Sistema de Gerenciamento Pessoal do Consumo de Energia Elétrica Tiago Barbosa Melo1, Joari Santiago Lima Filho2, Dr. Pedro Klécius Farias Cardoso 3 SISCOME – Sistemas de controle e medição de energia IFCE - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará 1 2 [email protected], [email protected] ,[email protected] Resumo Este trabalho tem como objetivo apresentar o sistema de Gerenciamento Pessoal do Consumo de Energia elétrica (GPCE). Esse sistema é capaz de ler as informações de consumo de energia elétrica dos medidores das uma unidade consumidora em tempo real, manipulando-as de forma a permitir o gerenciamento e controle desse consumo. O conceito de redes inteligentes e gerenciamento pessoal de energia tendem a serem largamente aceitos pela indústria, pelo comércio e pelo público residencial devido a sua dinamicidade. Utilizando-se da informática, o usuário tem a capacidade de gerir suas informações de forma clara e simples, obtendo um maior detalhamento de consumo de energia que não são possibilitados pelo sistema de medição atualmente utilizado pelas concessionárias. Isso é feito utilizando-se dispositivos eletrônicos, como Smartphones, para comunicação com o medidor de energia e de um servidor para recepção e tratamento dos dados via internet. Foram desenvolvidos dois softwares: um software para Smartphone responsável pela conexão e coleta dos dados do medidor de energia e outro para desktop que recebe, manipula e exibe os dados enviados pelo Smartphone. Palavras-chave — telemetria, medição de energia, Smart Grid, computação móvel, redes móveis. 1. INTRODUÇÃO Os processos de geração, transmissão e medição de energia, durante muito tempo, sofreram poucas mudanças desde que foram concebidos, até alguns anos atrás. Como conseqüência disso, ainda hoje, é possível ressaltar características defasadas em relação a: qualidade de energia, precisão de consumo, tolerância a falhas, dentre outros tópicos [1]. Atualmente alguns métodos são utilizados para medição de energia elétrica. O método mais antigo é o processo manual onde um funcionário contratado, ou terceirizado, de uma concessionária de energia elétrica, realiza uma visita mensal aos clientes de forma a obter o valor do consumo exibido pelo medidor. Após isto, a conta de energia é impressa e enviada ao domicílio. Para medidores digitais, o funcionário que realiza a visita mensal à unidade consumidora a forma de leitura do consumo pode fazer uma conexão cabeada serial a uma interface física ótico-magnética embutida no medidor. Com isso, a informação é recebida por um dispositivo de armazenamento e a conta de energia é impressa e enviada ao domicílio. A leitura também pode ser feita através de uma interface de comunicação serial RS-232 conectada a um computador do tipo notebook. Em vista disso, muitos países, inclusive o Brasil, adotaram políticas para a otimização e a automação da medição e leitura do consumo de energia elétrica. Surgiu assim, o conceito de smartgrid, ou rede inteligente. Uma das características do smartgrid é o termo “empoderamento” (do inglês empowerment), que significa dar poder ao usuário. Especificamente em telemetria, esse poder está diretamente relacionado à gerência, à tomada de decisões e ao controle do seu consumo de energia. No país, apenas clientes coorporativos, ou instituições de grande porte, usufruem desses benefícios. Neste contexto que o presente trabalho apresenta um projeto proposto para aplicar as características do “empoderamento” para medição de energia a fim de beneficiar os clientes consumidores de energia. O sistema de Gerenciamento Pessoal do Consumo de Energia Elétrica (GPCE) é um conjunto de recursos tecnológicos que servem de auxilio para a gerência do consumo de energia, permitindo que o usuário possa poderá obter informações sobre, tarifa cobrada, histórico de consumo e controle de metas. Foram desenvolvidos dois softwares que constituem o sistema: um software para dispositivos móveis e o outro para desktops. Este projeto está sendo desenvolvido como parte do programa de bolsa de iniciação cientifica do CNPQ. Este artigo está definido da seguinte forma: uma introdução na parte 1, uma apresentação de novas tecnologias em medição de energia na parte 2, apresentação do sistema proposto na parte 3, exibição dos resultados obtidos na parte 4, conclusão e proposta de trabalhos futuros na parte 5 e as referências são citadas na parte 6. 2. SMART GRID Smart Grid, ou uma possível tradução para o termo “medição inteligente”, deve ser entendida mais como um conceito do que uma tecnologia ou equipamento específico. Ela carrega a idéia da utilização intensiva de tecnologia de informação e comunicação na rede elétrica, através da possibilidade de comunicação do estado dos diversos componentes da rede, o que permitirá a implantação de estratégias de controle e otimização da rede de forma muito mais eficiente que as atualmente em uso[1]. Uma tentativa abrangente de definição do conceito, apresentada em [2], é: “A expressão Smart Grid pode ser entendida como a sobreposição dos sistemas unificados de comunicação e controle, à infra-estrutura de energia elétrica existente, para prover a informação correta para a entidade correta (equipamentos de uso final, sistemas de controle de T&D, consumidores, etc.), no instante correto, para tomar a decisão correta. É um sistema que otimiza o suprimento de energia, minimizando perdas de várias naturezas, é auto-recuperável (self-healing), e possibilita o surgimento de uma nova geração de aplicações energeticamente eficientes.” Algumas das características geralmente atribuídas à Smart Grid são [3][4]: • Auto-recuperação: capacidade de automaticamente detectar, analisar, responder e restaurar falhas na rede; • Empoderamento do Consumidor: habilidade de incluir os equipamentos e comportamento dos consumidores nos processos de planejamento e operação da rede; • Tolerância a Ataques Externos: capacidade de mitigar e resistir a ataques físicos e ciber-ataques; • Qualidade de Energia: prover energia com a qualidade exigida pela sociedade digital; • Acomodar uma grande variedade de fontes e demandas: capacidade de integrar de forma transparente (plug and play) uma variedade de fontes de energia de várias dimensões e tecnologia; • Reduzir o impacto ambiental do sistema produtor de eletricidade: reduzindo perdas e utilizando fontes de baixo impacto ambiental; • Viabilizar e beneficiar-se de mercados competitivos de energia: favorecer o mercado varejista e a microgeração. Essas características poderão ser alcançadas através da introdução das seguintes áreas de inovação tecnológica [3]: • Automação e controle digital da rede elétrica, utilizando controles eletrônicos inteligentes, capazes de antecipar-se a perturbações e corrigi-las antes que as mesmas ocorram; • Introdução de medição inteligente com a capacidade de funcionar como um portal inteligente do consumidor que permitirá a disponibilização de sinais de preço e outras informações; • Integração de um grande número de fontes de geração e armazenamento de energia de pequena e média capacidade, intermitentes ou contínuas, permitindo ao consumidor comprar e vender energia da rede. Conforme abordado acima, o empoderamento do Consumidor será possível, tornando consumidor um agente ativo no processo de medição de energia, visto que este terá ferramentas a sua disposição uma gama completa de soluções, com alto nível de confiabilidade, para a aferição de dados como consumo de energia elétrica, tarifa, histórico de consumo, informações sobre horários de pico, dentre outras informações relevantes. Os medidores digitais de energia elétrica viabilizam em parte o empoderamento do consumidor, porém questões como interface amigável, praticidade e disposição física podem ser fatores decisivos na atuação do consumidor como agente ativo no processo de distribuição de energia elétrica. Procurando suprir tais carências, este projeto consta no desenvolvimento de um software a ser executado em smartphones e PDA’s que realize conexões com medidores digitais de energia elétrica, de modo a realizar aferições em tempo real sobre consumo, bem com armazenando tais informações para consultas futuras por parte do usuário. 3. SISTEMA DE GERENCIAMENTO PESSOAL DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA O sistema de Gerenciamento Pessoal do Consumo de Energia Elétrica (GPCE) é um conjunto de recursos tecnológicos. Estes recursos irão servir de auxilio para a gerência do consumo de energia. Desta forma o usuário poderá obter informações sobre, tarifa cobrada, histórico de consumo e controle de metas. A funcionalidade básica deste sistema de gerência consiste em se utilizar dispositivos móveis, dotados de tecnologias de comunicação sem fio, para estabelecer conexão com medidores digitais. Esta conexão irá coletar informações do consumo aferidas por esse medidor. Em seguida os dados coletados são enviados para um servidor remoto na Internet. O servidor ao receber estes dados irá armazená-los em um banco de dados que, posteriormente, possibilitará a análise mais refinada do consumo de energia elétrica por parte dos clientes. Conforme explicado em item anterior deste artigo, o Gerenciador Pessoal do Consumo Elétrica Pessoal é uma ferramenta que se encaixa no conceito de empowerment(“empoderamento”), dentre os conceitos definidos na Smart Grid. Este projeto consiste no desenvolvimento de um software, a ser executado em Celulares, smartphones e Pda’s, com o intuito de servir de ferramenta de controle, análise e gerência do consumo residencial de energia elétrica para os clientes das concessionárias que estão habilitadas a fornecer tal serviço. Figura 1 – Arquitetura do Sistema Conforme mostrado na Figura 1, este projeto é subdividido em dois softwares, que são: • Coletor de dados móvel: é um software, a ser executado em dispositivos móveis (como Celulares, Smartphone s e Pda’s) que estabelece conexão sem fio com medidor digital. Nesta conexão o medidor de energia envia informações ao dispositivo móvel. Desta forma, o software do dispositivo móvel exibe o consumo de forma instantânea e em forma de histórico. Há também a funcionalidade de controle de meta. Assim o usuário estabelece uma tarifa a ser alcançada em um período de tempo e o sistema informa o cumprimento desta. • Servidor pessoal de gerenciamento do consumo de energia elétrica: é um software a ser executado em computadores pessoais ou servidores. A função do sistema de gerenciamento é armazenar e manipular os dados recebidos pelo dispositivo móvel, manipular informação de consumo e exibir gráficos intuitivos para o cliente. Além disso, é de suma importância fornecer um grau de detalhamento que permita ao usuário conhecer e gerenciar seu consumo diariamente, mensalmente ou mesmo anualmente. 4. RESULTADOS ALCANÇADOS Inicialmente serão mostrados os resultados obtidos da conexão estabelecida entre o Smartphone e o medidor digital. Em seguida, serão exibidos os resultados alcançados no processo de transmissão de dados do Smartphone para o servidor. Com esses dados, será possível observar os gráficos de consumo. 4.1. Coletor de dados móvel Figura 2 – Interface gráfica principal do software executado no smatphone 4.1.1 Desenvolvimento Para o desenvolvimento deste projeto é requerido ferramentas de desenvolvimento de software para dispositivos móveis dotados de comunicação sem fio, juntamente com um dispositivo móvel e um medidor de energia elétrica digital que possua tecnologia Bluetooth embutida neste. Em vista disso Gerenciador de Energia Elétrica Pessoal é um projeto de software que está sendo desenvolvido em linguagem de programação C/C++ para SmartPhones com Sistema Operacional Palm OS 5.0, ou versões superiores, e o dispositivo de teste utilizado é o Treo 650 do fabricante Cingular. Para o seu desenvolvimento foi utilizado a IDE (Ambiente de Desenvolvimento Integrado, do inglês) CodeWarrior versão 5.0 em conjunto com as API’s fornecidas pelo fabricante para seus desenvolvedores. O medidor de energia elétrica utilizado para o desenvolvimento deste projeto é o E34A do fabricante Landis+Gyr. Outra ferramenta utilizada no auxilio a testes de transmissão de dados via comunicação serial foi o software para computadores Desktop DockLight. 4.1.2 Comunicação sem fio utilizada entre o SmartPhone e o medidor de energia Para a elaboração deste projeto, a tecnologia de comunicação sem fio utilizada foi a Bluetooth, em virtude de esta estar se tornando mais popular nos dispositivos móveis fabricados ultimamente, inclusive presente em alguns medidores digitais de energia elétrica, conforme citado nesta bibliografia. A conexão Bluetooth é estabelecida conforme mostrado na modelagem deste projeto. O software, inicialmente realiza uma busca por dispositivos Bluetooth que estejam nas proximidades do SmartPhone e exibe uma lista dos dispositivos encontrados. O usuário então seleciona o medidor de energia listado e a conexão é estabelecida. 4.1.3 Obtenção do consumo de energia elétrica Para obter os dados de consumo, a ABNT, em seu documento NBR 14522, especifica o “comando estendido com resposta simples”, ou simplesmente comando 98, que consta de um conjunto de bytes pré-definidos a ser enviado do leitor do medidor, no caso o SmartPhone, para o medidor de energia. O medidor de energia ao receber corretamente o comando 98 envia a resposta deste comando para o SmartPhone. Na resposta para este comando estão contidos os dados de consumo utilizados neste trabalho, além de outras informações especificadas no documento. Neste projeto, o consumo de energia elétrica é exibido na tela do SmartPhone em três unidades: Watt-Hora, potencia ativa e reativa. Além do consumo, o software também exibe a data da última medição e da tarifa correspondente desde a última medição. A figura a seguir mostra a tela de exibição de tais parâmetros: 4.1.4. Armazenamento de informações sobre histórico das medições no SmartPhone Os valores de consumo lidos durante uma medição via SmartPhone podem ser armazenados no dispositivo, de forma que o usuário com posse de tais informações possa obter levantamentos estatísticos acerca de seu consumo mensal, bem como a tarifa cobrada por cada intervalo de tempo, possibilitando a este estabelecer um maior controle sobre seu consumo e orçamento residencial. A cada vez que o SmartPhone realiza uma gravação em seus registros, ele armazena os dados de consumo nas unidades descritas na figura anterior, e uma estrutura de data, que é armazenada utilizando o formato ssmm-hh-dd-mm-aaaa (segundo, minuto, hora, dia, mês e ano) a cada vez que é gravado um novo registro. Após estes dados serem gravados e armazenados na memória interna do dispositivo móvel, desenvolveu-se rotinas de software para manipulação de tais informações como intuito de informar estatísticas de consumo mensal e diário. 4.1.5. Estatísticas de consumo Para o Gerenciador de energia elétrica pessoal rotinas de software foram implementadas com a funcionalidade de informar as estatísticas de consumo e tarifação mensal, assim como as estatísticas de consumo diário. As figuras a seguir mostram as telas relativas à estatística de consumo mensal implementadas no projeto: Figura 3 – Estatísticas gerais Figura 4 - Gráfico mensal 4.1.6. Transmissão de dados de consumo para um servidor remoto De forma a poder realizar uma análise da conexão do SmartPhone com a rede neste projeto, rotinas foram implementadas de forma a realizar a conexão do SmartPhone via rede GPRS com um Notebook. Nesta conexão, dados foram enviados para uma aplicação, com a funcionalidade de um servidor, que irá ler os arquivos sobre o consumo de energia elétrica enviados pelo SmartPhone e gerar um banco de dados para realizar análises estatísticas das informações obtidas, via conexão GPRS, da medição aferida pelo SmartPhone na comunicação com o medidor de energia elétrica. 4.2. Servidor pessoal de gerenciamento do consumo de energia elétrica Esse software foi desenvolvido utilizando-se a linguagem de programação Java para funcionar em desktops com o sistema operacional Windows. Ele é responsável pela recepção e exibição de dados de consumo aferidos por um medidor digital. É possível defini-lo em quatro funcionalidades básicas: recepção de dados, armazenamento de dados, interface de utilização com usuário e geração de gráficos 4.2.1. Recepção do dados Os dados aferidos por um medidor são enviados de um dispositivo móvel para o servidor pessoal. A comunicação entre um dispositivo móvel e o servidor é feita através da Internet. Assim sendo, a recepção de dados foi feita a partir de sockets que é a tecnologia utilizada para a comunicação entre dispositivos na Internet. Essa tecnologia constitui-se de mensagens enviadas digitalmente e que podem representar texto, áudio e vídeo. Em seguida definiu-se um protocolo de codificação para que o servidor entendesse o que cada campo da mensagem recebida significava. A mensagem recebida do Smartphone é constituída de oito campos: número de série do medidor, hora, dia, mês, ano, quantidade de quilowatts-hora, potência reativa indutiva, potência reativa capacitiva, conforme a Tabela 1. A mensagem que contém esses dados possui como característica a separação de cada campo com o caractere hífen (“-”) para que os dados sejam distinguidos. Tabela 1 INFORMAÇÕES ENVIADAS AO SERVIDOR PESSOAL Variável Descrição medidorID Hora Dia Mês Ano Wh Número de série do medidor Hora em que a Medição foi feita Dia em que a Medição foi feita Mês em que a Medição foi feita Ano em que a Medição foi feita Quantidade de Wh no momento da Medição Potência Reativa Indutiva Potência Reativa Capacitiva VArhI VArhC 4.2.2 Armazenamento dos dados Após a mensagem ter sido recebida, é necessário tratar essa informação para que seja acessada de forma rápida e inteligente. Com esse objetivo, utilizou-se o banco de dados MySQL como ferramenta. Apesar das vantagens de se utilizar banco de dados é necessário manipular a informação para que ela seja incluída e acessada corretamente. Sendo assim, uma função desse software é realizar as mediações com o banco de dados. Ao se executar o software é exibido, próximo ao relógio do Windows, um novo ícone, como se pode observar na Figura 5. Ele tem como função informar ao usuário quando uma nova mensagem foi recebida e gravada no banco de dados. data da medição e o tipo do gráfico a ser gerado. A seguir a descrição dos campos presentes na interface. • O campo Medidor informa de qual medidor será analisado o consumo. • No campo Amostragem, para gerar os gráficos é preciso determinar como os dados serão exibidos. O cliente tem a opção de exibir gráficos que mostram o consumo diariamente, mensalmente ou anualmente. • Com o campo Consumo é possível definir a unidade que será utilizada. A unidade padrão utilizada pelas concessionárias é o kWh (quilowatt-hora), mas é possível que o usuário saiba o quanto gastou em Reais. • No campo Tarifa é definido o valor da tarifa paga, em reais, pelo consumo de um quilowatt-hora fornecido pela concessionária de energia. • Como a amostragem dos dados é feita diariamente, mensalmente ou anualmente, é necessário informar uma data no campo Data para exibir o gráfico daquele período de tempo específico. • O cálculo dos quilowatts-hora gastos é feito de duas formas e depende de como a medição é feita pelo usuário. - Por Hora: quando o usuário faz mais de uma medição diariamente; - Por Período: quando o usuário faz apenas uma medição diariamente. • No campo Meta define-se uma meta de consumo. Ao se gerar o gráfico, com a opção de meta selecionada, será possível observar se sua meta está sendo cumprida ou não. 4.2.4. Geração de gráficos Quando o servidor pessoal tem posse de algumas medições, é possível gerar gráficos. Esses gráficos são gerados a partir das informações que já foram recebidas anteriormente. Para a geração dos gráficos usou-se o Framework JFreeChart que possibilita a criação de gráficos de forma simplificada utilizando a linguagem de programação Java. 4.2.4.1. Tipos de gráficos Figura 5 – informando que nova mensagem foi recebida e armazenada 4.2.3. Interface de utilização Para que muitos usuários pudessem utilizar o software de forma simples, foi desenvolvida uma interface gráfica. Essa interface contém os elementos necessários para que qualquer usuário possa gerar os gráficos de consumo rapidamente. 4.2.3.1. Elementos da interface Para que o usuário possa gerar gráficos, é necessário que ele selecione algumas informações referentes ao medidor, à Os gráficos gerados podem ser anuais, mensais ou diários. Além disso, eles podem ser em Reais e ou em KWh. As Figuras 6, 7 e 8 apresentam a interface gráfica e alguns tipos de gráficos gerados pela aplicação. 4.2.4.2. Metas O usuário pode definir uma meta para ser seguida, por exemplo, mensalmente. Supondo que planeja gastar no máximo 100 quilowatts-hora no mês, então ele define esse valor no campo meta. O gráfico de consumo exibirá se o cliente está conseguindo manter-se abaixo do gráfico da meta. Essa ferramenta não ajudará a economizar, apenas mostrará se o usuário está conseguindo, de fato, reduzir os gastos com eletricidade. 5. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS Esse projeto contribuir com o desenvolvimento de novas ferramentas utilizadas em telemetria e também visa gerar uma evolução na forma da medição de energia elétrica. Trata da forma como o cliente consumidor de energia interage com o seu próprio consumo, visto que este terá uma grande ferramenta de auxilio. Das várias possibilidades e utilizações, fazer análises constantemente e verificar se não há nenhuma irregularidade no seu consumo normal de energia elétrica, é o foco principal. Figura 6 – Interface gráfica A fim de aprimorar este projeto e dar continuidade à pesquisa, são necessários os seguintes trabalhos futuros: • Confiabilidade da transmissão: é necessário se estabelecer uma confiabilidade na transmissão de dados, para situações onde a rede móvel esteja indisponível e o dado não possa ser enviado ao servidor. • Migração da linguagem utilizada para linguagem mais portável: este passo será dado com o intuito de tornar o software o mais independente de plataforma possível, possibilitando assim que vários usuários com diversos celulares/Smartphones dos mais diversos fabricantes possam fazer uso deste projeto, com nenhuma, ou pouquíssima, modificação no software. • Desenvolvimento de rotinas de configuração de perfil de usuário: este passo será realizado com o intuito de obter do usuário informações que sofrem variação de usuário para usuário e cidade para cidade. REFERÊNCIAS [1] Figura 7 – Gráfico de consumo anual em reais [2] [3] [4] [5] Figura 8 – Gráfico de Consumo diário com meta estabelecida Djalma M. FalcãoSMART GRIDS E MICROREDES: O FUTURO JÁ É PRESENTE. In: VIII Simpósio de automação e sistemas elétricos.Rio de Janeiro Brasil. 2009. The Green Grid: Energy Savings and Carbon Emissions Reductions Enabled by a Smart Grid, EPRI Technical Update Report 1016905, June 2008. R. Galvin and K. Yeager, Perfect Power: How the Microgrid Revolution Will Unleash Cleaner, Greener, and More Abundant Energy, New York: McGraw-Hill, 2009. Strategic Deployment Document for Europe’s Electricity Network of the Future. Disponível em <http://www.smartgrids.eu/>. Acesso em, Maio 2008. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14522: Intercâmbio de informações para sistemas de medição de energia elétrica Padronização. Maio, 2000.