ESTUDO DE VIABILIDADE DE USO DE REDES SEM FIO
NO MONITORAMENTO DE PARQUES EÓLICOS1
Fabio Perez2 < [email protected]>
Eduardo Santa Helena3 < [email protected]> – Orientador
Universidade Luterana do Brasil (ULBRA) – Curso de Redes de Computadores – Campus Canoas
Av. Farroupilha, 8001 – Bairro São José – CEP 92425-900 – Canoas – RS.
30 de novembro de 2011
RESUMO
Este artigo apresenta um estudo de viabilidade de uso de redes sem fio no monitoramento de um parque eólico,
visando substituir a infraestrutura baseada em fibras ópticas. O sistema de comunicações utilizado atualmente
apresenta problemas de implantação, deficiências de contingência e escalabilidade, impossibilitando a adoção de novas
tecnologias de sensores e monitoramento. A utilização de redes sem fio no conceito Mesh (Malha) apresenta facilidades
de instalação, redundância e excelente desempenho com reduzido investimento.
Palavras-chave: Mesh, fibras ópticas e parque eólico.
ABSTRACT
Title: “Feasibility study of using Wireless Networks in monitoring of wind farms”
This article presents a feasibility study of using wireless networks in monitoring of a wind farm, to replace
the optical fiber based infrastructure. The communication system used currently presents deployment issues,
deficiencies of contingency and scalability, preventing the adoption of new technologies of sensors and monitoring.
The use of wireless networks in concept Mesh presents installation facilities, redundancy and excellent performance
with low investment.
Key-words: Mesh, optical fibers and wind farm.
1
INTRODUÇÃO
O trabalho tem como tema um estudo de viabilidade de uso de redes sem fio para transmissão de
dados no monitoramento de parques eólicos, o estudo envolve áreas do conhecimento de redes de
comunicação, analisando a aplicação de redes ópticas e redes Mesh como infraestrutura para o controle e
supervisão dos aerogeradores.
A crescente busca por alternativas de produção de energias limpas vem alterando de forma
significativa a matriz energética brasileira, nesse contexto a instalação de parques eólicos no Brasil aumentou
nos últimos anos, utilizando modelos de construção aplicados em outros países, entre esses conceitos estão
tecnologias proprietárias de monitoramento e a utilização de comunicação entre aerogeradores baseada em
redes de fibras ópticas.
Este sistema tem como referência soluções existentes com origem em redes de monitoração
industrial, com número reduzido de sensores específicos para coleta de dados e protocolos determinados a
cada fabricante, gerando dessa forma restrições na escolha de outros meios de automação.
As pesquisas realizadas nas áreas de manutenção preditiva em sistemas eólicos recomendam o
controle de equipamentos e mecanismos que não tem seu funcionamento analisados de forma integral no
sistema atual. A indústria de sensores de vibração, análise de fluidos e termográfia vêm desenvolvendo
aplicações voltadas para padrão Ethernet o que impede o uso destes dispositivos sem a utilização de
conversores e adaptadores.
1
2
3
Artigo elaborado como trabalho de conclusão de curso da disciplina de Projetos de Redes do curso de Redes de Computadores, na Ulbra Canoas.
Autor do artigo referente ao trabalho de conclusão de curso.
Professor Orientador da disciplina de Projetos de Redes do curso de Redes de Computadores.
1
Esta situação gerou a motivação deste trabalho como alternativa as necessidades de coleta e
transmissão de dados de operação de sistemas eólicos, considerando a situação de países como a Espanha
onde alguns parques experimentais alertam ocorrências de avarias e defeitos com trinta dias de antecedência,
torna-se fundamental o desenvolvimento de técnicas de manutenção preditiva no Brasil em razão de sua
dependência tecnológica e de importações destes equipamentos.
Este estudo tem como objetivo elaborar um projeto para viabilizar a utilização de redes sem fio no
monitoramento de parques eólicos, sob os aspectos de infraestrutura e contingência de sistemas de
comunicação, assim como suas vantagens relacionadas à aquisição de dados coletados por sensores em um
sistema sem protocolos proprietários.
Entre os benefícios verificados no uso de redes sem fio esta, a utilização das recentes tecnologias na
área de sensores, sistemas de controle e monitoração abertos, utilização de sistemas modulares e instalação de
infraestrutura sob demanda, esta proposta busca agregar outros meios de automação aos atuais sistemas de
supervisão.
Este trabalho de conclusão de curso busca em seus resultados, confirmar a possibilidade do uso de
redes sem fio como alternativa de infraestrutura de comunicação nos parques eólicos, não pretende com isso
padronizar com esta tecnologia os seus sistemas de transmissão de dados, no entanto tem como objetivo final
tornar o uso de redes sem fio uma opção viável.
Com base em análise dos dados geográficos de localização, estudo de modelos de instalação e
operação dos parques eólicos, somados a pesquisas relacionadas a redes sem fio, o trabalho busca mostrar a
possibilidade da utilização desta tecnologia através de comportamentos gerados por simuladores de rede,
cálculos de dimensionamento de enlaces e viabilidade financeira do projeto.
Com a metodologia utilizada pode ser comprovada a aplicação da proposta, considerando que esta
iniciativa busca também aproveitar pesquisas referentes a sensores integrantes do padrão ethernet, permitindo
assim com este trabalho contribuir como alternativa aos sistemas utilizados na atualidade.
A utilização de redes sem fio deve permitir as usinas eólicas, a aplicação de novas tecnologias de
controle e manutenção sem a necessidade de implantação de complexos sistemas de conversão de protocolos
e do uso redes cabeadas com custos elevados.
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Esta seção consiste na apresentação de algumas definições acerca de energia eólica, aerogeradores,
manutenção preditiva e redes de comunicação de dados, conceitos necessários à compreensão das motivações
e dos objetivos do estudo de viabilidade proposto neste trabalho.
2.1 Energia Eólica
A energia eólica provém da radiação solar uma vez que os ventos são gerados pelo aquecimento não
uniforme da superfície terrestre, sua denominação provém do latim Aeolicus, ou seja, algo pertencente à Eolo
o Deus dos ventos na mitologia grega. Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se manifestam
em pequena escala são influenciados por diferentes aspectos entre os quais se destacam a altura, a rugosidade,
os obstáculos e o relevo.
A utilização desse tipo de energia tem aplicações milenares, e foi uma das primeiras formas
energéticas de tração para mover os barcos impulsionados por velas, ou fazer funcionar a engrenagem de
moinhos, ao mover suas pás, onde a energia eólica era transformada em energia mecânica utilizada na
moagem de grãos e bombeamento de água. O primeiro registro histórico da utilização de energia eólica desta
forma através de cata-ventos é proveniente da Pérsia, por volta de 200 A.C. , acredita-se que chineses por
volta de 2000 A.C. e babilônicos em torno de 1700 A.C. também utilizavam cata-ventos rústicos para
irrigação (CHESF-BRASCEP, 1987).
A adaptação dos cata-ventos para geração de energia elétrica teve inicio no final do século XIX em
1888, Charles F. Brush, um inventor de fundo de quintal com mais de 50 inovações patenteadas, ergueu na
cidade de Cleveland, Ohio, o primeiro catavento destinado à geração de energia elétrica (OSTRANDER,
2011).
2
As primeiras iniciativas no sentido de construir turbinas eólicas de grande porte para produção de
energia elétrica foram realizadas na Rússia em 1931, através do aerogerador chamado Balaclava, modelo de
100 kW, instalado em uma torre de 30 metros de altura. Após o desenvolvimento desse modelo, foram
projetados outros com maiores capacidades, no entanto não foram concluídos em razão da forte concorrência
de outras tecnologias, principalmente o uso de combustíveis fósseis através de descobertas de novas reservas.
O desenvolvimento de novos projetos de aerogeradores de médio e grande porte foram retomados
durante a Segunda Guerra Mundial (1939-1945), diante da necessidade de economizar combustíveis fósseis,
nesse período países como a Dinamarca, apresentaram um dos mais significativos crescimentos em energia
eólica em toda Europa. Após o fim da Segunda Guerra Mundial, o petróleo e as grandes usinas hidrelétricas
se tornaram extremamente competitivas econômicamente, diante deste quadro nos anos seguintes os
aerogeradores foram construídos apenas para fins de pesquisa, utilizando e aprimorando conceitos
aeronáuticos na operação e desenvolvimento de pás além de melhoramentos nos sistemas de geração
(GRIMONI et al..2004).
Segundo (RÜNCOS, 2005) após a primeira grande crise do petróleo, no inicio da década de 1970,
até meados de 1980, diversos países, incluindo o Brasil manifestaram preocupação em desenvolver pesquisas
para utilização de energia eólica como fonte de energia alternativa. No entanto, foi em decorrência de
experiências de incentivo ao mercado realizadas nos Estados Unidos na década de 1980, na Dinamarca e
Alemanha na década de 1990, que o aproveitamento de energia eólica como fonte de geração de energia
elétrica atingiu índices de contribuição mais significativos para o sistema em termos de geração, eficiência e
competitividade.
A produção de energia elétrica gerada por usinas eólicas atingiu limiares de concorrência comercial
frente a fontes convencionais em vários países, isto permite que o seu mercado alcance um crescimento
sustentado de 25-30% ao ano, o maior entre as formas de energia concorrentes. Simultaneamente o custo da
energia gerada por sistemas eólicos tem uma redução continuam da ordem de 5% a cada dois anos (Schultz,
2005).
Segundo (GRUET, 2010) entre os fatores que justificam este cenário, esta o constante avanço
tecnológico com a produção de turbinas de maiores rendimentos e menores níveis de ruídos, além disso os
avanços obtidos com novos materiais contribuem para reduzir a fadiga e o stress dos componentes das
turbinas com reflexo nos custos de manutenção. Isto contribui para o aumento da eficiência energética que é
fator importante na geração de energia e preservação ambiental.
A utilização de energia eólica tem como consequências a redução nas emissões de CO 2, resultando
no fomento de desenvolvimento limpo e crescimento no mercado de créditos de carbono, isso torna possível
a redução nos custos de implantação, além de contribuir com os custos de manutenção (FLANNERY, 2008).
Conforme mostra a Figura 1 as energias renováveis são consideradas tecnologias chave nos próximos
anos para reduzir as emissões de CO2 segundo a Agência Internacional de Energia.
Figura 1 – Gráfico da Agência Internacional de Energia
3
2.2 Aerogeradores
O aerogerador (ou turbina eólica) é um dispositivo que tem a função de converter em energia elétrica
a energia cinética presente no deslocamento das massas de ar, estes equipamentos são apresentados nos mais
variados modelos, podendo ter rotores de eixo vertical ou horizontal.
As turbinas de eixo vertical tem sua montagem de forma perpendicular ao solo, em função de sua
estrutura são pouco adequadas para geração de energia elétrica, sendo mais indicadas para bombeamento de
água. Já os modelos de eixo horizontal são montados paralelamente ao solo, estas turbinas necessitam de
mecanismos que permitam o constante reposicionamento do eixo do rotor em relação à direção do vento.
Como vantagem suas hélices ficam suspensas por uma torre a vários metros de altura onde a
velocidade dos ventos é maior, este modelo pode ter uma ou múltiplas pás sendo que os modelos mais
populares possuem três pás por apresentarem maior eficiência energética em razão da melhor distribuição das
tensões diante das mudanças de direção do vento (COSTA et al., 2009).
As turbinas eólicas são compostas basicamente por três partes: a torre, as pás e a nacele, estas
turbinas podem ser diferenciadas pelo tamanho e formato da nacele, a presença ou não de uma caixa
multiplicadora e o tipo de gerador utilizado. As torres são necessárias para sustentar e posicionar o rotor a
uma altura conveniente para o seu funcionamento, com a utilização de geradores com potências cada vez
maiores, as naceles passaram a sustentar um peso muito elevado tanto de gerador quanto das pás, diante desta
necessidade, tem-se utilizado torres de metal tubular ou de concreto.
As pás são perfis aerodinâmicos responsáveis pela interação com o vento, da mesma forma que na
torre, as dimensões das pás dependem da capacidade da turbina, inicialmente fabricadas de alumínio,
atualmente são fabricadas em fibra de vidro reforçadas com epóxi, fixadas através de flanges em uma
estrutura metálica a frente da turbina denominada cubo.
A nacele é a caixa que armazena os sistemas de controle, a caixa multiplicadora e o gerador, o projeto
tradicional de uma turbina eólica consiste em colocar a caixa multiplicadora entre o rotor e o gerador de
forma a adaptar a baixa velocidade do rotor à velocidade de rotação mais elevada dos geradores. Estima-se
que 80% das maquinas produzidas até 2007, usasse esse tipo de tecnologia, que é menos silenciosa, em razão
de seu custo de aquisição ser menor.
Nos últimos anos, alguns fabricantes desenvolveram turbinas eólicas sem a utilização de caixa
multiplicadora, alterando assim o modelo tradicional de fabricação, ao invés de utilizar a caixa de
engrenagens com alta relação de transmissão passaram a utilizar geradores múlti polos de baixa velocidade e
grandes dimensões. Na Figura 2 podem ser verificadas as configurações normalmente utilizadas em turbinas
eólicas.
Figura 2 – Componentes de uma turbina eólica
Os sistemas de controle que integram os componentes da nacele destinam-se à orientação do rotor, ao
controle de velocidade, ao controle de carga, entre outros, essa estrutura possui uma variedade enorme de
mecanismos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle de
carga).
4
2.3 Manutenção
O termo manutenção pode ser definido como, o conjunto de ações destinadas a conservar ou levar
novamente um equipamento à parâmetros de funcionamento considerados ótimos, sob certos padrões de
operação e segurança.
A manutenção corretiva é considerada um dos paradigmas de manutenção e consiste em esperar a
maquina apresentar defeito para realizar a intervenção, por necessidade de melhorar esse quadro, as empresas
decidiram não esperar as maquinas apresentarem defeitos para realizar as correções, e se propuseram a
minimizar as paradas imprevisíveis e seus custos elevados utilizando a manutenção preventiva.
Para desenvolver este método de manutenção foram necessários estudos dos equipamentos, inspeções
para verificar suas condições, ajustes e testes para descobrir o momento adequado de substituição de
componentes que estão por apresentarem falhas. O sistema de manutenção preventiva tornou-se popular
porque as maquinas falhavam menos, operavam em melhores condições e porque os operadores e técnicos
utilizavam ferramentas úteis para obter experiência e melhores resultados.
No entanto, logo foi verificado que durante as rotinas de manutenção preventiva algumas peças
foram trocadas com uma vida útil ainda considerável e que muitas ocorrências de defeitos não eram evitadas
somente com a prevenção. Ainda que apresente estas desvantagens esse método ainda é uma tendência muito
utilizada em razão de sua facilidade de aplicação e relativo baixo custo (MICHALAK, 2008).
2.3.1
Manutenção Preditiva
As necessidades prementes de empresas preocupadas com a continuidade de produção e soluções
rápidas de seus problemas fizeram surgir novos paradigmas de manutenção como manutenção preditiva, o
TPM (Total Productive Maintenance), o RCM (Reliability Centered Maintenence), o RCM2 (Reliability
Centered Maintenence 2) e a manutenção de precisão, este trabalho aborda especificamente a manutenção
preditiva em turbinas eólicas.
A manutenção preditiva utiliza novas tecnologias para determinar a situação atual de determinado
equipamento, monitorar sua condição ao longo do tempo e obter a detecção de falhas e intervenções no
tempo exato em que deve ser realizada a correção do defeito. Entre essas novas tecnologias encontram-se, a
análise de vibrações, a termográfia, a análise de óleos, o ultrassom, os raios-X e os líquidos penetrantes, entre
outros, através destas ferramentas torna-se possível entender o funcionamento das maquinas e responder
questões básicas como: qual vai ser o defeito, quando vai ser apresentado e porquê (PINTO, NASCIF, 2001).
2.3.2
Manutenção Preditiva em Parques Eólicos
As turbinas eólicas são tecnologias conceitualmente sensíveis submetidas a variações de ventos, tanto
em intensidade, turbulência e direção, além disso estão instaladas alturas elevadas e em alguns casos de difícil
acesso. Os requisitos de demanda de rede implicam em exigências de operação contínua de equipamentos e
componentes, como geradores e conversores inicialmente não previstas, por outro lado devem manter
elevados índices de disponibilidade por longos períodos. A manutenção preditiva por suas características é
definida como a mais adequada para aerogeradores.
As tecnologias de manutenção preditiva de maior confiabilidade e menores custos, adaptadas a
indústria eólica, devem beneficiar sua implantação nos próximos anos em futuros parques, inclusive de forma
retroativa em parques já instalados. Esta situação favorável à manutenção preditiva será mais evidente e com
certeza obrigatória nos parques eólicos Offshore, localizados em alto mar a várias dezenas de metros e alguns
a centenas de metros da costa, com grandes períodos de acesso restrito por causa de fatores climáticos.
A sistematização de manutenção preditiva em sistemas eólicos inclui entre seus procedimentos:
Monitoração contínua de todos componentes;
Análises de termografia;
Análise de vibração;
Análise de óleos lubrificantes;
Sensores para análise de temperaturas em rolamentos e sistemas de lubrificação;
Inspeções visuais em engrenagens e pás;
5
Realizações de medições com acelerômetros;
Desenho de ferramentas para análise de alarmes e estabelecimento de ações;
2.3.3
Automação em Parques Eólicos
Conforme as definições descritas no item 2.3.2 os sistemas de manutenção preditiva necessitam
informações baseadas em análises e medições do estado dos mecanismos das turbinas eólicas, os
componentes responsáveis pela coleta destes dados são chamados de sensores, que são dispositivos que
recebem e respondem a sinais ou estímulos. Eles podem medir grandezas físicas, como temperatura,
velocidade e pressão entre outras, e converter os dados obtidos em sinais eletrônicos. Enquanto a ato de gerar
dados pelo sensor é razoavelmente bem compreendido, transmitir dados de um sensor para um sistema de
monitoração é um desafio, devido ao alto custo e a complexidade de redes de comunicações (THIENNE,
2009).
O sistema de automação utilizado em grande parcela dos parques eólicos consiste basicamente em
um número reduzido de sensores necessários às exigências da norma IEC 61400-25, documento este que
especifica padrões monitoração e controle de funcionamento dos parques eólicos, cujo objetivo busca
permitir que componentes de diferentes fornecedores sejam monitorados e controlados pelo sistema
Supervisory Control and Data Acquisition Systems (SCADA), esta ferramenta tem origem na automação
industrial sendo adaptada a parques eólicos e tem a função de conectar dois ambientes distintivamente
diferentes: a subestação, onde ficam os equipamentos de medida, monitoramento e controle digitais e o
centro de operação, onde são coletados e processados os dados (GAUSHELL, BLOCK, 1993).
A configuração de rede de comunicação esta baseada na ligação via cabo destes sensores as centrais
de coleta de dados, os chamados datalogs, outros componentes utilizados neste processo de automação de
controle são os chamados PLCs, controladores lógicos programáveis, mesmo sendo basicamente
controladores de entrada e saída, também realizam operações matemáticas e fazem a comunicação com os
sensores através de diversos protocolos proprietários de comunicação, Modbus, Profbus, Devicenet entre
outros.
Estas centrais de monitoração e controle são conectadas à seus periféricos através de redes de
comunicação serial dos padrões RS-232, RS-422 e RS-485, no entanto evoluções recentes na tecnologia
especifica de aerogeradores, utilizam sensores ligados por fibra óptica e embebidos nos elementos estruturais,
tais como torres e pás permitindo assim a monitoração das alterações estruturais (PINHO, 2008).
Os dispositivos de monitoramento e controle (Datalogers, CLP) instalados nas torres dos
aerogeradores são interligados a central de gerenciamento do parque através de conexões de fibra óptica,
inicialmente foi utilizada a topologia cascata, na qual toda informação transmitida por uma unidade de coleta
de dados tem que passar por todos os equipamentos de comunicação intermediários até chegar ao seu destino,
caso um destes componentes venha apresentar defeito a mensagem não será transmitida.
Sotavento (2010) apresenta em seu informe descritivo de melhorias da rede de comunicações e
reestruturação de armários, algumas considerações e argumentos justificando a substituição integral da
topologia.
Os parques eólicos devido à grande extensão que ocupam, são obrigados a dispor de uma
rede de comunicação confiável que possa garantir a correta supervisão e controle de todos
os parâmetros de interesse. A rede de comunicação de fibra óptica do Parque Eólico
Sotavento tem gerado diversos problemas nos últimos anos. O projeto de execução do
Parque não contemplava a comunicação entre aerogeradores, porem foi definida a utilização
desta solução considerada uma tecnologia relativamente duvidosa no setor, que sem duvida
representava importantes melhorias em relação a outros sistemas de comunicação.
Essas constatações foram determinantes para substituição deste tipo de arquitetura, sendo utilizada a
topologia anel em futuros projetos, a Figura 3 mostra este tipo de solução. Esta modificação na infraestrutura
da rede de fibra óptica no formato de anel adicionou o conceito de redundância parcial, ou seja, na ocorrência
de uma interrupção a sistema mantêm o trafego de dados, no entanto diante de duas ou mais rupturas essa
topologia apresenta deficiências.
Outros fatores podem ser relatados como restrições à utilização de fibra óptica em alguns casos nas
redes de comunicação em parques eólicos:
Altos custos de implantação em determinadas áreas de solo com afloramentos rochosos;
Custos elevados de instalação em locais de difícil acesso;
Aumento no impacto ambiental decorrente da instalação dos parques;
6
Falta de redundância plena;
Falta de escalabilidade;
Aerogerador
Aerogerador
Aerogerador
Aerogerador
CLP
Aerogerador
CLP
CLP
CLP
CLP
Aerogerador
Aerogerador
Aerogerador
CLP
Aerogerador
CLP
CLP
Figura 3 – Topologia de rede anel
Diante desta realidade este trabalho propõe a utilização de redes sem fio como alternativa de meio
físico de comunicação para parques eólicos, os tópicos seguintes fazem uma descrição das topologias e
tecnologias disponíveis, incluindo as Redes Mesh (redes em malha sem fio), que invertem o paradigma de
usar uma rede cabeada para espinha dorsal (backbone) da rede.
2.4 Redes sem Fio
O termo rede sem fio caracteriza qualquer tipo de conexão para transmissão de informação sem a
utilização de fios ou cabos, é um conjunto de sistemas conectados por tecnologia de rádio através do ar,
dentro deste modelo de comunicação enquadram-se várias tecnologias, como Wi-fi, InfraRede
(infravermelho), Bluetooth e Wimax, o uso deste meio de comunicação vai desde transceptores de rádio como
walkie-talkies até satélites, seu uso mais comum é em redes de computadores, servindo como meio de acesso
a internet (ALENCAR, 2001).
Segundo Toledo (2001) as vantagens do uso de redes sem fio podem ser descritas como, redução no
tempo de implantação (redes temporárias), fácil planejamento (não exige cabeamento prévio), instalação em
áreas de difícil cabeamento, maior confiabilidade e robustez.
Sua classificação esta baseada na área de abrangência, Wireless Personal Área Network (WPAN),
Wireless Local Área Network (WLAN), Wireless Metropolitan Área Network (WMAN) e Wireless Wide Área
Network (WWAN). As redes WPAN são redes pessoais de curta distância, utilizadas para interligar objetos
pessoais como, celulares, agendas eletrônicas, câmeras fotográficas dentre outros, pode funcionar por ondas
de rádio ou infravermelho, o padrão Bluetooth é um exemplo deste tipo de rede (JARDIM, 2007).
As redes WLAN utilizam ondas de rádio para estabelecer conexões de pequeno alcance, ponto a ponto
e multi ponto com alcance em ambientes internos de 100 m e ambientes externos 300 m, os padrões (WLAN)
definidos pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) pertencem à família IEEE 802.11,
são conhecidos pela denominação comercial de WiFi (Wireless Fidelity) ao longo do tempo foram
elaboradas várias versões do padrão, que diferem quanto à técnica de modulação utilizada, máxima
velocidade de transmissão e faixa de frequência de operação.
As redes WMAN são redes que ocupam o perímetro de uma cidade, utilizam ondas de rádio com
conexões ponto a ponto e multi ponto, com taxa de transferência de até 70 Mbps, os desenvolvimentos mais
recentes para acesso à internet de alta velocidade sem fio resultaram no padrão Wimax (Worldwide
Interoperability for Microwave Acess), que foi padronizado como IEEE 802.16.
7
As redes WWAN, são conhecidas como redes de longa distância, abrangem uma grande área
geográfica com frequência um país ou um continente, utilizam conexões ponto a ponto e multi ponto, através
de micro-ondas e satélite, interligando grandes links de dados (SOYINCA, 2010).
2.4.1
Redes Mesh
As atuais redes sem fio de primeira geração foram projetadas, simplesmente para substituir os cabos,
mas as vantagens da comunicação sem fio vão além disso, ao serem eliminadas as restrições dos cabos, pode
ser verificado um crescimento exponencial dos tipos de conexões que são possíveis entre os dispositivos.
Qualquer dispositivo pode participar de uma rede sem fio de várias formas, seja como cliente,
roteador ou ponto final do usuário os dispositivos podem se auto-organizar em redes temporárias, chamadas
redes Ad hoc. As redes Mesh (rede em malha sem fios), também chamada rede de múltiplos saltos, é uma
arquitetura flexível que permite movimentação dos dados entre dispositivos de forma eficiente.
Numa LAN sem fio tradicional, vários usuários têm acesso à rede por meio de um enlace direto sem
fio a um ponto de acesso (AP) chamada de rede de um único salto. Em uma rede de múltiplos saltos,
qualquer dispositivo com uma conexão rádio pode servir como roteador ou AP. Se o AP esta indisponível, os
dados são roteados para outro nó, mais próximo e com menor trafego. Os dados continuam dessa forma de
um nó para outro até alcançar seu destino final.
As redes Mesh possuem algumas vantagens significantes em relação às redes de um único salto,
dentre elas podem ser destacadas a resistência, maior largura de banda e reutilização do espaço. A rede Mesh
é mais resistente que as redes de salto único, porque não depende de um nó para sua operação, numa rede
convencional se o único ponto de acesso parar, toda rede deixa de funcionar. Na arquitetura da rede em
malha se o AP mais próximo tiver caído, ou se houver interferência localizada, a rede continua a operar com
o roteamento dos dados para uma via alternativa.
A física considera que a largura de banda é maior numa faixa mais curta, por causa da interferência e
de outros fatores que contribuem para a degradação do sinal, que tem como consequências a perda de dados à
medida que a distância aumenta. Uma forma de se obter uma maior largura de banda é transmitir os dados
por meio de múltiplos saltos pequenos, sendo esta forma de operação das redes em malha. Além disso, como
é menor a potência exigida para transmitir dados em distâncias menores, esta rede pode suportar maior
largura de banda em geral (CONNER, GRYDER, 2004).
Em configurações de rede sem fio de um único salto os dispositivos tem de compartilhar um AP, se
vários dispositivos tentam acesso à rede simultaneamente ocorre um congestionamento e o sistema apresenta
lentidão, ao contrario numa rede de múltiplos saltos vários dispositivos podem se conectar ao mesmo tempo,
por meios de diferentes APs, sem que ocorra necessariamente degradação no desempenho do sistema. As
faixas de transmissão mais curtas em uma malha limitam a interferência, permitindo assim fluxos de dados
simultâneos e separados no espaço, este processo é chamado reutilização espacial.
Existem basicamente três classes de protocolos de roteamento nas redes Mesh, os chamados
protocolos de roteamento Pró-ativos, que são baseados em tabelas de roteamento que são continuamente
atualizadas com toda topologia da rede, utilizando algoritmos específicos para calcular o caminho de menor
custo, como exemplo desta classe pode ser citado o protocolo OLSR (Optimized Link State Routing).
Os protocolos Reativos também chamados on demand, tem como características não ficar enviando
informações da topologia da rede, nem realizando atualização de tabelas de roteamento, somente realizam
este processo caso tenham um pacote para enviar a determinando destino, assim a rota somente é descoberta
sob demanda, um exemplo deste tipo de protocolo é o DSR (Dynamic Source Routing).
Existem ainda os protocolos Híbridos, que combinam as características dos protocolos pró-ativos e
reativos, um exemplo desta classe de protocolo é o ZRP (Zone Routing Protocol), que estabelece uma zona
que vai atuar como pró-ativo, a partir deste limite passa atuar on demand fazendo um flood (pacotes enviados
repetidamente) de pacotes de atualização para descobrir qual rota utilizar para enviar a informação.
A especificação IEEE 802.11s indica a utilização do conceito Mesh em camada II utilizando o
protocolo HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol), camada II significa que os dispositivos compartilham do
mesmo domínio de broadcast.
8
3
AVALIAÇÃO DO AMBIENTE
A metodologia utilizada nesse trabalho esta baseada em informações e dados referentes ao projeto de
instalação do Parque Eólico Serra dos Antunes, localizado no interior do município de Piratini, este
empreendimento recebeu na década passada a licença de instalação, no entanto questões contratuais de venda
de energia elétrica impediram a execução do mesmo. Na atualidade esta situação foi superada, em razão das
modificações realizadas no sistema de aquisição de energia elétrica pelo governo federal, através da
realização de leilões de compra de energia, com incentivos a aquisição de energia elétrica produzida por
fontes renováveis.
Este projeto encontra-se em fase de atendimento aos requisitos da nova legislação de registro e
averbação de imóveis rurais, em razão da área de implantação do parque que soma 12.000 ha, e um número
aproximado de 50 propriedades rurais, também neste período esta sendo realizada a atualização dos
licenciamentos ambientais necessários para emissão da licença de instalação, permitindo assim a participação
do mesmo no próximo leilão de compra de energia elétrica a ser realizado em 20 de dezembro de 2011.
3.1 Condições de monitoramento
Conforme descrito na seção 2.3.3 deste trabalho para atendimento da IEC 61400-25, norma esta que
especifica padrões de comunicação entre a turbina eólica e o sistema de monitoramento e controle SCADA, o
Parque Eólico Serra dos Antunes prevê em seu escopo o uso de fibras ópticas, na instalação da rede de
comunicações utilizando a topologia anel, realizando desta forma a interligação dos aerogeradores a central
de controle e monitoramento, conforme mostrado na Figura 3.
A instalação de fibra óptica em ambiente externo pode ser realizada por via aérea utilizando postes
para sustentação dos cabos, ou instalação por via subterrânea com abertura de canais no solo para passagem
dos cabos. Nos projetos de parques eólicos somente são utilizados os métodos subterrâneos, seja em espaços
paralelos aos destinados a cabos transmissores de energia ou no interior de cabos da rede de aterramento do
parque, conforme mostrado na Figura 4 deste trabalho.
Figura 4 – Cabo óptico conjugado a cabo condutor terra.
A estrutura geológica da região de instalação do referido projeto, esta localizada na área do chamado
escudo Sul-rio-grandense, com formações rochosas evidenciadas no relevo através de saliências com
elevações na altitude aproximada de 400 m acima do nível do mar, formadas pela bifurcação de duas serras,
chamadas serra das Asperezas e serra dos Antunes, esta localidade encontra-se a 30 km, da cidade de Pinheiro
Machado.
A instalação de uma infraestrutura convencional de rede de comunicações para o parque eólico neste
local enfrenta alguns desafios, sejam os aspectos geológicos pela presença de formações rochosas o que
dificulta e eleva os custos de forma considerável, com aumento considerável do impacto ambiental, ou pela
existência em parte da área, de construções seculares chamadas cercas de pedra, trabalho este realizado por
escravos, e que recebe proteção de órgãos de preservação do patrimônio histórico, a imagem abaixo
representada pela Figura 5, permite visualizar as características topográficas desta região e a presença das
cercas de pedra.
9
Local de instalação dos Aerogeradores
Cerca de Pedra
Figura 5 – Imagem da Serra das Asperezas.
Diante deste cenário de adversidades técnicas de instalação de uma rede de comunicação baseada em
cabos ópticos e das deficiências de redundância e escalabilidade da topologia anel, estudou-se a instalação de
uma rede sem fio, pois esta solução não implica em intervenções no solo, e de acordo com sua configuração
resolve os problemas de contingência como os apresentados no caso de defeitos de continuidade nos cabos
ópticos, possuindo ainda alto nível de escalabilidade, ou seja, em todo ciclo de vida útil da mesma podem ser
evitadas as ocorrências de subdimensionamento ou superdimensionamento.
3.2 Descrições de projeto
Dentre os tipos de tecnologias sem fio existentes (Wi-Fi, Wimax, Mesh e satélite) a tecnologia Mesh é
a que apresenta as melhores características técnicas para ser implantada no parque eólico, em substituição a
rede de comunicações baseada em cabos ópticos, pois possui altas taxas de transmissão de dados, QoS,
segurança (criptografia) e abrange distâncias de até 150 km conforme a solução especificada.
O projeto em seu escopo prevê a instalação dos aerogeradores distribuídos na chamada crista da
serra, onde são encontradas as áreas de relevo mais acentuado das serras das Asperezas e da serra dos
Antunes, com altitude media de 430 m acima do nível do mar, sendo que a altitude do vale que divide estas
formações rochosas esta em torno de 300 m acima do nível do mar. Diante destes dados é possível concluir
que os aerogeradores possuem visada direta entre si, e que, a chamada zona de Fresnel, que são zonas
volumétricas elipsoidais em torno do eixo de visada direta entre transmissor e receptor, está totalmente
desobstruída, região esta de fundamental importância na propagação do sinal em tecnologias de rede sem fio.
As informações e os dados referentes à topografia da área do parque eólico, foram obtidos a partir de
levantamento cadastral de todos os dados planialtimétricos, este trabalho foi realizado utilizando GPS
geodésico L1 L2 modelo 900CS da Leica Geosystems, o processamento, correção e ajuste dos dados de base
do GPS com os dados da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Continuo), localizadas em Santa Maria
e Porto Alegre. As informações referentes às curvas de nível com distâncias de um metro entre si, neste
levantamento foram extraídas através de georreferenciamento, ortorretificacao e mosaico das fotografias
aéreas dos satélites IKONOS e QuickBird, a Figura 6 mostra a localização dos aerogeradores (WEC – Wind
Energy Converter) utilizando imagens do Google Earth.
Figura 6 – Localização dos Aerogeradores.
10
A turbina eólica G90-2.0 MW especificada no projeto possui torre modular de concreto com 100 m
de altura, rotor com 90 m de diâmetro, e cubo com três pás de fibra de vidro impregnadas com resina epóxi
mais fibra de carbono com 44 m de comprimento, estes dados permitem deduzir a existência de um espaço
de 55 m entre a base da torre e as extremidades das pás. Estudos referentes à interferência eletromagnética em
parques eólicos recomendam a instalação de equipamentos sensíveis a esse fenômeno na face externa da
torre, preferencialmente acima da entrada de acesso para manutenção.
Baseado nas informações topográficas referentes à região de instalação do parque, e nas
características dos Aerogeradores, o estudo de viabilidade realizado recomenda a utilização do conceito de
redes Mesh, como alternativa a rede de comunicações do parque eólico.
3.3 Especificações de hardware
Com o advento das chamadas cidades digitais, principal aplicação da tecnologia Mesh, na atualidade,
a indústria de produtos de tecnologia participa deste mercado de forma inovadora, dentre os vários
fabricantes que produzem equipamentos neste conceito, pode ser relacionada à Strix systems, como líder
mundial em redes sem fio Mesh, com o HSX MWS-100 que é um de rádio dual com significativo custo
beneficio para implantar redes Mesh e apontar para outros sistemas multi ponto, oferecendo recursos
robustos, funcionalidade e desempenho.
Outros fabricantes desta linha de produtos são; a Cisco que produz o Aironet®1500 Series com
características para produzir cobertura WiFi ao ar livre e proporcionar otimização de rotas, de autocura de
interferências ou interrupções, resiliência e dinâmica re-otimização, quando novos setores forem adicionados,
e a Motorola que produz os chamados pontos de acesso adaptativos, com funcionamento independente ou
dependente, com conectividade Mesh e alta disponibilidade, a Tabela 1 apresentada a seguir mostra um
comparativo entre as características destes produtos.
Tabela 1 – Produtos Mesh
Strixsystems MWS 100HSX
Cisco Aironet 1550
Motorola AP 7181
Padrões Wireless
802.11 A/G/J/4.9
802.11 A/G/N
802.11 A/B/G/N
Bandas de frequência
(802.11A) 5.15 – 5.85 GHz
(802.11A) 5.725 – 5.85 GHz
(802.11 A/4.9/J) 4.92 – 5.08 GHz (802.11 G) 2.4 – 2.4835 GHz
(802.11 G) 2.4 – 2.497 GHz
(802.11 N) 2.4 / 5 GHz
Receptor taxas de sensibilidade -74 dBm @ 54 Mbps
(Mbps)
-91 dBm @ 11 Mbps
-78 dBm @ 54 Mbps
-89 dBm @ 11 Mb/s
-78 dBm @ 54 Mbps
Até 28 dBm com 2 antenas
Até 36 dBm
Potência de Transmissão
Até 26 dBm
Modulações
Orthogonal Frequency Division BPSK, QPSK, 16-QAM, 64QAM
Multiplexing (OFDM)
(BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM)
802.11b – DSS (BPSK, QPSK, CCK)
Autenticação
802.1x support, RADIUS
EAP-MD5, TLS, TTLS, PEAP
WPA, WPA2, PSK
Access Control Lists
Strix Access/One
Backhaul: AES CCM
Client: AES, TKIP and WEP
Password Encryption
Criptografia
(802.11A) 5.725 – 5.85 GHz
(802.11 G) 2.4 – 2.462 GHz
(802.11 N) 2.4 / 5 GHz
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM)
(BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM)
802.11b – DSS (BPSK, QPSK, CCK)
WPA, WPA2, EAP-PEAP,
EAP-TLS, EAP-TTLS, e Cisco
LEAP
802.1x, 802.11i, RADIUS
EAP-TLS, EAP-TTLS
WPA, WPA2, PSK
AES, TLIP,
WEP, AES CCM, TKIP
Intra-Mesh Encryption
Este estudo de viabilidade conclui que a solução Mesh mais adequada a ser utilizada no parque eólico
deve ser a produzida pela Motorola. Vários fatores foram fundamentais nesta recomendação, inicialmente sua
linha de produtos possui homologação da ANATEL (Agencia Nacional de Telecomunicações), a empresa
dispõe de ampla rede de canais de venda, distribuição e assistências técnicas em todo país, com presença nas
principais capitais e interior.
Dentre os componentes da família de produtos voltados para redes sem fio Mesh da Motorola dois
integrantes podem ser utilizados na infraestrutura de comunicação do Parque Eólico Serra dos Antunes,
a serie 7300, que opera na frequência de 2.4 GHz ou 4.9 GHz, com uma largura de canal de 20 MHz e taxa
de transmissão digital de 6 Mbps (MEA) ou 54 Mbps (802.11b/g), tem roteamento MeshConnex hibrido pró11
ativo/reativo, possui QoS 802.11e / MEA-802.1P, e suporte de encriptação do cliente para 802.11 b/g:
WEP/AEP/TKIP/WPA2 (802.11i), encriptação intra-Mesh Secure Mesh, esta serie tem como opções de
produtos, o ponto de acesso, o roteador Mesh, o modem sem fio / serial RS-232, a placa de rede sem fio e o
Modem veicular.
E a serie 7181, que opera de forma dual simultânea nas frequências 2.4 GHz 802.11 b/g/n e 5.4, 5.8
GHz, com largura de canal de 20 MHz e 40MHz, e taxa de transmissão de até 300 Mbps, tem roteamento
MeshConnex hibrido pró-ativo/reativo, possui QoS 802.1 p/q com 8 filas por VLAN / extensões multimídia
WiFi 802.11e, Suporte de encriptação do cliente Aberta, WEP, AES-CCM, TKIP, Encriptação intra-Mesh
Secure Mesh / AES, e entre a opção de produto ponto acesso.
A configuração especificada neste trabalho define a instalação inicial de um AP 7181 em cada
aerogerador, e recomenda a utilização dos componentes da serie 7300 como itens complementares conforme
a necessidade de monitoramento e controle, o AP 7181 é um ponto de acesso 802.11n, multi-rádio com alto
desempenho e elevada velocidade de transmissão de dados com a utilização do exclusivo sistema de antena
inteligente ADEPT (Tecnologia Avançada de Painel de Elementos).
Esta tecnologia de antena foi determinante na definição da solução escolhida, porque este sistema
permite que o AP 7181 proporcione velocidades máximas de transmissão de dados, oferecendo um fluxo de
dados duplo proporcionado pela dupla polarização das antenas, sendo estes componentes integrados ao AP
7181, eliminando com isto problemas de cobertura de sinal inerentes aos tipos de antenas bastão. A função de
inclinação vertical da antena é controlada por software, permitindo assim controlar a cobertura da antena de
maneira remota, eliminando com isto custos de alteração de posicionamento de antena.
Como forma de garantir uma solução na medida da necessidade do cliente o fabricante utiliza na
etapa de análise de pré venda, ferramentas de design, implantação e gerenciamento baseadas no software One
Point Wireless Suite, minimizando os riscos de investimentos, garantindo assim enlaces mais robustos,
especificação de equipamentos adequada e número correto de equipamentos.
4
AVALIAÇÃO DE RESULTADOS
Os resultados deste trabalho estão descritos nos tópicos seguintes desta seção, inicialmente são
apresentados os dados resultantes dos levantamentos e cálculos, como parte da analise das variáveis que
integram um enlace de transmissão sem fio, neste tópico são especificados valores de potência de
transmissão, atenuação, desobstrução de zona de Fresnel dentre outros.
A seguir são apresentados os resultados da simulação do trafego de pacotes entre os pontos de acesso
(APs) em redes Mesh, com a utilização do software WiFi Mesh Simulator Pro versão 1.1.2, utilizado em
pesquisas de redes sem fio no Technion (Instituto de Tecnologia de Israel) e distribuído na forma de uma
GLP (Licença Publica Geral), foi desenvolvido por Denis Itskovich formado no Technion e desde de 2007
engenheiro de software da Intel. As configurações dos parâmetros de processamento deste aplicativo foram
baseadas em informações referentes à área de instalação do parque eólico presentes no mapa digital e às
características de operação do multi rádio AP 7181.
Por fim, concluindo esta avaliação de resultados, são apresentados os custos de implantação de uma
rede de comunicações utilizando cabos ópticos e uma solução baseada em redes sem fio utilizando o multi
rádio AP 7181, permitindo com a apresentação deste comparativo, definir a solução mais adequada ao
cenário em estudo.
4.1 Cálculos operacionais
A concepção de um enlace rádio engloba os equipamentos utilizados, sua configuração, e todas as
atividades envolvidas para determinação do local de implantação dos rádio, e deve ser planejado de forma
que evite interferências e garanta sua ininterrupção (Felice, 2005).
A área do parque eólico definida para realização dos cálculos de enlace pode ser visualizada na seção
3 deste trabalho apresentada na Figura 6, com esta imagem pode ser verificado que a disposição das WECs
permite obter visada direta sem obstáculos entre os rádios, estabelecendo no mínimo três enlaces ponto a
multi ponto com os equipamentos vizinhos, desde que sejam instalados na face externa da torre. Para efeito
dos cálculos foi especificada a maior distância entre todos os aerogeradores, ou seja, 323 m entre a WEC 19
e a WEC 21, também neste enlace foi verificado o maior desnível entre as altitudes do local, a WEC 21 esta
379 m acima do nível do mar e a WEC 19 esta 420 acima do nível do mar, apresentando uma diferença de 41
m.
12
O equipamento escolhido foi o AP-7181, operando na faixa de 2.4 GHz que possui uma potência
efetivamente irradiada de até 36 dBm, este índice também definido como EIRP (equivalent isotropic
radiated power) calculado pela expressão:
EIRP(dBm) = P(T) + L(T) + G(T)
(4.1)
onde:
P(T) – Potência do transmissor (dBm)
L(T) – Atenuação entre transmissor e antena (dB)
G(T) – Ganho da antena (dBi)
Considerando que o rádio transmissor e as antenas integram um único componente, e não existe
atenuação entre esses elementos, para efeito dos cálculos foi definido o EIRP máximo de 26 dBm
observando recomendações da ANATEL, deve ser destacado que é possível utilizar a potência máxima do
rádio AP-7181, observando a resolução 365 de 10/05/2004, onde afirma ser desnecessário o licenciamento
para equipamentos com EIRP maior de 400mW (26 dBm) instalados em áreas com população inferior a 500
mil habitantes.
Na próxima etapa deve ser calculada a atenuação em espaço livre definida pela formula:
L(fs) = 92,5 + 20 log (d.f)
(4.2)
onde:
92,5 – Coeficiente fixo
d – Distância entre transmissor e receptor (km)
f – Frequência de operação (GHz)
Com a distância em 0,323 km entre os equipamentos e a frequência de operação de 2,4 Gigas hertz,
aplicada a formula resulta em -90,28 dBm, expresso em valor negativo por ser atenuação do sinal. A
atenuação do enlace pode ser obtida pela aplicação da equação:
A(T) = EIRP(T) + EIRP(R) + L(fs)
(4.3)
onde:
EIRP(T) – Potência irradiada pelo transmissor (dBm)
EIRP(R) – Potência irradiada pelo receptor (dBm)
L(fs) – Atenuação em espaço livre (dBm)
No caso em estudo a atenuação do enlace resulta da soma entre o EIRP do transmissor (26 dBm) e o
EIRP do receptor (26 dBm), subtraindo deste resultado o valor referente à atenuação do enlace (-90,28 dBm),
obtendo dessa forma o valor de -38,28 dBm, considerando a sensibilidade de recepção do rádio AP-7181 de
-78 dBm, este enlace permite manter transmissões de 54 Mbps com considerável margem de garantia de
operação mesmo em condições climáticas adversas.
O calculo da chamada zona de Fresnel permite conhecer o raio em metros da área entre os rádios que
deve permanecer livre de obstáculos, evitando assim degradação dos parâmetros do enlace, este valor resulta
da formula:
r(m) = 547
d1 . d2
d(T).f
(4.4)
onde:
547 – Coeficiente fixo
d1 – Distância entre o transmissor e o obstáculo (km)
d2 – Distância entre o receptor e o obstáculo (km)
d(T) – Distância entre o transmissor e o receptor (km)
f – Frequência de operação (MHz)
13
Considerando que não existe, obstáculos entre os rádios deve ser estipulada a metade da distância do
enlace (0,323) km, aplicada a formula o valor obtido foi de 3,16 m de raio, considerando a ausência de
obstáculos na área, sendo o equipamento instalado na torre a 6 m de altura, permite uma desobstrução total da
zona de Fresnel com margem de 2,84 m acima do solo, existe ainda a possibilidade de aumentar a altura de
instalação dos rádios em ate 44 m, compensando assim desníveis de altitude existentes entre as torres, os
dados apresentados a seguir na Tabela 2 formam o resumo dos cálculos do enlace.
Item
01
02
03
04
05
06
07
08
09
Tabela 2 – Valores do Enlace
Itens do Enlace
Unid.
Quant.
Obs.
Distância entre rádios
m
323
Desnível de altitude entre WECs
m
41
EIRP do rádio AP-7181
dBm
26
Atenuação no espaço livre
dBm
-90,28
Sensibilidade do rádio AP-7181
dBm
-78
Atenuação do enlace
dBm
-38,28
Raio da zona de Fresnel
m
3,16
Altura da área desobstruída (100%) m
2,84 Acima do solo
Altura de instalação do rádio
m
6 Acima do solo
4.2 Análise da Simulação
O software WiFi Mesh Simulator Pro, realiza a simulação de transmissão de dados e roteamento em
redes Ad hoc, este processo tem inicio com a criação de um cenário composto por estações (hosts), que
podem permanecer na mesma posição o tempo todo ou realizar movimentos no espaço 2-D, em determinada
direção e velocidade em cada etapa da simulação. O aplicativo realiza a atualização da localização de cada
estação, sendo estas possuem velocidade e direção, assim como suas coordenadas iniciais são fornecidas
como parte da configuração inicial.
Cada integrante pode encontrar seus pares para realizar a comunicação, sendo consideradas pares
todas as estações que estão atualmente dentro do seu alcance de visibilidade, esta distância é definida pela
atenuação entre duas estações, e pode ser especificada de duas maneiras, através de um arquivo explicito de
perda, a partir do qual, a atenuação entre qualquer par de estações pode ser encontrada, ou na ausência deste
arquivo, a atenuação será calculada pela seguinte formula, constante de atenuação multiplicada pela distância.
A fim de permitir a comunicação entre todas as estações do cenário da simulação, e não apenas com
aquelas que estão ao alcance de sua visibilidade, são utilizadas estações próximas para estabelecer
comunicação com outras, que estão fora de seu raio de cobertura, enviando assim suas mensagens para o
destino necessário através de componentes intermediários deste universo. Ao ser enviada a mensagem possui
uma identificação, a origem, o destino, a quantidade de informação enviada em bytes, e o tempo de vida,
sendo especificado pelo número de estações (saltos entre estações) que pode passar até atingir seu destino.
A simulação é realizada por etapas, sendo que em cada uma delas o simulador faz uma analise do
comportamento, do cenário verificando a localização atual de todas as estações, e calculando o estado atual
de cada pacote enviado por uma estação participante, se foi recebido com êxito, se esta ainda em processo de
entrega ou ocorreu um erro devido a uma falha, uma maior distância entre emissor e receptor devido ao
movimento, ou colisão entre vários pacotes, a Figura 7 mostra o aplicativo durante sua execução.
14
Figura 7 – Imagem do Simulador.
A ferramenta utilizada neste trabalho apresenta em sua configuração inicial, parâmetros pré-definidos
de cenário, definições de simulador, definições de pacote e definições de rota, que permitem analisar o
comportamento das redes Mesh, incluindo mobilidade para as estações participantes, no entanto em razão das
características especificas deste projeto, foram alterados alguns elementos deste perfil inicial. Estas
modificações no formato de execução da aplicação podem ser realizadas de duas formas, através da interface
gráfica, ou utilizando a linha de comando para inclusão de arquivos específicos a determinadas estações,
permitindo com este recurso, personalizar a sua forma de atuação.
Neste estudo foram utilizadas para efeito de simulação, as informações presentes no mapa
georreferenciado do local para demarcar a área do projeto e a localização de cada Aerogerador, visto que o
aplicativo permite definir o tamanho do cenário de 1400 m de largura por 2400 m de comprimento, e os
valores das coordenadas de localização das estações.
A quantidade de estações adicionadas corresponde ao número de Aerogeradores do projeto, baseado
na especificação de um AP por Aerogerador, não foram habilitadas opções de movimento destas estações.
Nas definições do simulador foram informados os valores calculados no caso do alcance do enlace de
323 m do multi rádio AP 7181, assim como a taxa de transmissão de dados de 54 Mbps. Nas configurações
de pacote foram definidos os limites do número de 5 saltos, ou seja, o tempo de vida do pacote, o limite do
tempo de repetição 0,05 segundos e o tamanho do buffer de retransmissão em 65536 bytes. Com relação às
tabelas de roteamento foram especificados os limites de tempo de expiração em 20 segundos e a contagem do
limite de repetição da tabela de roteamento em 2,0 segundos.
Os resultados da simulação de operação dos rádios AP-7181 estão exibido nas figuras 8, 9,10 e 11. É
conveniente destacar que nesta simulação não foi possível realizar configurações personalizadas dos rádios, o
que permite concluir que em aplicações reais deve ocorrer um aumento significativo no desempenho da rede
Mesh.
Conforme pode ser observado na Figura 8 referente ao gráfico do tráfego por tipo de pacote (Traffic
by packet type) 78,70% dos pacotes em transito foram pacotes de dados e apenas 15,19% foram pacotes de
requisições e respostas entre as estações, o que permite concluir o baixo índice de trafego de pacotes de
controle.
Figura 8 – Trafego por tipo de pacote.
15
Quanto ao número de pacotes por status de entrega (Packets count by delivery status) mostrado na Figura 9
deste trabalho é possível concluir que 72,35% dos pacotes foram entregues e ocorreram colisões em 27,65%,
índice este que pode ser alterado através de planejamento durante a configuração dos equipamentos.
Figura 9 – Numero de pacotes por status de entrega.
O gráfico representado pela Figura 10 onde mostra o rendimento na taxa máxima de transmissão
(Upper layer throughput) indica que apenas 0,17% dos pacotes foram transmitidos na taxa mínima 84
Kbits/s, 2,14% dos pacotes foram transmitidos na taxa media de 1125 Kbits/s, e o restante dos pacotes na
taxa máxima de 54 Mbps.
Figura 10 – Rendimento na taxa máxima de transmissão.
O gráfico visualizado na Figura 11 destaca os resultados obtidos, quanto ao tempo de atraso na
entrega dos pacotes (Packet delivery delay), foram obtidos durante a simulação valores de tempo de atraso de
zero em 0,04% dos pacotes e tempo de atraso médio de 4 ms em 7,67% dos pacotes enviados.
Figura 11 – Tempo de atraso na entrega de pacotes.
16
O restante dos pacotes enviados apresentou um valor de atraso 51 ms, sendo que este tempo está diretamente
relacionado ao tamanho do pacote, que no caso em analise foi especificado com tamanho médio de 64KB, no
entanto este valor durante aplicação real deve ser reduzido de forma significativa, considerando o tamanho do
pacote de controle do sistema SCADA ser inferior a 100 bytes.
4.3 Comparativo de custos
O método utilizado para o levantamento de custos de instalação da rede de comunicações do parque
eólico utiliza as recomendações de infraestrutura do Parque Eólico Experimental Sotavento (Espanha), que
recomenda a utilização de duas vias de fibra (TX / RX) por Aerogerador e quatro vias para backup, com
terminação de todas as fibras em DIO (Distribuidor interno óptico), permitindo assim o remanejamento de
canais de comunicação, em caso de defeitos de fibra óptica, extensões ópticas ou emendas.
Na formação dos custos de lançamento dos cabos ópticos, não estão presentes valores de escavações
para execução de fundações, remoções ou drenagens, foi considerado que durante estes trabalhos, para
instalação dos cabos transmissores de energia do parque eólico, foram planejados dutos paralelos para os
cabos ópticos, sendo o valor especificado no orçamento referente à passagem da fibra óptica nestes espaços.
A análise dos valores trata exclusivamente do anel de comunicação instalado entre os geradores,
definidos na fase inicial do projeto, conforme mostra a Tabela 3. Não esta incluída neste estudo a central de
controle do parque eólico, que por questões estratégicas de despacho de energia no sistema ainda não tem sua
localização definida, o que não impede a realização deste comparativo.
Item
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
Tabela 3 – Orçamento Anel Óptico
Material
Unid.
Quant.
Valor
Cabo Óptico SM-UB 24F
M
16000
R$ 11,01
DIO B48 Modulo Básico
CJ
44
R$ 290,95
Kit Bandeja de Emenda 24F
CJ
88
R$ 91,86
Kit de Ancoragem
CJ
88
R$ 43,26
Kit 3X Placas 08 Pos LC/SC PÇ
88
R$ 68,31
Ext. Óptica 06F LC/SPC
PÇ
352
R$ 236,25
Cordão Óptico
PÇ
1056
R$ 90,00
Media Converter
PÇ
22
R$ 419,00
Lançamento Cabo de Fibra
M
8000
R$ 10,00
Fusão de fibra Óptica
Unid.
2112
R$ 50,00
Certificação de Link
Unid.
48
R$ 15,00
Valor Total
Total
R$ 176.160,00
R$ 12.801,80
R$ 8.083,68
R$ 3.806,88
R$
6.011,28
R$ 83.160,00
R$ 95.040,00
R$ 9.218,00
R$ 80.000,00
R$ 105.600,00
R$
720,00
R$ 580.601,64
A Tabela 4 apresenta a solução de rede de comunicação sem fio, que utiliza o multi rádio AP 7181
que possui duas portas auto sensing 10/100/1000 Base-T ethernet. Para que o padrão de comunicação seja
semelhante nos dois sistemas foi incluído no levantamento de valores do anel óptico um media coverter 1000
Mbps, conversor de mídia de sinais ópticos para sinais elétricos padrão ethernet a ser instalado no rack de
cada Aerogerador.
Item
01
02
Material
Rádio AP 7181
Valor Total
Tabela 4 – Rede Mesh
Unid.
Quant.
Valor
Total
PÇ
22 R$ 23.030,72 506.667.84
506.667.84
Com base nos dados apresentados nas Tabelas 3 e 4 pode-se obter uma economia nos custos de
aproximadamente 12% na implantação de redes de comunicação sem fio em relação às redes cabeadas com
fibra óptica, além dessa vantagem econômica, outros fatores devem ser analisados. O parque eólico esta
localizado em área de difícil acesso, no interior do município, distante, mas de 30 km, da sede, cidade esta
que não possui empresas atuando na área de cabeamento óptico, o que implica em buscar empresas em outros
municípios, em caso de necessidade de manutenção, causando paradas e atrasos de funcionamento.
Os custos de equipamentos de fusão em fibra óptica, e a necessidade de mão de obra especializada
não justificam a aquisição de uma maquina de fusão para manutenção do anel óptico, em função do reduzido
17
números de emendas a realizar e a consequente defasagem tecnológica do equipamento. Outro fator
determinante nesta comparação e o tempo de identificação de defeitos em redes ópticas, em contrapartida a
solução que utiliza o multi rádio AP 7181, possui um monitoramento remoto continuo do estado de
funcionamento do aparelho, o que determina diagnósticos rápidos e eficientes.
Ainda que este equipamento apresente defeito, sua substituição pode ser realizada em
aproximadamente 30 minutos, serviço este executado por funcionários de manutenção com breve
treinamento, desde que configurado de forma antecipada. Outro diferencial deste produto, esta no fato de
operar de forma dual (duas frequências), ou seja, em caso de defeito de operação em uma frequência pode
funcionar na outra frequência e manter a comunicação ainda que, de forma temporária.
5
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho apresenta um estudo de viabilidade onde propõe substituir a infraestrutura da rede de
comunicações de um parque eólico em fase de instalação no município de Piratini, no projeto atual esta rede
esta baseada em links ópticos, ocorre que, a área de instalação apresenta dificuldades técnicas decorrentes do
perfil geológico e a presença de construções protegidas pelo patrimônio histórico. Além destes fatores, as
deficiências características dos sistemas de comunicação baseados em enlaces ópticos como, falta de
escalabilidade e exigência de equipamentos específicos para sua manutenção.
O artigo propõe substituir este sistema por redes de comunicação sem fio, utilizando equipamentos
com o conceito Mesh , também conhecido como redes malha, a escolha desta solução esta baseada na
facilidade de instalação, considerando a possibilidade de instalar o ponto de acesso na própria torre dos
aerogeradores, com elevada abrangência, segurança e alta capacidade de trafego de dados, além do
crescimento da rede na medida de suas necessidades.
Durante o estudo de viabilidade foram analisados alguns produtos que utilizam este conceito, sendo
especificado o Multi Rádio AP-7181 do fabricante Motorola, vários motivos definiram esta escolha,
inicialmente por ser homologado pela ANATEL, tecnicamente atender as necessidades do projeto, e o
fabricante possuir extensa rede de distribuição e suporte técnico. Também foram realizados cálculos de
enlace baseados em informações decorrentes de levantamentos geomaticos na área do parque eólico e
características técnicas do rádio, onde foi possível confirmar a eficiência do sistema proposto com elevada
margem de segurança de operação até mesmo em condições climáticas adversas.
Com a utilização neste trabalho de software especifico de simulação do funcionamento de redes
Mesh, utilizando os dados do projeto, foi possível analisar o trafego de pacotes na rede e seu comportamento
permitindo com isso obter o perfil de funcionamento da rede de comunicações.
Por fim foi realizado um estudo de viabilidade financeira, onde foi possível verificar o menor custo
de instalação da infraestrutura Mesh, esta analise foi realizada tomando como base somente a substituição do
enlace óptico por redes sem fio, no entanto com a especificação do rádio AP-7181 foi inserida no sistema
uma robusta plataforma de gerenciamento e operação, com suporte a segurança, criptografia, trafego de
dados, entre outros. A rede baseada em fibras ópticas não contempla estes serviços, sendo necessária a
aquisição de ativos adicionais para sua aplicação, elevando os seus custos de instalação.
Este trabalho inicialmente busca contribuir apresentando uma solução de menor custo, com maior
funcionalidade e facilidade de instalação, no entanto contribui também quando propõe métodos de instalação
que preservam o meio ambiente num local de biodiversidade acentuada, evitando abertura de valas em áreas
de solo rochoso, muitas vezes com a necessidade de explosões que determinam o afastamento de espécies
animais nativas.
A preservação das históricas cercas de pedra, presentes na área do parque eólico, pode ser vista como
outra contribuição do trabalho, considerando que qualquer atividade relacionada a estas construções necessita
de estudos e laudos específicos conforme determinação dos órgãos de preservação do patrimônio histórico.
Este estudo de viabilidade estaria incompleto se não estivesse presente uma contribuição social e de melhoria
das condições de vida dos moradores da localidade, até por que, este é um dos protocolos exigidos pela ONU
(Organização das Nações Unidas) para aquisição de créditos de carbono decorrentes da produção de energias
limpas.
18
Considerando a área de cobertura da rede Mesh e as características técnicas do Rádio AP-7181 que
opera de forma simultânea em frequências de 2,4 GHz e 5 GHz, incluindo a possibilidade de instalação de
até 16 WANs (Wireless Local Area Network) e VPN (Virtual Private Network) é possível afirmar que existem
condições técnicas após a conclusão da instalação do parque de fornecer acesso a serviços de voz e internet
aos moradores da localidade, permitindo com isso inclusão digital.
O atual cenário de produção de energia eólica com a instalação de novos parques no estado gera
otimismo no desenvolvimento de novas pesquisas, relacionadas à automação e monitoramento dos parques
com o desenvolvimento de sensores utilizando sistemas abertos, dispensando a aplicação de conversores de
padrões e protocolos. Outra área que desperta atenção são os atuais sistemas de comunicação utilizados no
interior do parque eólico, onde o responsável pela manutenção recebe uma mensagem SMS (Short Message
Service) comunicando a necessidade de intervenções de manutenção, enviada por um sistema de controle
instalado à kilômetros de distância do parque, este método mostra fragilidade por sua dependência da
infraestrutura de provedores de serviços de Telecom.
AGRADECIMENTO(S)
Inicialmente a Deus, a minha família pela compreensão, a meus professores pelos ensinamentos, a
meus colegas de graduação e colegas de trabalho.
6
REFERÊNCIAS
ALENCAR, Marcelo Sampaio De. Sistemas de comunicações. São Paulo: Érica, 2001, 298 p.
COSTA, Rafael Alves da. CASSOTI, Bruna Pretti. AZEVEDO, Rodrigo Luiz Sias de. Um Panorama da
Indústria de Bens de Capital Relacionados à Energia Eólica. Disponível em:
<http://www.bndes.gov.br/SiteBNDES/bndes/bndes_pt/Institucional/Publicacoes/Consulta_Expressa/Setor/B
ens_de_Capital/200903_07.html>. Acesso em: 29 mai. 2011.
CHESF-BRASCEP, 1987. Fontes Energéticas Brasileiras, Inventário/Tecnologia. Energia Eólica.
V.1 De cata-ventos a aerogeradores: o uso do vento, Rio de Janeiro, RJ.
CONNER, Steve. GRYDER, Roxane, 2004. Redes, Telecom e Instalações. Revista Técnica de Voz, Dados
e Imagem. São Paulo: Nº 47, 2004.
FELICE, Fernando. Analise do Desempenho de Enlaces Ponto-a-Ponto utilizando a faixa de Frequência
não Licenciada de 2,4GHz em tecnologia spread spectrum. Curitiba: UFPR, 2005. Dissertação (Mestrado)
– Universidade Federal do Paraná, 2005.
FLANNERY, Tim F.. Os Senhores do Clima. 2ª ed. Rio de Janeiro: Editora Record, 2008, 311 p.
GAUSHELL, D. J., BLOCK, W. R. SCADA communication techniques and standards.
IEEE Computer Applications in Power, New York, IEEE Power & Energy Society v.1, 1993.
GRIMONI, Jose Aquiles Baesso; GALVAO, Luis Cláudio Ribeiro; UDAETA, Miguel Edegar Morales.
Iniciação a Conceitos de Sistemas Energéticos para o Desenvolvimento Limpo. Sao Paulo; Edusp,
2004. 312p.
GRUET, Rémi. Wind energy to play crucial role in international climate agreement. Wind Blatt Enercon
Magazine for Wind Energy. Aurich, Alemanha, ENERCON GmbH, p.20, jan. 2010.
IFC. Informações do Inventario Florestal Continuo. Disponível em:
<http://coralx.ufsm.br/ifcrs/relevo.htm> Acesso em: 29 mai. 2011
JARDIM, Fernando de Moraes. Treinamento Avançado em Redes Wireless. São Paulo: Digerati Books,
2007. 128 p.
MICHALAK, Edson Jaime. Manutenção Preditiva: análise de vibrações. Revista Mecatrônica Atual. São
Paulo: Editora Saber, nº 39, 2008.
OSTRANDER, Steve. Texto biográfico referente à Charles F. Brush. Disponível em:
<http://www.greenenergyohio.org/page.cfm?pageld=341>. Acesso em: 29 mai. 2011.
19
PINHO, Antonio M. Gestão de Projetos de Parques Eólicos: Contribuições para melhoria do processo.
Porto: Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. 2008. Dissertação (Mestrado Integrado em
Engenharia Civil), Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. 2008. Disponível em: <
http://paginas.fe.up.pt/~jmfaria/TesesOrientadas/MIEC/GestaoProjectParqEolicos.pdf>. Acesso em: 04 mai.
2011.
PINTO, Alan Kardec; NASCIF, Júlio. Manutenção: função estratégica: 2. ed. Rio de Janeiro:
Qualitymark, 2001. 341 p.
RÜNCOS, F., Carlson, R., Kuo-Peng, P., Voltolini, H. e Batistela, N.J. Características, vantagens e
desvantagens das atuais tecnologias. Revista Eletricidade Moderna. São Paulo: Aranda Editora, nº373,
2005.
SCHULTZ, D. J., Amarante, O.A.C., Rocha, N.A., Bittencourt, R.M. e Sugai, M. R.V. B.
Sistemas Complementares de Energia Eólica e Hidráulica no Brasil. Revista Técnico-Científica da Área de
Energia. Paraná: COPEL, nº3, 2005.
Soyinca, Wale.Wireless Network Administration: A Beginner’s Guide. McGraw-Hill, 2010. Toronto,
Canada. 336 p.
SOTAVENTO, Parque Experimental. Informe descritivo Melhora na Rede de Comunicações e
Reestruturação de Armários, 2010. Disponível em:
<http://www.sotaventogalicia.com/area_tecnica/documentacion.php> Acesso em: 05 jun.20011.
THIENNE, M. Johnson. Texto técnico referente à Rede de sensores sem fio. Disponível em:
< http://www.wirelessbrasil.org/wirelessbr/colaboradores/thienne_johnson/rssf-intro.htm>. Acesso em: 05
jun.20011.
TOLEDO, Adalton Pereira de. Redes de acesso em telecomunicações : metálicas; ópticas; hfc; estruturadas;
wireless; xdsl; wap; ip; satélites. São Paulo: Makron, 2001. 167 p.
20