [26]. Entretanto, este é um setor que tem se mantido praticamente inalterado por quase cem anos, mesmo com avanços extraordinários das telecomunicações, computação e eletrônica [26]. A infra-estrutura elétrica atual caminha para o limite da sua capacidade. Embora a continuidade do serviço não esteja comprometida, os riscos associados a utilização de uma rede elétrica cada vez mais envelhecida crescem diariamente [1]. Além disso, no Brasil existem problemas de perdas comerciais, segurança patrimonial nas grandes cidades, furtos de cabos elétricos de distribuição, e população de baixa renda vivendo em conglomerados urbanos de difícil acesso. Diante disso, a implementação de uma tecnologia que forneça a gestão e controle da rede de distribuição de energia elétrica se torna um desao [7]. Países desenvolvidos e emergentes trabalham para desenvolver um sistema elétrico mais eciente, conável, exível e otimizado tanto em custos como em recursos [26]. Os sistemas elétricos de potência, em especial os sistemas de distribuição, estão passando por uma mudança radical em seu conceito e projeto, impulsionando pesquisas que vi- 28 Capítulo 3. Smart Grid sam adicionar uma 29 camada de informação à rede de distribuição [8]. Funcionalidades que auxiliem no gerenciamento do sistema, tornando-o mais conável e transparente para os operadores, além de permitir que o próprio sistema execute tarefas de reconguração, acompanhamento da demanda e do consumo, redução das perdas, entre outras são características das redes inteligentes ou Smart Grids. 3.1 Conhecendo a tecnologia Uma rede elétrica depende de recursos materiais e das operações técnicas, representando um custo para a sociedade, sendo que é distribuído entre os consumidores na forma de fatura mensal. Pressões pela manutenção da qualidade do serviço fazem com que as redes elétricas passem a trabalhar em condições mais restritas, aumentando a exigência de desempenho econômico e diminuição das perdas nas redes, onde entram as Smart Grids, que devem coexistir com as redes elétricas, não as substituindo, mas adicionando novas capacidades e funcionalidades, gerando assim, uma evolução no ramo de energia elétrica [10, 13]. Os processos de fabricação atuais necessitam cada vez mais de monitoramento, visando fornecer agilidade e exibilidade ao planejamento da produção, possibilitando respostas rápidas a alterações, tornando possível diagnosticar problemas durante um processo e corrigi-los de modo fácil e rápido, otimizando a produção e diminuindo o tempo de máquina parada [14]. A Smart Grid possui um conceito de interoperabilidade de sistemas, que pode ser denido como a capacidade de dois ou mais dispositivos ou sistemas trocarem informações de forma transparente, atingindo inteiramente suas nalidades, permitindo a execução de ações de controle sobre a rede [9]. Esta é uma característica marcante que aponta o grande diferencial entre as redes inteligentes e as redes elétricas convencionais, que não possibilitam a comunicação entre equipamentos sem oferecer subsídios para a tomada de decisão e automação na reconguração ou gerenciamento do sistema de distribuição [8]. A Smart Grid consiste na modernização das tecnologias de geração, transformação, transmissão, distribuição e uso nal da energia, onde elementos de telecomunicação agregam à tradicional infraestrutura de rede elétrica uma capacidade de gerenciar, monitorar e supervisionar este sistema mediante a incorporação de infraestruturas de comunicação digital e processamento de dados nos diversos setores do sistema elétrico, transformando-o em um sistema mais inteligente [9]. Esta rede inteligente interliga diversos dispositivos como medidores, sensores, controladores e equipamentos micro processados instalados nos sistemas elétricos. A rede elétrica inteligente executará continuamente o seu próprio diagnóstico, estabelecendo condições adequadas de balanço de energia da rede, analisando, Capítulo 3. Smart Grid 30 localizando e respondendo em tempo real às necessidades de operação do sistema, adequando ou restabelecendo os componentes de rede ou das áreas afetadas por alguma condição incomum com um mínimo de intervenção humana [7]. Esta rede auto recuperável ajudará a manter a conabilidade, a segurança, a qualidade da energia e a eciência da rede elétrica, se caracterizando por uma estrutura de tecnologia da informação de alto nível, que pode transmitir energia e informação no modo bidirecional, do usuário para o sistema e vice-versa [10]. Considerando a análise da implantação da rede inteligente nos Estados Unidos, na Europa e no Brasil, observa-se que existem diferentes motivações em cada região [7]. No caso americano, trata-se dos esforços do setor de distribuição de energia em garantir a conabilidade no abastecimento. Na Europa, há um grande comprometimento com a redução de carbono e de gases causadores do efeito estufa. No Brasil, busca-se uma estratégia para melhorar aspectos técnicos da distribuição, diminuir as perdas técnicas, reduzir ou eliminar o roubo de energia e ajustar a oferta de energia com o crescimento urbano e industrial, aprimorando a regulamentação sobre o setor. A primeira abordagem às Smart Grids realizou-se há mais de uma década, tendo como foco apenas a telecontagem, tecnologia denominada como ading ) AMR (Automatic Meter Re- [1, 13]. Este conceito trazia a vantagem de substituir as leituras manuais, de alto custo, evitando também a utilização de medidas estimadas, as quais não dão aos clientes a informação exata sobre o seu consumo, tornando imprecisa a indução de alterações de comportamento associado ao consumo de energia. Existe a comunicação de transmissão de dados unidirecional somente do medidor para o sistema central de gestão de dados. Por essa tecnologia é possível realizar a leitura à distância, contudo não é possível enviar informação para o medidor ou alterar remotamente quaisquer parâmetros desse equipamento [27]. A geração seguinte de equipamento, correspondeu à tecnologia AMM (Automatic Meter Management ), que além da telecontagem, permitia ligar e desligar o fornecimento de energia e modicar a potência máxima disponibilizada ao cliente. A tecnologia AMM possibilita, igualmente, a monitorização das falhas e da qualidade da energia. Caracterizase pela transmissão bidirecional de dados e, assim, é possível realizar leitura à distância e ainda congurar remotamente os parâmetros do medidor e enviar algum tipo de informação ao consumidor. Mesmo a tecnologia AMR se mostrando atrativa, ela não tem por objetivo resolver ou controlar a demanda e, portanto, não representa um requisito básico para uma rede inteligente. Estudos sugerem que as concessionárias, antes de investir na tecnologia AMR, realizem investimento diretamente na AMI (Advanced Metering Infrastructure ), que per- mite uma comunicação bidirecional com o sistema de medidores e fornece um conjunto Capítulo 3. Smart Grid 31 maior de informações e serviços para o consumidor [7]. Essa tecnologia atende tanto a oferta quanto a demanda de energia. O contato com o consumidor, em uma relação bidirecional, pode fornecer imediatamente um maior retorno sobre os investimentos, facilitando a prestação de serviços diferenciados e a integração do cliente com o sistema elétrico, fornecendo dados individuais de cada cliente, caracterizando-os como uma função de vários parâmetros [9]. Segundo Caires [10], a base do que se conhece por Smart Grid não é necessariamente algo novo, mas sim a aplicação inteligente de vários componentes e sistemas existentes, visando a automação e o controle remoto da rede de distribuição, coordenando suas atividades energéticas, o que pode permitir a otimização do aproveitamento da capacidade disponível em função do tempo. Sup [9], em seu trabalho, relata que os centros de controle devem monitorar, atuar e interagir em tempo real sobre os dispositivos elétricos remotos, empregando novas tecnologias para melhorar a qualidade da energia e as subestações inteligentes devem coordenar os seus dispositivos locais com a principal nalidade de prever, detectar e corrigir falhas; gerenciando a geração e a demanda do sistema elétrico. Cada funcionalidade dessas pode ser vista como um objetivo a ser atingido, como por exemplo, redução das perdas, recuperação do sistema, gerenciamento da demanda, entre outras. Os equipamentos instalados observarão o estado da rede, comunicar-se-ão entre si caso necessário e executarão uma ação am de alcançar seu propósito [8]. De acordo com Mantovani et al [28] o problema da reconguração de redes de distribuição consiste em buscar uma estratégia ótima de operação para minimizar as perdas nos alimentadores propiciando um balanceamento adequado das cargas no sistema trifásico. Saraiva [8] arma que essa realidade está cada vez mais perto de ser mudada, caso as promessas da nova geração dos sistemas elétricos sejam cumpridas. A possibilidade de medição e comunicação de dados na rede elétrica em tempo real, poderá indicar um ponto de ruptura na maneira como se dá a resolução de problemas em sistemas elétricos de distribuição convencionais e em sistemas Smart Grids, incluindo o gerenciamento e a reconguração do sistema. 3.1.1 Características de Funcionamento O sistema de energia deve manter constante o fornecimento de energia, o que acaba obrigando investimentos em grandes usinas de geração, longe dos locais de carga, e em longas linhas de transmissão, como observa-se na Figura 3.1, comprometendo o meio ambiente e comunidades, determinando investimento constante para aumentar alternativas de integração e evitar os racionamentos e "apagões" [7]. Capítulo 3. Smart Grid Figura 3.1: 32 Sistema de Fornecimento de Energia no Brasil [7] Na Figura 3.2 é apresentada uma proposta de modelo com gestão da demanda de energia. Esse modelo inclui a existência dos prosumers (consumidores e produtores de energia) ao invés de produtores e consumidores. Nesse modelo os consumidores tornam-se interativos com as redes de transmissão. Caso ocorra falhas no sistema elétrico, o operador deve encontrar alternativas ecientes para a energia direcionada às concessionárias de distribuição de energia, incorporando novas tecnologias, como sensores para grandes sistemas ( WANS - Wide Area Sensor Networks ) e equipamentos instalados nas redes de transmissão de longa distância [7]. O principal desao para a implementação de uma Smart Grid é o acoplamento de uma adequada infraestrutura de comunicação ao sistema elétrico, projetada para suportar operações de controle e interação entre centros de controle e subestações individuais e capazes de integrar monitoramento e controle de diversos dispositivos e fontes distribuídas [9]. Figura 3.2: Sistema de Energia Integrado [7] Capítulo 3. Smart Grid 33 Na Tabela 3.1 é apresentada uma comparação entre a rede elétrica existente e as redes inteligentes [13]. Tabela 3.1: Comparação entre rede elétrica existente e Smart Grid Rede existente Smart Grid Eletro-mecânica Digital Comunicação em um sentido Comunicação em duplo sentido Geração centralizada Geração descentralizada Hierárquica Não-hierárquica Poucos sensores Muitos sensores Cega Auto-monitoramento Restauração manual Auto-restauração Falhas e blackouts Adaptativa Controle manual Controle remoto Controle limitado Controle ilimitado Poucas escolhas para usuário Muitas escolhas para usuário Electric Power Research Institute ) [29] em 2005 desen- O Comitê "Intelligrid"do EPRI ( volveu uma visão pioneira para o fornecimento de energia elétrica no futuro tais características bem como os elementos básicos desta plataforma são apresentados a seguir [10,29]: • Interatividade: para a obtenção do melhor desempenho econômico do sistema, é obrigatório conceder ao usuário ampla visão e pleno acesso as tarifas de energia, possibilitando a resposta à demanda, representada pela variação dos preços das tarifas; • Capacidade de adaptação: uma rede inteligente deve se adaptar às mudanças do ambiente circundante, que podem exercer inuência sobre ela, tendo inclusive a capacidade de auto recuperação pelo re-direcionamento de seus recursos; • Previsibilidade: uma rede inteligente não tem somente a capacidade de adaptação e correção de eventos, mas também é capaz de diagnosticar situações de risco potencial antes que efetivamente ocorram, ou seja, ser • autorecuperativa. Otimização: no que diz respeito à eciência básica do sistema, a rede inteligente tem meios para otimizar o nível de utilização da capacidade instalada. Através de monitoração contínua, previsibilidade mencionada e controle pela interatividade o sistema pode racionalizar o uso de seus ativos, reduzindo as perdas de modo a postergar investimentos destinados à construção de novas plantas; Capítulo 3. • Smart Grid 34 Integração: as redes inteligentes devem reunir sistemas de monitoramento, controle, Energy Management proteção e manutenção, além de funções avançadas como EMS ( System ) e DMS(Distribution Management System ); • Segurança de dados: uma rede inteligente assim como qualquer sistema baseado na tecnologia da informação, deve garantir a segurança dos dados que por ela trafegam. Para o funcionamento destes elementos, é necessário uma adequação na estrutura atual dos sistemas de distribuição, dado as profundas mudanças que os Smart Grids trarão tanto para a topologia quanto para a operação das redes. Os atuais métodos computacionais também deverão ser atualizados para este novo paradigma, além de outros métodos necessitarem ser criados e novas tecnologias para simulação desses sistemas avaliadas [8]. A arquitetura "intelligrid"é planejada para integrar dois sistemas do setor elétrico: a geração e a distribuição de energia juntamente com os sistemas de informação (comunicação, rede e equipamentos inteligentes) de forma a permitir o seu controle. Estes sistemas devem ser desenvolvidos para formar uma rede de comunicação com equipamentos inteligentes e algoritmos capazes de suportar a contínua sosticação dos sistemas operacionais. Os equipamentos devem perceber a falta de uxo de carga nas linhas e enviar esta informação para outros equipamentos da rede. Estes equipamentos, por sua vez, deverão encontrar uma topologia que envie energia de volta para a linha em falta (se possível), buscando suprir ainda a redução das perdas [7, 8]. Ainda em 2005 a Comunidade Europeia divulgou o programa Technology Platform for Electricity Networks of the Future [30]. Smart Grids European Este estudo teve por objetivo formular, a longo prazo, o programa elétrico europeu, sendo o primeiro a estabelecer benefícios ambientais que foram relacionados com o uso otimizado da energia elétrica e com o emprego de uma rede operando com informações bidirecionais (enviando e recebendo informações). Ainda nesta pesquisa, a rede inteligente colabora com as demandas sociais e políticas que surgirão na questão da oferta de energia, com novos desaos e oportunidades no setor, trazendo benefícios para todos os consumidores, acionistas e companhias [7]. Na Figura 3.3, é apresentada uma Smart Grid dividida em camadas: a camada do consumidor, camada de comunicação e camada da subestação. O uxo de informação ui nos dois sentidos entre camada do consumidor e a camada da subestação via camada de comunicação, sendo que cada camada possui equipamentos e tecnologias próprias. Em especial, naquela a qual faz parte o consumidor, existem diversos equipamentos componentes de uma rede inteligente [8]. Capítulo 3. Smart Grid 35 Figura 3.3: Smart Grids em camadas [8] Espera-se que, com o contínuo desenvolvimento, pesquisa e implementação desta tecnologia, mais funcionalidades deverão ser imaginadas e posteriormente estudadas para implementação no Smart Grid. Esta linha de estudos é bastante recente e com muitas possibilidades para pesquisa e inovação. 3.1.2 Tecnologias utilizadas Sistemas SCADA Supervisory Control And Data Acquisition ) signica controle supervisor e A sigla SCADA ( aquisição de dados sendo o nome dado ao sistema que faz a aquisição dos dados em campo, os supervisiona e permite ao operador controlar ou decidir com base nessa informação. A evolução dos sistemas computacionais permitiu que a tecnologia SCADA, além do acesso aos dados dos sensores, também possa executar comandos remotos, vericando os valores de campo e chamando a atenção para os mais críticos através de alarmes visuais ou sonoros [10]: a) Supervisão: função de monitoramento dos dados adquiridos em campo, vericação da faixa de valores e exibição desses dados, incluindo grácos, tendência, acionamento de alarmes, relatórios etc; b) Operação: ação direta sobre elementos em campo tais como relés, atuadores pneumáticos e outros sendo capaz de enviar comandos como ligar, desligar e alterar parâmetros; Capítulo 3. Smart Grid 36 c) Controle: rotinas especícas para atuação automática em determinadas situações de acordo com a necessidade e possibilidade de haver esse tipo de resposta, em princípio independente do operador. Ainda de acordo Caires [10] o sistema SCADA é constituído por um computador principal denominado Unidade Terminal Mestre (UTM) que se conecta a várias Unidades Terminais Remotas (UTR). As UTR são responsáveis pela aquisição dos dados dos sensores em campo e pelo comando de equipamentos. Além disso, as UTR enviam os dados dos sensores para a UTM, que os processa e emite alarmes ou comandos pré-programados correspondentes caso haja alguma falha. Ainda existe a Interface Homem Máquina (IHM), onde os dados são apresentados para o operador através do computador. Mesmo com estas características, o sistema SCADA ainda não é uma solução completa, sendo um sistema integrado de soluções que ajuda na organização dos vários elementos na medida em que cria um ambiente comum no qual eles podem interagir como objetos virtuais compatíveis. Sistemas de Medição A aplicação exige um bom conhecimento dos conceitos associados aos sistemas de medição, começando pelas denições básicas sobre a avaliação da demanda até o aspecto relacionado às tecnologias disponíveis. Para um perfeito controle de processos, surge o monitoramento remoto, permitindo uma avaliação contínua do processo, além de prover uma redução nos custos operacionais, já que dispensa a disposição de uma equipe de manutenção para cada sistema em funcionamento [10, 14]. A lógica do Smart Grid se resume em "inteligência", com as novas redes automati- zadas com medidores de qualidade e de consumo de energia em tempo real, ou seja, as residências vão conversar com a empresa distribuidora, e até mesmo, geradora de energia em um futuro próximo. A medição do consumo de energia elétrica e o faturamento, pela sua importância no negócio de numa concessionária, vem sendo objeto de melhorias e evoluções para torná-los mais ecientes, rápidos e de menor custo. Hoje ainda há um grande número de medidores eletromecânicos, estes vem sendo substituídos através de sucessivas etapas de atualização, que tem proporcionado a eliminação da mão-de-obra com a leitura automatizada (AMR), a gestão da medição (AMM) e a medição inteligente (AMI ou Smart Metering ) onde contempla tarifas dinâmicas e uma integração com a infraestrutura de TI, com dados referentes ao consumo, demanda, qualidade da energia elétrica e tarifação. como Assim, pode-se pensar em medição inteligente, também conhecida Smart Metering, que consiste em um conjunto composto pelo medidor eletrônico e por um sistema com transmissão remota e com disponibilização de dados processados aos consumidores e aos demais agentes [9, 13, 26, 27]. Capítulo 3. Smart Grid 37 A medição inteligente envolve a instalação do medidor inteligente na residência e a leitura regular, processamento e realimentação dos dados de consumo para o consumidor. Um medidor inteligente deve ter as seguintes capacidades [10, 27]: • O registro em tempo real do uso da eletricidade e possível geração local (por exemplo, no caso de células solares); • Oferecer a capacidade de leitura local e remota (sob demanda), tornando desnecessário o deslocamento físico de um funcionário da concessionária até a unidade consumidora; • Limitar a energia que passa pelo medidor (em casos extremos cortar a eletricidade do consumidor), permitindo a atuação, de forma rápida e sem necessidade de deslocamento, em unidades consumidoras que possuem clientes inadimplentes; • Interconexão com redes e dispositivos (por exemplo, geração distribuída); • Capacidade de se integrar com outros medidores de outras redes (por exemplo, gás, água). Cunha [26] arma que a importância da AMI se traduz como uma unidade terminal remota no cliente e necessariamente é composta, no mínimo, pelos seguintes componentes: • Elemento de medição de energia elétrica (opcionalmente em quatro quadrantes, isto é, energia ativa e reativa em qualquer sentido, além de demanda ou incorporação de medição do consumo de gás natural); • disjuntor para seccionamento e religamento remoto; • microprocessamento e memória local de dados; • módulo de comunicação bidirecional; • interface de visualização ao usuário (IHM) com eventual conexão a eletrodomésticos inteligentes. A necessidade de melhorar a eciência energética em função de suas fontes primárias, escassas, é o principal objetivo em países desenvolvidos, o que não ocorre no Brasil. Aqui, o maior interesse é o monitoramento do sistema, associado às perdas de receita por furtos e outros problemas técnicos, pois a simples substituição da leitura manual dos medidores não justica o investimento. Entretanto, o custo operacional e o volume de perdas do sistema de distribuição de energia elétrica brasileiro impõem uma preocupação, cobrando uma maior efetividade das soluções aplicáveis, principalmente, em baixa tensão Capítulo 3. Smart Grid 38 que responde por mais de 90% dos clientes do setor elétrico e onde, proporcionalmente, encontram-se as condições mais complexas e as maiores perdas [10, 26]. Outra função interessante que o medidor eletrônico pode desempenhar é o alarme de pouca energia disponível [27], que se utiliza na modalidade de pré-pagamento, sendo que permite ao consumidor o planejamento necessário para o suprimento de sua unidade consumidora, com antecedência necessária para que sejam adquiridos novos créditos de energia. Mas além do consumo, os medidores inteligentes também podem ser implemen- SensorBus ) tados junto a redes de sensores ( para monitorar e visualizar o consumo de outros recursos (tais como água, gás, vapor, calor, temperatura ambiente, iluminação natural, umidade, presença de pessoas nas instalações, entre outras) [9]. Figura 3.4: Medidor Inteligente de Energia Elétrica [9] Na Figura 3.4 são ilustrados um conjunto de medidores de energia elétrica fornecidos por diferentes fabricantes. A Figura 3.5 apresenta um medidor de vazão, geralmente utilizado para medir e controlar o uxo de baixa, média e alta viscosidade, como é o caso de combustíveis líquidos e lubricantes, com capacidade de oferecer diagnóstico de perdas durante o processo de medição. Figura 3.5: Medidor Inteligente de Combustíveis [9] Um medidor de vazão, utilizado para medição de consumo de água, é apresentado na Figura 3.6, este medidor disponibiliza informações de uxo e de qualidade, incorporando um display digital para visualização instantânea, assim como também saída analógica e saída digital de dados para monitoramento remoto. Capítulo 3. Smart Grid Figura 3.6: 39 Medidor Inteligente de Água [9] Por m, na Figura 3.7 é ilustrado um medidor de vazão térmico para gás, nele é permitido visualizar as unidades de vazão, o tipo de gás e o uxo totalizado. Figura 3.7: Medidor Inteligente de Gases [9] Uma nova infra-estrutura tecnológica no setor elétrico está sendo constituída através dos medidores eletrônicos, propiciando diversas vantagens para as redes inteligentes. Esta automação envolve todos os segmentos (geração, transmissão e distribuição) e os consumidores, onde pode ser incorporada, inclusive, a eletrodomésticos, conhecida como Appliances Smart [26, 27]. Sistemas de Proteção Conforme Caires [10], todo sistema relacionado a área tecnológica acaba sendo vulnerável a falhas em decorrência de sabotagens e/ou fatores naturais. No caso do Smart Grid as falhas acabam preocupando mais ainda, pois dependendo da falha uma sequencia de eventos pode ser desencadeados, tanto em uma automação de subestações quanto de um simples utensílio doméstico. O aspecto de proteção das redes inteligentes abrange desde a proteção dos equipamentos, nela conectados, (podendo ser os utensílios dos usuários ou os dispositivos da rede), até os sistemas de proteção inteligente. Portanto o alcance é imenso e a quantidade de informações pertinentes e disponíveis também, o que exige o conhecimento de uma gama maior de produtos, normas e serviços. Capítulo 3. Smart Grid 40 3.1.3 Aplicações Residenciais O conforto através de dispositivos automáticos em residências existe desde que a eletricidade passou a ser um bem indispensável, e dispositivos simples fazem parte da realidade de residências há muito tempo [10]. Minuterias e sensores foto-elétricos que controlam a iluminação, sensores de nível para controle de bombas de água, comandos elétricos por relés e contatores para o controle dos elevadores, termostatos, etc. são alguns exemplos. Basicamente, estes sensores são responsáveis por converter variações dos fenômenos físicos (pressão, temperatura, iluminação, tensão, corrente, potência) em sinais elétricos. Alguns tipos de sensores são conhecidos como transdutores, mesmo podendo converter energia em outro tipo de sinal, o sensor será formado por um transdutor mais algum dispositivo que transforme a nova forma de energia em um sinal elétrico. O sistema interligado de automação residencial é conhecido por Smart Home, trolando eletrodomésticos, em especial os eletrônicos, em uma residência. Smart Home con- O sistema atua sobre iluminação, equipamentos de refrigeração, de aquecimento além de sistemas relacionados ao conforto e segurança, sendo a atuação do medidor eletrônico relacionada com eciência energética: controle de demanda, gerenciamento de hábitos de consumo e informações em tempo real sobre energia elétrica [27]. A base de implantação de um sistema de automação residencial pode ser em um dispositivo eletromecânico denominado relé, auxiliado por interruptores e sensores diversos. Um relé é um dispositivo composto de um receptor e uma parte executiva que geralmente é um contato elétrico. O receptor, ao receber a inuência de uma grandeza física (corrente, tensão, temperatura, intensidade luminosa) aciona a parte executiva, mudando seu estado. Basicamente a função de um sensor se resume a duas partes: a que interage com o ambiente possibilitando a medição de algo variável através da alteração sofrida e aquela que ao receber certo tipo de entrada, transforma-a em uma outra forma de energia. Desta forma, quando o sensor detecta uma alteração no ambiente monitorado, envia um sinal ao sistema por meio de sua função de transdutor. A característica de cada relé determina seu funcionamento, podendo ser, por exemplo, um relé de corrente que é ajustado para determinado nível aciona seu contato (parte executiva) se esse parâmetro supera o valor determinado. Um posterior aumento do valor da corrente no receptor não provoca mudança no estado do contato. Por outro lado, se o valor da corrente é diminuído para um nível abaixo do parâmetro ajustado o estado do contato é alterado, geralmente voltando à condição inicial [10]. Os valores de operação dos relés e os valores de recuperação (voltar a condição inicial) não são iguais, mas são geralmente muito próximos, conforme mostrado na Figura 3.8. Capítulo 3. Smart Grid 41 Figura 3.8: Funcionamento de um Relé [10] Avanços tecnológicos permitiram o desenvolvimento de relés mais sosticados, com mais funções, como um componente denominado micro-controlador. Este componente agrega funções de um computador, como entrada e saída de dados, controlador lógico programável, memórias voláteis e permanentes e instruções do sistema operacional básico. A internet difundiu as redes de computadores nas casas, fazendo com que a inclusão de uma linha de dados seja uma alternativa cada vez mais acessível, e a automação das instalações elétricas particularmente importante no contexto de uma rede inteligente de distribuição de energia. 3.2 Projetos no Brasil A experiência brasileira em redes inteligentes pode ser considerada recente, pois somente a partir de 2010 algumas concessionárias de energia, em parceria com universidades, iniciaram projetos de aplicações em Smart Grid [7]. Projetos com instalação de medidores inteligentes começam a ocorrer, devido a fraudes como o roubo de energia, fazendo com que empresas brasileiras de distribuição substituam o sistema tradicional (medidor individual por cliente) por um concentrador que permite um uxo bidirecional de comunicação em diversos consumidores. Este novo sistema facilita a leitura e o possível corte por falta de pagamento [11], pode-se encontrar sistemas com estas características em empresas situadas na região Sudeste do país, como a Light/RJ. Na gura 3.9 é mostrado o esquema de instalação de medidores em comunidades de difícil acesso e com grande incidência de fraude, pode-se observar a existência de um concentrador que transmite as informações colhidas para o centro de controle a partir de uma rede de comunicação, seja ela por celular, rádio, satélite ou outra tecnologia de comunicação. Capítulo 3. Smart Grid 42 Figura 3.9: Esquema de instalação de medidores [11] Outro exemplo prático que pode ser citado é a rede PLC/BPL implantada pela Companhia Estadual de Distribuição de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul (CEEE-D) no bairro da Restinga, em Porto Alegre/RS. Trata-se de uma rede de média tensão que realiza a comunicação com a religadora do alimentador onde foi construída a rede de comunicação. Na Figura 3.10(a) é apresentada uma imagem de uma câmera IP, através da rede PLC, onde é mostrada a religadora que também utilizava a rede de comunicação para permitir seu telecomando. A Figura 3.10(b) apresenta a equipe de linha viva da concessionária local realizando a instalação dos acopladores na rede de média tensão [12]. Figura 3.10: (a) Religador com o PLC. (b) Equipe instalando os equipamentos [12] Em testes realizados pela Cemig, na implantação de um projeto piloto, o PLC usado foi de 4,5Mbps para 40 pontos de acesso na cidade de Belo Horizonte/MG, e, em testes mais recentes, a velocidade foi alterada para 45 Mbps. A distribuidora Elektro, que atente cidades dos estados de São Paulo e Mato Grosso do Sul, está testando diferentes sistemas de comunicação, de acordo com cada local de implantação. Em Atibaia/SP Capítulo 3. Smart Grid 43 e Andradina/SP, por exemplo, os testes são feitos com o PLC de banda estreita, que, embora mais lento, possui alta penetração e abrangência, podendo ser uma solução para baixa densidade de unidades consumidoras e de carga [27]. 3.3 Estado da Arte EPRI, Electric Power Research Institute, centro de pesquisa californiano, iniciou em 2001 o projeto IntelliGrid, para criar uma nova infraestrutura de distribuição de energia A que integre comunicação, computação e eletrônica. Projetos da Comissão de Energia da União Europeia prezam por estudos sobre as perspectivas energéticas daquele bloco de países até 2020 prevendo investimentos no desenvolvimento das tecnologias de redes inteligentes como uma forma de atingir a eciência energética com fontes de energia não poluidoras em redes mais ecientes [31]. Nos Estados Unidos, o projeto DV2010 ( Distribution Vision 2010 ) utiliza redes de comunicação em alta velocidade e controladores inteligentes para criar uma rede de distribuição à prova de falhas. Na China, com o crescimento da economia, acaba aumentando também a demanda por energia que deve dobrar até 2020 [32]. O governo chinês aposta na geração distribuída a partir de fontes renováveis de energia como uma forma de suprir sua demanda energética neste espaço de tempo, sendo necessária uma rede de distribuição que integre diferentes tecnologias de geração de energia, garantindo também a eciência da operação. O desenvolvimento de redes inteligentes na Coréia do Sul é capitaneado, entre outras organizações, pela empresa KEPCO, através do projeto Korea Electric Power Corporation, que Power IT [33] utiliza tecnologias de informação e comunicação para prover o controle e monitoramento do sistema de distribuição. 3.4 Futuro da Tecnologia Um benefício muito importante alcançado com a implantação das redes inteligentes é o ganho com um melhor investimentos em geração e distribuição através da modelagem do fator de carga das redes de distribuição, além da eciência da rede. A rede elétrica inteligente do futuro será capaz de distribuir, com eciência e segurança, com a mesma capacidade instalada, mais energia para os consumidores, através de uma melhor administração e por ser invulnerável a violações, desastres naturais e falhas humanas e mecânicas. Uma possível falha poderá ser detectada antes da ocorrência de forma eciente, melhorando a conabilidade e a qualidade do sistema, minimizando a interrupção do serviço. Um detalhe importante é que esse funcionamento ca dependente da infraestrutura de comunicação, portanto, além das questões de segurança relacionadas com os ataques físicos, Capítulo 3. Smart Grid 44 também ganham importância as questões de segurança de ataques cibernéticos [7, 9]. A adaptação dos métodos comentados anteriormente neste capítulo, ou até mesmo a utilização de novos métodos, será imprescindível para melhorar a troca de informações entre os componentes do sistema elétrico, pois o tratamento dos dados deve ser rápido para a obtenção das soluções para os problemas e as ações nos diferentes equipamentos para a reconguração da rede [8]. Com a evolução projetada para as redes elétricas a interação entre concessionárias e consumidores sofrerá mudanças. É esperado que o consumidor seja envolvido na cadeia de controle pela chamada rede inteligente que tem a capacidade de trocar informações e energia de modo bi-direcional [10]. A Smart Grid teria a capacidade de coordenar essa troca de energia e informações de modo a otimizar o aproveitamento das fontes de energia, além de otimizar o desempenho das funções de proteção minimizando a consequência das falhas, melhorando a conabilidade do sistema. Os avanço das redes inteligentes poderá gerar a própria conguração da rede, onde em uma execução de serviço a rede poderá ter autonomia para recongurar a si mesma, a partir de informações como a variação do consumo obtida e transmitida pelos equipamentos medidores inteligentes [8]. Os desaos atuais são direcionados à construção de cidades mais inteligentes, ecientes e mais sustentáveis. As Smart Grids possuem conceitos úteis para atingir as metas propostas, tais como [1]: a) Auto-reparação: informações em tempo real para antecipar, detectar e responder a problemas na rede, possibilitando investigar ou mesmo evitar interrupções ou reduções da qualidade do serviço; b) Motivação e envolvimento dos consumidores: consumidores irão controlar equipamentos das suas residências que lhes possibilitem uma gestão energética mais eciente, reduzindo os custos na fatura de energia, possibilitando a tarifação em tempo real ou a redução de consumos em períodos de pico; c) Resistência a ataques ou desastres: informação em tempo real permitirá aos operadores gerir os uxos elétricos de modo a redirecioná-los por percursos alternativos que garantam o serviço nas zonas afetadas; d) Acomodação de todas as opções de geração e armazenamento de energia: interconexão eciente de várias fontes de geração de energia distribuída permitirá que consumidores residenciais, comerciais e industriais produzam eletricidade que, em excesso, possam fornecer à rede, melhorando a qualidade da energia, reduzindo os preços da eletricidade e aumentando as escolhas do consumidor; Capítulo 3. Smart Grid 45 e) Maior eciência: minimizará os custos de operação e de manutenção da rede, pois com a otimização dos uxos de energia os desperdícios energéticos são reduzidos, melhorando o uso de recursos energéticos de baixo custo. Na Figura 3.11 é apresentado o modelo conceitual com todos os domínios denidos para a implantação da Smart Grid. A geração pode armazenar energia para posterior utilização. A transmissão conecta a geração com os centros de distribuição, que por sua vez conecta os relógios de medição e outros dispositivos inteligentes aos consumidores e ao resto da rede. Nesta distribuição os dispositivos inteligentes são gerenciados e controlados, com os consumidores possuindo os relógios de medição inteligentes. Este relógio terá informações sobre o uxo de energia que está sendo utilizado, permitindo ao usuário o controle do consumo e o valor da energia, que varia durante o dia. Com essa informação, pode haver um planejamento de utilização dos aparelhos em um determinado horário [13]. Figura 3.11: Modelo Conceitual de um Smart Grid [13] Ainda apresentando o modelo conceitual da Figura 3.11 a operação gerencia e controla todo o uxo de energia elétrica, que usa uma rede de comunicação full duplex entre as subestações, as redes de consumo e outros dispositivos inteligentes para o processo de tomada de decisão dos controladores de redes e nos processos de auto-detecção e auto recuperação. O mercado coordena as empresas distribuidoras de energia e a troca de energia entre o consumidor nal e as subestações, podendo haver uma devolução da energia adquirida através de painéis solares sendo descontado da conta a ser paga. O provedor de serviço controla todas as operações de serviços terceirizados, como um portal de gerenciamento de energia, onde o consumidor terá acesso às informações relativas ao consumo de energia via web. Este conjunto de fatores leva ao desenvolvimento de sistemas elétricos altamente automatizados e resistentes. Capítulo 4 Power Line Communication Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica(ANEEL) [34], o Power Line Communi- cation (PLC) é um sistema que permite a transmissão de sinais de internet, voz, vídeo e comunicação digital e analógica utilizando a rede elétrica como meio físico. A tecnologia PLC permite a utilização da ação da rede elétrica existente para a transmissão de dados, fazendo com que a rede de distribuição se comporte como uma rede de dados onde cada tomada elétrica é um ponto de conexão à rede [9]. O uso das redes de energia elétrica, como meio de transmissão de sinais de comunicação, é difundido entre as empresas de energia onde as redes de baixa e de alta tensão vêm sendo utilizadas desde a década de 20 do século passado para voz, sistema conhecido como Carrier Power Line (Onda Portadora em Linhas de Alta Tensão - OPLAT) [7]. 4.1 Histórico A evolução da tecnologia digital habilitou as redes elétricas, de baixa e média tensão, para o transporte de sinais de alta velocidade e assim conduziu ao aperfeiçoamento da Power Line Carrier, deu origem a expressão e os primórdios tecnologia Power Line Communication (PLC), Broadband Over tecnologia existente. O termo do desenvolvimento da Power Line (BPL) ou de Comunicação pela Rede Elétrica (CRE). Com esta tecnologia uma nova alternativa de telecomunicação para as empresas do setor de energia surgiu, agregando valor aos seus ativos e permitindo uma infraestrutura de comunicações para os diversos e crescentes serviços que podem ser prestados para a sociedade. Um dos principais fatores que motivou o desenvolvimento da tecnologia PLC/BPL foi o aproveitamento da grande capilaridade da rede elétrica [7, 12]. Há aproximadamente trinta anos, foi inventado um dispositivo capaz de modular e injetar na rede elétrica os sons captados por um microfone, sendo este sinal recuperado em outro local e convertido novamente em som. Este sistema cou conhecido por Babá 46 Capítulo 4. Power Line Communication 47 Eletrônica, que permitia o monitoramento da criança por seus pais [35]. A partir deste evento muitos outros equipamentos, capazes de injetar sinais na rede elétrica, começaram a surgir. O controle da transmissão dos sinais, desde suas frequências até os níveis de propagação, só foi possível com o avanço das técnicas de modulação e multiplexação para sinais diferentes sobre um mesmo meio físico, para transmitir dados e informações utilizando os cabos da rede elétrica. Na década de 80, do século passado, as comunicações PLC operavam em até 144kbps e com frequências de até 500 kHz, passando, na década de 90, a ter um avanço signicativo atingindo 10Mbps. No início deste século chegou-se aos 45Mbps, operando agora com frequências bem mais elevadas, de até 30MHz. No começo da década de 90, o Dr. Paul Brown da Norweb Communications, de Manchester na Inglaterra, iniciou testes com comunicação digital de alta velocidade utilizando linhas de energia elétrica, onde entre 1995 e 1997 cou comprovado que era possível resolver os problemas de ruído e atenuar as interferências às quais as linhas da rede elétrica estão expostas e que a transmissão de dados a alta velocidade poderia ser viável [9, 14]. Em meados de 2001 algumas operações comerciais começaram a surgir por iniciativa das operadores de energia que começaram a incorporar a tecnologia PLC em suas linhas de distribuição de energia. Na Europa foram lançados serviços comerciais baseados na Tecnologia PLC de Primeira Geração, empregando Modulação OFDM e controlando a Électricité de France (EDF), Portugal com a Electricidade de Portugal (EDP), Suíça com a Entreprises Électriques Fribourgeoises (EEF), Itália com a ENEL, Espanha com a IBERDROLA, a Union Fenosa e a ENDESA, Áustria com a Linz AG, Alemanha com a Power Plus Communications (PPC) e a E.On Power and Gas e a Escócia com a Scottish Southern Electric (SSE) [7, 27]. relação sinal-ruído, por exemplo, na França com a No nal de 2004 houve a inovação tecnológica de transmitir informações, em uma rede elétrica, utilizando a tecnologia PLC com taxas de 200 Mbps, cando conhecida como tecnologia PLC de Segunda Geração. A empresa que conseguiu essa inovação foi a of Systems on Silicon Design (DS2), de Valência na Espanha, que não comercializa equipamentos PLC diretamente, mas licenças e peças para a montagem do equipamento. A tecnologia PLC de Segunda Geração foi uma alternativa de adequação tecnológica que disponibilizou as condições técnicas necessárias para a elaboração de modelos de negócio que integrados com outras tecnologias passou a disponibilizar serviços de voz, dados e imagens, podendo ser implementada de modo rápido, exível e com o grau de conabilidade que é exigido pelo mercado de telecomunicação e energia [7]. No Brasil, em projetos pilotos, o PLC tem sido um dos canais de comunicação mais utilizados para a transmissão de dados, com diferentes distribuidoras realizando testes com PLC e utilizando equipamentos de diversos fabricantes. Existem várias empresas que já Capítulo 4. Power Line Communication 48 passaram do estágio de testes, incluindo a utilização de PLC para exploração comercial e também focado para as atividades próprias dos serviços de distribuição. Como exemplos pode-se citar a Eletropaulo, Cemig, Light, Elektro, Copel (Companhia Paranaense de Energia), Escelsa (Espírito Santo Centrais Elétricas) e Celg (Companhia Energética de Goiás) [27]. 4.2 Funcionamento Na aplicação comercial do PLC, um ponto de energia pode se tornar uma tomada para ligação de qualquer eletrodoméstico e, ao mesmo tempo, um ponto de rede de dados onde pode-se ter acesso a um provedor de internet ou a uma TV por assinatura. O PLC também permite que as distribuidoras de energia elétrica incorporem sistemas de telemedição, supervisão do fornecimento, controle das perdas, monitoramento remoto das redes de distribuição, leitura remota de medidores, corte e religação à distância e demais itens relacionados à aquisição, à atuação e à parametrização remota [27]. O funcionamento do PLC consiste em sobrepor um sinal de alta frequência (em MHz) sobre os 60 Hz existentes na rede elétrica. A faixa típica de frequências utilizada pela rede PLC/BLP está entre 1,7 e 30Mhz, com capacidade teórica entre 9kHz a 500MHz (segundo a ANEEL). O sinal é transmitido nos os das redes de distribuição de baixa e média tensão, permitindo criar enlaces de comunicação, desde que exista um ponto de conectividade com a mesma, como qualquer outra tecnologia [12]. A transmissão de sinais de comunicação sobre as linhas de corrente alternada é uma tarefa não trivial por diversos fatores, a seguir são relacionados alguns deles [14]: • Existência de atenuação e interferências não previsíveis, determinadas pela abertura e fechamento de circuitos, aparelhos acoplados às tomadas, etc.; • Irradiações das frequências transportadas em linhas abertas com alto potencial de interferência com sistemas que atuam nas mesmas frequências; • As características topológicas das linhas de distribuição de energia elétrica (linhas abertas, de características não lineares, a existência de derivações ao longo de toda a linha, os transformadores, etc.); Basicamente, na rede PLC existe um ponto central que determina o início de toda a rede de comunicação, conhecida como ponto multi ponto (radial). Capítulo 4. Power Line Communication Figura 4.1: 49 Topologia básica de uma rede PLC [12] Na Figura 4.1 é apresentado um exemplo da topologia de aplicação da tecnologia PLC nas redes elétricas. Pode-se vericar, pela Figura 4.1, que a rede PLC/BPL inicia na subestação de distribuição (SE), onde encontra-se disponível um ponto de conectividade com a internet. Na sequência, o sinal PLC segue pela rede primária, ou alimentador, de média tensão para prover conectividade em toda a extensão da rede. Ao longo deste alimentador estão os transformadores, interface entre as redes primárias e secundárias de baixa tensão. O transporte do sinal PLC do alimentador para a rede de baixa tensão pode ser feito em cada um dos ramais secundários, a partir daí os sinais seguem em direção às residências. Desta forma, os sinais adentram as residências oferecendo conectividade com a subestação de distribuição através de qualquer tomada, sendo que os sinais não se propagam indenidamente através dos alimentadores pois precisam de equipamentos ao longo da rede para reforçar os sinais [12]. A tecnologia PLC, a nível de topologia, pode ser classicada em [14]: a) Topologia PLC Indoor É constituído pela rede de distribuição elétrica nas instalações de baixa tensão e pelos modems para conexão dos equipamentos que serão interligados. Inúmeros modems podem estar conectados nas tomadas de energia elétrica disponíveis conforme observase na Figura 4.2, onde uma rede interliga estações de trabalho e periféricos: Capítulo 4. Power Line Communication Figura 4.2: Topologia PLC 50 Indoor [14] b) Topologia PLC para acesso na última milha A rede PLC estende seus limites além da rede elétrica interna de um local, gerando diversas sub-redes. Nesta topologia o sinal PLC é acoplado nas redes de baixa tensão após o transformador de distribuição, de modo que todos os usuários desta rede, por meio de modems, acessem ao sistema. Na Figura 4.3 é ilustrada esta aplicação, que será a topologia utilizada nesta dissertação. Figura 4.3: Topologia PLC para acesso na última milha [14] c) Topologia PLC para acesso WAN Capítulo 4. Power Line Communication 51 Topologia de acesso rápido a um sinal qualquer proveniente de uma provedora de serviços através de uma bra óptica, cable modem, ou solução PLC de media tensão até um equipamento PLC servidor, onde este faz a distribuição do sinal na rede de baixa tensão a todos os usuários que estiverem conectados a este transformador. Para receber este sinal é necessário o auxílio do Modem PLC para a ltragem do sinal de frequências nas tomadas de energia. Devido ao sinal percorrer uma distância maior, a cada cliente se faz necessário um repetidor, conforme pode ser visto na Figura 4.4: Figura 4.4: Topologia PLC para acesso WAN [14] 4.2.1 Modulação Como mencionado anteriormente existem uma série de problemas que podem prejudicar a eciência da transmissão de dados na tecnologia PLC. Alguns problemas e restrições podem ser minimizadas através de técnicas de modulação e multiplexação, sendo largamente utilizadas na aplicação do PLC. Um fator importante para o perfeito funcionamento da tecnologia é a modulação utilizada, pois para minimizar as distorções introduzidas pelo canal PLC é preciso implementar processos de codicação que garantam uma redução de erros para o código usado. Assim a transmissão de dados passa a ser possível a partir de frequências mais altas [9]. Existe uma grande variedade de técnicas para acoplar um sinal contendo informação a um sinal de uma portadora, neste caso trafegando em uma rede elétrica, cada uma com suas vantagens e desvantagens, a seguir são relacionadas três delas consideradas mais relevantes [7]: a) A técnica de modulação de Espalhamento Espectral (Spread Spectrum ) que consiste em distribuir a potência do sinal ao longo de uma faixa de frequências muito ampla, garantindo que a densidade espectral de potência seja bastante baixa, porém a largura de banda necessária para transmissão de taxas na ordem de Mbits é elevada; b) A técnica de modulação Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) ou Multi- plexação Ortogonal por Divisão de Frequência que modula um grande número Capítulo 4. Power Line Communication 52 de portadoras de banda estreita distribuídas lado a lado, oferecendo grande adaptabilidade, sendo possível suprimir portadoras interferentes ou interferidas ou variar o carregamento (número de bits) de cada portadora de acordo com a relação sinal/ruído ou atenuação do enlace; c) A técnica de modulação GMSK ou Gaussian Minimum Shift Keying que é um caso particular de modulação OFDM, sendo também referido como OFDM de banda larga. As portadoras são moduladas em fase resultando em um envelope constante, de modo que os amplicadores podem ser mais simples. Robusto contra interferências de banda estreita, como sinais de rádio de ondas curtas, resultando em um espectro de forma gaussiana, originando sua denominação. Frequency Orthogonal Frequency Division Multi- Nos sistemas PLC em geral é utilizada, como forma de multiplexação, a Division Multiplex (FDM) e como modulação a plex (OFDM) para que a rede elétrica seja conável a altas taxas de transferência. Um exemplo da técnica FDM é o aparelho de rádio e/ou televisão, onde cada estação está associada a uma determinada frequência, utilizada para as transmissões [12]. Em um sistema convencional de transmissão, os símbolos são enviados em sequência através de uma única portadora, ocupando toda a faixa de frequências disponível, porém na técnica OFDM a transmissão paralela ocorre em diversas subportadores com modulação QAM ou PSK e taxas de transmissão por subportadora tão baixas quanto maior o número destas empregadas [15]. Mesmo com uma sobreposição espectral, observada na Figura 4.5, a informação conduzida por cada subportadora poderá ser isolada das demais através de um ltro. Com isto existe uma ortogonalidade entre as subportadoras, ou seja, a projeção do sinal OFDM recebido sobre uma subportadora associada depende apenas da informação conduzida por ela, fazendo com que as projeções de outras subportadoras sejam nulas. De acordo com trabalhos recentes [9,36], o método OFDM é uma técnica onde existe um número amplo de frequências subportadoras, sendo possível suprimir portadoras que interram em outras, permitindo obter altas velocidades de canal por serem mais imunes às interferências. Capítulo 4. Power Line Communication Figura 4.5: 53 Subportadoras de um sinal OFDM [15] Como pode-se observar na Figura 4.6, a sobreposição espectral utilizada pela técnica OFDM produz uma economia signicativa de banda se compararmos com a técnica FDM tradicional, pois utiliza uma menor faixa de frequências [12] . Figura 4.6: Comparação de espectros entre FDM convencional e o OFDM [15] A largura de faixa dos subcanais na OFDM é dada pela divisão da largura total da faixa destinada ao sistema pelo número de subportadoras empregada. A utilização de canais mais estreitos ao invés de um único canal mais largo traz um grande benefício em relação à seletividade em frequência [15]. Embora a técnica OFDM leve o termo multiplexação, não ocorre nenhuma multiplexação, mas sim a transmissão paralela de uma sequência de bits. Para a tecnologia PLC/BPL esta divisão em canais estreitos é fundamental, pois na rede elétrica os parâmetros são variantes no tempo, onde o sistema é capaz de analisar a quantidade de bits que cada uma das portadoras está transportando e otimizar quais portadoras estão contribuindo de forma efetiva para a transmissão. Na técnica OFDM quando uma determinada portadora não esta sendo utilizada pelo sistema ela não é desligada, apenas ca sem transmitir informações [12]. Capítulo 4. Power Line Communication 54 4.2.2 Aplicações Como exemplos do uso da tecnologia PLC pode-se citar sistemas para o controle e comando de chaves religadoras na rede elétrica de distribuição de média tensão. Existem ainda algumas soluções oferecidas para uso residencial que proveem conexões de internet utilizando o conceito básico da tecnologia PLC, mas são muito limitadas quanto à taxa de transmissão e quanto à imunidade a interferências de outros dispositivos elétricos . Como as taxas de transmissão variam conforme as oscilações na rede elétrica, a taxa máxima (200 Mbps) é muito difícil de ser alcançada, sendo experimentadas taxas muito menores, em função das variações existentes nas redes elétricas tanto externas quanto internas [7] . Existe uma grande gama de aplicações na área de energia para todos os acessórios da rede elétrica que possuam interface de comunicação, como religadoras, chaves, disjuntores e medidores diversos, que utilizam a linha de transmissão para interligar com seu respectivo centro de operação. A tecnologia, portanto, é muito útil para sistema de supervisão, monitoramento e controle das redes elétricas em especial na telemetria [27]. 4.2.3 Desaos Uma das grandes vantagens do PLC é a capacidade de utilizar a infra-estrutura elétrica existente como meio de comunicação evitando custos associados à construção de novas redes. Outra característica interessante, citada neste capítulo, é a topologia ponto multi ponto, a qual permite a conexão de inúmeros usuários a um único ponto de controle da rede. Pode-se citar que o desempenho da rede de comunicação depende fortemente das características da rede elétrica, assim como das cargas elétricas conectadas à mesma, uma vez que tais características e cargas elétricas são variantes no tempo, torna-se relativamente complicada a tarefa de controlar tal ambiente [12]. Os sistemas que utilizam a tecnologia PLC vêm sendo desenvolvidos para aplicações em redes de distribuição de média e baixa tensão, enfrentando restrições relacionadas à relação sinal/ruído e à interferência. Estas atenuações externas podem ser corrigidas com o emprego de repetidores, que recuperam e re-injetam o sinal, sendo instalados em postes ou em um ponto de entrada do consumidor [7]. Algumas empresas de tecnologia perceberam que técnicas avançadas de modulação também poderiam minimizar os efeitos externos na rede elétrica, surgindo, então, as soluções PLC que empregam modulação OFDM [37]. Outro problema é a atenuação do sinal ao longo da linha de distribuição, que varia de acordo com sua topologia, quantidade e tipo de derivações e até com o estado de conservação de suas conexões, que acaba afetando diretamente o desempenho de sistemas PLC, limitando seu alcance, bem como as interconexões dos cabeamentos em trocas de meio Capítulo 4. Power Line Communication 55 físico [7, 36]. Pelo fato da tecnologia PLC utilizar a rede elétrica como meio de propagação dos sinais, verica-se que a mesma está sujeita a todo tipo de sinais provenientes de cargas elétricas, assim como sinais que se acoplam magneticamente à rede, interferindo no sistema PLC. Existem inúmeras fontes gerando estes ruídos com diferentes intensidades, como um simples reator eletrônico de lâmpadas uorescentes, além do conteúdo harmônico gerado por cargas elétricas não lineares gerados, principalmente, por reticadores, inversores e motores universais. Sempre que harmônicos interagem com os sinais PLC, vericam-se alterações no desempenho da rede de comunicação, mesmo com o sistema possuindo uma capacidade de adaptação que mantém contínua a transmissão no meio físico [9, 12]. Por m, deve-se ressaltar que o PLC, por operar em altas frequências, pode gerar sinais de radiofrequência quando injetados em um condutor elétrico, interferindo em outros equipamentos eletrônicos de radiocomunicação. Para contornar estes problemas, muitas técnicas foram desenvolvidas e melhoradas, como técnicas de modulação, protocolos de comunicação e ltros, as quais são amplamente utilizadas quando da implementação da tecnologia PLC. Outro detalhe é que os próprios equipamentos PLC monitoram automaticamente a qualidade do canal, de modo que se ela for alta o suciente a correção de erros é desativada e, consequentemente, a capacidade do canal é duplicada. Capítulo 5 Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão Nesta seção será realizada uma revisão bibliográca dos modelos elétricos utilizados para representar um segmento de distribuição de energia elétrica. Será explicado o que é uma Linha de Transmissão (LT), bem como quais os modelos que podem ser utilizados juntamente com sua caracterização matemática. 5.1 Linhas de Transmissão Uma rede de transmissão ou distribuição de energia elétrica é constituída por grandes extensões de cabos elétricos e de equipamentos que interligam as fontes geradoras de energia aos consumidores nais. Para o desenvolvimento deste estudo, é necessária a adoção de modelos que representem o comportamento real de um sistema de transmissão, ou seja, a representação de linhas de circuitos ideais. Os modelos são escolhidos de acordo com a extensão, podendo ser caracterizadas como de linhas longas curtas, linhas médias ou linhas [24]. As linhas curtas podem ser representadas apenas por uma resistência e indutância, desprezando-se o efeito capacitivo por ser de extensão pequena. As linhas médias são comumente representadas pelo modelo PI e as linhas longas, devido ao grande comprimento, podem ser representadas por mais de um modelo PI ou pelo modelo a parâmetros distribuídos. Os modelos existentes podem ser divididos basicamente quanto aos parâmetros, podendo ser concentrados ou distribuídos. A corrente elétrica, em um determinado instante, apresenta diferentes valores em diferentes posições em um componente do circuito elétrico, fazendo com que a corrente seja em função do tempo e da posição. Quando a variação temporal da corrente é lenta se comparada com o tempo necessário para que se propa- 56 Capítulo 5. 57 Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão gue dentro do componente, pode-se assumir que a corrente é caracterizada por um único valor a cada instante de tempo. Isso equivale a considerar o componente como se fosse concentrado num único ponto do circuito e a corrente que o percorre como sendo função apenas do tempo [38]. Todo sistema real é distribuído, se as variações espaciais são pequenas, e pode-se aproximar o comportamento do sistema por um modelo a parâmetros concentrados. Em sistemas a parâmetros concentrados, a variável dependente é função apenas de uma variável independente, desprezando variações espaciais. Se a variável independente é o tempo e a variável dependente é a corrente no componente, temos uma equação diferencial ordinária que descreve a variação da tensão indutor de indutância v num capacitor de capacitância C, ligado a um L. LC onde v é função do tempo d2 v(t) + v(t) = 0 dt2 t. Num sistema a parâmetros distribuídos, as dimensões dos componentes não são desprezíveis em relação ao comprimento de onda do sinal, onde as variações espaciais são consideradas no comportamento das variáveis. Portanto o sinal é função do tempo e do espaço, tendo uma equação a derivadas parciais que representa a variação da tensão uma linha de transmissão com resistência nula, caracterizada por uma indutância unidade de comprimento e por uma capacitância LC onde v é função da posição x C v L em por por unidade de comprimento. ∂ 2 v(x, t) ∂ 2 v(x, t) − =0 ∂t2 ∂x2 ao longo da linha e do tempo t. 5.1.1 Modelagem através de parâmetros concentrados Neste modelo considera-se uma modelagem monofásica ou uma modelagem trifásica com o efeito do acoplamento entre as três fases. Adotando o modelo PI para exemplicar: Figura 5.1: Modelo PI Capítulo 5. 58 Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão No modelo PI, apresentado na Figura 5.1, os efeitos elétricos e magnéticos são considerados através de capacitâncias e indutâncias concentradas. Neste modelo não é considerada a variação destes parâmetros com a frequência e a variação das grandezas elétricas ao longo da linha, por este motivo é que este modelo descreve bem o comportamento de uma linha de transmissão curta. Figura 5.2: Circuito Equivalente PI VS = VR + ZIR " VS IS # = IS = IR # " 1 Z 0 1 " X VR # IR Para o circuito apresentado na Figura 5.2 Z = (r + jωL)l = R + jX onde Z =impedância das linhas (mH), de transmissão e em série (Ω), l=comprimento Ir=corrente r=resistência dos condutores (Ω), da linha de transmissão(km), L=indutância Is=corrente nas barras nas barras receptoras. Os modelos de Linhas de Transmissão (LT) também podem ser representados através de quadripolos: Figura 5.3: Representação por quadripolos Capítulo 5. Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão " VS # " = IS A B # C D " X 59 # VR IR Representação da linha curta: VS = VR + ZIR " VS IS # = IS = IR " # 1 Z 0 1 " X VR # IR A = 1; B = Z; C = 0; D = 1 No caso das linhas médias, as correntes de carga das capacitâncias são apreciáveis: Figura 5.4: Modelo PI Nominal VS = VR + ZIL → IL = IR + Y VR 2 Y IS = IL + VS 2 ZY VS = 1 + VR + ZIR 2 ZY ZY IS = Y 1 + VR + 1 + IR 4 2 Y = (g + jωC) l A mesma representação, agora por quadripolos ZY VS = 1 + VR + ZIR 2 ZY ZY IS = Y 1 + VR + 1 + IR 4 2 Capítulo 5. Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão 60 sendo ZY A= 1+ ; B = Z; 2 ZY ZY C =Y 1+ ;D = 1 + 4 2 Agora as equações para o terminal receptor: " VS IS " VR IR # " = # " = A −B −C D A B C D # " X # " X VS VR # IR # → AD − BC = 1 IS 5.1.2 Modelagem através de parâmetros distribuídos Modelo PI para linhas longas No caso das linhas longas, o efeito dos parâmetros distribuídos [39, 40] deve ser conside- rado. Podem ser obtidas expressões para a determinação de tensões em qualquer ponto da LT. Figura 5.5: Modelo de linha longa y = (g + jωC) z = (r + jωL) onde, além das variáveis descritas anteriormente, z e y representam, respectivamente, a impedância série e a admitância por fase e por unidade de comprimento [41]. Considerando o segmento elementar da Figura 5.5 ∆x → 0 V (x + ∆x) = V (x) + z∆xI(x) → V (x + ∆x) − V (x) ∆x Capítulo 5. 61 Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão = zI(x) → dV (x) = zI(x) dx I(x + ∆x) = I(x) + y∆xV (x + ∆x) → = yV (x + ∆x) → I(x + ∆x) − I(x) ∆x dI(x) = yV (x) dx A partir das equações anteriores: dV (x) = zI(x) dx dI(x) = yV (x) dx }→ Denindo-se: d2 V (x) dI(x) = zyV (x) = z dx2 dx d2 V (x) − γ 2 V (x) = 0 2 dx γ 2 = zy → Consequentemente, V (x) = A1 eγx + A2 e−γx onde y é a constante de propagação γ = α + jβ = onde α é a constante de atenuação e √ zy = β p (r + jωL)(g + jωC) é a constante de fase. dV (x) = zI(x) dx V (x) = A1 eγx + A2 e−γx (5.1) (5.2) Das equações (5.1) e (5.2) obtém-se 1 dV (x) γ I(x) = (A1 eγx − A2 e−γx ) → z dx z q Denindo-se r y (A1 eγx − A2 e−γx ) z z como impedância característica ou natural, pode-se escrever y V (x) = (A1 eγx + A2 e−γx ) 1 I(x) = (A1 eγx − A2 e−γx ) zc como síntese do modelo matemático, tomando-se V (x) = VR e I(x) = IR para x = 0 → A1 = Portanto VR + ZC IR VR − ZC IR e A2 = 2 2 VR + ZC IR VR − ZC IR γx V (x) = e + e−γx 2 2 ! ! VR VR + I − I R R ZC ZC I(x) = eγx + e−γx 2 2 Capítulo 5. onde V (x) e Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão I(x) podem ser escritas como segue: VR + ZC IR VR − ZC IR γx V (x) = e + e−γx 2 2 γx γx e − e−γx e + e−γx VR + ZC IR V (x) = 2 2 ! ! VR VR + I − I R R ZC ZC I(x) = eγx + e−γx 2 2 γx e + e−γx 1 eγx − e−γx VR + IR I(x) = ZC 2 2 ocasionando V (x) = cosh(yx)VR + ZC sinh(γx)IR I(x) = 1 sinh(γx)VR + cosh(γx)IR ZC Em termos de constantes ABCD, tem ilustrado na Figura 5.6. Figura 5.6: ABCD Constantes Z 0Y 0 VS = 1 + VR + Z 0 IR 2 0 0 ZY Z 0Y 0 0 IS = Y 1 + VR + 1 + IR 4 2 sinh(γl) γl 0 Y 1 γl Y tanh(γl/2) = tanh → 2 ZC 2 2 γl/2 Z 0 = ZC sinh(γl) → Z VS = cosh(γl)VR + ZC sinh(γl)IR IS = 1 sinh(γl)VR + cosh(γl)IR ZC Utiliza-se o modelo PI Equivalente, representado pela Figura 5.7: 62 Capítulo 5. 63 Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão Figura 5.7: tanh Modelo PI Equivalente γl 2 = cosh(γl) − 1 sinh(γl) Modelo de Bergeron Este modelo é um método baseado na teoria das ondas viajantes [16]. A linha é tratada como se não existissem perdas, e sua resistência em série distribuída é adicionada em forma de nó. Embora a resistência possa ser inserida através da linha pela divisão do seu tamanho total por diversas seções, isso faz pouca diferença, e o uso de apenas duas seções até o nal é perfeitamente adequada. Este modelo de resistência do nó, mostrado na Figura 5.8, mostra que R/4 << Zc , onde Zc é a impedância. Contudo, este modelo não é adequado para estudos que trabalham com altas frequências, como é o caso do Power Line Communications. Figura 5.8: Rede equivalente para linhas com perdas [16] Capítulo 5. 64 Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão Figura 5.9: Rede equivalente de meia-linha [16] Pela marcação de metade do ponto médio de resistência para cada seção, um modelo de meia-linha é representado na Figura 5.9, onde ikm (t) = e 1 vk(t) + Ik (t − τ /2) ZC + R/4 −1 Ik (t − τ /2) = vm(t − τ /2) − ZC + R/4 ZC − R/4 ZC + R/4 im (t + −τ /2) Para nalizar, agregando duas seções de meia-linha e eliminando as variáveis do ponto médio, uma vez que apenas os terminais são de interesse, o modelo mostrado na gura 5.10 é obtido. Figura 5.10: Modelo Bergeron [16] Este modelo possui a mesma forma que o anterior, porém a fonte corrente é mais complexa, contendo condições de ambas as extremidades da linha no tempo (t Por exemplo, a expressão para a fonte corrente ao nal k − τ /2). é demonstrada pela equação 5.3 Capítulo 5. 65 Modelos Matemáticos de Linhas de Transmissão Ik0 (t − τ ) = −ZC (vm (t − τ ) + (ZC − R/4)imk (t − τ )) + (ZC + R/4)2 −R/4 (vk (t − τ ) + (ZC − R/4)ikm (t − τ )) (ZC + R/4)2 (5.3) Então a linha pode ter uma alta atenuação para frequências altas. 5.2 Conclusão Neste capítulo foram apresentados os modelos que podem representar as linhas de transmissão de energia elétrica. Todas as classicações existentes são baseadas na frequência de 60Hz, não havendo diferenciação para frequências maiores. Como este estudo visa testar os modelos existentes, será tomada como verdadeira a classicação para baixas frequências e buscar a validação da mesma. Futuramente, dependendo dos resultados obtidos, alternativas podem ser buscadas e outros modelos testados com a inserção de sinais elétricos de altas frequências. Capítulo 6 Modelo PI 6.1 Escolha do Modelo Matemático Para a execução deste projeto, será necessário realizar a escolha de um dos modelos para linhas de transmissão descritos anteriormente. A Figura 6.1 apresenta uma árvore de decisões que auxilia no processo de seleção do modelo de LT apropriada. Figura 6.1: Árvore de decisão para a escolha de um modelo [16] Em síntese, deve-se levar em conta o tempo que as ondas elétricas levam para chegar ao destino, podendo utilizar como parâmetro a distância da linha de transmissão [16], mesmo que esta árvore de decisões seja voltada a transmissões em baixa frequência a validação deste método de escolha será testada em alta frequência. Neste projeto, como serão utilizadas apenas linhas de transmissão menores, será utilizado o modelo PI equivalente, caso contrário teria que ser escolhido um dos modelos que tratam da teoria das ondas 66 Capítulo 6. Modelo PI 67 viajantes, sendo que o melhor seria trabalhar com parâmetros distribuídos do modelo de Bergeron. Para avaliar o comportamento elétrico da transmissão destes sinais tanto em baixa como em alta frequência, será utilizado um modelo computacional e um protótipo em escala de potência reduzida de uma rede de distribuição de média tensão. O modelo matemático mais utilizado na representação computacional de sistemas deste tipo é conhecido como modelo PI e sofre alterações de acordo com o comprimento da rede, podendo ser curto, médio e longo. A Figura 6.2 apresenta o modelo que será utilizado neste projeto. Figura 6.2: Circuito PI para linhas curtas Com as novas e modernas tecnologias apresentadas, esta denição pode ser alterada uma vez que agora altas e baixas frequências trafegando simultaneamente. Esta dis- sertação irá utilizar o modelo da forma como é proposta na literatura, ou seja, sem a capacitância para distâncias curtas. Foi optado realizar a validação do modelo da forma como é proposto para transmissões em baixa frequência, apenas enviando um sinal com frequência elevada. Desta forma a revalidação deste modelo é de fundamental importância para simulação computacional em sistemas deste tipo. Para caracterizar o estudo foi escolhido aleatoriamente um trecho da rede de distribuição da concessionária municipal de energia elétrica de Ijui/RS (DEMEI), sendo composto por cargas distribuídas ao longo da rede com os seus devidos parâmetros, alguns detalhados no diagrama unilar apresentado na Figura 6.3. Capítulo 6. 68 Modelo PI Figura 6.3: No software Trecho a ser utilizado no modelo MATLAB/Simulink será feita a simulação do comportamento da linha de potência, cuja função de transferência [42], já considerando o circuito PI completo, é dada por H(s) = LCs2 2 + RCs + 2 Capítulo 6. 69 Modelo PI 6.2 Simulação em Escala Reduzida Inicialmente foram realizadas medições em um trecho de uma rede de distribuição de energia elétrica em Média Tensão (MT), porém em escala reduzida. Para isto, foi utilizado um protótipo de bancada em escala reduzida construído especicamente para este m, recongurado com novos parâmetros, necessários para a simulação proposta nesta dissertação. Este modelo em escala de potência reduzida, que emula um trecho de rede de distribuição em MT, será doravante denominado por Emulador. Este Emulador con- templa um sistema de distribuição de energia composto por ramais aéreos e cabos nus, sendo escolhido um trecho do alimentador 204 localizado na área urbana do município de Ijuí/RS. Gasparin [43] validou este Emulador baseado no modelo matemático PI para transmissão de energia elétrica na frequência de 60Hz. Esta validação foi muito importante, pois assim tem-se uma maneira mais fácil de realizar testes sem a necessidade de deslocamento e utilização de uma rede real com tensão acima de 23kV. Como o objetivo desta dissertação é a validação do modelo PI para transmissões em alta frequência, será utilizado o modelo já validado para uma frequência baixa avaliando seu comportamento com a inserção do sinal PLC. 6.2.1 Trecho Escolhido A LT de energia escolhida é constituída de em uma subestação transformadora, ponto inicial de transmissão de energia elétrica, seguindo por três trechos baseados no modelo PI, até o ponto de entrega da energia, ou seja, localização da leitura e vericação do sinal, objeto desta simulação. Este trecho contém três cargas que representam parte do alimentador 204 do DEMEI, localizado na zona urbana da cidade. Os cabos utilizados neste trecho são de aluminio nu tipos 1/0CAA e 4/0CAA. Tabela 6.1: Parâmetros dos cabos para o trecho estudado Cabos R1 (Ω) R0 (Ω) L1 1/0CAA 0.691 0.873 0.137934 0.5246 9.6078 1.411 4/0CAA 1.597 1.774 0.13846 0.52494 8.893 1.3945 (mH) L0 (mH) C1 (nF) C0 (nF) Na Tabela 6.1 são apresentados os parâmetros do trecho em questão [43] onde : R1 =Resistência de sequência positiva, R0 =Resistência de sequência negativa, L1 =Indutância de sequencia positiva, positiva e L0 =Indutância C0 =Capacitância de sequência zero, C1 =Capacitância de sequência de sequência zero. Para representar o sistema real no Emulador foram consideradas as distâncias do trecho da rede de distribuição até as referidas cargas e para o cálculo das impedâncias Capítulo 6. 70 Modelo PI foram consideradas as impedâncias dos cabos. O circuito a ser simulado é o representado através do diagrama unilar demonstrado na Figura 6.3. 6.2.2 Modelo Simulado Foi inserida uma fonte de tensão em alta frequência, típica de uma transmissão PLC dentro da faixa permitida pela norma CENELEC banda A, 90kHz direto na linha de transmissão de média tensão, com tensão de 1V. Baseado nestas congurações, e com base no diagrama unilar utilizado, foi criado o circuito no Matlab Simulink. Figura 6.4: Circuito utilizado para a simulação De acordo com a Figura 6.4 observa-se que foram inseridas as duas fontes de energia, uma de 60Hz no bloco preto (subestação) e de 90kHz (PLC) nos blocos laranja, sendo que a alta frequência foi inserida na rede de transmissão trifásica de forma paralela. Para facilitar, em todas as leituras foi levada em conta apenas a fase A, mesmo com uma linha de transmissão trifásica, já que o comportamento das outras fases é similar. Como houve uma atenuação da tensão na leitura nos três trechos PI em comparação ao sinal inicial, optou-se por focar o estudo no último segmento da rede ou seja, no terceiro ponto onde, teoricamente, existira a maior atenuação. Tomando por base a leitura obtida no terceiro ponto, foi escolhido aleatoriamente quatro ciclos completos de tensão na alta frequência para demonstrar o sinal, na Figura 6.5 é apresentado este sinal. Capítulo 6. 71 Modelo PI Figura 6.5: Sinal de alta frequência obtido no Matlab 6.2.3 Modelo em Escala Reduzida Segundo Gasparin [43], um sistema real de uma rede de distribuição de energia pode ser representada basicamente pelas características dos cabos, e as cargas concentradas do trecho analisado representadas por um circuito RL, onde em um Emulador as correntes continuam com os mesmos níveis. Nos cálculos demonstrados, a corrente RMS de linha cou em 11, 54A, lador proposto. alimentado em onde foi escolhida uma relação de 1 : 11, 54 para ser aplicada no Emu- A corrente de linha do Emulador foi escolhido de 23, 1V , 1A, e o circuito foi mil vezes menor que a tensão de saída da subestação. Depois de realizados os cálculos com estes valores e obtidos os componentes da bancada, foi realizada a montagem física do circuito em escala reduzida, reproduzindo de forma idêntica os trechos de linha e as cargas. Este Emulador foi desenvolvido para comprovar a validade do experimento. A escala foi de em 1 : 1000, ou seja, o transformador comumente com tensão de 23, 1kV 23, 1V . A corrente RMS da linha de transmissão cou em 11, 54A foi alimentado o que diculta o experimento em laboratório, portanto foi adotada uma escala reduzida na relação de 1 : 11, 54. Para a montagem do Emulador foram utilizados componentes com as mesmas congurações da simulação realizada no Matlab/Simulink. para a frequência de 60Hz Este protótipo foi validado onde os resultados são conhecidos [43]. O Emulador construído é demonstrado através da Figura 6.6. Capítulo 6. 72 Modelo PI Figura 6.6: Emulador com analisador instalado O Emulador permite a obtenção dos dados de média tensão sem a necessidade, em um primeiro momento, de se realizar medições na rede real uma vez que isto não se constitui em uma tarefa simples. Como foi dito anteriormente, os valores de capacitância, indutância, reatância e voltagem sofreram uma redução em escala para permitir a construção do Emulador. Na Figura 6.7 é apresentada a medição no ponto nal do circuito. Figura 6.7: Gráco da tensão no Emulador Como pode ser observado na Figura 6.7, é visível a interferência do ruido encontrado, mesmo com a utilização de uma fonte especial para a geração dos sinais. 6.2.4 Considerações Sobre a Escala Reduzida Conforme pode ser observado nas Figuras 6.5 e 6.7, as formas de onda para o modelo PI simulado e para o circuito Emulador equivalente são bastante aproximadas, entretanto pode-se vericar que a atenuação, de alguns pontos, no circuito emulado é maior. Constata-se também que a comparação correta do modelo ca comprometida, pois foram Capítulo 6. 73 Modelo PI utilizadas tensão e corrente em escala reduzidas, porém o ruído gerado não se comporta de forma escalar, o que diculta a correta visualização. Porém, mesmo com estes problemas, ainda pode-se observar que ambos modelos se comportam de forma muito similar. Neste caso será realizada uma comparação em sobreposição de sinais, já que assim pode-se ver claramente as diferenças entre eles. Figura 6.8: Gráco Simulação x Emulador Na Figura 6.8 pode-se observar que o gráco real (i.e., azul) segue a mesma ondulação do gráco simulado (i.e., vermelho). As distorções que aparecem no gráco são em decorrência dos ruídos presentes no Emulador, especialmente porque no protótipo são usadas cargas em escala reduzidas, porém os ruídos não seguem este padrão reduzido. Não foram aplicados ltros nos ruídos, pois os mesmos poderiam alterar os resultados já que foi trabalhado com escala reduzida. A partir dos resultados preliminares obtidos neste artigo pode-se concluir que o modelo PI representa, de forma satisfatória, a transmissão em baixa frequência, porém não é possível armar que este comportamento será mantido para transmissões em alta frequência. Objetivando a validação nal do modelo PI para a transmissão em baixa tensão foi construído um trecho de distribuição de energia elétrica em BT em um dos laboratório do Grupo de Pesquisa GAIC. Neste trecho serão realizadas transmissões e posterior medições de sinais PLC. A partir destas medições será possível realizar as considerações necessárias sobre o modelo PI para saber se este é capaz de representar, de forma eciente, a transmissão tanto de baixa como de alta frequência. Capítulo 7 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC Depois de realizar testes com o emulador de uma rede de transmissão MT em escala reduzida, será vericado e analisado o resultado em uma rede de energia elétrica de baixa tensão. Para tanto foi montado um circuito de testes em um dos laboratório do grupo de pesquisa GAIC. Este circuito de teste possui características idênticas (cabos, conectores e dimensões) de um trecho de distribuição de energia da cidade de Ijuí. 7.1 Caracterização dos componentes Antes de realizar as medições e cálculos para a vericação da atenuação do sinal PLC, deve-se caracterizar os componentes que serão utilizados. Todas as medições utilizarão um resistor de 6, 6Ω acoplado ao trecho montado a partir de um cabo de alumínio nu que será melhor descrito posteriormente. Para as medições de resistência será utilizado um multímetro de bancada Agilent HP 34401A, similar ao apresentado na Figura 7.1 e a tensão, corrente e ângulo de defasagem serão medidos através do osciloscópio Agilent DSO-X 2014A, apresentado na Figura 7.2. Figura 7.1: Multímetro de bancada Agilent HP 34401A [17] 74 Capítulo 7. Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC Figura 7.2: 75 Osciloscópio Agilent DSO-X 2014A iniciando 7.1.1 Resistores Para as medições foram utilizados resistores de 3, 3Ω e de 6, 6Ω, sendo que para as carac- terizações foram medidas a resistência e o ângulo de defasagem entre os sinais de corrente e tensão provenientes do transmissor com os equipamentos descritos anteriormente. Resistor de 3, 3Ω Inicialmente será realizada a caracterização do resistor de 3, 3Ω, para isso foram obtidas 10 amostras do ângulo e realizada a média entre elas para o cálculo. Os valores obtidos foram: • Resistência: 3,274Ω • Ângulo médio de defasagem: 21,44 Figura 7.3: o Resistor de 3, 3Ω utilizado A metodologia do cálculo do resistor apresentado na Figura 7.3 é apresentada a seguir: Capítulo 7. 76 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 3, 274 = Zres ∗ cos(21, 44o ) 3, 274 = 3, 52Ω cos(21, 44o ) Zres = XLres Os valores de 2 2 Zres = R2 + XLres p 2 2 − R2 XLres = Zres p = 3, 522 − 3, 2742 = 1, 293Ω XLres = 2 ∗ π ∗ f ∗ Lres XLres 1, 293 Lres = = = 2, 058µH 2∗π∗f 2 ∗ π ∗ 100000 resistência, XLres e Lres serão utilizados para a caracterização do con- dutor. Resistor de 6, 6Ω Para a caracterização do resistor de 6, 6Ω foram obtidas 10 amostras do ângulo e realizada a média entre elas para o cálculo. Os valores obtidos foram: • Resistência: 6,525Ω • Ângulo médio de defasagem: 17,54 Figura 7.4: o Resistor de 6, 6Ω utilizado Como observa-se através da Figura 7.4, foram utilizados dois resistores de compor nosso resistor de 6, 6Ω, 3, 3Ω para o que não implica em nenhum prejuízo comparado à utilização de um único resistor de 6, 6Ω. 6, 525 = Zres ∗ cos(17, 54o ) Zres = 6, 525 = 6, 843Ω cos(17, 54o ) 2 2 Zres = R2 + XLres Capítulo 7. 77 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC XLres Os valores de p 2 2 − R2 = Zres XLres p = 6, 8432 − 6, 5252 = 2, 062Ω XLres = 2 ∗ π ∗ f ∗ Lres XLres 2, 062 Lres = = = 3, 2818µH 2∗π∗f 2 ∗ π ∗ 100000 resistência, XLres e Lres serão utilizados em todas as simulações do Matlab/Simulink e para cálculos de indutância posteriores. 7.1.2 Condutor Agora que tem-se os valores individuais para os resistores de 3, 3Ω e 6, 6Ω, será buscada a caracterização do cabo utilizado. Para não utilizar o cabo montado na rede, e evitar qualquer interferência, será utilizado um pedaço do mesmo cabo, e será realizada a medição em uma bancada. Estas medições serão realizadas com um resistor de 3, 3Ω acoplado e, como sabe-se o valor individual do resistor, basta subtrair do valor total encontrado. Cabo de alumínio nu com resistor de 3, 3Ω Para não haver interferência atmosférica e alguma possível indução proveniente do circuito montado, será utilizado um cabo de alumínio nu com tamanho de 3,5 metros para sua caracterização. O cabo é o mesmo utilizado para a montagem do circuito em laboratório e do trecho BT e pode ser observado na Figura 7.5 Figura 7.5: Condutor utilizado Como comentado, é obtida a reatância indutiva de todo sistema (cabo + resistor), desprezando a resistência do cabo pela incapacidade da medição e pelo fato da mesma se mostrar insignicante nos cálculos anteriores realizados em laboratório. A Figura 7.6 mostra uma das medições utilizadas para o cálculo da média do ângulo de defasagem. Capítulo 7. Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC Figura 7.6: 78 Ângulo de defasagem para condutor com resistor de 3, 3Ω • Resistência: 3,274Ω (valor do resistor, já calculado) • Ângulo de defasagem: 43,2 o 3, 274 = Zsist ∗ cos(43, 2o ) Zsist = XLsist 3, 274 = 4, 49Ω cos(43, 2o ) 2 2 Zsist = R2 + XLsist q 2 2 − R2 XLsist = Zsist p = 4, 492 − 3, 2742 = 3, 0726Ω XLcabo = XLsist − XLres = 3, 0726 − 1, 293 = 1, 7796Ω Zcabo = XLcabo Lcabo XLcabo = 2 ∗ π ∗ f ∗ Lcabo XLcabo 1, 7796 = = = 2, 8323µH 2∗π∗f 2 ∗ π ∗ 100000 Foi encontrada a indutância de todo o cabo, descontado o valor do resistor acoplado. Agora, através da Equação (7.1), será encontrado o valor da indutância por metro do cabo. Lcabo = 2, 8323µH Lmetro = 2, 8323µH = 0, 8092µH/m 3, 5m (7.1) Capítulo 7. 79 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 7.2 Inuência do transformador para um sinal PLC Em qualquer rede de transmissão de energia elétrica a 60Hz, tem-se como equipamento básico o transformador acoplado às linhas de transmissão de energia. De acordo com Boylestad [44] os transformadores, entre outras aplicações, também são usados para isolar circuitos elétricos, o que signica evitar que haja uma ligação direta entre os circuitos. No caso da transmissão do sinal PLC, teoricamente o transformador atuaria como parte isolante, não deixando o sinal passar de um segmento para outro. Desta maneira, também teoricamente, o transformador não teria inuência no sinal PLC, podendo ser descartado dos testes reais. Para comprovar essa teoria, foram realizados testes de transmissão de um sinal PLC com 100kHz utilizando um transformador trifásico com as seguintes características: • Potência nominal: 75 KVA • Tensão nominal do primário: 23,1 KV • Tensão nominal do secundário: 380/220 V • Impedância: 4,19 Outras informações podem ser obtidas através da placa do transformador apresentada pela Figura 7.7. Capítulo 7. Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC Figura 7.7: 80 Dados da placa do transformador 7.2.1 Medições com resistor de 3, 3Ω sem o transformador Para corroborar a teoria da não inuência de um transformador no sinal de alta frequência, serão realizadas alguma medições com e sem o transformador, tendo seus resultados comparados para a denição do resultado. Inicialmente será feita a medição sem o transformador, utilizando um resistor de 3, 3Ω. Na Figura 7.8 é apresentado o sinal de corrente, em amarelo, e o sinal de tensão, em verde, no resistor de transformador. Figura 7.8: 3, 3Ω sem estar ligado ao Sinais no resistor de 3, 3Ω sem estar ligado ao transformador Capítulo 7. 81 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC Como observa-se através da Figura 7.8, obteve-se uma medição de com uma corrente de 1, 024V de tensão 0, 3715A. 7.2.2 Medições com resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em BT Agora será feita a primeira medição com o resistor conectado no lado da Baixa Tensão (BT) do transformador. Na Figura 7.9 é apresentado o sinal de corrente, em amarelo, e o sinal de tensão, em verde, no resistor de Figura 7.9: 3, 3Ω conectado ao transformador. Sinais no resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em BT Como observa-se através da Figura 7.9, obteve-se uma medição de com uma corrente de 1, 017V de tensão 0, 3733A. 7.2.3 Medições com resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em MT Foram feitas medições com o resistor desconectado e conectado no lado da BT do transformador, agora o resistor será conectado no lado da Média Tensão (MT). A Figura 7.10 apresenta o sinal de corrente, em amarelo, e o sinal de tensão, em verde, no resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em MT. Capítulo 7. Figura 7.10: Sinais no resistor de 3, 3Ω conectado ao transformador em MT A Figura 7.10 mostra que obteve-se uma medição de corrente de 82 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 1, 023V de tensão com uma 0, 3745A. 7.2.4 Medições com resistor de 6, 6Ω sem o transformador O próximo cenário de testes é com a utilização de outro resistor, desta vez um de 6, 6Ω. A Figura 7.11 apresenta o sinal de corrente, em amarelo, e o sinal de tensão, em verde, no resistor de 6, 6Ω sem estar ligado ao transformador. Figura 7.11: Sinais no resistor de 6, 6Ω sem estar ligado ao transformador Como observa-se através da Figura 7.11, obteve-se uma medição de com uma corrente de 1, 60V de tensão 0, 2933A. 7.2.5 Medições com resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em BT Agora será feita a segunda medição com o resistor conectado no lado da Baixa Tensão (BT) do transformador. A Figura 7.12 apresenta o sinal de corrente, em amarelo, e o Capítulo 7. sinal de tensão, em verde, no resistor de Figura 7.12: 6, 6Ω conectado ao transformador. Sinais no resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em BT A Figura 7.12 apresenta que obteve-se uma medição de corrente de 83 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 1, 58V de tensão com uma 0, 2969A. 7.2.6 Medições com resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em MT Agora será feita a segunda medição com o resistor conectado no lado da Média Tensão (MT) do transformador. A Figura 7.13 apresenta o sinal de corrente, em amarelo, e o sinal de tensão, em verde, no resistor de Figura 7.13: 6, 6Ω conectado ao transformador em MT. Sinais no resistor de 6, 6Ω conectado ao transformador em MT Como observa-se através da Figura 7.13, obteve-se uma medição de com uma corrente de 0, 2897A. 1, 57V de tensão Capítulo 7. Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 84 7.2.7 Resultados Na Tabela 7.1 é apresentado um resumo de todos os ensaios realizados com e sem o transformador acoplado a linha. Tabela 7.1: Resultados das medições com e sem o transformador Medição Sem transforma- Conectado Conectado dor em BT em MT Tensão com 3, 3Ω 1,024V 1,017V 1,023V Tensão com 6, 6Ω 1,60V 1,58V 1,57V Corrente com 3, 3Ω 0,3715A 0,3733A 0,3745A Corrente com 6, 6Ω 0,2933A 0,2969A 0,2897A Pode-se constatar a partir dos dados apresentados na Tabela 7.1 e nos grácos anteriores, que, visivelmente, a curva do sinal da corrente e da tensão acaba por se manter igual, tanto no caso do acoplamento ao transformador, quanto ao resistor plugado isoladamente no cabo. A comparação dos dados medidos, tanto da tensão quanto da corrente, corroboram para o fato dos valores se manterem praticamente iguais, não apresentando diferenças signicativas com o acoplamento ou não do transformador. Conclui-se, portanto, que o transformador não atua como agente modicador das medições e cálculos nas transmissões PLC em cabos de transmissão de energia elétrica.Neste contexto, foi construída uma plataforma de testes onde tem-se apenas o transmissor PLC e a linha de transmissão de energia elétrica sem a necessidade de introduzir um transformador nesta plataforma. 7.3 Topologia Para realizar as medições da transmissão do sinal PLC, todos os testes serão executados com a mesma resistência de 6,6Ω, montada na topologia demonstrada através da Figura 7.14. Figura 7.14: Topologia utilizada nas medições Capítulo 7. 85 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 7.4 Dados de fábrica do cabo utilizado Foi optado trabalhar com os dados padrão do cabo, ou seja, os dados que caracterizam o cabo quando sai de fábrica. Para isto, foram utilizadas as informações apresentadas pela Brascopper [18], empresa fabricante do cabo utilizado nas medições. De acordo com a fabricante, o cabo foi feito de um condutor de alumínio tipo redondo compactado, acondicionado para venda em carretéis de madeira, como observa-se pela Figura 7.15, indicado para uso em instalações aéreas de baixa, média e alta tensão em sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica de acordo com a norma NBR 7271 [22]. Figura 7.15: Condutores acondicionados em carretéis de madeira [18] O cabo utilizado foi de alumínio sem alma (CA) tipo 2/0, universalmente conhecido como cabo Aster possuindo sete os de alumínio entrelaçados. A Tabela 7.2 mostra as características do cabo utilizado, bem como de alguns outros cabos tipo CA para conhecimento e comparação. Tabela 7.2: Parâmetros da linha de cabos Coopernu CA Código Seção o N de AWG/KCM os Diâmetro (mm) 2 (mm ) Diâmetro do cabo Resistência a o 20 C (mm) (Ohm/Km) Peso total (Kg/Km) Rose 4 21,12 7 1,96 5,88 1,36309 58 Iris 2 33,54 7 2,47 7,41 0,85750 92 Pansy 1 42,49 7 2,78 8,34 0,67977 117 Poppy 1/0 53,52 7 3,12 9,36 0,53866 147 Aster 2/0 67,35 7 3,50 10,50 0,42748 185 Phlox 3/0 84,91 7 3,93 11,79 0,33909 233 Oxlip 4/0 107,40 7 4,42 13,26 0,26888 295 Capítulo 7. Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 86 7.4.1 Cálculo da indutância do condutor Na simulação através do MATLAB serão utiliadas informações referentes ao condutor utilizado. Para isto, precisa-se calcular a indutância do cabo, pois as outras informações necessárias estão na Tabela 7.2. Para este cálculo, serão utilizados os passos propostos por Stevenson [21]. L1 = 2 × 10−7 ln onde L1 = indutância do cabo; que o diâmetro do cabo é de D D H/m r1 −1/4 = distância entre os cabos; 10, 50mm, ou seja, 0, 0105m, r1 = raio do cabo. Sabendo o raio será obtido com Diametro1 2 0, 0105 r1 = = 0, 00525m 2 7.14, a distância D entre os cabos r1 = De acordo com a Figura do circuito, será de 20cm (0, 2m). Agora com todas as variáveis disponíveis, será realizado o cálculo da indutância do cabo1 : L1 = 2 × 10−7 ln sabendo que a constante −1/4 equivale a 0, 2 0, 00525−1/4 0, 7788 L1 = 2 × 10−7 ln obtém-se 0, 2 0, 00525 ∗ 0, 7788 0, 2 0.0040887 −7 L1 = 2 × 10 ∗ 3, 89 L1 = 2 × 10−7 ln L1 = 7.78 × 10−7 H/m ou 0.778µH/m (7.2) Como o circuito é constituído por dois cabos de alumínio iguais, tanto de tamanho quanto de características, sabe-se que cabo1 = cabo2 então utiliza-se L1 = L2 ou seja L2 = 0.778µH/m Capítulo 7. 87 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 7.5 Modelo no MATLAB/Simulink O circuito apresentado pela Figura 7.14 foi desenhado com as mesmas características da rede física, de acordo com as informações e cálculos obtidos neste estudo. O trecho da Figura 7.16 foi montado no software Matlab/Simulink através de blocos que simulam uma rede real, com as características do resistor que será acoplado nos circuitos físicos e com a inserção do sinal em alta frequência PLC. Figura 7.16: Rede montada no textitMatlab/Simulink Neste circuito, observa-se a fonte inicial, onde é injetada a frequência de os dois trechos PI (formado pelo bloco RLC Branch setado para 100kHz, RL pois considera-se a capacitância inexpressiva devido à pequena distância), sendo um trecho PI considerado como neutro e aterrado, a resistência inserida e os componentes de leitura de tensão e corrente. A fonte PLC foi parametrizada de acordo com as características básicas do bloco no Simulink, sendo mantida a tensão e frequência em todos os testes simulados. Figura 7.17: Bloco da fonte PLC Serão realizadas diversas simulações com base no modelo da Figura 7.16, sendo al- Capítulo 7. 88 Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC teradas as congurações do cabo de acordo com o propósito, além de utilizar, em cada mudança de característica do cabo, uma simulação com o resistor de o sistema por delimitando o 0, 001s no modo max step size em Normal, com o parâmetro solver 6, 6Ω, executando setado para ode45 e 1e − 9 para uma melhor visualização do gráco da tensão. 7.6 Equipamento PLC Os testes nos circuitos, tanto em laboratório quanto na Plataforma, deverão ser feitos através da inserção de um sinal elétrico em alta frequência. Para este m foi montado um equipamento PLC especíco para esta função, cujo hardware pode ser visto na Figura 7.18. Figura 7.18: Equipamento PLC Este equipamento funciona com uma alimentação de 220V, onde a energia é drenada para uma placa de comando que gera os sinais com frequência de 100kHz, sendo que esta placa é responsável pela manutenção da frequência neste valor. Outra placa possui componentes responsáveis pela geração de informações em tempo real da tensão e corrente aplicadas no circuito em que o equipamento está acoplado. Por m, tem-se uma terceira placa, que não foi utilizada nos testes desta dissertação, onde consta um dispositivo capaz de armazenar as medições e envios/recebimentos de pulsos através da rede energizada. Resumidamente, este equipamento é o responsável pelos testes que serão realizados neste estudo. Através dele é que pode-se gerar a frequência desejada, no caso de 100kHz, inserindo as ondas de alta frequência no circuito montado em laboratório. O equipamento, por gerar uma tensão utuante, faz necessário sempre realizar as medições na fonte de Capítulo 7. Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC 89 entrada da tensão para comparar com o resultado obtido através da medição no outro ponto do trecho. Esta diferença de tensão, entre a fonte transmissora e a obtida no resistor, nos dará a porcentagem de atenuação sofrida no sinal. 7.7 Laboratório Como o objeto deste estudo é a validação de um modelo matemático, com base em simulações e medições de um sinal em alta frequência, foi realizado o teste prático com um circuito real montado no laboratório. O laboratório será utilizado para a montagem do circuito objetivando um ambiente controlado em relação a alterações climáticas, atmosféricas e interferências das frequências diversas que existem no ar. De acordo com as demonstrações realizadas nesta dissertação através de medições, foi dispensável a instalação de um transformador, visto que este não afeta o resultado das tensões e correntes, sendo apenas um isolador de circuitos. Foi criado um ambiente controlado para realizar medições e testar o funcionamento da transmissão PLC. Para tanto foi construído um circuito em laboratório, com exatamente as mesmas características do simulador. As Figuras 7.19 e 7.20 mostram o circuito construído. Figura 7.19: Circuito montado em laboratório Capítulo 7. Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC Figura 7.20: 90 Circuito montado em laboratório O circuito possui dois cabos de alumínio nu com 15m cada, dispostos em paralelo, conforme mostra a Figura 7.21. O circuito se localiza a uma altura de 2,5m do chão, composto por 30 metros de condutores divididos em dois trechos de 15m cada. O circuito é xado na parede através de sete isoladores por trecho, totalizando quatorze isoladores, vistos na Figura 7.22. Figura 7.21: Figura 7.22: Condutores em paralelo Isoladores xando os condutores Capítulo 7. Aplicação do Modelo PI na LT usando Comunicação PLC Figura 7.23: Figura 7.24: 91 Resistor de 6, 6Ω acoplado ao circuito Mesmo Resistor de 6, 6Ω acoplado ao circuito As Figuras 7.23 e 7.24 apresentam o resistor de 6, 6Ω acoplado no circuito do labora- tório da mesma forma como está na topologia da Figura 7.14. Capítulo 8 Resultados Neste capítulo serão demonstradas e apresentadas as medições realizadas no laboratório, além das simulações equivalentes que serão feitas para a comparação dos resultados. As medições serão levantadas através de diversas repetições, com médias e cálculos aproximados, tendo seus resultados comparados com as simulações realizadas. 8.1 Medição em laboratório Foi construída, em laboratório, uma rede de acordo com o circuito montado no Matlab. A diferença é que são cabos em um local isolado com temperatura controlada e sem adversidades atmosféricas. Foram realizadas dez medições de indutância, corrente e tensão, no transmissor e no resistor pois o transmissor PLC utilizado possui variação na fonte de tensão. Figura 8.1: Equipamentos Agilent e PLC em funcionamento 92 Capítulo 8. 93 Resultados Figura 8.2: Equipamento Agilent em funcionamento Na Figura 8.1 é apresentado o osciloscópio Agilent DSO-X 2014A pendurado no condutor e realizando as medições de corrente e tensão, e mostra também o equipamento PLC, sobre uma bancada, enviando os sinais de alta frequência para o circuito. Na Figura 8.2 também tem-se o osciloscópio e, no início do circuito, a conexão com o equipamento PLC. Para uma melhor apuração dos resultados, foram realizadas medições em 5 dias diferentes, utilizando-se uma média de todas as medições diárias para o cálculo. 8.1.1 Medições Dia 01 Para exemplicar, foi escolhida uma das medições realizadas no dia, onde através da Figura 8.3 tem-se a corrente (em verde) e a tensão (em laranja) medidos na fonte transmissora, e da Figura 8.4 tem-se a tensão medida no transformador. Todas as medições realizadas neste dia podem ser conferidas na Tabela 8.1. Figura 8.3: Tensão e corrente do Dia 01, medidos na fonte transmissora Capítulo 8. 94 Resultados Figura 8.4: Tensão do Dia 01, medida no resistor Tabela 8.1: Medições realizadas em laboratório no primeiro dia Medição Ângulo Corrente(A) Tensão fonte(V) 01 77,2 02 76,1 03 76,4 04 76,4 05 76,9 06 77,1 07 76,5 08 76,8 09 76,5 10 75,9 o o o o o o o o o o na Tensão no resistor(V) 0,120339393 2,6027 1,0405 0,122751515 2,5986 1,0426 0,119842424 2,5906 1,0356 0,119569696 2,5915 1,0364 0,122090909 2,5810 1,0357 0,120236363 2,5513 1,0320 0,118672727 2,5708 1,0292 0,118539393 2,5684 1,0274 0,119593939 2,5871 1,0363 0,121684848 2,5685 1,0290 Com base nos valores constantes na Tabela 8.1 realiza-se o cálculo que resultará no valor da indutância. Como tem-se dez medições no dia, opta-se por calcular uma média da tensão e corrente, principais informações necessárias. • Resistência • Reatância indutiva • Média geral da tensão da fonte • Média geral da tensão no resistor • Média geral da corrente do circuito R6 : 6,525Ω XLR6 : 2,062Ω Vi : 2,58105V V0 : 1,03447V Ii : 0,120332121A Capítulo 8. • 95 Resultados Frequência PLC f: 100kHz Vi = 2, 58105V V0 = 1, 08882V Zcabodia01 Ii = 0, 120332121A Vi 2, 58105 Zi = = = 21, 4494Ω Ii 0, 120332121 = Zi − R6 − XLR6 = 21, 4494 − 6, 525 − 2, 062 = 12, 8624Ω Zcabodia01 = Rcabo + XLcabodia01 como tem-se que o valor de Rcabo é desprezível, Zcabodia01 = XLcabodia01 XLcabodia01 12, 8624 = = 20, 4711µH 2∗π∗f 2 ∗ π ∗ 100000 Como nosso circuito é composto por dois trechos de 15m, o Lcabodia01 calculado equivale Lcabodia01 = ao comprimento de cabo de 30m. Para uma melhor compreensão, calcula-se a indutância por metro, o que equivale a Lmetrodia01 = Lcabodia01 = 0, 68237µH 30 8.1.2 Medições Dia 02 Para exemplicar, foi escolhida uma das medições realizadas no dia, onde através da Figura 8.5 tem-se a corrente (em verde) e a tensão (em laranja) medidos na fonte transmissora, e da Figura 8.6 tem-se a tensão medida no transformador. Todas as medições realizadas neste dia podem ser conferidas na Tabela 8.2. Figura 8.5: Tensão e corrente do Dia 02, medidos na fonte transmissora Capítulo 8. 96 Resultados Figura 8.6: Tensão do Dia 02, medida no resistor Tabela 8.2: Medições realizadas em laboratório no segundo dia Medição Ângulo Corrente(A) Tensão fonte(V) 01 80,3 02 80,6 03 83,2 04 83,6 05 83,0 06 80,0 07 79,4 08 82,0 09 80,2 10 79,7 o o o o o o o o o o na Tensão no resistor(V) 0,118981818 2,8320 1,0907 0,118242424 2,8263 1,0898 0,119369696 2,7981 1,0895 0,119672727 2,7965 1,0918 0,117278787 2,8247 1,0889 0,118478787 2,7802 1,0826 0,118412121 2,7968 1,0883 0,118357575 2,7924 1,0889 0,119193939 2,8005 1,0883 0,119496969 2,8209 1,0894 Com base nos valores constantes na Tabela 8.2 realiza-se o cálculo que resultará no valor da indutância. Como tem-se dez medições no dia, opta-se por calcular uma média da tensão e corrente, principais informações necessárias. • Resistência • Reatância indutiva • Média geral da tensão da fonte • Média geral da tensão no resistor • Média geral da corrente do circuito R6 : 6,525Ω XLR6 : 2,062Ω Vi : 2,80679V V0 : 1,08882V Ii : 0,118748485A Capítulo 8. • 97 Resultados Frequência PLC f: 100kHz Vi = 2, 80679V V0 = 1, 08882V Zcabodia02 Ii = 0, 118748485A 2, 80679 Vi = = 23, 6364Ω Zi = Ii 0, 118748485 = Zi − R6 − XLR6 = 23, 6364 − 6, 525 − 2, 062 = 15, 0494Ω Zcabodia02 = Rcabo + XLcabodia02 como tem-se que o valor de Rcabo é desprezível, Zcabodia02 = XLcabodia02 XLcabodia02 15, 0494 = = 23, 9519µH 2∗π∗f 2 ∗ π ∗ 100000 Como nosso circuito é composto por dois trechos de 15m, o Lcabodia02 calculado equivale Lcabodia02 = ao comprimento de cabo de 30m. Para uma melhor compreensão, calcula-se a indutância por metro, o que equivale a Lmetrodia02 = Lcabodia02 = 0, 7984µH 30 8.1.3 Medições Dia 03 Para exemplicar, foi escolhida uma das medições realizadas no dia, onde através da Figura 8.7 tem-se a corrente (em verde) e a tensão (em laranja) medidos na fonte transmissora, e da Figura 8.8 tem-se a tensão medida no transformador. Todas as medições realizadas neste dia podem ser conferidas na Tabela 8.3. Figura 8.7: Tensão e corrente do Dia 03, medidos na fonte transmissora Capítulo 8. 98 Resultados Figura 8.8: Tensão do Dia 03, medida no resistor Tabela 8.3: Medições realizadas em laboratório no terceiro dia Medição Ângulo Corrente(A) Tensão fonte(V) 01 80,5 02 79,5 03 78,7 04 79,3 05 78,8 06 79,5 07 79,8 08 78,9 09 78,8 10 79,2 o o o o o o o o o o na Tensão no resistor(V) 0,122563636 2,8158 1,1056 0,122551515 2,8138 1,1052 0,122551515 2,8138 1,1061 0,124048484 2,8171 1,1061 0,123872727 2,8183 1,1048 0,123357575 2,8176 1,1011 0,123387878 2,8179 1,1063 0,123078787 2,8162 1,1062 0,123096969 2,8180 1,1059 0,122696969 2,8090 1,1042 Com base nos valores constantes na Tabela 8.3 realiza-se o cálculo que resultará no valor da indutância. Como tem-se dez medições no dia, opta-se por calcular uma média da tensão e corrente, principais informações necessárias. • Resistência • Reatância indutiva • Média geral da tensão da fonte • Média geral da tensão no resistor • Média geral da corrente do circuito R6 : 6,525Ω XLR6 : 2,062Ω Vi : 2,81575V V0 : 1,10515V Ii : 0,123120606A Capítulo 8. • 99 Resultados Frequência PLC f: 100kHz Vi = 2, 815757V V0 = 1, 10515V Zcabodia03 Ii = 0, 123120606A 2, 815757 Vi = = 22, 8699Ω Zi = Ii 0, 123120606 = Zi − R6 − XLR6 = 22, 8699 − 6, 525 − 2, 062 = 14, 2829Ω Zcabodia03 = Rcabo + XLcabodia03 como tem-se que o valor de Rcabo é desprezível, Zcabodia03 = XLcabodia03 XLcabodia03 14, 2829 = = 22, 7319µH 2∗π∗f 2 ∗ π ∗ 100000 Como nosso circuito é composto por dois trechos de 15m, o Lcabodia03 calculado equivale Lcabodia03 = ao comprimento de cabo de 30m. Para uma melhor compreensão, calcula-se a indutância por metro, o que equivale a Lmetrodia03 = Lcabodia03 = 0, 75773µH 30 8.1.4 Medições Dia 04 Para exemplicar, foi escolhida uma das medições realizadas no dia, onde através da Figura 8.9 tem-se a corrente (em verde) e a tensão (em laranja) medidos na fonte transmissora, e da Figura 8.10 tem-se a tensão medida no transformador. Todas as medições realizadas neste dia podem ser conferidas na Tabela 8.4. Figura 8.9: Tensão e corrente do Dia 04, medidos na fonte transmissora Capítulo 8. 100 Resultados Figura 8.10: Tensão do Dia 04, medida no resistor Tabela 8.4: Medições realizadas em laboratório no quarto dia Medição Ângulo Corrente(A) Tensão fonte(V) 01 79,8 02 80,1 03 82,1 04 81,2 05 81,7 06 81,7 07 81,2 08 79,0 09 82,1 10 80,1 o o o o o o o o o o na Tensão no resistor(V) 0,120115151 2,8057 1,1002 0,120012121 2,8026 1,0961 0,120066666 2,8075 1,1015 0,120618181 2,8215 1,1019 0,119593939 2,8011 1,1027 0,120387878 2,8113 1,1006 0,120333333 2,8116 1,1014 0,119872727 2,8086 1,1023 0,116678787 2,7137 1,1006 0,120060606 2,8131 1,1026 Com base nos valores constantes na Tabela 8.4 realiza-se o cálculo que resultará no valor da indutância. Como tem-se dez medições no dia, opta-se por calcular uma média da tensão e corrente, principais informações necessárias. • Resistência • Reatância indutiva • Média geral da tensão da fonte • Média geral da tensão no resistor • Média geral da corrente do circuito R6 : 6,525Ω XLR6 : 2,062Ω Vi : 2,79967V V0 : 1,10099V Ii : 0,119773939A Capítulo 8. • 101 Resultados Frequência PLC f: 100kHz Vi = 2, 79967V V0 = 1, 10099V Zcabodia04 Ii = 0, 119773939A Vi 2, 79967 Zi = = = 23, 3746Ω Ii 0, 119773939 = Zi − R6 − XLR6 = 23, 3746 − 6, 525 − 2, 062 = 14, 7876Ω Zcabodia04 = Rcabo + XLcabodia04 como tem-se que o valor de Rcabo é desprezível, Zcabodia04 = XLcabodia04 XLcabodia04 14, 7876 = = 23, 5352µH 2∗π∗f 2 ∗ π ∗ 100000 Como nosso circuito é composto por dois trechos de 15m, o Lcabodia04 calculado equivale Lcabodia04 = ao comprimento de cabo de 30m. Para uma melhor compreensão, calcula-se a indutância por metro, o que equivale a Lmetrodia04 = Lcabodia04 = 0, 7845µH 30 8.1.5 Medições Dia 05 Para exemplicar, foi escolhida uma das medições realizadas no dia, onde através da Figura 8.11 tem-se a corrente (em verde) e a tensão (em laranja) medidos na fonte transmissora, e da Figura 8.12 tem-se a tensão medida no transformador. Todas as medições realizadas neste dia podem ser conferidas na Tabela 8.5. Figura 8.11: Tensão e corrente do Dia 05, medidos na fonte transmissora Capítulo 8. 102 Resultados Figura 8.12: Tensão do Dia 05, medida no resistor Tabela 8.5: Medições realizadas em laboratório no quinto dia Medição Ângulo Corrente(A) Tensão fonte(V) 01 78,3 02 78,5 03 79,1 04 79,2 05 77,8 06 78,6 07 79,7 08 80,0 09 79,3 10 78,9 o o o o o o o o o o na Tensão no resistor(V) 0,124745454 2,8116 1,1045 0,125151515 2,8193 1,1053 0,124721212 2,8116 1,1062 0,124636363 2,8087 1,1029 0,124666666 2,8121 1,1061 0,124436363 2,8090 1,1063 0,124430303 2,8106 1,1055 0,124375757 2,8126 1,1054 0,124636363 2,8128 1,1062 0,124533333 2,8097 1,105 Com base nos valores constantes na Tabela 8.5 realiza-se o cálculo que resultará no valor da indutância. Como tem-se dez medições no dia, opta-se por calcular uma média da tensão e corrente, principais informações necessárias. • Resistência • Reatância indutiva • Média geral da tensão da fonte • Média geral da tensão no resistor • Média geral da corrente do circuito R6 : 6,525Ω XLR6 : 2,062Ω Vi : 2,8118V V0 : 1,10534V Ii : 0,124633333A Capítulo 8. • 103 Resultados Frequência PLC f: 100kHz Vi = 2, 8118V V0 = 1, 10534V Zcabodia05 Ii = 0, 124633333A 2, 8118 Vi = = 22, 5606Ω Zi = Ii 0, 124633333 = Zi − R6 − XLR6 = 22, 5606 − 6, 525 − 2, 062 = 13, 9736Ω Zcabodia05 = Rcabo + XLcabodia05 como tem-se que o valor de Rcabo é desprezível, Zcabodia05 = XLcabodia05 13, 9736 XLcabodia05 = = 22, 2397µH 2∗π∗f 2 ∗ π ∗ 100000 Como nosso circuito é composto por dois trechos de 15m, o Lcabodia05 calculado equivale Lcabodia05 = ao comprimento de cabo de 30m. Para uma melhor compreensão, calcula-se a indutância por metro, o que equivale a Lmetrodia05 = Lcabodia05 = 0, 7413µH 30 8.1.6 Médias No circuito do laboratório foram realizadas cinquenta leituras de tensão e corrente, divididas em cinco dias com dez leituras por dia, sendo a média diária das mesmas listadas na Tabela 8.6: Tabela 8.6: Média das medições realizadas em laboratório Medição Ângulo o Dia 01 76,58 Dia 02 81,20 o o Dia 03 79,30 Dia 04 80,90 Dia 05 78,94 o o Reatância Indutância Corrente(A) Tensão Indutiva(Ω) (µH/m) 28,1129 1,3413 0,120332121 2,58105 1,03447 42,6471 2,1265 0,118748485 2,80679 1,08882 35,1373 1,7223 0,123120606 2,81575 1,10515 41,2453 2,0512 0,119773939 2,79967 1,10099 34,0198 1,6619 0,124633333 2,81180 1,10534 fonte(V) na Tensão no resistor(V) Como sempre foi utilizado o mesmo resistor, variando a tensão e a corrente, para o cálculo da indutância, deve ser feita uma média das médias diárias destes valores. A partir de uma média aritmética simples obtém-se: Capítulo 8. 104 Resultados • Resistência • Reatância indutiva • Média geral da tensão da fonte • Média geral da tensão no resistor • Média geral da corrente do circuito • Frequência PLC R6 : 6,525Ω XLR6 : f: 2,062Ω Vi : 2,763012V V0 : 1,086954V Ii : 0,1213216968A 100kHz Vi = 2, 763012V V0 = 1, 086954V Zcabomedia Ii = 0, 1213216968A 2, 763012 Vi = = 22, 7743Ω Zi = Ii 0, 1213216968 = Zi − R6 − XLR6 = 22, 7743 − 6, 525 − 2, 062 = 14, 1873Ω Zcabomedia = Rcabo + XLcabomedia como tem-se que o valor de Rcabo é desprezível, Zcabomedia = XLcabomedia XLcabomedia 14, 1873 = = 22, 5798µH 2∗π∗f 2 ∗ π ∗ 100000 foi feito nas médias diárias, tem-se o Lcabomedia Lcabomedia = Da mesma forma como comprimento de cabo de 30m. equivale ao Portanto, também tem-se que calcular a indutância por metro, Lmetromedia = Lcabomedia = 0, 75266µH 30 Para efeito de cálculo de atenuação, serão utilizados os valores médios demonstrados de tensão e corrente e do cálculo da indutância, todos os valores obtidos a partir do resistor de 6, 6Ω. • Indutância média: • Corrente média do circuito: • Tensão média medida na fonte: • Tensão média medida no resistor: 11, 2899µH(15m) 0, 1213216968A 2, 763012V 1, 086954V Tendo como base de cálculo os valores obtidos da média das medições, foi vericado que houve uma atenuação de 60, 66%. Capítulo 8. 105 Resultados 8.2 Simulação com dados de fábrica Em primeiro lugar serão realizadas as simulações tendo por base as características de fábrica do cabo. De acordo com a Tabela 7.2 e a Equação 7.2, tem-se que a resistência do cabo é de 0, 42748Ω por quilômetro e a indutância foi calculada para 0, 778µH O trecho é composto por esta simulação será de 15m (0, 015km) por metro. de condutor, então o valor a ser utilizado para 0, 0064122Ω para a resistência e 11, 67µH para a indutância padrão do cabo. Utilizando o mesmo trecho mostrado pela Figura 7.16, será alterado o trecho PI para R = 0, 0064122Ω e L = 11, 67µH , Figura 8.13: conforme pode ser observado pela Figura 8.13: Bloco PI com dados de fábrica do cabo O bloco da carga utilizada, de 6, 6Ω, foi congurado de acordo com os dados obtidos da medição e cálculo isolado do resistor, demonstrado neste capítulo, como observa-se na Figura 8.14: Figura 8.14: Bloco da carga com um resistor de 6, 6Ω Utilizando os mesmos parâmetros de execução anteriores, obtém-se a seguinte saída no osciloscópio para a voltagem e a corrente do circuito: Capítulo 8. 106 Resultados Figura 8.15: Dados de fábrica: tensão no resistor Figura 8.16: Figura 8.17: Dados de fábrica: corrente obtida Dados de fábrica: tensão inicial, nal e corrente Aqui houve uma queda de tensão no trecho, utilizando-se os parâmetros de fábrica do cabo. A tensão obteve um pico máximo de uma corrente de 0, 0557A. 0, 381V , ou seja, 61, 9% de atenuação, com Capítulo 8. 107 Resultados 8.2.1 Simulação com dados do laboratório Foi construída, em laboratório, uma rede com as mesmas características do circuito montado no Matlab/Simulink. A diferença é que são condutores em um local com temperatura controlada e sem interferências climáticas ou adversidades atmosféricas. Foi utilizado o mesmo cálculo da resistência para o cabo de acordo com os dados fornecidos pelo fabricante, ou seja, 0, 0064122Ω por trecho de 15m. Sempre utilizando o mesmo trecho mostrado pela Figura 7.16, será alterado o trecho PI para R = 0, 0064122Ω (valor declarado pelo fabricante do condutor) e L = 11, 2899µH (valor médio calculado com base nas medições de laboratório do ângulo de defasagem), conforme pode ser observado pela Figura 8.18: Figura 8.18: Bloco PI com dados da medição no laboratório Utilizando o mesmo bloco da carga utilizada, de 6, 6Ω, demonstrado pela Figura 8.14, com as mesmas congurações e parâmetros de execução: Figura 8.19: Dados de laboratório: tensão no resistor Capítulo 8. 108 Resultados Figura 8.20: Figura 8.21: Dados de laboratório: corrente obtida Dados de laboratório: tensão inicial, nal e corrente Neste caso teve um pico de tensão de de uma corrente de 0, 3907V , ou seja, 60, 93% de atenuação, além 0, 0571A. 8.3 Comparativo dos resultados obtidos Agora que tem-se todos os resultados das medições e simulações, pode-se fazer um comparativos dos valores encontrados. A Tabela 8.7 apresenta esta comparação: Tabela 8.7: Resultados obtidos com as medições e simulações 6, 6Ω Forma de obtenção Corrente Atenuação Dados do fabricante 0,0557A 61,90% Dados do laboratório (simulação) 0,05712A 60,93% Dados do laboratório (medição) 0,12132A 60,66% 6, 6Ω Capítulo 9 Conclusão Em função de avanços tecnológicos, houve um crescimento de novos conceitos, como as Smart Grids. Estas redes inteligentes se caracterizam por modernizar o antigo sistema elétrico existente, realizando integrações de automação, iluminação e telemetria para gerenciamentos de diversos recursos. É por este motivo que os modelos tradicionais que representam os sinais elétricos necessitam de alterações para representar outros sinais, em outras frequências. O nosso objetivo foi utilizar, então, sinais de alta frequência, como as transmissões Power Line Communication, realizando testes computacionais e compa- rando a resultados reais, como forma de vericar se o modelo PI consegue representar satisfatoriamente estas novas tecnologias de transmissão. Para os testes foi resolvido realizar medições em alta frequência em um trecho de rede de distribuição de energia em MT em escala reduzida, onde um Emulador validado em transmissões com frequência de 60Hz foi utilizado. Foram estendidos os testes para a medição em BT, onde foi construído um trecho de distribuição de energia elétrica em laboratório, sendo instalado um sistema de transmissão PLC para a obtenção dos dados das medições. Todos os circuitos, tanto em MT quanto em BT, tiveram seus resultados comparados a simulações computacionais a partir de circuitos montados com as mesmas características dos reais no software Matlab/Simulink. Em um primeiro momento foi utilizado o Emulador onde teve-se as mesmas características, em escala reduzida de um trecho em MT, onde foi inserido um sinal de 90kHz direto na LT, com tensão escalada em 1V. Neste circuito, replicado no também foi aplicado o sinal PLC de 90kHz. Matlab/Simulink, A leitura do sinal foi obtida no nal do trecho, aquele com provável maior atenuação. Para comparação foram escolhidos quatro ciclos completos de tensão, tanto no Emulador quanto na simulação, onde vericou-se que ambos os grácos seguem a mesma ondulação. Existem diversas distorções no gráco do Emulador, pois foram utilizadas tensão e corrente reduzidas e os ruídos existentes não atuam de forma escalar. Não foram aplicados ltros de ruídos para não inuenciar nos 109 Capítulo 9. 110 Conclusão resultados em escala reduzida. A partir dos resultado obtidos não foi possível concluir que o modelo PI representa satisfatoriamente nas transmissões em alta frequência. Tiveram prosseguimento os testes em uma rede elétrica de baixa tensão. Foi montado em laboratório um circuito objetivando um ambiente controlado do ponto de vista de alterações climáticas, atmosféricas entre outras interferências existentes no ar. Foram realizados cinco dias de testes, com dez repetições cada dia, onde obteve-se uma atenuação média de 60, 66%. simulado no Depois de realizadas as medições em laboratório, o mesmo circuito foi Matlab/Simulink. Primeiramente foi simulado o circuito criado com base nos valores de fábrica do condutor, onde obteve-ve uma atenuação de 61, 9%. Na simulação utilizando os valores obtidos em laboratório, e substituindo as características de indutância do modelo PI no circuito simulado computacionalmente, obteve-se uma atenuação de 60, 93%. Neste sentido verica-se que a diferença é inferior a 1 % o que comprova que o modelo PI pode ser utilizado para simular um trecho de distribuição de energia a partir da transmissão PLC. Destaca-se ainda que conforme informações do Datasheet [45] do fabricante do modem PLC, utilizado neste trabalho, a faixa funcional de um sinal PLC pode ser transmitido entre 70kHz e 138kHz , a uma tensão de 7V podendo ser recebido com 700µV , isto através de condutores dedicados. Portanto, de acordo com esta informação, pode-se assumir que um sinal PLC pode ser transmitido e recebido com uma taxa de atenuação de aproximadamente 99%. A partir dos resultados parciais apresentados neste trabalho é possível avaliar como positiva a utilização do Modelo PI para representar a transmissão de um sinal PLC em uma rede elétrica de baixa tensão. Pretende-se ainda, como trabalhos futuros, estender o presente trabalho no que se refere a pesquisar o limite de atenuação máximo que um sinal PLC pode suportar. Ainda como trabalhos futuros pretende-se adicionar ao modelo simulado variáveis que podem alterar este limite de atenuação como por exemplo ruídos. Referências Bibliogracas [1] M. J. L. V. R. 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