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Filipe Batista Rodrigues
Desenvolvimento de um Sistema deSupervisão e Gestão para Sistemas deMonitorização de Energia Elétrica
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Outubro de 2014
Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau deMestre em Engenharia Eletrónica e de Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor João Luiz AfonsoProfessor Doutor Adriano José Conceição Tavares
Filipe Batista Rodrigues
Desenvolvimento de um Sistema deSupervisão e Gestão para Sistemas deMonitorização de Energia Elétrica
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica iii
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Aos meus pais e à minha namorada
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica v
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Agradecimentos
O trabalho realizado nesta Dissertação de Mestrado não teria sido possível sem o
apoio do meu orientador Doutor João Luiz Afonso que acompanhou e orientou o meu
trabalho durante este ano. A realização do trabalho aqui apresentado não teria sido
possível sem a disponibilidade de recursos e acesso às ferramentas que permitiram
desenvolver o projeto.
Um agradecimento especial ao meu orientador Doutor Adriano Tavares pelo apoio
e suporte sempre que foi necessário.
Agradeço aos meus colegas que também realizaram a Dissertação de Mestrado no
Laboratório de Eletrónica de Potência pelo companheirismo e amizades proporcionadas.
Um agradecimento aos Bolseiros de Investigação, Engenheiros e Doutores do
GEPE pois despenderam o seu valioso tempo comigo a apoiar-me sempre que necessário.
Um sincero agradecimento a todos os meus colegas e amigos que me
acompanharam ao longo dos últimos anos e que me apoiaram sempre que foi possível.
Por fim, um agradecimento à minha família. Em especial agradeço aos meus pais e
à minha namorada por todo o apoio neste último ano mas sobretudo pelos sacrifícios por
eles suportados.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica vii
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Resumo
A alteração de fatores económicos, tecnológicos e ambientais obriga a sociedade a
adaptar-se às novas situações impostas. O valor da energia tem vindo a subir, e se por um
lado esta subida afeta a situação económica da população, por outro lado, viabiliza o
desenvolvimento de novas tecnologias. No entanto, novas soluções tecnológicas ligadas
à produção de energia continuam, ainda, acima do poder de compra do cidadão comum.
Posto isto, uma vez que a disponibilidade de recursos económicos é limitada, existe a
necessidade de se proceder a gestão de despesas, neste caso, do sector energético
O mercado já possui diversos equipamentos tecnológicos com o intuito de controlar
e gerir os consumos domésticos de energia elétrica. Estes sistemas de monitorização de
energia elétrica possuem características bastante desejáveis. A tecnologia atual permite
que sejam compactos e discretos, o que os torna fáceis de instalar e utilizar. A maioria
destes sistemas, após a sua instalação, é acessível e configurável a partir de um software
instalável num computador pessoal. No entanto, a maior parte dos sistemas presentes no
mercado apresentam algumas limitações. Além disso, em relação ao custo de aquisição
destes sistemas, estes continuam longe do valor que o cidadão comum pode despender.
Alguns desses equipamentos permitem apenas monitorizar o consumo global da
habitação, enquanto outros mais avançados já permitem monitorizar o consumo ao nível
de várias tomadas elétricas.
Esta Dissertação de Mestrado apresenta o desenvolvimento de um sistema de
supervisão e gestão de monitorizadores de energia elétrica. O sistema permite consultar
todas as características relevantes sobre o consumo de energia de vários equipamentos
elétricos a partir de monitorizadores instalados ao nível das tomadas elétricas.
O principal objetivo desta Dissertação consiste em agregar um conjunto desejável
de características num único sistema. Além de realizar todas as operações típicas de
qualquer sistema de monitorização, este sistema colmata alguns dos problemas
anteriormente citados. Este sistema, além de monitorizar os consumos de energia, é capaz
de efetuar controlo de cargas e detetar problemas de qualidade de energia elétrica. A
interface com o utilizador é feita através de um browser. Todo o sistema foi desenvolvido
tendo como foco apresentar um sistema interativo, dinâmico e flexível orientado para o
utilizador final de energia elétrica.
Palavras-Chave: Consumo de Energia Elétrica, FPGA, Monitorizador de Energia
Elétrica, Qualidade de Energia Elétrica, Raspberry Pi.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica ix
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Abstract
The changing in economical, technological and environmental factors forces the
society to adapt to new imposed situations. The cost of energy has been rising, and if on
one hand, this increase affects the economic situation of the population, on the other hand,
it enables the development of new technologies. However, new technological solutions
linked to energy production remain above the average purchasing power of the citizens.
Therefore, since the availability of financial resources is limited, there is a need to carry
out cost management, in this case, in the energy sector
The market already has several technologies in order to monitor and manage energy
consumption of household equipment. These monitoring systems have very desirable
electric characteristics. Moreover, the actual technology allows them to be compact and
discreet which makes them easy to install and use. Most of these systems after installa t ion
are accessible and configurable from an installable software that runs on a personal
computer. However, the majority of the systems on the market have some limitations.
Besides, regarding to the price of these systems, they remain far from the value that the
average citizen can afford. Furthermore, part of those equipments only allow to monitor
the overall consumption of the habitation, while others, more advanced, are able to
monitor the consumption at the level of the wall socket.
This MSc Dissertation presents the development of a system of supervision and
management of power consumption. The system allows consulting all relevant
characteristics of the power consumption of various electrical equipments installed at the
level of the electrical wall sockets.
The main goal of this Dissertation is to aggregate a set of desirable features into a
single system. Besides performing all the typical operations of any monitoring system,
this system overcomes some of the problems mentioned above. This system in addition
to monitoring energy consumption, is capable of perform load analysis and detect power
quality problems. The user interface is made via a browser. The entire system was
developed with a focus in presenting an interactive, dynamic and flexible system oriented
to the final user of electrical energy.
Keywords: Energy Consumption, FPGA, Power Quality Analyzers, Electric Power
Quality, Power Quality Analyzers, Raspberry Pi.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica xi
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Índice
Agradecimentos ........................................................................................................................................................... v
Resumo.........................................................................................................................................................................vii
Abstract ........................................................................................................................................................................ix
Lista de Tabelas .......................................................................................................................................................xvii
Lista de Siglas e Acrónimos...................................................................................................................................xix
CAPÍTULO 1 Introdução .........................................................................................................................................1
1.1. Importância dos Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica ....................................................... 1
1.2. Enquadramento ............................................................................................................................................ 3
1.3. Motivações.................................................................................................................................................... 4
1.4. Objetivos ....................................................................................................................................................... 4
1.5. Organização da Dissertação....................................................................................................................... 5
CAPÍTULO 2 Sistemas de Supervisão e Gestão de Energia Elétrica...........................................................7
2.1. Introdução ..................................................................................................................................................... 7
2.2. Soluções no Mercado.................................................................................................................................. 8
2.2.3. Cloogy.................................................................................................................................................. 10
2.2.4. G Smart ................................................................................................................................................ 11
2.2.5. EnergySTEP@Work ............................................................................................................................ 13
2.2.6. Open Energy Monitor .......................................................................................................................... 15
2.2.7. Fluke 430 Série II ................................................................................................................................ 18
2.3. Monitorizadores Desenvolvidos na Universidade do Minho............................................................. 20
2.3.1. Sistema Distribuído de Monitorização de Consumos e Qualidade de Energia Elétrica ...................... 20
CAPÍTULO 3 Projeto do Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de
Energia Elétrica........................................................................................................................................................ 29
3.1. Introdução ................................................................................................................................................... 29
3.2. Qualidade de Energ ia Elétrica ................................................................................................................. 30
3.3. Monitorizador baseado no IC ADE7753 ............................................................................................... 32
3.4. Monitorizador Baseado no Sistema Distribuído de Monitorização de Consumos de Energia
Elétrica ...................................................................................................................................................................... 34
3.5. Requisitos do Sistema ............................................................................................................................... 36
3.6. Arquitetura Proposta ................................................................................................................................. 38
3.7. FPGA ........................................................................................................................................................... 39
3.8. Raspberry Pi ............................................................................................................................................... 42
3.9. Conclusão.................................................................................................................................................... 44
CAPÍTULO 4 Simulações e Ensaios do Sistema Desenvolvido ................................................................... 45
4.1. Introdução ................................................................................................................................................... 45
4.2. Ferramentas de Desenvolvimento e Linguagens de Programação .................................................... 45
xii Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
4.2.1. ISE Design Suite e Linguagem Verilog ............................................................................................... 45
4.2.2. NetBeans IDE e Linguagem C++ ........................................................................................................ 47
4.2.3. Joomla! e Linguagens HTML e PHP .................................................................................................. 47
4.3. Simulações na FPGA ................................................................................................................................ 49
4.3.1. Simulação do Funcionamento do Monitorizador 1 ............................................................................. 50
4.3.2. Simulação do Funcionamento do Monitorizador 2 ............................................................................. 53
4.3.3. Simulação da Comunicação entre a Raspberry Pi e a FPGA .............................................................. 56
4.4. Teste dos Softwares Usados na Raspberry Pi....................................................................................... 58
4.4.1. Servidor Web ....................................................................................................................................... 58
4.4.2. Base de Dados MySQL e phpMyAdmin ............................................................................................... 60
4.4.3. Programa de Supervisão e Gestão em C++ ......................................................................................... 61
4.5. Conclusão.................................................................................................................................................... 62
CAPÍTULO 5 Implementação do Sistema para Configuração de Condições Reais de Utilização .... 63
5.1. Introdução ................................................................................................................................................... 63
5.2. Programa de Supervisão e Gestão Desenvolvido em C++ ................................................................. 63
5.3. Constituição Física do Sistema ............................................................................................................... 66
5.4. Descrição da Interface Gráfica do Sistema ........................................................................................... 67
5.4.1. Interface Aplicada à Configuração dos Monitorizadores .................................................................... 68
5.5. Conclusão.................................................................................................................................................... 75
CAPÍTULO 6 Testes do Sistema em Condições Reais de Utilização em Modelo de Rede
desenvolvido em Laboratório ............................................................................................................................... 77
6.1. Introdução ................................................................................................................................................... 77
6.2. Testes da Comunicação entre a FPGA e os Monitorizadores e com a Raspberry Pi ..................... 77
6.2.1. Teste da Comunicação entre a FPGA e o Monitorizador 1 ................................................................. 77
6.2.2. Teste da Comunicação entre a FPGA e o Monitorizador 2 ................................................................. 79
6.2.3. Teste da Comunicação entre a FPGA e a Raspberry Pi....................................................................... 80
6.3. Testes Utilizando o Monitorizador 1...................................................................................................... 80
6.3.1. Simulação de um Sag ........................................................................................................................... 80
6.3.2. Simulação de uma Interrupção Momentânea ...................................................................................... 82
6.4. Testes Utilizando o Monitorizador 2...................................................................................................... 83
6.4.1. Simulação de uma Subtensão e Swell .................................................................................................. 83
6.4.2. Simulação de Sag Seguido de Interrupção do Fornecimento de Energia ............................................ 84
6.5. Resultados Obtidos da Monitorização de Equipamentos ................................................................... 85
6.5.1. Monitorização do Consumo Energético de um Computador Portátil.................................................. 86
6.5.2. Monitorização do Consumo Energético de um Frigorífico Mini Bar.................................................. 87
6.5.3. Monitorização do consumo energético de um Termo Ventilador ....................................................... 89
6.6. Conclusão.................................................................................................................................................... 91
CAPÍTULO 7 Conclusão ....................................................................................................................................... 93
7.1. Conclusões.................................................................................................................................................. 93
7.2. Sugestões para Trabalho Futuro.............................................................................................................. 96
Referências ................................................................................................................................................................. 97
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica xiii
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Lista de Figuras
Figura 2.1– Aspeto do Fluksometer e respetiva pinça de corrente [17]. ............................................................. 9
Figura 2.2 – Plataformas de consulta de dados e aparelho de medição do sistema OWL Intuition-e
[19]. ........................................................................................................................................................................ 9
Figura 2.3 – Arquitetura do sistema Cloogy [22]. ................................................................................................. 11
Figura 2.4 – (a) Tomada inteligente Cloogy. (b) Sensor e transmissor Cloogy [22]. ...................................... 11
Figura 2.5 – Aplicações avançadas para smart grids [23]. .................................................................................. 13
Figura 2.6 – Controlador inteligente G Smart [23]. .............................................................................................. 13
Figura 2.7 – Visualização de um excerto do software StructureWare [24]. ..................................................... 14
Figura 2.8 – Extensão PX-5528 Raritan [26]......................................................................................................... 15
Figura 2.9 – Arquitetura do sistema Open Energy Monitor [27]........................................................................ 16
Figura 2.10 – Aspeto visual do módulo emonGLCD [27]. .................................................................................. 17
Figura 2.11 – Plataformas de consulta dos dados emoncms [27]. ...................................................................... 17
Figura 2.12 – Analisador de Qualidade de Potência Fluke 435 Série II [28]. .................................................. 19
Figura 2.13 – Possível arquitetura do sistema distribuído [29]. .......................................................................... 20
Figura 2.14 – Arquitetura do nó sensor [29]. ......................................................................................................... 21
Figura 2.15 – Aspeto do menu de comunicação [29]. .......................................................................................... 22
Figura 2.16 – Aspeto dos elementos que constituem o monitorizador desenvolvido. .................................... 23
Figura 2.17 – Software Qt do MQEE. ..................................................................................................................... 25
Figura 2.18 – Representação de uma forma de onda. ........................................................................................... 26
Figura 2.19 – Visualização dos dados em tabela. .................................................................................................. 26
Figura 3.1 – Diagrama de blocos do ADE7753 [30]. ............................................................................................ 33
Figura 3.2 – Vista de topo da PCB do monitorizador. .......................................................................................... 33
Figura 3.3 – Circu ito sugerido pelo datasheet do IC ADE7753 [30]. ................................................................ 34
Figura 3.4 – Vista de topo, lateral e base do monitorizador. ............................................................................... 35
Figura 3.5 – Vista do interio r da caixa do monitorizador. ................................................................................... 36
Figura 3.6 – Esquema representativo da comunicação entre o monitorizador e o recetor. ............................ 36
Figura 3.7 – Possível arquitetura do sistema de supervisão e gestão de energia elétrica. .............................. 39
Figura 3.8 – Aspeto da Basys 2 [39]........................................................................................................................ 40
Figura 3.9 – Características da Basys2 [39]. .......................................................................................................... 40
Figura 3.10 – Possível organização dos módulos da FPGA. ............................................................................... 41
Figura 3.11 – Esquema da comunicação entre a FPGA e diferentes monitorizadores. .................................. 42
Figura 3.12 – Relação entre os softwares executados na Raspberry Pi e com o exterior. .............................. 43
Figura 4.1 – Aspeto visual do ISE Design Suite [44]............................................................................................ 46
Figura 4.2 – Representação de cross compiling..................................................................................................... 47
Figura 4.3 – Arquitetura desenvolvida para a FPGA............................................................................................ 49
Figura 4.4 – Representação algoritmica do funcionamento do monitorizador 1. ............................................ 50
Figura 4.5 – Simulação do arranque do monitorizador 1. .................................................................................... 51
xiv Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Figura 4.6 – Simulação dos pedidos dos parâmetros da rede. ............................................................................. 52
Figura 4.7 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 1. ....................................................................... 52
Figura 4.8 – Representação algoritmica do funcionamento do monitorizador 2. ............................................ 53
Figura 4.9 – Simulação do arranque do monitorizador 2. .................................................................................... 54
Figura 4.10 – Simulação do acesso aos registos do monitorizador 2. ................................................................ 55
Figura 4.11 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 2. ..................................................................... 55
Figura 4.12 – Simulação de um pedido de leitura a um registo. ......................................................................... 57
Figura 4.13 – Simulação de uma resposta após o pedido de leitura. .................................................................. 58
Figura 4.14 – Exerto da página de informações sobre o servidor....................................................................... 59
Figura 4.15 – Aspeto visual do modo de edição de conteudos do Joomla!. ..................................................... 60
Figura 4.16 – Captura de ecrã com a ap licação web a correr no browser do smatphone. .............................. 60
Figura 4.17 – Home page da interface da aplicação phpMyAdmin. ................................................................... 61
Figura 5.1 – A lgoritmo representativo do funcionamento do programa em C++. ........................................... 65
Figura 5.2 – Excerto do terminal da Raspberry Pi durante a fase de testes. ..................................................... 66
Figura 5.3 – Vista do elementos do sistema de supervisão e gestão de energia eletrica. ............................... 67
Figura 5.4 – Aspeto da página principal da aplicação web. ................................................................................. 68
Figura 5.5 – Apresentação das funcionalidades do monitorizador 1. ................................................................ 69
Figura 5.6 – Página de configuração dos parâmetros da monitorização. .......................................................... 70
Figura 5.7 – Página de resultados, com opções usadas para analisar os resultados. ....................................... 71
Figura 5.8 – Montagem gráfica da página de resultados, com aspeto dos gráficos interativos para
diferentes opções de visualização e escala. ................................................................................................... 72
Figura 5.9 – Página de resultados, com relatório com pormenores da monitorização. ................................... 73
Figura 5.10 – Exemplo do aspeto da página da plataforma phpMyAdmin. ....................................................... 74
Figura 5.11 – Pág ina de resultados relativa ao monitorizador 2. ........................................................................ 75
Figura 6.1 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 1. ....................................................................... 78
Figura 6.2 – Pormenor da leitura do valor de tensão do monitorizador 1. ........................................................ 78
Figura 6.3 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 2. ....................................................................... 79
Figura 6.4 – Pormenor do momento em que se inicia a comunicação. .............................................................. 79
Figura 6.5 – Visão geral de um pedido da Raspberry Pi seguido de resposta. ................................................. 80
Figura 6.6 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de frequência, registados ao longo do
tempo, com a ocorrência de um sag detetado pelo monitorizador 1. ........................................................ 81
Figura 6.7 – Tabelas de resultados relativa ao sag detetado pelo monitorizador 1. ........................................ 81
Figura 6.8 – Gráfico com valor eficaz de tensão, com valor de frequência, registados ao longo do
tempo, com a ocorrência de uma interrupção detetada pelo monitorizador 1. ........................................ 82
Figura 6.9 – Tabelas de resultados relativa à interrupção detetada pelo monitorizador 1. ............................. 82
Figura 6.10 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência, registados ao longo
do tempo, com a ocorrência de uma subtensão seguida de swell detetados pelo
monitorizador 2. ................................................................................................................................................. 83
Figura 6.11 – Tabelas de resultados relativa à subtensão e swell detetados pelo monitorizador 2. .............. 84
Figura 6.12 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência, registados ao longo
do tempo, com a ocorrência de um sag seguido de uma interrupção detetados pelo
monitorizador 2. ................................................................................................................................................. 85
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica xv
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Figura 6.13 – Tabelas de resultados relativos à interrupção detetada pelo monitorizador 2. ........................ 85
Figura 6.14 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de potência, registado ao longo do
tempo, correspondente à monitorização de um computador portátil. ....................................................... 86
Figura 6.15 – Tabela de resultados relativa à monitorização do computador portátil. ................................... 87
Figura 6.16 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência e potência ativa,
registados ao longo do tempo, correspondente à monitorização de um frigorifico mini bar. ............... 88
Figura 6.17 – Tabela de resultados relativa à monitorização de um frigorifico mini bar. .............................. 88
Figura 6.18 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de potência ativa, registados ao
longo do tempo, correspondente ao consumo de potência pelo termo ventilador nos diferentes
estágios de funcionamento. .............................................................................................................................. 89
Figura 6.19 – Gráfico com valor eficaz de corrente, e com valor de fator de potência, registado ao
longo do tempo, correspondente à análise da corrente consumida e variação do FP nos
diferentes estágios de funcionamento do termo ventilador......................................................................... 90
Figura 6.20 – Tabela de resultados relativa à monitorização de um termo ventilador. ................................... 91
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica xvii
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 – Principais problemas de QEE [29]. ................................................................................................... 31
Tabela 4.1 – Protocolo utilizado para comunicar entre a Raspberry Pi e a FPGA. ......................................... 56
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica xix
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Lista de Siglas e Acrónimos
AT Alta Tensão
ADC Analog to Digital Converter
API Application Programming Interface
BT Baixa Tensão
CPU Central Processing Unit
CMS Content Management System
DSP Digital Signal Processor
FFT Fast Fourier Transform
FP Fator de Potência
FPGA Field Programmable Gate Array
GPIO General Purpose Input/Output
GEPE Grupo de Eletrónica de Potência e Energia
HDL Hardware Description Language
HDMI High Definition Multimedia Interface
HTML HyperText Markup Language
HTTP Hypertext Transfer Protocol
HTTPS Hypertext Transfer Protocol Secure
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IC Integrated Circuit
IDE Integrated Development Environment
I2C Inter-Integrated Circuit
IoT Internet of Things
IP Internet Protocol
xx Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
ISim ISE Simulator
JTAG Joint Test Action Group
MISO Master In Slave Out
MOSI Master Out Slave In
MT Média Tensão
MQEE Monitorizador de Qualidade de Energia Elétrica
PC Personal Computer
PT Posto de Transformação
QEE Qualidade de Energia Elétrica
RF Radio Frequency
RAM Random Access Memory
RxD Receber
SCLK Serial Clock
SPI Serial Peripheral Interface
SSEL Slave Select
SOC System-on-a-chip
TI Tecnologia de Informação
THD Total Harmonic Distortion
TxD Transmitir
USB Universal Serial Bus
UART Universal Synchronous Receiver/Transmitter
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 1
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
CAPÍTULO 1
Introdução
1.1. Importância dos Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Nas últimas décadas, diversos fatores como o crescente aumento populacional e o
desenvolvimento económico de países emergentes resultaram no aumento global do
consumo da energia elétrica [1]. Este aumento do consumo, por si só, exige novas
infraestrutura na rede elétrica ou reforço das mesmas, isto sem contar todos os efeitos
nefastos ao meio ambiente [2]. Por sua vez, como medida preventiva, governos e outras
entidades não-governamentais têm-se esforçado para promover o uso de equipamentos
mais eficientes [3]. Embora, à primeira vista, este movimento seja visto como um
movimento nobre, alguns equipamentos ditos eficientes e de baixo consumo têm
consequências negativas para a rede elétrica [4].
Os equipamentos antigos e energeticamente não eficientes são essencialmente
compostos por cargas lineares. Este tipo de cargas, embora consuma mais, não afeta a
qualidade da energia elétrica. Enquanto as novas cargas, ditas eficientes são classificadas
como não lineares, pois não apresentam uma relação linear entre o consumo de tensão e
corrente e que em certos casos podem causar problemas [5]. Usando o exemplo das
lâmpadas económicas, que podem chegar a consumir 90% menos de energia do que uma
lâmpada incandescente, contundo, estas podem diminuir a qualidade da energia elétrica
e aumentam a distorção harmónica. As consequências da presença destas cargas na rede
traduzem-se no aumento das perdas nas linhas e obriga ao uso de equipamentos
sobredimensionados na distribuição [6].
Uma vez que não se pode impedir os países de se desenvolverem, a tendência será
o aumento global do consumo de energia elétrica. Por outro lado, os países ditos
desenvolvidos até têm apresentado uma diminuição no consumo através do uso de
equipamentos mais eficientes mas com as consequências acima referidas [7].
Para superar as dificuldades em manter o sistema elétrico a operar eficientemente,
este terá de ser ajustado às novas necessidades. O modelo de distribuição e consumo de
energia elétrica não sofreu alterações significativas desde a sua criação,
consequentemente, está a atingir as suas limitações tecnológicas. No entanto,
2 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
gradualmente, está a ser desenvolvido e adotado um novo modelo. Este é conhecido como
smart grid, é uma tecnologia que visa aumentar a eficiência, fiabilidade e segurança em
todos os setores da energia elétrica [8].
Neste novo paradigma, a produção da energia deixa de ser exclusiva aos
fornecedores e passa, também, a ser uma opção para os consumidores. Esta característica
bidirecional na distribuição da energia elétrica tem uma série de consequências. Se, por
um lado, permite responder com flexibilidade a situações de alterações de consumo, por
outro lado, necessita de coletar enormes quantidades de informação sobre os diversos
elementos que constituem a rede. Será inevitável a união entre o sistema elétrico e os
sistemas de informação. Espera-se que, num futuro próximo, a rede elétrica seja uma área
dominada por amplos sistemas de aquisição de dados e comunicação [9]. Portanto,
considerando que existe uma solução inteligente, fiável e segura para gerir o consumo e
a produção de energia, será de esperar que este conceito se alastre às áreas residenciais.
As áreas residenciais, até há pouco tempo, possuíam apenas um fornecedor de
energia, considerando o exemplo de Portugal. No ano de 2012 o mercado da eletricidade
foi liberalizado, os consumidores, desde então, têm uma atitude mais ativa em relação ao
seu fornecedor de energia elétrica [10].
Qualquer individuo deve poder avaliar o serviço que subscreveu. Os
monitorizadores de energia elétrica surgem no mercado de forma a colmatar essa
necessidade. Estes devem, também, ser vistos como uma extensão da própria smart grid
mas aplicados à área residencial. Do mesmo modo que a smart grid gere a produção e
consumo de energia, os monitorizadores devem permitir aos consumidores analisar os
seus próprios consumos ou, até mesmo, a produção de energia [11].
Um monitorizador de energia elétrica deve possuir características atrativas que
justifiquem a sua aquisição. Começando pelas suas funcionalidades, estes devem ser
capazes de analisar de forma fiável o consumo de uma habitação, equipamento ou
conjunto de equipamentos. Um consumidor com o conhecimento dos seus hábitos de
consumo energético tem a possibilidade de se tornar num individuo mais consciente.
Utilizando os dados obtidos através de monitorizadores de energia elétrica, é
possível tomar atitudes com o intuito de diminuir os custos associados ao consumo de
energia, bem como aumentar a eficiência no consumo, e beneficiar de informação sobre
a qualidade da energia elétrica [12].
Para estimular os consumidores de energia elétrica a adquirirem monitorizadores
de energia elétrica estes devem ser compactos e práticos de usar. Idealmente, se existisse
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 3
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
um monitorizador compacto por cada tomada e interruptor de uma habitação, seria
possível analisar ao pormenor o consumo e comportamento de cada um dos
eletrodomésticos [11].
Não menos importante que as suas características técnicas, os monitorizadores
devem possuir interfaces amigáveis de modo a adequarem-se à maioria dos utilizadores.
Os dados adquiridos devem ser apresentados de forma clara, e, se possível, com
funcionalidades uteis para, por exemplo, comparar resultados antigos ou analisar a
evolução do consumo de energia ao longo de um determinado período de tempo .
Essencialmente os monitorizadores são o instrumento que torna possível gerir e
supervisionar consumos de energia elétrica [13]. Tal como acontece numa smart grid, são
necessários inúmeros pontos de recolha de dados para que depois um sistema os interprete
e atue em conformidade.
Por fim, a disseminação do uso de sistemas de gestão e supervisão de consumos de
energia só é possível se o custo de aquisição destes sistemas se traduzir em retorno
positivo do investimento. Por isso, é importante que o mercado reconheça a necessidade
destes sistemas. Um sistema de gestão e supervisão é uma ferramenta primordial, assim
sendo, é necessário desenvolver equipamento especializado. O custo da solução embora
seja importante pode ser significamente diminuído quando o produto é produzido em
massa.
1.2. Enquadramento
A sociedade atual desenvolveu uma forte dependência por equipamentos
tecnológicos. Os equipamentos mais procurados, por norma, permitem ser conectados à
internet e são vistos como equipamentos inteligentes. Esta tendência na procura destes
equipamentos inteligentes abriu caminho para o aparecimento do movimento da Internet
of Things (IoT).
O movimento da IoT é abrangente e consegue envolver virtualmente qualquer setor
do mercado. No âmbito de estudo desta Dissertação de Mestrado, é estudado o mercado
doméstico de equipamentos de monitorização. As caraterísticas desejáveis para estes
equipamentos, os monitorizadores de energia elétrica, devem antever as necessidades do
cliente. Um equipamento de monitorização deve ser fácil de utilizar, compacto e, se
possível, com um aspeto apelativo. Felizmente, o estado da tecnologia dos dias de hoje
permite superar as exigências do mercado.
4 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Esta Dissertação descreve o desenvolvimento de um sistema de supervisão e gestão
para monitorizadores de energia elétrica. O Grupo de Eletrónica de Potência e Energia
(GEPE) da Universidade do Minho tem vindo a desenvolver diversos sistemas de
monitorização ao longo da sua existência. O objetivo primordial desta Dissertação
consiste em associar os sistemas de monitorização previamente criados no GEPE a uma
plataforma web. A partir da web, remotamente, os utilizadores poderão com este sistema
acompanhar e interagir em tempo real com os seus equipamentos sob monitorização.
Através da plataforma poderá ser consultado o consumo dos equipamentos sob
monitorização. O sistema também permitirá analisar parâmetros relativos à qualidade de
energia elétrica, e poderá possuir eventuais aplicações úteis para o utilizador.
1.3. Motivações
As principais motivações para este trabalho de Dissertação são:
Possibilidade de desenvolver um trabalho cujo tema se encontra inserido nas
áreas de Sistemas de Energias e Sistemas Embebidos;
Aumento do know-how sobre o desenvolvimento de sistemas para FPGAs;
Aumento do knwo-how sobre o desenvolvimento de software para Linux;
Possibilidade de adquirir novos conhecimentos na área de programação web;
Possibilidade de desenvolver novas soluções na área da eficiência energética e
o consumo sustentável de energia elétrica.
1.4. Objetivos
Os principais objetivos desta Dissertação são os seguintes:
Projetar e desenvolver um dispositivo de Supervisão e Gestão para Sistemas de
Monitorização de Energia Elétrica que permita a integração de monitorizado res
pré-existentes, e que seja acessível remotamente;
Estudar o estado atual dos sistemas de monitorização de energia elétrica;
Selecionar as plataformas de desenvolvimento necessárias para o sistema;
Desenvolver o software necessário para o sistema de aquisição de dados;
Desenvolver o software necessário para a interface com o utilizador;
Desenvolver as condições para o teste em laboratório para o sistema
desenvolvido;
Realizar testes ao sistema desenvolvido e verificar o seu funcionamento.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 5
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
1.5. Organização da Dissertação
Os tópicos abordados ao longo desta Dissertação de Mestrado estão organizados
em sete capítulos. O conteúdo de cada um dos capítulos é descrito de seguida.
No Capítulo 1 são introduzidos os conteúdos abordados no trabalho de Dissertação,
bem como os objetivos e motivações do trabalho proposto.
No Capítulo 2 é feito um levantamento do estado da arte de sistemas de
monitorização existentes no mercado, e são, também, apresentados dois monitorizadores
desenvolvidos no GEPE.
No Capítulo 3 é introduzido o conceito de qualidade de energia elétrica (QEE), são
apresentados os monitorizadores utilizados no sistema e, por fim, é apresentada a
arquitetura do sistema de supervisão e gestão de monitorizadores de energia elétrica.
No Capítulo 4 são apresentadas as ferramentas e linguagens de programação
necessárias para o desenvolvimento do trabalho de Dissertação. De seguida, são
apresentadas simulações dos módulos executados pela FPGA que permitem a aquisição
dos dados vindos dos monitorizadores. Por fim, são testados os softwares instalados na
Raspberry Pi necessários para o funcionamento do sistema.
No Capítulo 5 descreve-se o sistema como um todo. Este inicia com a apresentação
física do sistema, destacando os componentes usados, e termina com a apresentação do
ambiente gráfico.
No Capítulo 6 são expostos resultados obtidos a partir do sistema desenvolvido.
São essencialmente apresentados dois conjuntos de resultados diferentes, resultados
contendo eventos de QEE e resultados de monitorização de equipamentos elétricos
variados.
No Capítulo 7 são apresentadas as conclusões resultantes do trabalho desenvolvido.
No final, são apresentadas sugestões para trabalhos futuros que possam complementar o
trabalho.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 7
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
CAPÍTULO 2
Sistemas de Supervisão e Gestão de Energia Elétrica
2.1. Introdução
Atualmente, o setor dos edifícios (residencial e serviços) é responsável pela
utilização de cerca de 30% do total de energia consumida em Portugal [14]. Uma das
causas encontra-se na evolução das exigências de conforto das famílias portuguesas, que
se traduz numa maior procura de eletrodomésticos. Este aumento do consumo de energia
pode ser moderado informando e sensibilizando os consumidores domésticos para os seus
perfis de consumo. O conhecimento do perfil de consumo de cada eletrodoméstico
permite ao consumidor conhecer os seus equipamentos e tomar decisões conscientes
relativamente ao futuro dos mesmos. Sempre que é detetado um equipamento
energeticamente pouco eficiente ou defeituoso podem ser tomadas decisões que permitam
ao consumidor reduzir o valor da fatura de energia elétrica mas também diminuir a pegada
ecológica. Uma das possíveis soluções para equipamentos pouco eficientes e,
naturalmente, pouco económicos passa pela sua troca ou abate. Apesar de ser necessário
um investimento inicial considerável, o retorno do investimento pode, dependendo do
caso, ser reavido em poucos ano.
O valor da fatura da energia elétrica é um dos fatores que diretamente mais
influencia o consumidor a mudar de atitude em relação à forma como usa a energia
elétrica. Uma vez que a tendência atual é de aumento de preços em vários setores do
mercado, incluindo o da energia, têm surgido novas entidades cujo objetivo é difund ir
informações ou soluções para melhorar a eficiência do consumo de energia. Se por um
lado campanhas de sensibilização alertam a população sobre o desperdício de energia,
por outro, aparecem novas empresas com soluções direcionadas para gerir, controlar e
otimizar o consumo e difundir novos hábitos energéticos [15].
No mercado existem várias soluções orientadas para a monitorização de consumos
de energia. Os monitorizadores que podem ser encontrados no mercado têm diversos
graus de complexidade, vão desde simples ferramentas de cálculo até sistemas muito
complexos e repletos de aplicações extra.
8 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Os problemas de qualidade de energia elétrica (QEE) são também um fator a
considerar no momento da aquisição de um monitorizador. Existem equipamentos
residenciais e industriais que podem ser mais ou menos sensíveis à qualidade da energia.
A má qualidade da energia deve-se, por norma, a eventos que ocorrem na rede. Eventos
como por exemplo os sags (subtensões momentânea da tensão), ou swells (sobretensão
momentânea da tensão), resultantes da entrada ou saída de grandes cargas na rede, e
distorção harmónica devido à presença de cargas não lineares. Além dos já referidos,
existe, ainda, uma série de outros eventos, como por exemplo os harmónicos, micro-
cortes (notching), flickers,etc.
Os problemas associados à má qualidade da energia são um dos fatores geradores
de avarias em equipamentos, logo, estes devem ser detetados e posteriormente estudados
de forma a corrigir a anomalia que os provoca.
Recorrendo a monitorizadores de QEE é possível identificar a fonte dos problemas
na rede e, por sua vez, tomar as respetivas medidas no sentido de os prevenir, atenuar ou
eliminar [16].
2.2. Soluções no Mercado
Neste item serão referidas algumas soluções e equipamentos disponíveis no
mercado cujo propósito é informar o consumidor sobre os consumos elétricos e sobre
eventuais problemas de qualidade de energia elétrica. Serão, também, apresentados
equipamentos com a capacidade de atuar sobre as cargas, ligando ou desligando-as,
conforme as necessidades do consumidor ou agindo preventivamente em caso de
anomalias no sistema elétrico.
2.2.1. Fluksometer
O Fluksometer V2 é um dispositivo da empresa belga Flukso que permite a
monitorização do consumo total de energia elétrica de uma residência. Este dispositivo
deve ser instalado junto do quadro elétrico. Caso exista uma rede sem fios disponível na
residência onde foi instalado, o Fluksometer fica conectado à mesma e envia as suas
medições em intervalos de 5 minutos. Os dados adquiridos são guardados numa base de
dados disponível no servidor da Flukso e podem ser consultados via internet. Na
Figura 2.1 é possível observar o aspeto deste dispositivo junto com a pinça de
corrente [17]. O valor comercial deste equipamento é de 96,80€ [18].
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 9
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Figura 2.1– Aspeto do Fluksometer e respetiva pinça de corrente [17].
2.2.2. Sistema OWL Intuition-e
O OWL Intuition-e é um sistema de monitorização da empresa britânica OWL. Este
efetua o registo de consumo de energia elétrica de uma residência e guarda, de forma
automática, os valores adquiridos num servidor dedicado. Para o correto funcionamento
deste sistema é necessário existir ligação à internet na habitação onde este é instala do.
Este sistema tem como grande vantagem o acesso aos valores guardados, isto é, a
possibilidade de visualização destes valores ou até mesmo de gráficos ilustrat ivos
relativos às variações de consumo ao longo do dia. Para visualizar os registos pode ser
utilizado um computador ou até mesmo um smartphone ou tablet, o que torna o sistema
bastante prático. As diferentes interfaces de acesso aos dados estão representadas na
Figura 2.2.
As características mais significativas desde sistema são a taxa de amostragem dos
valores relativos à energia consumida, que é de 12 em 12 segundos, e o alcance do
transmissor que é de aproximadamente 30 metros. Embora o transmissor seja alimentado
a pilhas, este tem autonomia de aproximadamente 14 meses [19]. O preço deste
equipamento é de aproximadamente 76,00€ [20].
Figura 2.2 – Plataformas de consulta de dados e aparelho de medição do sistema OWL Intuition-e [19].
10 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
2.2.3. Cloogy
O Cloogy® Home, da empresa portuguesa Cloogy®, é uma solução de gestão
energética para residências. Este sistema é constituído por diversos sensores e
equipamentos estrategicamente colocados na residência para informar o utilizador sobre
o consumo doméstico. Além de dispositivos de recolha de dados, o Cloogy possui
tomadas inteligentes que podem ser usadas para controlar eletrodomésticos, isto é,
permitem ligar e desligar equipamentos remotamente. Os dados obtidos pelos sensores
podem ser consultados em diversas plataformas, nomeadamente no Monitor Cloogy,
como é exemplificado na Figura 2.3. Estes são, também, acessíveis através de
computadores, smartphones ou tablets. Os equipamentos que constituem o Cloogy têm
um design agradável e moderno, esta característica, associada às suas funcionalidades,
faz com que esta seja uma solução de gestão energética bastante desejável.
Esta empresa possui, também, outras soluções direcionadas para a gestão de
consumos. Como pacotes Cloogy Premium, para os utilizadores com necessidades mais
exigentes de controlo e monitorização, e pacotes Cloogy Renewables, para quem possui
sistemas de microgeração e pretende monitorizar a energia produzida em tempo real e à
distância. O valor do pacote mais simples, o Cloogy Go, tem o preço de 199,00€ [21].
O funcionamento do sistema Cloogy é facilmente entendido analisando a
Figura 2.3. Um pequeno sensor é instalado no quadro elétrico e recolhe informação sobre
o consumo global da habitação. Por sua vez, as tomadas inteligentes também recolhem
informação sobres os equipamentos ligados a estas. Os dados obtidos no quadro elétrico
e pelas tomadas inteligentes são enviados para um concentrador. Este, por sua vez,
reencaminha os dados para uma plataforma web, sendo assim possível ao consumidor
aceder a esses mesmos dados.
As tomadas inteligentes, Figura 2.4 (a), permitem ser controladas remotamente, ou
seja, é possível controlar o estado dos equipamentos bem como programar modos de
funcionamento.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 11
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Figura 2.3 – Arquitetura do sistema Cloogy [22].
A comunicação entre as tomadas inteligentes, Figura 2.4 (a), os sensores,
Figura 2.4 (b), e o concentrador, é efetuada através de rede sem fios ZigBee. Por sua vez,
o acesso aos registos é efetuado através da rede sem fios wireless recorrendo aos
equipamentos de uso pessoal supracitados [22].
Figura 2.4 – (a) Tomada inteligente Cloogy. (b) Sensor e transmissor Cloogy [22].
2.2.4. G Smart
O G Smart é um controlador inteligente ou concentrador de contadores
desenvolvido pela empresa EFACEC, uma empresa Portuguesa [23]. Segundo a empresa,
este é um produto inovador cujo propósito é ser usado em redes de distribuição onde pode
controlar e monitorizar a rede de média tensão (MT) e baixa tensão (BT). O produto é
orientado para soluções de automação avançadas de postos de transformação e automação
do circuito de MT. O G Smart é perfeitamente capaz de ser integrado em aplicações
relativas à gestão de consumos, por exemplo numa Smart Grid.
12 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
O G Smart tem a capacidade de recolher e gerir contagens de troços a jusante da
rede de BT por meio de várias das suas interfaces de comunicação padrão. Por outro lado,
quando este é usado no sector das smart grids, intervém tanto na rede de alta como de
média tensão. Os campos em que este é aplicado são os da gestão de procura, de
carregamento de veículos elétricos, de controlo de microgeração e de iluminação pública.
As características físicas que dão suporte ao funcionamento do G Smart são o seu
servidor web embebido, as diferentes interfaces de entrada e saída para comunicação com
outros equipamentos, os slots de expansão para módulos personalizados e, por fim, a
capacidade de armazenamento de dados localmente. O gestor da rede tem a possibilidade
de adicionar novas funcionalidades de software ou de harware usando os slots de
expansão. Uma vez que o G Smart tem a capacidade de ser programado com um conjunto
de APIs de software, é possível moldar as suas funcionalidades em função dos projetos
ao qual este se destina.
Por exemplo, é possível programar o G Smart para funcionar como monitorizador
de QEE. Ao ser adicionado um módulo de QEE, este pode registar os parâmetros e
anomalias na rede. Podem ser definidos alertas sempre que este deteta uma anomalia ou
problema de QEE. Os eventos de QEE que este é sensível são variações de frequência,
variações de tensão, flickers, THD, conteúdo harmónico e desequilíbrios na tensão. Para
cada uma das perturbações é criado um documento estatístico com a frequência do
acontecimento.
De modo a melhor visualizar o papel deste equipamento num determinado projeto
é explicado o funcionamento deste quando é utilizado em aplicações avançadas em smart
grids. Como se pode ver Figura 2.5, o G Smart gere diversas áreas de consumo de energia.
Este tem como função gerir a procura e efetuar um controlo combinado entre consumo,
armazenamento, carregamento e microgeração. O seu funcionamento neste modo pode
ser isolado ou ligado à rede.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 13
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Figura 2.5 – Aplicações avançadas para smart grids [23].
O aspeto exterior do controlador inteligente pode ser visto na Figura 2.6, onde é
possível identificar algumas das suas interfaces de saída tais como duas portas USB, uma
porta RS-232, duas portas ethernet e vários leds de sinalização de eventos.
Figura 2.6 – Controlador inteligente G Smart [23].
2.2.5. EnergySTEP@Work
A Schneider Electric desenvolveu o EnergySTEP@Work [8]. É uma solução
direcionada para informar as empresas de Tecnologia de Informação (TI) sobre os
14 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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consumos de energia ao nível da tomada. Cada vez mais, o local de trabalho é usado pelos
funcionários para recarregarem os seus dispositivos móveis, sejam estes computadores
portáteis, telemóveis ou outros. Esta tendência, embora seja individualmente pouco
significante, pode representar um aumento de cerca de 40% no consumo de energia do
edifício, quando somadas todas as contribuições individuais.
No sentido de controlar o consumo de energia extra, a Schneider Electric apresenta
em conjunto com a tecnologia da Cisco® EnergyWise [9], o software StructureWare que
disponibiliza online o consumo dos diversos aparelhos ligados às tomadas do edifíc io.
Este software tem como propósito reduzir e controlar o desperdício de energia associado
aos equipamentos de TI, como por exemplo, iluminação de secretária, impressoras,
telefones IP, routers, entre outros. A Figura 2.7 demonstra o aspeto gráfico do software.
Figura 2.7 – Visualização de um excerto do software StructureWare [24].
A tecnologia da Cisco® EnergyWise que dá suporte ao software de recolha de dados
é composta por uma rede de extensões elétricas que alimentam os equipamentos da
empresa ou escritórios. Existem diferentes tipos de extensões, cada uma com
características ligeiramente diferentes, no entanto, para exemplificação, será usado o
modelo PX-5528 Raritan, representado na Figura 2.8. Este permite monitorizar e
controlar os equipamentos a si ligados. A monitorização é feita ao nível da tomada, cada
tomada da extensão permite obter os valores de corrente, tensão, potência, fator de
potência (FP) e consumo de energia com uma precisão de aproximadamente 1%. Os
dados podem ser consultados localmente através de um pequeno LCD ou remotamente,
podem também ser definidos parâmetros e alertas. Quando acedidos remotamente, os
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 15
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dados são encriptados por uma chave de 256-bits, palavra passe e outras opções
avançadas de segurança [25].
Figura 2.8 – Extensão PX-5528 Raritan [26].
2.2.6. Open Energy Monitor
O Open Energy Monitor consiste num projeto open-source cujo objetivo é permitir
que qualquer individuo possa desenvolver o seu próprio monitorizador de energia. Todos
os elementos constituintes do projeto estão disponíveis online. O software pode ser
descarregado diretamente do website e o hardware pode ser adquirido em várias lojas
referenciadas no website.
O sistema Open Energy Monitor é compatível com o Integrated Development
Environment (IDE) do Arduíno, o que facilita a sua utilização e perceção por parte do
publico em geral. O sistema é constituído, essencialmente, por quatro partes principa is
emonTx, emonGLCD, emonBase e emoncms. As diferentes partes podem ser montadas
e configuradas para trabalhar numa variada gama de aplicações. Estas vão desde
monitorizadores de energia, temperatura, pressão, até controladores de energia solar. Esta
versatilidade do sistema permite utilizar os conhecimentos adquiridos na montagem do
projeto para outras aplicações. A Figura 2.9 ilustra a arquitetura geral do sistema.
16 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Figura 2.9 – Arquitetura do sistema Open Energy Monitor [27].
O módulo emonTx é responsável pela aquisição das grandezas elétricas,
processamento, e posterior envio das mesmas para o emonBase. Os sinais adquiridos
pelos sensores de tensão e corrente são processados localmente e resultam em
informações úteis sobre a habitação ou equipamento sob monitorização. O processamento
é realizado no microcontrolador ATmega328, este tem como principais características ser
um microcontrolador bastante conhecido e com muita documentação disponível online,
o que facilita a sua programação por parte utilizadores menos experientes. Este pode,
também, ser configurado ao gosto do utilizador. As informações obtidas através do
processamento deste módulo, como por exemplo, o consumo de energia, valores de
potência, tensão e corrente, são enviados para o módulo emonBase via wireless.
O módulo wireless que permite a comunicação entre as diferentes partes do sistema
é o RFM12B. A comunicação só é possível se for usada a mesma frequência em todos os
módulos do sistema, este valor é tipicamente 433 MHz.
A estação base, constituída pelo módulo emonBase, tem como principal finalidade
reencaminhar os dados para um servidor emoncms, de modo a disponibilizar os mesmos
online. O módulo emonBase pode ser constituído por uma Raspberry Pi ou
NanodeRF SMT e um sensor RFM12B. A estação base permite organizar os dados
recebidos e definir o seu percurso até ao utilizador. Os dados podem ter várias origens,
como por exemplo, grandezas medidas por sensores extra de temperatura e humidade.
Uma vez processados, os dados são enviados para o módulo emoncms. Por fim, todos os
dados podem ser apresentados no emonGLCD.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 17
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
O aspeto deste módulo, o emonGLCD, pode ser visto na Figura 2.10. O design do
módulo fica ao encargo do utilizador e este é constituído por um LCD de 128x64
polegadas. Este módulo é, por sua vez, constituído por uma Arduíno ATmega323 e um
transmissor RFM12B. O transmissor recebe os dados vindos da estação base e o Arduíno
organiza-os de modo a apresenta-los corretamente no visor.
Figura 2.10 – Aspeto visual do módulo emonGLCD [27].
Por último, o módulo responsável por disponibilizar os dados online, o emoncms,
consiste numa aplicação web open-source para a consulta e visualização de registos de
energia, temperatura, entre outros. Este módulo, representado pela Figura 2.11, consiste
num software que pode ser instalado na própria estação base ou externamente num
servidor remoto [12]. Quando instalado na estação base, os dados que este armazena são
menos suscetíveis a questões de segurança e privacidade, pois estes nunca saem do local
onde o Open Energy Monitor é instalado [27]. É de salientar que todo o código necessário
ao funcionamento de qualquer parte deste sistema se encontra disponível no website do
produto.
Figura 2.11 – Plataformas de consulta dos dados emoncms [27].
18 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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2.2.7. Fluke 430 Série II
Os equipamentos Fluke 430 Série II são analisadores de qualidade de energia para
sistemas monofásicos e trifásicos. O objetivo destes equipamentos é, acima de tudo,
localizar, prever, evitar e detetar avarias relacionadas com questões de QEE.
Estes produtos têm excelentes características e diversas funcionalidades extra,
razão pela qual o seu preço é consideravelmente elevado em comparação com outras
soluções existentes no mercado. Embora o preço não esteja ao alcance de qualquer
consumidor, este equipamento também não se destina a simples monitorizações pontuais.
O uso de um equipamento tão sofisticado quanto este torna-se viável sempre que
seja necessário prevenir e, consequentemente, evitar situações de grande prejuízo. Como
exemplo ficam as seguintes situações. As perdas financeiras relativas à avaria de
equipamentos ou à paragem de uma linha de produção onde o investimento na aquisição
do monitorizador é compensado pela redução ou mesmo eliminação de avarias. O perigo
associado a avarias em meios de transporte como aviões é um risco constante para os
passageiros. Por isso, justifica-se que as empresas envolvidas adquiram bons
equipamentos para manter os aviões em perfeitas condições de segurança e
funcionamento.
Vistos estes exemplos, conclui-se facilmente que a má qualidade ou mesmo falhas
de energia elétrica têm consequências nos equipamentos, avariando-os, parando linhas de
produção mas também colocando em risco vidas humanas. Com este equipamento da
Fluke não só se consegue evitar e prever avarias mas também se torna possível estimar o
valor de prejuízo financeiro que uma determinada organização poderá sofrer devido a
problemas de QEE.
Os equipamentos da família Fluke 430 permitem vários tipos de medições e análises
e possuem diversas funções integradas no aparelho. São de destacar as seguintes
funcionalidades:
Análises gráficas automáticas;
Cálculo de perda de energia:
Mede a energia ativa e reativa, desequilíbrios e potência dos harmónicos.
No final, devolve o valor das perdas no sistema;
Captura de dados PowerWave;
Captura de formas de onda;
Deteção de avarias em tempo real;
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 19
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Eficiência do inversor de potência;
Medição de três fases e neutro;
Monitorização de equipamentos;
Visualização e elaboração de gráficos e relatórios:
Os dados examinados e armazenados no Fluke podem ser revistos no PC
através de um software de análise.
Uma série de funções avançadas permitem analisar várias situações. Deve-se
destacar a seguinte funcionalidade. É possível analisar o perfil de consumo de
determinados equipamentos e concluir quais podem ser otimizados de modo a poupar
energia. No entanto, a poupança de energia pode, também, ser estimada em termos de
prejuízo que um determinado equipamento pode causar por estar inativo devido a uma
avaria e pelo custo da reparação do mesmo. Em situações de perdas por desequilíbrios de
tensão em sistemas trifásicos e perdas associadas à presença de harmónicos na instalação,
também é calculada uma estimativa do prejuízo causado.
Para finalizar, o analisador presente na Figura 2.12 tem todas as competências para
analisar e identificar situações de desperdício de energia, de avaria eminente e má
qualidade de energia elétrica [28].
Figura 2.12 – Analisador de Qualidade de Potência Fluke 435 Série II [28].
20 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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2.3. Monitorizadores Desenvolvidos na Universidade do Minho
Em ambiente académico, mais especificamente no Grupo de Eletrónica de Potência
e Energia (GEPE) da Universidade do Minho, foram desenvolvidos alguns
monitorizadores de energia elétrica. Serão aqui apresentados e descritos dois projetos
desenvolvidos nos laboratórios do GEPE.
2.3.1. Sistema Distribuído de Monitorização de Consumos e Qualidade de Energia
Elétrica
O trabalho resultante desde sistema de monitorização foi desenvolvido por Manuel
Pereira no âmbito da sua Dissertação de Mestrado em Eletrónica Industrial e
Computadores. O título da Dissertação atribuído a este projeto é “Sistema distribuído de
monitorização de consumos e qualidade de energia elétrica” [29].
Trata-se de um monitorizador de baixo custo utilizando uma rede sem fios. A rede
sem fios utiliza o protocolo ZigBee/IEEE 802.15.4.
Arquitetura do Sistema Distribuído
O sistema distribuído de monitorização é constituído por quatro partes: pelo nó
sensor, pela estação base, pelo nó coordenador da rede sem fios ZigBee, e pelo software
do PC. A possível arquitetura do sistema pode ser vista na Figura 2.13. Dependendo da
necessidade pode ou não existir um quinto elemento, o nó router. No entanto, a
necessidade deste último nó, só é justificada se existirem nós sensores fora do alcance da
estação base. A função do nó router consiste apenas em reencaminhar informação e
estender o alcance da rede.
Figura 2.13 – Possível arquitetura do sistema distribuído [29].
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 21
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Os dados adquiridos pelo nó sensor são enviados para o nó coordenador através dos
nós routers da rede sem fios. O software do PC, por sua vez, coleta os dados da estação
base e exibe-os para o utilizador.
Detalhes do Hardware
A placa que forma o nó sensor, como pode ser visto na Figura 2.14, é constituída
pelo circuito integrado ADE7753 no verso da placa e pelos restantes componentes no
topo. O ADE7753 é o elemento chave da placa, este é responsável pela aquisição e
processamento dos sinais vindos dos sensores de tensão e corrente [30]. Uma vez
processados, os dados são colhidos pelo SoC CC2530EM e enviados para a estação base.
As características deste módulo são as seguintes, é constituído por um microcontrolador
8051, um transcetor RF de alto desempenho compatível com o padrão IEEE 802.15.4 na
faixa de 2.4 GHz, possui 8 kB de RAM e até 256 kB de memória Flash. Este módulo é
usado em todos os nós da rede (nó sensor, router e estação base).
Por último, um relé permite que o nó sensor atue como um interruptor ligando e
desligando os equipamentos a este ligados.
O nó sensor é adequado à rede elétrica residencial em Portugal, cujas características
são tensão de 230 V/50 Hz e corrente máxima de 16 A.
Figura 2.14 – Arquitetura do nó sensor [29].
Por sua vez, a estação base funciona como coordenador da rede ZigBee e é
conectada a um PC por USB. A estação base comunica com o software do PC sempre que
dados vindos de nós sensores chegam à mesma.
22 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Detalhes do Software
Cada módulo CC2530EM é programado em função do seu propósito, o módulo
presente no nó sensor é programado de modo a ler os registos do ADE7753 e enviar os
dados para a estação base. Por outro lado, o módulo presente na estação base é
responsável por receber os dados vindos dos nós a jusante e enviar para o PC as
informações inerentes aos nós sensores. A programação destes módulos é realizada
através do software IAR Embedded Workbench. Os módulos CC2530EM usados neste
projeto foram programados usando a Z-Stack-CC2530-2.4.0-1.4.0 que é compatível com
dois perfis da norma ZigBee 2007, sendo estas ZigBee e ZigBee Pro.
O software que corre no PC do utilizador foi desenvolvido em linguagem C#.
O objetivo deste é proporcionar ao utilizador uma interface onde todos os dados
adquiridos pelos nós sensores podem ser consultados. O programa consiste numa
aplicação para o Windows, constituída por três opções na parte superior. Quando alguma
das opções for selecionada, a respetiva informação é apresentada na parte inferior. Uma
vez iniciado e configurado o software, este fica pronto para receber a informação dos nós
sensores. A informação pode ser analisada em tempo real através do menu “End Device”,
como pode ser visto na Figura 2.15. Os dados nesta etapa são atualizados sempre que
novos dados chegam.
Figura 2.15 – Aspeto do menu de comunicação [29].
Relativamente aos consumos de energia elétrica, o utilizador é informado sobre a
tensão, corrente, frequência, potência consumida e fator de potência. Uma vez que o
ADE7753 também deteta eventos de qualidade de energia elétrica, nomeadamente falhas
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de energia, sags e swells, estes são, de igual modo, exibidos no programa sempre que
ocorrem. O preço da energia pode ser definido no programa para que ao longo da
monitorização este possa indicar o montante consumido. Mais do que calcular a energia
consumida, o software consegue estimar o consumo mensal e anual de um determinado
equipamento. Por fim, os dados podem ser exportados para um ficheiro Excel e
armazenados para futura consulta.
2.3.2. Monitorizador da Qualidade da Energia Elétrica
O Monitorizador da Qualidade da Energia Elétrica (MQEE) descrito nesta secção
foi desenvolvido nos laboratórios do GEPE. O aspeto do monitorizador pode ser visto na
Figura 2.16. A plataforma de desenvolvimento usada foi a F28M35H52C da Concerto
Microcontrollers family produzida pela da Texas Instruments. São de salientar as
seguintes características da plataforma, esta possui um System on Chip com um DSP C28
e microprocessador ARM M3, interfaces para ethernet, µSD, USB, e possui também um
circuito dedicado para depuração por JTAG.
Figura 2.16 – Aspeto dos elementos que constituem o monitorizador desenvolvido.
Para interagir com o hardware foi desenvolvido um software, cuja função é
comunicar com o hardware de modo a receber todos os dados relevantes. O software
permite representar graficamente os valores obtidos pelo MQEE bem como alterar
24 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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definições. Os dados resultantes do processamento das grandezas físicas de interesse são
armazenas no µSD
Por fim, as grandezas obtidas pelos sensores são processadas e posteriormente
armazenadas localmente no cartão µSD ou podem ser acedidas via ethernet.
Características do Hardware
O monitorizador desenvolvido apresenta as seguintes características técnicas:
4 Canais isolados de tensão (600 Vrms max.) + 4 canais isolados de corrente;
Acesso remoto aos dados armazenados e controlo remoto da monitorização;
Armazenamento num cartão de memória com sistema de ficheiros FAT;
Cálculo da FFT de 1024 amostras para um conjunto de 10 ciclos;
Cálculo dos valores eficazes das tensões e correntes, THD, TPF, potências
ativa, reativa e aparente, e frequência segundo a norma IEC 6100-4-30;
Deteção de eventos: sags, swells, interrupções;
Taxa de amostragem de 25,6 kS/s (512 amostras por ciclo de 50Hz).
É de destacar a gama de valores máximos para os quais este monitorizador foi
projetado. Este suporta tensões até 1500 Vrms em tensão continua e alternada, este facto
deve-se aos sensores usados serem do tipo CYHVS5-25A. Uma vez que os canais de
aquisição de sinal são isolados, podem ser feitas medições com referências diferentes.
Relativamente aos valores máximos de corrente, o MQEE possuí sensores que permitem
medições até 400 Arms. Os sensores que permitem esta gama de valores de corrente são
do tipo CYHCS-WLY-400A têm a vantagem de poderem ser instalados sem desconectar
qualquer condutor uma vez que possuem um ponto de abertura.
Detalhes do Software
A placa de desenvolvimento é programada usando o software Code Composer
Studio da Texas Instruments. O IDE por eles fornecido é usado para desenvolver
aplicações de baixo nível. Neste caso o IDE é utilizado para compilar e depurar código
para o DSP e o ARM M3, ambos elementos base da placa de desenvolvimento
F28M35H52C.
Relativamente à aplicação gráfica que permite controlar o monitorizador, esta foi
desenvolvida em línguagem C++ e biblioteca Qt Framework. Esta aplicação comunica
com o MQEE por ethernet. A aplicação tem diversas funcionalidades, em lugar de
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 25
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destaque está o modo “scope” que permite visualizar as formas de onda das tensões e
correntes para todos os canais, como pode ser visto na Figura 2.17. A aplicação permite,
também, uma série de ajustes de escala. O modo “Spectrum” dá ao utilizador o espectro
harmónio das tensões e correntes para cada uma das três fases. O modo “Monitor”
proporciona ao utilizador uma série de opções configuráveis de modo a tornar a
monitorização o mais personalizável possível. São de salientar as seguintes opções,
monitorização manual ou programável, tempo de monitorização e acesso a registos e
consulta de eventos armazenados no MQEE.
Por fim, o modo “Setup” deve ser usado para consultar ou definir parâmetros físicos
relativos ao MQEE, estes podem ser sobre o estado de utilização da memória, hora e data,
aspeto das formas de onda, etc.
Figura 2.17 – Software Qt do MQEE.
Um segundo software foi desenvolvido para correr no sistema operativo Android.
Neste estão disponíveis alguns dos modos da aplicação principal, por exemplo o modo
“Scope” e “Meter”. Este segundo software permite ao utilizador acompanhar a
monitorização com mais comodidade a partir do seu smartphone. Na Figura 2.18 e
Figura 2.19, pode ser observados o modo “Scope” e “Meter” respetivamente. Assim se
concluem as funcionalidades deste MQEE.
26 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Figura 2.18 – Representação de uma forma de onda.
Figura 2.19 – Visualização dos dados em tabela.
2.3.3. Conclusões
Ao longo deste capítulo foram apresentados vários sistemas de monitorização
existentes no mercado, bem como alguns exemplos do que o GEPE (Grupo de Eletrónica
de Potência e Energia da Universidade do Minho) é capaz de desenvolver nos seus
laboratórios. O mercado tem disponibilizado monitorizadores de tamanho reduzido e cada
vez mais user friendly ou seja, fáceis de utilizar por parte dos consumidores. Estes
monitorizadores são adequados para ambientes domésticos, pois em determinadas
situações podem possibilitar reduções significativas no consumo de energia, ou em caso
de serem usados em habitações já por si bastante eficientes, permite na mesma ao
utilizador conhecer o seu perfil de consumo de energia.
Relativamente aos sistemas de monitorização de energia elétrica direcionados à
indústria, os que se têm destacado são os monitorizadores associados ao conceito de smart
grid. Uma vez que gradualmente as cidades estão a ser integradas em redes de energia
inteligentes, com integração de sistemas de microgeração, é necessário conhecer, em
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 27
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tempo real, a procura e a oferta de energia nas cidades. Sendo assim, as casas, bem como
outros elementos da própria rede elétrica, têm de estar equipadas com sistemas que
permitam monitorizar o fluxo de energia.
Por fim, é de realçar o caminho tecnológico que os sistemas de monitorização estão
a seguir. Estes vão de encontro ao conceito de Internet of Things (IoT). À semelhança de
tantos outros equipamentos, como eletrodomésticos e smartphones, são cada vez mais os
sistemas de monitorização que estão ligados à internet e que podem ser acedidos e
configurados remotamente.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 29
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CAPÍTULO 3
Projeto do Sistema de Supervisão e Gestão para
Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
3.1. Introdução
Neste capítulo é apresentado o esquema geral do sistema que se pretende
desenvolver. Serão identificados os principais pontos a considerar no momento da escolha
da arquitetura que dará suporte ao sistema de supervisão e gestão de monitorizadores de
energia elétrica. Serão explicados os motivos por trás de cada escolha, bem como
vantagens ou desvantagens que estas possam trazer para a globalidade do sistema.
O GEPE tem, ao longo dos anos, desenvolvido diversos tipos de monitorizadores
de energia elétrica. Ano após ano, sempre que um novo modelo é projetado e
desenvolvido, o principal objetivo consiste sempre em melhorar o desempenho em
relação aos monitorizadores anteriores e, ao mesmo tempo, diminuir o seu tamanho de
forma a facilitar a sua utilização. De momento encontram-se disponíveis vários modelos
funcionais. A maior parte dos modelos desenvolvidos possui uma componente em
hardware e outra em software, sendo que esta última tem como objetivo controlar ou
processar dados vindos do hardware.
O que se propõe nesta Dissertação consiste em desenvolver um sistema que seja
capaz de interagir com alguns dos monitorizadores existentes no GEPE. Isto é,
desenvolver uma plataforma capaz de comunicar com diferentes monitorizadores. Uma
plataforma com a capacidade de adquirir dados de diferentes monitorizadores e que
permita agrupar informação de vários monitorizadores no mesmo local. Uma vez
devidamente guardados e identificados, os dados podem ser usados para inúmeras
aplicações. Não só a consulta dos dados é simplificada pelo facto de estes estarem numa
base de dados, mas é, também, possível usar software de pós processamento para
identificação automática de eventos. Analisar os dados pode ser útil para, por exemplo,
determinar estatisticamente a frequência que um determinado evento ocorre durante
determinado período de tempo, ou relacionar o aparecimento de determinados eventos
com outros. Enfim, existe uma infinidade de possibilidades.
30 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Após terem sido analisados os monitorizadores desenvolvidos no GEPE bem como
monitorizadores comerciais no Capítulo 2, chegou-se à conclusão que, na maioria dos
casos, o hardware destes é constituído por um sensor e por um controlador. A interface
com o utilizador é tipicamente realizada a partir de uma ligação entre o controlador e um
PC. Partindo da topologia acima apresentada, faz sentido que o sistema de supervisão e
gestão de monitorizadores seja compatível com os sistemas pré existentes. Os diversos
tipos de protocolos de comunicação usados na troca de informação entre equipamentos,
neste caso, por diferentes monitorizadores, deverão ser suportados pelo sistema que se
pretende desenvolver.
Os meios de comunicação mais usados são variantes do protocolo comunicação
série. Existem diversos protocolos, tais como, UART, SPI, I2C, 1-Wire, etc. É, no
entanto, importante realçar que recentemente os meios de comunicação sem fios têm
ganho uma posição de destaque. Os meios de comunicação sem fios mais usados e de
maior importância são os que usam a tecnologia Wi-Fi, ZigBee e Bluetooth. Será, então,
de esperar que a plataforma que se pretende desenvolver suporte os protocolos de
comunicação mais em voga. Os tipos de comunicação suportados são um elemento chave
do sistema, sendo que quantos mais forem, mais abrangente este será.
Nesta altura, a plataforma depende dos monitorizadores que serão escolhidos para
integrar o sistema de supervisão e gestão. Uma vez que não se pretende desenvolver
nenhum monitorizador novo, a escolha do monitorizador que se pretende usar será feita
com base na disponibilidade de equipamento do GEPE. Serão usados como critérios o
tipo de comunicação que os monitorizadores usam para transferir os dados e viabilidade
de integração dos mesmos no sistema de supervisão e gestão.
3.2. Qualidade de Energia Elétrica
No decorrer desta Dissertação referem-se, por diversas vezes, problemas de
qualidade de energia elétrica. Assim, uma vez que este capítulo dá início à descrição do
sistema, é importante analisar e discutir alguns dos eventos de QEE mais frequentes.
Na Tabela 3.1 são categorizados os problemas de QEE que ocorrem mais
frequentemente. Embora simplificada, a tabela permite identificar cada um dos eventos
através das suas características.
Os eventos impulsionais da categoria dos transitórios são os que mais ocorrem.
Estes manifestam-se na forma de picos de tensão ou corrente. Relativamente aos eventos
de variação de curta duração da tensão, existem os sags, swells e interrupções. A distinção
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 31
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entre estes eventos e os da categoria de variação longa da tensão está na duração do
evento.
Uma vez que os eventos de QEE mais referidos nesta Dissertação são os sags,
swells e interrupções momentâneas de energia, estes são descritos com mais pormenor.
Segundo, a norma portuguesa NP EN 50160, um sag consiste numa diminuição da tensão
entre 90% e 1% da tensão de referência. Por convenção, a duração deste evento é de
10 milissegundos a 1 minuto. Este fenómeno é, em muitos casos, identificado a olho nu
através do “piscar” de uma lâmpada [31]. Por sua vez, o swell é o oposto ao sag, consiste
numa sobretensão com uma duração típica de 10 ciclos da rede. Em comparação com os
sags, os swells são um evento mais raro [32]. Por fim, as interrupções são um evento tanto
de longa como de curta duração em que o valor eficaz da tensão é inferior a 1% da tensão
de referência.
Tabela 3.1 – Principais problemas de QEE [29].
Categorias Problemas de QEE Caracterização
Transitórios
Impulsionais Magnitude do pico; Tempo de
subida; Duração do evento
Oscilatórios Magnitude do pico;
Frequência de oscilação
Variações Curtas da Tensão
Cavas (sags) Amplitude; Duração
Sobretensões (swells) Amplitude; Duração
Interrupção Duração
Variações Longas da Tensão
Subtensões Amplitude; Duração
Sobretensões Longas Amplitude; Duração
Interrupção Duração
Desequilíbrios na Tensão Componentes Simétricos
Distorção da Onda
Harmónicos e Interharmónicos THD; Espectro Harmónico
Micro-Cortes (Notching) THD; Espectro Harmónico;
Duração; Tempo de subida
Corrente Contínua Tensão; Corrente
Tremulação Frequência do acontecimento;
Frequência moduladora
A norma NP EN 50160 define, também, a variação de tensão permitida em
condições normais de exploração. Em Portugal, o valor nominal da tensão é de 230 V
entre fase e neutro, logo a tensão não poderá variar mais do que +/- 10% em relação a
esse valor. Os valores eficazes médios de 10 minutos devem estar compreendidos entre
207 V e 253 V, em 95% do período de uma semana.
32 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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3.3. Monitorizador baseado no IC ADE7753
A escolha do primeiro monitorizador com que se pretende trabalhar consiste em
utilizar o hardware desenvolvido por Manuel Pereira na sua Dissertação de mestrado
apresentado no capítulo 2 na secção 2.3.1. Embora os traços gerais do funcionamento do
monitorizador já tenham sido introduzidos, nesta Dissertação apenas será usada o
hardware do monitorizador.
O monitorizador consiste numa placa constituída pelo circuito integrado (IC)
ADE7753, desenvolvido pela Analog Devices [30], sendo este o elemento que processa a
informação recebida pelos sensores de tensão e corrente. O método de acesso aos dados
e configuração do monitorizador é conseguido através de comunicação série, mais
precisamente por Serial Peripheral Interface (SPI).
Segue uma breve descrição das características e funções do ADE7753. Este possuí
ADCs e DSPs de alta precisão mesmo quando sujeito a grandes variações ambientais. O
IC é dotado de dois ADCs de 16 bits de segunda ordem Σ-Δ, um integrador digita l,
circuitos de referência, sensor de temperatura, e todo o processamento de sinal necessário
para calcular o valor da potência ativa, reativa e aparente. Calcula a frequência da rede e
valores eficazes da tensão e corrente.
O ADE7753 proporciona uma interface série para troca de informação que pode ser
usada para leitura dos registos ou para fins de calibração. Possui uma saída em frequência
de pulso, que é proporcional à potência ativa. Os vários meios de calibração do sistema
permitem correções no offset de cada canal, calibração de fase e calibração de energia, o
que assegura alta precisão nos resultados. Por fim, este é capaz de detetar variações na
tensão, deteta sags e swells, e de contabilizar o tempo de duração de falhas no
fornecimento de energia. A Figura 3.1 representa o diagrama de blocos do circuito
integrado. Uma vez que está disponível no GEPE uma placa com ADE7753 e com todos
os componentes necessários ao seu funcionamento, este será usado no sistema de
supervisão e gestão de monitorizadores de energia.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 33
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Figura 3.1 – Diagrama de blocos do ADE7753 [30].
Na Figura 3.2 pode ser visto o aspeto da PCB. A conceção da PCB baseou-se na
sugestão que é apresentada no datasheet do ADE7753 [30], tal como é exibido na
Figura 3.3.
Figura 3.2 – Vista de topo da PCB do monitorizador.
A PCB é, essencialmente, constituída por um transformador de corrente, de modo
a registar as variações da corrente consumida pela carga, por um divisor de tensão, de
forma a registar o valor da tensão aos terminais da carga, e por diversos leds com o
propósito de dar feedback sobre o funcionamento da placa.
34 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Um monitorizador com esta configuração pode ser usado junto do quadro elétrico
ou ao nível das tomadas.
Figura 3.3 – Circuito sugerido pelo datasheet do IC ADE7753 [30].
3.4. Monitorizador Baseado no Sistema Distribuído de Monitorização
de Consumos de Energia Elétrica
O monitorizador aqui introduzido foi desenvolvido no GEPE durante a unidade
curricular “Projeto” 2. As principais características deste monitorizador são as seguintes,
é constituído por uma placa de aquisição das grandezas elétricas e por um módulo
CC2530EM para retransmitir os dados para uma estação base através do protocolo
ZigBee/IEEE 802.15.4. Tanto a placa de aquisição, como o módulo de comunicação, são,
como se pode ver na Figura 3.4, de dimensões reduzidas.
A placa que permite medir as grandezas elétricas é constituída por diversos
elementos essenciais, os sensores de tensão e corrente, o IC ADE7753 responsável por
calcular o valor da tensão, corrente, potência ativa e reativa, fator de potência, etc. Esta
está, também, equipada com um sistema de alimentação ininterrupto. Uma vez que todo
o sistema é alimentado a partir a rede, foi essencial garantir que o funcionamento do
mesmo não fosse afetado por interrupções no fornecimento de energia. Assim, no
momento da interrupção, a alimentação da placa é comutada para uma bateria. Uma falha
de energia é considerada como evento de qualidade de energia, daí a importância de a
detetar e medir a sua duração. Por fim, o relé permite ligar ou desligar equipamentos
ligados ao monitorizador.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 35
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Figura 3.4 – Vista de topo, lateral e base do monitorizador.
O motivo da escolha deste monitorizador deve-se, principalmente, ao tipo de
comunicação por este utilizado. Uma vez que o monitorizador usa comunicação sem fios
ZigBee, é uma mais-valia pois segue a tendência atual dos monitorizados presentes no
mercado. Existem cada vez mais produtos com o objetivo de medir algum tipo de
grandeza física, quer seja, elétrica, temperatura, humidade, velocidade do vento, entre
outras [33] [34]. Por outro lado, têm-se desenvolvido produtos que integram o conceito
da Internet of Things [35]. Estes produtos são na maioria das vezes equipamentos
domésticos do dia-a-dia, com a particularidade de possuírem uma ligação à internet. Os
dados relativos ao funcionamento dos mesmos ficam disponíveis online. Também é
possível acionar remotamente certas funcionalidades destes dispositivos.
Agora, voltando ao tema, quando vários monitorizadores são usados em conjunto,
estes podem monitorizar diversos equipamentos, permitindo obter resultados detalhados
de cada um dos elementos sob monitorização. Esta tarefa é, por razões óbvias, facilitada
sempre que se usam equipamentos com ligações sem fios.
Tal como é apresentado na Figura 3.5, este monitorizador é compacto o que o torna
adequado para uso ao nível das tomadas e uso doméstico.
36 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Figura 3.5 – Vista do interior da caixa do monitorizador.
A comunicação entre o monitorizador e o recetor dos dados faz-se através de
módulos CC2530EM. Tal como é apresentado na Figura 3.6, estes módulos são
responsáveis por transportar a informação em ambos os sentidos, quer seja do recetor para
o monitorizador, quer no sentido contrário. O sistema de supervisão e gestão deverá ser
capaz de comunicar por Universal Asynchronous Receiver/Transmitte (UART) com o
módulo recetor, pois será a partir deste que será feita a troca de comandos e de
informações com o monitorizador.
Figura 3.6 – Esquema representativo da comunicação entre o monitorizador e o recetor.
3.5. Requisitos do Sistema
Uma vez que estão definidos os monitorizadores que serão usados no sistema de
supervisão e gestão, serão agora apresentados os parâmetros relevantes do sistema que se
pretende desenvolver.
O sistema deve ser capaz de usar a informação obtida pelos monitorizadores para
tomar decisões em tempo real. As decisões podem ser do género de ligar ou desligar
equipamentos ou desencadear ações com base nos registos obtidos. Será, então, de esperar
que seja possível existir um modo de resposta rápida em caso de eventos de QEE. O
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 37
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trigger desses eventos deverá ser programado pelo utilizador conforme a necessidade de
atuação ou não. Este modo de usar os monitorizadores pode ser útil, pois permite ligar ou
desligar automaticamente determinados equipamentos. A utilidade deste modo reflete-se
essencialmente na prevenção de avarias pois permite desligar preventivamente
equipamentos com menor tolerância à variação dos parâmetros da rede elétrica.
Continuando, a interface do sistema de gestão deverá ser compatível com o maior
número de sistemas operativos possível. Usando como exemplo os equipamentos de
monitorização desenvolvidos pelo GEPE, a maior parte deles possui um software próprio.
Sempre que um software é desenvolvido, o número de máquinas onde este pode ser
instalado depende de pelo menos dois fatores. Um software pode não funcionar em todos
os sistemas operativos e nem todas as máquinas possuem os requisitos mínimos que
suportem o software. A ideia, nesta altura, será migrar para uma plataforma comum à
maior parte dos sistemas operativos, como por exemplo os browsers.
A solução em vista consiste em desenvolver a interface para o utilizador usando o
sistema na forma de aplicação web ou web based application em inglês. A aplicação
correrá num servidor web e será acessível a partir de qualquer sistema operativo ou
dispositivo móvel, desde que estes possuam um browser [36]. A aplicação poderá ser
desenvolvida em HTML mas especialmente em PHP, pois trata-se de uma linguagem de
programação semelhante ao C++, que permite desenvolver páginas web bastante
dinâmicas. O PHP é também uma linguagem server-side o que poderá trazer ganhos na
no modo como a informação é processada e, também, menor consumo de recursos por
parte da máquina do cliente [37]. A característica server-side permite que as páginas e o
seu conteúdo sejam criadas no próprio servidor e apenas seja enviado o “resultado” para
o browser. Por isso, a linguagem PHP, combinada com a linguagem mais estática, o
HTML, deverá permitir implementar a maior parte do código necessário para fazer a
interface com o utilizador. O utilizador poderá configurar e consultar os monitorizadores
do sistema a partir desta interface.
Por último, o sistema de supervisão deve permitir, se necessário, upgrades
regulares. Isto significa que este deve acompanhar os avanços feitos ao nível da
tecnologia e por parte da exigência dos utilizadores do sistema. Mesmo ao nível do
hardware, este deverá ser capaz de suportar novas funcionalidades. O avanço da
tecnologia está constantemente a ocupar o mercado com novos produtos, daí ser
necessário que novas funcionalidades possam ser facilmente integradas num sistema
pré-existente.
38 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Como resposta aos critérios estabelecidos, a solução que mais se adequa passa por
implementar o sistema de controlo e comunicação com os monitorizadores recorrendo à
tecnologia Field Programmable Gate Array (FPGA). Esta decisão baseia-se nas
características intrínsecas às FPGAs. Uma vez que os protocolos de comunicação se
baseiam num sistema de regras digitais para troca de dados entre dispositivos, fazem da
FPGA um meio natural para implementar a comunicação.
Ao controlar as entradas e saídas do sistema ao nível do hardware consegue-se
aperfeiçoar a performance do sistema pois este é desenvolvido especificamente para um
determinado uso. Outro fator decisivo na escolha de FPGAs consiste no facto de estas
poderem serem atualizáveis, o que constitui uma mais-valia, pois permite a adição de
funcionalidades ao projeto ou a alteração de algum parâmetro ou protocolo de
comunicação.
Como foi visto no capítulo 2, a maior parte dos sistemas de monitorização de
energia elétrica são constituídos por sensores, por meios de transmissão de informação,
por um dispositivo destinado a guardar os dados e, como é óbvio, por uma interface que
disponibiliza a informação aos utilizadores.
O sistema que nesta Dissertação se pretende desenvolver será constituído pelos
monitorizadores, por uma FPGA e por um mini computador para armazenar os dados e
para fazer interface com o utilizador.
3.6. Arquitetura Proposta
Com base nos requisitos do sistema, a arquitetura proposta para solucionar todas as
condições encontra-se esquematizada na Figura 3.7. Para comunicar com cada um dos
monitorizadores usar-se-á uma FPGA. A tecnologia associada às FPGAs tem sido
amplamente usada em projetos de implementação de sistemas digitais programáveis ou
reconfiguráveis. O atual estado da tecnologia permite implementar sistemas digita is
complexos graças aos milhões de gates que as FPGAs possuem on-chip. [38].
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 39
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Figura 3.7 – Possível arquitetura do sistema de supervisão e gestão de energia elétrica.
Será na FPGA que irão ficar os módulos responsáveis pela comunicação, quer esta
seja UART, SPI ou outras. Uma vez que se trata de comunicações, a FPGA é ideal pois
permite desenvolver toda a lógica necessária para a comunicação entre dispositivos. Neste
caso, entre os monitorizadores e a FPGA. O facto de as FPGAs permitirem paralelismo
na execução de código é muito vantajoso, isto significa que cada módulo responsável por
um tipo de comunicação é independente dos outros.
No entanto a FPGA por si só não resolve todos os problemas. Uma vez que esta
funciona a muito baixo nível seria muito complicado desenvolver nesta uma interface
apelativa e eficiente para suportar todo o sistema de supervisão e gestão. Por isso decidiu-
se usar um computador para fazer a gestão dos dados e alojar a aplicação web que fará
interface com o utilizador. O computador em questão trata-se de uma Raspberry Pi, sendo
este um mini computador, de dimensões reduzidas, que corre um sistema operativo
baseado em Linux. Neste poderá ser instalado o servidor web, uma base de dados e ainda
usar periféricos de baixo nível para comunicar com a FPGA.
Concluindo, o sistema que se pretende desenvolver é composto por uma FPGA,
cujo propósito é comunicar com os monitorizadores para adquirir o valor das grandezas
elétricas. A função da Raspberry Pi é de disponibilizar os dados adquiridos pela FPGA
num ambiente gráfico desenvolvido na forma de aplicação web e armazenar todos os
dados relativos às monitorizações numa base de dados.
3.7. FPGA
Será usada a board Basys2 produzida pela Digilent para implementar a parte lógica
da comunicação do sistema de supervisão e gestão [39]. Esta placa pode ser usada para
40 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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implementar desde simples circuitos lógicos, até projetos bastante complexos. A
Figura 3.8 mostra o aspeto da placa, esta é constituída pela FPGA Spartan 3-E da
Xilinx [40].
Figura 3.8 – Aspeto da Basys 2 [39].
As principais características desta placa estão representadas na Figura 3.9. Tal como
é possível ver na figura, a placa possui quatro saídas de seis pinos para entradas ou saídas.
A placa é dotada de mecanismos de proteção contra curto-circuitos e suporta tensões de
entrada de 3,5 V até 5,5 V. Possui um clock ajustável para três valores, 25, 50 e 100 MHz
e 100k gates, 18-bit multipliers e 72 kbits de fast dual-port block RAM.
Figura 3.9 – Características da Basys2 [39].
Toda a parte lógica das comunicações será implementada na FPGA, isto quer dizer
que a comunicação com os monitorizadores será feita através desta. O esquema da
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 41
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Figura 3.10 representa a possível organização dos módulos que estarão presentes na
FPGA.
Os módulos principais são os seguintes, “Raspberry Pi”, “Monitorizador 1” e
“Monitorizador 2”. O módulo chamado de “Acesso aos dados” será usado para interpretar
os comandos enviados pela Raspberry Pi e para enviar de volta informação relativa aos
monitorizadores. Os módulos “Monitorizador 1” e “Monitorizador 2” possuem as funções
necessárias para comunicar com os respetivos monitorizadores e processar toda a
informação por eles obtida.
Figura 3.10 – Possível organização dos módulos da FPGA.
A Figura 3.11 esquematiza uma situação onde vários monitorizadores estão ligados
à FPGA. Independentemente do meio de comunicação usado pelos monitorizadores, a
FPGA é responsável por gerir cada um deles separadamente. Existe paralelismo em todos
os processos relativos à aquisição e processamento dos dados recebidos. Os dados após
serem adquiridos são armazenados no próprio módulo que os processou até serem
necessários por qualquer outro módulo.
Cada monitorizador possui os seus próprios comandos e modos de funcionamento,
por isso na FPGA deverão estar implementadas todas as funcionalidades para garantir o
42 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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correto funcionamento dos monitorizadores. Os modos de funcionamento serão baseados
em parâmetros que o utilizador do sistema poderá selecionar.
Figura 3.11 – Esquema da comunicação entre a FPGA e diferentes monitorizadores.
3.8. Raspberry Pi
A Raspberry Pi é um computador do tamanho de um cartão de crédito com um custo
de aproximadamente 25$ (cerca de 19€)[41]. O principal componente da Raspberry Pi é
o System On Chip (SOC) da Broadcom BCM2835 [42].Este incluí um processador de
32 bits da família ARM11 de 700 MHz e um processador gráfico, o Videocore IV. Possuí
ainda memória RAM de 256 MB ou 512 MB dependendo do modelo.
Para fazer interface com outros dispositivos, a Raspberry Pi possui diversos
conetores, dois terminais de vídeo, sendo estes constituídos por uma saída HDMI e uma
saída de vídeo composto, duas portas USB 2.0, uma porta 10/100 ethernet, um slot para
cartão SD, uma saída de áudio analógico e por fim, um banco de 26 pinos designado por
GPIO (General Purpose I/O Expansion Board).
Uma vez que a Raspberry Pi é, basicamente, um computador de tamanho reduzido.
Este permite realizar tarefas semelhantes às de um computador Desktop, como por
exemplo executar servidores web, navegar na internet, executar processadores de texto,
etc. As tarefas que a Raspberry Pi deve executar para dar suporte ao sistema de gestão e
supervisão de monitorizadores de energia estão representadas na Figura 3.12.
A Raspberry Pi deverá correr três programas para preencher as necessidades do
sistema, sendo eles um servidor web, uma base de dados e um programa destinado à
gestão da informação trocada entre o servidor web, base de dados e informação vinda dos
Comunicação
serie
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 43
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monitorizadores. O esquema da Figura 3.12 representa a interação entre os diferentes
softwares. O servidor web é necessário para que o utilizador possa aceder à interface
gráfica e configurar cada um dos monitorizadores, bem como consultar resultados. Por
sua vez, os resultados de monitorizações são guardados numa base de dados MySQL. A
base de dados não só guarda resultados mas também possui as configurações inseridas
pelo utilizador. Por fim um programa desenvolvido em C++ é necessário para gerir dados,
interpretar os comandos introduzidos na página web pelo utilizador e enviá-los para a
FPGA. O programa também tem a função de receber dados vindos da FPGA e armazena-
los corretamente na base de dados de modo a que estes possam ser exibidos para o
utilizador do sistema.
Figura 3.12 – Relação entre os softwares executados na Raspberry Pi e com o exterior.
Para finalizar, do ponto de vista do utilizador, este apenas necessita de abrir uma
página web com ao endereço da Raspberry Pi, fazer login, e usar o sistema. O acesso à
página poderá ser local ou remoto. Ambos os modos apresentam vantagens e
desvantagens. Usar o modo remoto é excelente para evitar deslocamentos até ao local da
monitorização, permitindo acompanhar as monitorização onde quer que se esteja.
De modo a aumentar a segurança, no geral, será usado um sistema com login. Deste
modo apenas utilizadores conhecedores da password poderão usufruir das
funcionalidades do sistema.
44 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
3.9. Conclusão
Da combinação entre uma FPGA e Raspberry Pi espera-se tirar partido das
características únicas que ambos possuem. Por um lado, a FPGA permite aumentar a
performance da própria Raspberry Pi pois ao processar toda a parte relativa à
comunicação com os monitorizadores, fica mais poder de processamento disponível na
Raspberry Pi para a aplicação web. Na FPGA, cada monitorizador tem o seu sistema de
controlo independente e a funcionar em paralelo em relação aos outros. Por outro lado,
há a Raspberry Pi, com a capacidade de funcionar como servidor web e sustentar o
software necessário à gestão e supervisão dos monitorizadores. A Raspberry Pi possui,
também, uma excelente relação entre preço e funcionalidades que suporta.
O dinamismo pretendido para este sistema não se reflete apenas na sua arquitetura
física, espera-se que ao nível do software, este seja ser capaz de analisar e cruzar
informação recebida pelos vários pontos de recolha de dados. A informação obtida pelos
diversos monitorizadores é essencial para um bom entendimento do funcionamento dos
equipamentos sob monitorização.
Por fim, pretende-se que, graças a uma interface web simples mas eficiente, o
sistema seja fácil de utilizar por parte de qualquer utilizador.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 45
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
CAPÍTULO 4
Simulações e Ensaios do Sistema Desenvolvido
4.1. Introdução
O propósito deste capítulo consiste em descrever a implementação e simulação da
componente digital de hardware responsável pela comunicação com os monitorizadores.
Ao longo deste, serão apresentadas todas as partes que constituem o sistema de supervisão
e gestão do sistema de monitorização de energia elétrica, e serão, também, apresentados
os softwares necessários ao seu correto funcionamento.
O capítulo está organizado em três secções. Na primeira secção são introduzidas as
linguagens de programação e ferramentas utilizadas em cada uma das partes do sistema.
Na secção seguinte será explicado o funcionamento de cada um dos módulos que correm
na FPGA. Por fim, na última secção, serão demonstrados os softwares instalados na
Raspberry Pi.
Em cada uma das etapas do desenvolvimento do sistema foram tomadas uma série
de decisões tendo sempre em vista os seguintes objetivos. O sistema final deve ser fácil
de usar pelos seus utilizadores regulares, ou seja, deve ser User Friendly. E deve ser
flexível, isto é, sempre que necessário, possibilitar atualizações de modo a suportar novos
monitorizadores e funcionalidades.
4.2. Ferramentas de Desenvolvimento e Linguagens de Programação
Para implementar o sistema foi necessário trabalhar com diferentes hardwares e
plataformas, consequentemente, foram utilizadas diferentes linguagens de programação.
As principais linguagens de programação usadas foram as seguintes, Verilog, C++,
HTML e PHP. Por sua vez, para cada uma das linguagens de programação, recorreu-se a
ferramentas de apoio, os IDEs. As linguagens de programação serão aqui apresentadas
desde a de mais baixo nível até à de mais alto.
4.2.1. ISE Design Suite e Linguagem Verilog
Recorreu-se à linguagem de programação Verilog para programar a FPGA. Esta
linguagem de programação é de baixo nível e é, também, uma linguagem de descrição de
46 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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hardware ou, em inglês, Hardware Description Language (HDL). A linguagem permite
descrever um sistema digital em vários níveis de abstração, sendo possível projetar,
verificar e implementar circuitos digitais que mais tarde podem ser descarregados para
uma FPGA. [43]
ISE Design Suite é uma ferramenta que permite sintetizar projetos desenvolvidos
em linguagem Verilog [44]. Esta ferramenta é produzida pela Xilinx para síntese e análise
de projetos HDL. ISE Design Suite não só permite sintetizar o código Verilog, como
também é capaz de simular o comportamento do hardware através da aplicação
ISE Simulator (ISim) [45]. Esta aplicação, sempre que necessária, é chamada pela
ferramenta principal. Por fim, à semelhança da ISim, o PlanAhead é mais uma ferramenta
que torna possível mapear as entradas e saídas do projeto diretamente numa FPGA
compatível [46]. A Figura 4.1 mostra o aspeto do ISE Design Suite.
Figura 4.1 – Aspeto visual do ISE Design Suite [44].
No desenvolvimento do sistema de supervisão e gestão de monitorizadores de
energia elétrica foram utilizadas as ferramentas acima referidas em todos os módulos
presentes na FPGA. No seguimento deste capítulo serão apresentadas simulações e
testbenchs elaboradas pela ferramenta ISim.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 47
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
4.2.2. NetBeans IDE e Linguagem C++
Para trocar informação entre a FPGA e a Raspberry Pi foi necessário desenvolver
uma aplicação capaz de usar o banco de entradas e saídas de uso geral (GPIO) da
Raspberry Pi [47]. Para usar esse banco de entradas e saídas foi desenvolvido um
programa em C++ para o sistema operativo Raspbian da Raspberry Pi. A linguagem C++
é considerada de médio nível, esta classificação deve-se ao facto da linguagem combinar
características tanto das linguagens de alto como de baixo nível. Foi precisamente devido
a esta particularidade que se decidiu recorrer a esta linguagem de programação nesta
aplicação.
O código desenvolvido, em C++, foi compilado com recurso ao IDE
NetBeans IDE [48]. Esta ferramenta, gratuita e de código aberto, permite desenvolver
softwares nas seguintes linguagens, Java, C, C++, PHP, Groovy, etc.
A principal razão que levou ao uso da ferramenta NetBeans IDE foi a possibilidade
de configurar o compilador do IDE para cross compiler. Tal como é exemplificado na
Figura 4.2, o código fonte é compilado para ser executado numa máquina diferente da
plataforma onde o compilador está a ser executado. Esta técnica permite otimizar o
processo de desenvolvimento da aplicação uma vez que usa os recursos da máquina onde
está instalado o compilador para compilar. Não só estão disponíveis mais recursos para a
compilação, velocidade de processamento e memória, como também se economiza tempo
que não é desperdiçado caso fosse compilado diretamente na máquina alvo.
Figura 4.2 – Representação de cross compiling.
4.2.3. Joomla! e Linguagens HTML e PHP
A interface com o utilizador do sistema é apresentada na forma de aplicação web e
esta pode ser acedida através de um browser. A aplicação web está alojada na
Raspberry Pi e esta funciona como um servidor web. A função do servidor é responder a
48 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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pedidos do cliente com páginas HTML que são posteriormente exibidas no browser do
cliente.
Uma vez que a gestão e supervisão de monitorizadores de energia elétrica consiste
num conjunto de tarefas bastantes dinâmicas, não seria possível desenvolver a aplicação
web só em linguagem HTML. A linguagem HTML é interpretada pelos browsers, no
entanto, o seu caracter estático não seria suficiente para obter o dinamismo pretendido.
Foi assim decidido incluir a linguagem de programação PHP em conjunto com HTML.
O PHP é uma das linguagem de programação a que se recorre para desenvolver
aplicações web com conteúdo interativo. O código das páginas web programadas em PHP
é executado no lado do servidor e gera as páginas que são, por sua vez, apresentadas no
lado do cliente.
Esta linguagem é utilizada no sistema de supervisão e gestão de monitorizadores
em diversas situações. Permite processar os dados introduzidos pelo utilizador do sistema,
permite exibir resultados de monitorizações para o utilizador e, faz interface com a base
de dados onde são armazenados os dados relativos às monitorizações. Por último, mas
não menos importante, é também na base de dados que devem ser guardados os comandos
para iniciar ou parar as monitorizações e ainda todos os resultados de monitorizações.
Estes comandos são posteriormente lidos da base de dados pelo programa desenvolvido
em C++ para dar início ao processo de monitorização.
As bases para uma aplicação web dinâmica ficaram definidas com a inclusão da
linguagem PHP em conjunto com a linguagem HTML. No entanto, como último requisito
do sistema, pretendia-se que o aspeto visual da interface com o utilizador fosse agradável
e de fácil utilização. Para dar resposta a esta necessidade foi usado o Joomla! [49].
O Joomla! é um Content Management System (CMS),ou seja, é uma software que
corre num servidor web e sustenta um site que, quando requisitado é enviado para o
browser que o solicitou. A grande vantagem está no facto de que o site que é enviado é
altamente personalizável. O CMS permite publicar, editar e modificar o conteúdo do site.
No contexto desta Dissertação esta característica forneceu imensa flexibilidade ao design
gráfico da aplicação web. Esta particularidade permitiu desenvolver o aspeto gráfico da
aplicação com mais facilidade e, por outro lado, foi possível codificar normalmente o
conteúdo da aplicação web.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 49
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
4.3. Simulações na FPGA
Existem três módulos essenciais na FPGA, o módulo de “Comunicação exterior”,
o módulo “Monitorizador 1” e “Monitorizador 2”. Os restantes módulos existem para
servir as necessidades dos três módulos principais. O módulo denominado por “Gestão
de dados” permite ler ou escrever nos registos dos respetivos monitorizadores. E, por fim,
cada um dos três principais módulos está ligado a módulos de comunicação. Os meios de
comunicação usados são UART e SPI.
A Figura 4.3 mostra os módulos presentes na FPGA bem como a ligação que fazem
entre si. De seguida serão apresentadas simulações e explicações que comprovam o
funcionamento de cada um dos módulos.
Figura 4.3 – Arquitetura desenvolvida para a FPGA.
Para clarificar, por “monitorizador 1” entende-se sempre o monitorizador baseado
no IC ADE7753 apresentado no Capítulo 3.2. Por sua vez, “monitorizador 2” refere-se ao
monitorizador baseado no sistema distribuído de monitorização de consumos de energia
elétrica apresentado no Capítulo 3.3.
50 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
4.3.1. Simulação do Funcionamento do Monitorizador 1
O funcionamento do monitorizador 1 encontra-se representado no algoritmo da
Figura 4.4. O módulo responsável por este monitorizador, sempre que é ativado, fica
responsável por adquirir os valores de tensão, corrente, período, energia ativa e energia
reativa. O início do processo começa com o envio de dezoito registos cuja finalidade é
calibrar o monitorizador e configurar modos de operação. Uma vez configurado, os
parâmetros da rede são lidos em intervalos regulares de 1 segundo. Este intervalo de
tempo corresponde ao tempo necessário para o monitorizador estabilizar os valores lidos.
Figura 4.4 – Representação algoritmica do funcionamento do monitorizador 1.
O funcionamento deste monitorizador pode ser observado na simulação da
Figura 4.5. A figura é um excerto da aplicação ISim onde é mostrado o arranque do
monitorizador na altura em que são enviados os registos com as configurações. O módulo
responsável por este monitorizador teve de ser preparado para comunicar por SPI. Este
género de comunicação necessita de quatro sinais lógicos, o SCLK, MOSI, MISO e
SSEL. A função do SCLK é fornecer o sinal de relógio ao equipamento slave, o sinal
MOSI transporta a informação do equipamento master para o slave, por sua vez o sinal
MISO transporta a informação do slave em direção ao master. Por fim, o sinal SSEL
permite selecionar o equipamento slave com o qual se pretende comunicar.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 51
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Devido às características do monitorizador, o módulo da comunicação foi
preparado para suportar os diversos registos do IC ADE7753. Existem 5 diferentes tipos
de registos, estes podem ser de 6, 8, 12, 16, ou 24 bits e podem ser de leitura, escrita ou
ambos.
Figura 4.5 – Simulação do arranque do monitorizador 1.
Na Figura 4.6 estão representados os pedidos dos parâmetros da rede ao
monitorizador. Consegue-se facilmente identificar o pedido do valor de tensão seguido
pelo valor da corrente e, ainda, o início de outro pedido. No caso destes pedidos, pode ser
visto que são ambos de 24 bits.
Após cada leitura o valor correspondente ao registo obtido fica armazenado na
FPGA. Sempre que necessário, os registos podem ser acedidos por outros módulos, por
exemplo, para serem enviados para a Raspberry Pi.
A Figura 4.7 permite visualizar o conjunto das operações efetuadas ao longo do
tempo. Estão identificadas as duas zonas de funcionamento do monitorizador, o arranque
e a segunda zona de funcionamento que está identificada por “pedidos de leitura”. O
arranque é caracterizado pelo envio dos registos de configuração identificado na
simulação como “calibração do monitorizador”. E a zona “pedidos de leitura”
corresponde à zona de funcionamento em que são obtidos os parâmetros da rede. O
intervalo identificado como “intervalo entre amostragens” não corresponde ao espaço de
52 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
tempo de 1 segundo. O motivo da discrepância é, contudo, justificável pois em termos
visuais torna a simulação mais fácil de interpretar.
Figura 4.6 – Simulação dos pedidos dos parâmetros da rede.
Figura 4.7 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 1.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 53
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4.3.2. Simulação do Funcionamento do Monitorizador 2
O modo de funcionamento do monitorizador 2 está esquematizado no algoritmo da
Figura 4.8. Conforme foi explicado no capítulo 3.3, a comunicação com este
monitorizador faz-se através de módulos CC2530EM. Sempre que se pretende usar o
monitorizador a FPGA comunica com o módulo CC2530EM recetor por UART, que, por
sua vez, comunica com o módulo CC2530EM do monitorizador através do protocolo
IEEE 802.15.4 e ZigBee e inicia a monitorização.
Uma vez iniciado o sistema, o módulo da FPGA responsável por este
monitorizador necessita de receber a confirmação de que ambos os módulos CC2530EM
estão a funcionar. Estando confirmado o funcionamento de ambos é, então, enviado para
o monitorizador um sinal para iniciar a monitorização. A partir deste ponto são recebidos
periodicamente os parâmetros sobre a rede elétrica lidos pelo monitorizador. No final,
conforme é programado pelo utilizador, a monitorização termina.
No entanto, uma vez que se trata de uma ligação sem fios, existe a possibilidade de
se perder o sinal entre os módulos CC2530EM resultando na interrupção da comunicação.
Por isso existe um temporizador para que o sistema nunca fique preso num ciclo infinito.
Assim, numa situação de falha na comunicação o processo termina e espera por novas
ordens para reiniciar.
Figura 4.8 – Representação algoritmica do funcionamento do monitorizador 2.
54 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Relativamente às simulações do funcionamento do monitorizador 2, estas podem
ser observada na Figura 4.9, Figura 4.10 e Figura 4.11. O módulo responsável por este
monitorizador está configurado para comunicar por UART. A transferência de dados é
sempre feita em tramas de 10 bits em que 8 bits são relativos aos dados, os dois restantes
são usados para o start bit e stop bit. O baud rate utilizado é 115200.
A simulação representada pela Figura 4.9 permite visualizar o arranque do
monitorizador em que o módulo ZigBee coordinator envia para a FPGA o seu ID de rede.
Os dados de qualquer registo enviado pelo módulo ZigBee coordinator são sempre
precedidos por um byte cuja função é indicar o tipo de dados seguintes. Na situação
apresentada, o valor zero do primeiro byte indica a receção do ID de rede. Ainda pode ser
observado o comando de iniciar o sistema enviado pela FPGA para o monitorizador.
Figura 4.9 – Simulação do arranque do monitorizador 2.
Por sua vez, a Figura 4.10 representa a receção dos últimos bytes enviados pelo
módulo ZigBee. A figura também tem representado o modo como são disponibilizados
os dados armazenados. Sempre que a Raspberry Pi ou outro módulo do sistema necessita
dos dados do monitorizador, este são passados através de um buffer. Pegando no exemplo
da figura, é observada a leitura dos seguintes registos 0x04, 0x05 e 0x06. Para cada um
dos pedidos de leitura é colocado o respetivo conteúdo num buffer. Neste caso, o conteúdo
é de 0x55, 0xAA e 0x02 e é lido pelo módulo que os solicitou.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 55
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Figura 4.10 – Simulação do acesso aos registos do monitorizador 2.
A Figura 4.11 tem o intuito de exemplificar o panorama geral da comunicação com
este monitorizador. Periodicamente, o monitorizador envia os dados para a FPGA.
Contrariamente ao monitorizador 1 em que é a FPGA a fazer os pedidos de leitura dos
registos pretendidos. Este monitorizador envia-os automaticamente quando estão prontos.
Figura 4.11 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 2.
56 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
4.3.3. Simulação da Comunicação entre a Raspberry Pi e a FPGA
A troca de informação entre a Raspberry Pi e os dados dos monitorizadores
armazenados na FPGA é um processo essencial ao sistema. Dada a importância deste
processo o módulo desenvolvido para este propósito teve em consideração uma série de
mecanismos preventivos contra eventuais erros.
A comunicação entre estes dois elementos do sistema faz-se através de UART, o
baud rate utilizado é 115200 e as tramas são constituídas por 11 bits. Destes 11 bits, 8 bits
são de dados, 1 bit é para a paridade e por fim 1 start bit e 1 stop bit. A inclusão do bit da
paridade constitui o primeiro elemento preventivo.
De modo a gerir a troca de dados entre diferentes monitorizadores, sabendo que
cada um é caracterizado por possuir estruturas de dados diferentes, foi necessário
desenvolver um protocolo que permitisse transferir todos os dados necessários ao
funcionamento do sistema. A Tabela 4.1 fornece a estrutura do protocolo de transferênc ia
de dados. O protocolo é adotado quer pela Raspberry Pi, quer pela FPGA para transmit ir
dados.
A primeira trama tem por objetivo informar o recetor da quantidade de dados que
irá receber, e indicar o destino da informação que transporta. De seguida, a segunda trama
indica o tipo de operação e indica qual o registo do monitorizador que se pretende aceder
ou escrever. Depois do envio das duas primeiras tramas são enviados os dados. O número
de tramas relativas a dados varia conforme o género de informação pretendida. O final
acontece quando é enviada a trama contento o byte Carriage return. Se o envio da última
trama coincidir com a posição designada como sendo a última aquando do envio da
primeira trama, a transmissão foi um sucesso. Qualquer outra situação desencadeia uma
resposta que sinaliza o erro na transmissão.
Tabela 4.1 – Protocolo utilizado para comunicar entre a Raspberry Pi e a FPGA.
Número da
Trama Trama de 8 bits Legenda
Trama 1 |1|MMMM|NNN| N – Número de bytes do buffer
M – Monitorizador selecionado
Trama 2 |W|RRRRRRR| W – Tipo de operação (escrita ou leitura)
R – Registo ao qual se pretende aceder
Trama n |DDDDDDDD| D – Dados a transmitir
Trama final |00001101| O último byte é sempre Carriage return
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 57
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A simulação da Figura 4.12 exemplifica o funcionamento do protocolo acima
descrito. No exemplo apresentado está reproduzido um pedido de leitura ao registo zero
do monitorizador 2. O registo em causa corresponde ao valor eficaz da tensão e é
representado por 24 bits.
Figura 4.12 – Simulação de um pedido de leitura a um registo.
De seguida, a Figura 4.13 demonstra o resultado a esse pedido. Sabendo-se que o
valor da tensão é de 24 bits, os dados são enviados em três blocos de 8 bits. No final, tal
como é esperado, a transmissão termina com o envio do Carriage return.
58 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Figura 4.13 – Simulação de uma resposta após o pedido de leitura.
4.4. Teste dos Softwares Usados na Raspberry Pi
É na Raspberry Pi que ficam os programas responsáveis pela gestão dos
monitorizadores e pelo armazenamento de resultados. Como já foi referido anteriormente,
os três principais programas que correm na Raspberry Pi são o servidor web, o programa
em C++ usado para gerir a comunicação com a FPGA, e a base de dados.
Cada um dos programas teve de ser individualmente testado de modo a garantir a
sua compatibilidade com a Raspberry Pi, pois estes poderiam ser incompatível com o
sistema operativo ou consumir demasiados recursos. O sistema operativo instalado na
Raspberry Pi é o Raspbian [50]. Este sistema é baseado no sistema operativo livre Debian
e foi especialmente otimizado para funcionar na Raspberry Pi. Este possui o kernel na
versão 3.10.25+.
4.4.1. Servidor Web
A interface gráfica do sistema, como já foi dito anteriormente, é fornecida ao
utilizador através de um browser. O servidor web, responsável por enviar ao browser a
informação necessária sobre a aplicação web, é o servidor Apache. Os motivos que
fundamentaram a escolha deste servidor baseiam-se no facto deste ser de uso livre, ou
seja, não é necessário usar licenças para a sua utilização. Em segundo lugar, este servidor
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 59
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
é o mais popular e mais bem-sucedido desde 1996 [51]. O servidor é compatível com
inúmeros sistemas operativos, esta característica multiplataforma foi essencial para
funcionar no sistema operativo Raspbian da Raspberry Pi.
Foi usada a versão 2.2.22 do servidor Apache. Uma vez instalado, o seu
funcionamento pode ser comprovado invocando o seguinte endereço da rede local
correspondente à Raspberry Pi. A página resultante não só permite confirmar o correto
funcionamento do servidor, como também permite consultar inúmeras definições do
servidor. O aspeto da página pode ser observado na Figura 4.14.
Figura 4.14 – Exerto da página de informações sobre o servidor.
Por fim, a interface gráfica foi testada usando-se o software Joomla!. Numa
primeira fase desenvolveram-se apenas páginas de teste bastante genéricas de modo a
testar o correto funcionamento da aplicação web. A Figura 4.15 tem por objetivo expor o
aspeto da ferramenta onde é desenvolvido o conteúdo da aplicação web. Na figura vê-se
um excerto de código HTML. É com o próprio editor da página que é inserido o conteúdo
da página.
Durante os primeiros testes constatou-se, que o conteúdo do site molda-se
automaticamente ao ecrã do computador, tablet ou smartphone. A Figura 4.21 mostra
uma captura de ecrã da aplicação web apresentada pelo navegador do smartphone.
60 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Figura 4.15 – Aspeto visual do modo de edição de conteudos do Joomla!.
Figura 4.16 – Captura de ecrã com a aplicação web a correr no browser do smatphone.
4.4.2. Base de Dados MySQL e phpMyAdmin
De modo a guardar eficientemente todos os dados armazenados na FPGA, surgiu,
naturalmente, a necessidade de se usar uma base de dados. Por isso a base de dados
escolhida foi a MySQL [52]. Os motivos que levaram à escolha deste sistema de gestão
de bases dados foram a sua popularidade e fiabilidade e, por outro lado, por se tratar de
um sistema de código aberto.
Este sítio destina-se aos utilizadores de monitorizadores de energia elétrica desenvolvidos no GEPE. O site encontra-se
sobre desenvolvimento no âmbito da dissertação de mestrado
em “Sistema de Supervisão e Gestão de Energia Elétrica
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 61
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Durante a fase de testes foi necessário usar uma aplicação chamada phpMyAdmin
cujo propósito é administrar a bases de dados MySQL [53]. Desta forma foi possível criar,
remover e editar as tabelas da base de dados que mais tarde viriam a ser usadas para
guardar os dados relativos às monitorizações. Esta aplicação pode ser útil para algum
utilizador mais experiente pois permite executar queries SQL e editar qualquer campo da
base de dados.
A aplicação phpMyAdmin faz interface com o utilizador através de um browser, o
modo de funcionamento é semelhante ao que se pretende desenvolver para a interface
gráfica. A página principal desta aplicação web é exibida na Figura 4.17.
Por fim, o servidor MySQL instalado possui a versão 5.5.37 e a aplicação
phpMyAdmin tem a versão 3.4.11.1.
Figura 4.17 – Home page da interface da aplicação phpMyAdmin.
4.4.3. Programa de Supervisão e Gestão em C++
Nesta altura já foram apresentadas duas das três aplicações mais importantes que
são executadas na Raspberry Pi, o servidor web e o servidor MySQL. A terceira aplicação
é um programa desenvolvido em C++ cuja função é fazer a ponte entre a aplicação web,
a base de dados e o hardware da Raspberry Pi. A execução deste tipo de aplicação
62 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
necessita que a plataforma onde esta é compilada tenha como target o CPU da
Raspberry Pi.
Uma vez desenvolvido, este programa será invocado no arranque da Raspberry Pi
juntamente com o servidor web e servidor MySQL.
4.5. Conclusão
No decorrer deste capítulo foram apresentados todos os ensaios e simulações dos
programas envolvidos no sistema. Devido à grande variedade de programas necessária ao
funcionamento do sistema de supervisão e gestão de monitorizadores de energia elétrica
foi essencial garantir que cada um dos programas envolvidos funcionasse corretamente.
Verificou-se que a Raspberry Pi não sofreu perdas de performance com o
funcionamento em conjunto dos vários softwares instalados. Apenas se detetou um
aumento do tempo de acesso às páginas da aplicação web após ter-se instalado o Joomla!.
No entanto, esta tendência parece estar relacionada com o template usado para o ambiente
gráfico. Como solução foi selecionado um template com um design mais simples de modo
a consumir menos recursos da Raspberry Pi.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 63
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
CAPÍTULO 5
Implementação do Sistema para Configuração de
Condições Reais de Utilização
5.1. Introdução
Este capítulo tem por objetivo descrever a implementação de todo o software
desenvolvido em torno da Raspberry Pi. Os softwares executados pela Raspberry Pi
foram apresentados e ensaiados no capítulo anterior, neste capítulo será apresentada a
implementação do programa em C++ e a implementação da interface gráfica.
De seguida, é apresentado funcionamento global do sistema. Este é descrito e
apresentado como um todo. A Raspberry Pi é unida à FPGA, e à FPGA são ligados os
monitorizadores, sendo que esta configuração da origem ao sistema de supervisão e
gestão de monitorizadores de energia elétrica.
Este capítulo é iniciado com a descrição do funcionamento do programa de
supervisão e gestão desenvolvido em C++, de seguida, é explicado o modo de
funcionamento do sistema físico, e finalmente, é apresentada a interface gráfica
desenvolvida.
5.2. Programa de Supervisão e Gestão Desenvolvido em C++
O princípio de funcionamento básico do programa de supervisão e gestão
desenvolvido em C++ está representado no algoritmo da Figura 5.1. Para relembrar, este
programa é essencial pois permite interagir com interface GPIO da Raspberry Pi que, por
sua vez, permite comunicar por UART com a FPGA. Sempre que o programa em C++ é
executado, este divide-se em três processos independentes, cada uma das threads é
responsável por uma determinada tarefa.
A primeira thread é relativa ao funcionamento do monitorizador 1, por sua vez, a
segunda thread gere o funcionamento do monitorizador 2. A última thread é responsável
por interpretar os dados que entram pela UART. Supondo que fossem usados mais
monitorizadores, o número de threads seria igual ao número de monitorizadores mais um.
64 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Analisando o algoritmo da figura, pode verificar-se que a thread relativa ao
monitorizador 1 espera um input vindo do utilizador do sistema. Na prática, o que
acontece é que o utilizador, a partir da interface gráfica, preenche um formulário. Esse
formulário contém dados relativos ao tempo de monitorização, taxa de aquisição de dados
dos monitorizadores, hora de início da monitorização, entre outros.
Ao submeter o formulário na interface gráfica são geradas as configurações
relativas ao monitorizador escolhido. São esses mesmos dados que entram para o
programa de supervisão e gestão em C++. As configurações são armazenadas na própria
base de dados do sistema num campo próprio. A thread de cada monitorizador lê
periodicamente a base de dados e verifica se existem configurações para dar início à
monitorização.
Uma vez lidas as configurações, e com base nestas, o programa de supervisão e
gestão em C++ cria uma lista de todos os pedidos de leitura necessários que deverá enviar
para a FPGA. Cada um destes pedidos de leitura resultará no envio para a FPGA de um
comando específico que deverá devolver um dos parâmetros do monitorizador, tal como,
valor da tensão, corrente, frequência da rede, etc. Uma vez criada a lista de pedidos de
leitura necessários para cumprir as ordens dadas pelo utilizador, os pedidos de leitura são
enviados para a FPGA em intervalos de tempo regulares especificados pelo utilizador.
No momento da criação da lista de pedidos necessários é também criada uma lista
com todas as respostas esperadas. Esta lista, respostas esperadas, serve para armazenar os
valores resultantes dos comandos enviados e subsequentemente são inseridos na base de
dados. No momento da sua criação, a lista de respostas possuí todos os campos para as
quais espera um valor. No entanto, estes campos ainda não possuem nenhum valor
atribuído, o valor só é preenchido no momento da receção dos dados. Numa situação
normal, sem erros de comunicação, o último elemento da lista de respostas chega após o
envio do último elemento da lista de pedidos de leitura.
Supondo que, no momento da submissão do formulário, é pedido para monitor izar
um determinado equipamento durante 5 minuto e com uma taxa de leitura a cada minuto.
Esta configuração gera duas listas (listas de pedidos e listas de respostas) com cinco
elementos cada. Os elementos da lista de pedidos correspondem aos parâmetros que se
pretende obter, enquanto, os elementos da lista de respostas correspondem aos valores
físicos vindos dos monitorizadores. Então, a cada minuto, será enviado um pedido de
leitura que resultará na chegada de dados que serão inseridos na lista de respostas. Por
cada pedido são devolvidos os parâmetros da rede naquele momento.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 65
Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho
Sabendo que podem acontecer erros na transmissão dos dados, após cada pedido o
programa espera por uma confirmação. Quando um pedido de leitura não obtém resposta
positiva o programa volta a tentar comunicar com a FPGA. Embora a ocorrência de erros
seja um evento raro, o programa faz mais duas tentativas. Se o problema persistir o
programa sinaliza esse pedido de leitura como contendo erros e passa ao seguinte.
Relativamente ao monitorizador 2, o processo de envio e receção de dados faz-se
pelo mesmo princípio do monitorizador 1.
Figura 5.1 – Algoritmo representativo do funcionamento do programa em C++.
A thread referente à escuta da UART tem como função analisar todos os dados a
que a esta chegam. Cada trama recebida é processada de acordo com o seu conteúdo. Os
dados que entram pela thread de escuta da UART são as respostas dos pedidos de leitura
enviados pelas threads dos monitorizadores 1 ou 2. Após serem interpretados e validados
os dados, estes são introduzidos na base de dados MySQL. Ao mesmo tempo, é, também,
enviada uma confirmação à thread que enviou o pedido de leitura que resultou nesta
resposta. Assim, as threads dos respetivos monitorizadores podem prosseguir para os
próximos pedidos de leitura da lista.
Resumindo, a função deste programa é receber os parâmetros introduzidos pelo
utilizador e executá-los em concordância com o seu conteúdo. Por outro lado, os dados
66 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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recebidos na Raspberry Pi são interpretados pelo programa e são introduzidos na respetiva
base de dados. Cada monitorizador possui a sua base de dados associada e cada base de
dados é constituída por várias tabelas. As tabelas contêm a informação vinda dos
monitorizadores. Por cada monitorização é criada uma tabela. Assim, o utilizador pode
consultar a informação que pretende de forma organizada. A informação é disponibilizada
ao utilizador quando este, a partir da interface gráfica, consulta os resultados. A interface
gráfica adquire os dados a partir da base de dados e devolve os valores pretendidos.
Durante a fase de implementação e testes usou-se a shell da Raspberry Pi para
verificar o correto funcionamento da aplicação em C++. A Figura 5.2 representa o
funcionamento do programa no momento em que são recebidos valores pela UART.
Ainda nesta figura, pode ser vista a inserção de dados na base de dados. Este processo
faz-se recorrendo a queries SQL.
Figura 5.2 – Excerto do terminal da Raspberry Pi durante a fase de testes.
5.3. Constituição Física do Sistema
Para o sistema funcionar todos os elementos que o constituem deverão ser
corretamente iniciados. A Figura 5.3 representa a constituição dos elementos do sistema
de supervisão e gestão de energia elétrica. Na imagem, podem ser vistos os dois
monitorizadores utilizados, a FPGA e a Raspberry Pi. À Raspberry Pi está ligado por
USB um adaptador wireless que permite que esta fique ligada ao router. Em alternativa,
a Raspberry Pi poderia ser ligada ao router por meio de um cabo de rede.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 67
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A FPGA possui ligações com a Raspberry Pi, com o Monitorizador 1, e com o
recetor do Monitorizador 2. O recetor do Monitorizador 2 usado é bastante volumoso no
entanto, isto deve-se ao facto de ser uma versão de teste e debug. Uma versão de tamanho
dito normal seria dez vezes menor.
Sempre que se pretender monitorizar um equipamento é apenas necessário conectar
esse equipamento ao monitorizador.
Figura 5.3 – Vista do elementos do sistema de supervisão e gestão de energia eletrica.
5.4. Descrição da Interface Gráfica do Sistema
A interface gráfica do sistema tem por objetivo permitir ao utilizador usufruir do
sistema com a maior comodidade e simplicidade possível, por isso, esta foi desenvolvida
tendo em conta a sua funcionalidade e aspeto. Uma vez que a interface consiste numa
aplicação web e não num software executável, esta é usada do mesmo modo que se usa
um site normal tal como é mostrado na Figura 5.4. Tal como é habitual nas páginas da
internet, o utilizador apenas necessita de clicar nas hiperligações e preencher formulá r ios
para “navegar” na aplicação.
68 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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O acesso à aplicação faz-se introduzindo no browser o endereço IP atribuído à
Raspberry Pi no momento da sua instalação. Após a sua introdução, o browser devolve a
página principal da aplicação. Nesta está uma breve descrição da aplicação bem como
dos monitorizadores suportados pelo sistema.
Figura 5.4 – Aspeto da página principal da aplicação web.
O acesso aos monitorizadores só é possível para utilizadores registados no sistema.
Uma vez iniciada sessão, o utilizador ganha acesso às opções que permitem configurar e
consultar os monitorizadores. Qualquer outro utilizador tem, na mesma, acesso à página
principal e à informação sobre como contactar o gestor da aplicação. O gestor da
aplicação possui as credenciais necessárias para adicionar ou remover utilizadores.
5.4.1. Interface Aplicada à Configuração dos Monitorizadores
Este item tem por objetivo descrever a interface gráfica quando utilizada para
configurar ou programar os monitorizadores do sistema. Devido à semelhança no aspeto
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 69
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da aplicação, quer em relação ao monitorizador 1 quer ao monitorizador 2, estes serão
apresentados em conjunto. A descrição seguinte pode ser verificada consultando a
Figura 5.5. Quando no menu principal é selecionado o monitorizador 1, a aplicação
devolve uma página com a descrição das funcionalidades do monitor izador. Também
nesta página aparece um novo menu com opões. As opções disponíveis no menu
encaminham o utilizador para as diferentes funcionalidades deste monitorizador.
Figura 5.5 – Apresentação das funcionalidades do monitorizador 1.
A primeira opção do menu, com o nome de “Iniciar monitorização”, devolve a
página exposta na Figura 5.6. Nesta, o utilizador deve selecionar o intervalo de tempo que
pretende usar o monitorizador. Uma vez selecionado esse intervalo, o utilizador deve
selecionar a taxa com que são lidos parâmetros do monitorizador. Esta opção, taxa com
que o sistema faz pedidos aos monitorizadores, tem como principal objetivo reduzir a
quantidade de pacotes trocados nas redes sem fios ZigBee. Em segundo lugar, desta vez
por questões energéticas, o uso constante dos retransmissores acabaria rapidamente com
as baterias ou pilhas destes. A última opção da página permite definir o instante em que
a monitorização deverá começar.
70 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Figura 5.6 – Página de configuração dos parâmetros da monitorização.
Por fim, usando o botão “Submeter”, o formulário é interpretado pelo código PHP
da página e a configuração é armazenada na base de dados. Como foi já foi referido
anteriormente neste capítulo, após a submissão do formulário, o programa de supervisão
e gestão em C++ interpreta os dados introduzidos na base de dados e dá início à
monitorização.
Prosseguindo, sempre que pretendido pelo utilizador, este pode consultar os
resultados das monitorizações. Este tanto pode ver resultados no momento em que estes
são obtidos ou pode consultar resultados anteriores que foram armazenados no sistema.
Para isso deve recorrer à opção “Consultar Resultados” e selecionar o registo pretendido.
A escolha do registo resulta na página correspondente à Figura 5.7, Figura 5.8 e
Figura 5.9. Esta é a página que permite analisar os resultados.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 71
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Os resultados mais relevantes são exibidos tanto graficamente como na forma de
texto. Os dados apresentados no gráfico podem ser visto em conjunto, em grupos ou
individualmente, como exemplificado pela Figura 5.7. Estes dados podem também ser
ajustados para serem vistos com diferentes ampliações e escalas de tempo. O gráfico ,
como pode ser visto na Figura 5.8, foi desenvolvido de modo a ser o mais interativo
possível. Esta figura consiste numa montagem gráfica com vários gráficos em vez de um
só. Esta abordagem permite explicitar as diferentes escalas de zoom com que podem ser
apresentados os resultados.
Figura 5.7 – Página de resultados, com opções usadas para analisar os resultados.
O desenvolvimento do gráfico, tal como é apresentado, foi realizado através de uma
ferramenta grátis chamada Google Charts [1]. A ferramenta dispões de vários exemplos
genéricos de gráficos que podem ser usados por programadores. Cada gráfico fornecido
pela ferramenta possui um código exemplo em JavaScript que pode ser embebido na
codificação da página. Neste caso aqui apresentado, começou-se com um simples gráfico
de linhas estático ao qual, gradualmente, foram adicionadas as opções de zoom vertical e
horizontal e carregamento dinâmico dos dados.
72 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Todos os dados apresentados na página foram previamente inseridos na base de
dados pelo programa de supervisão e gestão em C++. Por isso, o código por trás da página
é responsável por consultar a base de dados e extrair a informação necessária para
construir o gráfico. Não só preenche o gráfico como também é criado um pequeno
relatório com os detalhes da monitorização no final da página.
Figura 5.8 – Montagem gráfica da página de resultados, com aspeto dos gráficos interativos para
diferentes opções de visualização e escala.
À semelhança do que acontece no programa em C++ também o código PHP desta
página realiza queries SQL à base de dados. Embora, nesta situação, o objetivo seja
maioritariamente aceder a dados previamente inseridos na base de dados pelo programa
em C++. O uso de queries SQL tem um papel fundamental na obtenção de dados
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 73
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guardados, no entanto, o verdadeiro poder desta linguagem está na capacidade de, a partir
de informação bruta, cruzar informação e, no final, apresenta-la de forma pormenorizada
e simples.
O final da página, tal como é apresentado pela Figura 5.9, possui um pequeno
relatório na forma de tabelas com informação sobre os resultados da monitorização. O
dinamismo da linguagem PHP junto com o poder das queries SQL, permitem que o
código que constrói estas tabelas se adeque ao tipo de monitorização e às opções
escolhidas pelo utilizador. Isto significa que as tabelas só são criadas se existirem dados
que as sustentem ou consoante as opções selecionadas no início da página pelo utilizador .
Os detalhes aqui mostrados dizem respeito aos valores máximos e mínimos de
tensão e corrente. Na ocorrência de eventos de qualidade de energia tais como sags, swells
ou interrupções no fornecimento de energia estes também são expostos. Por fim, é
apresentado o consumo de energia dos equipamentos que ficaram sob monitorização e o
valor monetário correspondente ao consumo de energia durante a monitorização.
Figura 5.9 – Página de resultados, com relatório com pormenores da monitorização.
O utilizador pode, também, através do menu do monitorizador 1, consultar a base
de dados, através da opção “Consultar Base de Dados”. Esta página é devolvida pela
74 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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ferramenta phpMyAdmin e permite ao utilizador gerir manualmente os dados da base de
dados. A Figura 5.10 tem por objetivo mostrar a página devolvida. O uso desta ferramenta
poderá ser útil se surgir a necessidade de analisar algum resultado específico que não
esteja disponível na aplicação web. Através desta ferramenta também é possível realizar
queries SQL à base de dados que não estão disponíveis na aplicação web. Um bom meio
de complementar a informação fornecida pela aplicação web poderá passar pelo uso desta
ferramenta.
As figuras apresentadas neste item dizem maioritariamente respeito ao
monitorizador 1, no entanto, o motivo pelo qual não se fez um estudo detalhado em
relação ao monitorizador 2, deve-se ao facto do modo como foi estruturado o site. Apesar
de existirem diferenças nos monitorizadores e no modo como a informação é processada,
a informação é apresentada ao utilizador nos mesmos moldes.
Figura 5.10 – Exemplo do aspeto da página da plataforma phpMyAdmin.
Para finalizar, para demonstrar as semelhanças no modo como são apresentados os
resultados dos monitorizadores, expôs-se na Figura 5.11 um dos resultados obtidos pelo
monitorizador 2. A figura representa cinco minutos de monitorização em que nas opções
se escolheu visualizar apenas o valor de tensão e frequência. A figura permite, também,
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 75
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exibir uma das funcionalidades do gráfico que consiste na possibilidade de arrastar o rato
por cima dos dados exibidos e assim saber exatamente o valor em cada um dos pontos. A
página possui, também, um atalho para impressão do conteúdo representado pelo botão
com o símbolo de uma engrenagem. A área impressa corresponde somente à secção da
página preenchida por resultados.
Figura 5.11 – Página de resultados relativa ao monitorizador 2.
5.5. Conclusão
Neste capítulo foram apresentados resultados relativos à implementação dos
softwares que integram a Raspberry Pi.
O programa de supervisão e gestão desenvolvido em C++ permitiu confirmar o
correto funcionamento da comunicação entre a FPGA e a Raspberry Pi, e, ainda, verificar
que a inserção na base de dados dos resultados se fez corretamente.
O conteúdo da interface gráfica foi desenvolvido recorrendo à linguagem HTML
sempre que foi necessário apresentar informação estática. Em situações onde se usou
76 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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formulários, ou em páginas interativas, a linguagem por trás da página consiste em PHP.
Apenas na página de resultados foi necessário utilizar JavaScript, mais precisamente, no
desenvolvimento do gráfico interativo.
A página dedicada à exposição dos resultados obtidos pelos monitorizadores é a
página mais complexa. Ao todo, de modo a apresentar corretamente a informação, foram
necessárias as seguintes linguagens de programação, HTML, PHP, queries SQL, e
JavaScript. Embora pesada, o tempo do carregamento da página não é significativamente
diferente das restantes páginas. Apenas se detetou perda de performance na utilização das
funcionalidades do gráfico interativo em situações onde são carregadas monitorizações
com mais de 12 horas. A perda de performance consiste num atraso de resposta do gráfico
quando usadas as opções de zoom vertical ou horizontal onde existem muitos pontos para
representar.
Finalmente, tendo em conta que a máquina que dá suporte ao servidor web (usado
para a interface gráfica e Joomla!), ao servidor MySQL (usado para a base de dados), e
ainda ao programa de supervisão e gestão em C++ consiste apenas numa Raspberry Pi,
os resultados são muito satisfatórios.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 77
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CAPÍTULO 6
Testes do Sistema em Condições Reais de Utilização em
Modelo de Rede desenvolvido em Laboratório
6.1. Introdução
O propósito deste capítulo consiste em analisar os dados adquiridos pelos
monitorizadores através do sistema desenvolvido.
Numa primeira fase, são expostos resultados obtidos em laboratório. Estes
resultados têm por objetivo verificar o correto funcionamento do sistema. De forma a
obter resultados diversificados foi usado um modelo de rede desenvolvido em laboratório
em que são gerados determinados eventos de QEE. Os eventos gerados, uma vez
detetados e identificados pelos monitorizadores são apresentados na interface gráfica.
Esta fase inclui testes realizados à comunicação entre os diferentes monitorizadores de
modo a comprovar o seu correto funcionamento.
Numa segunda fase, são analisados casos reais de monitorização de diferentes
equipamentos elétricos.
6.2. Testes da Comunicação entre a FPGA e os Monitorizadores e
com a Raspberry Pi
No item 3 do Capítulo 4, mostraram-se simulações e testbench da comunicação
entre a FPGA e cada um dos monitorizadores utilizados e com a Raspberry Pi. Neste item
será comprovado funcionamento de cada uma das simulações anteriormente
apresentadas. Os resultados dos testes foram obtidos recorrendo a um osciloscópio digita l,
modelo TPS 2024B da marca Tektronix.
6.2.1. Teste da Comunicação entre a FPGA e o Monitorizador 1
Com a intenção de comprovar o funcionamento real da comunicação, fez-se um
teste à comunicação entre a FPGA e o monitorizador. A Figura 6.1 permite visualizar o
momento em que são consecutivamente enviados comandos para o monitorizador.
O canal 1 corresponde ao sinal MOSI, e nele são facilmente identificados seis pedidos de
78 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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informação. No canal 2, que corresponde ao sinal MISO, são vistas as respetivas respostas
do monitorizador.
Figura 6.1 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 1.
Por sua vez, a Figura 6.2 tem o propósito de expor com pormenor um dos pedidos
enviados ao monitorizador. Este caso consiste no pedido do valor de tensão. Através do
envio do byte 0x17 o monitorizador devolve um valor de 24 bits correspondente ao valor
eficaz da tensão.
Figura 6.2 – Pormenor da leitura do valor de tensão do monitorizador 1.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 79
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6.2.2. Teste da Comunicação entre a FPGA e o Monitorizador 2
Do mesmo modo que se procedeu com o monitorizador 1, foi testado o
funcionamento da comunicação entre o monitorizador 2 e a FPGA. A Figura 6.3 mostra o
conjunto de tramas enviadas pelo monitorizador para a FPGA.
Figura 6.3 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 2.
Por sua vez, a Figura 6.4 pretende mostrar com detalhe o momento em que se inicia
a comunicação. São facilmente identificados no sinal RxD os 10 bits que constituem as
tramas. O canal TxD não possui quaisquer dados pois este apenas é usado para iniciar ou
terminar o funcionamento do monitorizador.
Figura 6.4 – Pormenor do momento em que se inicia a comunicação.
80 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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6.2.3. Teste da Comunicação entre a FPGA e a Raspberry Pi
Para terminar os testes, do mesmo modo que se procedeu com os outros módulos
presentes na FPGA, também a comunicação com a Raspberry Pi foi testada
experimentalmente. A Figura 6.5 tem então o objetivo de confirmar o funcionamento do
módulo. O sinal TxD representa o pedido de informação enviado pela Raspberry Pi. Por
sua vez, o sinal RxD exibe a resposta que é devolvida.
Figura 6.5 – Visão geral de um pedido da Raspberry Pi seguido de resposta.
6.3. Testes Utilizando o Monitorizador 1
Foi possível realizar diversos testes de modo a testar quer a resposta dos
monitorizadores, quer a resposta do sistema de supervisão e gestão. Utilizou-se então o
monitorizador 1 para realizar alguns testes. Os testes aqui apresentados consistem em
situações manualmente induzidas mas que são passiveis de acontecer em ambiente real
fora do laboratório. Para tal usou-se um auto transformador variável ou Variac para variar
o valor de tensão do modelo da rede desenvolvido em laboratório e foram usadas cargas
variadas para simular o consumo de energia.
Uma vez que a interface gráfica já foi apresentada no capítulo 5, os resultados
apresentados nesta secção consistem apenas em excertos retirados da interface. Esta
solução permite realçar a informação importante.
6.3.1. Simulação de um Sag
O evento de QEE aqui representado é o sag (subtensão momentânea da tensão). As
condições que levam ao aparecimento deste evento em condições reais são, por exemplo,
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 81
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o arranque de motores ou a entrada de equipamentos de grande consumo na rede. A
Figura 6.6 ilustra graficamente o momento em que este evento foi detetado pelo
monitorizador 1. Observa-se que o valor eficaz da tensão sofreu uma redução, e logo de
seguida voltou para o seu valor nominal. Com o auxílio da informação apresentada na
Figura 6.7, o utilizador do sistema pode ainda saber em que intervalo se deu o evento ,
bem como os valores da tensão atingidos nesse instante.
Figura 6.6 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de frequência, registados ao longo do tempo,
com a ocorrência de um sag detetado pelo monitorizador 1.
Este evento foi produzido variando o valor da saída de um Variac, isto é, ligou-se
o monitorizador ao Variac e iniciou-se a monitorização. Conforme é apresentado na
figura, às 11h24, reduziu-se o valor de tensão à saída do Variac e, no mesmo instante,
voltou-se a repor o valor de tensão inicial. Esta alteração repentina do valor de tensão
produziu o sag representado na figura.
Figura 6.7 – Tabelas de resultados relativa ao sag detetado pelo monitorizador 1.
Sag
82 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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6.3.2. Simulação de uma Interrupção Momentânea
O evento de QEE representado na Figura 6.8 têm como propósito exemplificar uma
situação de interrupção momentânea do fornecimento de energia elétrica. Através da
análise do gráfico e dos dados representados na Figura 6.9, é facilmente identificado o
intervalo correspondente à interrupção do fornecimento de energia. À semelhança do
exemplo do Sag, nesta situação também está identificado o valor mínimo que a tensão
atingiu, bem como, os instantes em que o evento esteve ativo.
Figura 6.8 – Gráfico com valor eficaz de tensão, com valor de frequência, registados ao longo do tempo,
com a ocorrência de uma interrupção detetada pelo monitorizador 1.
Figura 6.9 – Tabelas de resultados relativa à interrupção detetada pelo monitorizador 1.
Interrupção
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 83
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6.4. Testes Utilizando o Monitorizador 2
Os testes usando o monitorizador 2 são muito semelhantes aos testes efetuados com
o monitorizador 1. Serão demonstrados dois eventos de QEE. Mais uma vez, usou-se o
Variac para induzir os eventos.
6.4.1. Simulação de uma Subtensão e Swell
Este teste teve por objetivo introduzir dois eventos de QEE no período de
monitorização representado pela Figura 6.10. A figura ilustra uma subtensão seguida de
um swell (sobretensões momentânea da tensão). As condições que levam ao aparecimento
deste evento em condições reais são causadas pela saída de grandes cargas da rede, como
por exemplo motores de elevada potência.
Para simular uma subtensão, reduziu-se o valor eficaz da tensão abaixo de 10% da
tensão de referência durante um intervalo superior a 1 minuto.
Recorrendo ao Variac, reduziu-se o valor eficaz da tensão abaixo dos 10% do seu
valor nominal durante 2 minutos. Após os 2 minutos foi reposto o valor da tensão inic ia l
no Variac. O evento pode ser observado no gráfico a partir das 10h46.
Numa segunda fase fez-se uma alteração repentina ao valor de tensão do Variac de
modo a produzir um Swell. Este foi produzido aumentando o valor de tensão à saída do
Variac e, no mesmo instante, voltou-se a repor o valor de tensão inicial.
Figura 6.10 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência, registados ao longo do
tempo, com a ocorrência de uma subtensão seguida de swell detetados pelo
monitorizador 2.
Subtensão
Swell
84 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Por sua vez, na Figura 6.11, estão identificados os momentos em que cada um dos
eventos ocorreu, bem como detalhes relativos aos valores alcançados pela tensão.
Figura 6.11 – Tabelas de resultados relativa à subtensão e swell detetados pelo monitorizador 2.
6.4.2. Simulação de Sag Seguido de Interrupção do Fornecimento de Energia
A situação que se segue, representada pela Figura 6.12, mostra a reação do
monitorizador 2 numa situação de interrupção do fornecimento de energia. Neste caso,
usou-se o Variac para diminuir ligeiramente a tensão, e, de seguida, desligar
completamente a alimentação. Após se desligar a alimentação, esta voltou a ser ligada,
fazendo com que voltasse ao seu valor nominal.
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 85
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Figura 6.12 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência, registados ao longo do
tempo, com a ocorrência de um sag seguido de uma interrupção detetados pelo
monitorizador 2.
Este procedimento resultou nos dados apresentados na Figura 6.13. Com base nos
dados apresentados, é possível identificar um Sag no momento antes e depois da
interrupção.
Figura 6.13 – Tabelas de resultados relativos à interrupção detetada pelo monitorizador 2.
6.5. Resultados Obtidos da Monitorização de Equipamentos
Nesta secção serão apresentados resultados obtidos através da monitorização de
equipamentos reais. Ou seja, os resultados seguintes não foram manipulados de modo a
refletir um determinado evento. Serão apresentados e analisados três resultados de
monitorizações.
Sag
Sag
Interrupção
86 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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6.5.1. Monitorização do Consumo Energético de um Computador Portátil
O resultado da monitorização de um computador portátil, durante uma hora, está
representado na Figura 6.14. O objetivo desta monitorização consiste em analisar a
energia consumida em três alturas distintas de uso do computador. A figura reflete o
consumo de energia durante três fases distintas de utilização. Numa primeira fase,
identificada pela primeira seta azul, é possível observar um período de baixo consumo de
energia, consequente da baixa atividade no computador portátil. Numa segunda fase, de
forte atividade, representada pela segunda seta azul, são observáveis vários picos de
consumo de energia. Por último, até ao final da monitorização, o computador portátil
voltou a um estado de baixa atividade, representado pela terceira seta azul.
Figura 6.14 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de potência, registado ao longo do tempo,
correspondente à monitorização de um computador portátil.
Com o auxílio da Figura 6.15, é possível obter uma série de informação relevante.
Por exemplo, a potência usada pelo computador durante o período de inatividade ronda
os 36 W, no entanto, em atividade esse valor mais que duplica.
Esta figura também permite analisar a presença/ausência de eventos de QEE. Neste
caso não foi detetado nenhum evento.
Por fim, é possível avaliar o custo da energia consumida. Neste exemplo, o custo
da energia consumida pode parecer insignificante, no entanto, trata-se de uma
monitorização com a duração de apenas uma hora. Se este computador estivesse ligado
em permanência, e com um perfil de consumo semelhante ao monitorizado, o custo
mensal associado a este seria de aproximadamente de 6 euros.
Baixa
Atividad
e
Alta
Atividad
e
Baixa
Ativida
de
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 87
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Figura 6.15 – Tabela de resultados relativa à monitorização do computador portátil.
6.5.2. Monitorização do Consumo Energético de um Frigorífico Mini Bar
Nesta monitorização, representada pela Figura 6.16, pretendeu-se analisar o
comportamento de um frigorífico mini bar. O monitorizador foi programado para
monitorizar este pequeno frigorífico durante 24 horas.
A análise da figura permite visualizar o perfil de consumo do eletrodoméstico.
Durante as primeiras 6 horas de funcionamento o mini bar teve um comportamento de
“liga” e “desliga” com intervalos regulares bem definidos. Por volta das 21:00 foram
adicionados diversos produtos alimentares. Esta ação resultou na alteração do
comportamento do mini bar.
De modo a compensar o desequilibro térmico causado pela adição dos produtos
alimentares, o funcionamento do mini bar alterou-se e este foi ativado com mais
frequência. No entanto, com o passar do tempo, este voltou a funcionar do mesmo modo
como registado no início da monitorização, pois corrigiu o desequilíbrio térmico.
88 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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Figura 6.16 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência e potência ativa, registados
ao longo do tempo, correspondente à monitorização de um frigorifico mini bar.
Ainda relativamente ao funcionamento do mini bar, tem-se a Figura 6.17, que
permite analisar o custo associado ao funcionamento deste equipamento.
Figura 6.17 – Tabela de resultados relativa à monitorização de um frigorifico mini bar.
Neste caso, este equipamento consome 0,95 kWh por dia, o que se traduz num gasto
de cerca de 22 cêntimos por dia. Uma vez que se trata de um equipamento ligado em
permanência à rede elétrica, conclui-se facilmente que o gasto mensal seria de
aproximadamente 6,50 euros.
Desequilíbrio térmico
Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 89
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6.5.3. Monitorização do consumo energético de um Termo Ventilador
A monitorização apresentada neste item consiste em cinco minutos de
monitorização de um termo ventilador. Nesta monitorização alterou-se o modo de
funcionamento do termo ventilador a cada minuto. A Figura 6.18 tem por propósito
exemplificar os resultados obtidos em termos de potência consumida. No primeiro
minuto, apenas se usou o modo ventilador, sem produção de calor. No segundo minuto,
acionou-se o primeiro nível de potência, e ao fim de mais um minuto, acionou-se o
segundo nível de potência. A partir deste momento, o procedimento foi diminuir o
consumo do aparelho de minuto em minuto até terminar a monitorização.
Figura 6.18 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de potência ativa, registados ao longo do
tempo, correspondente ao consumo de potência pelo termo ventilador nos diferentes
estágios de funcionamento.
Através da análise da Figura 6.19, em que se vêem as curvas relativas à evolução
da corrente consumida e da variação do fator de potência, é possível identificar as zonas
em que o termo ventilador funcionou apenas no modo de ventilador. O baixo valor do
F.P. evidência a presença do funcionamento de um equipamento indutivo. Este
comportamento faz todo sentido, e deve-se ao facto de que, neste modo de
funcionamento, a componente indutiva é suficientemente significativa para afetar o valor
do F.P. No entanto, nos outros modos de funcionamento, a componente indutiva
relativamente à componente resistiva é tão insignificante que o F.P. acaba por ser unitár io.
A informação sobre o F.P. é útil no setor industrial pois estes pagam por potência
reativa, logo é do interesse das indústrias manter o F.P. o mais próximo possível da
90 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica
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unidade. Atualmente, relativamente ao setor residencial, não é cobrada a potência reativa
consumida, no entanto, no futuro, esta situação poderá mudar.
Figura 6.19 – Gráfico com valor eficaz de corrente, e com valor de fator de potência, registado ao longo
do tempo, correspondente à análise da corrente consumida e variação do FP nos diferentes estágios de
funcionamento do termo ventilador.
Por fim, por meio da Figura 6.20, pode ser vista a gama de valores correspondente
ao estágio de menor e maior consumo do termo ventilador. O modo de funcionamento no
modo ventilador consome uns meros 27 W, contudo, quando usado na sua máxima
potência, o termo ventilador consome aproximadamente 2000 W. Pela análise dos valores
de corrente consumida também se evidencia o perigo associado a estes equipamentos em
habitações antigas. Uma habitação cuja instalação elétrica foi mal dimensionada pode não
suportar este tipo de equipamento. Por exemplo, se a secção dos cabos elétricos não for
suficiente para suportar correntes elevadas, o cabo poderá aquecer e provocar um
incendio.
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Figura 6.20 – Tabela de resultados relativa à monitorização de um termo ventilador.
6.6. Conclusão
Neste capítulo foram apresentados os resultados obtidos através dos
monitorizadores do sistema. Os testes efetuados têm como objetivo verificar as
capacidades dos monitorizadores em analisar os parâmetros da rede e verificar se os
resultados são corretamente exibidos para o utilizador. No entanto, o verdadeiro objetivo
deste capítulo é demonstrar a importância dos sistemas de monitorização de energia
elétrica.
Através dos testes realizados, por exemplo, na fase de simulação de eventos de
QEE, verificou-se que os monitorizadores são capazes de detetar essas anomalias e que
esses eventos são bem identificados na página dos resultados.
Relativamente aos testes efetuados com a monitorização de equipamentos elétricos,
verificou-se que quer em monitorizações de curta ou longa duração, os resultados são
corretamente apresentados ao utilizador.
O resultado mais importante dos testes efetuados consiste no poder que a
informação colhida dá ao utilizador do sistema. O facto de que, para cada monitorização
realizada, está disponível o perfil de consumo de energia e o custo associado a esse
consumo do equipamento, permite tomar consciência sobre o futuro desses equipamentos.
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CAPÍTULO 7
Conclusão
7.1. Conclusões
O trabalho de Dissertação de Mestrado apresentado neste documento descreve
todo o processo do desenvolvimento do sistema de gestão e supervisão de
monitorizadores de energia elétrica. Em cada uma das etapas da conceção do sistema
adquiriu-se novos conhecimentos e solucionaram-se as dificuldades encontradas. Por
isso, com base na experiencia obtida durante o desenvolvimento da Dissertação são
apresentadas de seguidas uma série de conclusões.
No Capítulo 2 foram apresentados alguns sistemas de monitorização presentes no
mercado. Com base na análise destes sistemas verificou-se, com satisfação, que existe
lugar no mercado para estes produtos. A tecnologia evoluiu no sentido em que o aspeto e
tamanho destes sistemas passe despercebido na paisagem doméstica onde estes são
habitualmente instalados. Contudo, o valor pelo qual se pode adquirir um destes sistemas
de monitorização ainda é elevado para a grande maioria da população.
No Capítulo 3 foi apresentada a arquitetura do sistema desenvolvido. O objetivo
por trás de cada decisão na arquitetura do sistema foi sempre garantir que o sistema fosse
dinâmico. O dinamismo pretendido traduz-se na possibilidade de atualizar o sistema tanto
em hardware como em software, de adicionar novos monitorizadores ao sistema e de
alterar as funcionalidades da interface gráfica. Daí ter-se decidido usar uma FPGA para
implementar os módulos de controlo dos monitorizadores. Esta decisão revelou ser de
extrema utilidade pois permitiu desenvolver os módulos de controlo dos respetivos
monitorizadores independentemente uns dos outros, e, por fim, ao reuni-los, e constatar
o funcionamento dos mesmos. Um último módulo, responsável pela comunicação com a
Raspberry Pi, também foi adicionado sendo que este funcionou conforme planeado.
Em suma, a característica modular adicionou flexibilidade ao sistema pois cada
um dos módulos usados pode ser alterado ou eliminado, mas não só. Outros módulos para
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o controlo de outros monitorizadores, ou para outras finalidades podem ser adicionados
ao sistema atual sem a necessidade de realizar alterações significativas ao sistema.
Relativamente ao ambiente gráfico e à parte de gestão de dados e supervisão dos
monitorizadores soube-se, desde início, que a FPGA disponível para este projeto não
possuía as características desejáveis para implementar uma interface adequada para o
sistema. Daí, ter-se decidido implementar o ambiente gráfico recorrendo a uma
Raspberry Pi.
No planeamento da interface gráfica para com os utilizadores do sistema, também
se manteve como critério o dinamismo presente na etapa anterior. A principal decisão
tomada nesta etapa consistiu em garantir que o utilizador pudesse aceder ao sistema com
total flexibilidade a partir de um browser onde quer que fosse a sua localização. Esta
decisão tornou o sistema muito mais interessante e de encontro à tendência atual dos
sistemas de monitorização. No entanto, esta solução requer uma ligação à internet quer
no local de instalação do sistema quer pelo utilizador. Apesar disso, o sistema é acessível
localmente mesmo sem ligação à internet. A entrada no mundo da internet também
implica a análise de questões de segurança envolvidas. Uma vez que o tempo para a
realização deste trabalho é escaço não foi possível fazer um estudo sobre que medidas de
segurança seriam mais adequadas para um sistema deste género.
No Capítulo 4 são demonstrados os primeiros resultados simulados e práticos
relativos ao funcionamento dos módulos de controlo dos respetivos monitorizadores. Os
resultados vão de encontro com os critérios definidos na fase de planeamento. É também
neste capítulo que se testaram os software necessários ao funcionamento da interface
gráfica. A fase de testes foi uma fase delicada pois não se sabia até que ponto a
Raspberry Pi seria compatível com os software nela instalados e se seria capaz de
processar toda a informação em tempo útil. No final da fase de testes não se tinha detetado
nenhuma perda de performance ou incompatibilidade dos softwares instalados.
No Capítulo 5 é descrito o funcionamento do programa de supervisão e gestão
desenvolvido em C++. Este programa foi necessário para fazer a ligação entre os
diferentes softwares (servidor web, servidor MySQL) que correm na Raspberry Pi e o
hardware desta placa. Com este programa foi possível interagir com a base de dados
através de queries SQL, quer para ler comandos inseridos pela interface gráfica, quer para
preencher a base de dados com a informação vinda dos monitorizadores. Nesta etapa do
desenvolvimento do sistema não se detetou nenhuma anomalia ou perda de performance,
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contudo, quando se finalizou a interface gráfica verificou-se que existia uma forte
demanda de processamento por parte do servidor web.
No final do Capítulo 5 é demonstrada a interface gráfica do sistema, foi nesta fase
do desenvolvimento do sistema que se verificou o principal problema, o carregamento
das páginas estava demasiado lento pois exigia demasiado processamento à Raspberry Pi.
O problema foi rapidamente solucionado através da simplificação do design gráfico da
página. No final, conseguiu-se na mesma desenvolver uma interface gráfica apelativa e
cuidada mas mais simples de modo a consumir menos recursos.
O final do Capítulo 5 consiste num guia da utilização do sistema em que se
demonstra que a utilização do sistema faz-se do mesmo modo que navegar na web, através
de links, clicks e pelo preenchimento de formulários. Esta forma de interagir com as
funcionalidades do sistema é intuitiva, e não requer que o utilizador tenha de adquirir
novos conhecimentos desde que este esteja familiarizado com o uso da internet.
Por último, o Capítulo 6 é dedicado a testes do sistema. Os testes realizados
tiveram como objetivo testar individualmente cada monitorizador, testar determinados
eventos produzidos em laboratório para verificar se estes eram corretamente identificados
e, por fim, realizaram-se monitorizações a diversos equipamentos e analisaram-se os
resultados. Verificou-se que o sistema foi capaz de obter os dados de ambos os
monitorizadores e posteriormente exibi-los na interface gráfica tal como pretendido.
Os testes realizados demonstram o funcionamento global do sistema de supervisão
e gestão, mas é a capacidade de interpretar resultados obtidos que realmente dá valor ao
sistema desenvolvido, pois este permite identificar a existência de situações anómalas,
visualizar perfis de consumo, fazer previsões de custo, comparar resultados, etc. Embora
este sistema já possua algumas funcionalidades interessantes, podem ainda ser
desenvolvidas e incorporadas inúmeras outras.
O método de acesso remoto ao sistema revelou ser de extrema utilidade. Não só
permite que os utilizadores finais usufruam da plataforma a partir de qualquer lugar com
acesso à internet, como também será útil numa fase futura de manutenção e upgrade da
plataforma. Este método de acesso à plataforma é uma das mais valias deste sistema pois
implica apenas a instalação de um browser no equipamento do utilizador, contudo, este
software vêm incluído com a maioria dos sistemas operativos.
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7.2. Sugestões para Trabalho Futuro
Como trabalho futuro existem ainda uma série de melhorias e modificações que
podem ser feitas ao sistema apresentado. As melhorias aqui propostas para trabalho futuro
não foram implementadas pois o tempo atribuído ao desenvolvimento da Dissertação é
limitado.
Uma vez que o sistema desenvolvido já foi pensado para permitir a adição de
melhorias ou de novos módulos para outras aplicações, seria interessante desenvolver um
módulo para a FPGA cuja função fosse atuar sobre eventos de QEE. Isto é, com base na
informação obtida pelos monitorizadores do sistema, sempre que fosse detetado um
evento com potencial prejudicial para equipamentos da rede elétrica, este módulo poderia
desencadear uma resposta automática que poderia eventualmente passar pela remoção de
cargas sensíveis da rede.
Outro trabalho que poderia ser realizado de modo a complementar o sistema atual
seria adicionar o monitorizador apresentado no Capítulo 2 denominado por Monitorizador
da Qualidade da Energia Elétrica (MQEE). Os dados deste monitorizador são acessíveis
por ethernet, logo, se este monitorizador estiver na mesma rede que o sistema de
supervisão e gestão, seria possível obter os seus registos e apresentá-los através da
interface gráfica. Como trabalho a realizar, seria apenas necessário adicionar
funcionalidades ao nível da aplicação web de modo a reconhecer o monitorizador. O
restante trabalho consistiria em apresentar os parâmetros devolvidos pelo MQEE.
Relativamente à interface gráfica, existe uma série de funcionalidades que podem
ser adicionadas. Por exemplo, seria interessante desenvolver simuladores de consumo em
que o utilizador pudesse introduzir determinados parâmetros e visualizar o resultado ou,
até mesmo, comparar vários resultados simultaneamente. Ainda na interface gráfica,
podem ser adicionados outros sistemas de monitorização, como por exemplo,
temperatura, humidade, velocidade do vento, etc. Qualquer alteração ou adição de
conteúdo na interface gráfica não implica a realização de grandes mudanças no conteúdo
pré-existente.
Por fim, um ponto importante que deve ser revisto consiste na segurança da
aplicação web. Esta é suportada por um servidor web Apache cujo protocolo de
hospedagem é HTTP. Como trabalho futuro seria importante estudar a possibilidade de
migrar do protocolo de comunicação HTTP para HTTPS (Hypertext Transfer Protocol
Secure) pois este último oferece maior segurança contra ataques à plataforma.
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