Gestão de Energia Elétrica Residencial Controlada por
Dispositivos Eletrónicos via Radiofrequência
Luis Gomes, Marco Silva, Filipe Fernandes, Pedro Domingues, Sérgio Ramos, Zita Vale
ISEP - Instituto Superior de Engenharia do Porto
GECAD - Grupo de Investigação em Engenharia do Conhecimento e Apoio à Decisão
Politécnico do Porto
Porto, Portugal
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Resumo — Nas últimas décadas o mundo tem-se desenvolvido a
um ritmo estonteante a nível tecnológico, motivado pelo
crescimento económico e social. A interação entre as pessoas e as
habitações tem vindo progressivamente a sofrer alterações, com
a introdução, por exemplo, de sistemas de domótica. Contudo,
esta interação permite, ainda, a introdução de novas tecnologias.
Este trabalho propõe um sistema de gestão de energia elétrica de
instalações residenciais com base no desenvolvimento de todo
um sistema de dispositivos eletrónicos com comunicação via
radiofrequência. O sistema proposto permitirá adaptar as
instalações tradicionais em instalações inteligentes sem a
necessidade de alteração das infraestruturas existentes,
adaptando-a para os ambientes de Smart Grids que cada vez
mais se tornam uma realidade.
Palavras chave — controlador de cargas;
eletrónicos; gestão de energia; radiofrequência.
I.
dispositivos
INTRODUÇÃO
Atualmente as tecnologias de informação e controlo
encontram-se disseminadas por todo o nosso quotidiano. A
interação com os dispositivos de comunicações tem vindo a
sofrer significativas evoluções, contudo a interação com as
habitações continua, na sua maioria, semelhante à que tem
sido vivida há décadas. A introdução da domótica veio, numa
fase inicial, propor uma nova interação com os equipamentos
elétricos, possibilitando aos seus utilizadores o controlo das
instalações à distância [1].
A domótica surgiu primariamente com conceitos e
métodos invasivos para as instalações, obrigando a
modificações estruturais e custos muitas vezes avultados.
Porém, a par da evolução tecnológica surgem novos métodos
de controlo e comunicação, tais como os protocolos Z-Wave e
ZigBee [2], que possibilitam o controlo de cargas à distância,
acabando com a necessidade de alteração da infraestrutura da
instalação existente.
O protocolo de comunicação Z-Wave, específico para
eletrodomésticos, não possui o grau de segurança de dados
que o protocolo de comunicação ZigBee detém [3]. Por esse
motivo, o sistema proposto neste trabalho utiliza o protocolo
ZigBee, embora no futuro possa vir a acomodar o protocolo Z-
Wave com a implementação de encriptação nas comunicações
para assegurar a integridade do sistema.
Atualmente existem outros produtos, tais como o
MeterPlug [4] ou os produtos concebidos pela FIBARO [5],
que monitorizam e controlam cargas. O MeterPlug é um
dispositivo de controlo de cargas que requer sempre a
interação humana, não possuindo autonomia capaz de realizar
a gestão da carga em função de critérios previamente
definidos. Os produtos concebidos pela empresa FIBARO
possuem inúmeros sensores e dispositivos, que permitem
soluções de controlo e gestão evoluídas, no entanto o fator
económico poderá ser, ainda nesta fase uma desvantagem.
O objetivo principal do sistema proposto é dotar a
instalação residencial com “inteligência” na gestão da energia,
com baixo custo e, concomitantemente, não invasivo para a
infraestrutura existente. De facto, uma das grandes vantagens
da instalação do sistema proposto é a facilidade da sua
implementação e utilização. Neste sentido, a constituição do
sistema baseia-se na utilização de dispositivos eletrónicos,
com comunicação via radiofrequência, geridos por um
servidor responsável pela monitorização e controlo dos
dispositivos eletrónicos.
O presente documento encontra-se dividido em cinco
secções distintas. A seguir à presente secção de introdução
surge a secção II em que é apresentado o sistema proposto. Na
secção III é enunciada a composição e funcionalidades dos
dispositivos eletrónicos. A secção IV apresenta as
componentes de software do trabalho. Para finalizar, a secção
V contém as principais conclusões e descreve algumas
melhorias que poderão ser aplicadas ao sistema.
II.
SISTEMA DE GESTÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
RESIDENCIAL
Este trabalho visa o desenvolvimento e implementação de
um sistema capaz de transformar instalações residenciais
tradicionais em instalações “inteligentes” de uma forma não
invasiva e economicamente viável. A componente eletrónica
necessária para o desenvolvimento de dispositivos capazes de
gerir e controlar as cargas da instalação, e as
radiocomunicações que asseguram as comunicações entre
dispositivos, sem que exista a necessidade de alterar a
estrutura das instalações, são dois aspetos essenciais e críticos
para o sucesso do sistema proposto.
O sistema propõe a existência de dispositivos capazes de
substituir, por exemplo, uma tomada de energia elétrica e/ou
um interruptor simples, por tomadas e interruptores que
permitam controlar e monitorizar as cargas a eles ligadas. Por
sua vez, estes dispositivos comunicam com um server
(servidor) capaz de analisar o estado atual de todos os
dispositivos associados a ele. A interação do utilizador com o
server pode ser realizada através de uma interface
desenvolvida para uma aplicação móvel. Esta interface pode
ser aplicada e adaptada para outras aplicações móveis
existentes no mercado. A Figura 1 apresenta um cenário real
para o sistema proposto, onde apresenta os vários dispositivos
de comunicação e a aplicação móvel para o controlo e
monitorização das cargas.
Figura 1. Representação de um cenário real do sistema proposto
O server do sistema permite o controlo das cargas segundo
ordens dos utilizadores e, ainda, contribuir para a otimização
do consumo total das cargas, permitindo uma redução nos
custos com o consumo de energia elétrica da instalação. A
capacidade de otimização do consumo total aliada ao controlo
e monitorização das cargas através dos dispositivos
eletrónicos tornam-se fundamentais para o conceito de Smart
Grids e programas de Demand Response [6]. O conceito de
Smart Grid está de momento em ênfase devido a este ser o
caminho a tomar no que toca a redes de distribuição de
energia elétrica [7]. Este conceito assenta no uso eficiente da
energia elétrica suportada na gestão da procura, na aposta nas
energias renováveis e na produção distribuída, reforçando o
papel do consumidor/produtor e a capacidade de integrar e
gerir todos os seus recursos.
III.
DISPOSITIVOS ELETRÓNICOS DE MONITORIZAÇÃO E
CONTROLO
O trabalho apresentado neste documento diz respeito a um
sistema de controlo de cargas elétricas possibilitando a
interação entre o utilizador e a instalação elétrica, com suporte
a uma rede de dispositivos eletrónicos (sensores e atuadores) e
um servidor.
A escolha e implementação dos dispositivos eletrónicos
revela-se como uma das fases cruciais do trabalho. Com
efeito, o seu desenvolvimento teve em consideração três
aspetos fundamentais:

Fiabilidade dos sensores;

Minimização do custo de fabrico;

Facilidade de integração nas cargas, sem
necessitar da alteração da instalação existente.
Efetivamente, o aumento da fiabilidade é inversamente
proporcional à minimização do custo de fabrico dos
dispositivos eletrónicos. Assim, privilegiou-se a escolha de
dispositivos eletrónicos que assegurassem boa fiabilidade de
serviço, nomeadamente a ausência de falhas na comunicação e
leituras precisas.
Um dos aspetos importantes deste sistema proposto é a
possibilidade de adaptação a qualquer instalação elétrica já
existente sem a necessidade da sua modificação. Para tal,
adotou-se o uso de radiocomunicações entre os diversos
dispositivos eletrónicos de modo a evitar quaisquer reformas
estruturais na instalação elétrica evitando-se, assim, custos
acrescidos na implementação do sistema proposto.
A escolha do protocolo ZigBee como via de comunicação
deve-se à segurança e fiabilidade que este proporciona ao
sistema. O componente usado para as comunicações com
protocolo ZigBee foi um módulo XBee, conforme ilustrado na
Figura 2. Este componente tem a vantagem de possuir portas
de entrada e saída que podem ser usadas pelos dispositivos
evitando, assim, o uso de um microcontrolador. A não
utilização de um microcontrolador torna o dispositivo mais
barato, mas nem sempre é possível evitá-lo, designadamente
quando é necessária programação no dispositivo. Um outro
aspeto favorável à utilização do módulo XBee é o facto de
este possuir um consumo de corrente muito baixo e de passar
ao modo stand by sempre que não estiver em funcionamento
permitindo, deste modo, ter um impacto irrelevante no
consumo total de energia elétrica da instalação.
Afim de se proceder ao controlo de potência de carga, isto
é, variação do valor de potência, é necessário a deteção da
passagem por zero (zero-crossing) da corrente AC implicando,
assim, o uso de um microcontrolador capaz de detetar esta
passagem e conseguir manusear o TRIAC de modo a controlar
o fluxo de potência da carga. A Erro! Fonte de referência
não encontrada. ilustra o esquema eletrónico do dispositivo
desenvolvido neste trabalho. O circuito da Figura 2 possui os
módulos:

Controlador de cargas – com o uso de um
TRIAC, este módulo permite controlar o fluxo de
potência da carga a ele ligada;

Microcontrolador – essencial para coordenar a
totalidade dos módulos presentes no circuito;

Módulo XBee – este módulo funciona como meio
de comunicações entre o microcontrolador e a
central (server) do sistema;

Regulador de 230V AC para 5V DC – permite
que o circuito seja diretamente conectado a
230V/50Hz AC;

Regulador de 5V DC para 3,3V DC – apesar de a
maioria do circuito funcionar a 5V DC, o módulo
XBee necessita de uma alimentação de 3V DC,
assim, este módulo vem permitir a alimentação
do XBee;

Sensor de corrente – é neste módulo que as
leituras de corrente são efetuadas, os seus valores
são enviados para o microcontrolador do circuito;

Zero-Crossing – a deteção de passagem por zero
da rede elétrica é essencial para que se proceder
ao controlo de fluxo de potência da carga.
Figura 2 – Esquema elétronico do dispositivo desenvolvido para o sistema
Dado que este dispositivo está preparado para ser
conectado diretamente a 230V/50Hz AC, possibilita a sua
colocação em qualquer tomada ou interruptor da instalação
elétrica. A sua capacidade de comunicação via
radiocomunicação permite uma instalação que não seja
invasiva para a estrutura da instalação. O dispositivo foi
desenvolvido para poder ser acomodado no interior de
interruptores e tomadas, aproveitando espaço disponível no
interior da caixa de aparelhagem funda. Este conceito vem
permitir que o utilizador equipe a sua casa por etapas ao ritmo
que desejar, possibilitando reduzir custos iniciais de
instalação, podendo mesmo usar o sistema apenas para cargas
prioritárias da instalação.
Com intuito de se proceder ao controlo dos dispositivos,
este trabalho proposto possui uma central capaz de lidar com
todas as comunicações. Esta central encontra-se desenvolvida
a nível de software, usando a linguagem Java, e apenas
necessita de um módulo XBee e um Shield USB para
acomodar o módulo.
Este sistema permite ainda recolher medições ambientais
tais como temperatura, humidade, luminosidade, movimento e
leitores de identificação por radiofrequência (RFID1), para
identificar que utilizador se encontra dentro da instalação. Esta
informação é recolhida através de sensores apropriados e
1
Radio-Frequency IDentification
enviada para a central, devidamente conectados por porta
série.
interagir com cada carga individualmente ou optando por
efetuar uma otimização total das cargas na instalação.
Este tipo de informação é bastante profícua com vista à
implementação de algoritmos de otimização que, em função
do perfil de utilização do consumidor, permitirá estabelecer
critérios de utilização das diversas cargas elétricas visando à
redução do consumo de energia elétrica da instalação. Estes
algoritmos serão incorporados no servidor e dotarão, assim, o
sistema com inteligência artificial.
As otimizações existentes no sistema integram o uso de
redes neuronais artificiais para poderem produzir uma
otimização segundo os interesses e níveis de conforto dos
utilizadores presentes na instalação [9]. O SHIM conta
atualmente com três métodos de otimização:
IV.
SISTEMA SHIM
A central dos dispositivos é designada por SCADA de
Gestão Inteligente da Casa (SHIM2) e foi desenvolvida tendo
em vista a gestão e controlo do consumo de cargas elétricas
dentro de uma instalação. Este sistema funciona com o auxílio
de um servidor que gere e controla todos os dispositivos
inerentes à instalação [8].
O SHIM é controlável através de uma aplicação móvel
desenvolvida especialmente para acomodar as suas
funcionalidades. Esta aplicação móvel encontra-se na sua fase
de prototipagem e até à data apenas se encontra otimizada para
ser executa em dispositivos de 10,1 polegadas com 1280x800
de resolução.
Na Figura 3, encontra-se a imagem do ecrã principal
existente na aplicação móvel desenvolvida. No lado direito do
ecrã encontram-se as informações mais relevantes da
instalação, sempre visível ao utilizador.
O painel lateral direito contém as seguintes informações:
Dia da semana; Hora; Temperatura interna da instalação;
Temperatura externa da instalação; Estação do ano; Número e
localização das pessoas dentro da instalação; Luminosidade
que se faz sentir dentro da instalação; Existência de limites de
consumo (campos Offset e Continuous); Possibilidade de
existência de algum evento Demand Response a ocorrer;
Consumo total da instalação; Energia total a ser produzida na
instalação; Existência de veículos elétricos.
 Otimização instantânea – este tipo de otimização
é atuada uma única vez e visa, fundamentalmente,
atuar sobre um conjunto de cargas que respeitem
critérios previamente estabelecidos;
 Otimização por Offset – neste tipo de otimização
são previamente estabelecidos limites de consumo
de energia elétrica, e o sistema vai de uma forma
sistemática monitorizando os consumos de
energia e procurando adaptar o consumo de
energia elétrica aos limites estabelecidos, sempre
que possível;
 Otimização contínua – este tipo de otimização é
em tudo semelhante à otimização por Offset, com
a principal diferença de além de desligar também
permite a sua ligação.
A Figura 4 apresenta um exemplo da utilização da
aplicação móvel para a gestão de cargas. Aqui, o utilizador
pode consultar o estado das cargas (ligadas ou desligadas) o
consumo atual de cada equipamento e pode variar, em certas
cargas, o valor de consumo de potência. No exemplo
demonstrado na Figura 4 as três cargas centrais representam
três equipamentos de ar condicionado cujo consumo pode ser
variável. Esta variação pode ser controlada nas barras azuis de
baixo de cada carga variável (estes objetos são designados por
seekbars).
A conjugação entre o sistema SHIM e o dispositivo
eletrónico, apresentado na secção anterior, promovem
inúmeras funcionalidades para a gestão e interação entre as
pessoas e as suas instalações.
Figura 3. Aplicação móvel para controlo do sistema SHIM
A aplicação desenvolvida permite ao utilizador visualizar
o estado da instalação e de cada carga, podendo mesmo
2
SCADA House Intelligent Management
Figura 4. Gestão de cargas no sistema móvel
Neste trabalho proposto, o sucesso desta interação é
alcançado com a utilização de radiocomunicações entre os
diversos dispositivos, de forma a todo o sistema poder
comunicar em plena sintonia.
V.
CONCLUSÃO
O trabalho proposto neste documento visa a
implementação de um sistema capaz de contribuir para a
redução do consumo de energia elétrica em instalações
residenciais. Este sistema poderá receber ordens diretamente
do utilizador bem como receber pedidos de Demand Response
por parte dos operadores, inserindo-se numa lógica de Smart
Grids.
O sistema proposto apresenta todo um conjunto de
sensores/atuadores que comunicam via radiofrequência com
um server central. Por sua vez, este server comunica também
com os diversos dispositivos eletrónicos (via radiofrequência)
de forma a alterar o seu estado de funcionamento
(ligado/desligado), assim como possibilitar o controlo do valor
da potência consumida por certas cargas.
Este conceito de comunicação entre dispositivos apresenta
a vantagem de não necessitar de alterações à instalação
existente, nomeadamente na abertura de roços nas paredes, ou
colocação de calhas de rodapé para a passagem de cabelagem.
A nível de aplicabilidade o sistema tem o benefício de permitir
que o utilizador transforme progressivamente a sua instalação,
de forma a minimizar o custo inicial.
Dado que a comunicação entre os dispositivos é realizada
via radiofrequência é imperativo a salvaguarda da informação
transmitida. Assim a encriptação e segurança de dados é um
aspeto primordial a ter em conta neste trabalho.
A segurança de comunicações é salvaguardada pela
utilização do protocolo ZigBee, que torna o sistema mais
robusto e fiável para a aplicação habitacional. O sistema
proposto permite ainda a passagem das instalações
tradicionais para a integração participativa em ambientes de
Smart Grids. O uso de uma central gestora dos dispositivos
vem dotar a instalação de mecanismos automáticos e
inteligentes capazes de tomar decisões, aspeto fulcral nos
programas de Demand Response.
O custo de implementação deste sistema pode ainda ser
minimizado propondo que as comunicações possam ser
efetuadas através do protocolo Z-Wave. A utilização deste
protocolo fará parte de uma etapa futura deste trabalho, o qual
privilegiará a integridade e segurança das comunicações deste
sistema, com base na aplicação de técnicas convenientes de
encriptação nas comunicações de dados.
REFERENCIAS
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[2]
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short range wireless sensor network on high density
[4]
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L. Gomes, P. Faria, H. Morais, Z. Vale, C. Ramos, “Distributed
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Tóquio, Japão, 01-04 de Julho de 2013.
L. Gomes, F. Fernandes, T. Sousa, M. Silva, H. Morais, Z. Vale, C.
Ramos, “Contextual intelligent load management with ANN adaptive
learning module”, International Conference on Intelligent System
Applications to Power Systems (ISAP), Hersonissos, Crete, Grécia,
25-28 de Setembro de 2011.
BIOGRAFIAS
Luis Gomes recebeu o grau de licenciado em Engenharia Informática no
Instituto Politécnico do Porto (ISEP/IPP), Portugal em 2009. Atualmente é um
Investigador Assistente no GECAD - Grupo de Investigação em Engenharia
do Conhecimento e Apoio a Decisão do ISEP/IPP. As suas atividades atuais
de investigação estão focadas em simulação com apoio de sistemas
multiagente e em Técnicas de Aprendizagem.
Marco Silva recebeu o grau de licenciado em Engenharia Elétrica no Instituto
Politécnico do Porto (ISEP/IPP), Portugal em 2007. Atualmente é um
Investigador Assistente no GECAD - Grupo de Investigação em Engenharia
do Conhecimento e Apoio a Decisão do ISEP/IPP. As suas atividades atuais
de investigação estão focadas em Redes Elétricas Futuras com intensiva
utilização de Produção Distribuídas.
Filipe Fernandes recebeu o grau de licenciado em Engenharia Elétrica no
Instituto Politécnico do Porto (ISEP/IPP), Portugal em 2009. Atualmente é
um Investigador Assistente no GECAD - Grupo de Investigação em
Engenharia do Conhecimento e Apoio a Decisão do ISEP/IPP. As suas
atividades atuais de investigação estão focadas em sistemas de Gestão de
Energia aplicados a Consumidores Finais.
Pedro Domingues é finalista da licenciatura em Engenharia Eletrotécnica e
de Computadores no Instituto Politécnico do Porto (ISEP/IPP). Atualmente
encontra-se a desenvolver o projeto final de curso no GECAD - Grupo de
Investigação em Engenharia do Conhecimento e Apoio a Decisão do
ISEP/IPP.
Sérgio Ramos é professor assistente no Instituto Politécnico do Porto
(ISEP/IPP) e investigador no GECAD - Grupo de Investigação em
Engenharia do Conhecimento e Apoio a Decisão do ISEP/IPP. Os seus
principais interesses de investigação incluem a operação de Mercados
Elétricos e as Instalações Elétricas. Recebeu o grau de Mestre em 2006 no
Instituto Superior Técnico em Lisboa, Portugal. Atualmente é aluno de
doutoramento no Instituto Superior Técnico em Lisboa, Portugal.
Zita A. Vale (SM’10 M’93 S’86) é diretora do Grupo de Investigação em
Engenharia do Conhecimento e Apoio a Decisão (GECAD) e professora no
Instituto Politécnico do Porto (ISEP/IPP). Recebeu o diploma de Engenharia
Elétrica em 1986 e doutoramento em 1993, ambos pela Universidade do
Porto. Seus principais interesses de investigação são a aplicação de
Inteligência Artificial na operação e controlo dos Sistemas Elétricos, os
Mercados Elétricos e a Geração Distribuída.