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Desenvolvimento de uma plataforma de monitoramento em tempo de real
do consumo de energia elétrica
Title
Registration Nº: (Abstract)
¹Softplan, ²IFSC
Softplan – Rod. José Carlos Daux 10 ParqTec Alfa, João Paulo – Florianópolis/SC – Brasil CEP 88030-000
IFSC – Instituto Federal de Santa Catarina – Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
Av. Mauro Ramos 950, Centro -– Florianópolis/SC – Brasil CEP 88020-300
Authors of the paper
Name
Country
e-mail
Paulo Leonardo Vieira Rodrigues¹
Brasil
[email protected]
Jaicimara Weber²
Brasil
[email protected]
Rafael Nilson Rodrigues²
Brasil
[email protected]
Key words
Sistemas Elétricos de Potência, Smart Grids, Monitoramento de Energia Elétrica
RESUMO
A energia elétrica está presente numa gama muito ampla e variada de processos, e para o seu
bom aproveitamento, é imprescindível que seu consumo seja monitorado. Os conceitos e
vantagens que Redes Elétricas Inteligentes, em inglês Smart Grids trazem tornam relevante
medições mais detalhadas e de monitoramento da energia elétrica. Na ótica dos
consumidores, não há um número significativo de sistemas destinados a realizar este
monitoramento do consumo de energia de maneira simples e de baixo custo. Este trabalho
propõe o desenvolvimento de uma plataforma de baixo custo para o monitoramento de
consumo da energia elétrica em tempo real, utilizando comunicação com medidores
eletrônicos de energia das concessionárias de distribuição. Especificamente, busca-se o
desenvolvimento de um protótipo eletrônico-computacional baseado em plataforma Arduino e
microcontroladores ATmega328, no padrão de comunicação de dados ABNT NBR 14522 e em
softwares livres de programação.
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1. INTRODUÇÃO
O elevado consumo de energia elétrica tem
levado a necessidade de otimização dos
recursos naturais e de conscientização por
parte dos consumidores. Os sistemas
elétricos de potência têm avanço nos
conceitos de Redes Elétricas Inteligentes,
em inglês Smart Grids (SG), os quais
visam, entre outros objetivos, o uso mais
otimizado dos recursos energéticos, maior
nível de detalhamento em medições e
controle do sistema e a participação mais
intensa pelos consumidores.
Este novo paradigma acarreta um número
significativo de desafios tecnológicos a
serem vencidos [1,2], entre os quais
dispositivos simples e de baixo custo que
permitam aos consumidores acompanharem
com precisão o seu consumo, a qualidade
da energia entregue pelo sistema de
distribuição e tomar decisões quanto a
economia de energia elétrica
O acompanhamento do consumo de energia
elétrica pelo consumidor pode ser realizado
pela aquisição de dados dos medidores de
energia elétrica. Os medidores eletrônicos
atuais
fornecem
dados
para
a
concessionária de distribuição de energia e,
também, possuem uma Saída de Usuário
(SU) através da qual o consumidor pode
obter instantaneamente informações sobre
algumas grandezas elétricas relacionadas ao
consumo de energia. Particularmente ao
Brasil, para consumidores do Grupo A e
Grupo B as concessionárias de energia
utilizam significante o Medidor Eletrônico
de Energia ELO 2113 [3].
A SU disponibiliza informações das
medições de energia de maneira assíncrona
via protocolos de comunicação definidos
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pela NBR 14522 [4], norma brasileira para
intercâmbio de informações para sistemas
de energia elétrica.
O foco deste trabalho consiste no
desenvolvimento de uma plataforma
eletrônico-computacional de interface,
armazenamento remoto de dados e
monitoramento de energia elétrica, baseada
em medidores eletrônicos de energia
elétrica ELO 2113, microcontroladores da
família ATmega328 [5], em protocolo de
comunicação para medidores eletrônicos
NBR 14522 e um ambiente computacional
para monitoramento
A seguir, são abordados medidores
eletrônicos
de
energia
e
os
microcontroladores
utilizados
neste
trabalho. Posteriormente, o trabalho
apresenta o desenvolvimento do protótipo
eletrônico-computacional. Por último, as
conclusões e trabalhos futuros.
2. MEDIDOR ELETRÔNICO
ENERGIA ELO 2113
DE
As concessionárias de distribuição de
energia elétrica utilizam medidores
eletrônicos para medir o consumo de
energia em consumidores de Grupo A e,
mais recentemente regulamentado pela
Agência Nacional de Energia Elétrica
(ANEEL) [6], também o Grupo B.
Medidores eletrônicos são baseados em
transdutores de tensão e corrente elétricas.
O funcionamento consiste em registrar
grandezas
elétricas
pertinentes
ao
faturamento da energia. Os medidores
eletrônicos mais recentemente, inseridos no
ambiente de SG, proporcionam benefícios
aos consumidores, como a possibilidade de
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difundir a microgeração e minigeração e de
obter informações instantâneas de seu
consumo de energia. A Figura 1 apresenta
uma vista frontal do modelo ELO 2113
utilizado neste trabalho.
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Tabela 1. Características de transmissão ELO2113 SU-GI. Fonte:
ELO Sistemas Eletrônicos (2005)
Velocidade
600 Baud (+- 3%)
Tipo
Assincrono
Modo
Monodirecional
Caractere
1 start bit, 8 bits de dados, 1 stop bit
Tamanho do bloco
53 bytes
Tempo entre blocos
1 segundo cheio
Tabela 2. Formato dos blocos de dados ELO2113 SU-GI. Fonte:
ELO Sistemas Eletrônicos (2005)
Figura 1. Vista frontal do modelo ELO 2113. Fonte: ELO Sistemas
Eletrônicos (2005)
A SU do medidor de energia ELO 2113
envia um conjunto de dados de acordo com
a NBR 14522, que define o padrão de
intercâmbio de informações no sistema de
medição de energia elétrica.
A SU funciona de maneira assíncrona e
monodirecional, ou seja, o medidor enviar
pacotes de dados independentemente do
equipamento receptor dos dados. Os
pacotes são enviados com formatos e
frequência definidos.
O modelo ELO 2113 possui quatro tipos de
SU [3]:
• Saída de usuário monodirecional;
• Saída de usuário estendida;
• Saída de usuário grandezas instantâneas;
• Saída de usuário mista.
Este trabalho utiliza a SU do tipo
Grandezas Instantâneas (SU-GI), cujas
principais características são apresentadas
pela Tabela 1.
Posição
Formato
Descrição
1
Word8
Código do Bloco
2
Word8
Definição de Bloco
3a6
Word32
Nº de Série do Medidor
7 a10
Word32
Número de segundos desde 01/01/1980
11 a 13
Float24
Tensão Fase A
14 a 16
Float24
Tensão Fase B
17 a 19
Float24
Tensão Fase C
20 a 22
Float24
Corrente Fase A
23 a 25
Float24
Corrente Fase B
26 a 28
Float24
Corrente Fase c
29 a 31
Float24
Corrente de Neutro
32 a 34
Float24
Potência Ativa Fase A
35 a 37
Float24
Potência Ativa Fase B
38 a 40
Float24
Potência Ativa Fase C
41 a 43
Float24
Potência Reativa Fase A
44 a 46
Float24
Potência Reativa Fase B
47 a 49
Float24
Potência Reativa Fase C
50 a 51
Word16
Frequência da Rede (x100)
52 a 53
Word16
Caractere de Redundância CRC16
Observação:
Valores do caractere de Definição do Bloco:
0: Ligação estrela, grandezas primárias
1: Ligação estrela, grandezas secundárias
2: Ligação delta, grandezas primárias
3: Ligação delta, grandezas secundárias
3. MICROCONTROLADORES
PIC16F84A E ATMEGA328A
Para obter os valores das grandezas
oriundas do medidor de energia é
necessário estabelecer um canal com o
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medidor de energia. Esta interface é
baseada em microcontroladores.
Um microcontrolador é uma pastilha
inteligente, ele possui um processador,
pinos de entradas/saídas e memória. Por
meio de programação pode-se controlar
suas saídas e ler ou escrever em sua
memória.
O
que
difere
um
microcontrolador de outro são: a quantidade
de
memória,
a
velocidade
de
processamento, a quantidade de pinos de
entrada/saída, a forma de alimentação, os
tipos e as quantidades de periféricos
internos, a arquitetura e o conjunto de
instruções disponibilizadas nos circuitos
internos. [7].
O protótipo eletrônico desenvolvido neste
trabalho
é
baseado
em
dois
microcrontroladores amplamente utilizado
pela literatura. O primeiro é da Família PIC,
utilizado na captura dos dados. O segundo
microcontrolador, da família ATMEGA,
realiza a interpretação dos sinais recebidos
os envia para o computador.
O
microcontrolador
PIC16F84
é
amplamente utilizado na literatura por
conter poucos periféricos e programação
simplificada. Uma outra razão de utilizar a
família PIC é que o conjunto de instruções
entre um modelo e outro não sofre
variações relevantes entre os diferentes
modelos.
Diante disto, este trabalho utiliza o
microcontrolador PIC16F628A, por ser um
pouco mais completo que o popular
PIC16F84, principalmente por possuir uma
porta de comunicação serial. Os pinos do
PIC16F628A estão dispostos conforme
ilustrado na Figura 2.
Figura 2. PIC16F628A. Fonte: MICROSHIP (2012).
O microcontrolador ATmega328A [5], é
formado pela combinação da arquitetura
Harward e estrutura RISC. Possui um
grande número de instruções, no total 131
instruções em seu microcódigo
O ATmega328A possui 3 Ports de dados
(PortB, PortC e PortD), programáveis
individualmente como entrada ou saída
permitindo a utilização de 23 I/Os. A PortB
possui 8 I/Os (terminais 9, 10 e 14 ao 19), a
PortC possui 6 I/Os (terminais 1 e 23 ao
28), e a PortD possui 8 I/Os (terminais 2 ao
6 e 11 ao 13). A tensão nominal do
ATmega328 é 5 VCC para se trabalhar com
frequência máxima (20 MHz). (ATMEL,
2012). Os pinos do O ATmega328A estão
dispostos conforme ilustrado na Figura 3.
Figura 3.
ATmega328A. Fonte: ATMEL (2012).
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4. INTERFACE DE AQUISIÇÃO DE
DADOS
A interface de aquisição
objetivo capturar e
informações provenientes
energia para transmiti-las,
ao computador.
dados tem por
interpretar as
do medidor de
posteriormente,
A primeira parte da interface consiste no
circuito de alimentação, baseado no
regulador de tensão 78L05 [8] associado a
uma fonte de alimentação comercial que
tem o papel de realizar a conversão de nível
de tensão 220V/9V. A alimentação ocorre
em 5V e uma corrente máxima de 300 mA
na saída do regular. A Figura 4 ilustra o
circuito de alimentação.
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Ainda para que estes sinais fossem
fielmente reproduzidos e os riscos de
interferência entre circuito do medidor e o
circuito de aquisição de dados sejam
minimizados, este trabalho utiliza o optoisolador 4N25 [9], o qual é responsável por
realizar uma isolação óptica entre os
circuitos. A inversão lógica necessária do
sinal é realizada por meio do CI 74LS04
[9]. O diagrama deste circuito é exibido na
Figura 5.
Figura 5. Circuito de isolação elétrica e inversão de sinal
Uma vez estabelecidos os circuitos de
alimentação, captura e inversão de sinal,
segue a etapa de tratamento dos dados
recebidos.
Figura 4. Circuitos de Alimentação
O medidor eletrônico de energia tem a
transmissão de dados através de sinais
digitais de forma serial, de acordo com o
padrão TTL. No medidor de energia ELO
2113, estes sinais possuem a seguinte
representação: 0V representa o estado
lógico “1” e 5V representa o nível lógico
“0”. Neste caso, para os fins utilizados no
protótipo computacional, é necessário
realizar a inversão deste sinal, ou seja, 0V o
nível lógico “0” e 5V o nível lógico “1”.
Inicialmente, este trabalho previa empregar
o microcontrolador ATMEGA328-P para
realizar a etapa de leitura e tratamento dos
dados devido aos recursos providos por ele
e a facilidade de operação e programação
deste. Porém na prática, verifica-se que há
dificuldades significativas em utilizar o
ATMEGA para estabelecer comunicação
serial a taxa de 600 bps, processar as
informações e enviá-las ao computador.
Está é a taxa de transmissão utilizada pelo
ELO 2113 e definida pela NBR 14522
acarreta o uso do ATMEGA em clock
extremamente baixo.
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Figura 6. Circuito de captura dos dados
Neste caso, este trabalho utiliza um
segundo
microcontrolador,
dedicado
exclusivamente à realizar a leitura a taxa
compatível com o medidor de energia e
transmitir
estes
dados
para
o
ATMEGA328-P.
O
microcontrolador
escolhido para tal tarefa foi o PIC16F628A,
na configuração padrão com cristal de
1.8432 Mhz. Este componente foi escolhido
por ser de fácil aquisição e ter valor
relativamente baixo.
A comunicação entre o ATMEGA328-P e o
computador é intermediada pelo circuito
integrado MAX232 [10]. Este CI realiza a
conversão de nível de tensão TTL para
RS232, que varia a tensão entre -10V e
+10V para representar os níveis lógicos “0”
e “1”. O circuito pode ser visualizado
através da Figura 7 e a suma do algoritmo
pode ser visto através da Figura 8.
O programa para o PIC16F628A foi
desenvolvido através da ferramenta
MPLAB XC 8, fornecida pelo fabricante do
componente, e tem o único objetivo de
capturar os dados a taxa de 110/600 bps e
transmiti-los ao ATMEGA328-P a uma
taxa de 9600 bps.
Para isto, o programa faz uso da porta serial
padrão do PIC para capturar os dados e
implementa uma segunda porta serial, que é
uma porta serial virtual com a
responsabilidade de enviar os dados ao
ATMEGA328-P. Os pinos utilizados para
essa função são os pinos 10 (RB4) e 11
(RB5). O pino 10 é usado como RX e o
pino 11 é utilizado como TX. O circuito em
questão é ilustrado na Figura 6.
Figura 7. Comunicação ATMEGA328-P – Computador
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As Figura 9 exibe o esquemático do
protótipo eletrônico da interface de
aquisição de dados. A placa em que os
componentes foram montados é de vibra de
vidro revestida por cobre. A transferência
do desenho para a placa é realizada através
de transferência térmica. Por sua vez, o
desenho é realizado com o software ARES,
a partir do esquemático desenvolvido no
ISIS. Ambos os softwares fazem parte do
pacote Proteus 7.0 [11]. O resultado pode
ser visto na Figura 10.
Figura 8. Fluxograma software ATMEGA328-P
Figura 9. Esquemático da interface de aquisição de dados
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Figura 10. Arranjo da interface de aquisição de dados e vista superior. Fonte: elaboração do autor.
5. PROTÓTIPO COMPUTACIONAL
DE MONITORAMENTO
Para possibilitar a visualização dos dados
provenientes do medidor de energia é
necessário
existir
um
programa
computacional.
A comunicação serial é feita utilizando os
próprios componentes disponibilizados pelo
Visual Studio C# [12], através da classe
SerialPort. A classe responsável por realizar
a leitura dos dados fica constantemente
monitorando a porta serial do computador,
esperando um novo byte. Cada byte
recebido é armazenado numa lista de
valores até que receba um caractere
indicando o fim da transmissão. O caractere
utilizado para isto são os códigos ASCII
#13#10. Na figura 11 pode-se visualizar o
fluxograma da leitura dos dados.
A Figura 12 ilustra a tela de monitoramento
das grandezas básicas. Os quatro grupos
superiores são destinados a exibir os dados
da tensão, correntes potências ativa e
potência reativa. Cada grandeza exibe a
medida de três fases distintas. O grupo que
está no meio da tela exibe a demanda do
sistema.
Figura 11. Fluxograma da recepção serial de dados
O grupo localizado a parte inferior da tela
exibe informações gerais, como potência
ativa e reativa consumida, demanda
acumulada, demanda máxima no intervalo e
tempo restante para o final do intervalo.
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No grupo nomeado Consumo está
localizado o gráfico que exibe a potência
consumida ao longo do tempo. Nesse grupo
são exibidas todas as potências, ativas ou
reativas. Os botões na parte superior deste
grupo adicionam algumas funcionalidades,
respectivamente, controle de visualização
por segundo/minuto, exibição dos gráficos
por fase e exibição das potências ativa ou
reativa.
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Ao fazer uso de uma ferramenta que seja
destinada ao monitoramento da energia
elétrica consumida, um gestor poderá ter
subsídios que o auxilie em tomadas
importantes de decisão, por exemplo,
quanto ao tipo de contratação de energia
elétrica, baseando-se no histórico de
horários de maior e menor consumo. Desta
forma, pode-se evitar a compra equivocada
de certa modalidade de contratação de
energia.
7. TRABALHOS FUTUROS
O projeto de desenvolvimento do sistema
de monitoramento está em uma fase
intermediária. Atualmente, a comunicação
de dados entre interface e computador
concentrador ocorre via comunicação serial
e o protótipo computacional está em uma
versão inicial.
Figura 12. Protótipo computacional de monitoramento
6. CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou uma alternativa
simples e de baixo custo para o
desenvolvimento de uma plataforma de
monitoramento do consumo de energia
elétrica, baseado em medidores eletrônicos
modelo ELO 2113.
A maioria das ferramentas utilizadas ao
longo do desenvolvimento desta plataforma
é de código aberto. Mesmo que algumas
destas não possuam código aberto, ainda
assim, são gratuitas.
Os próximos passos deste projeto consiste
na utilização de plataforma Arduino [13,14]
para a interface eletrônica, permitindo o
envio de dados via TCP/IP. Essa melhoria
permite o monitoramento remoto de cargas
cujos medidores estão a longas distâncias.
REFERÊNCIAS
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rede inteligente no Brasil, Revista O Setor Elétrico,
Edição 66, p. 48 a 58, Julho de 2011.
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smart electricity grids. CEER, julho 2011.
[3] ELO SISTEMAS ELETRÔNICOS S.A., Manual
do Medidor Eletrônico ELO 2113. Porto Alegre/RS,
2008.
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TÉCNICAS. NBR 14522: Intercâmbio de
Informações para Sistemas de Medição de Energia
Elétrica - Padronização. Rio de Janeiro, 2000.
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[5] ATMEL. Datasheet Atmega328A: 8-bit Atmel
Microcontroller with 4/8/16/32KBytes In-System
Programmable Flash. 2012 Disponível em:
<http://www.atmel.com/Images/doc8271.pdf>.
[6] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA
ELÉTRICA. Resolução Normativa Nº 502, DE 7 DE
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http://www.aneel.gov.br/cedoc/ren2012502.pdf>
[7] MARTINS, Nardênio Almeida. Sistemas
Microcontrolados. São Paulo/SP: Novatec Editora,
2005.
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<http://ecee.colorado.edu/~mcclurel/sn74ls04rev5.p
df>.
[10] TEXAS. Datasheet MAX232, MAX231I Dual
EIA-232 Drivers/Receivers. 2004. Disponível em
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/max232.pdf
[11] Proteus, Intelligent Schematic User Manual
Issue 7.0 © Labcenter Electronics.
[12] MICROSOFT Visual Studio 2013. Guia de
Introdução
ao
Visual
C#
<
http://msdn.microsoft.com/ptbr/library/a72418yk.aspx>
[8] TEXAS. Datasheet LM78LXX: Series 3Terminal Positive Regulators. 2013. Disponível em:
<http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm78l05.pdf>.
[13] ARDUINO TEAM. Arduino FAQ. 2013.
Disponível em: <http://www.arduino.cc>.
[9] MOTOROLA. Datasheet SN54/74LS04: HEX
INVERTER.
2013.
Disponível
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[14] ARDUINO.CC. Arduino. Disponível em:
<http://arduino.cc/>.
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