implementação de uma rede smart grid

IMPLEMENTAÇÃO DE UMA REDE SMART GRID - SOLUÇÃO DE
COMUNICAÇÃO E ROTEAMENTO
Ricardo Rodrigues de Araújo1, Juliana Duarte Ferreira2, Júlio César Mendes3, Pedro Klécius Cardoso4
1,4
IFCE - Fortaleza - CE, 2,3 CEMAR - São Luis - MA
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Resumo - A necessidade do uso racional de energia
elétrica fomentou o desenvolvimento do conceito de Smart
Grid, no qual a rede elétrica passa a ser monitorada e
controlada em toda sua extensão. Uma rede Smart Grid
pressupõe a existência de vários nós distribuídos e
dotados de inteligência para a aquisição de dados e com
capacidade para realizar comunicação bidirecional com
os demais elementos da rede. Este trabalho aborda uma
solução de comunicação para Smart Grid implementada
na rede elétrica da Companhia Energética do Maranhão.
Foram utilizadas as tecnologias RF e PLC para
estabelecer comunicação entre os nós. Foi desenvolvido
um novo protocolo (SGR - Smart Grid Routing) de
roteamento adaptado às peculiaridades dessa rede. Os
resultados obtidos na rede implementada mostram a
viabilidade da solução proposta.
Palavras-Chave – Protocolo de Roteamento, Redes
Mesh Sistemas de Medição Eletrônica, Smart Grid.
IMPLEMENTING A SMART GRID NETWORK – A ROUTING AND COMMUNICATION SOLUTION
Abstract – The need for rational use of electricity
fostered the development of the concept of Smart Grid, in
which the grid is monitored and controlled throughout its
length. A Smart Grid assumes the existence of multiple
nodes distributed over the grid for data acquisition and
ability to perform bidirectional communication with
other network elements. This paper presents a
communication solution for Smart Grid deployed in the
grid of Companhia Energética do Maranhão. We used
RF and PLC technologies to communicate between
nodes. We developed a new routing protocol (SGR Smart Grid Routing) adapted to the peculiarities of this
network. The results obtained in the network
implemented demonstrate the feasibility of the proposed
solution.
1
Keywords – Electronic Metering Systems, Mesh
Networks, Routing Protocol, Smart Grid.
1
Nota de rodapé na página inicial será utilizada apenas pelo editor para
indicar o andamento do processo de revisão. Não suprima esta nota de
rodapé quando editar seu artigo.
I. INTRODUÇÃO
O modelo de distribuição de energia usado na maior parte
do mundo precisa evoluir para um paradigma mais eficiente.
A necessidade do uso mais racional da energia e dos recursos
fomenta o desenvolvimento de novos modelos de
distribuição. Por isto, há uma tendência mundial para
desenvolver uma rede inteligente de energia que permita não
só a produção distribuída de energia, como também a
comunicação bidirecional de vários elementos medidores
espalhados por toda a rede, permitindo um maior controle
sobre a qualidade da energia fornecida, perdas técnicas e
comerciais e outros parâmetros importantes [1]. O Smart
Grid, como é chamado este conceito de rede elétrica, pode
trazer diversas melhorias para toda a cadeia de produção,
distribuição e consumo de energia elétrica [2],[3].
Uma rede Smart Grid pressupõe a existência de vários nós
distribuídos e dotados de inteligência para a aquisição de
dados e com capacidade para realizar comunicação
bidirecional com os demais elementos da rede. Portanto, a
existência de uma estrutura de comunicação de dados é
fundamental para a implantação de uma Smart Grid [4].
Diversas tecnologias podem dar suporte à implantação desta
rede de comunicação tais como: GPRS (General Packet
Radio Service), PLC (Power Line Communication), rádio
enlace, meios confinados, entre outras [5], [6]. A escolha da
solução de comunicação a ser adotada depende, dentre outras
coisas, da disponibilidade de infraestrutura necessária para
cada tecnologia, densidade e distância entre nós, etc. De fato,
soluções adotadas em grandes centros urbanos não têm,
necessariamente, seus resultados aplicáveis a cidades de
menor porte, sobretudo aquelas situadas na zona rural. É
neste tipo de cenário que o custo de implantação de um
Smart Grid pode ser maior devido à falta de uma
infraestrutura adequada. No entanto, também é neste cenário
que a redução dos custos operacionais devido ao uso de
Smart Grid pode ser mais significativa.
Um ambiente rural apresenta algumas particularidades que
impactam sobre a escolha das tecnologias de comunicação
aplicáveis. De uma maneira geral, a infraestrutura de
comunicação de dados através da tecnologia GPRS é
deficiente em pequenas cidades. Outra característica do meio
rural é a densidade e a distribuição espacial das unidades
consumidoras. É comum a existência de pequenas
comunidades rurais que distam alguns quilômetros de suas
comunidades vizinhas. Ou seja, alguns ambientes rurais são
caracterizados por grandes vazios populacionais e algumas
ilhas de usuários da rede de energia elétrica agrupados em
pequenos povoados. Nesta situação, dificilmente encontra-se
alguma infraestrutura de comunicação de dados, o que obriga
a implantação de uma solução para dar suporte à instalação
de uma rede Smart Grid.
Dentre as tecnologias disponíveis, pode-se dividir em dois
grupos: transmissão em meio confinado e transmissão por
rádio enlace. No caso de transmissão por meio confinado, a
tecnologia disponível seria o PLC que usaria a própria rede
de distribuição de energia elétrica como suporte de
transmissão. Para a comunicação à longa distância, seria
preciso usar a tecnologia de PLC de média/alta tensão. No
entanto, os custos, principalmente devido ao uso de
acopladores para redes de média/alta voltagem, são elevados
o que torna a tecnologia onerosa. Com relação à transmissão
por rádio enlace, há várias tecnologias disponíveis: enlace de
microondas, transmissão por satélite, rádios UHF (Ultra
High Frequence), sendo esta última a mais interessante do
ponto de vista da relação custo/benefício.
No que diz respeito à topologia da rede, uma aplicação
Smart Grid é caracterizada pela existência de diversos nós
colocados em subestações, transformadores de média tensão,
unidades consumidoras, os quais enviam e recebem
informações de unidades concentradoras de dados. Assim,
uma unidade concentradora de dados se comunica com
centenas de nós que se espalham geograficamente de acordo
com os ramais de distribuição da rede elétrica. Em ambientes
rurais, é comum que a rede assuma um formato tentacular,
sendo o(s) nó(s) concentrador(es) colocado(s) no centro da
rede. Desta forma, a comunicação fim-a-fim ocorre entre nós
que distam quilômetros entre si. Para a realização deste tipo
de comunicação através de rádio enlace por meio de um
único salto, seria necessário o uso de transceptores de alta
potência, o que traria alguns inconvenientes, tais como: custo
dos equipamentos e poluição do espectro de rádio freqüência.
Uma solução para estes problemas seria a implementação de
uma rede Ad hoc sem fio com topologia mesh com
capacidade de estabelecer uma comunicação fim-a-fim
através de múltiplos saltos. Desta maneira é possível a
utilização de rádios de menor potência com menor custo e
com devida homologação dos órgãos competentes. Tal
solução é largamente empregada em redes de sensores sem
fio.
Este trabalho aborda uma solução de comunicação para
uma rede Smart Grid implantada na rede elétrica da CEMAR
(Companhia Energética do Maranhão). A solução foi
desenvolvida através de um projeto de P&D financiado com
recursos do fundo setorial da ANEEL, tendo como parceiros
a CEMAR e o IFCE (Instituto Federal de Educação, Ciência
e Tecnologia do Ceará). No projeto é proposto o uso das
tecnologias de rádio UHF e PLC de baixa tensão como forma
de estabelecer comunicação entre os nós da rede. Foi
desenvolvido um protocolo de roteamento automático com
capacidade de múltiplos saltos e reconfigurável em caso de
quebra de rotas aplicável a uma rede mesh com comunicação
via rádio enlace e PLC.
O restante do trabalho está organizado da seguinte forma:
na sessão II é apresentada a proposta para solucionar o
problema de comunicação em ambientes rurais; a descrição
do protocolo de roteamento proposto é feita em III; os
resultados são discutidos em IV e na sessão V são
apresentadas as conclusões do trabalho.
II. SOLUÇÃO PROPOSTA
As características de uma rede de comunicação para dar
suporte a uma aplicação Smart Grid devem ser tais que:
permita a inclusão de novos nós de forma fácil e rápida,
possua confiabilidade na transmissão de pacotes, proveja
robustez necessária para restabelecimento de comunicação
em caso de perda de rota por motivos diversos, seja capaz de
estabelecer comunicação fim-a-fim entre nós distantes
através de múltiplos saltos, produza baixa latência [6]. Do
ponto de vista financeiro, o custo dos equipamentos
envolvidos deve ser baixo de forma a viabilizar a
implantação da rede em larga escala.
Neste trabalho, é proposta uma topologia (hierarquia) de
rede formada por um servidor central, o qual armazena e
processa as informações coletadas na rede, estabelece uma
interface com o usuário (concessionária, usuário consumidor,
etc.) e gerencia toda a rede. Este servidor envia suas
solicitações aos nós concentradores, os quais gerenciam
grupos de nós de coleta de dados, aqui chamados de nós
terminais. O nó concentrador ao receber as solicitações do
servidor central, as encaminha aos nós terminais envolvidos,
recebe as respostas destes e, finalmente, as envia ao servidor
central. Esta topologia (hierarquia) é mostrada na Figura 1.
Numa Smart Grid, a rede de comunicação segue a topologia
da malha de distribuição de energia elétrica. Em ambientes
rurais, a cidade é servida por uma subestação da qual saem
diversos ramais de alimentação em média tensão. A estes
ramais, estão ligados transformadores de baixa tensão, os
quais alimentam as unidades consumidoras. Os elementos da
rede são dispostos juntos aos elementos da malha de
distribuição. Assim, o servidor central é localizado na sede
da concessionária, os nós concentradores ficam nas
subestações e os nós terminais ficam nos transformadores de
baixa e nas unidades consumidoras.
A comunicação entre os elementos da rede ocorre de
formas diferentes de acordo com os requisitos de banda
necessários e as tecnologias disponíveis para cada caso. O
maior fluxo de dados ocorre entre servidor central e
concentradores. Estes elementos estão instalados em locais
onde, normalmente, há acesso a internet através de fibra
óptica, ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), GPRS
ou outra tecnologia. Logo, a solução de comunicação mais
adequada para a interligação destes elementos é através do
protocolo TCP/IP sobre um suporte físico ethernet. A
comunicação entre nós concentradores e os nós terminais
instalados em transformadores deve ser feita através de
enlaces de rádio, uma vez que o uso da tecnologia PLC sobre
média tensão é oneroso. Já a comunicação entre os
concentradores e os terminais instalados nas unidades
consumidoras é realizada com a intermediação de um nó
terminal instalado em um transformador. Assim, nós
terminais em unidades consumidoras se comunicam com o
nó terminal no transformador através da tecnologia PLC de
baixa tensão. O nó terminal instalado no transformador, aqui
chamado de nó terminal misto, se comunica com o
concentrador através de um enlace de rádio, podendo haver
saltos em nós terminais intermediários caso a distância não
permita um enlace direto.
Para o correto funcionamento desta topologia, é preciso
utilizar um protocolo de roteamento adaptado para uma rede
mesh com múltiplos saltos e que atenda as características da
rede de comunicação citadas anteriormente. É possível
encontrar soluções comerciais de baixo custo para
comunicação via rádio com protocolos implementados que
atendam as necessidades apontadas, no entanto estas
soluções apresentam um inconveniente que impossibilita sua
utilização para comunicação a grandes distâncias: baixa
potência de transmissão (< 20dBm). Rádios com maior
potência (>30dBm) e protocolo implementado demandam
um investimento muito elevado. Soluções comerciais que
agreguem baixo custo e alta potência implementam
protocolos de roteamento ponto-a-ponto, ponto-multiponto,
os quais não se adéquam a uma rede mesh. Diante disto, foi
proposta a implementação de um protocolo de roteamento
com as características apontadas previamente de forma a
viabilizar a utilização desses rádios na rede. O protocolo
proposto funciona acima da camada MAC (Media Access
Control) e possui todas as funcionalidades dos protocolos
existentes adicionado de funcionalidades peculiares a esta
aplicação Smart Grid.
CEMAR
SERVIDOR
SMART-GRID
BANCO
DE DADOS
ETHERNET
/GPRS
SUBESTAÇÃO
CONCENTRADOR
CONCENTRADOR
RÁDIO
CONCENTRADOR
RÁDIO
TERMINAIS
RÁDIO
RÁDIO
RÁDIO
DISPLAY
RÁDIO
PLC
PLC
DISPLAY
DISPLAY
REDE PLC
REDE PLC
Fig. 1. Topologia da rede Smart Grid
A. Soluções existentes
Os protocolos de roteamento em redes Ad hoc sem fio são
classificados em duas categorias: pró-ativos e reativos. Em
protocolos pró-ativos, os nós da rede mantêm uma tabela de
roteamento de tal forma que no momento do envio de uma
mensagem para qualquer outro nó da rede, uma rota válida já
existe. Para tanto, aplica-se métodos para atualização das
rotas. Isto implica num consumo da banda passante para a
difusão e atualização das tabelas de rotas. Já em um
protocolo reativo, a rota é estabelecida no momento que
antecede o envio de uma mensagem. Desta forma, há um
atraso inicial para o envio de dados, por outro lado, diminuise o tráfego de mensagens de controle comparativamente aos
protocolos pró-ativos, o que os torna mais adequados para
redes com um número grande de nós e com elevada
mobilidade [7], [8].
Dentre os principais protocolos, destacam-se: O protocolo
DSDV (High Dynamic Destination Sequenced Distance
Vector Protocol) é um protocolo pró-ativo baseado no
algoritmo de roteamento Bellman-Ford, ou seja, utiliza a
abordagem vetor de distância; o protocolo DSR (Dynamic
Source Routing) que implementa uma busca por rota que visa
diminuir o tráfego de pacotes de solicitação pela rede e o
protocolo AODV (Ad hoc On demand Distance Vector
Protocol), de natureza reativo, este protocolo agrega
características dos protocolos DSDV e DSR [7]-[10].
III. PROTOCOLO SGR
O protocolo de roteamento para uma rede Smart Grid
proposto neste trabalho (Smart Grid Routing) apresenta
algumas características que não são previstas nos protocolos
mencionados previamente: os nós da rede não possuem
mobilidade; não há necessidade que todos os nós possuam
uma rota para os demais nós da rede; somente o nó
concentrador precisa manter uma tabela contendo os demais
nós; um nó terminal precisa de entradas na tabela de rota
para o nó concentrador e para nós terminais para os quais ele
atue como um nó intermediário na rota; rotas com menor
número de saltos devem ser priorizadas como forma de
reduzir a latência; rotas permanecem estáticas, sendo
modificadas somente em caso de quebra da mesma.
Por não haver mobilidade, os protocolos reativos não são
adaptados uma vez que a rota não necessita ser atualizada a
cada transmissão, podendo manter-se estática até que haja
uma interrupção da mesma por pane em um dos nós que a
compõe ou falha na comunicação por outros motivos,
desvanecimento profundo, por exemplo. Pelo mesmo motivo,
é desnecessária a troca frequente de mensagens usadas nos
protocolos pró-ativos entre os nós para manter as tabelas
atualizadas e funcionais. Neste trabalho, é proposto um
protocolo que reúne algumas características de protocolos
pró-ativos e reativos de maneira a formar um conjunto de
regras que melhor se adaptem às características da solução de
comunicação sugerida para a rede Smart Grid.
A. Descrição
No protocolo proposto, cada terminal introduzido na rede
iniciará um processo de descoberta de rotas que consiste no
envio em broadcast aos seus vizinhos de um pacote de
requisição de rota chamado de Route Request RREQ, o qual
possuirá os campos vistos no Quadro I.
QUADRO I
Campos do pacote RREQ
Número de sequência
Id. de requisição de rota
Endereço da fonte
Endereço do destino
Números de saltos
Lista de endereços
Os campos ‘Número de sequência’ e ‘Endereço da fonte’
identificam unicamente um pedido de requisição de rota, a
fim de que não haja repetições (loops) desnecessárias e
congestionamento na rede. Desta maneira, os nós
intermediários só replicarão na rede pacotes de requisição de
rotas que não tenham sido processados anteriormente ou
pacotes que já tenham sido processados, porém contendo um
número de saltos inferior ao anteriormente processado. O
‘identificador de requisição de rota’ tem a finalidade de
diferenciar este pacote dos demais pacotes que circulam na
rede. O campo ‘Endereço de destino’ contém o número único
de rede do nó que se deseja alcançar. O campo ‘Número de
saltos’ indica quantos saltos o pacote realizou até chegar ao
nó atual e servirá como critério para escolha de rota no caso
de haver mais de um caminho possível entre fonte e destino.
O campo ‘Lista de endereços’ registra os endereços dos nós
terminais por onde a mensagem passou e, se a rota for
escolhida, será o caminho por onde o pacote passará de volta.
Quando um nó terminal receber uma requisição de rota, este
comparará o endereço do destino com o seu próprio endereço
e caso estes não coincidirem, o nó terminal buscará em sua
tabela de roteamento se há uma rota para o destino. Se o
endereço destino não for o dele e o terminal não conhecer
uma rota ao destino, ele adicionará seu endereço no campo
‘Lista de endereços’, incrementará o valor no campo
‘Número de saltos’ e retransmitirá em broadcast o pacote aos
seus vizinhos. Este procedimento será repetido até que se
alcance o destino final descrito no pacote ou algum nó que
conheça a rota para chegar ao destino.
Considerando que algum nó receba este pedido e não seja
o destino final, porém conheça a rota para se chegar ao nó de
destino descrito no pacote, este não mais retransmitirá o
pacote de requisição em broadcast aos seus vizinhos. Ao
invés disto, ele transmitirá o pacote de requisição em unicast
até o nó destino. Contudo, os procedimentos de acrescentar
seu endereço ao campo ‘Lista de endereços’ e incrementar o
valor do campo ‘Número de saltos’ serão repetidos até que o
pacote chegue ao nó destino. De fato, a única diferença que
há após o pacote chegar a um nó que conheça a rota até o
destino é que o mesmo deixará de ser transmitido em
broadcast pela rede e passará a ser transmitido em unicast
até o destino.
Ao chegar ao destino, o nó, ao verificar que o endereço
contido no campo ‘Endereço do destino’ é o seu próprio
endereço, não mais retransmitirá o pacote de requisição. O
nó destino esperará por um tempo determinado para verificar
se outros pacotes relativos à mesma requisição chegam a ele
através de outras rotas. Ao fim deste tempo, o nó destino
escolherá a melhor rota como sendo a que contem o menor
número de saltos. Após escolher a melhor rota, ele enviará
um pacote chamado Route Reponse RREP ao nó que gerou a
requisição de rota (nó cujo endereço está identificado no
campo ‘Endereço da Fonte’). O pacote RREP é mostrado no
Quadro II.
QUADRO II
Campos do pacote RREP
Número de sequência
Id. de Resposta de Rota
Endereço da Fonte
Endereço do Destino
Números de Saltos
Lista de endereços
Os campos ‘Identificador de Broadcast’ e ‘Endereço da
fonte’ identifica unicamente um pedido de requisição de rota.
O ‘Número de sequência’ deve ter o mesmo valor do
respectivo campo do pacote RREQ que deu origem ao
pedido de rota. O ‘identificador de resposta de rota’ tem a
finalidade de diferenciar este pacote dos demais pacotes que
circulam na rede como parte do protocolo de descoberta de
rotas. O ‘Endereço da fonte’ indica o nó que gerou o pedido
de rota. O ‘Endereço de destino’ indica para qual terminal se
quer estabelecer uma rota na rede. O ‘Número de saltos’
quantifica os saltos dados por esta mensagem para chegar do
terminal solicitante até o nó destino. O campo ‘Lista de
endereços’ registra os endereços dos terminais por onde a
mensagem passou. Este campo serão os mesmos do pacote
de requisição de rota acrescido do endereço do terminal que
respondeu à requisição.
O pacote RREP ao passar pelos nós da rede servirá para o
preenchimento das tabelas de roteamento de cada nó. A
tabela de roteamento possui os seguintes campos: Endereço
do destino, Endereço do próximo salto e Número de saltos
até o destino.
Na tabela local de roteamento, o campo ‘Endereço de
destino’ representa o endereço do terminal de destino de um
pacote qualquer. O campo ‘Próximo salto’ indica qual será o
próximo terminal para onde será retransmitido um pacote. O
campo ‘Número de saltos’ indica a quantidade de
retransmissões necessárias para se alcançar o destino.
O pacote RREP será transmitido de forma unicast,
partindo do nó destino e indo até o nó fonte, passando, no
sentido inverso, pelos nós listados no campo ‘Lista de
endereços’. Um nó, ao receber o pacote RREP, verificará se
o campo ‘Endereço da Fonte’ é seu próprio endereço. Se sim,
o pacote não será retransmitido, o campo ‘Número de
seqüência’ será conferido para averiguar se corresponde a
uma requisição de rota em aberto. Se não, o pacote será
descartado. Se sim, o nó fonte atualizará sua tabela de
roteamento colocando o endereço do nó destino, o endereço
do próximo nó e o número de saltos necessários para
alcançar o destino. Se o endereço da fonte não corresponde
ao seu próprio endereço, o nó verificará se sua tabela de
roteamento já contém rotas para o nó destino e para o nó
fonte. No caso de não possuir rota para o nó destino, ele
preencherá o campo ‘Endereço de destino’ de sua tabela com
o endereço do nó destino contido no pacote RREP. Em
seguida, preencherá o campo ‘Próximo salto’ de sua tabela
com o endereço do nó vizinho a ele na direção do destino.
Para isto, ele consultará o campo ‘Lista de endereços’, achará
sua posição na lista e identificará o endereço de seu vizinho
na direção do nó destino. Também será necessário contar o
número de saltos até o nó destino e preencher o campo
‘Número de saltos’ com este valor. No caso de não possuir
rota para o nó fonte, ele preencherá o campo ‘Endereço de
destino’ de sua tabela com o endereço do nó fonte contido no
pacote RREP. Em seguida, preencherá o campo ‘Próximo
salto’ de sua tabela com o endereço do nó vizinho a ele na
direção do destino usando o mesmo procedimento descrito
anteriormente. Em seguida preencherá o campo ‘Número de
saltos’ de sua tabela de rotas.
É interessante que um nó que participa da rota entre um nó
terminal e o nó concentrador tenha rotas para todos os nós
intermediários entre ele e o nó terminal em questão. Desta
forma, ao receber um pacote RREP, cada nó intermediário
verificará se dispõe de rota para cada um dos nós listados nos
campo ‘Lista de endereços’ que esteja entre ele e o nó
terminal que faz parte de um dos extremos da rota (nó fonte
ou nó destino dependendo do sentido da requisição de rota).
Se não tiver uma rota, preencherá sua tabela de roteamento
da maneira que foi descrita no parágrafo anterior, colocando
no campo ‘Endereço de destino’ o endereço do nó
intermediário correspondente.
No caso de uma rota entre um nó fonte e um nó destino
ser interrompida, a rota deve ser apagada e uma nova
requisição de rota deve ser feita Também é possível que o
concentrador, durante o processo de análise dos pacotes
RREQ, descubra uma rota melhor para um determinado nó.
Nesta situação, a rota antiga deve ser apagada e uma nova
rota estabelecida.
O procedimento para apagar uma rota já existente se dará
através do envio de um pacote Route Delete RDEL. Este
pacote tem o formato mostrado no Quadro III:
QUADRO III
Campos do pacote RDEL
Número de seqüência
Identificador de atualizador de rota
Endereço da fonte
procedimento adotado, as tabelas de rotas de todos os
participantes de uma rota serão atualizadas,
diminuindo o tráfego de pacotes de requisição de
rotas.
2- A escolha de uma rota é baseada na quantidade de
saltos, tal como ocorre no AODV, de forma a
privilegiar rotas menores, mas outros critérios como
qualidade de enlaces de rádio podem ser adicionados
de maneira a escolher rotas mais confiáveis.
IV. RESULTADOS
A validação do protocolo e a avaliação de seu
desempenho foram feitas através de simulações e de testes
em campo, como mostrado na Figura 2. Foram testadas as
capacidades de: criar rotas com o menor número de saltos,
restabelecer rotas em caso de pane em nós da rede e evitar a
ocorrência de loops das mensagens trocadas na rede.
Endereço do destino
O ‘Número de seqüência’ identifica o pacote para que não
haja duplicações na rede. O ‘Identificador de atualizador de
rota’ identifica a função do pacote. O ‘Endereço da fonte’
identifica o nó que deseja eliminar uma rota antiga e o
‘Endereço do destino’ representa o endereço final da rota a
ser apagada.
Um nó, após descobrir que sua rota atual até o destino está
interrompida, envia o pacote RDEL para o próximo nó da
rota em direção ao nó destino. Um nó, ao receber um pacote
RDEL, verifica o endereço do nó destino em sua tabela de
roteamento. Apaga a entrada correspondente em sua tabela e
retransmite o pacote RDEL para o próximo nó da rota antiga.
Este procedimento é repetido até que o pacote chegue ao nó
destino. Este, ao receber o pacote RDEL, apagará sua entrada
na tabela de roteamento correspondente ao endereço do nó
fonte. Ao final deste procedimento toda a rota antiga terá
sido apagada das tabelas de roteamento dos nós que
participavam da rota em questão. O nó que gerou o pacote
RDEL (nó fonte) deverá enviar um pacote RREQ até o nó
destino a fim de estabelecer uma nova rota até ele
Para identificar uma rota interrompida, o nó concentrador,
o único a possuir rotas para todos os demais nós, envia um
pacote chamado de Keep Alive para os nós da rede. Cada nó,
ao receber este pacote envia ao concentrador uma resposta
adicionando seu endereço. Os demais nós participantes da
rota também adicionarão seus endereços ao pacote de
resposta de forma a informar que a rota dos mesmos também
está ativa. O concentrador inicia este processo enviando
pacotes Keep Alive para os nós mais distantes (maior número
de saltos) como maneira de diminuir o número de pacotes
necessário para testar todas as rotas. Caso algum nó deixe de
responder ao Keep Alive, a rota é considerada interrompida e
uma nova rota deve ser estabelecida.
O procedimento de descoberta de rota proposto tem duas
diferenças importantes dos protocolos existentes:
1- O pacote RREQ chega até o nó destino mesmo que
encontre um nó intermediário que conheça uma rota
até o mesmo. Isto é feito para que o concentrador
tome conhecimento de novos nós que entram na rede.
Outro motivo para isto deve-se ao fato de que com o
Fig. 2 Implantação de rede piloto em Rosário, MA. Teste de
restabelecimento de rota.
A simulação foi feita usando o aplicativo NS-2, no qual
foi implementada uma aplicação contendo as regras de
roteamento do algoritmo SGR, a fim de avaliar a capacidade
de estabelecer todas as rotas usando o menor número de
saltos e restabelecer rotas interrompidas [11]. Foram
simuladas redes com 15, 50 e 100 nós. Em todas as
situações, o algoritmo foi capaz de estabelecer rotas
contendo o menor número de saltos possível entre os
terminais e o concentrador. Também foi testada a capacidade
de restabelecimento de comunicação em caso de quebra de
rota. Em todas as simulações realizadas, as rotas foram
restabelecidas.
Os testes em campo foram feitos em uma rede piloto
implantada na cidade de Rosário, Maranhão. Foram
instalados um nó concentrador e 54 nós terminais, sendo 46
usando rádio UHF e 8 usando tecnologia PLC. O nó
concentrador foi instalado na subestação que alimenta a
cidade. Os demais nós foram dispostos como mostra a Figura
2. A comunicação entre o nó concentrador e o servidor, o
qual foi instalado na sede da CEMAR, foi realizada através
da rede da Concessionária por meio de protocolo TCP/IP.
A instalação de cada nó foi seguida do procedimento de
descoberta de rota. Foram realizados testes de
restabelecimentos de rotas em caso de pane em nós da rede.
Para isto, foram desligados nós terminais que participavam
de rotas como nós intermediários. Nos testes realizados, as
rotas interrompidas foram apagadas e novas rotas foram
estabelecidas usando outros nós intermediários. A Figura 2
ilustra um destes testes. Em azul temos uma rota inicial entre
o terminal NT23 e o concentrador NC1. O terminal NT25 foi
desligado e uma nova rota foi estabelecida passando desta
vez pelo terminal NT21. A nova rota é mostrada em
vermelho.
Diversas funcionalidades foram implementadas na rede
piloto instalada. Dentre elas, destacam-se: leitura de
contadores do medidor de unidade consumidora, leitura de
parâmetros do trafo (tensão e corrente por fase,
balanceamento e carregamento do trafo), disponibilidade de
energia, qualidade de energia, corte e religamento remotos de
unidades consumidoras, implementação de memória de
massa em medidores de unidades consumidoras, leitura do
histórico de consumo de usuários, geração de alarmes em
caso de ocorrências (interrupção de fornecimento, fraude em
medidor). Nas Figuras 3 e 4 são mostradas telas da interface
com o usuário do aplicativo que é executado no servidor.
Pretende-se, em uma próxima etapa, estender a rede para
toda uma cidade, o que permitirá uma melhor avaliação do
protocolo e da solução de comunicação em condições reais
de campo e com um número expressivo de nós na rede.
Fig. 4 Tela do aplicativo – leitura de parâmetros do transformador.
V. CONCLUSÃO
As simulações realizadas no NS-2 e os testes em campo
mostram que a topologia proposta para a rede atende, neste
momento, aos requisitos da aplicação Smart Grid. Foi
possível monitorar os parâmetros da rede elétrica (qualidade,
disponibilidade, balanceamento e carregamento de
transformadores), identificar e gerar alarmes de ocorrências,
dentre outras funções. O protocolo de roteamento
desenvolvido mostrou-se capaz de gerar rotas com o menor
número de saltos e restabelecer automaticamente rotas
interrompidas por falhas em nós intermediários. A solução de
comunicação baseada em múltiplos saltos e o protocolo
desenvolvido SGR permitiram o uso de dispositivos RF e
PLC de baixo custo, tornando viável economicamente a
implementação da rede Smart Grid.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi financiado com recursos da ANEEL
(Programa Anual de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico da CEMAR) projeto de P&D Código ANEEL:
APLPED0037_PROJETOPED_0012_S02, tendo
como
parceiros o IFCE e a CEMAR.
REFERÊNCIAS
Fig. 3 Tela do aplicativo – leitura de níveis de tensão em unidade
consumidora.
[1] European Technology Platform SmartGrids, "Strategic
Deployment Document for Europe’s Electricity Networks
of the Future", Final Report, 20 April 2010. Disponível
em: http://www.smartgrids.eu/ último acesso em
12/03/2012.
[2] ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica. “Nota
Técnica nº 0044/2010-SRD/ANEEL”, [ONLINE]
http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/audiencia/arquivo/20
10/043/documento/nota_tecnica_0044_2010_srd.pdf.
Último acesso realizado em 19/08/2012
[3] L. Peretto, "The role of measurements in the smart grid
era", Instrumentation & Measurement Magazine, IEEE,
2010, Volume: 13 , Issue: 3, Page(s): 22 - 25
[4] M. Hashmi, S. Hanninen, K. Maki, “Survey of smart grid
concepts, architectures, and technological demonstrations
worldwide”, Innovative Smart Grid Technologies (ISGT
Latin America), 2011, pp 1 - 7 , 2011
[5] Yongjin Kwon; Tzu-Liang Tseng, "Remote monitoring
and control of smart grid power network system", 40th
International Conference on Computers and Industrial
Engineering (CIE), 2010, Page(s): 1 - 6
[6] V.K. Sood, D. Fischer, J.M. Eklund, T. Brown,
"Developing a communication infrastructure for the
Smart Grid", Electrical Power & Energy Conference
(EPEC), 2009 IEEE, Page(s): 1 - 7
[7] Daniel F. Macedo, Luiz H. A. Correia, Aldri L. dos
Santos, Antonio A. F. Loureiro e José M. Nogueira. “A
pro-active routing protocol for continuous data
dissemination wireless sensor networks”. In 10th IEEE
Symposium on Computer and Communications (ISCC),
páginas 361_366, Junho 2005.
[8] Daniel F. Macedo, “Um Protocolo de Roteamento para
Redes de Sensores Sem Fio Adaptável por Regras de
Aplicação”, Dissertação de Mestrado, UFMG, Março,
2006.
[9] C. Perkins; E. Belding-Royer, "Ad hoc On-Demand
Distance Vector (AODV) Routing", RFC- 3561, IETF
July 2003
[10] R. Yang; Z. Y. Li, A stablity routing protocols base on
Reverse AODV, International Conference on Computer
Science and Network Technology (ICCSNT), 2011, pp
2419 – 2423, 2011
[11] The network simulator ns-2. http://isi.edu/nsnam/ns.
DADOS BIOGRÁFICOS
Ricardo R. de Araújo, Possui graduação em Engenharia
Eletrica pela Universidade Federal do Ceará (1996),
mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual
de Campinas (1999) e doutorado em Controle e tratamento
digital de sinais - Université dOrsay (2003). Atualmente é
professor titular do Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia do Ceará. Tem experiência na área de Engenharia
Elétrica, com ênfase em Sistemas de Telecomunicações,
atuando principalmente nos seguintes temas: equalização,
redes de pacotes, antenas adaptativas, antenas inteligentes e
redes celulares.
Júlio César Mendes, possui graduação em Engenharia
Elétrica pela Universidade Federal do Maranhão (1995) ,
mestrado em Engenharia de Eletricidade pela Universidade
Federal
do
Maranhão
(1999)
e
curso-tecnicoprofissionalizante em Técnico Em Eletrotécnica pelo Centro
Federal de Educação Tecnológica do Maranhão (1987) .
Atualmente é funcionário da Companhia Energética do
Maranhão. Atuando principalmente nos seguintes temas:
análise de segurança estática, processamento distribuído,
análise de contingência em sistemas de potência, fluxo de
carga.
Juliana Duarte Ferreira, natural de Campina Grande é
engenheiro eletricista (1995), pela Universidade Federal de
Campina Grande, atualmente é Executiva de Planejamento e
Metrologia a CEMAR, atuando na área de Perdas da
Companhia.
Pedro Klécius F. Cardoso, possui graduação em Engenharia
Elétrica pela Universidade Federal do Ceará (2000),
mestrado em Conception Et Planification Des Réseaux
Mobiles - Institut National Des Télécomunications (2001) e
doutorado em Informatique, Telecomunications et
Electronique - Universite de Paris VI (Pierre et Marie Curie)
(2005). Atualmente é professor titular do Centro Federal de
Educação Tecnológica do Ceará. Tem experiência na área de
Engenharia Elétrica, com ênfase em Sistemas de
Telecomunicações, atuando principalmente nos seguintes
temas: sistemas e controles eletrônicos, qos, umts, cops,
management e diffserv.