Monitor de Carga em Redes de Transmissão Elétrica

Participantes:

João Paulo Patricio do Nascimento

Resumo do projeto:

O projeto é uma ferramenta para redução fraude de energia elétrica. sendo responsável pela etapa de coleta para alimentar um sistema de big data.

Descrição do projeto:

O projeto se apresenta como uma ferramenta de redução do desvio de energia elétrica. Sendo responsável pela etapa de coleta para alimentar um sistema de Big Data, onde os valores são comparados com as aferições nos medidores residenciais. O resultado é utilizado para tornar a fiscalização mais efetiva.

Os módulos de coleta são dispositivos microcontrolados que monitoram a corrente elétrica que flui através de cabos de energia e devem ser instalados em pontos estratégicos da rede de transmissão elétrica.

A coleta de dados é feita através de amostragens periódicas da corrente elétrica (valores instantâneos). O módulo realiza uma primeira análise dos valores e envia para o servidor o consumo em KW para cada hora de operação.

Para prova de conceito será construído um Módulo de Coleta de Dados, operando em tensão monofásica 220V (F-N) com correntes de até 20A. A utilização de um transformador de corrente permite que este mesmo equipamento opere com correntes bem mais altas

O equipamento possuirá dois modos de operação selecionáveis remotamente.

  • Envio de Potência Média, como valor enviado por hora.
  • Envio de valores instantâneos de corrente (amostragem por intervalos).

A conectividade do módulo com o servidor será feita através de comunicação 3G/4G para envio de dados. Para a aplicação final essa escolha é mais lógica que o uso de wifi ou estruturas cabeadas. Utilizar operadoras de telefonia implica um custo mensal de franquia, mas reduz complexidade e custos de instalação.

O cenário de teste apresentará cargas com fatores de potência distintos, conectadas em paralelo na mesma linha de transmissão.

Histórico do desenvolvimento:

Etapas concluídas:

 

1 – Desenvolvimento do App Legato

  • Estudo da plataforma de desenvolvimento Legato (máquina virtual Ubuntu);
  • Estudo da estrutura de software Legato;
  • Estudo do passo a passo do Get Started;
  • Contorno do problema de cadastro na plataforma airVantage;
  • Inserção de falhas no código “Hello World IPC” para estudo dos logs de erro;
  • Criação de timers para programação baseada em eventos;
    • Testes de interferência e prioridade entre timers;
  • Solução do problema em que o “cm data connect” sempre retornava erro;
  • Solução da falha de rota para a api “le_mdc.api”;
  • testes do cliente Mqtt;
  • Testes de comunicação via http;
  • Testes de comunicação uart com monitor Serial;
  • Testes de comunicação Uart com o Arduino;
  • Desenvolvimento do código preliminar para tratamento dos dados.

2 – Desenvolvimento da Bancada para Testes de Medição:

  • Estrutura de tomadas para simular duas linhas de distribuição com 3 “casas” em cada. Para validação das medições serão utilizadas lâmpadas de potência e fator de potência distintos.
  • Testes preliminares executados com sucesso. As correntes estão sendo aferidas com boa precisão.
  • O fator de potência não pôde ser calculado sem a medição de tensão para analisar deslocamento de fase. Realizei essa aferição com o osciloscópio e pude validar as correntes medidas. O MVP não prevê medição de tensão, então a análise de fator de potência foi deixada para versão posterior.
  • As potências foram calculadas com a tensão prevista (e medida manualmente) na rede de 220Vac.

3 – Desenvolvimento do Hardware:

  • Definição do sensor ACS712 (Allegro) para coleta das correntes elétricas.
  • Utilização do Arduino Pro-Mini para leitura do ACS712
    • Leitura com Pro-Mini 5V (maior precisão para a leitura);
    • Leitura com o Pro-Mini 3V3 (maior dependência de estabilidade da fonte de alimentação).
  • Leitura do ACS712 através do pino analógico da Mangoh Red
    • Apresentou resultados parecidos com os do Pro-Mini 3V3.
  • Definição de leitura do ACS712 através do pro-mini 3V3
    • Pequenos ruídos no GND causaram algumas leituras imprecisas. Um bom capacitor entre VCC e GND atenuaram o problema consideravelmente. No entanto essa alteração na mangoh Red apresenta risco alto de curto e requer um estudo mais aprofundado. Tendo apenas uma placa, preferi não arriscar.
    • Outro ponto para essa decisão foi o número de canais ADC. Em uma versão futura serão necessários, pelo menos, 3 canais para corrente elétrica e 3 canais para tensão (medição de fator de potência em rede trifásica);
  • Conexões mangoh – arduino via UART;
  • Conexões mangoh – Arduino via SPI.

4 – Desenvolvimento do Firmware Arduino:

  • Leitura do ACS712;
  • Envio para amangoh via uart;
  • Envio para a mangoh via spi.

5 – Desenvolvimento do Servidor:

  • Estudo de viabilidade do airVantage para o projeto
    • Cadastro da mangOH na airVantage Platform (problema de cadastro resolvido no fórum Embarcados);
    • Estudo das ferramentas disponíveis na plataforma;
    • Conclusão de que o airVantage não atende (ao menos facilmente) os requisitos para o projeto a longo prazo.
  • Desenvolvimento de um MVP para o protótipo.
    • Estudo do código fonte do app exemplo AirVantage Control e das bibliotecas le_avdata_interface.h e le_avc_interface.h para entendimento dos requisitos mínimos do servidor para receber a mangoh Red;
    • Criação de um servidor web para exibição das informações enviadas pela mangoh Red;
    • Testes realizados com comunicação por HTTP e MQTT. Os dois funcionaram bem;
    • Opção temporária do HTTP para economizar tempo e recursos de hardware para o servidor;
    • Versão Funcional do servidor Web montada em uma nodeMCU com exibição dos valores enviados pela mangoh Red. Os recursos se mostraram suficientes para o protótipo.

 

Etapas em andamento:

 

  • Organização do código para finalizar app;
  • Comparação (no servidor) dos valores recebidos com os esperados (medição da distribuição x contas de luz da área);
  • Testes Gerais

 

Previsão de Conclusão: 25/10/2018

Hardware:

  • Kit de desenvolvimento Sierra (mangOH Red + WP8548);
  • SimCard KoreTM TIM (fornecido com o Kit);
  • SimCard VIVO ou Claro (para comparativo de configuração e transferência);
  • Sensor de corrente ACS712;
  • Arduino Pro Mini 5V (etapa de testes de coleta);
  • Arduino Pro Mini 3V3 (etapa de testes com shift level e dispositivos de proteção);
  • Bateria ou fonte externa para mangOH e sensores;
  • Componentes acessórios (resistores, capacitores, mosfets…).

Software/Firmware:

Referências: