Uma proposta de arquitetura extensível para micro medição em Smart Appliances

Abstract

O sistema de energia atual passou por poucas alterações desde sua concepção original, há mais de 100 anos. No entanto, a crescente complexidade da infraestrutura e da demanda global por energia vem criando diversos desafios que a sua constituição original não previa, culminando em problemas como apagões e outras falhas no seu fornecimento. Além disso, nota-se nos últimos anos, principalmente nos países desenvolvidos, uma certa diversificação na matriz energética, incentivando a utilização de fontes de energia renováveis e distribuídas. Isto se deve não apenas ao potencial energético das, mas também visando uma menor utilização de combustíveis fósseis, devido tanto a volatilidade e tendência de alta dos preços do petróleo, mas também pela necessidade de contenção do volume de emissões de gases causadores do efeito estufa. Apesar desta defasagem do sistema de energia contemporâneo, avanços nas áreas de informática, eletrônica embarcada, além das tecnologias empregadas na construção de sensores e atuadores, têm possibilitado a criação de uma rede de energia moderna, automatizada e distribuída. Esta rede, conhecida como Mart Grid, traz novas perspectivas no gerenciamento e na operação dos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, inserindo propostas que visam melhorar diversos fatores da rede de energia atual, aumentado sua eficiência, segurança e confiabilidade de transmissão, além da eliminação de obstáculos para a integração em larga escala de fontes de energia distribuídas e renováveis. Este novo paradigma é caracterizado por um fluxo bidirecional de eletricidade e de informações, afim de criar uma rede automatizada e distribuída de energia. Ele incorpora à grade os benefícios da computação distribuída e de comunicações para fornecer informações em tempo real e permitir o equilíbrio quase instantâneo da oferta e da procura dos bens energéticos. Dentro do contexto de Smart Grids, Smart Appliances são uma modernização dos aparelhos eletrodomésticos quanto a sua utilização de energia, de forma que estes sejam capazes de monitorar, proteger e ajustar automaticamente o seu funcionamento às necessidades do proprietário e a disponibilidade deste recurso. Ou seja, estes possuem não apenas características de inteligência, mas também a capacidade de utilizarem as informações disponibilizados no Smart Grid para adaptar seu funcionamento. Apesar do grande interesse despertado em torno destes conceitos, há ainda uma enorme carência de padrões e tecnologias que permitam a criação de tais aparelhos inteligentes inseridos nos ambientes domésticos e prediais. Este trabalho tem por objetivo estudar e conceituar o Smart Grid, pesquisando os grupos existentes que buscam uma padronização deste, bem como conceituar Smart Appliances, avaliando projetos e pesquisas existentes, e, principalmente, propondo uma arquitetura que permita a construção de tais dispositivos. Os requisitos necessários para a criação desta arquitetura são discutidos ao longo da dissertação, bem como as tecnologias necessárias e existentes para permitir sua proposta. Finalmente, o funcionamento bem sucedido, através de uma implementação da mesma, é demonstrado através de diferentes experimentos, avaliando como as características do Smart Grid podem ser utilizadas para criar aparelhos eletrodomésticos capazes de usarem as informações disponíveis para melhorar seu funcionamento.

Since its original conception, for over 100 years, the current energy system has experienced little changes. However, the increasing complexity of the infrastructure, together with the growing global demand for energy, have imposed many challenges that its original constitution did not foresee, which has resulted in problems such as blackouts along with other energy supply failures. Moreover, over the last few years, some diversification in energy generation has been seen, especially in developed countries, encouraging the use of distributed and renewable energy sources. Apart from the energetic potential offered by those sources, it aims to decrease the greenhouse gases emission volume, in addition to reduce dependency on fossil fuels, which tend to increase in price. Despite the lack of upgrades, improvements in the areas of computing, embedded electronics, and technologies employed in sensors and actuators assembly have enabled the creation of a modern automated and distributed power grid. This grid, better known as Smart Grid, enhances several factors of the current power network, bringing new perspectives in electricity management, operation, generation, transmission and distribution. That result in increased efficiency, transmission safety and reliability, additionally eliminating obstacles in large-scale integration of renewable and distributed energy sources. This new paradigm also features a bi-directional electricity and information flow, enabling an automated and distributed energy network that incorporates the grid benefits of distributed computing and communications to provide real-time information and allowing almost instantaneous supply and demand balance of energy goods. Within the context of Smart Grids, Smart Appliances proposes an extension of regular appliances with intelligence and self-awareness of their energy use, so that they are able to monitor, protect and automatically adjust its operation according to the owner's needs and availability of this resource. That is, besides of being smart, they feature ability to use the information available on the Smart Grid to adapt its running behavior. Even though the increased interest around these concepts, there is still a gap of standards and technologies enabling the creation and embedding of intelligent devices in residences and buildings. The present projects attempts to study and conceptualize Smart Grid, surveying existing standardization groups, as well as conceptualize Smart Appliances, evaluating existing projects and research, proposing an architecture allowing the building of such devices. The requirements for this architecture, together with the required and existing technologies to make the implementation feasible, are discussed throughout the project development. Finally, the architecture's successful functioning is demonstrated through an implementation of it, together with different experiments, relying on them to evaluate the Smart Grid characteristics and how appliances can improve their operation based on the information shared throughout the Smart Grid.