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Edição 118 – Novembro de 2015
Aula Prática: infraestrutura
Por Rogério Botteon Romano, Paulo Eduardo Sípoli Faria, Luiz Carlos de Oliveira, Gleidyson Paulino Almeida, Geraldo Tadeu Batista de Oliveira, Carlos Alberto Monteiro Leitão*
Os resultados da implantação de duas soluções de infraestrutura avançada de medição na região geoelétrica da cidade de Sete Lagoas (MG).
Basicamente, a infraestrutura avançada de medição Advanced Metering Infrastructure (AMI) pode ser considerada um sistema composto por medidores de energia elétrica com inteligência computacional embarcada e providos de portas de comunicação de dados e demais periféricos. Tal sistema é suportado por uma infraestrutura de tecnologia da informação (telecomunicação, software e hardware), que permite tanto a aquisição de dados em intervalos de tempo como o envio de informações e comandos de maneira remota.
É importante observar que a introdução de uma solução AMI nas redes de distribuição brasileiras irá permitir a obtenção de informações individuais e precisas sobre consumo de energia elétrica que, apresentadas de modo inteligível, irão possibilitar que o cliente exerça um efetivo controle sobre seu consumo. Em alguns dos projetos existentes em AMI, estão sendo avaliados os displays diretos e indiretos, que permitem aos consumidores acessar as informações de consumo de energia elétrica.
Todos os dados que trafegam na AMI necessitarão, em uma de suas extremidades, de uma plataforma de medição Meter Data Management (MDM), que permitirá à concessionária de energia elétrica realizar operações de medição remota (leituras e comandos), analisar e processar dados, mediante integração com os sistemas corporativos da respectiva concessionária, e efetuar a gestão de perdas.
Em decorrência dos cenários regulatórios no Brasil e da disponibilidade técnica de fornecedores de sistemas de medição inteligente, os testes com as soluções AMI, que estão sendo implementados experimentalmente e avaliados por meio de projetos de P&D da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), são compostos por produtos comerciais com protocolos de comunicação proprietários e abertos para o atendimento de cenários diferenciados, mas representativos das respectivas áreas de concessão.
Neste artigo, será apresentada uma abordagem geral sobre as soluções de AMI do projeto “Cidades do Futuro” da Cemig-D, implantadas na região geoelétrica da cidade de Sete Lagoas (MG).
O escopo da Prova de Conceito (PoC) de AMI do Projeto “Cidades do Futuro” da Cemig-D prevê, entre outras atividades, a avaliação de soluções de medição avançada e de relacionamento e interação com o consumidor, além da avaliação da infraestrutura de telecomunicações bidirecional necessária para suportar essas soluções.
A região de Sete Lagoas foi escolhida para abrigar a PoC por ser representativa no universo de consumidores da Cemig-D, uma vez que nas áreas selecionadas há tanto consumidores residenciais urbanos quanto rurais, comerciais e industriais. Essa região é composta de 24 alimentadores, distribuídos em três subestações que atendem a 13 municípios.
A solução AMI é composta por ferramentas computacionais (software) e equipamentos comerciais e/ou protótipos em desenvolvimento. Essa solução é responsável pela medição do consumo de energia, atualizada em intervalos regulares, e o envio dessas informações ao Centro de Integrado de Medição da Cemig-D. As informações são recebidas pelo software proprietário responsável pelo gerenciamento da mídia de comunicação com os medidores Meter Data Collector (MDC), que processa e armazena os dados de medição obtidos do campo. Em seguida, são consolidadas pelo sistema de gerenciamento de dados de medição MDM, gerando informações adequadas aos processos comerciais da Cemig-D, e permitindo o acompanhamento, pelo cliente, do seu consumo por um portal web. As medições são coletadas a partir de medidores inteligentes, que possuem funcionalidades como notificação de falta de energia, tarifação horo-sazonal Time Of Use (TOU) em baixa tensão, alarmes (exemplo: violações no medidor), corte e religamento remotos. Para garantir um melhor aproveitamento das informações providas pelo medidor e auxiliar no combate a fraudes e na operação do sistema, é utilizada uma ferramenta de georreferenciamento que apresenta informações consolidadas das medições e alarmes provenientes do Centro de Medição, permitindo análises espaciais para auxiliar na formulação de ações preventivas e soluções para os problemas apontados.
Para a implantação das áreas dos pilotos de AMI deste projeto da Cemig-D, foram selecionadas amostras de unidades consumidoras nas cidades de Sete Lagoas, Santana do Pirapama, Baldim (localidade de Vila Amanda), Jequitibá e Funilândia, em Minas Gerais. A escolha dessas cidades para a implantação do projeto levou em conta o fato de terem sistemas elétricos e de telecomunicações favoráveis aos testes, e também por possuírem um contingente de clientes que garante uma amostra adequada da área de concessão da Cemig-D.
A ideia inicial do projeto era testar e validar três tipos diferentes de tecnologias de comunicação aplicadas em AMI na última milha e distribuídas por nove cidades na região geoelétrica de Sete Lagoas, a saber: radiofrequência (RF) de alta concentração, PLC de banda estreita e, por último, RF de qualquer tipo, sendo que esta última teve sua instalação cancelada, por não se ter conseguido viabilizar a aquisição em tempo hábil, devido a fracasso de pregão eletrônico.
Implantação do Sistema RF de Alta Concentração
O sistema em RF de alta concentração, implantado em Sete Lagoas (MG), é do tipo Mesh. Ele está apresentado esquematicamente na Figura 1 e possui módulos de comunicação RF (uma unidade por medidor), repetidores e um concentrador.
Figura 1 – Configuração da solução RF Mesh em Sete Lagoas (MG).
Como pode ser observado na Figura 1, esta tecnologia possibilita a comunicação, em rede, entre os medidores, permitindo dessa forma que eles encontrem a melhor rota para que possam enviar as informações até o repetidor mais favorável para a recepção dos sinais de RF, garantindo assim que medidores sem visada aos repetidores possam ter suas informações lidas pelo sistema. Após as informações dos medidores serem recebidas pelos repetidores/roteadores, elas são retransmitidas pelos mesmos até o concentrador de dados, instalado na torre da UniverCemig (Centro de Treinamento da Cemig em Sete Lagoas).
Este concentrador envia as informações dos medidores pela rede IP (Internet Protocol) da Cemig-D, que as encaminha ao servidor onde está instalado o software de gerenciamento da solução AMI (MDC), que, por sua vez, gera dados para um banco intermediário, onde o MDM da Cemig-D coleta as informações necessárias.
Com este tipo de tecnologia de comunicação de dados, foram instalados aproximadamente 3.100 medidores na região ao redor da UniverCemig, no alimentador SLAU-06, conforme o esquema demonstrado na Figura 2.
Figura 2 – Área de instalação da PoC em RF Mesh de alta concentração em Sete Lagoas/MG.
A atual distribuição dos 3.100 medidores inteligentes, instalados no alimentador SLAU-06, é a seguinte: monofásicos: 1.236; bifásicos: 1.436; trifásicos: 428.
A Figura 3 mostra um exemplo de medidor inteligente com módulo de comunicação em RF instalado em Sete Lagoas/MG.
Figura 3 – Medidor inteligente com módulo de comunicação em RF instalado em Sete Lagoas/MG.
Implantação do sistema PLC de banda estreita
O segundo lote do sistema AMI implantado na região geoelétrica de Sete Lagoas (MG) utiliza a tecnologia de telecomunicações PLC (Power Line Communications) de banda estreita. Os medidores inteligentes deste tipo de sistema foram instalados em Sete Lagoas, Funilândia, Vila Amanda, Jequitibá e Santana do Pirapama.
O sistema consiste em medidores inteligentes se comunicando com concentradores via PLC, instalados próximos aos transformadores de distribuição, na proporção de um concentrador PLC por transformador. Esses concentradores se comunicam com a UniverCemig via RF, GPRS (General Packet Radio Service), fibra ótica ou satélite.
A Figura 4 apresenta o esquema de funcionamento do sistema AMI com PLC de banda estreita.
Figura 4 – Esquema de funcionamento do sistema AMI com PLC de banda estreita.
A Figura 5 mostra um mapa da região de Sete Lagoas onde está instalada a AMI com PLC de banda estreita.
São aproximadamente mil medidores inteligentes (monofásicos, bifásicos e trifásicos) instalados, 27 concentradores (Figura 6) e suas antenas (Figura 7), sendo: Sete Lagoas: 13 concentradores e 14 antenas, e aproximadamente 600 medidores instalados; Funilândia: 2 concentradores e 2 antenas, e aproximadamente 90 medidores instalados; Vila Amanda: 3 concentradores e 3 antenas, e aproximadamente 40 medidores instalados; Jequitibá: 7 concentradores e 7 antenas, e aproximadamente 150 medidores instalados; Santana do Pirapama: 2 concentradores e 2 antenas, e aproximadamente 90 medidores instalados.
Figura 5 – Mapa da região de Sete Lagoas onde está instalada a AMI com PLC de banda estreita.
Figura 6 – Concentrador PLC + RF.
Figura 7 – Instalação do Concentrador PLC com antenas (à esquerda) e Onmi (à direita) Yagi.
Conclusões
Após concluídas as instalações, e tendo decorrido alguns meses desde a implantação dos sistemas AMI, podemos citar alguns pontos relevantes, destacando os seguintes:
1 – No planejamento da implantação de um sistema AMI, deve ser considerado um levantamento das caixas de medição já instaladas, pois as dimensões das mesmas podem inviabilizar a instalação do sistema em algumas unidades consumidoras.
2 – Durante o período de aquisição dos sistemas de medição inteligente para a prova de conceito abrangida pelo projeto, foi possível observar dois pontos relevantes: (a) a restrita disponibilidade de sistemas homologados pelo Inmetro; (b) o alto custo envolvido, em comparação aos praticados para os medidores eletrônicos atualmente instalados.
3 – O mercado fornecedor de sistemas AMI no Brasil ainda é incipiente na apresentação de soluções adequadas à realidade brasileira, verificando-se a necessidade de melhorias no que diz respeito ao suporte técnico.
4 – A integração dos sistemas MDC dos fornecedores do sistema AMI com o Centro de Medição da concessionária de energia elétrica é crítica para o sucesso da solução, devendo esta integração ser muito bem especificada e ter sua implantação rigorosamente gerenciada.
5 – Em paralelo à instalação de sistemas AMI em sua área de concessão, a concessionária de energia elétrica deve mobilizar e capacitar funcionários para tratar os alarmes e o grande volume de dados gerado a partir desses sistemas.
6 – Para a manutenção atual da infraestrutura avançada de medição instalada, é necessária a capacitação de uma equipe para operação da rede de telecomunicações, além da aquisição de equipamentos e componentes, específicos e necessários, para os trabalhos em campo com as redes RF e PLC.
7 – A implantação de sistemas AMI traz impactos profundos no dia a dia da distribuidora, impactando processos comerciais e corporativos. É essencial envolver as áreas afetadas, de modo a adequar a nova metodologia propiciada pelo AMI aos processos já existentes nas distribuidoras, de modo a majorar os ganhos potenciais.
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Referências
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Resolução Normativa n. 502 (RN 502), Brasília, DF, 07 ago. 2012.
*Rogério Botteon Romano, Paulo Eduardo Sipoli Faria e Luiz Carlos de Oliveira são engenheiros da Fundação CPQD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicação.
Gleidyson Paulino Almeida, Geraldo Tadeu Batista de Oliveira e Carlos Alberto Monteiro Leitão são engenheiros da Companhia Energética de Minas Gerais (Cemig Distribuição).
Com a necessidade de redução de peso das plataformas, visando alívio das unidades flutuantes e, consequente redução dos custos, fez-se necessário o desenvolvimento de materiais mais leves. Surgem assim, as tecnologias Ex-nA (não acendível) e Ex-e (segurança aumentada), empregando geralmente materiais plásticos em sua estrutura. Para aumentar a resistência mecânica, adiciona-se fibra de vidro ao plástico. Com isso, obtém-se um material mais leve que o alumínio e com adequada resistência mecânica.
Devido à proximidade com a água salgada do mar, os equipamentos em alumínio, caso não protegidos por uma camada de tinta especial, podem sofrer corrosão pela salinidade e umidade. O material plástico empregado nas luminárias de tecnologia Ex-e apresentam alta resistência à corrosão.
Figura 1 – Luminária fluorescente linear em plástico reforçado com fibra de vidro.
No entanto, para ambas as tecnologias Ex-d e Ex-e, são conhecidos os problemas relacionados aos efeitos de EOL (End-Of-Life) que ocorrem nas lâmpadas fluorescentes gerando manutenções constantes de troca das mesmas. São também conhecidos os problemas que ocorrem nos respectivos reatores eletrônicos, os quais também requerem a sua substituição periódica. Em instalações offshore, tais manutenções resultam quase sempre em paradas de produção e procedimentos de segurança demorados que acarretam custos extremamente elevados.
A tecnologia Led aplicada às luminárias lineares permite reduzir fortemente essa necessidade de constante substituição das atuais lâmpadas fluorescentes devido à sua elevada vida útil, minimizando assim os elevados custos incorridos dos trabalhos de manutenção. Um módulo Led é projetado para durar cerca de 60.000 horas enquanto que uma lâmpada fluorescente tubular convencional dura cerca de 16.000 horas.
Outro ponto que vem ganhando importância atualmente é a eficiência energética dos equipamentos elétricos. Quanto maior essa eficiência, menos robustas precisam ser as instalações elétricas e menor é o consumo de potência durante a operação. Isso resulta em custos menores de construção e operação. A tecnologia Led apresenta um consumo de potência elétrica menor em relação à fluorescente para produzir um mesmo fluxo luminoso. Ou seja, para gerar o mesmo nível de iluminação, a tecnologia Led consome menos energia que a fluorescente, sendo assim, mais eficiente. Essa redução pode chegar a 20% dependendo dos modelos utilizados. Muitas dessas luminárias são dotadas de sistemas autônomos de emergência. Em caso de queda de energia, esse sistema mantém as lâmpadas acesas através de um conjunto de baterias. O consumo menor de energia apresentado pelo Led permite um maior período de funcionamento autônomo ou uma redução no tamanho do módulo de baterias dependendo da necessidade desejada.
Figura 2 – Sistema autônomo de emergência integrado à luminária.
Outra vantagem da tecnologia Led é a alta resistência às vibrações e impactos, sempre presentes nas plataformas offshore devido ao modo de operação e ao reduzido espaço disponível. As lâmpadas fluorescentes possuem em seu interior um par de eletrodos, um em cada extremidade, e um gás inerte à baixa pressão que ficam encerrados pelo invólucro de vidro tubular. Tanto os eletrodos quanto o invólucro são susceptíveis ao dano por vibração ou impacto, causando falhas prematuras das lâmpadas. No caso da tecnologia Led, a luz é gerada por materiais semicondutores (estado sólido) e não são utilizados eletrodos ou invólucros de vidro que possam ser danificados, assim, a tolerância à vibração e impactos é muito maior.
Para se acender uma lâmpada fluorescente é necessário que se aplique uma elevada tensão elétrica inicialmente para causar a ionização do gás inerte. Dessa maneira, a cada chaveamento de liga-desliga, é gerado um estresse nos eletrodos da lâmpada. Quanto mais frequentes forem esses chaveamentos, mais reduzida será a vida útil do eletrodo e, por consequência, da lâmpada. Esse efeito não acontece com os módulos de Led, uma vez que não necessitam de altas tensões de partida para ionização de gases como nas fluorescentes.
Outro ponto a ser observado é que esses gases ionizados produzem a nociva radiação ultravioleta (UV), cujos níveis são regulamentados pelas normas vigentes. Esse é um efeito intrínseco ao funcionamento das lâmpadas fluorescentes que necessitam dessa radiação para excitar o composto de fósforo que recobre o tubo de vidro internamente gerando luz no espectro visível ao olho humano. Isso não acontece com a tecnologia Led, na qual a luz é gerada diretamente no espectro visível. Deve-se evidenciar também a ampla gama de temperaturas de cor e o alto índice de reprodução de cor (IRC) oferecidos pelo Led que permitem flexibilidade e capacidade de atender aos diversos requisitos de aplicação.
A tecnologia Led também apresenta vantagens no final de sua vida útil. Ao contrário das lâmpadas fluorescentes que podem conter mercúrio, fósforo e outros metais pesados em seu interior e não podem ser descartadas indiscriminadamente, os módulos Led não requerem esse controle rigoroso e dispensam a necessidade de espaço de armazenamento.
Figura 3
– Descarte inadequado das lâmpadas fluorescentes pode causar contaminação do solo por metais pesados.
Dentro deste panorama, existe uma forte tendência de se efetuar estas modificações nestas luminárias, retirando-se os reatores e as lâmpadas fluorescentes e colocando em seu lugar as lâmpadas Led lineares, as quais já possuem toda a eletrônica requerida “embarcada”, dispensando a instalação de reatores ou de drivers adicionais.
Deve ser ressaltado que os pinos terminais das lâmpadas tubulares Led são idênticos aos terminais das lâmpadas bipino fluorescentes. Dessa forma, não há necessidade de modificação dos suportes terminais existentes nas luminárias “Ex” e nem réguas de bornes terminais ou colocação de qualquer componente adicional, reduzindo-se, assim, o tempo de parada para a substituição.
Figura 4 – O módulo Led substitui as lâmpadas fluorescentes, conectando-se diretamente aos soquetes e mantendo o reator existente.
As vantagens dessa substituição das lâmpadas fluorescentes existentes por um módulo Led linear são:
• Tecnologia Ex-e para facilitar manutenção;
• Economia de energia em cerca de 20%;
• Fluxo luminoso e distribuição equivalente à fluorescente já instalada;
• Iluminação indireta via refletor evitando ofuscamento;
• Fácil instalação sem necessidade de acesso ao reator ou às conexões elétricas;
• Ampla gama de temperaturas de cor para atender as várias necessidades de aplicação;
• Redução dos altos custos de manutenção comparados com as lâmpadas fluorescentes tradicionais devido às frequentes trocas;
• Vida útil de 60.000 horas;
• Dispensa necessidade de alteração das luminárias já existentes;
• Ampla faixa de temperatura ambiente de operação (-25 °C a +50 °C)
