Desenvolvimento de Equipamento Eletrônico para

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Desenvolvimento de Equipamento Eletrônico
para Detecção de Fraude de Consumo de
Energia Elétrica
E. C. da Silva e E. S. Fernandes – ENERSUL, J. W. Scucuglia, L. C. Cruz Jr, A. M. Reis,
M. Belin, M. Suzuqui, e W. Maldonado – UNIDERP, A. C. R. da Silva, A. A. de Carvalho,
E. Assunção e Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira - UNESP
Resumo - O presente trabalho tem como objetivo apresentar o
desenvolvimento de um equipamento microcontrolado para
detecção de fraudes caracterizadas por desvio de circuitos em
entradas de medição de energia elétrica. Ao final da pesquisa
obteve-se um dispositivo portátil e de fácil manuseio, que
identifica automaticamente as fases, e através de medição por
indução de corrente, permite a comparação entre a energia de
entrada e saída do medidor, detectando e quantificando as
discrepâncias. O equipamento possui teclado para cadastro de
consumidores e memória de massa para armazenamento dos
dados coletados e posterior visualização em software dedicado.
Com o equipamento desenvolvido pretende-se promover
agilidade na detecção dessas irregularidades em entradas
consumidoras.
Palavras-chave – Automação; Detecção de Fraudes; Desvio de
Circuitos; Entrada de Energia Elétrica.
I.
INTRODUÇÃO
São muitos os mecanismos utilizados em fraudes de
consumo de energia elétrica. Dentre os mais comuns está o
chamado “gato”, que é realizado na entrada da medição de
energia. O consumidor, através de um circuito de jumper
conecta-se ao sistema de distribuição sem que a energia
passe pelo medidor. Na maioria das vezes são instalações
discretas e realizadas dentro de alvenarias e com um certo
grau de dificuldade de detecção.
Uma das maneiras de identificação desse tipo de
irregularidade é através da comparação da energia que entra
e da energia que sai do medidor. Geralmente esse tipo de
procedimento é dificultado pela necessidade da equalização
das fases e comparação instantânea das medidas. O circuito
clandestino na maioria das vezes possui chave de abertura,
de forma que o consumidor tira o circuito de operação
sempre que desejar ou se sentir ameaçado por uma vistoria
da concessionária, impondo a necessidade de um
procedimento rápido para o sucesso da operação.
A proposta deste trabalho foi desenvolver um dispositivo
microcontrolado portátil e de fácil manuseio para detecção
de fraude de desvio de circuitos em entradas de medição de
energia. O equipamento obtido pode ser utilizado em
circuitos mono, bi ou trifásico, e ser operado até pelo
próprio leiturista de energia.
O sistema é essencialmente composto por: sensores de
corrente elétrica; circuito de controle microcontrolado;
memória de massa para armazenamento dos dados; sistema
de alimentação por baterias; software de armazenamento e
visualização de dados.
Através de um teclado o operador insere o “Código do
Consumidor – CDC” e conecta os sensores de corrente
enlaçando-os aos cabos condutores na saída do medidor
(mono, bi ou trifásico). Uma haste retrátil permite a conexão
de um sensor de corrente, por fase, nos cabos de entrada do
padrão de energia elétrica. O dispositivo identifica
automaticamente as fases avaliadas e através da comparação
das medições das correntes de entrada do padrão e saída do
medidor, detecta e quantifica as discrepâncias por fase, caso
existam. Os resultados são apresentados em display e são
armazenados para posterior visualização em software
dedicado.
II.
PREPARAÇÃO DO TRABALHO
No desenvolvimento do equipamento proposto, foram
seguidas as seguintes etapas:
A. Concepção e Definição da Topologia
Foram realizadas avaliações detalhadas da problemática,
que serviram de subsídio para a definição da topologia do
equipamento desenvolvido. Foi concebido um equipamento
funcional, portátil e de fácil manuseio. Para tanto, projetouse os sensores de corrente de forma que permitissem rápida
conexão aos cabos de energia, inclusive quando na
utilização de haste para conexão à entrada do padrão. Um
teclado no equipamento permite o cadastro do CDC e a
definição da operação. Um sistema de baterias recarregáveis
alimenta os circuitos de controle do dispositivo. Um circuito
de detecção de fase identifica automaticamente as fases
correspondentes à entrada e saída do medidor permitindo a
detecção e quantificação de discrepâncias instantâneas por
fase. Os resultados das medições são apresentados em
display no próprio equipamento e armazenados em memória
de massa para posterior visualização em software dedicado.
A interface com o software é realizada através de saída
serial RS-232.
A Figura 1 apresenta a estrutura da topologia do
equipamento desenvolvido.
Fig. 1 – Estrutura da Topologia Proposta
B. Desenvolvimento do Protótipo
Uma das etapas do desenvolvimento do protótipo foi o
desenvolvimento dos sensores de corrente. Conceitualmente
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então se pode construir um transformador de corrente no
qual o enrolamento primário é o próprio fio da rede elétrica
e o enrolamento secundário fornecerá um valor de tensão
proporcional à intensidade de corrente que circula no fio. O
sinal assim formado necessita ser tratado adequadamente
para compatibilizar com o conversor analógico para digital
(A/D). Um circuito de entrada com amplificação diferencial
fará com que o pequeno sinal vindo do transformador-sensor
seja amplificado a níveis adequados para ser transmitido
pelos fios até o circuito de processamento de sinais. O
circuito sugerido para o sensor foi à utilização de
amplificadores operacionais de baixo ruído e baixo consumo
de energia [1] [2] [3].
O ganho total do estágio é suficiente para elevar o sinal
do sensor de alguns milivolts até centenas de milivolts, e
pode-se calibrar o estágio para um ganho adequado bastando
para isso ajustar o trimpot montado na placa do sensor. A
Figura 2 mostra a topologia do sensor de corrente
desenvolvido.
Fig. 3 - Diagrama das funções analógicas de
processamento de sinal
A disposição dos sensores e as conexões típicas são
mostradas na Figura 4, ressaltando que o sensor que mede a
corrente na entrada possuirá um sistema mecânico retrátil,
proporcionando rapidez e praticidade nas medições [4] [5].
Fig. 2 – Sensor de corrente.
O sensor com o circuito de pré-amplificação é montado
em uma caixa metálica para proteção mecânica e melhorar a
imunidade ao ruído externo devido a campo eletromagnético proporcionando robustez mecânica.
O sinal do elemento sensor irá se propagar por um cabo
até o equipamento, interligando os sinais à placa principal.
A etapa de processamento na placa principal dos sinais
analógicos compreende os seguintes circuitos:
a)
Amplificadores diferenciais de entrada para cada fase
com a finalidade de reduzir o ruído eletromagnético;
b)
Circuito detector de inversão de polaridade, cuja
finalidade é inverter ou não a fase da onda do sinal de
entrada em função do resultado da analise lógica de
saída;
c)
Circuito de Multiplicação para selecionar a fase de
saída de interesse;
d)
Circuito medidor de magnitude de desvio;
e)
Circuito analisador de seqüência correta de fases.
A Figura 3 mostra o diagrama de bloco de todas as
funções descritas acima.
Fig. 4 - Diagramas em blocos do sistema completo
que será implementado.
Além da montagem física de todos componentes e
sistemas mecânicos foi implementado software de baixo
nível para gerenciar o sistema. Para alimentação do
equipamento foram utilizadas baterias do tipo recarregáveis,
tamanho AAA com capacidade de carga de 2,1 A/h.
C. Validação do Sistema
Para validação do protótipo foram realizados testes em
laboratório e testes de campo. O sistema foi calibrado para
uma tolerância de 5% de erro (podendo ser facilmente
reconfigurado) nas comparações das medidas para que
sejam apontadas discrepâncias entre a energia de entrada e
saída.
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III.
METODOLOGIA
Desenvolvido e implementado o sistema de aquisição de
dados elétricos da rede, que é composto por um
transformador de corrente e tensão e por um circuito
eletrônico de controle de sinais, foi efetuado o
desenvolvimento do hardware microcontrolado para o
processamento dos dados, composto por um circuito de
alimentação, microprocessador de alto desempenho para
gerenciar as entradas e saídas bem como um conjunto de
memória de massa para armazenamento dos dados
coletados.
Após a implementação física do hardware e todos os
testes de bancada em proto-board, foi elaborado um
algoritmo inteligente para a compilação dos dados, tomada
de decisão que permite o microcontrolador gerenciar as
funções do equipamento organizando as fases, através de
efeito comparativo entre si e sinalizando a quantidade de
energia desviada, sinalizando a fraude.
Implementado o protótipo desenvolveu-se o software que
estabelece comunicação e download dos dados.
IV.
Para visualização dos dados, foi desenvolvido um
software com interface gráfica amigável, que faz parte do
conjunto do sistema de detecção de desvio, e tem por tarefa,
armazenar, agrupar, organizar e interpretar os dados
coletados e armazenados no hardware, assim como montar e
imprimir relatórios do banco de dados.
Pode-se dividir o software em 04 partes: Login do
Sistema; Sistema; Comunicação e Operações.
O Software apresenta um gerador de relatórios gerenciais
e pontuais, indicando valores agrupados ou individuais,
podendo ser visualizados graficamente em 02 ou 03
dimensões. Um exemplo de tela de relatório é demonstrado
na Figura 8.
A interface entre software e hardware é feita através de
comunicação padrão RS-232.
RESULTADOS
Obteve-se uma ferramenta robusta, portátil e de fácil
operação para auxiliar no combate à fraude de consumo de
energia elétrica, de forma que o operador possa rapidamente
realizar os testes sem danificar a alvenaria ou alertar o
consumidor para a vistoria, como é mostrado na Figura 5.
Fig. 8 – Exemplo de Relatório 3D.
V.
Fig. 5 – Detector de fraude microcontrolado.
O equipamento obtido é composto de sensor de corrente,
como mostra a Figura 6.
Os sensores de corrente são conectados ao detector de
fraude através de conectores robustos, como mostra a
Figura 7.
Com a pesquisa desenvolvida, obteve-se uma ferramenta
portátil de combate a irregularidades de desvios de circuitos
em entradas consumidoras de energia elétrica. Uma grande
funcionalidade do sistema desenvolvido é a identificação
automática das fases, agilizando o tempo de avaliação do
circuito. Um ponto fraco desse tipo de equipamento é que o
mesmo avalia as irregularidades de forma instantânea não
detectando fraudes se a mesma não estiverem sendo
cometidas no momento. O equipamento obtido possui
topologia de baixo custo e é de fácil operação.
Através da realização de um acordo de cooperação
técnica e comercial entre a instituição proponente, a
executora do projeto e uma empresa fabricante do setor, o
protótipo obtido será encaminhado para o desenvolvimento
da engenharia de produto, produção em série e
comercialização. Será solicitada a propriedade intelectual
dos resultados obtidos, que pertencerá a todas as partes
envolvidas no processo.
VI.
Fig. 6 - Sensor de corrente
com pré-amplificador
embutido em carcaça
metálica
Fig. 7 – Conexão para os
sensores de corrente
CONCLUSÃO
BIBLIOGRAFIA
[1] LOURENÇO, A. C. Circuitos digitais. 2.ed. São
Paulo: Érica, 1996.
[2] RASHID, M. H. Spice for circuits and electronics using
pspice. 2nd. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1995.
[3] REIS, M. C. Eletrônica digital. Caraguatatuba: Letron,
1990.
[4] TAUB, H. Circuitos digitais e microprocessadores.
São Paulo: McGraw-Hill, 1984.
[5] RODDY, D.; COOLEM, J. Electronic communication.
4th. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1985.