Smart Grid para o Sistema Elétrico – Motivação, Implantação e Desafios em TI, Redes e Telecomunicações Natalia C. Fernandes (UFF), Yona Lopes (UFF), Flávio G. Calhau (Petrobrás/UNIFACS), Carlos A. Malcher (UFF) e Joberto S. B. Martins (UNIFACS) Modernização da rede elétrica – Novo modelo O que é Smart Grid Fang, X., Member, S., Misra, S., & Xue, G. (2011). Smart Grid – The New and Improved Power Grid : A Survey. Power, (99), 1–37. doi:10.1109/SURV.2011.101911.00087  Infraestrutura Geração Transmissão Distribuição Áreas Chaves Microgrid Veiculo elétrico Sensoriamento da rede e medidores inteligentes: Comunicações integradas: Fontes de energia alternativas Sistema de Gerenciamento Sistema de proteção Aplicações Típicas: Power Distribution Management (DM) Distribution Automation (DA) Outage Management (OM) Demand Response (DM) / Demand Side Management (DSM) Advanced Metering Infrastructure (AMI)  Asset Management (AM) Padrões e Tecnologias de Comunicação Open Smart Grid Protocol (OSGP ) Distributed Network Protocol (DNP3) Inter-control Centre Communications Protocol (ICCP) Protocols Driving Smart Grid Interoperability (OPC) IEC Standards (International Electro technical Commission) Common Information Model – IEC 61970 IEC 61850 IEC 62351 Security C12.22 & C12.19 Redes e Smart grid IEEE 802.3 (Ethernet) IEEE 802.11 (Wi-Fi) IEEE 802.15.1 (Bluetooth) IEEE 802.15.4 (Zigbee) IEEE 802.16 (WiMax) Novas??? WDM GMPLS DCN SDN ... Como controlar a smart grid Smart Grid - Como controlar uma rede com vários dispositivos e com alta complexidade? Necessidade de Modelagem- Norma IEC 61850 Benefícios e Desafios Eficiencia, Confiabilidade, Integração de ponta, Redução de custos e redução de emissões de carbono Conclusões Apresentação: Natalia Fernandes e Yona Lopes IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Agenda Geral Sistema Elétrico de Potência Smart Grids A norma IEC 61850 Conclusão Vamos aumentar a agenda? Tirar? Colocar subtópicos? Rede elétrica - 40 min - Yona Smart Grids - 1:00 - Natalia IEC - 40 - Yona Conclusão - 10 - Natalia Smart Grid para o Sistema Elétrico – Motivação, Implantação e Desafios em TI, Redes e Telecomunicações (Vamos manter o título? IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Introdução Qual o objetivo do Sistema Elétrico de Potência? Atender nós consumidores entregando energia com eficiência e confiabilidade durante o maior tempo possível! Como é gerada a energia que chega à nossa casa? Como essa energia chega à nossa casa? IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Introdução Conjunto de usinas, subestações, linhas de transmissão e outros equipamentos que possibilitam a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica GERAÇÃO TRANSMISSÃO DISTRUIBUIÇÃO O Sistema Elétrico existe com o único intuito de suprir seus consumidores com a maior confiabilidade e continuidade de serviço que puder, para que tudo ocorra como desejado é necessário existir uma filosofia de proteção atrelada a este Sistema. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Qual a estrutura básica desse sistema? Como funciona? IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Estrutura Básica ... Subestações de Geração – 12 à 24 kV a geração, onde certo tipo de energia é transformado em energia elétrica; a transmissão, onde a energia elétrica é transportada em altas tensões; e a distribuição, onde a energia é distribuída ao consumidor final em baixas tensões. Após a geração da Energia Elétrica, é necessário que exista um meio de transporte que leve a eletricidade aos centros consumidores por um ou mais caminhos. As Linhas de Transmissão e Subtransmissão têm essa função, e a proteção deste tipo de sistema torna-se primordial para que aconteça o consumo de energia em todo e qualquer lugar. . As redes de energia tradicionais são geralmente utilizados para transportar energia de poucos geradores centrais para um grande número de utilizadores ou clientes. Em contraste, o SG utiliza fluxos bidirecionais de eletricidade e informações para criar uma rede de distribuição de energia avançado automatizado e distribuída ... IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Rede Brasileira ONS – Operador Nacional do Sistema elétrico SIN- Sistema Interligado Nacional ONS – Operador Nacional do Sistema elétrico Coordenação e controle da operação das instalações de geração e transmissão de energia elétrica no SIN ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica Colocar nomenclaturas? SIN etc... A DEC indica o número médio de horas que um consumidor fica sem energia elétrica durante um período, geralmente mensal. A FEC mostra a freqüência média de interrupções nos consumidores, o que inclui residências, unidades comercias, unidades industriais, entre outros. A Figura~\ref{dec-fec}\footnote{O valor limite é especificado pela ANEEL. Valores apurados acima desse limite implicam em punições às empresas responsáveis.} mostra a variação desses índices ao longo do tempo no Brasil. O que se observa é que não houve melhora significativa nesses índices nos últimos dez anos e os índices de frequência e de duração das falhas ainda são altos. Em 2011, os brasileiros observaram, em média, aproximadamente 10 falhas anuais, totalizando um tempo sem serviço de mais de 15 horas por ano. Esses valores implicam em prejuízos e insatisfação dos clientes. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Rede Brasileira Grande e complexo sistema de subestações e linhas de transmissão IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Qualidade do serviço elétrico Medidas de qualidade da ANEEL: DEC- Duração Equivalente de interrupção por unidade Consumidora Indica o número médio de horas que um consumidor fica sem energia elétrica durante um período, geralmente mensal. FEC –Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora Indica a frequência média de interrupções. Colocar nomenclaturas? SIN etc... A DEC indica o número médio de horas que um consumidor fica sem energia elétrica durante um período, geralmente mensal. A FEC mostra a freqüência média de interrupções nos consumidores, o que inclui residências, unidades comercias, unidades industriais, entre outros. A Figura~\ref{dec-fec}\footnote{O valor limite é especificado pela ANEEL. Valores apurados acima desse limite implicam em punições às empresas responsáveis.} mostra a variação desses índices ao longo do tempo no Brasil. O que se observa é que não houve melhora significativa nesses índices nos últimos dez anos e os índices de frequência e de duração das falhas ainda são altos. Em 2011, os brasileiros observaram, em média, aproximadamente 10 falhas anuais, totalizando um tempo sem serviço de mais de 15 horas por ano. Esses valores implicam em prejuízos e insatisfação dos clientes. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

DEC - Duração Equivalente de interrupção por unidade Consumidora Exigência da ANEEL Fonte: ANEEL IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Falhas graves no Brasil Apagões Janeiro de 2005 RJ e ES (3M de pessoas atingidas) Setembro de 2007 RJ e ES Problemas em FURNAS Novembro de 2009 18 estados afetados Problemas em Itaipu Fevereiro de 2011 8 estados do nordeste afetados Falha na subestação Luiz Gonzaga IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

IEEE Smart Grid Workshop Apagão de nov. de 2009 20% da produção nacional 60% da energia consumida em SP http://noticias.uol.com.br/cotidiano/2009/11/11/ult5772u6082.jhtm http://ribeirotec.blogspot.com.br/2009_11_01_archive.html http://www.estadao.com.br/noticias/impresso,inpe-nao-detectou-raio-perto-de-linha,465216,0.htm 17.000 MW foram cortados, sendo 14.000 MW de Itaipu IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013 Fonte: http://noticias.uol.com.br/cotidiano/2009/11/11/ult5772u6082.jhtm

causa perda de dinheiro!!! Perda de energia causa perda de dinheiro!!! IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Falhas graves no mundo EUA e Canadá- 2003 8 estados afetados nos EUA – 45 milhões de pessoas 10 milhões de pessoas em Ontário, Canadá Perdas stimadas em $6 bilhões http://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=blackout+USA&source=web&cd=1&cad=rja&ved=0CCEQFjAA&url=http%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FNortheast_blackout_of_2003&ei=dZc2ULmkKuaw0QGcu4Fw&usg=AFQjCNH8rlpZZ_9BZKynKai5Q6Q9msCvvw IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Porque isso acontece? Esse vasto sistema está exposto a condições adversas e imprevisíveis , que podem levar à má operação ou situações de falha ... Além disso, eles estão expostos a condições adversas e imprevisíveis que podem levar a situações de falha ou má operação, causando transtornos e problemas a todos que dependem da energia elétrica. O Sistema Elétrico existe com o único intuito de suprir seus consumidores com a maior confiabilidade e continuidade de serviço que puder, para que tudo ocorra como desejado é necessário existir uma filosofia de proteção atrelada a este Sistema. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Falta Acidentes em fios de alta tensão; quebra de postes, suportes, isoladores, equipamentos; descargas atmosféricas e umidade, etc Falta Parapentista cai em fios de alta tensão, é eletrocutado e sobrevive Descarga foi tão forte que 50 casas da região ficaram quase três horas sem fornecimento de luz. Um parapentista caiu nos fios de alta tensão em Cambridgeshire, Inglaterra, foi eletrocutado e sobreviveu à descarga. Pilotando um parapente motorizado, ele calculou mal seu ponto de aterrissagem e acabou sofrendo o acidente IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Falta A situação do sistema deve ser conhecida! Todo fluxo anormal da corrente elétrica. Ex: curto circuito A situação do sistema deve ser conhecida! A falha deve ser isolada e o sistema protegido  Todo fluxo anormal da corrente elétrica, podendo ser tanto um “circuito aberto” quanto um “curto-circuito”. Falhas são detectadas via “detectores de falhas” (Fault Detectors: FD), definidos como dispositivos que provêem indicação local ou remota de falhas em circuitos elétricos de potência. Um curto-circuito é formado quando dois pontos de potenciais diferentes são conectados através de uma ligação de baixa impedância. A resposta imediata quando há essa ligação, é a criação de uma corrente de valor elevadíssimo se comparada com a corrente nominal que existia antes do curto-circuito. Dependendo da amplitude e duração, a corrente de curto pode gerar muito calor e danificar os equipamentos. Dois pontos com tensões diferentes são suportados por isoladores, sejam eles, sólidos, líquidos ou gasosos. A falha da isolação causa o curto-circuito e o seu rompimento pode ser causado por diferentes motivos, entre eles estão os danos mecânicos, seja pela quebra de isoladores, suportes ou queda de postes, umidade, descargas atmosféricas e sobretensões ocasionados por manobras realizadas no sistema na tentativa de desligamento ou ligamento de um circuito. Para a correta aplicação de equipamento de proteção é essencial conhecer a distribuição de correntes no sistema e as tensões em diferentes partes do sistema devido à falta. Além disso, os valores limites de corrente em qualquer um dos pontos devem ser conhecidos para descriminação da falta IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Como proteger esse sistema? Além disso, eles estão expostos a condições adversas e imprevisíveis que podem levar a situações de falha ou má operação, causando transtornos e problemas a todos que dependem da energia elétrica IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Proteção Falta Detecção Ação Análise coordenação da proteção consiste em dois ou mais equipamentos protegendo estratégica, efetiva e seguramente o sistema elétrico analisado de eventuais defeitos, ou seja, isolar a falta abrindo os terminais mais próximos para que não haja propagação do defeito para outros circuitos e equipamentos 6 e efetuar este isolamento no tempo mais curto possível para melhor atender os consumidores e não danificar nenhum componente do sistema. Os equipamentos utilizados na coordenação da proteção são os relés, que identificam e coordenam a operação da proteção diante ao defeito, os Transformadores de Instrumentos (TIs), que transformam as informações dos dados do sistema para um nível suportável dos relés e os disjuntores, que abrem o circuito defeituoso quando necessário. SISTEMA ELÉTRICO RADIAL ?? SISTEMA ELÉTRICO INTERLIGADO ?? Isolar a falta, abrindo os terminais mais próximos desta, no menor tempo possível para que a falta não se propague IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Sistemas de proteção Detecção de anomalias Ação Análise Elevação da corrente Elevação e redução da tensão Inversão do sentido da corrente Alteração da impedância Comparação do módulo e da fase do sinal na entrada e na saída do sistema Ação Desconexão de parte do sistema elétrico quando existem anomalias Análise Fornecimento de informações para simplificar a identificação e a reparação de problemas IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Requisitos do sistemas de proteção Seletividade Elemento(s) mais próximo(s) ao defeito é(são) operado(s). Desconecta apenas a parte defeituosa Velocidade Reagir /intervir o mais rápido possível Sensibilidade Reconhecer com precisão a faixa de operação dos equipamentos Confiabilidade Cumprir tarefas com segurança e exatidão mesmo quando exposto a condições que foram pré-definidas para sua atuação Seletividade: o relé deve decidir quando operar e somente os elementos de proteção mais próximos do defeito devem ser operados, desconectando o mesmo do sistema e evitando a redução desnecessária da sua capacidade; Rapidez: o relé deve intervir com qualidade no menor tempo possível, para que não haja maiores problemas no sistema; Sensibilidade: o relé deve ser capaz de operar o mais próximo dos valores ajustados para a sua atuação e não operar quando o sistema estiver em condições normais, mesmo sobre influência de algumas variações; Confiabilidade: o relé deve assegurar sua operação quando exposto a condições que foram pré-definidas para sua atuação. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Quais equipamentos estão envolvidos nesse sistema? Além disso, eles estão expostos a condições adversas e imprevisíveis que podem levar a situações de falha ou má operação, causando transtornos e problemas a todos que dependem da energia elétrica IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Principais Equipamentos de Proteção Relés Disjuntores e Seccionadoras Transformadores de Instrumentos Transformador de Corrente (TC) Transformador de Potencial(TP) IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Relés Tem o objetivo de normalizar variações, seja nas condições normais do próprio equipamento ou do circuito que está ligado. Elementos detetores-comparadores e analisadores Promovem a retirada rápida de um elemento do sistema Indicam a localização e do tipo de defeito. Pode ter uma ou mais funções Identifica a falta → localiza a falta → compara informações recebidas com ajustes pré-estabelecidos → envia comando de abertura de disjuntores e chaves seccionadoras → alarma e informa o defeito O relé é o dispositivo que opera um equipamento elétrico, no intuito de normalizar ou sanar variações nas condições normais de operação deste equipamento ou do circuito que o mesmo está ligado. Relés de diferentes tipos podem ter uma ou mais funções, dependendo do esquema de proteção a ser adotado e do sistema que está sendo protegido. As principais atribuições são: identificar e localizar a falta, comparar as informações recebidas com os ajustes pré-estabelecidos, dar o comando de abertura de disjuntores e chaves seccionadoras, alarmar e informar o defeito. Os relés são os equipamentos responsáveis por ler os dados do sistema e identificar o defeito. Para isso é necessário a utilização de transformadores de potencial e transformadores de corrente, que traduzem os parâmetros do sistema para níveis suportáveis dos relés. Já os disjuntores, que recebem o comando de abertura através dos relés, tem como função desconectar o ponto defeituoso do restante do circuito, evitando que haja qualquer queima de equipamento e estabelecendo o funcionamento adequado do sistema IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Relés Eletromecânicos Indução eletromagnética Atração Estáticos Não contém partes móveis, compostos por dispositivos eletrônicos Digitais Automatizados Gerenciados por microprocessadores Mais rápido Controlados por software Os relés podem ser eletromecânicos, estáticos ou digitais. Relés eletromecânicos foram os pioneiros na proteção de sistemas e podem ser de atração ou indução eletromagnética, onde basicamente um contato móvel atinge um contato estático e dispara o circuito no qual está conectado. Relés estáticos, como o próprio nome diz, não possuem partes móveis, são compostos por dispositivos eletrônicos e sua regulagem é feita pela movimentação de algum componente, por exemplo, um reostato. Relés digitais são totalmente automatizados, gerenciados por microprocessadores e controlados por software, possibilitando o ajuste de vários elementos e a utilização de várias funções. Partindo pelo princípio que não existem partes móveis, o relé digital torna-se mais rápido. O menor valor que causará a operação, é chamado valor pick-up.” (MASON, C. Russell – 1956, The Art & Science of Protective Relaying – General Electric, p. 36). A partir deste valor de corrente o relé entra no momento de operar. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Intelligent Electronic Devices - IED Qualquer dispositivo eletrônico que possui algum tipo de inteligência e capacidade de comunicação Controladores baseados em microprocessadores de equipamentos do sistema de potência Funções do IED Proteção Controle Medição e monitoramento  Comunicação IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Intelligent Electronic Devices - IED Funcionamento Recebem dados de sensores e equipamentos de potência Enviam comandos como abrir ou fechar um disjuntor, aumentar ou diminuir a voltagem , etc. Com base nos dados monitorados de voltagem, corrente e frequência Exemplos de IEDs Relés digitais de proteção Controlador de comutador de carga Controlador de disjuntor Regulador de voltagem Etc. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Disjuntores e Seccionadoras Equipamento de manobra , comandado para desconectar a área defeituosa, pelo operador ou pelo relé O Sistema de Potência está sujeito a anormalidades e defeitos em sua operação, sejam eles internos ou externos, por isso a proteção dos seus equipamentos também é extremamente importante. O conjunto de equipamentos utilizados para realizar a proteção de Linhas de Transmissão e Subtransmissão, são os relés, disjuntores e transformadores de instrumentos. Os disjuntores são dispositivos de seccionamento de circuitos dos sistemaselétricos, que podem operar em condições de carga ou de curto-circuito. O disjuntor possui uma bobina de abertura e uma bobina de fechamento que, quandoenergizadas, promovem respectivamente a abertura e o fechamento dos contatosprincipais que irão interromper a passagem da corrente. Os disjuntores possuemtambém contatos auxiliares que informam a posição dos contatos principais. Essescontatos são utilizados para informar a situação do disjuntor para os operadores desubestações, para os despachantes dos centros de operação de sistema e para osrelés de proteção Subestação CEMIG Subestação Itaipu IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Transformadores de Instrumento Utilizados na proteção do sistema elétrico. Transformadores de Corrente (TC) Transformadores de Potencial (TP) Convertem uma corrente/tensão elevada para uma menor para o instrumento de medição. Converte uma corrente alternada elevada para uma menor para um instrumento de medição. Geralmente o padrão em sistemas de energia é de 5 A. Transformador de Potencial. Converte uma tensão alternada elevada para uma menor para um instrumento de medição. Geralmente o padrão em sistemas de energia é de 110 V. Os transformadores de potencial são equipamentos que permitem aos instrumentos de medição e proteção funcionarem adequadamente sem que seja necessário possuir tensão de isolamento de acordo com a da rede á qual estão ligados TC TP 17/10/2013 IEEE Smart Grid Workshop

Subestações Instalação elétrica de alta potência Conjunto de equipamentos de manobra ou transformação de tensão Transmissão, distribuição, proteção e controle de energia elétrica Funções Dirigir o fluxo de energia em sistemas de potência Melhorar a qualidade de energia Detectar e isolar falhas utilizando o sistema de proteção IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Subestações Cabos de Controle IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Como todo esse sistema é controlado e supervisionado? Além disso, eles estão expostos a condições adversas e imprevisíveis que podem levar a situações de falha ou má operação, causando transtornos e problemas a todos que dependem da energia elétrica IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Centro de Operação e Controle IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Painel de controle convencional IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Sistemas supervisório e de proteção Amplamente favorecidos pelas redes de telecomunicações Essenciais para o provimento de serviço com qualidade Supervisão Proteção Bolinhas encaixando de supervisão e proteção IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Sistema Supervisório Funcionalidades Medições e alarmes Status dos equipamentos Controle de tensão Corte seletivo de carga (Load Shedding) Sincronização de linhas Interface homem-máquina (para a operação) Gerenciamento da manutenção Comunicação de dados para outros centros Elaboração de relatórios Etc. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Sistema Supervisório Informações necessárias para vários tipos de usuários Operador da subestação Operador do sistema no centro de operações Engenheiros de manutenção Órgãos governamentais (ONS, ANEEL, CCEE) IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Sistema Supervisório SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition system Parte do sistema de supervisão e de proteção Supervisão, controle, otimização e gerenciamento de sistemas de geração e transmissão de energia elétrica Benefícios Análise de consumo e demanda, Análise da carga dos consumidores Verificação de falhas Análise de carga nos transformadores Etc.; Medidas corretivas disparadas por especialistas ou de forma automatizada Uso de lógica nebulosa Um importante elemento de controle das redes elétricas são os sistemas SCADA. O SCADA é utilizado para supervisionar, controlar, otimizar e gerenciar os sistemas de geração e transmissão de energia elétrica. Entre os benefícios trazidos pelos sistemas SCADA, destacam-se a análise de consumo e demanda, a análise da carga dos consumidores, a verificação de falhas, o rearranjo da topologia, a análise da carga nos transformadores, a medição inteligente, entre outros. No passado, os sistemas SCADA eram suportados por mainframes e sistemas fechados de fornecedores. Atualmente, fazem uso de plataformas abertas com conectividade para as redes corporativas e com a Internet. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Quais são os principais problemas? The electricity delivery system is getting old 60%-70% of the infrastructure is 25-30 years old Designed in the 50s, installed in the 60s and 70s, before the era of the microprocessor Population growth has caused the entire transmission system to be over used and fragile IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Baixa integração no sistema Medição de consumo manual Dados pouco detalhados sobre o consumo de energia Dificuldade para integração de fontes de energia de pequeno e médio porte Dificuldade de integração de novas demandas Veículo elétrico IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Problemas do sistema elétrico Sistema elétrico com pouca inovação Falta de peças de sobressalentes, o que indica defasagem tecnológica; Alto custo de manutenção; Manutenção corretiva “demorada” e baixa confiabilidade devido as muitas falhas nos equipamentos The electricity delivery system is getting old 60%-70% of the infrastructure is 25-30 years old Designed in the 50s, installed in the 60s and 70s, before the era of the microprocessor Population growth has caused the entire transmission system to be over used and fragile IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Impacto ambiental do sistema elétrico Uso de energia não renovável Termoelétricas Usinas atômicas Consequências Poluição Aquecimento global Desmatamentos IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Evolução Últimos 110 anos sem mudanças revolucionárias na rede de energia elétrica Rede do século 20 não se adapta mais as necessidades do século 21 Evolução Industria de Energia Elétrica passando por uma grande mudança Uso de tecnologias para atender aos desafios de hoje e do Futuro Smart Grids Fazer o link Smart Grid com IEC Se não tiver sido feito Abordar o fato de os IEDs de proteção atuais terem capacidade de assumir, além das funções de proteção, funções de aquisição de dados, controle e automação em subestações e usinas e de compartilhar estes dados com outros IEDs, através da rede LAN IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Quais problemas/características temos na rede atual? Pouca Inovação, sistema frágil, operação manual, Medição de consumo manual, Dados pouco detalhados sobre o consumo de energia, Dificuldade para integração de fontes de energia de pequeno e médio porte, Dificuldade de integração de novas demandas,Veículo elétrico, Impacto ambiental do sistema elétrico IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Estrutura Rede Elétrica Atual Sistema elétrico Não é uma única entidade Conjunto de diversas redes, várias empresas de geração, transmissão e distribuição Vários operadores aplicando diversos níveis de comunicação e coordenação Em sua maioria, controlados manualmente Rede Complexa! RI aumenta essa conectividade, automação e coordenação entre esses vários fornecedores, consumidores e redes, atuando nos diversos seguimentos e tarefas. Gestão de demanda: Expedição/Resposta; Integração de Medidores; Detecção de Fraudes Confiabilidade em Distribuição: Gestão de redes; Localização de Fraudes, Proteção de recursos; Isolamento de Falhas Em banda larga (Broadband Triple Play ): Alta Velocidade de Dados; telefonia/VoiceIP/ Video on demand Condomínios Verticais: Broadband Triple Play; Segurança e Vigilância; Eficiencia Predial IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Estrutura Rede Elétrica Atual Projetado para o horário de pico Tempo Ocioso Energia cara RI aumenta essa conectividade, automação e coordenação entre esses vários fornecedores, consumidores e redes, atuando nos diversos seguimentos e tarefas. Gestão de demanda: Expedição/Resposta; Integração de Medidores; Detecção de Fraudes Confiabilidade em Distribuição: Gestão de redes; Localização de Fraudes, Proteção de recursos; Isolamento de Falhas Em banda larga (Broadband Triple Play ): Alta Velocidade de Dados; telefonia/VoiceIP/ Video on demand Condomínios Verticais: Broadband Triple Play; Segurança e Vigilância; Eficiencia Predial IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Consumidores Não participam do sistema Desinformados Apenas consomem Só sabem o quanto gastam no final do mês Sistema Unidirecional Comunicação e fluxo de energia Medição e corte de energia manual Com a ajuda dos mercados e sistemas de informação em tempo real, as empresas de energia serão capazes de trabalhar em conjunto com os consumidores para produzirem um sistema com custo justo e com diversas fontes eficientes IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Geração Dominada pela produção centralizada 17/10/2013

Foco Concentra-se em falhas 17/10/2013

Tratamento de quedas de energia em residências Cliente liga para concessionária. Inovação: cliente manda um sms, para concessionária saber da queda 17/10/2013

Proteção Foco na proteção após a falha. Vulnerável a vândalos e a desastres naturais. 17/10/2013

Supervisão/Monitoramento Supervisão da geração e transmissão de energia elétrica. Componentes falhas Aquisição de dados 17/10/2013

Armazenamento Energia é gerada e utilizada. O que não for utilizado se perde. Não conta com armazenamento da energia que foi gerada a mais Baterias, ultracapacitores, flywheels, celulas combustiveis super condutores Carro: pesquisadores no mundo buscam meio de suavisar o impacto do carregamento simultaneo 17/10/2013

Mercado Mesmo sistema a décadas Baixo grau de inovação 17/10/2013

Mudanças no Sistema Elétrico de Potência (SEP) No mundo como um todo, o SEP está passando por profundas mudanças por diversos motivos: Necessidade de se atender demandas ambientais Necessidade de aumento da eficiência operacional da rede Necessidade de melhorar a qualidade para o consumidor. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

O que é Smart Grid? IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013 Um sistema elétrico inteligente comuta toda a oferta de energia através da rede de distribuição, gerenciando a demanda de energia através de um sistema de comunicação. Portanto, a inteligência da rede reside na capacidade dos dispositivos de se comunicar, trocando informações que permitem construir uma rede mais segura e mais eficiente figura proximo slide Assim, redes elétricas inteligentes, ou \textit{smart grids}, podem oferecer e controlar diversas fontes de energia, permitindo que os usuários escolham quais fontes utilizar e em quais horários, de tal forma a reduzir custos e diminuir os riscos de sobrecarga na rede. O sucesso da \textit{smart grid} depende de um \textit{backbone} confiável, resistente, seguro, gerenciável e baseado em padrões de infraestrutura de comunicação abertos~\cite{Pothamsetty2009}. Para a distribuidora de energia elétrica é crucial ter ou criar uma rede que dê conectividade total entre todos os seus elementos de rede, fontes de dados, e equipamentos. Com isso, a tomada de decisão é feita com parâmetros mais precisos, o que é fundamental para a eficiência no gerenciamento da \textit{smart grid}~\cite{Pothamsetty2009}. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Smart Grid Visa uma maior eficiência, confiabilidade e segurança, acoplada à integração de novas fontes de energia renováveis, através de um controle automatizado e fazendo uso de tecnologias avançadas de telecomunicações. Video 3:45 IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Novo Modelo de Rede Elétrica Visão geral Carros elétricos Elementos das smart grids Energia eólica Sistemas inteligentes de controle Medidores inteligentes Tecnologia de casas inteligentes Painéis solares Geradores de energia particulares IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Mas como tornar a rede elétrica mais inteligente? Software Melhorar o que se tem com telecom Comunicação + automação = rede inteligente IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Smart grid Automação Pilares da smart grid Sistemas de Telecom Ativos Elétricos Sistemas de Telecom TI Nas distribuidoras, as Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs) e sua integração com os processos de negócio serão ferramentas valiosas no gerenciamento em tempo real da cadeia de valor de geração, das redes ativas, medidores, consumidores e sistemas corporativos. TICs e sistemas de automação das redes atuarão como o sistema nervoso central coletando e processando a massiva quantidade de dados de sensoriamento vindos de todos os elementos de controle da rede Diferentemente do que muitos pensam, o conceito de smart grid não envolve apenas a medição eletrônica. Integração dos sistemas computacionais, geração distribuída e automação de redes e subestações também são alguns dos passos para se chegar a uma rede inteligente. De acordo com o presidente da ECOee e do Fórum Latino Americano de Smart Grid, Cyro Boccuzzi, o conceito de rede inteligente envolve três pilares. O primeiro deles são os ativos elétricos, como chaves, medidores, cabos, transformadores e disjuntores. O próximo fator é o sistema de telecomunicações, que capta informações da operação em tempo real e traz esses dados para uma otimização dinâmica. O último campo é a tecnologia de informação, que abrange todos os sistemas de controle de gestão das empresas. http://www.redeinteligente.com/2010/04/24/smart-grid-chave-para-eficiencia/ IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Sistema de Comunicação Premissas Sistema de comunicação Similar à internet (uma rede dinâmica), a smart grid será interativa infraestrutura de comunicação de alta velocidade e bidirecional Backbone confiável, resistente, seguro, gerenciável SUCESSO Um sistema elétrico inteligente comuta toda a oferta de energia através da rede de distribuição, gerenciando a demanda de energia através de um sistema de comunicação. Portanto, a inteligência da rede reside na capacidade dos dispositivos de se comunicar, trocando informações que permitem construir uma rede mais segura e mais eficiente figura proximo slide Assim, redes elétricas inteligentes, ou \textit{smart grids}, podem oferecer e controlar diversas fontes de energia, permitindo que os usuários escolham quais fontes utilizar e em quais horários, de tal forma a reduzir custos e diminuir os riscos de sobrecarga na rede. O sucesso da \textit{smart grid} depende de um \textit{backbone} confiável, resistente, seguro, gerenciável e baseado em padrões de infraestrutura de comunicação abertos~\cite{Pothamsetty2009}. Para a distribuidora de energia elétrica é crucial ter ou criar uma rede que dê conectividade total entre todos os seus elementos de rede, fontes de dados, e equipamentos. Com isso, a tomada de decisão é feita com parâmetros mais precisos, o que é fundamental para a eficiência no gerenciamento da \textit{smart grid}~\cite{Pothamsetty2009}. Apoiados por uma infraestrutura de comunicação de alta velocidade e bidirecional, medição inteligente e tecnologias de controle eletrônico representam a porta de entrada para acesso à rede do futuro. Nesse momento, várias empresas estão realizando grandes investimentos em medidores inteligentes (do inglês Smart Meters) e em Infraestrutura Avançada de Medição (AMI – Advanced Metering Infrastructure na sigla em inglês) como primeiro passo na implementação da RI Sistema de Comunicação 17/10/2013

Quais as consequências das Smart Grids? IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Consumidores Não participam do sistema. Desinformados Apenas consomem Só sabem o quanto gastam no final do mês Sistema Unidirecional Conscientização dos Usuários Medidores de qualidade de energia e de consumo de energia em tempo real Conectados logicamente as concessionárias interagindo em tempo real Informações de preço disponíveis em tempo real, opções de compra. Detecção de fraudes . Com a ajuda dos mercados e sistemas de informação em tempo real, as empresas de energia serão capazes de trabalhar em conjunto com os consumidores para produzirem um sistema com custo justo e com diversas fontes eficientes IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Geração Dominada pela produção centralizada. Geração Distribuída Geração também pelo consumidor. Fontes de energia alternativas Recursos energéticos plug and play 17/10/2013

Foco Concentra-se em falhas Concentra-se qualidade da energia (é prioridade, com uma variedade de opções de preço de acordo com as necessidades do cliente.) 17/10/2013

Tratamento de quedas de energia em residências Cliente liga para concessionária. Inovação: cliente manda um sms, para concessionária saber da queda Totalmente automatizado Roteamento de energia (receber a energia de outro ponto) 17/10/2013

Proteção Foco na proteção após a falha. Vulnerável a vândalos e a desastres naturais. Inteligente - Detecta, evita interrupções, minimiza/atenua o impacto e se recupera rápida e eficientemente após falhas: Muda o caminho por onde circula a energia quando tiver um apagão) 17/10/2013

Supervisão/Monitoramento Supervisão da geração e transmissão de energia elétrica. Componentes falhas Aquisição de dados Monitoramento de consumo automático Disponibilidade de dados online para usuários Sistema totalmente interligado e supervisionado 17/10/2013

Armazenamento Energia é gerada e utilizada. O que não for utilizado se perde. Não conta com armazenamento da energia que foi gerada a mais Armazenamento inteligente de energia. Baterias Ultracapacitores Etc Ex: Casa com painel solar e conjunto de baterias. Veiculos Elétricos Baterias, ultracapacitores, flywheels, celulas combustiveis super condutores Carro: pesquisadores no mundo buscam meio de suavisar o impacto do carregamento simultaneo 17/10/2013

Mercado limitado e não integrado Expansão do mercado Maior competição Mesmo sistema à decadas Expansão do mercado Maior competição Novas Oportunidades para fabricantes Aumento da procura de mão de obra especializada 17/10/2013

Áreas Chaves das Smart Grids Comunicação integrada Fontes de energia alternativa Microgrids Sensoriamento da rede e medidores inteligentes Veículos Elétricos Medição Avançada (AMI) (Energia, Gas e Água) Automação da Distribuição (DA) Eficiência Energética (EE) Resposta à Demanda (DR) Veículos Elétricos (EE) IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Comunicação Integrada Medição e coleta de dados Atuação rápida contra falhas Conexão dos clientes finais Controle dos gastos Realimentação do serviço com relação à demanda e qualidade As comunicações integradas são um ponto chave das SG. Nessas redes, existe um projeto consistente sobre como conectar dispositivos. Dessa forma, existe um sistema mais preparado para medição e coleta de dados, o qual também é capaz de prover uma atuação rápida para evitar falhas. Com isso, as SG passam a ter a base necessária para evitar pequenos e grandes desastres, como os apagões. Outro ponto importante é a conexão dos sistemas finais, ou seja, os clientes. Nesse novo modelo de rede, os clientes estão conectados a todo o momento com a rede, provendo e recebendo informações. Isso permite que os clientes façam um melhor controle de seus gastos, além de possibilitar uma resposta dos clientes com relação à demanda e qualidade de serviço, realimentando os sistemas centrais de controle das \textit{smart grids}. Com isso, é possível reduzir a frequência das falhas nas redes. As tecnologias de comunicação previstas para uso nas SG são descritas na Seção~\ref{sec:com}. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Fontes de Energia alternativa Sustentabilidade Redução de custos Aumento da tolerância a falhas Novo modelo econômico Usuário como consumidor e produtor Outra tecnologia marcante das \textit{smart grids} é a utilização de fontes alternativas de energia. Essa iniciativa está correlacionada ao uso de fontes renováveis, garantindo a sustentabilidade, além de permitir a redução de custos para o cliente. As fontes renováveis de energia surgem na preocupação de que a matéria-prima atual, os combustíveis fósseis, não é produzida na mesma proporção em que é utilizada. Além disso, este é responsável pela emissão de grande parte dos gases que provocam o efeito estufa~\cite{FontesRenovaveis}. Devido a essas preocupações, surgem novas iniciativas em busca de fontes de energia renováveis e limpas, como por exemplo: a água (energia hidráulica), o vento (energia eólica), o sol (conversão térmica e fotovoltaica da energia solar), as ondas, a geotérmica (calor existente no interior da Terra), a cana de açúcar (etanol), mamona e outros óleos vegetais (biodiesel), esgoto, lixo e dejetos animais~\cite{FontesRenovaveis}. Essas fontes de energia são alternativas ao modelo energético tradicional, tanto pelo seu impacto ambiental que é reduzido, quanto pela sua disponibilidade garantida. O Brasil tem um amplo potencial para fontes renováveis, já que a maior parte de sua matriz energética é alimentada por meio de hidrelétricas. Outras iniciativas estão direcionadas para o potencial eólico brasileiro, que hoje já se estima em torno de 60.000~MW~\cite{energiaeolica}. Os primeiros estudos sobre essa tecnologia no Brasil foram feitos na região Nordeste. É observada, então, uma tendência na utilização da geração distribuída (DG), que aproveita as vantagens das fontes de energia alternativas, como painéis solares ou turbinas de vento, para melhorar a estabilidade e qualidade do sistema~\cite{Fang2011}. Um estudo feito pela \textit{International Energy Agency} apontou que um sistema elétrico baseado em um número grande de pequenas gerações distribuídas confiáveis pode operar com a mesma confiabilidade e limite inferior de capacidade que um sistema de grandes geradores confiáveis~\cite{IEA2002}. Uma das contribuições das \textit{smart grids} é permitir que diversas fontes de energia estejam disponíveis aos clientes, garantindo um uso mais amplo de energias limpas. Outra grande inovação é que, nas \textit{smart grids}, os clientes também podem se tornar fornecedores de energia, com a energia que ele armazenou ou produziu durante o dia, utilizando, por exemplo, painéis solares. Com isso, o fluxo de energia passa a ser bidirecional e os clientes ficam menos dependentes da principal distribuidora de energia. Além da economia, essa inovação também permite uma maior robustez a falhas, pois se existem problemas no sistema de distribuição principal, ele pode ser cortado e substituído, temporariamente, pelas fontes alternativas. O desenvolvimento de sistemas de geração distribuída envolve um novo conceito chamado \textit{Virtual Power Plant - VPP} que basicamente consiste no agrupamento de várias usinas distribuídas de baixa capacidade de geração em uma só, fazendo-a visível para o sistema como uma usina de alta capacidade ~\cite{Molderink2010,Fang2011}. Virtual Power Plant IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Microgrids Versões modernas, em pequena escala do sistema elétrico centralizado Objetivo: atingir objetivos específicos locais Microgrid é um novo paradigma desenvolvido pela inclusão da geração distribuída das \textit{smart grids}. Consiste na criação de pequenos sistemas elétricos localizados e compostos por geração, armazenamento e cargas. Assim várias microgrids interligadas, de acordo com o conceito \textit{plug and play}, podem criar uma \textit{smart grid}, na qual a transmissão de informação obedece a um fluxo diferente do fluxo de energia, como é mostrado na Figura \ref{fig:microgrid}. Lasseter et al. mostram que o uso de \textit{microgrids} nos sistemas de distribuição pode simplificar a implementação de várias funções dos novos sistemas elétricos~\cite{Lasseter2004}. Os autores descrevem que o isolamento de pequenas gerações e cargas pode fornecer maior confiabilidade no sistema completo pela rápida capacidade de reação ante uma falha. Com o constante aumento dos preços das fontes usuais de energia, crescem os incentivos para o desenvolvimento de energias alternativas. Dentro das \textit{smart grids}, as fontes de energia alternativas são disponibilizadas através das \textit{microgrids}. As \textit{microgrids} são versões em menor escala do sistema elétrico centralizado. Assim, são formadas ilhas locais com fontes de energia, normalmente renováveis, compartilhadas entre diversas casas. Cada casa é ligada a um único roteador de energia e casas trocam energia entre si através desses roteadores~\cite{zhu2011}. Cada casa precisa saber o quanto de energia tem para ceder e de quanto ela precisa receber. Isso, por si só, já é um grande desafio. No modelo tradicional de distribuição de energia elétrica, a energia flui unidirecionalmente das usinas geradoras para os usuários. No modelo de \textit{microgrid}, todas as casas podem fornecer e consumir energia da microgrid, de tal forma que os fluxos energéticos podem fluir bidirecionalmente e são dinamicamente reconfigurados. O desafio relacionado à segurança reside justamente na construção do protocolo de roteamento energético. É importante que o sistema da \textit{microgrid} funcione de forma distribuída, mas evitando que mensagens falsas sejam inseridas na rede com o fim de prejudicar a distribuição de energia ou a cobrança posterior ou, ainda, que informações sejam roubadas para ferir a privacidade dos usuários. Em particular, os roteadores das \textit{microgrids} utilizam enlaces sem fio, os quais são mais susceptíveis a ataques do que redes cabeadas. http://galvinpower.org/microgrids: Microgrids são versões modernas, em pequena escala do sistema elétrico centralizado. Visão atingir objetivos específicos locais, tais como confiabilidade, redução de emissão de carbono, a diversificação das fontes de energia e redução de custos, estabelecido pela comunidade que está sendo servido. Como a rede de energia em massa, micro-redes inteligentes gerar, distribuir e regular o fluxo de energia elétrica para os consumidores, mas fazê-lo localmente. Micro-redes inteligentes são uma maneira ideal para integrar os recursos renováveis ​​ao nível da comunidade e permitir a participação do cliente na empresa de electricidade. Eles formam os blocos de construção do sistema de energia perfeita. Aqui no Hub Microgrid da Iniciativa Energia Elétrica Galvin, você vai encontrar um conjunto abrangente de recursos em microgrids, coletadas de nossos parceiros e de toda a web IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Medição Medição inteligente (smart metering) Substituição de medidores analógicos Comunicação direta com a empresa distribuidora As SG são amplamente baseadas no monitoramento, característica observada tanto no núcleo quanto nas extremidades da rede. Isso só é possível devido ao amplo suporte das redes de telecomunicação, que agem integrando todos os dispositivos da rede. No nível de transmissão e distribuição, a técnica de sensoriamento mais importante é o \textit{phasor measurement unit} (PMU). Os PMUs são dispositivos de alta velocidade capazes de monitorar a qualidade da energia e, em alguns casos, atuar na rede automaticamente, de acordo com as medidas aferidas. As medidas realizadas se baseiam no conceito de fasores, que são representações de uma forma de onda. Especificamente, os PMUs medem a corrente alternada em tempo real. Um conjunto de PMUs espalhados por uma grande área da rede elétrica forma um \textit{Wide-Area Measurement System} (WAMS). A Seção~\ref{sec:MedicaoSincrofasores} detalha o funcionamento dos PMUs e seu impacto sobre a \textit{grid}. Já nas extremidades da rede, a medição inteligente (do inglês \textit{smart metering}) é o mecanismo mais importante para a obtenção das informações dos dispositivos e aplicações dos usuários finais (consumidores). Nas \textit{smart grids}, os medidores analógicos são substituídos por medidores digitais capazes de se comunicar diretamente com a empresa distribuidora, provendo informações de consumo em tempo real. A infraestrutura de medição automática (\textit{Automatic Metering Infrastructure}) habilita o fluxo bidirecional de informação entre o sistema central e os clientes, utilizando as informações capturadas para o analise e para criar perfis de consumo que depois são usados para otimizar as cargas no sistema geral. A tendência na medição inteligente é que os dispositivos existentes do lado do consumidor sejam remotamente monitorados e controlados (se for preciso) e possam ser ligados e desligados durante as horas de pico, otimizando assim a energia elétrica disponível e priorizando seu uso ~\cite{Fang2011}. Mais informações sobre os medidores inteligentes estão na Seção~\ref{sec:MedicaoEBilling}. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Medição Infraestrutura de medição automática (Automatic Metering Infrastructure) Fluxo bidirecional de energia entre o sistema e os clientes As SG são amplamente baseadas no monitoramento, característica observada tanto no núcleo quanto nas extremidades da rede. Isso só é possível devido ao amplo suporte das redes de telecomunicação, que agem integrando todos os dispositivos da rede. No nível de transmissão e distribuição, a técnica de sensoriamento mais importante é o \textit{phasor measurement unit} (PMU). Os PMUs são dispositivos de alta velocidade capazes de monitorar a qualidade da energia e, em alguns casos, atuar na rede automaticamente, de acordo com as medidas aferidas. As medidas realizadas se baseiam no conceito de fasores, que são representações de uma forma de onda. Especificamente, os PMUs medem a corrente alternada em tempo real. Um conjunto de PMUs espalhados por uma grande área da rede elétrica forma um \textit{Wide-Area Measurement System} (WAMS). A Seção~\ref{sec:MedicaoSincrofasores} detalha o funcionamento dos PMUs e seu impacto sobre a \textit{grid}. Já nas extremidades da rede, a medição inteligente (do inglês \textit{smart metering}) é o mecanismo mais importante para a obtenção das informações dos dispositivos e aplicações dos usuários finais (consumidores). Nas \textit{smart grids}, os medidores analógicos são substituídos por medidores digitais capazes de se comunicar diretamente com a empresa distribuidora, provendo informações de consumo em tempo real. A infraestrutura de medição automática (\textit{Automatic Metering Infrastructure}) habilita o fluxo bidirecional de informação entre o sistema central e os clientes, utilizando as informações capturadas para o analise e para criar perfis de consumo que depois são usados para otimizar as cargas no sistema geral. A tendência na medição inteligente é que os dispositivos existentes do lado do consumidor sejam remotamente monitorados e controlados (se for preciso) e possam ser ligados e desligados durante as horas de pico, otimizando assim a energia elétrica disponível e priorizando seu uso ~\cite{Fang2011}. Mais informações sobre os medidores inteligentes estão na Seção~\ref{sec:MedicaoEBilling}. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Medição Segurança Ataques à rede de telecomunicações Privacidade As SG são amplamente baseadas no monitoramento, característica observada tanto no núcleo quanto nas extremidades da rede. Isso só é possível devido ao amplo suporte das redes de telecomunicação, que agem integrando todos os dispositivos da rede. No nível de transmissão e distribuição, a técnica de sensoriamento mais importante é o \textit{phasor measurement unit} (PMU). Os PMUs são dispositivos de alta velocidade capazes de monitorar a qualidade da energia e, em alguns casos, atuar na rede automaticamente, de acordo com as medidas aferidas. As medidas realizadas se baseiam no conceito de fasores, que são representações de uma forma de onda. Especificamente, os PMUs medem a corrente alternada em tempo real. Um conjunto de PMUs espalhados por uma grande área da rede elétrica forma um \textit{Wide-Area Measurement System} (WAMS). A Seção~\ref{sec:MedicaoSincrofasores} detalha o funcionamento dos PMUs e seu impacto sobre a \textit{grid}. Já nas extremidades da rede, a medição inteligente (do inglês \textit{smart metering}) é o mecanismo mais importante para a obtenção das informações dos dispositivos e aplicações dos usuários finais (consumidores). Nas \textit{smart grids}, os medidores analógicos são substituídos por medidores digitais capazes de se comunicar diretamente com a empresa distribuidora, provendo informações de consumo em tempo real. A infraestrutura de medição automática (\textit{Automatic Metering Infrastructure}) habilita o fluxo bidirecional de informação entre o sistema central e os clientes, utilizando as informações capturadas para o analise e para criar perfis de consumo que depois são usados para otimizar as cargas no sistema geral. A tendência na medição inteligente é que os dispositivos existentes do lado do consumidor sejam remotamente monitorados e controlados (se for preciso) e possam ser ligados e desligados durante as horas de pico, otimizando assim a energia elétrica disponível e priorizando seu uso ~\cite{Fang2011}. Mais informações sobre os medidores inteligentes estão na Seção~\ref{sec:MedicaoEBilling}. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Veículos Elétricos (EV) Carros com bateria Híbridos Sem uso de combustíveis fósseis Menor poluição Autonomia suficiente para o consumo de um dia Carga lenta 6 a 8 hs Carga rápida 30 minutos Veículos e a smart grid Provimento de energia nos horários de pico para a rede Devido aos problemas relacionados ao uso de combustíveis fósseis, existe uma pressão em favor do desenvolvimento de veículos elétricos com boa autonomia e baixo custo. Contudo, o uso de veículos elétricos está correlacionado ao desenvolvimento das \textit{smart grids}, de tal forma que exista uma infraestrutura própria para o uso dessa nova tecnologia. Assim, é necessário que existam locais próprios para o reabastecimento dos veículos capazes de fazer cobrança utilizando a rede de telecomunicações. O uso de veículos elétricos em \textit{smart grids}, contudo, extrapola a ideia de apenas a \textit{grid} ser usada como fornecedor de energia. \textit{Grid-to-Vehicle/Vehicle-to-Grid} são dois conceitos dos quais o primeiro usa um veículo elétrico como armazenamento e o segundo o usa como fonte de energia. Assim vários veículos elétricos podem formar um sistema de geração distribuído na rede. Fang et al. ~\cite{Fang2011} menciona alguns dos trabalhos desenvolvidos com esses dois conceitos, os quais estão correlacionados a assuntos como mitigar a degradação na estabilidade do sistema elétrico devido à carga descoordenada de veículos elétricos na rede, ou como aproveitar os veículos como suporte durante as horas de pico de consumo, convertendo-os em pequenas fontes distribuídas. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Veículos Elétricos (EV) Carros elétricos já são uma realidade em locais como Europa e Japão As previsões apontam para a substituição dos carros a combustível fóssil por carros elétricos Devido aos problemas relacionados ao uso de combustíveis fósseis, existe uma pressão em favor do desenvolvimento de veículos elétricos com boa autonomia e baixo custo. Contudo, o uso de veículos elétricos está correlacionado ao desenvolvimento das \textit{smart grids}, de tal forma que exista uma infraestrutura própria para o uso dessa nova tecnologia. Assim, é necessário que existam locais próprios para o reabastecimento dos veículos capazes de fazer cobrança utilizando a rede de telecomunicações. O uso de veículos elétricos em \textit{smart grids}, contudo, extrapola a ideia de apenas a \textit{grid} ser usada como fornecedor de energia. \textit{Grid-to-Vehicle/Vehicle-to-Grid} são dois conceitos dos quais o primeiro usa um veículo elétrico como armazenamento e o segundo o usa como fonte de energia. Assim vários veículos elétricos podem formar um sistema de geração distribuído na rede. Fang et al. ~\cite{Fang2011} menciona alguns dos trabalhos desenvolvidos com esses dois conceitos, os quais estão correlacionados a assuntos como mitigar a degradação na estabilidade do sistema elétrico devido à carga descoordenada de veículos elétricos na rede, ou como aproveitar os veículos como suporte durante as horas de pico de consumo, convertendo-os em pequenas fontes distribuídas. Porque ainda não está em produção no Brasil? IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Veículos Elétricos (EV) Porque ainda não está em produção no Brasil? Falta de incentivos fiscais Situação em discussão pelo governo Necessidade de instalação da infraestrutura das smart grids Locais para reabastecimento dos carros Estrutura para cobrança usando as redes de telecomunicações Devido aos problemas relacionados ao uso de combustíveis fósseis, existe uma pressão em favor do desenvolvimento de veículos elétricos com boa autonomia e baixo custo. Contudo, o uso de veículos elétricos está correlacionado ao desenvolvimento das \textit{smart grids}, de tal forma que exista uma infraestrutura própria para o uso dessa nova tecnologia. Assim, é necessário que existam locais próprios para o reabastecimento dos veículos capazes de fazer cobrança utilizando a rede de telecomunicações. O uso de veículos elétricos em \textit{smart grids}, contudo, extrapola a ideia de apenas a \textit{grid} ser usada como fornecedor de energia. \textit{Grid-to-Vehicle/Vehicle-to-Grid} são dois conceitos dos quais o primeiro usa um veículo elétrico como armazenamento e o segundo o usa como fonte de energia. Assim vários veículos elétricos podem formar um sistema de geração distribuído na rede. Fang et al. ~\cite{Fang2011} menciona alguns dos trabalhos desenvolvidos com esses dois conceitos, os quais estão correlacionados a assuntos como mitigar a degradação na estabilidade do sistema elétrico devido à carga descoordenada de veículos elétricos na rede, ou como aproveitar os veículos como suporte durante as horas de pico de consumo, convertendo-os em pequenas fontes distribuídas. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Novo Modelo de Rede Elétrica Características das smart grids Equipamentos digitais Comunicação bidirecional Geração distribuída Organização do sistema em rede Forte sensoriamento Autonomia para monitoração e recuperação Tratamento de falhas com controle adaptativo e ilhamento Verificação e testes remotos Mais escolhas para o consumidor Forte utilização das telecomunicações! IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Benefícios das Smart Grids Autorrecuperação e adaptabilidade Interação com os consumidores Melhoria da Qualidade de Energia Integração de fontes de energia distribuídas Abertura de novos mercados Aumento da visibilidade de rede Gerenciamento otimizado de ativos Autorrecuperação e adaptabilidade: os sistemas de RI irão continuamente monitorar as informações que chegam da rede, analisando seu status operacional. Para problemas de grande dimensão e que são rápidos demais para uma intervenção humana, esses sistemas irão automaticamente restaurar os componentes de rede ou seções de rede após algum distúrbio por meio de mecanismos de autorrecuperação.. Sendo também capazes de prever potenciais falhas e futuros desligamentos pela mineração dos dados de eventos passados, podendo dinamicamente controlar fluxos de energia para limitar interrupções Interação com os consumidores: a RI irá motivar os usuários finais a gerenciarem seu consumo de energia elétrica ativamente. Por exemplo, sinais de preço e programas de DSM (conhecidos também como “resposta da demanda”) irão encorajar os consumidores a modificarem seu consumo, permitindo que as demandas sejam adequadas à capacidade do sistema elétrico em atendê-las. Novas economias financeiras proporcionadas e produtos eficientes energeticamente irão conectar os consumidores à rede tornando-os participantes ativos Melhoria da qualidade de energia: as redes atuais foram projetadas a mais de meio século, sendo que essa infraestrutura não consegue atender às demandas da atual sociedade em termos de confiabilidade e alta qualidade de energia elétrica, trazendo transtornos principalmente de ordem econômica devido às interrupções. Como parte da RI, novos padrões de qualidade permitirão às empresas de energia equilibrar a necessidade das cargas com seus requisitos de qualidade e os consumidores terão a opção de adquirir variados níveis de qualidade de energia a diferentes preços. Adicionalmente, eventos de qualidade de energia que se originarem nos níveis de transmissão e distribuição serão minimizados e distúrbios causados por certas cargas de consumidores terão sua propagação reduzida Integração de fontes de energia distribuídas (DER – Distributed Energy Resources): a RI irá acomodar uma ampla gama de opções de geração e armazenamento. Usuários residenciais e comerciais irão adotar em larga escala DERs, como telhados cobertos por painéis solares e baterias avançadas como opções econômicas viáveis para atenderem suas necessidades locais de energia e, ao mesmo tempo, reduzirem sua pegada de carbono. Padrões melhorados permitirão interoperabilidade de equipamentos em todos os níveis de tensão. E protocolos de comunicação avançados e inteligência de rede permitirão que essas DERs sejam integradas à rede de uma forma "conecte e use", possibilitando que os usuários vendam seu excedente de energia para a rede nos horários de pico baseado em mercado de preço em tempo real. A geração centralizada continuará a exercer um papel central ao manter a estabilidade da rede e garantir o atendimento de consumidores eletrointensivos. Abertura de novos mercados: a RI permitirá que novos mercados de energia aflorem, mitigando ineficiências de alocação de custos. Por exemplo, as questões de capacidade de atendimento da demanda, sobrecargas, impacto ambiental podem ser mais eficientemente tratadas por meio de interações de mercado entre demanda e oferta. A participação no mercado será encorajada no nível do varejo pela agregação de iniciativas de resposta da demanda e o crescimento das DERs, como discutido anteriormente. Além disso, novos serviços poderão ser ofertados por novas empresas, tornando a eletricidade um produto diferenciado. Preço em tempo real permitirá que os consumidores respondam dinamicamente aos aumentos de preço, estimulando o desenvolvimento de soluções e tecnologias de de baixo custo. Aumento da visibilidade de rede: a infraestrutura de sensoriamento e as redes de comunicação de grande capacidade, inerentes a uma RI, permitirão que os operadores de rede tenham grande capacidade de observação da rede, principalmente, no seu estado operacional, particularmente em redes de distribuição que são historicamente operadas às cegas. Munidos de ferramentas avançadas de visualização, os operadores serão capazes de rapidamente identificarem de forma precisa informação crítica, permitindo-os uma visão ampla de todos os processos de rede. Gerenciamento otimizado de ativos: um objetivo principal em uma RI é o aumento da vida útil dos equipamentos e das operações otimizadas. Tecnologias avançadas de informação fornecerão grande volume de dados e informações que serão integradas aos processos existentes dos sistemas de gerenciamento das empresas, permitindo que elas melhorem significativamente seus processos de Operação e Manutenção (O&M). Essa mesma informação permitirá que engenheiros melhorem o projeto de equipamentos e dá aos planejadores da rede os dados que precisam para melhorá-la. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Implantação Cada caso é um caso Pode ser implantada em fases. Iniciativas Smart Grid são, tipicamente, de médio e longo prazo Diferentes operadoras com possivelmente diferentes estilos de adoção e implantação. Cada caso é um caso IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Redes & Telecom numa Solução Smart Grid Usado para instalação e configuração Comunicação direta entre o medidor e o sistema central Comunicação entre a central de medição e os medidores I1 - Quando não existe uma comunicação direta entre o medidor e o sistema central, é realizada uma comunicação entre um concentrador de dados e um medidor de consumo. I2 - Comunicação direta entre o medidor e o sistema central. I3 - Conexão entre o medidor e um terminal local usado para instalação e configuração. I4 - Comunicação entre a central de medição e medidores secundários (painéis solares domésticos e outros). I5 - Comunicação entre o medidor e a HAN (Home Area Network) para prover serviços automação residencial e resposta a demanda. Quando não existe uma comunicação direta entre o medidor e o sistema central IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Sistema de Comunicação Redes e Telecomunicações Solução integrada com maior eficiência para o controle, medição e monitoração Interagindo de forma interoperável HAN - Rede doméstica Integração Usuários Finais LAN - Rede Local da Subestação Suporte a Monitoração e Coleta de Dados Cabeadas ou sem fio Coordenação da geração distribuída Dentre outros ... WAN - Rede de Longa Distância IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Smart Grids Componentes de Redes & Telecom Redes Backbone (WANs e MANs): Escopo longa distância e metropolitano Suporta principalmente a área de TI e a integração dos segmentos Smart Grid (geração, transmissão, distribuição e usuário) Redes de aplicação local (LANs): Escopo maior na área de controle e operação (subestações, escritórios, outros) Redes de aplicação local focadas no usuário: HAN – Home Area Networks Foco total no usuário, na automação doméstica e na integração de veículos IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Aspectos Técnicos Fundamentais Volumes de dados gerados Alta disponibilidade Semântica dos dados Requisitos de Operação (atraso, perdas...) Segurança e privacidade Monitorar dados remotos Comunicação Bidirecional re- quisitos de operacao (atrasos, perdas, variacao¸ o atraso, resiliencia, outros) a necessidade de monitorar dados em sistemas remotos (wide-area monitoring); Aspecto Técnico – Requisitos Smart Grid: Proteção de subestações – transferência de comandos Latência inferior à 5 ms Leitura e transmissão de dados dos medidores Intervalos de 15min Volume de dados: Monitoração de usuário, subestação, outros IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Smart Grids Alguns dos Requisitos de Rede Capacidade - Volume de Dados: Monitoramento, sensores, medidores domésticos, elementos de atuação, outros Parâmetros de Qualidade da Comunicação (QoS: Quality of Service; QoE: Quality of Experience): Atrasos, perdas, variação no atraso (jitter) Necessidades coleta de dados e controle de operação em tempo real, sincronização, outras Comunicação bidirecional Necessidade da integração funcional num estilo smart grid, poder atuar junto ao usuário, outras Segurança Disponibilidade e Recuperação de Falhas: Alta disponibilidade, resiliência, outros IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Smart Grid – Aspectos Técnicos - Resumo Redes & Telecom Alguns dos aspectos arquiteturais e técnicos de Redes/Telecom inerentes à solução Smart Grid: Arquitetura de Rede: TCP/IP atende? Devemos utilizar outras arquiteturas específicas (field-bus, redes IEC 61850, redes de sensores, ...? Redes Ópticas são uma possível solução? SDN (Software Defined Networking) pode ser interessante? Tecnologias de Rede: Quais? Tecnologias distintas por cenário de aplicação do Smart Grid? Aplicações: Qual o foco do negócio Smart Grid e quais aplicações são relevantes? Segurança: Como garantir uma operação segura num contexto distribuído de rede e telecomunicações Comunicação: Que tipo de modelo de comunicação é necessário ao Smart Grid? Bidirecional? Qual o nível de interatividade? Quão aberto deve ser? IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Smart Grids Redes & Telecom Redes (como uma solução integrada e consistente) são imprescindíveis para Smart Grid Comando Controle Monitoramento Medição Automação Geração distribuída Infraestrutura de Telecomunicação + TI Integração da Informação Contribuir para atender às demandas de uma rede de energia elétrica do futuro, seja aumentando a confiabilidade dos sistemas de distribuição e transmissão, seja buscando a eficiência energética ou até diminuindo suas perdas. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Tecnologias – Wireless & HAN para o Smart Grid Espectro Banda Alcance Aplicações Limitações GSM 900-1800 Mhz Até 170 Kbps 1-10 Km AMI, Resposta a Demanda (DR), HAN Baixa Largura de Banda 4G 2.5 Ghz Até 200 Mbps 1-50 Km AMI, DR, HAN WiFi – IEEE 802.11 2.4-5.8 Ghz Até 155 Mbps 1-300 m AMI, HAN Curto alcance WiMax – IEEE 802.16 3.5 Ghz 5.8 Ghz Até 75 Mbps 1-5 Km 10-50 Km AMI, DR Poucas implementações PLC 3-500 Mhz 1.8-30 Mhz 1-3 Mbps 1-3 Km AMI, Detecção de fraudes Ruídos em redes ZigBee 2.4 Ghz 868-915 Mhz Até 250 Kbps 30-90 m Curto alcance e baixa largura de banda Bluetooth 2.4-2.4835 Mhz Até 721 Kbps 1-10 m HAN Curto alcance e alto consumo de energia IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Smart Grid e Redes Elementos do Projeto Vários aspectos devem ser considerados num projeto de uma “solução Smart Grid” para o sistema elétrico Arquitetura da(s) Rede(s): Inclui a integração de tecnologias para os diversos tipos de rede envolvidos na solução Smart Grid Dados: Inclui toda uma sistemática de aquisição, formatação, armazenamento, recuperação, distribuição e processamento de informações entre os sistemas e aplicações da solução Smart Grid Diversos padrões envolvidos Aplicações e interfaces (APIs – Application Programming Interfaces): Estruturadas por setor Um aspecto fundamental é a representação e semântica dos dados propiciando (suportando) a integração da diferentes aplicações: Ex.: como os dados de monitoramento no cliente (consumo) podem ser usados visando uma previsão de demanda? IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Outros Padrões para o Smart Grid Padronização é um elemento importante para a solução Smart Grid Diversas ações em curso: ITU-T, IEC, IEEE, outros Tipo / Padrão Detalhes Aplicação IEC 61968 e IEC 61970 Prover um Modelo de Informação Comum (CIM) relacionado à troca de informações entre os centros de controle. O primeiro relacionado ao domínio de transmissão e o segundo ao domínio de Distribuição EMS (Aplicações do centro de controle). IEC 60870-6 / TASE2 Troca de dados entre o centro de controle da utility e o centro de controle regional. Centro de Comunicação Intercontrole IEC 62351 Definição de segurança para protocolos de comunicação. Sistemas de Segurança da Informação IEEE P2030 Diretrizes de interoperabilidade, terminologia, características, critérios funcionais, de desempenho e de avaliação. Aplicações do ‘lado cliente’ IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Outros Padrões para o Smart Grid Tipo / Padrão Detalhes Aplicação IEEE P1901 Comunicações de alta velocidade em linhas de força (BPLC – Broadband over Power Line Communications) Aplicações smart grid e residenciais ITU-T G.9955 e G.9956 Especificações de camada física e de camada de enlace, Respectivamente (NB-PLC : Narrow Band PLC) Automação da Distribuição, AMI ANSI C12.22 Descreve a comunicação de tabelas C12.19 sobre redes quaisquer. AMI ANSI C12.18 Estrutura de dados para comunicação bidirecional com o medidor. ANSI C12.19 Define tabelas de estruturas de dados a serem transferidas do medidor para o módulo de comunicação. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Outros Padrões para o Smart Grid Tipo / Padrão Detalhes Aplicação IEC 61850 Flexível, a prova de futuro, padrão aberto, comunicação entre dispositivos de transmissão, distribuição e sistemas de automação de subestação. SAS (Automação de Subestação) Redes e sistemas de comunicação para automação das concessionárias de energia IEC 61850 é uma componente bastante importante e relevante no contexto do Smart Grid na medida em que procura estabelecer padrões de comunicação com um foco maior na automação, mas podendo ser aplicado em outros segmentos do sistema elétrico IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Smart Grids Como modelar todo esse sistema? Como integrar? Como garantir interoperabilidade? Como atender a rede do século 21 e suas novas necessidades ? Norma IEC 61850 IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

IEC 61850 - Introdução Smart Grids Últimos 110 anos sem mudanças revolucionárias na rede de energia elétrica Rede do século 20 não se adapta mais as necessidades do século 21 Evolução Industria de Energia Elétrica passando por uma grande mudança Uso de tecnologias para atender aos desafios de hoje e do Futuro Smart Grids Fazer o link Smart Grid com IEC Se não tiver sido feito Abordar o fato de os IEDs de proteção atuais terem capacidade de assumir, além das funções de proteção, funções de aquisição de dados, controle e automação em subestações e usinas e de compartilhar estes dados com outros IEDs, através da rede LAN IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Quais as consequências? Histórico Dispositivos Eletrônicos Inteligentes para Controle e Proteção (IED´s) Quais as consequências? Fazer o link Smart Grid com IEC Se não tiver sido feito Abordar o fato de os IEDs de proteção atuais terem capacidade de assumir, além das funções de proteção, funções de aquisição de dados, controle e automação em subestações e usinas e de compartilhar estes dados com outros IEDs, através da rede LAN IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Cada fabricante desenvolveu seu próprio protocolo de comunicação Histórico Com as consequências da evolução do Sistema Elétrico de Potência Diversos protocolos proprietários e padrões. Cada fabricante desenvolveu seu próprio protocolo de comunicação DNP MODBUS FIELDBUS IEC 60870-5-101 IEC 60870-5-104 Várias gerações de tecnologias convivem hoje em dia, dentro das subestações. Estas vêm sendo ampliadas, à medida que a demanda vem crescendo. Cada geração de tecnologia resolve uma determinada necessidade, e foram sendo agregadas às instalações. Nas áreas de supervisão, controle e monitoramento, surgiram vários protocolos de comunicação. Os mais conhecidos, por serem protocolos abertos, são MODBUS, DNP3 e IEC 60870-5-101. Esta “Torre de Babel”, dificulta e encarece os projetos de novas subestações e principalmente as ampliações, pois os equipamentos dos vários fabricantes não operam entre si (interoperabilidade), e mesmo duas gerações de equipamentos de um mesmo fabricante, apresenta dificuldades de integração. Outros... IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Necessidade de padronização. Histórico Necessidade de padronização. Surgiu da necessidade de uma arquitetura única entre todos os dispositivos independente de seu fabricante ou da função que exerça na subestação solução unificada de comunicação e aplicações Atualmente visa a modelagem dos sistemas e redes de comunicação para a automação do sistema elétrico! IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Histórico Principal objetivo da norma IEC 61850: Garantir interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes Suportar a evolução de tecnologias Possibilitar a comunicação com alta velocidade e elevada confiabilidade IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Histórico 1994 EPRI IEEE, USI 1996 IEC TC57 2002 3 Grupos de Trabalho do Comitê Técnico (TC57) da IEC, 10,11 e 12 com o objetivo de preparar um padrão de comunicação de sistemas em subestação 1994 EPRI IEEE, USI 1996 IEC TC57 2002 D. Proudfoot, “UCA and 61850 for dummies”, em DistribuTECH 2002, p. 47 – 51, fevereiro de 2002 UCA (Utility Communications Architecture): IEEE + EPRI (Electric Power Research Institute) com o objetivo de desenvolver uma estrutura de comunicação em tempo real que fosse comum a todas as empresas. Projeto apesar de bem sucedido, ainda não atendia a todas as necessidades de modelagem para as subestações Fonte: D. Proudfoot, “UCA and 61850 for dummies”, em Distri-buTECH 2002, p. 47 – 51, fevereiro de 2002 IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Qual a mudança no cenário Atual IEC 61850 - Introdução Qual a mudança no cenário Atual O que o IEC 61850 propõem? IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

IEC 61850 - Introdução Cenário IEC 61850 Ethernet Com os avanços da eletrônica e das redes de computadores, verificou-se que haveria um grande ganho na Automação de Subestações, se estas tecnologias fossem a ela incorporada. Foi adotada a tecnologia TCP/IP. Portanto, todos os conceitos oriundos das redes de computadores comerciais, como Endereços IP, Endereços MAC, LAN, WAN, Roteamento, Frames, Datagramas, etc.., vêm para o mundo da Automação e Proteção de Subestações, de forma totale completa. O transporte das informações entre dois dispositivos é encapsulada em TCP/IP, padrão da internet mundial, confiável e já testadoem todo mundo há mais de 20 anos. Não seria necessário re-inventar nada. Na norma quanto à camada física, existe apenas a recomendação do uso da 100 Base-FX com conector ST, mas deixa livre a utilização de tecnologias futuras. Falar da mudança no cenário trazida pela Norma... OBS: IEC 60870-5-101/104(P3 (pode ser considerado o DNP3 “Europeu”) Protocolos seriais. IEC 60870 101 DNP3 Modbus Modelo Mestre / Escravo Ethernet IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Parte 90-1 modela a comunicação entre subestações. IEC 61850 - Introdução Não é um protocolo! O IEC 61850 não define máquina de estados, mas um modelo de informação. É um modelo que padroniza a comunicação e o sistema de automação de energia (e não se limita a modelagem na subestação!) Parte 90-1 modela a comunicação entre subestações. Revised - Draft IEC TR 61850-90-8, IEC 61850 object models for electric mobility (veículos elétricos) a segunda edição da norma está mudando seu foco da subestação para comunicações de sistema de potência, IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

IEC 61850 O que esse modelo de Informação propõe? Modelagem dos dispositivos de automação da subestação Orientação a objetos Modelagem dos mecanismos de comunicação Troca de mensagens Linguagem de configuração padronizada (SCL) Melhorar a distribuição do slide IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação Como modelar um Disjuntor? Registrar e controlar operações. Registrar é fundamental! O que faz o disjuntor? Abre e Fecha! Mas faz mais que isso... Vida útil do disjuntor Modelar um Disjuntor, nos seus aspectos relacionados com Automação, significa registrar e controlar as suas operações. O que faz um Disjuntor ? Abre e fecha ! Mas faz mais que isto. Quando abre, interrompe uma corrente elétrica ( potência ativa – MW ). A intensidade da corrente elétrica interrompida determina a degradação dos contatos elétricos do disjuntor, afetando sua vida útil. Registrar e acumular as correntes interrompidas também é fundamental. O Disjuntor pode estar bloqueado para abrir ou fechar, em manual ou telecomando. Todas esta informações devem ser coletadas e armazenadas. O disjuntor pode estar bloqueado para abrir ou fechar, em manual ou telecomando. Todas as informações devem se coletadas e armazenadas. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação IEC 61850 – Inteligência está distribuída nos dispositivos Disjuntores Transformadores O Relé de proteção pela sua característica micro-processada foi o primeiro. Com CPUs e Placas de Rede! Este é o Modelo, e todos os grandes fabricantes mundiais estão mobilizados para disponibilizá-los ! Relés de Proteção, pela sua característica micro-processada, foram os primeiros. Já existem os “Controladores de Disjuntores “, equipamentos que incorporam a “inteligência” aos mesmos, para equipamentos antigos, quando for necessária uma modernização. Grandes transformadores já vêm, há vários anos, com sua automação embarcada. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação Qual o melhor modelo? É aquele que mais se aproxima da realidade !!! Esta máxima, que se aplica à engenharia de uma forma geral, também se aplica à engenharia de software e automação. O que mais se aproxima da Realidade! IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação Disjuntor Nó Lógico XCBR (Circuit BReaker) http://eletricatotal.wordpress.com/page/2/ IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação Seccionadora Nó Lógico XSWI (switch)  pode ser utilizada para interromper baixos níveis de corrente de carga associadas a barramentos e buchas de disjuntor, bem como outras correntes de baixa tensão comuns em subestações. Ideal para isolamento de transformadores, disjuntores e outros equipamentos de subestação para reparo e manutenção; Disconnector – INTERRUPTOR- Switch IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação TP Nó Lógico TVTR (Voltage TRansformer ) TC Nó Lógico TCTR (Current TRansformer) IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação Agrupados de acordo com sua área de aplicação mais comum Ex: TXXX - Transformadores e Sensores TCTR - Transformador de Corrente (Current TRansformer) TVTR - Transformador de Potencial (Voltage TRansformer ) XXXX - Interface com chaves de processo(ex: disjuntores) XCBR - Chave disjuntor (Circuit BReaker) XSWI - Chave Seccionadora (switch) Sua funcionalidade textualmente descrita Fonte: “IEC 61850-7-1: Communication Network and Systems for Power Utility Automation. Basic Communication Structure – Compatible Logical Node Classes and Data Object”, 2010 IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Norma IEC 61850 -Grupos de Nós Lógicos A norma padroniza um conjunto de 26 grupos de nós lógicos agrupando funções de proteção e controle Outros Exemplos: PXXX - Funções de Proteção PTOC – Proteção de Sobrecorrente (Time OverCurrent) PDIS - Proteção de distância (Distance) CXXX - Controle CSWI - Controlador de chaveamento SXXX - Supervisão e Monitoramento AXXX - Funções Automáticas de controle MXXX - Medições YXXX - Processos de transformadores de potencia I XXX - Interface de arquivamento GXXX - Funções genéricas Fonte: “IEC 61850-7-1: Communication Network and Systems for Power Utility Automation. Basic Communication Structure – Compatible Logical Node Classes and Data Object”, 2010 IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Norma IEC 61850 – Exemplo comando de um Disjuntor Fechar disjuntor IHMI IARC Comando Fechar dj CSWI Disjuntor XCBR IHMI Interface Homem Máquina XCBR Disjuntor TCTR Transformador de Corrente TVTR Transformador de Potencial CSWI Controlador de chaveamento PIOC TC MMTR TCTR IARC Interface de Arquivamento PIOC Proteção de Sobrecorrente Instantânea MMTR Contador MMXU Medição Operativa e indicativa TVTR MMXU TP IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação Como é feita a modelagem dos dispositivos? Exemplo: O que desejamos: Estado (Posição aberta ou fechada do disjuntor) Disjuntor 5 Disjuntor Objeto de dados (atributo) EX: cor da pele, altura, peso... Objeto Concreto (uma instância) Ex : Juliana Paes, Gloria Pires Classe abstração - descreve um conjunto de objetos, com os mesmos atributos, operações. Exemplo : Atrizes Orientação a objetos O que um nó lógico? É um elemento funcional da função 17/10/2013

Norma IEC 61850 Estrutura e Nome de Objeto MyLD/ XCBR2. Pos. StVal. StVal (0,1,2 ou 3) = Intermediário Aberto Fechado Falha Dispositivo Físico (endereço de rede) Dispositivo Lógico 1 MyLD MyLD.XCBR2.Pos.StVal - Valor de status da posição do disjuntor Até aqui 25 min Mod (modo, se esta em teste bloqueado on off...) DispositivoLógico/NóLógico.Objeto.Atributos MyLD/ XCBR2. Pos. StVal. Valor de status da posição do disjuntor IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação Concepção de Links e Nós Lógicos Função 1 Função 2 NL 1 NL 2 NL 3 NL 0 NL 6 NL 0 LN0 dedicado para Logical node zero (LLN0) representa os dados comuns do Dispositivo Lógico. •Logical node physical device (LPHD) representa os dados comuns do Dispositivo Físico que suporta o Dispositivo Lógico. •LLN0 e LPHD são definidos em todos Dispositivos Lógicos NL 5 NL 4 NL 0 Fonte: “IEC 61850-5: Communication Network and Systems in Substations. Communication requirements for functions and device models”, 2003 IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Funções dos IEDs O que é uma função em uma subestação? Comandos Operações no sistema em “alto nível” Ex: Função de Proteção Abertura de um disjuntor para desenergizar uma linha com sobrecarga Função de Controle Comandos Verificar Alarmes e Eventos pela IHM Função de Automação (automáticas) Funções de Monitoramento Fornece dados para analisar falhas Funções de Supervisão Gerenciamento de eventos em tempo real (mudança de estado) Funções de proteção operam diretamente sobre o processo, a fim de isolar as falhas ocorridas na rede ou na planta. A tarefa de qualquer função de proteção é monitorar os valores da rede de potência ou transdutores (tensão, corrente, temperatura, etc.) e emitir um sinal de alarme ou trip que isola do sistema o objeto protegido (cabo, linha, transformador, disjuntor, etc.). O comportamento de qualquer função de proteção é controlado por um conjunto de parâmetros que pode ser alterado pelo engenheiro de proteção. Uma primeira distinção pode ser feita entre funções principais, agindo diretamente sobre o processo, como proteção, controle, automação, monitoramento, supervisão e funções de suporte, que operam em segundo plano ou apenas em fases específicas, como configuração e sincronização de tempo. Outra classificação pode ser feita considerando o nível de distribuição de uma função: há funções envolvendo dispositivos de um único vão (por exemplo, proteção de sobrecorrente), funções que envolvam dispositivos de mais de um vão em uma mesma subestação (por exemplo, proteção barra, falha de disjuntor) e funções que envolvam dispositivos em subestações diferentes (por exemplo, teleproteção, WAMS, descarte de carga distribuída). IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Norma IEC 61850 – IED Multifuncional Função: Gerenciamento de Eventos IHMI IARC IHMI Interface Homem Máquina IARC Interface de Arquivamento CSWI Controlador de chaveamento PIOC Proteção de Sobrecorrente Instantânea MMTR Contador MMXU Medição Operativa e indicativa TVTR Transformador de potencial TCTR Transformador de corrente XCBR Disjuntor CSWI Disjuntor XCBR PIOC Transformador de Corrente MMTR TCTR TVTR MMXU Transformador de Potencial Função: Proteção IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação Nomenclatura dos dados - Consequência : Dispositivos de diferentes fabricantes podem ser utilizados em conjunto Custos de Migração são reduzidos Trabalho de reconfiguração é minimizado em caso de troca Modelo se aproxima da realidade Devido ao fato da IEC 61850 definir a nomenclatura dos dados, permitindo a interoperabilidade, os custos de migração são reduzidos, pois dispositivos de diferentes fabricantes podem ser utilizados em conjunto, minimizando o trabalho de reconfiguração dos mesmos em casos de troca.  IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

IEC 61850 O que esse modelo de Informação propõe? Modelagem dos dispositivos de automação da subestação Orientação a objetos Modelagem dos mecanismos de comunicação Troca de mensagens Linguagem de configuração padronizada (SCL) Melhorar a distribuição do slide IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos mecanismos de comunicação Que mensagem tenho na rede? Alarme – prioridade alta sinais de disparo, bloqueio, intertravamento etc. Monitoramento e Controle – prioridade média estado de equipamentos e controle (Informações operacionais) Transferências de arquivos – prioridade baixa oscilogramas, relatórios de falta etc. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos mecanismos de comunicação Mensagens com grade restrição temporal (Ex: 3,10,20ms): GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) SV (Sampled Values) Mensagens que não tem grande restrição temporal (ex:100,500, 1000ms): MMS (Manufacturing Message Specification ) Time Sync (SNTP) Devido as suas funcionalidade a GOOSE e MMS merecem destaque. As mensagens de alta velocidade são denominadas GSE (Generic Substation Events) e podem ser classificadas em GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event), ou GSSE (Generic Susbtation Status Event). A diferença entre ambos é que, nas mensagens GOOSE, a informação é configuravel e utiliza um data set(grupamento de dados). As mensagens GSSE somente suportam uma estrutura fixa de informação de estado, a qual é publicada e disponibilizadana Rede. GOOSE para troca de informações, com alta velocidade entre os IEDs. Sampled Measurement Value – digitaliza os valores de tensão e corrente. O barramento de processos trata de como trabalhar com o sinal de tensão e corrente digitalizado, sendo abordado na parte 9-2. Este envio ocorre a partir das MUs (Merging Units) ou TCs/TPs Óticos para os IEDs (Inteligent Eletronic Device) por meio das mensagens SMV.  mensagens dos valores de corrente e tensão do barramento de processos . SV – Sampled Values – Valores Amostrados. Para serem utilizados nas conversões das medições analógicas. Tempos de transmissão necessitam ser da ordem de micro segundos, pois envolvem a digitalização da sinais, nas freqüências de 60 HZ, de transmissão da energia elétrica, e também das Oscilografias, que necessitam analisar muitas harmônicas superiores da onda de 60 HZ. O Frame SV roda sobre a 2ª Camada OSI de Rede (Camada de Enlace/Ethernet) para conseguir os requisitos de tempo e possuir alta velocidade. A mensagem SV é multicast e trabalha com Priority Tag e V-LAN. Vale ressaltar que nos pacotes SMV não há repetições de envio, diferentemente do GOOSE. http://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/article/57-artigos-e-materias/611-iec-61850-9-2-avaliacao-e-testes-de-um-barramento-de-processos.html IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

GOOSE Mapeada diretamente na camada de enlace Requisitos Rígidos de Tempo: Mensagens rápidas (trips) - 3ms Comandos, mensagens simples - (20ms) Mapeada diretamente na camada de enlace Trafegam apenas dentro da LAN Possuem apenas endereços MAC Não possuem IP é não são roteáveis. TRIP- Sinal de natureza elétrica enviada por uma função de proteção a um disjuntor de alta tensão para promover sua abertura IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

GOOSE Mensagens espontâneas - Publisher/Subscriber - Multicast Publicador / Assinante. Um IED ( Relé de Proteção ), é definido como publicador e todos os outros IEDs, que necessitam das informações geradas por êle, são configurados como Assinantes. Assim, num único ciclo de comunicação na Rede, todos os Assinantes são atualizados, permitindo atingir os requisitos de tempo de 4 milisegundos. Para assegurar a certeza do recebimento no destino,a mesma mensagem GOOSE é repetida várias vezes, dispensando a necessidade de reconhecimentos ( acknowledge ), contribuindo também para velocidade. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Mapeada diretamente na camada de enlace Sampled Values(SV) Requisitos Rígidos de Tempo: Valores Amostrados - 3ms Mapeada diretamente na camada de enlace Transmissão de Valores Amostrados – conceito de Merging Unit (ainda sendo disponibilizado comercialmente pelos fabricantes) Valores Amostrados. Para serem utilizados nas conversões das medições analógicas. Tempos de transmissão necessitam ser da ordem de micro segundos, pois envolvem a digitalização da sinais, nas freqüências de 60 HZ, de transmissão da energia elétrica, e também das Oscilografias, que necessitam analisar muitas harmônicas superiores da onda de 60 HZ. Resumo dos Valores Amostrados - Amostras de valoresde TP e TC sobre Ethernet – Sampled Values. Publicador / Assinante, Proteção – 80 amostras/ciclo em 80 mensagens/ciclo. Cada Frame Ethernet tem uma amostra de tensão (V) e Corrente (I). Registrador Gráfico – 256 amostras/ciclo são enviadas em grupos de 8 amostras por Frame Ethernet, enviados 32 vezes/s. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

MMS Baixa velocidade Restrição temporal menos crítica Mensagens de Supervisão e Controle Média velocidade (100ms) Informações de Estado e Valores de Medidas Baixa velocidade Alterações de configurações ou Parâmetros (500ms) Transmissão de registro de eventos(500ms) Comandos da estação HMI (500ms) Arquivos grandes (≥1000ms) IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

MMS Arquitetura Cliente-Servidor IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos mecanismos de comunicação- Pilha de Protocolos SV GOOSE Time Sync (SNTP) MMS Protocol Suite Demais camadas Acesso a rede, internet transporte Camada 2 - Enlace IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos mecanismos de comunicação- Pilha de Protocolos SV GOOSE Time Sync (SNTP) MMS Protocol Suite Acesso a rede, internet transporte Transporte Rede Enlace IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos mecanismos de comunicação Tipos de mensagens suportadas pela norma IEC 61850 Tipo Classe Exemplos Tipo de mensagens e limites temporais 1A 1B Mensagens Rápidas - trip Mensagens rápidas -outras Trips Comandos, Mensagens Simples GOOSE (3ms e 10ms) GOOSE (20ms e 100ms) 2 Média Velocidade Valores de Medidas MMS (100ms) 3 Baixa velocidade Parâmetros MMS (500ms) 4 Rajada de Dados -Raw (dados brutos) Saída de dados dos instrumentos (transformadores) SV (3ms e 10ms) 5 Transferência de arquivos Arquivos grandes MMS (≥1000ms) 6A 6B Sincronização de tempo a Sincronização de tempo b Sinc. tempo (station bus) Sinc. tempo (Process bus) Time Sync (+/- 1 ms) ¹ Time Sync (entre +/- 4 µs e 1 µs e +/- 25 µs) 7 Mensagens de comandos Comandos da estação HMI limites temporais de 3ms (classe P2/3) e 10ms (classe P1); ¹ desvio temporal IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos mecanismos de comunicação Requisitos de Telecomunicações Tempo a partir do momento em que o IED editor (PD) coloca o conteúdo dos dados no topo de sua pilha de transmissão até que a mensagem é enviada à rede. • tb – Tempo de rede local da subestação • tc – O tempo a partir do momento que o IED assinante (PD[m]) obtém a mensagem da rede até o momento que extrai os dados da sua pilha de transmissão IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

IEC 61850 O que esse modelo de Informação propõe? Modelagem dos dispositivos de automação da subestação Orientação a objetos Modelagem dos mecanismos de comunicação Troca de mensagens Linguagem de configuração padronizada (SCL) Acertar animação IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Linguagem de configuração Padronizada - SCL Linguagem de Configuração de Subestação(Substation Configuration Language – SCL) Linguagem de configuração Padronizada Orientada a objetos Baseada em XML (eXtensible Markup Language - XML) Simples e Flexível IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Linguagem de configuração Padronizada - Arquivos de Configuração Funcionalidades e capacidade do IED - arquivo ICD (IED Capability Description) Especificação da subestação - arquivo SSD (Substation Specification Description) ICD+SSD= arquivo SCD (System Configuration Description). O arquivo de cada IED, depois de configurado para um projeto específico, passa a ser denominado arquivo CID (Configured IED Description) daquele IED. as diversas possibilidades e funcionalidades disponíveis em um determinado IED são representadas nesta linguagem através do arquivo ICD (IED Capability Description), fornecido pelo fabricante. A especificação do SAS, transcrita em linguagem SCL, constitui o arquivo SSD (Substation Specification Description). Este arquivo, juntamente com os arquivos ICD dos diversos IEDs, configurados, através do emprego de uma ferramenta de engenharia adequada, de modo a atender aos requisitos especificados, dá origem ao arquivo SCD (System Configuration Description). Adicionalmente, o arquivo de cada IED, depois de configurado para um projeto específico, passa a ser denominado arquivo CID (Configured IED Description) daquele IED. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

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Consequências Modelagem dos dispositivos de automação da subestação Modelagem dos mecanismos de comunicação Linguagem de configuração padronizada (SCL) IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Linguagem de configuração Padronizada - SCL Consequência: Dispositivos não necessitam de configuração manual exceto em casos específicos Redução de Custos! Redução de erros Humanos! Simplicidade e Flexibilidade! Os custos de configuração e de comissionamento dos dispositivos são reduzidos drasticamente pelo fato dos dispositivos que utilizam a IEC 61850 não precisarem de tanta configuração manual quanto os dispositivos que utilizam outros protocolos, o que reduz erros. Este benefício somente foi possível devido à implementação da SCL 17/10/2013

Modelagem dos mecanismos de comunicação Consequência: Comunicação Digital, mais confiável e rápida. Simplicidade Informação Disponível quando necessário IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação Consequência: Substituição dos cabos de cobre (cabos de controle) por uma rede de Fibras Óticas Algumas fibras no lugar de uma quantidade imensa de cabos Redução de Custos! IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Modelagem dos Dispositivos de Automação da subestação Consequência: Painéis de controle automatizados Redução de Custos! Os inter-travamento entre comandos, efetuado no painel convencional por fiação entre as chaves é substituído por “ circuitos lógicos e álgebra de boole”. Para se reproduzir um painel de comando com IED, é só “copiar e colar” o projeto dentro do IED. No painel convencional, toda a fiação necessita ser reproduzida. Observamos novamente um ganho importante com redução de custos. Painel de controle Convencional Painel de controle com IED IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Benefícios do IEC 61850 Redução de Custos Instalação e Construção Cablagem Com configurações, dentre outros Comunicação digital- c0nfiáveis e rápidas Simplicidade Disponibilidade de Informação Linguagem de configuração padronizada SCL – baseada em XML Modelagem de todo os sistema “À prova de Futuro”  cablagem (cabos, canaletas, dutos...) IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Conclusões IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Smart Grid Desafios – Redes & Telecom Segurança da rede de telecomunicações Controle de Redes Elétricas Medição e faturamento Gerenciamento Interoperabilidade Migração de tecnologias IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Smart Grid Desafios – Redes & Telecom Comunicação segura (segurança dos dados: disponibilidade, integridade, autenticidade, confidencialidade, ...) Comunicação confiável Confiabilidade da rede Falhas : Previsão, detecção, recuperação, resiliência, outros aspectos Rede: Dinamicidade da rede (flexibilidade visando novos circuitos ou novas configurações) Volume de dados Requisitos de tempo Garantias de atraso Padronização Regulação e aspectos econômicos IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Conclusão Smart grids Grande desafio Inúmeras áreas de pesquisa Interação entre diversas áreas do conhecimento Engenharia elétrica Engenharia de telecomunicações Ciência da computação Eficiência, escalabilidade, previsibilidade, etc. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Conclusão Principais temas de pesquisa Infraestrutura de comunicação para medição e monitoramento Infraestrutura de comunicação para dar suporte ao roteamento energético Redes de controle e supervisão Interoperabilidade Requisitos de tempo real Integração de sistemas Comunicação dentro de subestações Comunicação entre subestações Integração dos clientes IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Conclusão Casas inteligentes Novas aplicações Redes domésticas Confiabilidade/confiança de dados Privacidade e segurança Técnicas de virtualização para controle e supervisão Redes compartilhadas entre operadoras Confiabilidade e reputação Segurança Controle de acesso IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Conclusão Autonomia Detecção automática Auto-recuperação Ilhamento eficiente Gerenciamento de fontes energéticas Analogia entre temas de telecomunicações e sistemas elétricos Roteamento Balanceamento de carga Gerência de redes Sistemas distribuídos Etc. IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Conclusão IEC 61850 Novo modelo de informação Suporte para sistemas com alta complexidade de gerenciamento Sistema elétrico está em processo revolucionário Alta integração dos sistemas Aumento da complexidade da rede Aumento da demanda por banda na rede Aumento do número de entidades atuando na rede IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Conclusão Oportunidades de pesquisa Aplicação da norma para fora da subestação Mapeamento dos protocolos existentes de acordo com a estrutura da norma Integração de veículos elétricos, medidores inteligentes e casas inteligentes Evolução da norma Novos mecanismos Integração com inovações na área de rede IEEE Smart Grid Workshop 17/10/2013

Obrigada! natalia@midiacom.uff.br yona@gteccom.uff.br 17/10/2013