Redes inteligentes: Abrace a sincronização de tempo
Parece que há algo errado com a interoperabilidade do sistema atual. No início, houve muitas apresentações sobre como as operações futuras seriam tranquilas e confiáveis devido à interoperabilidade. Hoje, o ceticismo inicial dos realistas está se concretizando.
Economia em sistemas interoperáveis de redes inteligentes
Embora tenham sido realizadas muitas instalações e implementações, nenhum resultado resumido foi anunciado sobre a quantidade de dados transferidos (vamos supor mais de uma leitura diária), o alcance da comunicação, as taxas de transmissão reais, a latência etc.
Embora nenhuma informação sobre os resultados tenha aparecido, é possível encontrar informações sobre economia em sistemas interoperáveis de smart grid (SG). A grande surpresa é que essas informações não vêm de uma única concessionária, mas foram divulgadas pela Comissão Europeia.
Se as distribuidoras de energia quiserem operar de forma inteligente, não basta ter clientes com medidores equipados com um relé que muda de acordo com a tarifa. Se os clientes não conectarem essa funcionalidade à sua infraestrutura doméstica e não mudarem o comportamento de consumo, os resultados no papel variam de forma dramática em relação à vida real. Os únicos que se beneficiam são os fabricantes de medidores.
Repensando os padrões atuais de estabilidade da rede
Paradoxalmente, as implementações recentes destacaram um fato: os sistemas SG interoperáveis e a forma como são projetados atualmente não são capazes de garantir a estabilidade da rede elétrica e a segurança no fornecimento de energia. Para mudar essa situação, é necessário preencher os componentes do SG com conteúdo razoável. Uma das características mais básicas parece ser a boa sincronização das redes PLC subordinadas para comunicação com os medidores.
Portanto, não se trata de uma discussão sobre a inteligência do dispositivo. A questão importante aqui é que os dispositivos se comportem de forma coordenada dentro da rede inteligente. Eles precisam ter tempo sincronizado para se beneficiar do comportamento previsível da rede inteligente e garantir a cooperação mútua de seus componentes.
A sincronização ajudará nas seguintes áreas:
- Controle de tempo da qualidade das transmissões de pacotes de dados (TDM – multiplexação por divisão de tempo): Quanto menor for a incerteza de tempo, melhor, pois os dispositivos individuais na rede PLC podem transmitir dados com um intervalo de tempo menor sem perturbação mútua, o que leva ao aumento da taxa de transferência da rede.
- Medição exata de tensões e correntes imediatas: Se analisarmos esses valores, poderemos determinar a carga de distribuição real e a alimentação dos transformadores. Além disso, se as leis de circuito de Kirchhoff para correntes de nó e tensão de circuito forem aplicadas, poderemos descobrir com precisão onde está ocorrendo o consumo não autorizado. Levando em conta que as perdas não técnicas chegam a 10-50% na Europa (aumentando no sudeste), essa é uma questão realmente importante.
- Todos os medidores são capazes de medir corrente ou tensão: Os valores medidos de forma síncrona podem ser armazenados em um registro FIFO e, caso o operador precise analisar problemas em uma determinada localidade, os dados armazenados no medidor (incluindo carimbos de data/hora) serão transferidos para ele.
- Os impulsos de sincronização podem ser usados para indicar as fases individuais que alimentam um medidor (veja a Figura 1): Não importa se o fornecimento é monofásico ou polifásico. Assim, podemos detectar a assimetria de corrente que surge em clientes com aparelhos monofásicos.
Cada fase tem sua própria cor. No momento exato em que a tensão passa por zero, o sinal é injetado nessa fase (devido ao acoplamento, ele também é transmitido para outras fases, mas somente uma delas tem um sinal em zero cruzando a tensão da fase apropriada).
Curso de sincronização e características insulares
O sistema de leitura e transmissão de dados de e para os clientes tem uma característica insular com um centro: o fornecimento do transformador de distribuição. Há um dispositivo dentro desse transformador (concentrador de dados) que se comunica por meio de linhas de energia de baixa tensão com os medidores inteligentes dos clientes. Toda a rede de distribuição de energia de baixa tensão é composta por essas ilhas.
A sincronização ocorre em dois níveis. Em primeiro lugar, o concentrador de dados é sincronizado e, posteriormente, a sincronização é transferida para medidores individuais.
Essa solução sugerida tem algumas vantagens:
- O impulso de sincronização é definido com precisão e é transmitido no momento do cruzamento zero de uma determinada tensão em fase, incluindo o registro de data e hora.
- Os padrões para sistemas de fasores sincronizados (aplicados para controle de sistemas de tensão muito alta) aceitam desvios inferiores a 1%. Assim, para a frequência de 50 Hz, é permitida uma incerteza de ± 30 µs, que está dentro da precisão aceita para sistemas de baixa tensão (a sincronização própria para medição de fasores tem uma precisão significativamente maior: ± 1 µs).
Cálculo de atrasos de sincronização
Para calcular o atraso causado pelas características das linhas de energia, assumiremos uma constante k = 0,6 velocidade da luz e o comprimento máximo das linhas de baixa tensão que, devido à garantia de perdas máximas, não excede cerca de 2 km. O tempo do período da rede chega a 0,02 s.
Isso significa que é possível realizar de forma confiável a sincronização de dispositivos fornecidos pela rede de baixa tensão com precisão de ±50 µs para todos os dispositivos. Em comparação, por exemplo, o padrão PRIME sincroniza dispositivos finais subordinados com pacotes de dados transmitidos pelas linhas de energia.
Limitações da precisão do padrão PRIME
Se o pacote passar sem que o sinal se repita (geralmente o número de repetições chega a 4-8 vezes), a precisão chega a ± 0,01 s em condições muito favoráveis. No entanto, há um grande ponto fraco nesse “padrão”: o número acima representa a precisão básica e, devido à repetição do sinal, há uma mudança significativa de tempo em um único metro.
Assim, a precisão usual dos medidores PRIME chega a ±1 segundo. Esse sistema é adequado para comutação de tarifas. No entanto, não é aplicável para controle de rede (veja acima).
Métodos de sincronização de concentradores de dados
Vamos voltar à sincronização do concentrador de dados. Há algumas maneiras de sincronizar os concentradores de dados. Se o concentrador de dados estiver conectado diretamente (via cabo) à Internet, é possível usar os protocolos NTP ou PTP que são usados para sincronização de horário de dispositivos conectados à Internet. Se a conectividade for sem fio (GPRS ou EDGE) por meio de operadoras de celular, não será possível usar esse canal para sincronização devido à latência indefinida.
A outra opção é a sincronização via sinal de GPS (ou similar). A precisão é semelhante ou até melhor que a dos serviços NTP ou PTP. A única desvantagem é que esse sinal não é garantido e seu proprietário pode desligá-lo sem qualquer aviso.
Defendendo a ciência contra o controle burocrático
Cuidado com um sistema que funciona com base em leis físicas se ele for controlado por burocratas. Muitas vezes, eles apresentam decisões que são revisadas apenas por eles mesmos, sem o conhecimento necessário, e esperam ingenuamente que o sistema funcione corretamente por um longo período de tempo.
Felizmente, o setor de energia geralmente se defende contra essas pressões. O fato, porém, é que isso é apenas uma questão de tempo até que ele seja derrotado. Se isso acontecer, é necessário estar pronto com soluções técnicas baseadas nas leis da ciência, e não em imagens e apresentações bonitas que não podem ser usadas na prática.