Introdução às Redes Inteligentes — Redes de Distribuição que Suportam Fluxo de Energia Bidirecional com uma Camada de Informação

A rede de distribuição tradicional foi projetada com base na premissa de que a eletricidade flui em uma única direção, da usina para o consumidor. A função do transformador de poste era simplesmente reduzir a alta tensão para a baixa tensão utilizada nas residências; ele nunca foi projetado para que a corrente fluísse na direção oposta. Mas, com a instalação de painéis solares em telhados, baterias residenciais e veículos elétricos conectados à linha de distribuição, surgem trechos onde, em uma tarde ensolarada, a eletricidade flui na direção oposta, do consumidor para a rede. Uma rede inteligente é uma rede de distribuição capaz de lidar com segurança com esse fluxo bidirecional de energia, adicionando uma "camada de informação" composta por medição, comunicação e controle. O funcionamento das subestações e linhas de transmissão que transportam energia — o "esqueleto" do sistema — foi abordado no Guia Introdutório de Subestações e Linhas de Transmissão. Este artigo analisa as mudanças que ocorrem além disso, no nível da distribuição, por meio de quatro pilares: medidores inteligentes, protocolos de comunicação, resposta à demanda e automação de distribuição com capacidade de autorrecuperação.

Resumo em 30 segundos

• A rede de distribuição tradicional era um projeto unidirecional e vertical. Com o aumento dos recursos de energia distribuída (solar, baterias, veículos elétricos), surgem trechos onde a eletricidade flui do consumidor para a rede, criando problemas — como o aumento da tensão — que o projeto antigo jamais previu.

• O medidor inteligente (AMI: Infraestrutura Avançada de Medição) não é apenas um dispositivo que automatiza a leitura do medidor. É um terminal de comunicação bidirecional que lida com dados de consumo detalhados, como leituras a cada 30 minutos, conexão/desconexão remota e detecção de interrupções. No Japão, a implementação para o segmento de baixa tensão (residências, etc.) está praticamente concluída até o final do ano fiscal de 2024.

• Existem três rotas de comunicação: a rota B, que conecta o medidor inteligente ao HEMS (sistema de gerenciamento de energia residencial); a rota A, usada pela concessionária; e a rota C, que transmite dados para varejistas e terceiros — cada uma com um método e finalidade de comunicação diferentes. ECHONET Lite e OpenADR são protocolos padrão internacionais que abrangem diferentes camadas: controle residencial e resposta à demanda entre empresas (B2B), respectivamente.

• A resposta à demanda (RD) é um mecanismo que controla remotamente equipamentos do lado da demanda para ajustar a oferta e a demanda como se a produção de uma usina elétrica tivesse sido aumentada ou reduzida. É menos uma tecnologia única do que um termo abrangente para uma operação que combina comunicação, contratos e estrutura de mercado.

• A automação de distribuição com autorrecuperação, que isola automaticamente uma seção com falha e restaura a energia para seções saudáveis por meio de uma rota alternativa, já é amplamente utilizada comercialmente por concessionárias japonesas. A novidade da rede inteligente não é a restauração automatizada em si, mas sim a granularidade e a velocidade dos dados agora disponíveis para tomar essa decisão.

1. Por que a Rede Teve Que Se Tornar "Inteligente"

A rede de transmissão é um mundo de centenas de kV, alta tensão e alta capacidade, onde o fluxo de energia tem sido gerenciado centralmente por relés de proteção de subestações e operadores de rede. A rede de distribuição, por outro lado, é um mundo de baixa tensão na extremidade do sistema, originalmente projetada com base na premissa de que "a eletricidade flui de montante para jusante". O que quebrou essa premissa foi o rápido crescimento de recursos energéticos distribuídos (RED) em pequena escala — energia solar em telhados, baterias residenciais e veículos elétricos.

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Figura 1 — A direção do fluxo de energia varia por seção conforme o equilíbrio entre a demanda e a geração de DER muda. Medidores inteligentes e sensores de alimentadores enviam telemetria para a gestão de distribuição e DER, que retorna comandos de tensão, carregamento e resposta à demanda.

À medida que o fluxo de energia reverso aumenta, a tensão ao longo da linha de distribuição pode subir, gerando preocupação com a violação das obrigações de manutenção de tensão previstas na Lei de Negócios de Eletricidade do Japão (101±6V em baixa tensão, 202±20V, etc.). Tradicionalmente, a tensão era gerenciada por um comutador de derivação sob carga (OLTC) de uma subestação ou por reguladores automáticos de tensão (SVR) em nível de seção, mas esses são esquemas de controle baseados no fluxo de eletricidade de montante para jusante. Quando a variação da produção solar e a variação da demanda ocorrem simultaneamente na mesma linha de distribuição, o simples controle de derivação por si só não consegue mais acompanhar. A rede inteligente (smart grid) é o termo abrangente para o esforço de integrar medição, comunicação e controle distribuído na rede de distribuição em resposta a essa mudança física.

2. O Medidor Inteligente (AMI) — Da Leitura do Medidor a uma Plataforma de Dados Bidirecional

Um medidor inteligente não é apenas um dispositivo que mede o consumo de eletricidade no lugar de um leitor de medidores. Ele funciona como o ponto final de toda uma rede de comunicação chamada AMI (Infraestrutura Avançada de Medição), com funções que incluem o seguinte:

• Medição em intervalos finos: registra dados de consumo em intervalos como 30 minutos e os envia para a concessionária, formando os dados básicos para a tarifação por horário de consumo e para medir o efeito da resposta à demanda.

• Conexão/desconexão remota: permite controlar o fornecimento ou o corte de energia elétrica remotamente, sem necessidade de visita ao local, por motivos que vão desde alterações contratuais a contas em atraso ou segurança durante um desastre.

• Detecção de interrupção: ao enviar um sinal final de "último suspiro" do medidor, a concessionária pode avaliar a extensão de uma interrupção sem esperar por ligações dos clientes.

No Japão, seguindo a política estabelecida pelo Ministério da Economia, Comércio e Indústria, as concessionárias avançaram na transição para medidores inteligentes, e a implementação foi praticamente concluída para o segmento de alta tensão (fábricas, etc.) em 2016 e para o segmento de baixa tensão (residências, etc.) até o final do ano fiscal de 2024. Isso completou uma enorme rede de medição em todo o país. A Agência de Recursos Naturais e Energia também está estudando a próxima etapa — um esquema de "medidor inteligente de próxima geração" — posicionado como a infraestrutura para novos serviços (transformação digital no setor elétrico) baseados em dados de energia.

Os dados do medidor inteligente são roteados por três caminhos de comunicação distintos, utilizados para diferentes finalidades.

Com os dados de consumo transmitidos para o HEMS pela Rota B, tornam-se possíveis serviços que gerenciam o sistema solar, a bateria e o ar-condicionado de uma residência como uma única unidade, "visualizando" o consumo de energia e controlando-o automaticamente.

3. As Camadas dos Protocolos de Comunicação — Controle Residencial e Coordenação Empresa-a-Empresa São Camadas Separadas

A comunicação em redes inteligentes não opera em um único protocolo. O controle de dispositivos residenciais e a comunicação entre concessionárias/agregadores exigem propriedades diferentes.

• ECHONET Lite: um protocolo para controle de equipamentos dentro de uma casa inteligente, estabelecido pelo Consórcio ECHONET. Baseado em UDP/IP, define mais de 90 classes de dispositivos, incluindo condicionadores de ar, aquecedores de água, baterias e carregadores de veículos elétricos. Padronizado internacionalmente como um padrão ISO/IEC, ele lida com o "último trecho" entre o HEMS (Sistema de Gerenciamento de Energia Residencial) e os dispositivos residenciais.

• OpenADR (Open Automated Demand Response): um protocolo padrão internacional para troca automática de sinais de resposta à demanda entre concessionárias/agregadores e consumidores (ou seus gateways). O OpenADR 2.0b é uma especificação representativa usada para automatizar a resposta à demanda entre empresas.

Protocolos do lado da rede e da subestação: a proteção e o controle dentro de uma subestação utilizam o padrão IEC 61850 (consulte o Guia Introdutório de Subestações e Linhas de Transmissão para obter detalhes). O monitoramento e o controle do sistema de distribuição às vezes utilizam padrões de comunicação como o IEC 60870-5-104 ou o DNP3, usados em SCADA.

Em resumo, o ECHONET Lite lida com a comunicação interna, o OpenADR lida com os sinais de resposta à demanda (DR) entre empresas e os protocolos da família IEC 61850 lidam com a infraestrutura de transmissão/distribuição — a rede inteligente é um sistema onde múltiplos protocolos com diferentes finalidades são empilhados em camadas. Muitas vezes, existe um equívoco de que existe um único "protocolo de rede inteligente"; não existe.

4. Resposta à Demanda (RD) — Usando o Lado da Demanda como uma "Usina Elétrica"

A resposta à demanda (RD) é um mecanismo que controla os equipamentos dos consumidores para dar à rede o mesmo efeito que aumentar ou diminuir a produção de uma usina elétrica. Existe a "RD descendente", que reduz a demanda quando a energia tende a ser escassa, e a "RD ascendente", que aumenta a demanda quando a energia tende a estar em excesso, como durante os picos de geração solar ao meio-dia.

Institucionalmente, ela se divide em duas categorias principais:

• RD baseada em incentivos: uma concessionária ou agregadora controla direta e remotamente os equipamentos dos consumidores contratados, pagando uma compensação proporcional à resposta.

• RD baseada em tarifas: as tarifas de eletricidade variam de acordo com o horário do dia ou durante períodos de equilíbrio entre oferta e demanda, permitindo que os consumidores decidam como alterar seu consumo.

Agrupar a RD para que ela possa ser negociada no mercado como se fosse uma única usina elétrica é o que a VPP (Usina Elétrica Virtual) — abordada no próximo artigo — faz. A forma como a resposta à demanda (DR) é comercializada como um produto de mercado é abordada em detalhes no Manual Introdutório de Usinas Virtuais de Energia (VPP).

5. Redes de Distribuição com Autocura

O mecanismo que isola rapidamente apenas a seção com defeito durante uma falha em uma linha de transmissão é justamente a função dos relés de proteção, abordada no Manual Introdutório de Subestações e Linhas de Transmissão. Um conceito similar existe no nível de distribuição, chamado automação de distribuição. Ele já é amplamente utilizado comercialmente por concessionárias japonesas — por exemplo, o sistema de controle automático de linhas de distribuição da Kyushu Electric Power Transmission and Distribution detecta automaticamente a seção com defeito e restaura a energia rapidamente para as seções em funcionamento por meio de uma rota alternativa.

Um esquema representativo é a restauração sequencial com retardo de tempo. Quando ocorre uma falha, o disjuntor da subestação primeiro corta a energia completamente e, em seguida, as chaves automáticas instaladas em cada seção fecham sequencialmente a partir da subestação, uma após a outra, com um retardo de tempo predefinido. Se uma corrente de falha for detectada novamente em uma determinada seção, a chave imediatamente anterior a ela permanece aberta, isolando apenas a seção com falha — a energia para as seções normais a jusante é então encaminhada por uma rota alternativa (uma linha de distribuição adjacente e interligada).

Figura 2 — A automação de distribuição abre automaticamente as chaves em ambos os lados de uma seção com defeito para isolá-la e, em seguida, redireciona a energia de uma linha de distribuição adjacente em bom funcionamento (o sistema de uma subestação diferente), minimizando o tempo de interrupção fora da própria seção com defeito. O mecanismo que faz com que essa decisão e a comutação aconteçam rapidamente, sem intervenção humana, é o que chamamos de "autocura".

Esse tipo de automação existia antes da rede inteligente, mas a adição da detecção de interrupções por medidores inteligentes e dados de sensores em tempo real melhorou tanto a precisão na estimativa da seção com falha e velocidade de restauração. A novidade do termo "rede auto-recuperável" não é a restauração automatizada em si, mas sim o fato de que os dados que fundamentam essa avaliação agora se estendem aos dados obtidos do lado do consumidor.

6. Elevação de Tensão e Regulação de Tensão do Inversor

O primeiro desafio técnico que surge com o aumento dos recursos de energia distribuída é a elevação de tensão na linha de distribuição. Considerando a impedância da linha de distribuição como R+jX, a potência ativa enviada como P e a potência reativa como Q, a diferença de tensão entre as extremidades de envio e recebimento pode ser aproximada por:

Quando a geração solar excede a demanda, P aponta do lado do consumidor em direção à rede (o sinal se inverte), o que tende a elevar a tensão na extremidade oposta da linha de distribuição. Para suprimir esse efeito, uma combinação de medidas é necessária. Utilizadas: funções de regulação automática de tensão que permitem ao condicionador de energia (PCS) ajustar automaticamente a potência reativa, revisões na lógica de controle dos SVRs e reguladores automáticos de tensão, e redução da potência de saída por meio de baterias. Manter a tensão é "o desafio menos glamoroso, porém mais fundamental da rede inteligente", e a precisão desse controle depende da granularidade dos dados da AMI.

7. Tecnologias Atuais e Foco em Pesquisa

• Medidores inteligentes de próxima geração: um estudo está em andamento para revisar os padrões de comunicação e a funcionalidade da AMI atual, visando a aquisição de dados em frequências mais altas e maior segurança.

• Gêmeos digitais de sistemas de distribuição: simulação do fluxo de potência e da tensão nas linhas de distribuição para avaliar, antecipadamente, quanta geração distribuída pode ser interconectada.

• Mercados e controle mais sofisticados em nível de distribuição: análise de uma função do tipo Operador de Sistema de Distribuição (DSO) que considera as restrições de tensão e fluxo de potência.

• Cibersegurança: com dezenas de milhões de medidores inteligentes e suas redes de comunicação, a A superfície de ataque é grande, e a autenticação, a criptografia e o projeto de detecção de anomalias agora são pré-requisitos para a operação.

• DERMS (Sistema de Gerenciamento de Recursos de Energia Distribuída): uma plataforma de software que coordena e controla um grande número de instalações solares, baterias e veículos elétricos dentro das restrições do sistema de distribuição.

Resumo: A Rede Inteligente é "uma Rede de Distribuição com um Sistema de Informação em Camadas"

A rede inteligente não é uma tecnologia única; é um sistema composto por vários mecanismos em camadas — medição por meio de medidores inteligentes, múltiplas camadas de protocolo de comunicação, utilização do lado da demanda por meio da resposta à demanda e automação de distribuição com autorrecuperação. O que eles têm em comum é a tentativa de gerenciar, por meio do fluxo bidirecional de informações, um fluxo de energia que os recursos de energia distribuída já tornaram fisicamente bidirecional.

Ao analisar os esforços de uma região em relação à rede inteligente, vale a pena verificar o seguinte:

1. Qual rota e protocolo de comunicação estão trocando quais dados?

2. Quem está lidando com o gerenciamento de tensão (PCS, SVR, bateria) e em qual escala de tempo?

3. Há resposta à demanda? Baseado em incentivos ou em tarifas, e a qual mercado ou contrato está conectado?

4. Qual a porcentagem da restauração automática durante uma falha que é concluída sem intervenção humana?

Manter esses quatro pontos em mente permite que você vá além de manchetes como "medidores inteligentes estão se tornando mais comuns" e compreenda a filosofia de projeto da rede de distribuição por trás disso.

Referências

• Agência de Recursos Naturais e Energia — Resumo do Grupo de Estudo do Sistema de Medição Inteligente de Próxima Geração
• Agência de Recursos Naturais e Energia — Sobre a Opção de Exclusão de Medidores Inteligentes
• ECHONET Lite Especificação/Visão Geral
• Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica de Kyushu — Sistema de Controle Automático de Linhas de Distribuição
• Agência de Recursos Naturais e Energia — Modernização da Rede Elétrica
• Organização para Coordenação Inter-regional de Operadores de Transmissão, Japão (OCCTO)
• IEC 61850 — Redes e sistemas de comunicação para automação de concessionárias de energia elétrica
• NREL — Modernização da Rede Elétrica