Hoje em dia, a crescente necessidade de gerir e supervisionar equipamentos elétricos ou processos industriais está a levar à necessidade de novos dispositivos com a capacidade de facilitar esta complicada tarefa. De um dispositivo deste género espera-se que este seja capaz de reduzir ou eliminar a necessidade de um operador local e que permita ser acedido e controlado remotamente, bem como adicionar novas funcionalidades ao sistema onde irá ser integrado. O objetivo desta dissertação será desenvolver um protótipo de um dispositivo que satisfaça as necessidades enunciadas anteriormente. [1]

Uma vez que esta dissertação está diretamente relacionada com sistemas de Monitorização de Energia Elétrica é relevante conhecer o atual estado do sistema de produção, transporte e consumo de energia elétrica. A rede elétrica encontra-se em mudança a vários níveis, com destaque nos locais de produção de energia. Contrariamente ao que tem vindo a acontecer nos últimos 100 anos, atualmente, a energia elétrica pode ser produzida um pouco por todo lado a partir de diversas fontes, inclusive fontes renováveis. As consequências das mudanças na rede elétrica levam à necessidade de instalação de sensores, equipamentos de monitorização e sistemas de comunicação em diversos pontos da rede para uma melhor gestão da mesma. A infraestrutura resultante das novas necessidades da rede elétrica é definida pelo conceito de Smart Grid ou rede inteligente. [2]

Os vários equipamentos instalados numa Smart Grid permitem obter informações em tempo real de diferentes pontos da rede elétrica. O fluxo de informação resultante dos equipamentos constituintes da rede elétrica permite, por exemplo, a obtenção em tempo real, dos registos dos contadores de energia elétrica, sem a necessidade de deslocar um estafeta ao domicílio do cliente. Este é um processo que após ser otimizado, tanto a concessionária como os clientes ficam a ganhar, neste caso a concessionária pode, com base nos consumos dos seus clientes, prever padrões de consumo. Por sua vez, o cliente pode consultar e gerir os seus hábitos de consumos. [3]

Ao ser introduzido um nível de comunicação entre os vários equipamentos presentes na rede elétrica, como acontece numa Smart Grid, é necessário ter em conta questões de segurança relativas à comunicação entre os vários dispositivos e pontos da Rede. Especialmente importantes são os problemas de segurança entre os vários elementos.

Para concluir, uma configuração ótima da rede elétrica depende da presença de extensas redes de comunicação, energia elétrica, controlo e monitorização contínua e mecanismos que garantam a fiabilidade e segurança de toda a infraestrutura. [4]

Nos últimos anos, as capacidades e níveis de integração de Field Programmable Gate Array (FPGA) tem vindo a aumentar, novas aplicações para Smart Grids têm surgindo incorporando FPGAs para substituir os Digital Signal Processing (DSP), ou os Central Processing Unit (CPU) ou outros periféricos, proporcionando maior fiabilidade, facilidade de manutenção e redução de custo. Os DSPs foram as soluções estandardizadas para sistemas de controlo em tempo real durante a última década. Atualmente, sistemas baseados em microcontroladores e FPGA conseguem ser tecnologicamente competitivos. [4]

Numa FPGA, além de atualizações de Software, é exequível que os desenvolvedores também tenham flexibilidade para atualizar o Hardware conforme os requisitos do sistema mudam. Os sistemas de controlo são uma das principais partes de qualquer equipamento. O controlador deve proporcionar um poder de processamento adequado para a implementação do algoritmo que irá controlar o hardware. [5] Desenvolver um sistema de controlo fiável é um processo demorado. É neste ponto, que o uso de FPGA se torna uma vantagem. Graças à natureza flexível de uma FPGA, é possível realizar prototipagem rápida e direcionada ao produto final. Estas características são então uma mais-valia no desenvolvimento destes sistemas. [6]

O objetivo desta dissertação consiste em desenvolver um protótipo de um dispositivo para que este possa ser integrado numa Smart Grid. Mais especificamente, o objetivo é que o dispositivo seja acoplado a um monitorizador de energia elétrica e estabeleça uma interface entre o monitorizador e um serviço de controlo remoto (por exemplo, um website).

O dispositivo deverá recolher os dados vindos do monitorizador. Estes dados serão o input do sistema de controlo, como output, esperam-se avisos ou pedidos de atuação sobre equipamentos.

O output pode ser local, atuando diretamente num determinado equipamento, ou remotamente, alertando uma entidade responsável. Por sistema de controlo, entende-se que este seja um sistema inteligente que relacione os dados obtidos pelo input através parâmetros previamente definidos de modo a obter um output. Por outro lado, o dispositivo poderá receber informação da rede e atualizar os parâmetros do sistema.

O dispositivo será desenvolvido em FPGA, esta decisão deve-se ao facto de haver necessidade de desenvolver um dispositivo moldável e compatível com diversos equipamentos, isto é, equipamentos presentes na rede elétrica com os quais este possa ser conectado.

Do ponto de vista do hardware, este pode ser constituído por diferentes interfaces de comunicação de input e output (ethernet, rs-232, spi, etc.). Diferentes fontes de informação formam o input do sistema, podem ser, entre outros, sensores e monitorizadores ligados à rede elétrica. O output do sistema também poderá ser direcionado para um determinado equipamento físico ou na forma de um alerta enviado pela rede de comunicações, daí a necessidade de uma plataforma de desenvolvimento versátil.

Do ponto de vista do software, os dados recebidos podem assumir formatos e protocolos de comunicação bastantes diferentes de equipamento para equipamento. Assim, trabalhar com FPGAs permite adaptar o sistema tanto em software como em hardware às necessidades encontradas.

Concretamente o trabalho que se pretende desenvolver, consiste em usar alguns monitorizadores de energia elétrica, provavelmente 3, e usar o dispositivo desenvolvido para processar os dados que estes adquirem. Este deve atuar em conformidade com os parâmetros definidos. Será desenvolvido um servido para a obtenção remota de dados e também para o envio de novas configurações e pedidos de atuação.

O possível uso do dispositivo que aqui se propõe ser desenvolvido tem aplicações para as várias entidades presentes na rede elétrica. Desde o consumidor doméstico que pretende receber informação em tempo real da qualidade e quantidade de energia consumida, ou informar-se sobre o consumo de energia dos seus equipamentos. Sendo da responsabilidade das concessionária de energia oferecer energia com a melhor qualidade possível, esta poderá analisar constantemente a qualidade da energia. Em diversos pontos da rede elétrica podem ser ativados mecanismos que garantem a qualidade da mesma, por exemplo, ajustando o fator de potência. Podem ser enviados pedidos ao dispositivo para que este execute uma análise à taxa de distorção harmónica (THD) em determinados intervalos de tempo.

Por fim, pretende-se que este dispositivo melhore processos sensíveis a variações da qualidade da energia elétrica podendo informar os responsáveis pelo fornecimento da energia bem como evitar danos nos próprios equipamentos sensíveis, desligando-os preventivamente.

Com o aumento da informação espera-se tornar a rede elétrica mais inteligente e eficiente e, consequentemente, aumentar a qualidade da energia elétrica no seu uso, na sua distribuição e produção.