Síntese do artigo: On Rural Microgrids Design – A Case Study in Brazil
Matheus FZ Souza.

Objetivo do artigo foi o uso de energia solar, eólica e armazenamento em baterias para suprir o consumo de agricultores em uma comunidade rural remota.

A integração de fontes renováveis ​​nos sistemas de distribuição resultou em uma mudança de paradigma.

Sistemas de Distribuição em áreas rurais:

• O primeiro é a extensão da rede urbana para áreas rurais.
• O segundo é construir uma microrrede na área rural depois de fazer um estudo dos parâmetros ao redor da área, como população e clima, a fim de dimensionar os geradores e sistemas de armazenamento a serem utilizados.
• Terceira e última opção, é a combinação de expansão da grade e microrrede implementação.

O artigo propõe uma ferramenta para ajudar implementação de microrredes nas áreas rurais de países em desenvolvimento. Para esse fim, é realizada uma avaliação técnica considerando uma região rural no Brasil. A microrrede é analisada ​​com a ajuda de algumas condições econômicas reais da população local.

Diversos tipos de preocupações sobre a área de interesse têm levado em consideração neste estudo, como o clima condições para determinar qual equipamento é mais viável de ser usado, população e número de casas para estimar a carga e as questões políticas do país, ainda se a proposta de microrrede não viola nenhuma lei existente.

Existem muitas estruturas diferentes de microrredes a serem consideradas, como microrredes usadas como ponto de partida para fazer uma rede inteiramente independente, conectada à rede ou redes completamente isoladas e outras possibilidades. A estrutura aqui adotada é uma microrrede completamente isolada, composta por Geradores fotovoltaicos e eólicos, conversores, sistemas de armazenamento e cargas. Sua escolha é feita em função dos recursos de geração existentes,localização, condições climáticas e regulamentação.

A avaliação técnica foi realizada na cidade de Itajubá, cujo local específico de implementação da microrrede foi 4 fazendas,e 8 casas de alto nível de consumo (450KWh por mês cada) e 32 casas de pequeno nível de consumo (100KWh por mês cada). Além disso, a estrutura conta com 6 bombas de água com potência de 5.5KW.

Para definir os dispositivos de geração, dois tipos de dados foram necessários, uma é a velocidade do vento na região (m/s) e outro é a radiação solar (W).

Com base nos dados obtidos, para fornecer as cargas e analisando os geradores disponíveis no mercado, propõe-se usar:

• 6 turbinas eólicas modelo WES 5 Tulipo
• 60 painéis solares de 120 Watts modelo BP SX120 Solar Painel

O pesquisador faz uma avaliação de custos, das turbinas eólicas incluindo montagem e inversores e das células fotovoltaicas. A legislação brasileira não impõe restrições ao uso desses dispositivos de geração, uma vez que a microrrede não é conectado à rede.

Mapas de carga, eólica e solar foram considerados, permitindo monitorar o suprimento de energia ao longo do dia. Isso foi o suficiente para perceber que a microrrede tinha energia suficiente, mas não energia para suprir a carga de pico, então um banco de baterias foi empregado.

Referência

Souza, Matheus FZ. "On rural microgrids design-a case study in Brazil." 2015 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Latin America (ISGT LATAM). IEEE, 2015.

Resumo: Cidades Inteligentes 

(Autoria: Gilles Betis; Christos G. Cassandras; Carlo Alberto Nucci)

Trata-se de um trabalho introdutório à edição especial dos Anais do IEEE (Volume 106 Número 4), a qual reúne pesquisas recentes sobre o ideal de Cidades Inteligentes e sua implementação. Assunto desafiador e multidisciplinar, com perspectiva de ganho de importância ao longo dos próximos anos. A adoção e divulgação de padrões, estruturas metodológicas e feedbacks dos resultados permitirão a reprodutibilidade dos avanços conquistados, acelerando o desenvolvimento desta área.

No cenário onde as cidades têm de considerar objetivos cada vez mais gerais como sustentabilidade, meio ambiente, qualidade de vida e economia de energia, o simples incremento das soluções atuais não satisfará os problemas a serem enfrentados. Mudanças drásticas e inovações disruptivas são necessárias para a transformação da abordagem dessas situações, envolvendo as mais diversas áreas e atores, nas dimensões tecnológica, social e política. O resultado almejado é a criação de valor, não só no sentido financeiro, e o desenvolvimento de cidades atraentes, inclusivas, sustentáveis, seguras, resilientes e ágeis.

O uso do termo “Inteligentes” não deve ser encarado como uma negação dessa característica nas soluções atuais. A tecnologia sempre foi inteligente. Esse adjetivo visa destacar o uso massivo de tecnologias de informação e comunicação (TICs), sensoriamento e softwares incorporados nos dispositivos. Vale ressaltar ainda, que todos os trabalhos apresentados são orientados para a aplicação e com abordagem metodológica focada nos resultados de campo.

Panorama da edição especial

O conjunto inicial reuni artigos sobre a questão da Mobilidade Urbana. O primeiro trata da possibilidade de uso do controle transacional, através de tarifas dinâmicas, para melhora da qualidade da mobilidade urbana. Dois exemplos são apresentados, envolvendo tráfego em rodovias e novos modos de transporte. O segundo analisa o custo da desordem nas redes de transporte, visando sua redução. Ele utiliza para isso duas políticas, uma egoísta, centrada no individuo, e outra socialmente ótima, e define a proporção do custo total perdida entre os dois modelos. O crescente impacto que novos serviços de mobilidade têm sobre padrões de tráfego e eficiência de transporte é tratado no terceiro. A modelagens matemática é utilizada para mostrar a generalidade do tema. O quarto artigo, distanciando-se dos anteriores, trata de uma estrutura de crowdsensing para monitoramento das vibrações em uma ponte, utilizando dados gerados pelos smartphones que transitam por ela.

O conjunto seguinte concentra-se na rede elétrica como tema de maior relevância, sendo um dos principais facilitadores para a implementação das cidades inteligentes. O quinto documento traz uma modelagem para sistemas cooperativos de gerenciamento de energia, utilizando aquisição de dados no espaço cibernético e previsão do comportamento humano. O sexto avalia os papéis e impactos sociais das redes elétricas inteligentes, indo além dos aspectos financeiros. O sétimo, fechando esse conjunto, apresenta a experiência espanhola com “smart grids”. Partindo do sistema tradicional centralizado, traça o caminho até a nova estrutura que inclui, por exemplo, geração renovável por aqueles que anteriormente aram apenas consumidores.

O oitavo artigo aborda o tema de edificações, apresentando uma alternativa para obter eficiência energética em edifícios residenciais criando afinidade entre as preferencias dos moradores e as condições térmicas não reguladas de cada apartamento. Já o Nono reúne ideias de sistemas sociotécnicos e teoria de sistemas para justificara importância da participação da administração local nessas mudanças e da adaptação da abordagem de governança.

O último conjunto agrupa artigos a respeito da temática saúde, demostrando a possibilidade de uso destas informações e tecnologias para orientar ações nessa área. O décimo artigo usa dados de registros disponíveis para prever hospitalizações por doenças crônicas, como doenças cardíacas e diabetes. O décimo primeiro discute o impacto positivos que as TICs em smart cities podem ter na eficácia e nos custos dos cuidados de saúde. O décimo segundo trabalho fecha este conjunto propondo o uso de modelos preditivos, alimentados por dados sociais e clínicos multidimensionais, para prever condições de fragilidades em idosos.

O último trabalho reuni colaborações de diversos autores acerca da necessidade de abordagens multidisciplinares, de atores com interesses diferentes mas complementares, para desenvolvimento e eficaz implementação do ideal de cidades inteligentes.

Conclusão

A necessidade de cooperação multidisciplinar em pesquisa é crucial em muitas áreas científicas, mas no caso de cidades inteligentes, a natureza múltipla de uma colaboração não se limita a questões científicas, mas é estendida à natureza e tipo dos participantes. Acadêmicos com diferentes conhecimentos científicos e humanitários precisam cooperar não apenas entre si e com os atores industriais com grande intensidade, mas também precisam interagir e cooperar com as autoridades locais e as comunidades regionais.

Todos os trabalhos apresentados mostram que as cidades inteligentes são uma realidade crescente, embora ainda sejam necessários grandes passos. Um dos quais é a padronização e outro é o modelo de negócios. Não haverá uma inovação sustentável sem novos modelos de negócios e novos jogadores emergentes.

Lista de artigos:

1. “Transactive control in smart cities” by Annaswamy et al.

2. “The price of anarchy in transportation networks: Data-driven evaluation and reduction strategies” by Zhang et al.

3. “Information patterns in the modeling and design of mobility management services” by Keimer et al.

4. “Crowdsensing framework for monitoring bridge vibrations using moving smartphones” by Matarazzo et al.

5. “Versatile modeling platform for cooperative energy management systems in smart cities” by Hayashi et al.

6. “Smart (electricity) grids for smart cities: Assessing roles and societal impacts” by Masera et al.

7. “Cityfriendly smart network technologies and infrastructures: The Spanish experience” by Gómez-Expósito et al.

8. “Data-enabled building energy savings (D-E BES)” by Abrol et al.

9. “Smart governance for smart cities” by Razaghi and Finger

10. “Predicting chronic disease hospitalizations from electronic health records: An interpretable classification approach” by Brisimi et al.

11. “Using smart city technology to make healthcare smarter” by Cook et al.

12. “Predicting frailty condition in elderly using multidimensional socioclinical databases” by Bertini et al.

13. “The need of multidisciplinary approaches and engineering tools for the development and implementation of the smart city paradigm” by Andrisano et al.

https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=8326750&punumber=5

A Smart Grid

1.      Introdução

A energia elétrica produzida por grandes unidades geradoras é transportada até a rede local de distribuição aos consumidores através da rede de transmissão, algumas vezes por consideráveis distancias. Os sistemas de geração e transmissão, em geral, possuem uma boa estrutura de comunicação, de forma a garantir o funcionamento eficaz e seguro mesmo durante grandes perturbações. A distribuição, porém, sendo majoritariamente passiva, possui poucos recursos de comunicação, controle e monitoramento de grandezas básicas como tensão e corrente. A Smart Grid é a aplicação de novas Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs) visando suprir essa carência, tornando a operação do sistema de distribuição mais eficaz e flexível e menos dispendioso. Ela ainda possibilita a ampliação do uso de geração a partir de fontes renováveis e, através de medidores inteligentes, o melhor monitoramento e controle do fluxo de energia. 

2.      Por que implementar o Smart Grid agora?

2.1. Envelhecimento de ativos e falta de capacidade do circuito

O sistema elétrico de muitos lugares já ultrapassou sua expectativa de vida útil e a substituição dos equipamentos existentes por outros idênticos, não sendo financeiramente interessante, abre oportunidade para uma atualização do projeto. Em alguns casos, a barreira tem sido a limitação da capacidade do circuito, dentro de suas restrições, exigindo um gerenciamento mais inteligente.

2.2. Restrições térmicas

Restrições térmicas estão ligadas ao excesso de corrente, além da capacidade de transferência da linha, causando a redução da vida útil, aumento da ocorrência de falhas e redução da segurança de operação.

2.3. Restrições operacionais

Há limites predefinidos de tensão e frequência, tanto superiores quanto inferiores, e sua violação pode causar danos, falhas e riscos à segurança. O desequilíbrio entre geração, inclusive distribuída, e demanda pode causar essa quebra de limites. Tentativas de evitar tais situações pode resultar em elevação do investimento necessário. A ampliação de geração renovável, principalmente solar e eólica, sendo difícil de ser prevista, contribui para o agravamento da situação, enquanto a popularização de veículos elétricos, e consequente ampliação da capacidade de armazenamento do sistema, contribui no sentido da melhora do quadro.

2.4. Segurança do abastecimento

Tradicionalmente são utilizados circuitos redundantes para garantir uma confiabilidade maior no sistema, causando aumento nos custos. A Smart Grid oferece a possibilidade de reconfiguração inteligente pós-falha, sendo esta inevitável. 

2.5. Iniciativas nacionais 

Muitos governos estão incentivando iniciativas de Smart Grid como uma maneira econômica modernizar a infraestrutura do seu sistema energético, permitindo a integração de recursos renováveis e criar uma importante oportunidade para desenvolver novos produtos e serviços.

3.      O que é a Smart Grid?

O Departamento de energia dos EUA define Smart Grid como “A rede inteligente utiliza tecnologia digital para melhorar a confiabilidade, segurança e eficiência (tanto econômica e energética) do sistema elétrico, desde a grande geração até os sistemas de distribuição para consumidores de eletricidade e um número crescente de recursos de geração distribuída e de armazenamento”. Outras fontes acrescentam, em suas definições, conceitos importantes como integração, comunicação, sustentabilidade e diversificação de fontes. 

A literatura apresenta uma série de atributos interessantes de uma rede inteligente, entre eles o gerenciamento de demanda através de medidores inteligentes, com participação ativa dos próprios consumidores. A facilitação da integração de fontes de energia renovável e microgeração distribuída assim como a abertura de acesso aos mercados também são características relevantes.  Por último, a reconfiguração autônoma da rede, quando necessário, gera melhora na confiabilidade e segurança do fornecimento, antecipando e otimizando a resposta do sistema a grandes perturbações.

4.      Iniciativas em Smart Grids

4.1  Redes de distribuição ativas

Uma rede de distribuição com presença de geração distribuída difere de uma rede passiva típica em vários pontos: o fluxo de energia não é unidirecional, tendo a direção e magnitude dependentes dos níveis de produção e demanda; requer uma coordenação mais complexa, em especial na proteção da rede; pode haver injeção significativa de harmônicos na rede.

O Controlador do Sistema de Gerenciamento de Distribuição (DMSC), em uma rede ativa, recebe dados medidos em pontos da rede, identifica possíveis erros de medição. Usando os dados válidos, calcula o estado atual de operação verifica se os limites admissíveis são respeitados. Executa modelos de previsão de carga e define configurações otimizadas de controle, atuando através de dispositivos sob comando, dentro das limitações dos mesmos.

4.2  Usina virtual (VPP)

O conceito de uma VPP é agregar um conjunto diversificado de Recursos Energéticos Distribuídos (DER) e passar a considera-los como uma unidade. Essa abordagem facilita, tanto técnica quanto comercialmente, a inserção dos DERs no setor.

4.3  Outras iniciativas

·         Galvin: define “O sistema de energia perfeito garantirá absoluta e universal disponibilidade de energia, na qualidade e quantidade necessária para atender a todas necessidades dos consumidores”. Essa definição difere do conceito atual por não admitir nenhuma probabilidade de falha no suprimento ao cliente, o que pela abordagem convencional só seria possível utilizando infinitas plantas geradoras a um custo infinito. Muitos de seus atributos são semelhantes aos da Smart Grid, objetivando alcançar um sistema totalmente integrado.

·         IntelliGrid: está construindo uma base técnica para as Smart Grids com recursos que englobam numerosos sistemas automatizados de transmissão e distribuição atuando de forma coordenada, ações de ‘self-healing’ para controle de situações emergenciais e infraestrutura de comunicação inteligente. Essa arquitetura aumentará a capacidade do sistema de fornecimento de energia, mesmo sem reforçar o sistema, melhorará o desempenho e a conectividade dos usuários e permitirá direcionar energia ao longo de caminhos específicos.

·         Xcel Energy: "Um sistema totalmente conectado à rede que identifica todos os aspectos da rede elétrica e comunica seu status e o impacto das decisões de consumo (incluindo impactos econômicos, ambientais e de confiabilidade) aos sistemas automatizados de tomada de decisão nessa rede". Sua implementação envolve projetos como Armazenamento de energia eólica, sistemas inteligentes que detectam, ou preveem, problemas na rede e atuam para restaurá-la, integração de veículos elétricos e portal que permita o consumidor gerenciar seu uso de energia.

·         Southern California Edison (SCE): envolve temas estratégicos como integração de recursos energéticos renováveis e distribuídos, controle da rede e otimização de ativos, eficácia da força de trabalho, medição inteligente e soluções inteligentes para os clientes.

5.      Visão geral das tecnologias necessárias para a Smart Grid

5.1  Tecnologias de informação e comunicação:

Inclui:  comunicação bidirecional (geração/consumo); arquitetura que possibilite "plug-and-play" de novos componentes; fornecimento das informações necessárias para o cliente gerenciar seu consumo e negociar no mercado de energia; software e normas para garantir a segurança das informações.

5.2  Sensoriamento, medição, controle e automação:

Inclui: Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IED); Unidades de Medição Fasorial (PMU) e Monitoramento, Proteção e Controle de Grandes Área (WAMPAC) para garantir a segurança do sistema de energia; sensores integrados a sistemas de controle e automação para fornecer diagnóstico rápido e resposta oportuna a qualquer evento em diferentes partes do sistema; medidores inteligentes para permitir que os clientes tenham maior controle sobre o seu uso de eletricidade.

5.3  Eletrônica de potência e armazenamento de energia

Inclui: sistemas que permitam o transporte de energia por longas distâncias e facilitem a integração de fontes de energia renováveis; interfaces de eletrônica de potência e outros dispositivos para fornecer maior controle sobre os fluxos de energia e para garantir a qualidade de energia; armazenamento de energia para uma maior flexibilidade e confiabilidade do sistema de energia.

* Esse texto é um resumo do Capítulo 1 do livro citado no post inicial deste blog. Para maiores informações, consulte o livro indicado e as referências indicadas no final do capítulo.

Smart Grid for Smart Cities

Este blog conterá trabalhos, estudos e resumos desenvolvidos na disciplina EC332E, denominada Smart Grid for Smart Cities, ministrada pelos professores Antonio Carlos Zambroni de Souza e Paulo Fernando Ribeiro, ambos vinculados ao Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (Isee). Tal disciplina faz parte do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Unifei.
O autor, Natan dos Santos, é graduado (2018) em Engenharia Mecânica-Aeronáutica pela própria Unifei e atualmente é aluno regular no Mestrado em Engenharia Elétrica do programa já citado.
Será utilizada como bibliografia básica o livro "Smart Grid: Technology and Applications" de autoria de Janaka Ekanayake, Kithsiri Liyanage, Akihiko Yokoyama, Jianzhong Wu e Nick Jenkins.