O documento descreve um sistema smart grid de telemetria não invasiva para monitoramento de consumo de energia utilizando a tecnologia Arduino. O sistema propõe um novo método de combate a perdas não técnicas através da instalação de dispositivos medidores em pré-inspeções de maneira não invasiva. O documento discute o embasamento teórico e as tecnologias utilizadas no projeto, incluindo Arduino e comunicação ZigBee.

1. Centro Tecnológico, Engenharia Elétrica - UFESCentro Tecnológico, Engenharia Elétrica - UFES
SISTEMA SMART GRID DE TELEMETRIA NÃO INVASIVA PARA MONITORAMENTO DESISTEMA SMART GRID DE TELEMETRIA NÃO INVASIVA PARA MONITORAMENTO DE
CONSUMO, DETECÇÃO E COMUNICAÇÃO DE ANOMALIAS E FRAUDES DECONSUMO, DETECÇÃO E COMUNICAÇÃO DE ANOMALIAS E FRAUDES DE
ENERGIA UTILIZANDO TECNOLOGIA ARDUINOENERGIA UTILIZANDO TECNOLOGIA ARDUINO
Thiago Valfré Lecchi
Estagiário de Engenharia Elétrica – EDP Escelsa
Universidade Federal do Espírito Santo - UFES

2. 2
Índice ufesufes
 1. Introdução
- Objetivos;
 2. Análise de Cenário
- O Setor Elétrico Brasileiro;
- Smart Grid: a rede de distribuição inteligente do futuro;
- Perdas não Técnicas Sobre o Sistema de Distribuição de Energia;
- O método de Combate às Perdas por Pré-Inspeção.
 3. Embasamento Teórico
- Teorema de Blondel: medição de potência em sistemas polifásicos;
- Transformadores de Corrente.
 4. Tecnologias Utilizadas
- Plataforma de Prototipagem Arduino;
- Tecnologia de Comunicação ZigBee.
 5. Proposta de Novo Método e Ferramenta de Inspeção de Fraude – Sistema Smart Grid de Telemetria Não Invasiva
-Versão #1: Dispositivo Medidor com Comunicação Bluetooth;
-Versao #2: Dispositivo Medidor com Comunicação ZigBee.
 6. Resultados
- Análise de Precisão;
- Análise de Viabilidade Econômica.

3. 1. Introdução1. Introdução

4. 4
ufesufesObjetivos
 Novo Método de Combate Às Perdas Não Técnicas de Energia Elétrica
- Implantação da Logística de Pré-Inspeção;
- Construção de Medidores Inteligentes para Pré-Inspeção.
 Protótipo de Medidor Inteligente
- Funcionalidade: precisão, flexibilidade; abrangência;
- Acessibilidade de Dados: centralização de rede de medição;
- Composição Estrutural Inteligente: tamanho, peso, tecnologia, autonomia;
- Viabilidade Econômica.

5. 2. Análise de Cenário2. Análise de Cenário

6. 6
ufesufesO Setor Elétrico Brasileiro
 Geração
- 70% do montante energético proveniente de UHE’s;
- Dependência de fatores climáticos (↓ autonomia);
- Fontes alternativas caras e poluentes:
. Termelétricas: carvão, diesel e gás.
- Necessidade de redução de demanda:
. Estímulo ao consumo consciente e
combate ao uso indiscriminado de
energia.
 Sistemas de Medição
- 92% eletromecânicos: precisão de ±2%;
- Leitura manual: sujeito a impedimentos;
- Controle de consumo sem registro de demanda;
- Alta susceptibilidade à fraudes (baixa segurança);
. Fraudes na rede e unidades de leitura;
. Demora na indicação de fraudes;
. Demora no combate à fraudes.
- Agente gerador (pela facilidade) de perdas
não técnicas.
UHE Itaipu Binacional, RS - Brasil
Medidor Eletromecânico

7. ufesufes
7
Smart Grid: a rede elétrica inteligente
Rede Atual
Sistema de distribuição de energia elétrica atual

8. ufesufes
8
Smart Grid: a rede elétrica inteligente
 Nova rede de distribuição inteligente, com total autonomia, controle, segurança e qualidade de
fornecimento de energia elétrica.
 Nova rede de distribuição inteligente, com total autonomia, controle, segurança e qualidade de
fornecimento de energia elétrica.
Rede Smart Grid
 Estímulo à práticas sustentáveis
- Ganho em autonomia: cogeração / micro geração e
comercialização de energia:
. Energia Solar, eólica, gás-natural
 Medição e gerenciamento total da rede
- Controle rígido da qualidade;
- Sistemática diferenciada de cobrança;
- Sistema de leitura e comunicação remoto preciso,
inviolável, em tempo real;
- Fraudes identificadas instantaneamente;
- Economia e assertividade em métodos de inspeção
de irregularidade / falha;
- Corte e ligação remota em tempo real;
- Redução de perdas não técnicas.
Sistema de distribuição de energia elétrica Smart Grid

9. ufesufes
9
Smart Grid: uma nova realidade
AES Eletropaulo - SP Celpe - PE
EDP Bandeirante - SPCocern - RN

10. 10
O que são perdas não técnicas?
Transmissão
Distribuição
Geração
Perdas Técnicas:Perdas Técnicas:
-Efeito JouleEfeito Joule
-Perdas no Núcleo dePerdas no Núcleo de
TransformadoresTransformadores
-Perdas DielétricasPerdas Dielétricas
 “A perda não técnica é o montante de energia que é distribuída e consumida sem ser faturada” “A perda não técnica é o montante de energia que é distribuída e consumida sem ser faturada”
ufesufes

11. 11
O que causa uma perda não técnica?
- Bypass (Gato)Bypass (Gato)
- Fraudes em MedidoresFraudes em Medidores
- Inversão de fasesInversão de fases
- Bypass (ligação direta)Bypass (ligação direta)
- Disco de leitura presoDisco de leitura preso
- Bobina do medidorBobina do medidor
desativadadesativada
- Condutor (medição)Condutor (medição)
desconectadodesconectado
- Manuseio do consumo:Manuseio do consumo:
retorno de ponteiros,retorno de ponteiros,
desconecção dedesconecção de
condutores (violação)condutores (violação)
- Manuseio do calibradorManuseio do calibrador
(medição intermitente)(medição intermitente)
IMPUNIDADEFACILIDADE
PERDAS
NECESSIDADE
 Triangulo de Perdas: Motivos que levam o cliente ao furto energético Triangulo de Perdas: Motivos que levam o cliente ao furto energético
ufesufes

12. 12
Quais os impactos para a EDP?
 Consumidor Irregular
- Consumo 2,5 vezes maior que o regular.
 Bairros com complexidade social
- 30% das unidades com ligação clandestina;
- Perdas de 50% a 70% do montante fornecido.
 Montante de Energia Furtada no Espírito Santo
- Suficiente para alimentar a cidade de Vila Velha (183
mil unidades consumidoras).
 Repasse de perdas
- 9,27% máximo (ANEEL);
- Cenário atual: 17,26% (EDP).
Ligação Clandestina (Bypass ou “gato”)
Medidor adulterado
ufesufes

13. 13
Como combater?
Dificuldade logística:
- Demora na execução do total de inspeções;
. Lentidez no combate → Aumento nas perdas;
- Alto gasto em mão de obra e tecnologia;
. Alocação de no mínimo 2 eletricistas (NR 10) +
veículo e equipamentos especializados.
Alto Índice de improdutividade em inspeções: 88%.
MÉTODO ATUAL: Inspeções Convencionais
Eletricistas em procedimento de inspeção convencional
ufesufes
Como Melhorar?!

14. 14
Como combater?
 Economia:
- Elevada eficiência nas inspeções: 90%;
- Redução de custos (Pré inspeção = 1 eletricista isolado);
- Redução de perdas não técnicas;
- Equipamento de pequeno peso e dimensão, de fácil transporte e
instalação, baixo investimento e elevado Benefício/Custo.
 Precisão:
- Grande eficácia na identificação das irregularidades mais
incidentes (lig. clandestina, manipulação de medidor e derivações
na mureta).
 Continuidade:
- Não é necessário desligar a UC para realizar a pré-inspeção.
 Logística:
- Direcionamento preciso de equipes de inspeção
(maior produtividade).
MÉTODO PROPOSTO: Sistema não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de
Furtos Energéticos em Pré Inspeções via Tecnologia Arduino
Propostas de Sistemas para Detecção de Fraude
ufesufes

15. ufesufes
2. Instalação de Dispositivo Leitor de
Pré-Inspeção
2. Instalação de Dispositivo Leitor de
Pré-Inspeção 3. Tratamento de Dados3. Tratamento de Dados3. Tratamento de Dados3. Tratamento de Dados2. Instalação de Dispositivo Leitor de
Pré-Inspeção
2. Instalação de Dispositivo Leitor de
Pré-Inspeção
2. Instalação de Dispositivo Leitor de
Pré-Inspeção
2. Instalação de Dispositivo Leitor de
Pré-Inspeção1. Triagem Computacional1. Triagem Computacional1. Triagem Computacional1. Triagem Computacional1. Triagem Computacional1. Triagem Computacional
15
Como funciona o projeto?
1) Seleção de clientes (banco de dados – SAP) por variação
decrescente de consumo (conceito 2σ (sigma))
2) De maneira rápida e fácil, tem-se o início da leitura, registro e
envio de consumo real.
3) Estudo de Resultados
-Registro (via cartão SD) e recepção sem fio de log de
dados (via bluetooth) e de curva de demanda on-line
(memória de massa via GPRS*)
-Comparação entre leitura de medidor e do sensor
-Avaliação de clientes em possível situação de fraude
energética
-Designação final de clientes selecionados para processo
de inspeção
Banco de Dados – EDP Escelsa (Sap – BW)
Instalação do Sistema de Medição – Funcionário utilizando
garra/bastão de manobra
Memória de Massa Padrão
EtapasEtapas
* Sistema ainda em adaptação
Garra de Leitura e Fixação do Sensor
Análise estatística de variação de consumo por desvio
padrão 2σ

16. 3. Embasamento Teórico3. Embasamento Teórico

17. 17
ufesufesTeorema de Blondel: Medição de Potência
 “A potência total entregue a um sistema de cargas por n condutores é dada pela soma algébrica indicada
por n wattímetros inseridos em cada um dos n fios, sendo a potência de referência de todos os n
wattímetros conectados a um ponto comum; este ponto comum pode ser conectado a um dos n
condutores, assim a potência total é dada por n-1 medidores de potência.”
 “A potência total entregue a um sistema de cargas por n condutores é dada pela soma algébrica indicada
por n wattímetros inseridos em cada um dos n fios, sendo a potência de referência de todos os n
wattímetros conectados a um ponto comum; este ponto comum pode ser conectado a um dos n
condutores, assim a potência total é dada por n-1 medidores de potência.”
Esquema de ligação Delta (triângulo)Esquema de ligação Y (Estrela)
�1 + �2 =
1
�
න (�𝐴�.�𝐴 + �𝐵�. � 𝐵 + �𝐶�.� 𝐶). 𝑑� = �
�
0
�1 = 𝑅�න�𝐴𝐶. �𝐴 ∗න
�2 = 𝑅�[�𝐵𝐶. � 𝐵 ∗]
Potência total entregue ao Sistema – Teorema de Blondel

18. 18
ufesufesTransformadores de Corrente
Sistemas de Instrumentação e Medição
- Limitação física de níveis de
corrente e tensão de circuitos de
semicondutores;
Aplicação
- Reprodução no terminal secundário de forma
de onda de corrente similar à que circula no
primário, com amplitude reduzida linearmente
dezenas de vezes, possibilitando a leitura e
análise de sinal por parte dos circuitos de
processamento de dados
�1
�2
=
�2
�1
= 200
Relação de Transformação de Corrente Utilizada
Configuração TC + Burden Resistor - Entrada analógica de um Arduíno
(5V) - Sinal de entrada

19. 4. Tecnologias Utilizadas4. Tecnologias Utilizadas

20. 20
ufesufesArduino: Plataforma de Processamento
 Características de Destaque
- Baixo custo;
- Fácil programação e operação;
- Baixo peso e pequenas dimensões;
- Grande adaptabilidade ao uso de diversos tipos de
sensores / ferramentas / protocolos de comunicação;
- Interface Amigável: IDE Arduino;
 Características Técnicas
Micro controlador ATmega328
Tensão de operação 5 V
Tensão de entrada (recomendada) 7-12 V
Tensão de entrada (limites) 6-20 V
Pinos de entrada e saída (I/O) digitais 14 (6 -saídas PWM)
Pinos de entradas analógicas 16
Corrente DC por pino I/O 40 mA
Memória Flash 256 KB (dos quais 8KB são usados
para o bootloader)
SRAM/EEMPROM 8 KB / 4 KB
Velocidade de Clock 16 MHz
Características Técnicas da Placa Arduino UNO Diagrama de Pinagem
Plataforma de Prototipagem Eletrônica – Arduino Uno

21. ufesufes
21
ZigBee: Comunicação simples e eficaz
 IEEE 802.15.4: Novo padrão de comunicações sem fio (wireless) de baixo consumo, fácil configuração,
topologia variada e ampla empregabilidade em sensoriamento industrial e automação residencial.
 IEEE 802.15.4: Novo padrão de comunicações sem fio (wireless) de baixo consumo, fácil configuração,
topologia variada e ampla empregabilidade em sensoriamento industrial e automação residencial.
 Simples Multitopologia de Rede
- Star, Tree e Mesh;
- Distâncias de até 1 [Km] (série Pro);
- Coordenador, Roteador, End Service.
 Alta eficiência e Baixo Consumo
- 50 [mA] – Transmissão / Recepção;
- 0,3 [mA] – Stand By.
- 0,5 [μA] – Modo Sleep
 Multi-adaptabilidade do transmissor
- Conexão Serial: flexibilidade de integração
com sensores e periféricos;
 Baixo Custo
Multitopologia de rede
Módulo Transmissor Xbee Pró Séries S2 - ZigBee

22. 5. Proposta de Novo Método e Ferramenta de5. Proposta de Novo Método e Ferramenta de
Inspeção de Fraude – Sistema Smart Grid deInspeção de Fraude – Sistema Smart Grid de
Telemetria Não InvasivaTelemetria Não Invasiva

23.  Plataforma de Processamento Arduíno
(microcontrolador Atmel AVR)
- Arduino Duemilanove
 Módulo Leitor/Gravador SD
- SD Card Module LC Studio
 Módulo de Temporização
- Clock Module RTC 12C
 Módulo Bluetooth
- JY MCU Bluetooth Module
 Garra – TC Sensor de Corrente
- Yhdc SCT-013-000 Current Transformer
ufesufes
23
Detalhamento Técnico – Proposta #1
Dispositivo Sensor e Transmissor Bluetooth
Medidor não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos
via Tecnologia Arduino com Comunicação Bluetooth

24. ufesufes
24
Detalhamento Técnico – Proposta #2
Sistema não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos via
Tecnologia Arduino com Comunicação ZigBee / PHP
 Plataforma de Processamento Arduíno
(microcontrolador Atmel AVR)
- Arduino Duemilanove
 Módulo Leitor/Gravador SD (Back-Up)
- SD Card Module LC Studio
 Módulo de Temporização
- Clock Module RTC 12C
 Garra – TC Sensor de Corrente
- Yhdc SCT-013-000 Current Transformer
 Módulo de Comunicação ZigBee
- Xbee XB24-Z7WIT-004 Digi (Séries S1)
Dispositivo Sensor e Transmissor ZigBee (End-Device)

25. ufesufes
25
Detalhamento Técnico – Proposta #2
Sistema não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos via
Tecnologia Arduino com Comunicação ZigBee / PHP
 Plataforma de Processamento Arduíno
(microcontrolador Atmel AVR)
- Arduino Duemilanove
 Módulo de Comunicação ZigBee
- Xbee XB24-Z7WIT-004 Digi (Séries S1)
 Módulo de Comunicação Ethernet
- ENC28J60
Dispositivo Receptor (Coordenador / Servidor)

26. 6. Resultados6. Resultados

27. ufesufes
27
Análise de Precisão
Resultados
Carga
Tensão real
[V]
Tensão
estipulada
[V]
Corrente
real
[A]
Corrente
medidor [A]
Potência
estimada
[W]
Potência
real
[W]
Potência
medida
[W]
# 1
127,4 127
- 43,68 5500 - 5547,36
# 2 7.89 7,95 1000
1005,186 1009,65
# 3 6.80 6,89 900
866,32 875,03
# 4 3,18 3,29 400
405,132 417,83
# 5 2,38 2,46 300
303,212 312,42
#6 1,58 1,69 200
201,292 214,63
#7 0 0,08 0
0 10,16
Leitura Real x Leitura dos Sensores Desenvolvidos
Sistema não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos via
Tecnologia Arduino com Comunicação ZigBee / PHP

28. ufesufes
28
Análise de Precisão
Resultados
Carga
Divergência de Corrente
(medida – real)/real
Divergência de Potência
(medida – real)/real
# 1 0,87% 0,87%
# 2 0,76% 0,44%
# 3 1,32% 1,01%
# 4 3,46% 3,13%
# 5 3,36% 3,04%
# 6 6,96% 6,63%
Discrepância percentual - Leitura Real x Leitura dos Sensores Desenvolvidos
Sistema não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos via
Tecnologia Arduino com Comunicação ZigBee / PHP

29. ufesufes
29
Análise de Viabilidade Econômica
Detalhes do Projeto
Serviço / Produto / Investimento Valor
Custo médio da inspeção convencional de fraude (BT) R$ 45,45
Quantidade atual mensal de inspeções convencionais (2014) 11.368
Índice de sucesso com processo de inspeção atual (BT) 12%
Custo médio da pré-inspeção de fraude (BT) utilizando o sistema de medição
não invasivo (Arduíno)
R$ 9,09
Quantidade de inspeções convencionais por mês (2014) utilizando o sistema de
medição não invasivo (Arduíno)
1516
Percentual de Acerto do Procedimento de Pré-Inspeção 90%
Custo Estimado – Unidade End Device R$ 112,26
Unidades End Device necessárias 15.000
Custo Estimado – Unidade Coordinator R$ 111,93
Unidades Coordinator necessárias 1000
Sistema não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos via
Tecnologia Arduino com Comunicação ZigBee / PHP

30. 12 meses
11.368 inspeções
45,45 reais
X __________________
R$ 6.200.107,20
1516 inspeções
45,45 reais
12 meses
X __________________
R$ 826.826,40
15.000*(112,26)
1000*(111,93)
+ __________________
R$ 1.795.830,00
6.200.107,20
- 1.240.021,44
- 826.826,40
- 1.795.830,00
__________________
R$ 2.337.429,36
Sistema não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos via
Tecnologia Arduino com Comunicação ZigBee / PHP
ufesufes
30
Análise de Viabilidade Econômica
Resultados
Cenário Atual Valor
Quantidade de Inspeções convencionais 11368
Custo anual das inspeções convencionais R$ 6.200.107,20
Cenário com Pré-Inspeção (utilização do sensor não
invasivo Arduíno)
Valor
Quantidade mensal de pré-inspeções 11368
Custo anual das pré-inspeções R$ 1.240.021,44
Quantidade necessária de inspeções convencionais 1516
Custo anual das inspeções convencionais R$ 826.826,40
Investimento – Construção dos protótipos para realizar as pré-
inspeções com sistema de medição não invasivo (Arduíno)
R$ 1.795.830,00
Economia total ao fim do 1º Ano de atuação R$ 2.337.429,36

31. Resultados
Cenário Atual Valor
Quantidade de Inspeções convencionais 11368
Custo anual das inspeções convencionais R$ 6.200.107,20
Cenário com Pré-Inspeção (utilização do sensor não
invasivo Arduíno)
Valor
Quantidade mensal de pré-inspeções 11368
Custo anual das pré-inspeções R$ 1.240.021,44
Quantidade necessária de inspeções convencionais 1516
Custo anual das inspeções convencionais R$ 826.826,40
Investimento – Construção dos protótipos para realizar as pré-
inspeções com sistema de medição não invasivo (Arduíno)
R$ 1.795.830,00
Economia total ao fim do 1º Ano de atuação R$ 2.261.455,30
Resultados
Cenário Atual Valor
Quantidade de Inspeções convencionais 11368
Custo anual das inspeções convencionais R$ 6.200.107,20
Cenário com Pré-Inspeção (utilização do sensor não
invasivo Arduíno)
Valor
Quantidade mensal de pré-inspeções 11368
Custo anual das pré-inspeções R$ 1.240.021,44
Quantidade necessária de inspeções convencionais 1516
Custo anual das inspeções convencionais R$ 826.826,40
Investimento – Construção dos protótipos para realizar as pré-
inspeções com sistema de medição não invasivo (Arduíno)
R$ 1.795.830,00
Economia total ao fim do 1º Ano de atuação R$ 4.133.259,36
ufesufes
6.200.107,20
- 1.240.021,44
- 826.826,40
__________________
R$ 4.133.259,36
31
Análise de Viabilidade Econômica
Sistema não Invasivo para Leitura de Consumo e Detecção de Furtos Energéticos via
Tecnologia Arduino com Comunicação ZigBee / PHP

32. .
OBRIGADO!
thiago.lecchi@edpbr.com.br
Universidade Federal do Espírito Santo - UFES
Centro Tecnológico
Departamento de Engenharia Elétrica - DEL
32
ufesufes