Medidores eletrônicos inteligentes de iluminação pública

O Programa Smart Grid Light compreende um conjunto de projetos de redes inteligentes com novas tecnologias de automação e medição que serão aplicadas desde as redes de distribuição até a residência dos clientes, preparando a empresa para melhor atender às necessidades e aos desafios da sociedade do século 21. Os investimentos da Light são provenientes do programa de pesquisa e desenvolvimento (P&D) tecnológico do setor de energia elétrica e seguem os regulamentos estabelecidos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel).

Como parte do rol de produtos do Programa Smart Grid Light, o medidor IP foi desenvolvido a partir do medidor eletrônico inteligente com mostrador remoto e certificação digital, de forma a utilizar a infraestrutura de telecomunicações e computacional desenvolvida dentro do programa. Estes medidores IP permitem a medição individual, o monitoramento e o acionamento remoto de iluminação pública e semáforos, e seus testes estão sendo realizados em projeto piloto. Tal produto visa a eficiência energética, pois pode reduzir significativamente o consumo de energia de iluminações públicas. Além disso, possibilita diagnósticos, acionamentos e monitoramentos remotos que tendem a reduzir falhas, bem como identificar e corrigir prontamente eventuais defeitos, reduzindo custos operacionais dos mantenedores de tal sistema.

Este medidor engloba as funcionalidades dos medidores inteligentes convencionais com os requisitos aplicados para sistemas de iluminação pública. Atende ainda à norma ABNT NBR 5123, que define o padrão de relés fotoelétricos para iluminação pública.

Por se tratar de um equipamento que utiliza comunicação sem fio, o medidor IP deve atender às normas específicas da Anatel para equipamentos eletrônicos. Entretanto, este medidor opera na faixa de frequência de 2.4 GHz, cuja faixa de frequência é livre.

Desenvolvimento

Os medidores IP do programa Smart Grid Light possuem desenho mecânico específico para integração com o circuito elétrico de alimentação de relés fotoelétricos de acionamento de iluminação pública. Assim, ele deve possuir dimensões e conexão que permitam o encaixe em conectores de relés fotoelétricos voltados à iluminação pública. O conector de encaixe deve seguir os padrões definidos na norma ABNT NBR 5123.

Para a comunicação, o medidor IP utiliza um módulo de comunicação ZigBee padrão IEEE 802.15.4, que possui baixo consumo de energia e que, em conjunto com as demais luminárias, formarão a rede mesh.

Além disso, o medidor IP foi construído de forma a possuir um grau de proteção contra a penetração de poeira e água, segundo a classificação IP65 e de acordo com a norma ABNT NBR 6146.

A Figura 1 mostra o invólucro mecânico do medidor IP conectado à base padrão para relés fotoelétricos. Já a Figura 2 mostra a base do medidor IP, em que é possível verificar que a aplicação desse medidor é relativamente simples, apenas substituindo o relé fotoelétrico convencional.

Figura 1 – Medidor IP conectado à base de um relé em uma base padrão de relés fotoelétricos.

Figura 2 – Conectores do medidor IP seguindo o mesmo padrão dos relés fotoelétricos convencionais.

Características elétricas

Os medidores de IP possuem um circuito de medição monofásico de energia ativa e reativa, voltado para a medição do consumo da luminária. Assim, as características mais comuns aplicadas a estes medidores de iluminação pública são:

• Faixa de tensão nominal: 220 V;
• Tensão de operação: 220 V ± 20%;
• Potência: 1.800 VA sem correção de fator de potência e 500 VA com correção de fator de potência, conforme Tabela 1 da norma ABNT NBR 5123;
• Índice de classe metrológica B (2%);
• Corrente de partida: 0,4% da corrente nominal para energia ativa e 0,5% da corrente nominal para energia reativa;
• A resolução da potência ativa é de 1 W e da potência reativa de 1 VAr. A resolução das energias ativa e reativa devem ser, respectivamente, 1Wh e 1 varh.
• Sistema de corte e religamento da luminária;
• Sistema de monitoramento do estado da luminária como lâmpada queimada e problemas no reator;
• Sensor fotoelétrico para acionamento da luminária por iluminação.

Características funcionais

Este medidor possui várias características relacionadas ao seu funcionamento. Dentre elas, são listadas as principais características funcionais aplicadas a este medidor:

• O cálculo da energia é o módulo da energia medida pelo elemento do medidor;
• O equipamento possui memória local para log de medições e eventos, realiza o envio de mensagens, alarmes, aceita agendamentos e aciona seu relé de acordo com a luminosidade (conforme norma ABNT NBR 5123), por programação ou comando remoto;
• Detecção de funcionamento irregular da luminária, como acendimento sem comando, acendimento irregular durante o dia, não acendimento, detecção de lâmpada queimada. Todos estes eventos geram alarmes específicos, que são enviados por meio da rede de comunicação ZigBee;
• Permite o acionamento da lâmpada local por sensor fotoelétrico e remotamente, pois o sistema permite a realização de by-passes para ações de eficiência energética, como ligar lâmpada sim, lâmpada não de madrugada;
• Detecção automática de reator ou fotossensor defeituoso;
• Permite a dimerização de lâmpadas Led;
• Permite a leitura e a configuração remota de dados e parâmetros;
• Permite a leitura de, no mínimo, os seguintes parâmetros instantâneos: tensão, corrente, potência ativa e reativa, status do relé, status do sensor fotoelétrico e programação corrente.

Com essas características, a entidade responsável pela coordenação do sistema de iluminação pública poderá ter um controle mais eficiente, onde será possível reduzir custos operacionais e saber, no instante, se o medidor ou a luminária apresentou defeito.

Dessa forma, a equipe responsável pode planejar, de forma mais eficiente, as ações de manutenção das luminárias de iluminação pública.

Resultados

Estes testes foram realizados em duas etapas, sendo a primeira etapa para a realização dos testes funcionais e a segunda etapa para os testes de dimerização. Para os testes funcionais, foi montado um ambiente de testes em laboratório, conforme mostra a Figura 3, e os equipamentos utilizados foram:

1 lâmpada a vapor de sódio 150 W;

1 reator para lâmpadas a vapor metálico AFP;

1 transformador isolador 120 V;

1 transformador 110/220 V;

1 fonte de precisão para calibração de medidores;

1 medidor de referência.

Figura 3 – Ambiente de testes do medidor IP utilizando uma lâmpada a vapor metálico.

Para esta etapa foi utilizada uma lâmpada a vapor metálico com reator para verificar suas funcionalidades. Com esta lâmpada não é possível efetuar a dimerização, mas pode ser utilizada com este medidor IP. Os testes, que simulam o acionamento remoto e por agendamento da lâmpada, funcionaram corretamente. Os testes envolvendo alarmes, como lâmpada queimada, reator com defeito e defeito do fotossensor, também foram executados com sucesso.

Na etapa de testes de dimerização, a lâmpada a vapor metálico e o reator foram substituídos por uma luminária de Led, conforme mostra a Figura 4. Esta luminária utiliza um driver, que é apresentado na Figura 5. Todo o controle de iluminação é feito diretamente no driver, pois este possui entradas de controle. O controle do dimmer pode ser feito utilizando duas diferentes formas. A primeira consiste na utilização do protocolo DALI para controle e a segunda por meio de um sinal de tensão entre 0-10V em uma entrada específica para esse controle no módulo. Após o levantamento de cada uma das opções, foi optado pelo sinal de 0-10V, pois, além da facilidade de implementação, o consumo de corrente é extremamente baixo (próximo aos 20 mA), não impactando na fonte de alimentação da placa do medidor. Quanto ao protocolo DALI, a corrente utilizada seria muito alta, o que necessitaria de uma fonte auxiliar para alimentar o controle do dimmer.

Figura 4 – Luminária de Led.

Figura 5 – Driver utilizado pela luminária Led.

Para o controle da dimerização, foi necessária a utilização de um módulo conversor analógico, o qual consiste em uma placa auxiliar desenvolvida para esse projeto, que possui uma entrada PWM e saída analógica entre 0-10 V DC, sendo alimentada em 5 V pela própria fonte do medidor. Esta saída de 0-10 V está conectada ao driver da luminária e seu nível de tensão varia de acordo com o a largura de pulso (duty cicle) do sinal PWM de entrada. A Figura 6 mostra o sinal de entrada PWM e a saída analógica DC.

Figura 6 – Análise dos sinais de entrada e saída do sinal de controle do dimmer.

Para o firmware do medidor, foi necessário ativar o pino desejado com saída PWM (pino determinado para esse fim) e na rotina principal do código foi necessário inicializá-lo. A largura de pulso utilizada foi de 512 bits e os duty cycles estipulados nos testes foram 0%,10%, 25%, 50%, 75%, 95%, 100%, respectivamente, gerando sinais analógicos na saída entre 0-10 V.

Para a conexão entre o medidor IP e o driver Led, o diagrama da Figura 4 ilustra as conexões necessárias. Já na Figura 7 é possível verificar a conexão com o pino disponível no módulo, sendo necessária soldagem para fixação da conexão do cabo.

Figura 7 – Diagrama de conexões entre o medidor IP e o driver.

Os testes foram realizados em bancada considerando várias larguras de pulso para variar a tensão de saída. A Figura 8 mostra o sinal PWM de entrada com 50% de duty cycle e uma saída de 5V DC aproximadamente.

Figura 8 – Testes de dimerização da luminária Led sendo executados em laboratório.

Medidor IP versus relé fotoelétrico

Na Figura 9, é possível visualizar o medidor IP como produto final, comparado a um relé fotoelétrico convencional. As conexões são as mesmas, sendo possível em sua aplicação remover o relé e conectar o medidor sem nenhuma alteração para luminárias convencionais. Para luminárias de Led, como o modelo utilizado nos testes, será necessário estudar um modelo de conexão para o controle da dimerização, visto que este padrão possui os pinos de alimentação e carga.

Figura 9 – Medidor IP como produto final comparado a um relé fotoelétrico convencional.

Projeto piloto

O projeto piloto do Programa Smart Grid Light consiste na instalação dos medidores IP em campo para avaliar seu funcionamento na prática. Para isso, os locais definidos para a instalação dos medidores encontram-se dentro das dependências do campus Centro Politécnico da Universidade Federal do Paraná e do Lactec, conforme mostra a Figura 10, em que as linhas vermelha

s significam os locais com iluminação pública existente e em verde os locais em que estarão instalados os novos pontos de IP.

Figura 10 – Locais onde serão instalados os medidores IP.

Durante o levantamento dos pontos a serem instalados os medidores IP, foram encontrados diferentes modelos de postes, sendo o mais comum o modelo mostrado na Figura 11, cujo modelo é o padrão utilizado no campus Centro Politécnico.

Figura 11 – Luminárias padronizadas no campus do Centro Politécnico da UFPR.

Para este projeto estão sendo utilizados 36 medidores IP, sendo que 20 medidores estão sendo utilizados em luminárias com lâmpadas a vapor metálico e 16 medidores com lâmpadas a Led com sistema de dimerização. O monitoramento remoto desses medidores é feito através do hemera, cujo sistema foi desenvolvido pela CAS-Tecnologia para o Programa Smart Grid Light. A interface de gerenciamento do hemera é mostrado na Figura 12. 

Figura 12 – Interface de gerenciamento dos medidores IP do Programa Smart Grid Light. 

Conclusões

Este medidor IP atendeu às expectativas de funcionamento de acordo com as especificações do Programa Smart Grid Light, tendo suas funcionalidades validadas nos testes simulados em laboratório, assim como os testes realizados em campo.

Com este medidor, é possível ter um controle eficiente do parque de iluminação pública instalada, visto que, na maioria das vezes, são as prefeituras que gerenciam estes parques. Portanto, as prefeituras podem utilizar um centro de controle de monitoramento para este controle e reduzir os custos operacionais, pois atualmente os departamentos responsáveis pela iluminação pública só ficam sabendo dos problemas a partir de ligações dos usuários. Além dessa redução de custos, a substituição de lâmpadas e luminárias defeituosas serão feitas com mais frequência, visto que o centro de controle ficará sabendo o momento em que o defeito ocorreu.