FRANCISCO SÉRGIO DOS SANTOS APLICAÇÃO DO PROTOCOLPO SNMP PARA O MONITORAMENTO ON LINE DE UMA MICROGERAÇÃO FOTOVOLTAICA Botucatu 2017 FRANCISCO SÉRGIO DOS SANTOS APLICAÇÃO DO PROTOCOLO SNMP PARA MONITORAMENTO ON LINE DE UMA MICROGERAÇÃO FOTOVOLTAICA Tese apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da Unesp Campus de Botucatu, para obtenção do título de Doutor em Agronomia Área de Concentração Energia na Agricultura Orientador: Prof. Dr. Odivaldo José Seraphim Coorientador: Prof. Dr. Alexandre Alves de Lima Ribeiro Botucatu 2017 FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA SEÇÃO TÉCNICA DE AQUISIÇÃO E TRATAMEN- TO DA INFORMAÇÃO – DIRETORIA TÉCNICA DE BIBLIOTECA E DOCUMENTAÇÃO - UNESP – FCA – LAGEADO – BOTUCATU (SP) Santos, Francisco Sérgio dos, 1966- S237a Aplicação do protocolo SNMP para monitoramento on line de uma microgeração fotovoltaica / Francisco Sérgio dos Santos. – Botucatu : [s.n.], 2017 183 p. : fots. color., grafs. color., ils. color., tabs. Tese (Doutorado) - Universidade Estadual Paulista, Fa- culdade de Ciências Agronômicas, Botucatu, 2017 Orientador: Odivaldo José Seraphim Coorientador: Alexandre Alves de Lima Ribeiro Inclui bibliografia 1. Gerenciamento de recursos de informação. 2. Rede de computadores. 3. Sistemas de energia fotovoltaica. 4. Mi- crocontroladores. I. Seraphim, Odivaldo José. II. Ribei- ro, Alexandre Alves de Lima. III. Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (Câmpus de Botucatu). Faculdade de Ciências Agronômicas. IV. Título. “Permitida a cópia total ou parcial deste documento, desde que citada a fonte” FOLHA DE APROVAÇÃO Dedicatória Às minhas amados, esposa e filhas Cleusa, Marilize e Laisa Vocês são a minha inspiração para o crescimento profissional. AGRADECIMENTOS A Deus, criador e sustentador da vida. Ao Prof. Dr. Odivaldo José Seraphim, pela orientação, ensinamentos, paciência e exemplo de professor. Ao Prof. Dr. Alexandre Alves de Lima Ribeiro, pela orientação, os ensinos e paciência. Ao Prof. Especialista Marcos Roberto Ruybal Bica, pela colaboração e ajuda no desenvolvimento dos dispositivos eletrônicos. Ao Técnico de Laboratório Willian Duarte Bailo meus sinceros agradecimentos. RESUMO Rede de computadores são elementos fundamentais no processo de comunicação. Esses componentes exigem o acompanhamento constante de suas tarefas e são administrados por sistemas de informações que coletam os dados diariamente, para orientar os analistas de suporte na correção das falhas na infraestrutura e a ferramenta utilizada na gestão de recursos de rede de computadores é o protocolo SNMP. As infraestruturas de geração de energia elétrica também são elementos complexos e necessitam de acompanhamento. São utilizados sistemas de informação que disponibilizam dados para os usuários e responsáveis técnicos para avaliarem o funcionamento e corrigir as possíveis falhas. As redes de computadores e os sistemas de geração distribuídas estão convergindo para o ambiente do usuário, e as ferramentas de gestão são importantes são mecanismos na gestão da produção e consumo de energia elétrica. Assim, este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de monitoramento on line para sistema de microgeração fotovoltaica utilizando o protocolo de rede de computadores Single Network Management Protocol (SNMP) para realizar a interface de comunicação com as variáveis de medições elétricas e meteorológicas. O desenvolvimento do projeto compõe dois componentes: hardware e software. O software é composto de dois módulos um para ser utilizado na Web, aplicações Desktop para uso em computadores que suportem sistemas operacionais como o Windows, Linux ou Mac e em dispositivos móveis. As funcionalidades programadas são cadastros das informações para o funcionamento do sistema, relatórios e gráficos que disponibilizam as informações ordenadas em vários níveis, diariamente, semanalmente, anualmente. Nos componentes de hardware foram utilizados cinco microcontroladores Atmel AVR, (Arduino) todos ligados à sensores e programados para a leitura de geração e consumo de energia elétrica e variáveis ambientais, como velocidade do vento, radiância solar, temperatura e níveis de chuva no período, e controle do sistema de bombeamento com duas motos bombas. Todos os experimentos foram realizados na central de microgeração distribuída fotovoltaica (MGD-PV) do Sítio Modelo da fazenda Lageado e no Laboratório de Energias Renováveis do Departamento de Engenharia Rural, nas Faculdades de Ciências Agronômicas da UNESP, campus de Botucatu. O laboratório de Energias Renováveis é o Servidor do sistema e as distâncias são muito variáveis entre todos os microcontroladores, de 32 metros a 260 metros e para realizar o processo de coleta dos dados nos diversos pontos e suprir essa distância foi necessário a construção e configuração de uma infraestrutura de comunicação baseada nas tecnologias ZigBee, para conectar os cincos microcontroladores. Os dados são coletados em intervalos regulares de cinco minutos, às variáveis ambientais são acompanhadas vinte e quatro horas por dia e às variáveis de geração de energia elétrica entre sete da manhã e dezessete horas da tarde. Os dados foram coletados entre setembro de 2016 e fevereiro de 2017. Os componentes de hardware e de software apresentaram rendimentos satisfatórios no processamento das informações através da interface criada pelo protocolo SNMP na comunicação e nas transmissões dos dados gerados pelos sensores, na configuração e mapeamento os objetos para construção da MIB para serem utilizados nas medições elétricas e variáveis ambientais. Palavras chaves: Gerenciamento, protocolo SNMP, sistemas fotovoltaicos, microcontroladores, ZigBee, geração distribuída. ABSTRACT Computer networks are fundamental elements in the communication process. Such components demand constant supervision of their tasks and are managed by information systems, which daily collect data to guide support analysts when correcting glitches in the infrastructure. Protocol SNMP is the tool used for managing resources of the computer network. The infrastructures of electric energy generation are also complex elements and require monitoring. Information systems are utilized, which provide data to users and technical professionals, so they can evaluate functioning and correct possible errors. Computer networks and systems of distributed generation are converging towards the user’s environment, so, management tools are important mechanisms in the control of production and consumption of electric energy. Thus, this work aims at developing an online monitoring system for photovoltaic microgeneration using the Single Network Management Protocol (SNMP) to perform the communication interface with the variables of electrical and metereological measurements. The project development is composed of two elements: hardware and software. The software consists of two modules: one to be used on the Web, Desktop apps for use in computers that can carry operational systems such as Windows, Linux or Mac and one to be used in mobile devices. Programmed functionalities include information register for the functioning of the system; reports and graphs that show information ordained in several levels, daily, weekly and annually. As to hardware, we used five microcontrolers Atmel AVR, (Arduino) connected to sensors and programmed for reading the production and consumption of electric energy as well as environmental variables, such as wind speed, solar radiance, temperature and rain levels during the period and control of the pumping system with two motor pumps. All experiments were carried out at the Distributed Photovoltaic Microgeneration Central (MGD-PV) on a Model Farm and at the Renewable Energies Laboratory of the Agronomy College at UNESP, in Botucatu. The Renewable Energies Laboratory is the server of the system and the distances among all microcontrolers vary from 32 to 260 meters. Therefore, in order to collect data from several locations and neutralize such distance, we needed to build and configure a communication infrastructure based on ZigBee technologies to connect the five microcontrolers. Data are collected during five-minute intervals; environmental variables are followed twenty four hours a day and the variables of electric energy production between 7am and 5pm. Data were collected between September 2016 and February 2017. Hardware and software components showed satisfactory performance at processing information through the interface created by the SNMP protocol regarding communication and transmission of the data generated by sensors as well as on the configuration and mapping objects for the construction of the MIB to be used in electrical measurements and environmental variables. Keywords: management, SNMP protocol, photovoltaic systems, microcontrolers, ZigBee, distributed generation. Lista de ilustrações Figura 1 – Componentes da Radiação Solar........................................... 32 Figura 2 – Hierarquia Fotovoltaica........................................................... 33 Figura 3 – Sistema Fotovoltaico Isolado.................................................. 38 Figura 4 – Sistema Fotovoltaico Conectados à Rede.............................. 39 Figura 5 – Sistema Híbrido....................................................................... 40 Figura 6 – Infraestrutura Genérica de uma AMI....................................... 45 Figura 7 – Tecnologias de Transmissão de Dados.................................. 46 Figura 8 – Módulo Comunicação XBee.................................................... 49 Figura 9 – Módulo Comunicação NRF24L01........................................... 49 Figura 10 – Estrutura em Árvore MIB......................................................... 57 Figura 11 – Arduino Mega.......................................................................... 61 Figura 12 – Shield Ethernet W5100........................................................... 62 Figura 13 – Shield Mega Expansor............................................................ 63 Figura 14 – Shield Relógio Tempo Real (RTC DS1302) ........................... 63 Figura 15 – Sensor de Corrente – ACS712........................................................ 64 Figura 16 – Sensor de Tensão................................................................... 65 Figura 17 – Sensor de temperatura DS18B20 com alojamento externo ... 65 Figura 18 – Sensor de Nível....................................................................... 66 Figura 19 – Piranômetro............................................................................. 67 Figura 20 – Anemômetro............................................................................ 67 Figura 21 – Sensor de Chuva.................................................................... 68 Figura 22 – Sensor de Vazão de Água...................................................... 69 Figura 23 – Localização do Sitio Modelo................................................... 73 Figura 24 – Casa de Equipamento do MGD-PV........................................ 74 Figura 25 – Esquema Elétrico MGD-PV..................................................... 75 Figura 26 – MGD-PV-2............................................................................... 75 Figura 27 – Esquema Elétrico MGD-PV-2................................................. 76 Figura 28 – Composição do Sistema e a Altura do Desnível Geográfico 80 Figura 29 – Fluxograma da Metodologia de Trabalho............................... 82 Figura 30 – Posicionamento dos Sensores no MGD-PV........................... 84 Figura 31 – Posicionamento dos Sensores MGD-PV-2............................. 84 Figura 32 – Gráfico de Conversão do Sensor de Corrente....................... 86 Figura 33 – Gráfico de Conversão do Sensor de Tensão.......................... 88 Figura 34 – Gráfico de Conversão do Piranômetro................................... 89 Figura 35 – Visão das Posições das Unidades-módulos........................... 90 Figura 36 – Arranjo do MS1....................................................................... 91 Figura 37 – Arranjo Geral do MC1............................................................. 92 Figura 38 – Resistor Variável conectado MGD-PV.................................... 93 Figura 39 – Ligação Elétrica da Moto Bomba B2 – Anauger..................... 95 Figura 40 – Ligação Elétrica da Moto Bomba B1 Shurflo.......................... 96 Figura 41 – Componentes MC2................................................................. 98 Figura 42 – Componentes MC3................................................................. 99 Figura 43 – Componentes do MC4............................................................ 100 Figura 44 – Esquema de Ligação da Resistência e da Moto Bomba........ 101 Figura 45 – MIBSolar Compilada pelo OiDVieW....................................... 104 Figura 46 – Visão Geral do Sistema.......................................................... 105 Figura 47 – Protocolo SNMP...................................................................... 106 Figura 48 – Posicionamento dos Sensores MGD-PV................................ 109 Figura 49 – Posicionamento dos Sensores MGD-PV-2............................. 110 Figura 50 – Rede Física XBee................................................................... 111 Figura 51 – Estrutura Física do MS1.......................................................... 112 Figura 52 – Posicionamento do MC1 no MGD-PV..................................... 112 Figura 53 – Instalação Física do MC2........................................................ 113 Figura 54 – Local da Instalação do MC2.................................................... 113 Figura 55 – Instalação das Moto Bomba B1 e B2...................................... 114 Figura 56 – Instalação Física do MC3........................................................ 114 Figura 57 – Instalação Física dos Sensores de Nível................................ 115 Figura 58 – Local Físico da Instalação do MC3......................................... 115 Figura 59 – Posicionamento do MC4......................................................... 116 Figura 60 – OiDViEW e Módulo Desktop................................................... 118 Figura 61 – Módulo Web............................................................................ 119 Figura 62 – Visão Geral do Sistema.......................................................... 120 Figura 63 – Registros gravados no mês.................................................... 121 Figura 64 – Ocorrência de Chuva no Período........................................... 122 Figura 65 – Registros Gravados no Mês.................................................... 123 Figura 66 – Registros Gravados no Mês.................................................... 124 Figura 67 – Registros Gravados no Mês.................................................... 125 Figura 68 – Período de Funcionamento do Sistema.................................. 126 Figura 69 – Painel Fotovoltaico 1............................................................... 127 Figura 70 – Painel Fotovoltaico 2............................................................... 128 Figura 71 – Painel Fotovoltaico 3............................................................... 129 Figura 72 – Painel Fotovoltaico 4............................................................... 130 Figura 73 – Nível de Chuva........................................................................ 131 Figura 74 – Irradiância Solar...................................................................... 132 Figura 75 – Temperatura no Período......................................................... 133 Figura 76 – Velocidade do Vento em m/s.................................................. 134 Figura 77 – Eficiência Painel Fotovoltaico 1.............................................. 135 Figura 78 – Eficiência Painel Fotovoltaico 2.............................................. 136 Figura 79 – Eficiência Painel Fotovoltaico 3.............................................. 137 Figura 80 – Eficiência Painel Fotovoltaico 4.............................................. 138 Figura 81 – Módulo de Monitoramento do Sistemas de Bombeamento ... 139 Figura 82 – Vazão X Irradiância Solar....................................................... 140 Figura 83 – Vazão X Energia Gerada........................................................ 141 Figura 84 – Vazão X Energia Consumida.................................................. 142 Figura 85 – Vazão X Irradiância Solar....................................................... 143 Figura 86 – Vazão X Energia Gerada........................................................ 144 Figura 87 – Vazão X Energia Consumida.................................................. 145 Lista de Tabelas Página Tabela 1 – Serviços Suportados Pelos Protocolos IEC-61850 e DNP3 54 Tabela 2 – Componentes das Unidades 1 76 Tabela 3 – Componentes das Unidades 2 77 Tabela 4 – Componentes das Unidades 3 78 Tabela 5 – Componentes das Unidades 4 78 Tabela 6 – Componentes das Unidades 5 79 Tabela 7 – Componentes do Sistema de Bombeamento Solar 80 Tabela 8 – Valores de Referência dos Componentes Utilizados 81 Tabela 9 – Referência Utilizadas na Calibração do Sensor ACS712 86 Tabela 10 – Referência Utilizadas na Calibração do Sensor de Tensão 87 Tabela 11 – Referência Utilizadas na Calibração do Piranômetro 89 Tabela 12 – Referência do Sensor de Chuva 102 Lista de Símbolos e Abreviaturas A Ampère A/D Analógico Digital AC2712 Sensor de corrente AMI Advanced Metering Infrastructure AMR Automatic Meter Reading e a-Si Silício amorfo ASN.1 Abstract Syntax Notation One BER Basic Encoding Rules CA Corrente Alternada CC Corrente Continua DNP3 Distributed Network Protocol DoD U.S. DEPARTMENT OF DEFENSE DSL Digital Subscriber Line EE Energia Elétrica FF Fator de forma GD Geração Distribuída GHz Gigahertz GND Graduated Neutral Density GOOSE Sistemas Genéricos de Objetos Orientados a Eventos GPRS General packet radio service GSM Global system for mobile communications GW Gigawatts HAN Home área network IAB Internet Architecture Board Ics Corrente de Curto Circuito IEC International Electrotechnical Commission’s IED Dispositivos eletrônicos inteligentes IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers IPX/SPX Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange ISO International Organization for Standardization Kbps Quilo bits por segundo Km Quilômetros kW Quilowatts kWh Quilowatt-hora kWp Quilowatt-pico LAN Local área network M Metros MAC Media Access Control Mbps Mega bits por segundo MC1 Módulo Cliente 1 MC2 Módulo Cliente 2 MC3 Módulo Cliente 3 MC4 Módulo Cliente 4 MGD-PV Micro Geração Distribuída Fotovoltaica MHz Mega-hertz MIB Management Information Base mi-Si Silício Monocristalino MMS Manufacturing Message Specification Mpp Ponto de potência máxima MS1 Módulo Servidor 1 mV Milivolts MW Megawatt MWp Megawatt-pico n Rendimento NetBIOS. Network Basic Input/Output System OID Object Identification OPC Open Platform Communications OSI Open Systems Interconnection PLC Power Line Communication p-Si Silício Policristalino PWM Pulse Width Modulation RF Rádio Frequência RN Resolução Normativa SCADA Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados SD Sistema Desktop SDC Secure Digital Card SW Sistema Web SF Sistemas Fotovoltaicos SFI Sistema Fotovoltaico Isolado SFLR Sistemas Fotovoltaicos Ligados a Rede Si Silício SMS Short Messages Services SNMP Single Network Management Protocol TCP/IP Transfer Control Protocol – Internet Protocol UA Unified Architecture UC Unidade Consumidora UMTS Universal Mobile Telecommunication System V Volts Voc Tensão de Circuito Aberto W Watts W/m2 Watt por metro quadrado WAN Wide área network WI-FI Redes sem fio Wp Watt pico X.25 Protocolo de Rede de longas distâncias ZigBee Padrão para comunicação sem fio SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO.................................................................... 27 1.1 Objetivo Geral...................................................................... 30 1.1 Objetivo Específico............................................................. 30 2 REVISÃO DA LITERATURA.............................................. 31 2.1 Energia Solar...................................................................... 31 2.2 Composição de um Sistema Fotovoltaico.......................... 33 2.2.1 Células................................................................................ 34 2.2.2 Painéis Fotovoltaicos.......................................................... 34 2.2.3 Arranjos Fotovoltaicos......................................................... 35 2.2.4 Baterias............................................................................... 35 2.2.5 Inversores........................................................................... 36 2.2.6 Controladores de Cargas.................................................... 36 2.3 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos........................................ 37 2.3.1 Sistema Fotovoltaico Isolado.............................................. 37 2.3.2 Sistema Fotovoltaico Ligado à Rede.................................. 38 2.3.3 Sistema Fotovoltaico Híbridos............................................. 39 2.4 Geração Distribuída............................................................ 40 2.4.1 Geração Distribuída no Mundo........................................... 41 2.4.2 Geração Distribuída no Brasil............................................. 42 2.5 Equipamentos de Medição.................................................. 43 2.6 Metodologias de Medição................................................... 44 2.6.1 Topologias de Comunicação............................................... 46 2.6.2 Meios de Comunicação com Fio......................................... 47 2.6.3 Meios de Comunicação sem Fio......................................... 48 2.6.4 Sistema Móvel de Comunicação......................................... 49 2.6.5 Sistema Fixo de Comunicação........................................... 50 2.7 Protocolos de Comunicação............................................... 51 2.7.1 Protocolo IEC-61850........................................................... 52 2.7.2 Protocolo DNP3.................................................................. 53 2.7.3 Protocolo IEC-61850 x DNP3............................................. 54 2.7.4 Protocolo SNMP.................................................................. 55 2.8 Sistemas Computacionais................................................... 58 2.8.1 Sistemas de Apoio à Decisão............................................. 58 2.8.2 Computação Física............................................................. 59 2.8.3 Equipamentos Digitais........................................................ 61 2.9 Sensores............................................................................. 63 2.9.1 Sensores de Corrente e de Tensão.................................... 63 2.9.2 Sensores de Temperatura................................................... 65 2.9.3 Sensores de Nível............................................................... 66 2.9.4 Sensores de Radiação Solar.............................................. 66 2.9.5 Sensores de Velocidade do Vento...................................... 67 2.9.6 Sensor de Chuva................................................................ 67 2.9.7 Sensor de Vazão de Água ¾............................................... 68 2.10 Redes Inteligentes - Smart Grids......................................... 69 2.11 Sistemas Correlatos ao Sistema de Monitoramento Fotovoltaico........................................................................ 70 3 MATERIAL E MÉTODO..................................................... 73 3.1 Material............................................................................... 73 3.1.1 Micro Geração Distribuída Fotovoltaica.............................. 74 3.1.2 Equipamentos dos Módulos do Sistema............................. 76 3.2 Método................................................................................ 81 3.2.1 Configuração do Projeto Físico........................................... 83 3.2.1.1 Sistema Fotovoltaico........................................................... 83 3.2.1.2 Conversão Analógico Digital .............................................. 85 3.2.1.2.1 Sensor de Corrente ACS712.............................................. 85 3.2.1.2.2 Sensor de Tensão.............................................................. 86 3.2.1.2.3 Piranômetro........................................................................ 88 3.2.2 Estrutura do Projeto de Hardware....................................... 90 3.2.2.1 Rede ZigBee....................................................................... 90 3.2.2.2 Módulo MS1........................................................................ 91 3.2.2.3 Módulo MC1........................................................................ 91 3.2.2.3.1 Resistor de Carga Variável Painéis 1 a 4............................ 92 3.2.2.3.2 Moto Bombas Painéis 5 e 6 ............................................... 94 3.2.2.3.3 Eficiências dos Painéis 1 a 4............................................... 97 3.2.2.4 Módulo MC2........................................................................ 97 3.2.2.5 Módulo MC3........................................................................ 98 3.2.2.6 Módulo MC4........................................................................ 99 3.2.2.6.1 Anemômetro....................................................................... 100 3.2.2.6.2 Carga no MGD-PV-2........................................................... 101 3.2.2.6.3 Nível de Chuva.................................................................... 102 3.2.3 Estrutura do Projeto de Software........................................ 102 3.2.3.1 MIBSolar............................................................................. 103 3.2.3.2 Linguagem Java.................................................................. 104 3.2.4 Visão Geral do Sistema – Hardware e Software................. 105 3.2.5 Desempenho do Sistema.................................................... 106 3.2.6 Monitoramento dos Painéis Fotovoltaicos.......................... 107 3.2.7 Monitoramento das Grandezas Ambientais........................ 107 3.2.8 Eficiência dos Painéis Fotovoltaicos................................... 107 3.2.9 Monitoramento do Sistema de Bombeamento.................... 108 3.2.10 Sistemas de Cópias de Segurança..................................... 108 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO.......................................... 109 4.1 Configuração do Projeto Físico........................................... 109 4.1.1 Sistema Fotovoltaico........................................................... 109 4.1.2 Conversão Analógico Digital dos Sensores........................ 110 4.2 Estrutura do Projeto de Hardware....................................... 110 4.2.1 Rede ZigBee....................................................................... 110 4.2.2 Módulo MS1........................................................................ 111 4.2.3 Módulo MC1........................................................................ 112 4.2.4 Módulo MC2........................................................................ 113 4.2.5 Módulo MC3........................................................................ 114 4.2.6 Módulo MC4........................................................................ 115 4.3 Estrutura do Projeto de Software........................................ 116 4.3.1 MIBSolar............................................................................. 117 4.3.2 Linguagem Java.................................................................. 119 4.4 Visão Geral do Sistema Hardware e Software.................... 119 4.5 Desempenho do Sistema.................................................... 120 4.6 Monitoramento dos Painéis Fotovoltaicos.......................... 127 4.7 Monitoramento das Grandezas Ambientais........................ 131 4.8 Eficiência Painéis Fotovoltaicos ......................................... 134 4.9 Monitoramento do Sistema de Bombeamento.................... 139 4.10 Considerações Parciais...................................................... 146 5 CONCLUSÃO..................................................................... 149 REFERÊNCIAS.................................................................. 150 Apêndice A – MIBSolar....................................................... 164 Apêndice B – Sistema Web................................................ 176 Apêndice C – Sistema Desktop........................................... 177 Apêndice D – Estrutura do Banco de Dados....................... 178 Apêndice E – Produção de Energia por Dia........................ 179 Apêndice F – Eficiência do Sistema de Bombeamento....... 182 Apêndice G – Estrutura da MIBSolar................................... 183 27 1 INTRODUÇÃO O aproveitamento da energia solar ocorre através da conversão da radiação solar global incidente na superfície da terra pelos equipamentos denominados placas fotovoltaicas que convertem a luz em tensão elétrica. Antes, eram utilizadas em ambientes isolados; depois, migraram para as cidades, sendo colocadas nas fachadas e telhados das edificações. Vários países têm incorporado essa tecnologia a sua matriz energética na geração de energia elétrica. No Brasil, há várias experiências implementadas, além de apresentar uma tendência de crescimento para os próximos anos. Na cidade de Ribeirão Preto, interior de São Paulo, uma casa será a maior do país a contar com abastecimento de energia gerada por placas fotovoltaicos, com capacidade instalada de 25,2 kWp, produzindo 3.300 kWh/mês. Nessa edificação, funciona uma galeria de arte particular. Em Santa Catarina, há uma usina solar da Tractebel, sendo, atualmente, a maior do Brasil em operação comercial. A usina, que fica no município de Tubarão, possui 19.424 placas fotovoltaicas com uma potência total de 3.000kWp (3MWp) e foi construída para fins de pesquisa e desenvolvimento da tecnologia. Uma usina solar da Eletrosul foi construída sobre o prédio administrativo e sobre as vagas de estacionamento, com potência instalada de 1MW, destacando-se pelo fato de ser a primeira desse tamanho no Brasil a ser construída integrada a um edifício. A maior usina solar construída em um estádio de futebol no Brasil, o Mineirão, tem mais de 6.000 painéis solares, totalizando uma potência de 1.420kWp (1.42MWp). É possível observar que essa tecnologia está sendo utilizada e a energia produzida é consumida pelas próprias unidades consumidoras; o excedente é inserido no sistema de distribuição de energia elétrica. Para que haja o controle da geração e do consumo, foi necessário o desenvolvimento de equipamentos que permitem quantificar a energia produzida. No sistema tradicional, a medição é realizada durante o consumo por medidores eletromecânicos. Com a evolução dos sistemas embarcados e microcontroladores, foram desenvolvidos equipamentos eletrônicos que possibilitam através dos meios de 28 comunicação1 o acompanhamento em tempo real do consumo de energia elétrica das unidades consumidoras. Experiências com sistemas eletrônicos de medição estão sendo executados no estado de Minas Gerais com as “Cidades do Futuro (Cemig)”, em Sete Lagoas/MG; no Rio de Janeiro, a “Cidade Inteligente Búzios (Ampla/Endesa Brasil)”, em Búzios/RJ, e sistemas de “Smart Grid Light (Light)”, na cidade do Rio de Janeiro/RJ; no estado do Amazonas, em Parintins, com o projeto “Eletrobrás Amazonas Energia” (ELETROBRÁS, 2011); no estado de São Paulo, com “Smart Grid (AES Eletropaulo)”, em Barueri, e a “InovCity (EDP Bandeirante)”, em Aparecida, entre outros. Na comunicação entre as unidades de consumo e as distribuidoras de energia elétrica são utilizadas infraestruturas intermediadas por protocolos que estabelecem regras, definem como as informações serão lidas, transmitidas e processadas. Os protocolos utilizados atualmente nesse processo são DNP3 e IEC-61850 e permitem que as distribuidoras conheçam o real comportamento dos consumidores de energia elétrica em tempo real. Quando a unidade consumidora produz energia por meio de placas fotovoltaicas, é necessária a utilização de um medidor eletrônico que tenha a capacidade de medir o consumo e a geração. Esses equipamentos são denominados medidores eletrônicos bidirecionais, a fim de que as distribuidoras possam contabilizar a energia produzida aos consumidores. No Brasil, é conhecido como Sistema de Compensação de Energia Elétrica, regulamentado a partir de 2012 pela ANEEL, permitindo que a energia excedente seja injetada na rede da distribuidora quando esta for maior que a consumida; o consumidor receberá créditos que podem ser utilizados para abater o valor de consumo nas faturas dos meses subsequentes. Esse novo paradigma é uma tendência mundial. Em muitos países na União Europeia (Alemanha, Portugal, Espanha, Itália), nos Estados Unidos e Ásia (China e Japão), que já utilizam a energia produzida em sistemas fotovoltaicos fazendo uso dos medidores bidirecionais para medir o consumo e a produção. O mundo contemporâneo está conectando essas fontes à rede de distribuição, não só uma casa, mas duas, três, quantas forem necessárias em um futuro próximo, embora já seja uma realidade nos dias atuais gerando um novo conceito, a Geração Distribuída – produção de energia limpa próxima ao consumidor. 1 Rede de computadores, sistemas de comunicação sem fio (celular), Internet. 29 Isso é possível graças aos avanços das tecnologias de informação que estão disponíveis no seio da sociedade moderna, transformando hábitos e costumes, estando presentes em todas as atividades humanas, dentre elas, produção, transmissão e consumo de energia elétrica. A união de tecnologia e geração distribuída trazem à luz do conhecimento as redes inteligentes (Smart grids), sistema de geração de energia elétrica automatizado que utiliza tecnologia da informação com o objetivo de aumentar a sua eficiência operacional. Nesse contexto, é imprescindível a gestão dos recursos energéticos que estão sendo inseridos na vida das pessoas, recursos que podem interferir na vida particular e na vida de uma nação. Quando os recursos são conectados a uma rede de distribuição ou isolados, as tecnologias colaboram com o processo de medir a produção e o consumo de energia elétrica de forma segura e eficiente para o melhor aproveitamento das placas fotovoltaicas conectadas aos sistemas de distribuição. Os protocolos utilizados na gestão dos smart grids, DNP3 e o IEC-61850, criados para a gestão de recursos de geração de energia em subestações; quando aplicados nos smart grids, apresentam deficiências, não conseguindo contemplar todas as especificidades exigidas. Os protocolos são remanescentes da década de sessenta do século vinte; impulsionadas pela guerra fria, essas ferramentas foram desenvolvidas para propiciar a comunicação de dados entre as bases militares de forma segura diante de um estado de guerra declarado. Esse impulso trouxe a evolução de vários protocolos, tais como Transfer Control Protocol – Internet Protocol, X.25, Frame-Relay, IPX/SPX e NetBIOS. Com o desenvolvimento dos sistemas de rede de computadores, que permitiram a conexão de vários dispositivos nas empresas, aumentando em muito as complexidades dessas estruturas, foi criado o protocolo Single Network Management Protocol ou simplesmente (SNMP) no ano de 1988 com o objetivo de auxiliar o gerenciamento dos diversos componentes interligados pela rede de computadores, sendo amplamente utilizado até a presente data. Assim, buscar novos conceitos para a gestão da produção de energia elétrica através de consolidadas tecnologias pode abrir novos horizontes de aplicabilidade para elas, transformando-as em ferramentas de gestão para o homem. Este trabalho tem, assim, o propósito de inserir um conceito de gestão em rede de computadores 30 fornecida pelo protocolo SNMP para a gestão da produção de energia elétrica através de placas fotovoltaicas. Mesmo que a simulação ocorra em um sistema isolado de geração de energia elétrica, é importante para criar e aplicar novos conhecimentos para o controle dos sistemas fotovoltaicos, aperfeiçoamento de equipamentos, sistemas de informação e comunicação, e aplicação de tecnologias que não foram criadas para o controle da produção de energia em sistemas isolados ou conectados à rede de distribuição de energia elétrica. 1.1 Objetivo geral Desenvolver um sistema de monitoramento on line para sistema de microgeração fotovoltaica utilizando o protocolo de rede de computadores Single Network Management Protocol (SNMP) para realizar a interface de comunicação com as variáveis de medições elétricas e meteorológicas. 1.2 Objetivo específicos Desenvolver uma aplicação web para disponibilizar os dados coletados pelos sensores para os usuários através da Internet; Desenvolver uma aplicação desktop para realizar operações administrativas, coleta e armazenamento dos dados; Utilizar o protocolo SNMP como interface de comunicação dos dados medidos com os sistemas web e desktop. 31 2 REVISÃO DA LITERATURA 2.1 Energia solar A radiação solar é o termo genérico dado a ondas eletromagnéticas provenientes do Sol, quando está fora da atmosfera é denominada de radiação solar extraterrestre ou irradiância extraterrestre e, ao entrar na atmosfera, afeta diretamente todos os elementos existentes como a temperatura, a pressão, o vento, a chuva e a umidade, e sofre atenuações causadas por moléculas de gases, vapor d'água, poeira e tem interações com essas superfícies por meio de três processos físicos: espalhamento, absorção e reflexão, (Figura 1), (DAL PAI 2005, p. 11; INACIO, 2009; VAREJÃO- SILVA, 2006). O espalhamento é o resultado da obstrução da radiação causada por partículas existentes de tamanhos variáveis, desde moléculas de gases naturais até grandes gotas de chuva e partículas de granizo, esses elementos podem mudar a direção para cima, para baixo e para os lados, dispersando-a em todas as direções. A intensidade e a direção do espalhamento dependem do diâmetro das partículas e do comprimento de onda da energia eletromagnética. A absorção ocorre quando a radiação não é refletida, mas sim absorvida, esse fenômeno ocorre em plantas verdes que absorvem a energia para realizar o processo da fotossíntese e para os processos de respiração, também pode ser absorvida para aumentar a temperatura de um objeto e posteriormente emitida na forma de calor. Ainda a radiação solar pode ser absorvida por gases existentes na atmosfera como o oxigênio, ozônio, dióxido de carbono e vapor d’água. A reflexão ocorre quando a radiação solar recebida sobre a superfície terrestre é refletida para o espaço pelas nuvens, pelas massas de gelo e neve e pela própria superfície terrestre, a fração da radiação solar refletida por uma superfície denomina-se albedo que é um coeficiente de reflexão relativa a quantidade de luz que pode ser refletida pela superfície de um corpo (DAL PAI 2005, p. 11; GRIMM, 1999; SOFIU et al., 2011; YAMASOE, 2006). A resultante da interação da radiação solar com os elementos existentes na atmosfera é denominada de radiação difusa ou irradiância solar difusa, proveniente do espalhamento por gases, condições climáticas e partículas de poeira, ao atingir a superfície terrestre, também pode sofrer modificações através da vegetação, do relevo e das construções civis (PRADO et al., 2007; DUFFIE; BECKMAN 2013, p. 10). 32 A radiação solar direta ou irradiância solar direta é uma parcela da energia radiante incidente no topo da atmosfera terrestre, e sem sofrer modificações em sua direção original, chega a superfície da Terra (DAL PAI 2005, p. 11; INACIO, 2009). A radiação solar global ou irradiância total é o total da energia incidente na superfície da Terra a partir do Sol, sendo resultante da soma da irradiância solar difusa e irradiância solar direta, é um elemento meteorológico que influência todo o clima no planeta, a irradiância é o valor da radiação solar incidente em uma superfície, pela área (base x Altura) da superfície exposta, medida em watt por metro quadrado (W/m2) (MACAGNAM, 2010). Figura 1 – Componentes da radiação solar. Fonte: PINHO e BARRETO (2008, p. 46) A radiação incidente sobre a superfície da terra é dependente da atmosfera, da latitude, da hora, da estação do ano decorrentes da inclinação do eixo de rotação e da trajetória elíptica de translação da terra em torno do Sol, podendo variar conforme a região, como nas regiões polares em relação à linha do equador (PRADO et al., 2007; PINHO; GALDINO, 2014; VICENTIN, 2014). Medições realizadas a partir do espaço no período de março de 2000 a novembro de 2005, cerca de 54% da irradiância solar que incide no topo da atmosfera (7%) é refletida, (47%) é absorvida pela superfície da Terra e (46%) são absorvidos ou refletidos (PINHO; GALDINO, 2014; TRENBERTH et al., 2009). 33 A radiação incidente em qualquer parte do globo terrestre, pode variar conforme as condições apresentadas, sendo constituída de fótons ou partículas que contêm quantidades diferentes de energia correspondente aos diferentes comprimentos de ondas. Seu aproveitamento para a geração de energia elétrica é realizado através do efeito fotovoltaico, que é a conversão da luz visível em uma tensão elétrica por meio de um material semicondutor; esse aproveitamento se dá através de tecnologias denominadas de células fotovoltaicas. (PINHO; BARRETO, 2008). 2.2 Composição de um sistema fotovoltaico Um sistema destinado a gerar energia elétrica (EE) a partir da incidência da luz solar é denominado sistema fotovoltaico (SF), cuja construção e utilização são determinadas pela composição de seus componentes. O SF é constituído pelos seguintes componentes essenciais: células, módulo, baterias, inversores, controladores de carga, sistema de medição e monitoramento. Os termos módulo, placa e painel possuem o mesmo significado e são utilizados para descrever um conjunto de células fotovoltaicas disponíveis. Um conjunto de células constitui um módulo, e vários módulos agrupados configuram um arranjo fotovoltaico (Figura 2). Para este trabalho o termo utilizado será painel. Figura 2 – Hierarquia fotovoltaica. Fonte: LEVA et al., (2004, p. 4) 34 2.2.1 Células As células fotovoltaicas são produzidas utilizando o silício (Si) e podem ser constituídas a partir de um dos três componentes: silício Monocristalino (mi-Si), silício Policristalino (p-Si) e silício amorfo (a-Si). As células de (mi-Si) são as mais utilizadas como conversor direto de energia solar em eletricidade, tecnologia consolidada que, durante o processo de fabricação, pode atingir um grau de pureza em 98 e 99%, com eficiência de 15 a 18%; para que isso ocorra, a fabricação começa com a extração do cristal de dióxido de silício, desoxidado em grandes fornos, purificado e solidificado. As células de (p-Si) são as mais baratas em relação às de (mi-Si) por terem um processo de fabricação menos rigoroso, no entanto a eficiência energética cai em comparação com a (mi-Si) e varia entre 13 e 15%. As células (a-Si) apresentam baixa eficiência de conversão quando comparadas às células mono e policristalinas, variando entre 5 e 8%; essa queda ocorre durante os primeiros seis a doze meses de funcionamento, diante da degradação induzida pela luz até se estabilizar; por outro lado, o processo de fabricação é mais simples e barato, além de baixo custo de consumo energético na produção (CRESESB, 2006; VILLALVA; GAZOLI, 2012). As células fotovoltaicas são responsáveis pela conversão de radiação solar em eletricidade na forma de corrente contínua (CC). 2.2.2 Painéis fotovoltaicos O conceito de painel é descrito para designar um conjunto de células conectadas através de uma estrutura rígida e conectadas eletricamente, e a conexão pode ser em série e/ou em paralelo, conforme a necessidade de energia elétrica (EE) da unidade consumidora (UC). Podem produzir de 50 e 250 W (watts) de potência, com tensões de 37 V (volts) e corrente em torno de 8 A (ampères) (CRESESB, 2006; VILLALVA; GAZOLI, 2012). Os painéis fotovoltaicos interligados constituem um arranjo que tem como objetivo aumentar a potência elétrica. 35 2.2.3 Arranjos fotovoltaicos Um sistema fotovoltaico (SF) ou arranjo é constituído de painéis fotovoltaicos que podem incluir dispositivos para controle, supervisão, proteção, condicionamento e armazenamento de EE (BRAUN-GRABOLLE, 2010). A corrente gerada pelo arranjo é constituída pela conexão em série ou em paralelo dos painéis, e a potência é especificada em CC pela soma das potências individuais dos módulos (BRAUN-GRABOLLE, 2010; SEVERINO, 2008). A potência dos módulos existentes nos arranjos é dada pela potência de pico e medida em Wp (Watt pico), cujas principais características são: corrente de curto- circuito (ISC) - não existe tensão externa na célula e a corrente é a maior possível; tensão de circuito aberto (VOC) - não há corrente externa que supere a diferença de potência entre as regiões dopadas; ponto de potência máxima (MPP) - é o ponto de operação que ocorre quando a potência entregue alcança o maior valor; fator de forma (FF) - relação existente entre a potência no MPP e o produto da corrente de curto- circuito vezes a tensão de circuito aberto; e rendimento (ᶯ) descreve a relação entre a potência no MPP e a potência total da luz incidente (BORGES NETO;CARVALHO, 2012; CRESESB, 2006). 2.2.4 Baterias As baterias eletroquímicas utilizadas para o armazenamento podem ser do tipo: chumbo-ácidas, níquel-cádmio e automotivas. Elas armazenam energia química e, em determinadas condições, a transforma em EE na forma de corrente continua em baixa tensão. Devem ser do tipo estacionárias, podem ser descarregadas entre 20 e 80% de sua capacidade máxima e recarregadas novamente todos os dias. As baterias de chumbo-ácidas são as mais baratas, possuem vários modelos distintos com capacidade de armazenamento, não podem ser mantidas descarregadas totalmente, pois isto poderá danificá-las permanentemente. As baterias de níquel-cádmio são mais confiáveis; embora de custo mais elevado, possuem capacidade de permanecer por longos períodos em baixo estado de carga. No entanto, seu custo e sua baixa capacidade quadruplicam para reduzir a frequência de descarga, desestimulando o seu uso em grande parte de aplicações fotovoltaicas. As automotivas não são adequadas para esse fim, uma vez que são projetadas para oferecer cargas de alta 36 intensidade por um curto período de tempo; sofrem descargas rápidas durante o acionamento do motor de arranque do veículo e podem ser descartadas se forem descarregadas abaixo de 20% de sua capacidade por várias vezes. (ABREU; OLIVEIRA; GUERRA, 2010; PINHO; GALDINO, 2014). 2.2.5 Inversores O subsistema condicionador de potência faz a conexão do SF com o consumo, que pode ser feita em corrente contínua (CC) ou em Corrente Alternada (CA) conforme a necessidade. É constituído por vários dispositivos com a função de controlar o acionamento, o desligamento e a operação do sistema, realizar a proteção do sistema e, finalmente, controlar a conversão de CC/CA. Alguns SF ainda podem controlar as funções de medição, supervisão e controle, seja em ambiente in loco ou remotamente. Para o trabalho de conversão de corrente CC/CA, são utilizados os inversores que são disponibilizados em dois modelos: os comutados, cujo processo de inversão é controlado pela tensão da rede elétrica, e os autocomutados, cujo controle é feito por sinal elétrico gerado no próprio dispositivo (ABREU; OLIVEIRA; 2010; CABRERA- TOBAR et al., 2016; PINHO; GALDINO, 2014). 2.2.6 Controladores de carga Os controladores de carga têm a função de fazer a conexão entre o painel fotovoltaico e a bateria para evitar que seja sobrecarregada ou descarregada excessivamente, ocorrendo alguma falha no sistema, uma vez que as baterias podem sofrer danos irreversíveis. Ainda permitem o dimensionamento do banco de baterias e do seu carregamento, desconexão quando as baterias estão em baixo nível de carga, proteção contra o aumento excessivo do consumo de energia e quando estão com carga plena. Alguns controladores também têm a função de monitorar o desempenho de um SF através da medição de corrente, tensão e carregamento, e acionar alarmes em eventuais problemas (PINHO; GALDINO, 2014; VILLALVA; GAZOLI, 2012). 37 2.3 Tipos de sistemas fotovoltaicos Os SF são caracterizados quanto à sua construção em: sistemas fotovoltaicos isolados, sistemas fotovoltaicos ligados à rede e sistemas fotovoltaicos híbridos. 2.3.1 Sistema fotovoltaico isolado Os sistemas fotovoltaicos isolados (SFI) também pode ser classificado como autônomos ou sistemas off-grid, uma vez que não estão conectados a uma rede de distribuição de energia das concessionárias e têm a finalidade de gerar energia elétrica para suprir a demanda não atendida por redes elétricas convencionais às propriedades rurais, embarcações e equipamentos isolados, como radares de autoestradas, projetos agropastoris, projetos de irrigação e de comunicação. Para o fornecimento de energia elétrica às UC, a utilização do SFI está regulamentada pela RN 482/2012 (BRASIL, 2012), que estabelece a forma de funcionamento na geração de EE. Os SFI estão conectados a uma fonte primária (Sol) e, em geral, necessitam de um sistema de armazenamento de energia captada e baterias, para que possam garantir o fornecimento destas em período noturno ou em dia com baixa incidência solar. As características incluem a modularidade, baixo custo de manutenção, longa vida útil e a gratuidade da energia primária, o que torna esse sistema de grande relevância para as instalações (BRASIL, 2012; PINHO; GALDINO, 2014; SERVERINO, 2008; SCHWERTNER et al., 2013). Há várias topologias SF autônomos que foram estudadas e desenvolvidas. A mais usual emprega um barramento CC que liga os painéis fotovoltaicos por meio de um controlador de carga ao sistema de armazenamento de energia (baterias) e ao inversor, disponibilizando a EE à UC, processo demonstrado na Figura 3 (GULES et al. 2008; OZDEMIR et al., 2009; SCHWERTNER et al., 2013; WALKER; SERNIA, 2004). 38 Figura 3 – Sistema fotovoltaico isolado. Fonte: ENERGYSOLAR (2016) 2.3.2 Sistemas fotovoltaicos ligados à rede Os sistemas fotovoltaicos ligados à rede (SFLR), denominados de on-grid, podem ser caracterizados de duas formas: sistemas distribuídos ligados à rede e os sistemas centralizados ligados à rede. Ambos não requerem a utilização de baterias para armazenamento de energia, uma vez que a própria rede elétrica pode ser utilizada para isso. Esses modelos são utilizados em ambientes que apresentam a disponibilidade de energia elétrica e toda a produção é imediatamente injetada na rede, sendo consumida no próprio local ou transferida para a concessionária conforme os níveis da produção ou consumo instantâneos. Os SFLR distribuídos são instalados para fornecer energia para o consumidor e, ainda, utilizar a rede de distribuição convencional para complementar a sua demanda, quando necessário; podem vender para o sistema caso a oferta seja maior que a sua necessidade, normalmente são integrados à edificação, não ocupando espaço adicional nas fachadas dos prédios ou telhados, junto ao ponto de consumo. Um problema existente é a edificação não estar na orientação mais adequada para captação solar com relação à direção ideal, o que compromete a produção de energia. Os equipamentos existentes no SFI são os mesmos utilizados no SFLR, com o adicional de um medidor de EE que controla a geração e o consumo, conforme 39 apresentado na Figura 4 (CRESESB, 2004; IEA-PVPS, 2006; IEA-PVPS, 2015; JANNUZZI et al., 2009; SCHWERTNER, et al., 2013). Figura 4 – Sistema fotovoltaico conectado à rede. Fonte: ENERGYSOLAR (2016). 2.3.3 Sistemas fotovoltaicos híbridos Os sistemas híbridos são aqueles que estão conectados a mais de uma fonte de energia para geração de EE. Essa opção é feita de modo que uma fonte complemente a outra em uma eventual falta. São mais complexos e necessitam de um sistema de controle para integrar os vários geradores. Há diversas configurações para os sistemas híbridos, sendo os mais utilizados: eólico-diesel, fotovoltaico-diesel, fotovoltaico-eólico-diesel e fotovoltaico-eólico, ilustrados na Figura 5 (PINHO; BARRETO, 2008; SIQUEIRA et al., 2014). 40 Figura 5 – Sistema híbrido. Fonte: SOLAR (2016) Com a integração dos SF ao contexto da sociedade moderna, deu-se a origem a um novo paradigma de geração de EE, a geração distribuída. 2.4 Geração distribuída Geração distribuída (GD) é a designação utilizada para o sistema de geração descentralizada de energia elétrica (EE) através de usinas de pequeno porte integradas à rede ou isoladas. A partir da década de 90, o setor energético no mundo passou por mudanças em função dos custos dos projetos de grandes centrais geradoras de EE, dos impactos ambientais e das recorrentes crises energéticas. Tais fatos trouxeram à luz a discussão sobre novas formas de geração de EE estimulando a sua descentralização e possibilitando o surgimento de novas tecnologias face à dificuldade e escassez de recursos para grandes projetos. O interesse por energia renovável trouxe ao debate as questões relacionadas à GD (SEVERINO, 2008; VIANA, 2004). Desde então, em decorrência das inovações tecnológicas no setor, com a regulamentação do mercado, ambiente mais competitivo, dificuldade de financiamento para grandes projetos de geração, impactos ambientais e o tempo para se obterem licenças dão ênfase à construção de unidades geradoras de menor porte, 41 perto do centro de consumo, possibilitando o surgimento de novos produtores e autoprodutores que passaram a vender EE para a rede. Esse modelo trouxe uma nova caracterização para o termo GD, que ficou conhecido como uma fonte de geração de EE ligada diretamente à rede de distribuição através das instalações da unidade consumidora (UC), ficando próximo ao consumidor final; com capacidade máxima entre 1 quilowatts a 30 megawatts (MW). O meio acadêmico define GD como sendo uma pequena fonte de geração ou armazenamento de EE, que varia desde poucos quilowatts (kW) a dezenas de MW, mas não faz parte de um sistema de energia central (ACKERMANN; ANDERSSON; SODER, 2001; ACKERMANN, 2007; PURCHALA et al, 2007). 2.4.1 Geração distribuída no mundo O crescente aumento do custo de produção de EE, aumento da demanda e os grandes impactos ambientais causados na construção de grandes unidades geradoras têm impulsionado o mundo na busca de soluções baseadas na GD para geração, transmissão e distribuição de EE através desse mecanismo. Para isso, os países têm investido, regulamentado e reestruturado seu mercado da eletricidade (ACKERMANN, 2007). Entre os países que se destacam no uso de GD estão os EUA, que têm apresentado crescimento significativo notável na última década, com a sua capacidade de geração dobrando a cada dois anos desde 2006; é o país com mais investimentos em energia solar fotovoltaica. O uso de mão de obra no setor nos EUA apresentou um crescimento de 20%, e foi constatado que no setor foram empregados 77% a mais que nas indústrias de mineração de carvão. O período de instalação de um SF era de dois dias em 2013, enquanto esse período foi reduzido para menos de um dia em 2015 para produzir o mesmo trabalho. Os demais países que apresentam crescimento e desenvolvimento do uso de sistemas baseados na GD são, na ordem: China, Japão, Reino Unido e Alemanha (KORONOWSKI, 2016; LAURENCE et al., 2015; REN21, 2015). O continente europeu, no ano de 2014, experimentou um crescimento recorde, com o acréscimo de 40 gigawatts (GW) de capacidade adicional ao sistema de produção de EE, com o valor global de 177 GW. Apesar do declínio substancial em novas instalações na União Europeia, mais de 60% de toda a capacidade em 42 operação em todo o mundo no final de 2014 foram adicionados ao longo dos últimos três anos, e espera-se para os próximos cinco anos atingir uma capacidade instalada de 450 GW (REN21, 2015). 2.4.2 Geração distribuída no Brasil A GD no Brasil é regulamentada por Decreto-Lei e por Resoluções Normativas (RN) para a produção de EE que disponibilizam para o consumo. Para os ambientes de produção conectados à rede, a regulamentação é realizada através do Decreto-Lei 5.163/2004, o qual define o produtor de EE como sendo o agente concessionário, permissionário ou autorizado com capacidade instalada superior a 30 MW para o sistema hidrelétrico e termelétrico, inclusive de cogeração (BRASIL, 2004). Pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), em suas Resoluções Normativas (RN) 482 e 493 de 2012, A RN 482 define o conceito de minigeração e microgeração, ambas usam fontes baseadas em energia hidráulica, eólica, solar, biomassa e cogeração qualificada. Diferem-se apenas na potência instalada: a minigeração suporta valores de tensão menores ou iguais a 100 quilowatts (kW) e a microgeração, superiores a 100 kW e inferiores a 1MW. Ambas devem fornecer energia de acordo com os níveis de tensão existentes no município, 110 ou 220 volts (BRASIL, 2012a,b). Para os ambientes isolados, a RN 493 cria as condições para o fornecimento de EE de duas maneiras: Microssistema Isolado de Geração e Distribuição de EE (MIGDI) ou Sistema Individual de Geração de energia elétrica com Fonte Intermitente (SIGFI). Esses modelos são utilizados para o atendimento de uma única UC, cujo fornecimento se dê exclusivamente por meio de fonte de energia intermitente, disponibilizando energia mensal entre 13 quilowatt-hora (kWh) até 80 kWh, e as concessionárias podem aproveitar o fornecimento desde que seja superior a 80 kWh/mês e com garantia de autonomia mínima de dois dias (BRASIL, 2012b). As resoluções foram criadas para normatizar o mercado de EE e estimular o desenvolvimento do setor. Na atualização que entrou em vigor a partir do mês de março de 2016, através da RN 687 de 2015, será permitido o uso de qualquer fonte renovável, além da cogeração qualificada. A infraestrutura denomina-se de microgeração distribuída com potência instalada até 75 quilowatts e minigeração 43 distribuída até 3 megawatts. Permite créditos de compensação no consumo de EE válidos por um período de 60 meses. Outra possibilidade é a geração em condomínios, possibilitando repartir a energia gerada a todos os condôminos em porcentagens definidas pelos próprios consumidores (BRASIL, 2015). Mesmo com as mudanças na legislação brasileira, o mercado está “incipiente” e apresenta várias dificuldades a serem superadas. Em pesquisa realizada no setor abrangendo 106 empresas, 54% não conseguiram finalizar a instalação de um sistema no ano de 2014 (MANOEL; KONZEN, 2014). Essa conclusão deve-se a um rápido crescimento do número de empresas que não participaram de pesquisas anteriores e estão inseridas no contexto de 2015. Outro problema apresentado está relacionado ao tempo gasto no processo de conexão com o sistema de distribuição, abrangendo as etapas de emissão do parecer técnico de acesso, vistoria da instalação e entrega do relatório para aprovar e efetivar a conexão (era de 82 dias). De todas as etapas previstas para a implantação do sistema, a pesquisa apresentou uma grande variação no período, de um mês a um ano ou mais para efetivar a conexão do empreendimento. Quanto à geração de empregos, face ao pequeno número de projetos, as empresas têm utilizado mais a mão de obra terceirizada do que empregados efetivos (BRASIL, 2014; MANOEL et al., 2015). Com a RN 687, espera-se um desenvolvimento maior na geração de energia fotovoltaica. Mesmo com todas as dificuldades apresentadas no mercado nacional de EE, estima-se que até o ano de 2024 cerca de 1,2 milhão de UC passem a produzir energia, totalizando 4,5 gigawatts de potência instalada (ANEEL, 2015). 2.5 Equipamentos de medição Para medição de EE nas UCs, são utilizados os medidores eletromecânicos, tecnologia consolidada capaz de quantificar o consumo em função da corrente das cargas conectadas ao aparelho. Os medidores eletromecânicos correspondem a 92% do mercado brasileiro e são usados amplamente em todo o território nacional com mais ênfase nas regiões Sul e Sudeste, sendo mais antigos em relação à região Norte, desenvolvida através do programa Luz Para todos (BRASIL, 2009). Os medidores eletrônicos surgiram na década de 90, cujo princípio de funcionamento está baseado em um microprocessador que acumula os valores de tensão e de corrente ao longo do tempo. Além da medição do consumo da EE, esse 44 equipamento pode também realizar as seguintes tarefas: o consumo de EE elétrica ativa e o valor acumulado por posto tarifário; a identificação do posto tarifário corrente; valores de tensão e de corrente de cada fase (BRASIL, 2000; BRASIL, 2012a; HENRIQUES, 2002, p. 25-27). Outra categoria de medidores eletrônicos denominados de bidirecionais apresentam a capacidade de medição de EE (medição de consumo e de geração) de uma UC que possui um SFLR de autoprodução. O consumo é referente ao uso de potência com o sentido tradicional da concessionária com a UC e a geração corresponde à injeção ou EE para a rede de distribuição no momento em que esta for superior ao consumo; o serviço pode ser, ainda, realizado por dois registradores distintos para o registro das informações geradas no sistema. A medição bidirecional pode ser feita por meio de dois medidores unidirecionais – um para aferir o consumo e o outro a geração de energia (BRASIL, 2009; VILLALVA; GAZOLI, 2012). 2.6 Metodologia de medição A introdução de um novo paradigma no processo de leitura de consumo de EE através dos medidores eletrônicos disponibilizou novas possibilidades de serviços que podem ser explorados. A RN 502/2012 prevê a possibilidade de comunicação remota entre as distribuidoras e a UC. Conforme o Art. 7º da RN citada, devem ser adotados procedimentos e tecnologias que assegurem a segurança dos dados trafegados (BRASIL, 2012c). Dois métodos são utilizados: Automatic Meter Reading (AMR) e Advanced Metering Infrastructure (AMI). A AMR permite a comunicação remota (unidirecional) para a coleta de dados dos medidores eletrônicos situados nas UCs e possibilita a leitura por funcionários sem se aproximar do local e posterior “descarregamento” em centro de controle e envio à concessionária, ou a transmissão dos dados para a concessionária através de modens de comunicação remota (TOLEDO, 2012). A AMI é uma arquitetura que permite a comunicação de dados de forma bidirecional destinada a coletar, medir e analisar o uso da EE em tempo real pelas empresas de serviços público. A AMI não é uma única tecnologia, é uma infraestrutura que integra um conjunto de tecnologias para atingir aqueles objetivos. É composta de hardware, redes de comunicação, software de gerenciamento de dados e de medição 45 (DI SANTO et al., 2015; MOHASSEL et al., 2014; PING et al., 2016; SAPUTRO et al., 2012). A configuração de uma AMI pode possuir os seguintes elementos: as UCs contêm: (1) os medidores eletrônicos que realizam a aferição do consumo de EE e/ou geração quando presente; esse valor é transmitido pelo (2) módulo de comunicação por meio da (3) rede local de dados disponibilizando as informações para o usuário e transmite (4) para o coletor existente na região (5) que, por sua vez, retransmite as informações por uma (6) rede de longa distância até o (7) computador central da distribuidora disponibilizando os dados através de dispositivos móveis e computadores pessoais. O processo pode ser realizado no sentido inverso, quando solicitado pelo operador do sistema para consultar em tempo real o consumo da UC (Figura 6). Figura 6 – Infraestrutura Genérica de uma AMI Fonte: Adaptado de LAMIN (2009). A comunicação entre o ponto (2) até o ponto (7) pode ser realizada através das seguintes tecnologias: PLC (Power Line Communication), fibra óptica, GSM (Global System for Mobile Communications), GPRS (General Packet Radio Service), UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), SMS (Short Messages Service), HAN (Home Area Network), LAN (Local Area Network), WAN (Wide Area Network) e ZigBee. Ainda se insere nesse contexto o padrão DSL (Digital Subscriber Line) (LAMIN, 2009; DUSA et al., 2015; LÓPEZ et al., 2015) (Figura 7). 46 Figura 7 – Tecnologias de transmissão de dados. Fonte: Adaptado de LAMIN (2009). Uma infraestrutura de medição é um sistema composto por medidores eletrônicos que possuem portas de comunicação e demais periféricos suportados pela tecnologia da informação (telecomunicação, programas e equipamentos) e permitem a aquisição de dados em intervalos de tempo regulares, transmissão das informações e comandos ao dispositivo remoto. Os componentes que fazem parte da tecnologia da informação são: as topologias de comunicação, os meios de comunicação, protocolos e sistemas de aquisição de dados e controle (ROMANO et al., 2015). 2.6.1 Topologias de comunicação A HAN é uma rede doméstica que conecta todos os aparelhos elétricos com o medidor eletrônico funcionando como portal de interação com o usuário e a distribuidora. Representa uma infraestrutura crítica para o desenvolvimento da AMI, permitindo que o sistema estabeleça contato com a carga e o consumidor participe da operação do sistema de energia ou até mesmo forneça eletricidade para a rede. Permite funções como a implantação de tarifas horárias, monitoração da qualidade de energia, chaveamento remoto (corte/religa) e pré-pagamento (CGEE, 2012; MCHENRY, 2013; USMAN et al., 2013). A LAN é uma rede privada contida em espaço físico delimitado, com alcance máximo de 100 metros; pode ser a edificação de uma residência, de uma empresa, ou campus universitário. É amplamente usada para conectar computadores pessoais e estações de trabalho em escritórios e instalações industriais de empresas, 47 permitindo o compartilhamento de recursos e a troca de informações (TANENBAUM; WETHERALL, 2011). Uma rede WAN abrange uma grande área geográfica e conecta cidades, estados, países e continentes. Essas redes têm como objetivo interligar as diversas redes locais existentes entre si, transpondo as restrições de espaço físico. Um exemplo clássico desse tipo de serviço é a Internet, que possibilita a comunicação e a troca de informações entre pessoas e computadores geograficamente distantes. A rede WAN é um tipo de rede conhecida como uma Rede Digital de Serviços Integrados, do inglês, Integrated Services for Digital Network (ISDN); as demais tecnologias utilizaram esse conceito para evoluir e oferecer aos usuários serviços de transmissão de dados (TANENBAUM; WETHERALL, 2011). As redes WANs fornecem links de comunicação entre as UCs e os sistemas de serviços públicos: concessionárias, distribuidoras (SAPUTRO et al., 2015). 2.6.2 Meios de comunicação com fio Os meios de comunicação utilizados para a conexão das HANs, LANs e WANs são os cabos par trançado “Twisted pair”; é um tipo de cabo que possui quatro pares de fios entrelaçados para cancelar as interferências eletromagnéticas de fontes externas e interferências mútuas “crosstalk” entre cabos vizinhos, abrangendo distâncias até 100 metros. A fibra ótica é uma tecnologia que utiliza pulso de luz por meio de uma fibra de plástico ou de vidro com grandes taxas de transmissão de dados em alta velocidade, com baixíssima atenuação “ruído” de sinal em distâncias até 100 km; é inume a interferências eletromagnéticas externas, flexível e de fácil manutenção (TANENBAUM; WETHERALL, 2011). A PLC é uma tecnologia que utiliza os fios da estrutura da rede elétrica de distribuição (WAN) como meio de transporte para a transmissão de dados em alta velocidade. Há duas formas de aplicação, a interior e a exterior. Na primeira aplicação, as informações são transmitidas em baixa velocidade, em poucos quilobits por segundo (Kbps), através da instalação elétrica interna da UC permitindo acesso a serviços como: internet, automação residencial, recepção de canais interativos de televisão. Na segunda aplicação, a transmissão de dados é realizada em megabits por segundo (Mbps) por meio da rede da concessionária de EE (CGEE, 2012; USMAN et al., 2013). 48 2.6.3 Meios de comunicação sem fio O meio de comunicação utilizado para transmitir dados em ambientes internos de uma casa, de um ponto comercial, de uma indústria ou mesmo um campus universitário é denominado de WI-FI. É utilizado por dispositivos de rede local sem fios dentro do raio de ação ou área de abrangência de um ponto de acesso privado ou público onde esse tipo de sistema fornece conectividade a um dispositivo móvel, como computadores pessoais e portáteis “laptops”, “tablets”, com capacidade de comunicação sem fio numa pequena distância, geralmente até 100 metros (USMAN, et al., 2013). O sistema conhecido como ZigBee é uma outra tecnologia de transmissão sem fio que usa pequenos rádios digitais de baixa potência com base na norma IEEE 802.15.4, com suporte na camada física e na camada Enlace com endereçamentos dos dispositivos pelo Media Access Control (MAC – “Controle de Acesso aos Meios”). É definido por uma aliança de empresas denominada de "ZigBee Alliance" e transmite uma baixa taxa de dados por meio de comunicação sem fio, possibilitando o uso de baterias com longo período de tempo em aplicações de monitoramento e controle em bandas de frequência livre. As distâncias suportadas por essa tecnologia podem variar entre 100 m até 14 km com o auxílio de antenas visadas; é um dispositivo de baixa potência que opera entre 900 MHz a 2,4 GHz, e a velocidade de transmissão varia de 20 a 250 Kbps, o que a torna adequada para uma transmissão de dados periódicos ou intermitentes e pode ser empregada em diversos tipos de aplicações como controle de processos, automação residencial e comercial entre outros (KINNEY, 2003; SHARIFF; RAHIM; PING, 2015 ; USMAN et al., 2013). Uns dos equipamentos que utiliza a tecnologia ZigBee é o módulo XBee-PRO 900HP-S3B; este possui o protocolo ZigBee embarcado em seus microprocessadores suporta distâncias de 630 m em áreas fechadas até 14 km de alcance com antena visada direta em áreas abertas, utiliza banda de frequência de 900 MHz com taxas de transferência entre 9600 bps e 230 kbps e requer fonte de alimentação de entre 3,0 e 3,6 Vcc (VIKACONTROLS, 2015) (Figura 8). O módulo utiliza uma antena de comunicação modelo 6dBi MU-00PI SMA-3 com base magnética para operações fixas, móveis ou portáteis. Atende às necessidades de comunicação em sistema de telefonia de terceira geração. Construída com aço 49 inoxidável, latão e policarbonato, possui, em sua parte inferior, um imã, tornando essa antena resistente a ventos e vibrações (VIKACONTROLS, 2015) Figura 8 – Módulo comunicação XBee. Outro módulo de comunicação, o chip de Rádio Frequência (RF) NRF24L01 funciona com alimentação 3.3V, sua velocidade de comunicação é de 1Mbps. Opera em distâncias de 100 m através de uma antena embutida, mas, se utilizar antena externa “visada”, pode alcançar 1 Km de distância. Uma outra característica do módulo é que ele pode funcionar como emissor ou como receptor, mediante alteração na programação (NORDIC, 2008) (Figura 9). Figura 9 – Módulo comunicação NRF24L01. 2.6.4 Sistema móvel de comunicação Várias tecnologias são utilizadas para prover comunicação e serviços que podem ser utilizadas individualmente ou em conjunto, conforme a necessidade dos usuários. 50 O GSM é a tecnologia mais utilizada para comunicação via telefones celulares do mundo que oferece serviços de baixo custo como, por exemplo, a transmissão de mensagens de texto. O GPRS é um mecanismo que permite a transmissão de pacotes de dados na rede celular. As comunicações atingem médias e longas distâncias, disponibilizando conexão com a internet a qualquer hora e a qualquer momento. UMTS é o termo adotado para designar o padrão de terceira geração estabelecido como evolução para operadoras de GSM e utiliza como interface o rádio em telefonias móveis. Os dados são transmitidos em banda larga, divididos em pacotes antes da transmissão e, depois, reunidos pelo terminal que combina acesso móvel a dados e a voz em alta velocidade. O SMS é um serviço disponível para telefones celulares que permite o envio de mensagens curtas entre esses equipamentos e outros dispositivos de mão, conhecidas popularmente como mensagens de texto. Esse serviço pode ser tarifado ou não, dependendo da operadora de telefonia e do plano associado (CGEE, 2012; LAMIN, 2009; LÓPEZ, 2015; USMAN et al., 2013). 2.6.5 Sistema fixo de comunicação Além do sistema móvel, a telefonia fixa apresenta uma cobertura de 100% da população situada dentro da área de serviço. Esse sistema também pode ser utilizado como um meio de comunicação através do Digital Subscriber Line (DSL) tecnologia de transmissão digital de dados via rede telefônica, que atinge 58,35% das tecnologias de banda larga utilizadas no país. Foi desenvolvida pela Bellcore cujo protocolo foi projetado para coexistir com o serviço de telefonia fixa existente utilizando os fios de cobre e os pares trançados para a transmissão de dados em alta velocidade. O DSL trabalha com frequências de até 2,2 MHz sem interferir na faixa de voz, otimizando a largura de banda do par metálico com velocidades que variam de 128 quilobits por segundo (Kbps) a 100 megabits por segundo (Mb/s), podendo chegar a 1.1 gigabits por segundo (Gb/s) (BRASIL, 2010; BRASIL, 2014; SPRUYT et al., 2013). 51 2.7 Protocolos de comunicação Os protocolos são os elementos que controlam a conexão e a transferência de dados entre dois equipamentos ligados por meio de um sistema de comunicação (KUROSE et al, 2010). Os protocolos de rede mais comuns estão em conformidade com o modelo de interconexão de sistemas abertos (OSI), reconhecidos por órgãos de normatização internacionais, entre os quais a International Organization for Standardization (ISO), como padrão para os requisitos de comunicação entre sistemas computacionais. Esses protocolos padronizam as interfaces de comunicação, facilitam a integração de forma transparente, o acesso a tecnologias de rede, sintetizam as funcionalidades à implementação do protocolo Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP/IP) e serviços oferecidos como, transferência de arquivos, formatação dos dados, negociação e conexão dos equipamentos e detecção de erros; o modelo, ainda, integra os protocolo definido pela International Electrotechnical Commission's (IEC-61850) e o Distributed Network Protocol (DNP3), mais conhecidos na gestão de recursos de geração de EE (KUROSE et al., 2010; SEL, 2010). O protocolo TCP/IP é uma arquitetura aberta que movimenta todas as funcionalidades existentes na Internet e trabalham em redes LANs nas camadas física e enlace do modelo OSI, nas redes WANs em todo o mundo através da camada de rede daquele modelo. Sua simplicidade e capacidade de transmitir diferentes tipos de mensagens (texto, som, vídeo) o transformaram na única opção de protocolo de rede no mundo (KUROSE et al., 2010; TANENBAUM; WETHERALL, 2011). O protocolo TCP/IP é composto por dois importantes protocolos: Transmission Control Protocol (TCP) e o Internet Protocol (IP). Este último é normalmente referência na Internet Standards Documents para os dois protocolos. O protocolo IP tem o papel de fazer a transmissão das informações de um ponto “A” a um ponto “B”, que podem estar dentro de uma mesma LAN, ou por uma WAN que conecta redes LANs geograficamente distantes, como a própria Internet. Por sua vez, o protocolo TCP é responsável pelo controle e integridade da mensagem transmitida pelo IP, estabelece a conexão e o tempo de transmissão dos pacotes, controla a ordem de envio e de chegada ao destino. A união de ambos constitui o protocolo TCP/IP (KUROSE et al., 2010). 52 Os protocolos IEC-61850 e o DNP3 são utilizados para as tarefas de gestão de subestação, que formam um conjunto de dispositivos de manobra, proteção e/ou transformação de energia. São empregados para compensação de reativos utilizados para dirigir o fluxo de energia em sistemas de potência e possuem os seguintes equipamentos para o seu funcionamento: transformador de corrente, transformador de potencial, disjuntores e chaves seccionadoras, reator, capacitor, compensador; instrumentos destinados a medir grandezas elétricas (tensão, corrente, potência, frequência) e equipamentos de proteção como os relés, fusíveis, para-raios (DUALIBE, 1999, p. 4). 2.7.1 Protocolo IEC-61850 O protocolo IEC-61850 é um padrão global que implementa modelos para o tratamento de informação para as atividades de controle e de comunicação em subestações. Permite a integração de todas as funções de proteção, medição e monitoramento dentro de uma subestação e fornece os meios para aplicações de proteção da subestação em alta velocidade, dependendo do meio de comunicação, combinando a conveniência da ethernet com desempenho e segurança que são essenciais, hoje, em subestações (GUOZHENG, 2014; NAUMANNA et al., 2014). Permite comunicação padronizada entre Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IED) localizados dentro das instalações de energia elétrica, tais como usinas e subestações, mas também fora dessas instalações como usinas eólicas, veículos elétricos, sistemas de armazenamento e geração distribuída fotovoltaica (GUOZHENG, 2014; PAULINO, 2011; NAUMANNA et al., 2014). Inicialmente denominado de "redes e sistemas de comunicação em subestações", evoluiu para um padrão mundial chamado "redes e sistemas de comunicação para automação de concessionária de energia", fornecendo diferentes soluções para a indústria de energia baseadas em três pilares: interoperabilidade – a capacidade de troca de informações entre diversos IED de vários fornecedores; livre configuração – permitir que os IEDs possam ser configurados para subestações centralizadas ou decentralizados; e a capacidade de se adequar e se adaptar às evoluções tecnológicas (PAULINO, 2011; SEL, 2010). Ainda favorece a facilidade de implementação dos IEDs, padronização das configurações em banco de dados, definição dos objetos a serem manipulados, 53 permitindo conectar e desconectar os IEDs de forma rápida e transparente através da ideia “plug and play”, beneficiada com a redução de custos no projeto, fiação, redundância de equipamentos e integração dos IEDs (NAUMANNA et al., 2014). O protocolo ainda permite a integração dos Sistemas Genéricos de Objetos Orientados a Eventos (GOOSE), este é o mais utilizado entre os IEDs da subestação. É o serviço de mensagens prioritário definido na norma, que proporciona troca de mensagens de alta velocidade ponto-a-ponto na transmissão dos dados em um período menor ou igual a quatro milissegundos. Como o protocolo GOOSE opera na camada de enlace do modelo OSI, não há confirmação de recebimento das mensagens, e os IEDs permanecem retransmitido mensagem GOOSE com tempos configurados pelo administrador do sistema. O outro método suportado para a transmissão de dados, com ou sem restrições de tempo, é o Manufacturing Message Specification (MMS), norma internacional (ISO 9506) que trabalha com sistema de troca de dados, controle de processos e supervisão entre dispositivos de rede e aplicações informáticas. O padrão é desenvolvido e mantido pelo Comitê Técnico ISO 184 (TC184). O MMS suporta um conjunto de objetos que devem existir em cada dispositivo para as operações de leitura, escrita, sinalização e eventos que podem ser executados; e mensagens efetuadas entre o cliente e o servidor com a finalidade de monitorar e controlar esses os objetos (BORLASE, 2012; PAULINO, 2011). 2.7.2 Protocolo DNP3 O Distributed Network Protocol (DNP3), protocolo utilizado pelo Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA), é um software supervisório, utilizado para monitorar e supervisionar as variáveis e os dispositivos de sistemas de controle conectados através de controladores (drivers) específicos. A forma de interação entre os dispositivos na “rede” é realizada por meio de um canal de comunicação com as subestações e os IEDs, trocando mensagens na forma de pedidos e respostas; além de suprir as necessidades das subestações, o DNP3 pode ser utilizado no sistema elétrico como um todo, incluindo a geração, transmissão e distribuição de energia, atuar nas áreas de petróleo e gás, estações de tratamento de água e esgoto. As características do DNP3 são: utilizado por diversos fabricantes de equipamentos de controle e supervisão; arquitetura em camadas em conformidade com o modelo OSI, 54 atuando nas camadas de aplicação, transporte, enlace e físico; facilidades de expansão, integração com novos equipamentos IEDs; comunicações com os serviços SCADA de forma confiável e eficiente; e redução dos custos de software (CLARKE; REYNDERS; WRIGHT, 2004; IEEE, 2012, p. 13-23). 2.7.3 Protocolo IEC-61850 x DNP3 Os protocolos IEC-61850 e o DNP3 praticamente fornecem suporte a todos os serviços. O fato de uma característica não ter sido assinalada não representa que o protocolo não atende àquela especificidade, mas, de outra forma, possui “vantagens” ou “facilidades” como, por exemplo, a configuração de um componente em relação ao mesmo serviço suportado pelos dois protocolos apresentados na Tabela 1. Tabela 1 – Serviços suportados pelos protocolos IEC-61850 e DNP3 Serviços IEC-61850 DNP3 Segurança  Tratamento de erros   Gerenciamento de subestações   SCADA   Canais de comunicação  Tratamento dos objetos  Complexidade na configuração  Eficiência  Suporte a IEDs   Suporte ao protocolo Europa  Ásia   Austrália  Indústria elétrica  Outros setores industriais  Maior número de fornecedores  Fonte: (CLARKE et al.; 2004, p. 307- 311). 55 Os protocolos IEC-61850 e DNP3, originalmente especificados para o ambiente de gerenciamento de subestações de energia, apresentam dificuldades para a migração ao GD. O DNP3 não é capaz de cumprir os requisitos de GD nos preceitos de interoperabilidade com os diversos fornecedores de tecnologias, enquanto o IEC 61850, utilizando o MMS, precisa de muitas conexões lógicas para os comandos de leitura e escrita, usando a comunicação síncrono somente pela porta TCP 102, portanto tornando-se complexa para a implementação utilizando paradigma de orientação a objeto, sem finalidade quando o MMS não está presente no serviço. Para suprir essas deficiências, uma solução mista desses padrões é requerida para modelar os nós lógicos através do IEC-61850 e, em seguida, mapeando-os para os objetos de dados DNP3; “certas partes” da especificação do protocolo IEC 61850 são inadequadas para atender aos requisitos de GD face à evolução constante no setor (JALOUDI, 2011; CAVALIERI; REGALBUTO, 2016). Esse problema é detectado no MMS na especificação dos objetos a serem transmitidos para os sistemas “supervisórios” dos GDs e, para suprir essa deficiência, é recomendado utilizar a especificação Open Platform Communications (OPC) e Unified Architecture (UA), sendo esta uma arquitetura orientada a serviços independentemente de plataformas e dispositivos de monitoramento, com capacidade de modelar os objetos complexos de vários perfis de informação; assim o protocolo IEC 61850 OPC-UA é mais recomendado para o gerenciamento das unidades de GD (CAVALIERI; REGALBUTO, 2016; SUCIC et al., 2011). 2.7.4 Protocolo SNMP O Single Network Management Protocol (SNMP) é baseado no modelo cliente/servidor onde o servidor é um software denominado de “Gerente” com a finalidade de gerenciar a base de dados da rede de computadores instalada; os “Agentes” são softwares instalados nos componentes que precisam ser monitorados e informam ao “Gerente” suas informações locais (objetos gerenciáveis), instalados nos diversos dispositivos de rede tais como placa de rede, roteadores, computadores de usuários, servidores de rede, servidores de comunicação, servidores de banco de dados, concentradores de conexão de rede (BERNAL FILHO, 2014; KUROSE et al., 2010). 56 O Gerente e Agente utilizam a estrutura de objetos denominada Management Information Base (MIB) para a troca de informações. Estas são padronizadas para ser usadas nos diversos dispositivos de rede disponíveis no mercado, cuja estrutura de dados inclua uma forma bem definida para atribuir nomes aos diversos objetos armazenados (BERNAL FILHO, 2014; KUROSE et al., 2010; TANENBAUM; WETHERALL, 2011). A MIB está estruturada em forma de uma árvore que contém os objetos gerenciáveis e fornece uma visão abstrata de um dispositivo da rede através de uma estrutura de dados e as operações de leitura (Read), escrita (Write) e configurações através do comando (Set) que podem ser realizadas nesses objetos. Esses objetos possuem uma identificação única denominada Object IDentification (OID), composta por uma sequência de números que identifica a posição do objeto na árvore da MIB (por exemplo: 1.3.6.1.4.1.3.1) (BERNAL FILHO, 2014). É possível observar a organização da MIB com os objetos na árvore através da Figura 10. No segundo e terceiro níveis encontram-se os nós que definem os órgãos responsáveis (1) ISO pela administração de uma determinada organização (3) que está inserindo o nó (6) U.S. DEPARTMENT OF DEFENSE (DoD), sendo a Internet (1) de sua responsabilidade, possuindo quatro sub-árvores (BERNAL FILHO, 2014; KUROSE et al., 2010).  Directory (1) – contém informações sobre o serviço de diretórios OSI (X.500) correspondente aos serviços de diretório para gerenciamento de um sistema operacional Unix, Linux;  Mgmt (2) – contém informações de gerenciamento de rede;  Experimental (3) – contém os objetos que ainda estão sendo pesquisados pelo Internet Architecture Board (IAB);  Nó Private (4) – contém a sub-árvore entreprises (1) dedicada às empresas privadas, que podem solicitar “nós” aos órgãos de padronização para uso específico. Os objetos gerenciáveis na estrutura da MIB não têm limites e podem ser atualizados e expandidos de acordo com a necessidade de cada infraestrutura. A atualização não ocorre de forma automática, é necessário refazer toda a estrutura para conter as novas informações. 57 Figura 10 – Estrutura em Árvore MIB. Fonte: Adaptado de BERNAL FILHO (2014). O SNMP utiliza a notação Abstract Syntax Notation One (ASN.1): é a linguagem desenvolvida para oferecer as regras básicas de codificação - Basic Encoding Rules (BER) – dos objetos gerenciáveis da MIB, utilizando conceitos de orientação a objetos para criar um recurso e configurar os seus atributos e as suas operações, um exemplo dessa formatação está representado no Apêndice A (KUROSE et al., 2010). As desvantagens do protocolo SNMP passam pela sua simplicidade, uma vez que os dados com os quais trabalha não são estruturados para suportar redes de grande porte. Outra deficiência é a sua alta dependência do TCP/IP: havendo um erro no roteamento dos dados, fica impossível monitorar ou reconfigurar o dispositivo de rede (BERNAL FILHO, 2014). Na comparação com os protocolos IEC-61850 e DNP3, o único ponto em comum entre eles é a dependência do TCP/IP. Nas demais situações, não há comparações, uma vez que as finalidades de todos eles são muito distintos, lembrando que o IEC- 61850 e o DNP3 foram criados com o objetivo de monitorar subestações de EE, enquanto o SNMP foi criado para o gerenciamento de redes de computadores e equipamentos que usam tecnologia da informação. 58 2.8 Sistemas computacionais Um sistema computacional é composto por diversos componentes eletrônicos (computadores, rede de comunicação, servidores de banco de dados, servidores de comunicação, servidores de Internet) capazes de processar dados a partir de um programa que realiza um serviço específico a sistemas que auxiliam o homem na tomada de decisão, na supervisão e no controle, cuja composição pode variar de acordo com a necessidade e especificidade de cada projeto (TANENBAUM, 2010). 2.8.1 Sistemas de Apoio à Decisão Uma aplicação é um programa de computador, e um conjunto de programas com tarefas relacionadas entre si é denominado de sistema, projetado para realizar uma determinada tarefa em um ambiente específico (JUNIOR, 2012; SANTOS; RIBEIRO, 2013). Um desses programas existentes é denominado de Sistema de Apoio à Decisão (SAD), que tem como objetivo auxiliar o usuário na tomada de decisão e contribuir em suas escolhas sem o papel de substituir o julgamento humano, mas fornecer, recuperar, resumir e analisar dados relevantes para nortear os usuários na resolução de problemas (DUAH; SYAL, 2016; MEIRELES, 2001; SPRAGUE et al., 1991). Os SADs podem manipular os dados, contribuir para o aprendizado e para com todos os níveis de tomada de decisão; o processo de tomada de decisão se desenrola, portanto, através da interação constante do usuário com um ambiente de apoio à decisão especialmente criado para dar subsídio às escolhas a serem feitas (JUNIOR et al., 2012; SHARIFF; RAHIM; PING, 2015). Com a evolução tecnológica, os computadores passaram a ser grandes aliados, permitindo a coleta, o processamento e a disponibilidade dos dados do processo através de uma rede de computadores e pela Internet. A tecnologia ainda permite o acesso aos dados, o monitoramento e o controle das operações em tempo real e, dessa forma, viabiliza o estado atual de todo o sistema. Em um ambiente de edificação inteligente, os programas de computadores podem contribuir para a melhora da qualidade da informação e da geração de energia elétrica, realizar a comunicação com a distribuidora, atualizar em tempo real os dados, permitir uma equalização entre a demanda e a geração de forma a garantir o equilíbrio entre os sistemas tradicionais 59 de geração de energia e os de microgeração, melhorar os níveis de geração de energia limpa e contribuir para o equilíbrio ambiental (BORLASE, 2012; CUEVAS et al., 2011). Os sistemas ainda reforçam a transmissão de dados de forma segura e eficiente e permitem o acompanhamento das necessidades de demanda do sistema bem como o conhecimento exato sobre os custos do consumo e da produção de energia elétrica, uma vez que, pela complexidade existente, a comunicação segura e precisa é elemento fundamental para o direcionamento das necessidades de produção e consumo de energia elétrica (CUEVAS et al., 2011; MISUREC et al., 2011; SANTA et al., 2010). Dentro do ambiente de GD, o termo para designar os SAD é Sistemas de Gestão e de Medição dos Dados (Meter Data Management System – MDMS), que mantêm todos os dados para calcular o consumo de EE das UCs baseado nas medições realizadas pelos sistemas de AMI. Neste modelo, os MDMS podem ser vistos também como sistemas de retaguarda que têm como objetivo integrar os dados e a manutenção dos ativos de uma determinada organização, como relacionamento de clientes (CRM), sistemas de negociação, sistema de gestão distribuída (GDM), sistemas de informações geográficas (GIS), sistemas de automação e controle (SCADA) e portais da internet (DUSA et al., 2015). 2.8.2 Computação física A computação física é a combinação de sistemas físicos com software e hardware em um conjunto interativo, para realizar uma determinada tarefa (ODENDAHL et al. 2010, p. 31). SCADA são sistemas que interagem com os dispositivos digitais, atuando no monitoramento de tarefas nos mais variados segmentos da atividade humana. Nesse contexto, no desenvolvimento de um sistema de monitoramento é necessário expressar a preocupação com diversos requisitos: tecnologia para transferência de dados, controladores, parâmetros monitorados, intervalo de tempo para a leitura e gravação dos dados, desenvolvimento do programa de monitoramento e os métodos de monitoramento (SHARIFF; RAHIM; PING, 2015). As tecnologias para transferência dos dados utilizam o sistema a cabo ou sem fio. A via RS-232 da transmissão a cabo é tecnologia confiável e barata, considerada no 60 desenvolvimento de projetos, embora haja dificuldades com relação à exposição ao tempo e à corrente elétrica que provoca ruídos e prejudica a qualidade das transmissões. Uma forma de minimizar esses problemas é adotar a tecnologia de transmissão sem fio WI-FI ou ZigBee, de fácil implementação, custo acessível, que disponibiliza os dados via web; o uso do WI-FI é descartado por sofrer muito com os obstáculos “sombras” e o alcance é de 100 metros, enquanto o ZigBee pode variar de 100 metros a 14 km (ANWARI et al., 2011; SPERTINO et al., 2013). Os controladores (equipamentos digitais) são elementos denominados de microcontroladores, utilizados para aquisição de dados através de sensores, de baixo custo e de fácil manuseio. A evolução desse tipo de equipamento com resolução de 10 bits favoreceu o aumento da precisão da leitura das realidades físicas que monitoram, contribuindo para a diminuição das taxas de erros (ANWARI et al., 2011; AYOMPE et al., 2011; CARULLO et al., 2012). Os parâmetros monitorados em um SFI ou um SFLR, considerando as especificidades de cada um, podem trazer algumas diferenças, mas, no geral, as medições da radiação, tensão e corrente de energia solar são inevitáveis; para os sistemas híbridos, são coletadas informações referentes à produção de energia eólica (ANWARI et al., 2011; AYOMPE et al., 2011; CARULLO et al.; LÓPEZ et al., 2012); O intervalo de tempo para a leitura e gravação dos dados pode ocorrer em segundos ou até mesmo horas, mas as medições devem ser realizadas de acordo com o tipo do parâmetro que está sob análise; os de radiação solar podem variar em minutos e parâmetros e, com constantes maiores, podem variar até cinco minutos (ANWARI et al., 2011; RANHOTIGAMAGE et al., 2011). O desenvolvimento dos programas de monitoramento pode ser realizado por meio de várias linguagens de programação; para ambientes embarcados é utilizada a linguagem C e para aplicações desktop ou para web o uso do Java, Microsoft Visual Basic e C# com banco de dados MySql, Postgree e SQL Server (ANWARI et al., 2011; LÓPEZ et al., 2012). O processo de desenvolvimento de um software pode abranger quatro fases: Alfa – primeira versão do programa, com todas as funcionalidades, liberada à comunidade de programadores para testes, fase em que o programa ainda contém muitos erros; Beta – fase em que o programa é liberado para a comunidade (usuários finais), mas ainda há erros a serem corrigidos; Release candidate – candidato à liberação, considerada a versão mais próxima da final, apresenta todas as funcionalidades sem 61 erros consideráveis; Final – versão final do programa, que pode ser instalado e utilizado sem nenhum erro. O snapshot2 é um termo utilizado em informática no processo de desenvolvimento de software, representando ou pontuando em que fase ou estado se encontra o programa (PYTHON, 2011). 2.8.3 Equipamentos digitais O Arduino Mega-2560 é uma placa de desenvolvimento de circuito impresso que permite