UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
ESCOLA POLITÉCNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE COMPUTAÇÃ

Smart Grids - Trabalho de Redes de Computadores

Alunos: Filipe Santos Pacheco Prates,
Henrique Pires dos Santos Lamas,
Thiago Negreiros

Professor: Luís Henrique Maciel Kosmalski Costa

Índice

1. Introdução
  1.1 Tema
  1.2 Objetivo

2. Tecnologias
  2.1 Sensores e Aquisição de Dados
  2.2 Medidores Inteligentes
  2.3 Unidade de Medida Fasorial (PMUs)
  2.4 Geração Distribuída
    2.4.1 Painéis Solares
    2.4.2 Turbinas Eólicas
    2.4.3 Geradores a Biomassa
    2.4.4 Estocagem de Energia (Powerwall)

3. Benefícios
  3.1 Eficiência
    3.1.1 Redução de Custos
    3.1.2 Redução de Carbono
  3.2 Confiabilidade
  3.3 Interação de Ponta

4. Segurança
  4.1 Segurança na era Digital
  4.2 Ataques Direcionados

5. Conclusão

6. Referências Bibliográficas

1. Introdução


Redes Inteligentes - Smart Grids

1.1 Tema

  O tema do trabalho é o estudo das redes inteligentes, as Smart Grids. Sua capacidade de receber dados, atualizar em tempo real o estado do sistema, detectar rapidamente falhas e possibilitar com que os consumidores possam produzir e devolver para rede energia faz com que seja um passo importante para uma rede elétrica mais eficiente, confiável e sustentável.

1.2 Objetivo

2. Tecnologias

  2.1 Sensores e Aquisição de Dados

Um dos pontos fortes das Smart Grids está no seu nome. Assim como Smartphones revolucionaram a indústria de celulares, as SG usariam os numerosos dados que existem no sistema elétrico. Desde dados granulares de usuários finais, até fluxo nos fios elétricos e updates em tempo real para responder dinamicamente à qualquer eventual problema.

    2.1.1 Medidores Inteligentes

Uma tecnologia necessária para o desenvolvimento e implementação de SGs são os medidores inteligentes (do inglês Smart Meter). Os medidores inteligentes são dispositivos capazes de fazer, em pequenos intervalos de tempo, medidas precisas acerca do consumo energético de cada consumidor e enviá-las às companhias elétricas.

Além de prover dados para a optimização e operação das malhas elétricas, esses medidores também são responsáveis pelo novo modelo de cobrança pela energia elétrica. Nesse novo modelo o consumidor seria cobrado automaticamente dependendo do seu consumo, usando a comunicação do medidor com a inteligência da Smart Grid.

    2.1.2 Unidade de Medida Fasorial (PMUs)

Outro sensor importante é a Unidade de Medida Fasorial (PMUs), que são dispositivos capazes de medir com precisão a diferença de fase e ângulo entre pontos da rede, usando sinais de tempo em GPS, tendo uma informação do posicionamento relativo e global das unidades produtoras e consumidoras de energia.

Esses dispositivos funcionam medindo fasores por método de sincronia , comparando com diversos satélites chamados syncrophasors. Assim como medidores inteligentes, possuem uma taxa de coleta de dados extremamente rápida, além de serem importantes para oferecer ainda mais controle e informação sobre o que acontece no sistema.

  2.2 Geração Distribuída

A geração distribuída tem como base o “net metering”, no qual o prosumidor ( consumidor - produtor ) após descontado o próprio consumo, recebe um crédito em forma de kWh na próxima fatura pelo saldo positivo de energia gerada e inserida na rede.

Como benefícios para a matriz energética brasileira, têm - se: o aumento da sua diversificação e sustentabilidade, já que energias limpas como a solar são a base desse processo, a redução do carregamento das redes e a minimização das perdas por transmissão de energia, já que a geração distribuída é disponível próximo ao consumo.

No Brasil, a minigeração distribuída de energia entrou em vigor em 2012, a partir Resolução Normativa ANEEL nº 482.

    2.2.1 Painéis Solares
A principal vantagem de um sistema fotovoltaico conectado à rede, em relação a um sistema off grid (excluindo-se o retorno em crédito pelo saldo de energia gerado) é a não utilização de baterias. O custo inicial para a instalação e a durabilidade das baterias são fatores negativos à implementação da energia solar.

Um sistema solar conectado à rede é composto, basicamente, pelos módulos fotovoltaicos (placas solares) e pelos inversores interativos ( aparelhos que convertem corrente contínua em alternada), que ligam as placas diretamente à rede pública. A injeção da energia elétrica diretamente na rede elétrica fez possível abrir mão do armazenamento através das baterias.

Contudo, existe um tópico negativo quanto à retirada das baterias da rede solar: como não há armazenamento, em caso de apagão, a unidade que possui o gerador fotovoltaico on grid ficará sem energia. Esse problema levou à criação de sistemas híbridos, que unem o melhor dos dois mundos: os créditos pelo excedente de produção de energia e a segurança contra apagões, devido a integração com um banco de baterias que conseguem alimentar diretamente a rede elétrica em caso de perda súbita de energia.

    2.2.2 Turbinas Eólicas
    2.2.3 Geradores a Biomassa
    2.2.4 Estocagem de Energia
E a fim de solucionar o desafio da estocagem, a Tesla lançou um produto chamado Powerwall, que nada mais é que uma bateria com grande capacidade de armazenamento, que você pode instalar na sua casa.

O Powerwall é carregado com a eletricidade gerada por painéis solares ou a partir da rede elétrica. Ele também protege sua casa contra quedas na rede, proporcionando um backup de energia elétrica.

3. BENEFÍCIOS

  3.1 Eficiência

    3.1.1 Redução de Custos

Por mais que a instalação das smart grids, devido à implementação de uma vasta rede de telecomunicações medidores inteligentes e infraestrutura de TI, seja ligada a um grande investimento inicial, essa tecnologia aponta para uma grande redução de custos ao longo prazo.

Para as distribuidoras, alguns dos possíveis benefícios dessa tecnologia seriam a redução de custos operacionais devido à possibilidade de realizar leituras, cortes e ligações de forma remota, estudando a rede de acordo com medidores inteligentes e obtendo informações sobre a possibilidade de uma melhor distribuição de energia, otimizando o processo. Elas teriam também uma maior precisão e agilidade para encontrar problemas na rede como falhas, interrupções e furto, reduzindo o custo empresarial sobre esses tópicos.

Para os consumidores, além da modernização da rede propiciar o aumento da qualidade dos serviços energéticos através da redução do número e duração das interrupções, a medição inteligente possibilitará à eles um papel mais ativo e um consumo mais consciente decorrente da possibilidade de controle em tempo real da sua fatura de energia.

    3.1.2 Redução de Carbono
As redes inteligentes possuem um ponto sustentável muito benéfico. Em virtude da microgeração, que é baseada em fontes alternativas de energia como a solar, as smart grids atuam na diminuição da geração de gases causadores do efeito estufa, muito provenientes de fontes de energia poluentes como os combustíveis fósseis.

Uma grande base instalada na rede de fontes de energia renováveis poderia fornecer às concessionárias a garantia de que, quando um recurso não estiver disponível devido a, por exemplo, a falta de vento, outro vai estar prontamente disponível para tomar seu lugar.

  3.2 Confiabilidade

  3.3 Interação Direta

4.Segurança

  4.1 Segurança na era Digital

Quando falamos de Smart Grids, um dos pontos centrais é a segurança. A informação de potência utilizada, focos de energia, utilização em tempo real, etc, são extremamente valiosas, e assim como podem ser usadas de forma competente para melhorar a experiência do usuário e saúde do sistema, essas informações também podem ser usadas de formas maliciosas. A infraestrutura de Smart Grids enfrentam uma variedade de ameaças de segurança desde roubos, ciberataques, terrorismo e desastres naturais, como garantir a segurança das redes com todos os sistemas digitalizados?

No evento de uma falha significativa na malha, consequências possíveis são apagões de grande porte, visualização falha do sistema atual que atrasaria o conserto, falhas em cascata, caos no mercado de energia, e até possíveis fatalidades.

  4.2 Ciberataques

A própria infraestrutura digitalizada e com ênfase em informação (data-centric) faz com que Smart Grids sofram de vulnerabilidades para ciberataques. Hackers poderiam ser capazes de levar a um colapso total do sistema, causando, no pior dos casos, pânico em massa.

Tais vulnerabilidades fazem com que qualquer ataque significativo seja capaz de enganar o sistema e influenciá-lo a fazer as escolhas erradas de uso e capacidade da malha, além de possivelmente cegar o sistema sobre problemas e ataques em curso. Multiplicando o dano do ataque.

Para enfrentar tal problema, é fundamental focar na privacidade, confiabilidade e autenticação dos dados críticos, assim garantindo uma eficiência e robustez à malha, impedindo modificações não autorizadas na infraestrutura. Outro ponto importante é a cibersegurança distribuída, projetadas para monitorar a arquitetura de maneiras independentes, mantendo a integridade da informação e dificultando ataques.

O U.S Department of Energy e a indústria de eletricidade já investiram juntos U$7.9 bilhões, entre 2009 e 2015, em projetos para modernização de sistemas em implementações de Smart Grids, esperando uma melhora na cibersegurança. Seguindo esses passos o governo indiano orçou U$5.8 bilhões numa ideia similar.

5. CONCLUSÃO

Levando esse cenário em consideração, percebemos que de fato é impossível ter um futuro energético gerenciável sem a aplicação da Smart Grid.

6. Referências Bibliográficas

[1]ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica, http://www.aneel.gov.br/geracao-distribuida (Acesso em 22 Abril 2019).

[2]EGOZCUE, Elyoenai at TEDxBasqueCountry 2013 https://www.youtube.com/watch?v=PnvI2dhjFyo (Acesso em 18 Abril 2019).

[3]PROOF, blog, ‘Os melhores conteúdos sobre segurança da informação’,https://www.proof.com.br/blog/smart-grid/(Acesso em 22 Abril 2019)

[4]GETTINGSMARTERABOUTHESMARTGRID, programa do governo federal norte-americano http://www.gettingsmarteraboutthesmartgrid.org/

[5]OUTUOZE, Abdulrahaman Okino https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2314717218300163

Rio de Janeiro, 21 de abril de 2019