Sistema de monotorização wi-fi orientado a uma unidade de produção de energia eólica

Faculdade de Engenha ia da Uni e sidade do Po o Sis ema de Moni o ização Wi-Fi O ien ado a Uma Unidade de P odução Eólica F ancisco dos Reis de Melo B anquinho VERSÃO DEFINITIVA Disse ação ealizada no âmbi o do Mes ado In eg ado em Engenha ia Elec o écnica e de Compu ado es Majo Au omação O ien ado : P o . D . João Ca los Ramos Junho de 2014 © F ancisco dos Reis de Melo B anquinho, 2014 Resumo Hoje em dia, a necessidade u gen e de in es i em ene gias eno á eis não ep esen a po ce o, uma no idade pa a ninguém. A sua u ilização, cada ez mais c escen e, é ans e sal à maio ia dos países desen ol idos, e Po ugal não oge a essa endência. De aco do com dados do INEGI e APREN, que epo am a dezemb o de 2012, o nosso país possui a ualmen e ce ca 4,5 GW de capacidade ge ado a de base eólica, dis ibuída po mais de 2500 ae oge ado es em odo o e i ó io con inen al. Impõe-se pois, e i a des a on e de ene gia limpa o melho p o ei o, in es indo em in aes u u as e se iços que minimizem as pe das (económicas) e maximizem os luc os das en idades en ol idas. P opo cional ao c escen e uso des e ipo de p odução, su gem na u almen e, exigências cada ez maio es. Como consequência disso, o na-se impe a i o con ola e moni o iza com odo o igo possí el o p ocesso p odu i o, isando assim ob e a melho qualidade da ene gia ge ada, a melho e iciência, e o meno enca go pa a a en idade p odu o a. Pa a es a úl ima conc e amen e, os sis emas de moni o ização sem ios p es am hoje em dia um eno me apoio, pe mi indo a lei u a emo a de odos os dados de um ae oge ado sem necessidade de ligação ísica à máquina. Des a o ma, p opo ciona-se aos ope ado es a libe dade de uma lei u a em qualque disposi i o mó el (PC, able ou elemó el), bem como uma espos a ágil e céle e no e eno, an o em cená ios de p odução egula es, como em si uações de alha, anomalia, a a ia, e c. O p opósi o undamen al des a disse ação ai de encon o, p ecisamen e, à necessidade de desen ol e um sis ema de moni o ização sem ios o ien ado a uma unidade de p odução eólica, ins alada no opo da biblio eca da FEUP. P e ende-se que es e sis ema seja capaz de equisi a ao ae oge ado odos os seus sinais elé icos (4 co en es e 3 ensões), que os en ie ia sem ios pa a um PC nas p oximidades da biblio eca, e po im, que nes e úl imo sejam isualizados odos os sinais, jun amen e com alguns pa âme os de QEE in oduzida na ede. A azão úl ima des e documen o, é, nesse sen ido, de alha odo o desen ol imen o do sis ema de moni o ização desc i o e undamen a os passos dados na busca dos obje i os açados. Abs ac Nowadays, he u gen need o in es in enewable ene gy is ce ainly no g ea new o anyone. Inc easingly g owing among all de eloped con ies, included Po ugal, acco ding o ecen s udies om INEGI and APREN - which ela e o Decembe 2012 - ou coun y cu en ly has almos 4.5 GW o wind gene a ing capaci y, sp ead o e mo e han 2,500 wind u bines ac oss he mainland. The e o e, we mus d aw his clean ene gy sou ce he bes ad an age by in es ing in in as uc u e and se ices ha minimize losses (economic) and maximize he p o i s o he en i ies in ol ed. Commensu a e wi h his end, an inc eased use o his ype o p oduc ion, inc easing demands na u ally a ises. As a esul , i becomes impe a i e o con ol and moni o he ull igo possible he p oduc ion p ocess, hus aiming o ge he bes quali y o gene a ed powe , be e e iciency, and he lowes cos o he p oducing agency. Fo he la e speci ically, wi eless moni o ing sys ems nowadays p o ide emendous suppo , enabling emo e eading o all da a om a wind u bine wi hou he need o physical connec ion o he machine. Thus, he e is p o ided ope a o s he eedom o a ead on any mobile de ice (PC, able o mobile phone), as well as a lexible and apid esponse on he g ound, bo h in egula p oduc ion scena ios, such as in si ua ions o ailu e, mal unc ion, b eakdowns. The undamen al pu pose o his disse a ion mee s p ecisely he need o de elop a moni o ing sys em wi eless walked o a wind gene a ion uni , ins alled a he op o he FEUP lib a y. I is in ended ha his sys em be able o eques he u bine all hei elec ical signals (4 cu en s and ol ages 3), which send hem wi elessly o a PC nea he lib a y, and inally, ha he la e a e iewed all signs, along wi h some o PQ pa ame e s ed in o he g id. The las eason his documen is, in his sense, de ailing he whole de elopmen o he moni o ing sys em desc ibed and explains he s eps aken in pu sui o s a ed objec i es. Ag adecimen os Ao meu pai, a quem de o pa e do meu aje o académico. Ao meu o ien ado , P o . D . Ca los João Ramos, po odo o apoio e aconselhamen o com que me guiou a é ago a, pela disponibilidade o al que me ese ou du an e os úl imos meses e pela lexibilidade e ole ância que e e pa a comigo nos momen os delicados do p oje o. Aos meus colegas mais p óximos nes a de adei a ase do cu so - labo a ó io I002 – que me de am a mão nos momen os de maio ape o e me ajuda am a domina um sem núme o de ma é ias. À minha namo ada, a minha con iden e de semp e, o meu diá io de bo do du an e odo o p oje o, que semp e me mo i ou e p ocu ou ajuda em odos os sen idos. Nos melho es e nos pio es momen os, o denominado comum os e semp e u. Ob igado Inês. À Engenha ia Radio, com quem colabo o desde 2009, e cujo es údio se iu di e sas ezes como “pano de undo” pa a as minhas mad ugadas de abalho. Mui o g a o a odos aqueles com quem me c uzei nessa casa e com quem pa ilhei a paixão de aze adio. Ao meu cí culo de amigos, com quem c esci e me iz uma pessoa melho , e que semp e me p esen eou com os melho es momen os. Fo am eles o ele ão de alência ao qual liguei o meu du an e oda es a odisseia, e com quem pa ilhei um núme o incon á el de expe iências, indispensá eis à minha o mação académica, e não só. A odos eles, que igu am no p e ácio des e documen o, mas p incipalmen e ao meu amigo Gus a o, um glo ioso ob igado! Ao pessoal docen e e não docen e da Faculdade de Engenha ia da Uni e sidade do Po o, com quem i e o p aze de p i a e de me ins ui . Se hoje es ou p es es a g adua -me como engenhei o, ambém oi à cus a deles. Bem-haja. Ab e ia u as e Símbolos AC A e na ing Cu en ADC Analog- o-Digi al Con e e API Applica ion P og amming In e ace APREN Associação das Ene gias Reno á eis ASCII Ame ican S anda d Code o In o ma ion In e change CRC Cyclic edundancy check DC Di ec Cu en DEEC Depa amen o de Engenha ia Ele o écnica e de Compu ado es DFT Disc e Fou ie T ans o m DSSS Di ec -sequence Sp ead Spec um INEGI Ins i u o de Engenha ia Mecânica e Ges ão Indus ial IEC In e na ional Ele o echnical Commission FEUP Faculdade de Engenha ia da Uni e sidade do Po o FFD Full Func ion De ice FFT Fas Fou ie T ans o m GUI G aphic Use In e ace HTML Hype -Tex Ma kUp Language IEEE Ins i u e o Elec ical and Ele onics Enginee s OSI Open Sys ems In e connec ion QEE Qualidade de Ene gia Elé ica RDF Reduce Funcion De ice SMEE Sis ema de Moni o ização de Ene gia Elé ica SPI Se ial Pe iphe al In e ace THD To al ha monic dis o ion UART Uni e sal Asynch onous Recei e /T ansmi e UML Uni ied Modeling Language USB Uni e sal Sys em Bus VB Visual Basic Wi-Fi Wi eless Fideli y Capí ulo 1 In odução A ameaça p oeminen e do aquecimen o global podia mui o bem se o ó ulo do século XXI. Todos os anos são di ulgados no os es udos que e elam as suas consequências ne as as, denunciando a sua o igem e os p incipais au o es das ag essões ao meio ambien e. Uma das o igens iden i icada há mais empo, e cujo deba e já se a as a há décadas (ainda an es do p o ocolo de Quio o 1 ) é o uso dos combus í eis ósseis. Al amen e poluen es, com implicações di e as no meio ambien e e na saúde pública das populações, o uso massi o dos combus í eis ósseis o nou-se assim uma p eocupação p emen e e uni e sal. Isso conduziu à p ocu a de al e na i as mais sus en á eis e ecológicas, pa a colma a a dependência ene gé ica mundial desse ipo de on e poluido a, donde eme giu uma solução (não in ei amen e no a, mas) cujo ap o ei amen o no e eno podia se melho ado: as ene gias de on e eno á el. Es a solução mos ou-se a mais a a i a sob odos os pon os de is a, endo desencadeado uma aplicação c escen e e global. Po ugal, em pa icula , não icou imune a es a endência, endo po isso e o çado, desde inais da década de 90, o ap o ei amen o dos seus ecu sos eno á eis, com pa icula des aque pa a o se o híd ico e eólico. Se o es dos quais, con ém e e i , depende a ualmen e ce ca de 50% da p odução ene gé ica nacional – como e ela a igu a abaixo: Figu a 1.1 – P odução da ele icidade po on e em Po ugal Con inen al em 2013 [1] 1 P o ocolo de Quio o – p o ocolo in e nacional que impôs a edução de emissões ag esso as. 2 In odução 1.1. Enquad amen o ge al Como se e e iu no úl imo pa ág a o, as ene gias eno á eis desempenham, a ualmen e, um papel p eponde an e na p odução ene gé ica do nosso país. No que conce ne à p odução eólica, es a a inge ce ca de 23% do o al, endo subido exponencialmen e desde do inal do século XX, mo i o pelo qual o aliza hoje, um alo de 4,5 GW de capacidade ge ado a – al como e idencia a igu a abaixo: Em aje ó ia pa alela com es a ealidade, igu am os sis emas de supe isão e con olo, cuja necessidade e equisi os êm aumen ado na mesma p opo ção. Pa a al, em con ibuído uma al e ação no concei o de explo ação das edes de ene gia, po o ça do apa ecimen o de di e sas en idades p odu o as p i adas, que se ac escen a am à ede ao longo dos anos. Na e dade, o c escen e apa ecimen o des es no os p odu o es na ede de dis ibuição, impôs como necessá ia uma igilância e con olo mais ape ados, po o ma a sal agua da a qualidade do se iço aos consumido es e e i a p oblemas de conges ionamen o nas edes. A mudança de pa adigma oi e dadei amen e p o unda, ob igando a uma e isão do concei o inicialmen e implemen ado, build and connec , endo es e sido suplan ado pelo connec and manage. Em i ude des a al e ação, que p omo eu o apa ecimen o das sma g ids, e de ido ao aumen o de olume da p odução dispe sa, impôs-se po an o uma ges ão mais igo osa e cuidada do ânsi o de po ência nas edes de dis ibuição. Pa a al, con ibuí am os sis emas de moni o ização de ene gia, pe mi indo uma lei u a em empo eal dos dados, an o ao ní el do p ocesso p odu i o, como em á ios pon os da ede elé ica, o necendo assim dados de in e esse pa a ma é ias de decisão, con olo, a mazenamen o, análise, e c. O apa ecimen o des e ipo de sis emas p opo cionou uma obse ação mais po meno izada e a en a po pa e das en idades p odu o as e egulado as, e, em úl ima análise, uma maio sensibilidade pa a a e i a qualidade da ene gia na ede. Com e lexo di e o no se iço p es ado na saúde da ede, uso des es sis emas pe mi iu ainda às en idades p odu o as uma ges ão cada ez mais e icien e dos seus ecu sos, minimizando os cus os en ol idos, e melho ando a sua e iciência. Figu a 1.2 - Capacidade ge ado a acumulada po ano [1] Obje i os e equisi os do sis ema 3 1.2. Obje i os e equisi os do sis ema A p oli e ação da ele ónica de po ência in oduziu melho ias subs anciais no capí ulo do p ocessamen o de ene gia, o nando-o mais e icien e, en á el e económico. Toda ia, o ac o da maio ia dos disposi i os semicondu o es usados se não linea es, conduziu à in odução de pe u bações mui o signi ica i as na ene gia ge ada, deg adando assim a sua qualidade. Uma das p incipais causas pa a esse deg adamen o de qualidade, elaciona-se com a in odução de co en es não sinusoides na ede, que po sua ez o iginam a o mação de ha mónicos. Es as pe u bações, podem se a ais an o pa a os p óp ios disposi i os que as in oduzem (pois es es são, eg a ge al, mui o sensí eis às a iações), como pa a o consumo de ene gia, que de e semp e se ido em con a. No âmbi o des a ques ão, os sis emas de moni o ização an e io men e e e idos dão uma espos a ca egó ica, pe mi indo não só a lei u a e egis o dos dados equisi ados, bem como a análise de á ios pa âme os de qualidade, ele an es pa a os consumido es e pa a a ede. Is o pe mi e às en idades p odu o as e i ica se a p odução es á den o dos con o mes e agi com is a à ges ão de ecu sos mais an ajosa. 1.2.1. Obje i os ge ais P e ende-se com a p esen e disse ação, concebe um sis ema de moni o ização sem ios, o ien ado a um pequeno sis ema de p odução eólico ins alado no opo da biblio eca da FEUP. Pa a al, de e se possí el equisi a a es e, median e a “senso ização” adequada, os sinais:  3 co en es AC:  2 ensões AC: VRS e VST  1 co en e DC: IDC  1 ensão DC: VDC; Es es sinais, de em depois se en iados po um módulo de comunicação sem ios pa a um qualque PC, sendo nes e úl imo ep esen ados (com a maio la ência possí el) a a és de uma aplicação concebida pa a o e ei o. Es a, de e inclui uma análise em equência de cada sinal, o cálculo do THD, uma análise aso ial dos sinais AC, bem como disponibiliza os alo es médios, e icazes, máximos e mínimos de odas as g andezas elé icas ine en es. Além disso, de e ainda se capaz de a mazena odos os dados ecebidos e possibili a a sua consul a em di e en es pe iódicos empo ais. 1.2.2. Requisi os do sis ema Em linha com os p incipais obje i os açados acima, podem-se de ini logo à pa ida ês e o es de desen ol imen o no âmbi o des e abalho: módulo de comunicação wi eless e seu p o ocolo, a pla a o ma de ha dwa e esponsá el pela aquisição de dados, e uma pla a o ma so wa e a execu a no PC. Pa a cada delas, ez-se o le an amen o dos equisi os uncionais p ocu ando i de encon o às necessidades eais do ope ado . Nesse sen ido, começamos po classi ica as ês á eas ge ais de uncionamen o do sis ema da seguin e o ma:  Módulo de comunicação wi eless e p o ocolo: esponsá el po ansmi i os dados en e a u bina eólica e o PC (ou ou o disposi i o capaz de supo a a pla a o ma so wa e), de aco do com o p o ocolo que melho si a os in e esses de lei u a;  Pla a o ma ha dwa e (bloco de aquisição ou nó-senso ): enca egue de senso iza os sinais a a és de uma ca a de aquisição de dados e de con e e -los a a és de 4 In odução ADCs; esponsá el po eencaminha os dados pa a o módulo de comunicação sem ios em condições des es se em ansmi idos sequencialmen e;  Pla a o ma so wa e (aplicação g á ica): esponsá el po ecebe e p ocessa os dados do módulo de comunicação sem ios, com base nos quais de e mos a os alo es, g á icos e diag amas num o ma o in ui i o, con emplando odas as unções enume adas no pon o an e io ; Tendo is o em conside ação, de e mina am-se os equisi os uncionais e não uncionais do sis ema de moni o ização. No que diz espei o aos equisi os uncionais, o am omados em conside ação os obje i os desc i os no pon o an e io (1.2.1), e algumas ques ões o mais de aspe o, essenciais a uma melho cap u a da in o mação po pa e do u ilizado . Tabela 1.1 — Requisi os uncionais Requisi os uncionais Jus i icação E e ua a lei u a de odos os sinais AC e DC da u bina eólica: IR, IS IT VRS VST IDC e VDC a pa i dos con e so es analógico-digi ais do bloco de aquisição de dados Ap esen a a o ma de onda de um, ou de á ios sinais ecebidos em simul âneo, no Time Domínain da aplicação Pe mi i a isualização dos sinais em eal ime Inclui a unção de zoom no painel Time Domain, an o na dimensão empo al como nas g andezas elé icas Consul a com maio de alhe os sinais lidos Ap esen a os alo es médios, e icazes, máximos e mínimos no painel Values da aplicação Con e i os alo es ecebidos E e ua cálculo da equência, po ência a i a, ea i a e a o de po ência, bem como espe i os mínimos, máximos e médios, e ap esen a no painel Values Ve i ica os alo es ge ais de p odução e sua alidade E e ua o cálculo dos aso es IR, IS IT VRS VST, des asamen o po ase, e sua ep esen ação no painel Phaso Diag am Ve i ica o equilíb io das ases e seu des io Ap esen a a disc e ização dos sinais e calcula a axa de dis o ção ha mónica o al no painel F equency Domain A e i a qualidade das ondas e os ha mónicos A mazena odos os alo es ecebidos na aplicação, em disco local, de o ma pe manen e Pe mi i a consul a dos dados a mazenados em his ó ico (a é 1 ano), ap esen ando-os na janela His o y Window Ve i ica a p odução em pe íodos c í icos; Pe mi i a expo ação de imagens dos di e en es painéis (Time Domain, F equency Domain, Phaso Diag am) Facili a a g a ação e en io a ou os Pe mi i a eceção e consul a de odas os dados e e idos, emo amen e, a é uma dis ância máxima de 200 me os A qui e u a ge al do sis ema 5 Já no domínio dos equisi os não uncionais, es es o am de inidos com base em unções que o p óp io sis ema de ia assegu a e sem as quais odo o p ocesso de moni o ização ica ia comp ome ido: qualidade de ligação, es abilidade, obus ez, pe o mance, e c. Tabela 1.2 – Requisi os não uncionais Requisi os não uncionais Jus i icação Ap esen a uma conexão es á el com bloco de aquisição de dados e exibi o seu es ado a ual no Con ol Panel Man e o ope ado ligado e in o mado E e ua o a mazenamen o de dados em o ma o biná io Poupa espaço no disco e compac a lei u as Man e o empo de espos a da aplicação, en e a ualizações sucessi as, meno que 10 s Não pe mi i consul a de dados pa a pe íodos empo ais supe io es a 48 ho as E i a p ocessos mui o demo ados E e ua o cálculo de odos os alo es médios, e icazes, máximos e mínimos ainda no bloco de aquisição de dados (ou seja, an es do en io pa a a aplicação) O imiza o empo de p ocessamen o na aplicação e aquisição Inclui em odas as comunicações en e bloco de aquisição e a aplicação um mé odo de e i icação de e os: checksum Inspeciona o conjun o de dados ecebidos e e i a lei u as e adas Mos a a o ça do sinal ecebido do bloco de aquisição de dados no Con ol Panel E i a o a as amen o excessi o do PC e a up u a da ligação Con igu a a comunicação en e o bloco de aquisição e aplicação como mes e-esc a o Usa ADCs com um mínimo de 12 bi s de esolução Pe mi i lei u as com maio p ecisão E e ua uma análise disc e a dos sinais ecebidos, no mínimo, a é ao 24º ha mónico Impos o pelos pad ões de qualidade da EDP Pe mi i a p ede inição do empo de uncionamen o do sis ema – en e 1 ho a e 15 dias De ini um limi e empo al pa a ope a sem consul a C ia condições de ex ensibilidade do sis ema a um ou mais DTEs, a a és de uma ede de comunicações local 1.3. A qui e u a ge al do sis ema Uma ez de inidos os equisi os do sis ema uncionais e não uncionais, esboçou-se en ão a a qui e u a ge al do sis ema, com base em udo o que oi e e ido no pon o 1.2. Na igu a seguin e ap esen a-se, mui o simpli icadamen e, a a qui e u a do sis ema de moni o ização a implemen a – mui o embo a os á ios elemen os não cons em à de ida escala: 6 In odução Figu a 1.3 - A qui e u a simpli icada do sis ema de moni o ização sem ios Como se e e iu a ás, o sis ema de moni o ização sem ios de e á inclui uma pla a o ma ha dwa e, compos a po um mic ocon olado e di e en es senso es ( ansdu o es de co en e e ensão), conec ados a jusan e à u bina eólica, e a mon an e ao módulo de comunicações sem ios. Po sua ez, o e minal opos o do módulo de comunicações sem ios de e se ligado a um PC onde a pla a o ma so wa e se desen ol a, de modo a isualiza os sinais eque idos. Impo a oda ia e e i que, no âmbi o des a disse ação, não se i á ope a di e amen e com a u bina eólica, sendo a moni o ização e odo o sis ema es ado na p á ica com alo es da ede elé ica. Po ou o lado, a aplicação da ede de comunicação Wi-Fi es endeu-se ao módulo Xbee, que, e emos mais adian e, se adap a melho aos equisi os em causa. 1.4. Es u u a do documen o O p opósi o cen al da elabo ação des e documen o é undamen a odos os passos dados na execução do p oje o e com isso p o a a alidade das decisões omadas. Nesse sen ido, o p esen e encon a-se o ganizado em seis capí ulos e qua o anexos. 1.4.1. Capí ulos O capí ulo 1, que inda com o pon o p esen e, é in ei amen e dedicado à in odução; nele p e ende-se enquad a o assun o no con ex o a ual da sociedade, de ini os obje i os que se isam a ingi com o p oje o, e de ini a es u u a ge al do sis ema a desen ol e no mesmo. O capí ulo 2, po seu lado, ap esen a o pon o de si uação do es ado da a e, dissecando com p o undidade os sis emas de moni o ização de ene gia, os módulos de comunicação sem ios e seus p incipais p o ocolos, as e amen as/ambien es de desen ol imen o ulga men e usada pa a as aplicações de moni o ização, e os pa âme os de qualidade de ene gia elé ica uni e salmen e acei es, em pa icula , no con ex o da ene gia eólica No capí ulo 3 é explo ado o p imei o dos ês p incipais e o es de desen ol imen o des a disse ação: a pla a o ma ha dwa e. Em p imei o luga , é escolhido o mic ocon olado /ADCs a usa pa a a aquisição dos sinais, abo dada a sua implemen ação, dimensionada a ca a de aquisição de dados a se i de in e ace en e a u bina eólica (ou ede) e o mic ocon olado e, po im, escolhido o módulo comunicação sem ios que melho se enquad a na aplicação desen ol ida. Es u u a do documen o 7 Mais adian e, o capí ulo 4, dedica-se à componen e nuclea de odo o p oje o, ou seja, à pla a o ma so wa e e o ambien e de desen ol imen o onde se p og ama/implemen a oda a aplicação g á ica. Nes e capí ulo ap esen am-se alguns dos diag amas UML onde se sus en ou a implemen ação, explicado em de alhe o mé odo de p ocessamen o e calculo ado ado, bem como exibidas as á ias á eas de in e esse da in e ace g á ica da aplicação. O capí ulo 5, dedica-se po in ei o à componen e expe imen al do p oje o, na qual são desc i os os p ocedimen os labo a o iais que conduzi am aos esul ados ap esen ados. Es e é um capí ulo ipa ido em: es e com a ca a de aquisição, es e da aplicação, es e de odo o sis ema em conjun o, sendo que em odos eles são compa ados os esul ados espe ados com os e e i amen e ob idos (p incipalmen e no es e conjun o). Po im, o capí ulo 6, se e pa a ag ega odas as conclusões e i adas de cada um dos capí ulos an e io es, c i ica os esul ados ob idos, a e i a sua consis ência e alidade ace aos esul ados eais, bem como assinala alguns pe calços e i icados no deco e do p oje o. Po ou o lado, es e capí ulo se e igualmen e pa a aça os p incipais e o es de melho ia do p oje o no u u o, equaciona no as unções que es e possa i a in eg a , ou no as á eas de in e esse em que es e possa se ú il. 1.4.2. Anexos A o ganização dos di e en es anexos segue basicamen e a mesma es u u a que o es o do documen o, sendo di ididos em qua o subcapí ulos. Nes a secção do documen o ap esen am- se algumas in o mações complemen a es, necessá ias à comp eensão plena do que é expos o nos es an es capí ulos, ou, po ou o lado, olhas de ca a e ís icas que sus en am as opções omadas du an e o mesmo. Capí ulo 2 Es ado da a e Tal como oi explo ado no capí ulo an e io , o a ual cená io ene gé ico mundial susci a g andes p eocupações, an o ao ní el económico, como ambien al. Ao longo dos empos, is o em al e ado o modo como enca amos a u ilização dos ecu sos ene gé icos, sensibilizando as populações e emp esas pa a uma ges ão mais e icien e, e ques ionando a sociedade pa a as soluções possí eis no âmbi o des e p oblema. Em i ude des a si uação, e com o obje i o de con ola o ní el de emissões ag esso as pa a o ambien e (e eduzi a dependência global dos combus í eis osseis) oi p omo ido no Japão a dezemb o de 1997 o p o ocolo de Quio o. Es e p o ocolo impôs uma edução dos gases esponsá eis pelo e ei o de es u a, pa a alo es 5% abaixo dos egis ados em 1990, e exigiu o aco do conjun o de 55 países – azão úl ima, pela qual en ou em igo apenas em meados de 2005, após mui a discó dia e polémica. Da adesão ao p o ocolo de Quio o1, esul a am eduções bas an e signi ica i as ao ní el do consumo de ene gia p imá ia, bem como sólidos in es imen os no se o das ene gias eno á eis, dado que se a am de on es ecologicamen e bené icas e sem emissões [2]. Is o desencadeou o p og essi o e c escen e apa ecimen o de no as unidades de p odução dispe sa, sendo em Po ugal mais no ó io no se o híd ico e eólico. A in eg ação da p odução dispe sa nas edes elé ica, o nou-se assim cada ez mais um enómeno gene alizado, su gindo como medida de edução das emissões de CO2 a a és do aumen o da p odução de base eno á el. Es e ipo de p odução ep esen a o desa io mais impo an e que se coloca ao sis ema elé ico, pois, e e i amen e, a ge ação dispe sa é a única manei a de explo a on es de ene gia eno á eis pa a p odução de ene gia elé ica [3]. À semelhança de qualque ou o se o p odu i o, um dos p ocessos c í icos pa a assegu a uma boa ges ão de ecu sos e e i a p ejudiciais pe das, é a moni o ização. O caso do sec o ene gé ico não é exceção, e no seu con ex o, os sis emas de moni o ização desempenham um papel absolu amen e nuclea , uma ez que pe mi em egis a odos os dados de p odução em empo eal e deles e i a ilações quan o à qualidade da ene gia ge ada. O egis o e con olo dessa qualidade é, na e dade, uma das inalidades cen ais dos sis emas de moni o ização, p ocu ando assim pô cob o ao c escen e deg adamen o da ene gia p oduzida, em i ude do c escen e da p odução dispe sa e do aumen o de disposi i os sensí eis na ede. Impo a po isso pe cebe , no âmbi o do se o ene gé ico de p odução, quais as soluções ado adas pa a os SMEE, e em pa icula , aquelas que se o ien am aos sis emas p odu o es de base eólica. Qualidade de ene gia elé ica (QEE) 15 A sua o igem es á elacionada com de ei os na ede de anspo e e dis ibuição, ligação de g andes ca gas e a anque de mo o es de g ande po ência. As suas consequências podem se o dispa o de disjun o es e de elés ele omecânicos, pe da de endimen o nas máquinas o a i as, pa agem de sis emas de con olo indus ial baseados em mic op ocessado , en e ou as. Os pa âme os de qualidade calculados no âmbi o des as a iações de ensão cons am das no mas IEC 61400-21 (com ide h ough aul ) e IEC 61000-3-7, que o necem a exp essão pa a a a iações de ensão, e os alo es limi e pa a ampli udes de a iação de ensão [11]: ( ) ( ) Onde ku(Ψk) é o a o de a iação da ensão calculado pa a um ângulo de ede Ψk. Con ém ainda e e i , po úl imo, que sob condições acas de en o, uma u bina eólica pode ainda pa a e ecomeça di e sas ezes, cená io no qual o licke esul an e das á ias ca as de ensão pode se calculada po : √( ) N.B.: es e índice é conside ado de longa du ação (l , long e m) pois se e i ica com mais pe sis ência e maio equência em longos pe íodos empo ais. C. Dis o ção ha mónica A dis o ção ha mónica consis e na de o mação da onda sinusoide ca a e ís ica da co en e al e nada, po o ça das equências múl iplas da undamen al (em Po ugal – 50 Hz) que são inje adas – al como mos a a igu a 2.6: Es a dis o ção pode se p o ocada po ca gas capaci i as ou indu i as p esen es na ede (ba e ias de condensado es, ans o mado es, mo o es) ou po disposi i os cuja espos a não linea no empo (semicondu o es) con ibua pa a a in odução de co en es não sinusoides no sis ema elé ico. Como esul ado, c ia-se um ânsi o de po ência adicional que pode le a ao aquecimen o das ca gas indu i as, ans o mado es, ba e ias de condensado es e neu os. Nesse sen ido, e a endendo às consequências imp e isí eis de p opagação dos ha mónicos nas edes, exige-se uma limi ação des as pe u bações. De aco do com a no ma IEC 61800-3, os limi es pa a a emissão de ha mónicas, an o em ensão como em co en e, são os que se ap esen am nas abelas abaixo: Figu a 2.6 – Exemplo de uma sinusoide de o mada com ha mónicos [9] 16 Es ado da a e Tabela 2.1 – Limi es pa a ha mónicos em co en e Isc/IL <20A 20<50A 50<100A 100<1000A >1000A <11 4.0 7.0 10.0 12.0 15.0 11<h<17 2.0 3.5 4.5 5.5 7.0 17<h<23 1.5 2.5 4.0 5.0 6.0 23<h<35 0.6 1.0 1.5 2.0 2.5 35>h 0.3 0.5 0.7 1.0 1.4 THD 5.0 8.0 12.0 15.0 20.0 Onde Isc ep esen a a co en e de cu o-ci cui o e IL a co en e (po ase) da componen e undamen al da equência e h a o dem ha mónica. Tabela 2.2 - Limi es pa a ha mónicos em ensão O dem ha mónica Vn<1kV 1kV <Vn<13,8kV 13,8kV <Vn<69kV 69kV <Vn<230kV Ímpa es não múl iplas de 3 5 7.5 6.0 4.5 2.5 7 6.5 5.0 4.0 2.0 11 4.5 3.5 3.0 1.5 13 4.0 3.0 2.5 1.5 17 2.5 2.0 1.5 1.0 19 2.0 1.5 1.5 1.0 23 2.0 1.5 1.5 1.0 25 2.0 1.5 1.5 1.0 >25 1.5 1.0 1.0 0.5 Ímpa es mul iplas de 3 3 6.5 5.0 4.0 2.0 9 2.0 1.5 1.5 1.0 15 1.0 0.5 0.5 0.5 21 1.0 0.5 0.5 0.5 >21 1.0 0.5 0.5 0.5 Pa es 2 2.5 2.0 1.5 1.0 4 1.5 1.0 1.0 0.5 6 1.0 0.5 0.5 0.5 8 1.0 0.5 0.5 0.5 10 1.0 0.5 0.5 0.5 12 1.0 0.5 0.5 0.5 >12 1.0 0.5 0.5 0.5 THD 5 % 2,5% (<161kV) 1,5% (>161kV) Pa a o cálculo do THD a exp essão que ulga men e se aplica pa a co en e e ensão é: √∑ √( ) √∑ √( ) Com h o índice ha mónico do sinal, no malmen e limi ado a 50, Ie e Ve co en e e ensão e icaz, I1 e V1 co en e e ensão do p imei o ha mónico. Redes de comunicações wi eless 17 2.3 Redes de comunicações wi eless 2.3.1. In odução As edes wi eless locais começa am a di ulga -se no inal da década de 90 e, desde cedo, se aplica am aos mais a iados planos: indus iais, domés icos, e c. Como a p óp ia adução assim o indica - sem io – o desen ol imen o des a ecnologia p ocu ou se uma al e na i a às edes con encionais, usu uindo de uma mais ácil implemen ação e o necendo as mesmas uncionalidades que as edes po cabo. Dependendo da aplicação a que é subme ida uma ede sem ios, es a pode ealiza a comunicação en e os seus equipamen os a a és de di e en es ipos de ansmissão de sinais: adio equência, mic o-onda, lase e in a e melho, e c. 2.3.2. Enquad amen o no ema Como se deu con a na ase in odu ó ia do es ado da a e, a p odução dispe sa é hoje um dos desa ios a que emos de esponde ace à necessidade igen e de in es i nas ene gias de base eno á el. No âmbi o da sua u ilização, os sis emas de moni o ização e elam-se como um e dadei o aliado de peso, não só pela lei u a de odos os pa âme os de p odução que disponibiliza ao ope ado , de o ma in ui i a e cómoda, mas po o ça ambém das sma g ids – e e idas mais a ás - onde equen emen e se inse e. Po ém, pa a p odução dispe sa, a moni o ização habi ualmen e implemen ada oge um pouco ao con encional (onde a camada de ligação de dados é ísica) de ido ao ac o de se a a em mui as ezes de locais emo os, onde es a ligação ep esen a gas os mui o a ul ados de ins alação e manu enção. Como al, nes es casos é ulga men e implemen ada uma ede de comunicações wi eless, assegu ando a oca de dados en e o nó senso – no caso do SMEE a desen ol e , uma u bina eólica - e o e minal de lei u a, ixo ou mó el, onde a aplicação g á ica se desen ol e. 2.3.3. Classi icação das edes wi eless As ecomendações do IEEE 3 , nomeadamen e as que dizem espei o à sé ie 802, se em de modelo pa a a implemen ação de p o ocolos em edes sem ios. Segundo os pad ões de inidos pela o ganização cien í ica, as edes sem ios subdi idem-se em qua o g upos dis in os [13]:  WPAN (Wi eless Pe sonal A ea Ne wo k) – em que se enquad am as edes sem ios de pequeno / médio alcance (con o me o local de implemen ação), o ien adas ao uso de disposi i os po á eis e mó eis, ais como: PCs, PDAs, elemó eis, e c.  WLAN (Wi eless Local A ea Ne wo k) – onde se conside am as ecnologias sem ios des inadas à in e ligação de edes locais com médio alcançe, complemen ando as edes adicionais po cabo, uncionando como ex ensão ou al e na i a;  WMAN (Wi eless Me opoli an A ea Ne wo k) – onde cons am as ecnologias usadas pelos ope ado es de elecomunicações, com alcance ap oximado de 6 a 10km;  WWAN (Wi eless Wide A ea Ne wo k) – g upo que ab ange ecnologias o ien adas a edes de longa dis ância, usadas em edes de in e ligação pa a os se iços de oz e alguns se iços de dados. 3 IEEE (Ins i u e o Elec ical and Ele onics Enginee s) o ganização p o issional sem ins luc a i os dedicada à pesquisa e p omoção de conhecimen o na á ea da ele o écnia 18 Es ado da a e A esmagado a maio ia das implemen ações de edes de comunicação sem ios que ope am hoje em dia, es ão a e as aos g upos WLANs, WMANs e WWANs, sendo odas elas o ien adas a u ilizado es inais, pequenas e g andes emp esas, onde o obje i o ulc al é a ans e ência de g andes olumes de dados e oz em al as elocidades. Em con as e, as edes sem ios PAN, des inadas exclusi amen e ao con olo de disposi i os como elés, en ilação, aquecimen o, ge ado es e mo o es são ainda pouco comuns. De igual o ma, mesmo ao ní el domés ico, são poucas as edes sem io u ilizadas no con olo de pequenos ele odomés icos, b inquedos e na aquisição de dados de senso es, como empe a u a, luminosidade, humidade, p essão, e c. No seio das edes WPAN exis en es, a mais ecen e e p omisso a é a que usa o p o ocolo ZigBee 4 IEEE 802.15.4 (que e emos no pon o seguin e), sob e o qual ecai, con ém e e i , um eno me in e esse no âmbi o des a disse ação. 2.3.4. P o ocolos de comunicação No âmbi o des a no ma, IEEE 802, di e sos pad ões pa a edes sem io são classi icados de aco do com a dis ância máxima de ansmissão, a axa de dados, en e ou os a o es. Es es pad ões são na e dade, ami icações da no ma IEEE 802, es ando di e amen e associados aos di e en es g upos do pon o an e io . Na abela ap esen ada acima, apenas cons am os p o ocolos 802.15 e 802.11, aplicados às edes WPAN e WLAN, espe i amen e. A análise e e uada incidiu apenas sob e es as, uma ez 3 ZigBee – P o ocolo de comunicação (analogia en e o modo de uncionamen o da ede em malha e o modo como as abelhas) Figu a 2.7 - P o ocolos de comunicações sem ios Tabela 2.3 - Classi icação de p o ocolos de comunicação wi eless [14] Redes de comunicações wi eless 19 que no con ex o des a disse ação não se p opo ciona a explo a as duas es an es – WMAN e WWAN, que se o ien am a ou o ipo de aplicações. A. P o ocolo IEEE 802.11 (Wi-Fi) O IEEE 802.11 é ca ac e izado po se uma amília de p o ocolos de comunicação de edes wi eless que o am e con inuam a se melho ados, com o in ui o de simpli ica a comunicação en e disposi i os sem ios de di e en es ab ican es – e i ando p oblemas de compa ibilidade en e equipamen os. Es a amília de p o ocolos é di idida em á ios sub-pad ões, os quais os mais u ilizados a ualmen e são o IEEE 802.11a, IEEE 802.11b e IEEE 802.11g. O pad ão 802.11 b oi a p imei o das ami icações da amília IEEE 802.11 a se ap o ada. Também conhecido como Wi eless Fideli y (Wi-Fi), es e u iliza a écnica de di usão espec al DSSS pa a ealiza a comunicação en e os disposi i os, ope ando na aixa de equência da banda de 2,4 GHz. Es e pad ão u iliza qua o elocidades pa a a ansmissão e eceção de dados, sendo elas um, dois, 5.5 e 11 Mbps e possibili a um máximo de 32 clien es conec ados. As es an es ami icações des e p o ocolo pe mi em elocidades de ansmissão bas an e supe io es (no caso do 11.g, a é o máximo de 600 Mbps), ope ando em gamas de equências dis in as, e com a iações ao ní el do núme o de clien es máximo admi ido e alcance espacial en ol en e. B. P o ocolo IEEE 802.15 (ZigBee) O IEEE 802.15, co esponde ao p o ocolo ZigBee, pe mi e comunicações obus as e ope a na equência ISM3, não eque endo qualque ipo de licenciamen o. Ab ange a aixa de 2,4 GHz em odo o mundo, 915Mhz na Amé ica e 868Mhz na Eu opa. As axas de ans e ência de dados são de 250kbps, 40kbps e 20kbps pa a 2,4GHz, 915Mhz e 868Mhz, espe i amen e. As edes implemen adas com base no p o ocolo ZigBee o e ecem excelen e imunidade a in e e ências e dispõem de uma g ande capacidade de hospeda milha es de disposi i os ligados na mesma ede (a é 65.000 disposi i os po canal). O p o ocolo ZigBee é no malmen e aplicado em ambien es indus iais, endo em con a que as ca ac e ís icas des as edes não eque em g andes elocidades, o que se enquad a pe ei amen e nas suas ca a e ís icas. O p o ocolo ZigBee des u a das seguin es ca a e ís icas:  Consumo ene gé ico baixo e implemen ação simples, a baixo cus o;  Dois es ados de uncionamen o: ac i e pa a ansmissão e eceção e sleep;  Simplicidade de con igu ação e edundância de disposi i os (ope ação segu a);  Densidade ele ada de nós supo ados pela ede: camadas PHY 5 e MAC6 pe mi em que as edes uncionem com g ande núme o de disposi i os a i os. Es e a ibu o é c í ico pa a aplicações com senso es nas edes de con olo;  P o ocolo simples que pe mi e a ans e ência iá el de dados com segu ança. 2.3.5. Es u u a do p o ocolo Zigbee A a qui e u a do p o ocolo ZigBee, al como em an os ou os p o ocolos, é compos a po camadas, o mando uma es u u a hie á quica. Cada camada o nece uma in e ace pa a a camada supe io a a és do pon o de acesso ao se iço SAP 6 . Cada SAP, po sua ez, supo a um de e minado núme o de p imi i as de se iço pa a a i a a uncionalidade solici ada pela 5 PHY (Physical) - Camada ísica do p o ocolo ZigBee 6 SAP - Se ice Access Poin 20 Es ado da a e camada imedia amen e supe io . Apesa do p o ocolo ZigBee se basea no modelo OSI 7 (que é de inido po se e camadas), a a qui e u a do p o ocolo ZigBee de ine somen e cinco camadas como necessá ias pa a a ingi o conjun o de uncionalidades desejadas [15]: A. A pilha p o ocola As duas camadas in e io es, a camada ísica (PHY) e a camada de con olo de acesso ao meio (MAC), o am de inidas pelas no ma IEEE 802.15.4. As es an es camadas de ede o am concebidas especi icamen e pa a o p o ocolo ZigBee, sendo elas: a camada de ede NWK e o F amewo k pa a a camada de aplicação (API). Nes a camada es ão incluídas a subcamada de supo e aplicacional (APS), que assegu am a ligação da camada de aplicação, e o obje o de disposi i o ZigBee (ZDO - ZigBee De ice Objec ) [15].  IEEE 802.15.4 PHY: camada ísica (PHY) p oje ada pa a acomoda as necessidades de in e aces de baixo cus o, pe mi indo ní eis ele ados de in eg ação. O uso da écnica de ansmissão de Sequência Di e a 8 pe mi e que os equipamen os sejam mui o simples, possibili ando implemen ações com cus os eduzidos.  IEEE 802.15.4 MAC: camada de con olo de acesso ao meio, p e is a pa a pe mi i opologias múl iplas com baixa complexidade (abo dadas na página seguin e) onde a ges ão de ene gia, po exemplo, não eque modos de ope ação complexos. Es a camada ambém pe mi e que um disposi i o com uncionalidade eduzida (RDF 9 ) ope e na ede sem a necessidade de g andes quan idades de memó ia disponí eis, 7 - OSI (Open Sys ems In e connec ion) 8 - DSSS - T ansmissão de sequência di e a (Di ec -sequence Sp ead Spec um) 9 - RDF – Disposi i o com uncionalidade eduzida (Reduce Func ion De ice) Figu a 2.8 – A pilha de p o ocolos ZigBee [15] Redes de comunicações wi eless 21 podendo con ola ambém um g ande núme o de disposi i os sem a necessidade de colocá-los on hold, como oco e em algumas ecnologias sem io.  ZigBee NWK: camada de ede que usa um algo i mo que pe mi e implemen ações da pilha de p o ocolos, isando equilib a os cus os das unidades com aplicações especí icas. Caso das ba e ias, que se p ocu a concebe soluções especí icas pa a a aplicação, com boa elação p eço qualidade.  API: o mada pela subcamada de supo e à aplicação, que o nece uma in e ace en e a camada de ede e a camada de aplicação a a és de um conjun o ge al de se iços que são usados pelo ZDO 10 e os ou os obje os da aplicação de inidos pelo ab ican e. Os se iços o necidos no supo e à aplicação são:  Desco e y – se iço que e i ica a exis ência de ou os pon os a i os na á ea de alcance do disposi i o, pa a se iços de oca de dados;  Binding – se iço que liga os á ios disposi i os, endo em con a as necessidades e se iços. B. Tipos de disposi i os O p o ocolo 802.15.4 dis ingue os disposi i os com base no seu ha dwa e e capacidade. De aco do com es e pad ão, exis em duas classes de disposi i os: Full Func ion De ice (FFD) e Reduce Func ion De ice (RFD). Os FFD são disposi i os obus os a ní el de ha dwa e, e o am concebidos pa a supo a maio es uncionalidades do p o ocolo, assumindo po isso múl iplas esponsabilidades na ede pa a além de pode em comunica com ou as edes. Têm um consumo ene gé ico supe io às RFD, po que os disposi i os lógicos não podem se colocados em modo de sleep, enquan o nas RFD essa uncionalidade é possí el. As RFD, em con as e com as FFD, ap esen am uma maio simplicidade a ní el de ha dwa e, sendo compa í eis com á ios mic ocon olado es de 8 bi s e comunicam apenas com disposi i os ísicos FFD. Nes e con ex o, o p o ocolo ZigBee di e encia ês ipos de disposi i os lógicos, que são o coo denado , o ou e e o end-de ice. A abela seguin e esume um pouco as unções que cada um des es disposi i os pode desempenha na ede: Tabela 2.4 – Tipos e unções de disposi i os na ede ZigBee [16] Diposi o Co deenado Rou e Endpoin Tipo FFD FFD RFD ou FFD Funções na ede Fo ma a ede, a ibui ende eços, supo a binding able. Exis e apenas um po ede. Pe mi e que mais nós se jun em à ede, ao aumen a o seu alcance ísico. Pode ambém e e ua unções de con olo ou moni o ização. E e ua ação de con olo ou moni o ização a a és de disposi i o que lhe es eja associado (senso , con olado , a uado …). C. Topologia da ede ZigBee Com uma as a á ea de aplicação, desde o con olo indus ial à domó ica, o p o ocolo ZigBee possui ca ac e ís icas que o o nam absolu amen e único. Dada a sua poli alência e 10 ZDO - ZigBee De ice Objec 22 Es ado da a e e sa ilidade, ambas já sus en adas ao longo des e capí ulo, o ZigBee pode se u ilizado em di e en es opologías de ede, o e ecendo um as o leque de soluções: es ela (s a ), malha (mesh) ou á o e (clus e ee), bem como pe mi indo o es abelecimen o de edes de nós Ad- hoc 11 . Pa a além disso, o ZigBee o e ece ou as an agens que, no con ex o das edes, são mui o alo izadas: po exemplo, possui um empo de ligação à ede meno que os ou os p o ocolos, ap esen a uma maio apidez na passagem do modo s andby a a i o, e possui la ência baixa. Na igu a abaixo es ão ilus adas as p incipais opologías: A opologia em es ela (à esque da) é a mais simples das opologias numa ede ZigBee e con ém um único coo denado com a é 65.536 e minais. O coo denado é esponsá el po inicializa e man e os e minais na ede. Uma ez inicializada a comunicação os e minais só podem oca dados com o coo denado . Na opologia em á o e (ao cen o) a elação pa en -child é di ec amen e u ilizada. Cada nó pe encen e a ní el hie á quico supe io é designado po pa en , pelo que o nó que lhe ica associado é designado po child. Es e ipo de opologia é adequado pa a aplicações ole an es a la ência. Como des an agem, no caso de um nó in e médio alha , a mensagem não alcança á o des ino po que não exis e um caminho al e na i o (links). De modo a ga an i a iabilidade numa ede ZigBee, a opologia malha (à di ei a) é a mais adequada. A con igu ação em malha pe mi e a o mação de múl iplos caminhos (links) en e os nós u ilizando o p o ocolo de encaminhamen o Table-d i en - p o ocolo que ob iga a que cada nó conse e em memó ia uma ou mais abelas de encaminhamen o, e e en es aos nós exis en es na ede [17]. Dado que es a opologia ap esen a múl iplos caminhos, pelos quais a in o mação pode lui , cons a a-se que é a opologia mais ole an e em caso de ha e alhas, sejam p o enien es dos nós ou dos caminhos pois ap esen a um caminho al e na i o pa a que a in o mação chegue ao des ina á io. D. Modo de ope ação / comunicação Exis em dois modos pa a ope a en e di e en es disposi i os Xbee: o modo anspa en e, (AT) e o modo comando (API - Applica ion P og amming In e ace). O modo anspa en e é o modo p é-de inido de odos os Xbee, pe mi indo que os módulos ansmi am de uma o ma di e a, ia po a sé ie, a in o mação que lhes chega. De ido ao seu baixo ní el de obus ez, é uma o ma bas an e ine icien e de comunica com compu ado es. Po con as e, o modo de comando é bas an e mais complexo, ealizando uma e o ma ação dos dados inicialmen e en iados. Es a al e ação em como obje i o que dados ocados sejam mais es u u ados e “legí eis” pa a os disposi i os ele ónicos que in e agem com os módulos, c iando assim na camada de aplicação do Xbee, uma sequência de dados ( ames), que incluem by es capazes de iden i ica a sequência de dados em e mos do seu início, amanho, ipo e soma o al [18]. 11 Ad hoc – ede espon ânea em que odos os nós / e minais uncionam como ou e s. Figu a 2.9 – Topologias em ede [16] Pla a o ma so wa e / Ambien e de desen ol imen o 23 2.4 Pla a o ma so wa e / Ambien e de desen ol imen o O es udo e desen ol imen o de sis emas de moni o ização em ambien e académico, numa lógica DIY (que se explica em 2.1.3) não é ecen e e já são bas an es os p oje os elacionados com es e ema. Impo a comp eende , no âmbi o dos mesmos, quais as soluções ulga men e ado adas pa a o seu ambien e de desen ol imen o, e es abelece o balanço en e an agens e des an agens de que cada um usu ui. Es a análise é de sobejo in e esse pa a a p esen e disse ação, pois dela depende a escolha sob e a pla a o ma so wa e a usa - que ep esen a o núcleo du o do sis ema que se p e ende concebe . Vejamos alguns exemplos: 2.4.1. Lab iew Desen ol ido em 2003 po um g upo de in es igado es da U. Minho, denomina-se “Sis ema de Moni o ização da Qualidade da Ene gia Elé ica Baseado em PC” e é um sis ema low cos , o ien ado à moni o ização de pa âme os de qualidade da ede elé ica e ges ão de ene gia. Es e sis ema usa uma aplicação em linguagem de p og amação g á ica LabView, esponsá el po egis a odos os dados adqui idos da ede, o nece-los em o ma o de abelas ou g á icos e expo a ela ó ios em o ma o HTML. Es a aplicação LabView, execu a inin e up amen e a aquisição de qua o sinais de ensão e co en e e, em simul âneo, p ocessa oda a in o mação necessá ia pa a elabo a os g á icos, de e a sags, swells e dis o ções na o ma de onda. Apesa de iá el e sobejamen e e oluído a ní el g á ico, o desen ol imen o de aplicações em ambien e LabView - como a que se ilus a acima - em a des an agem de impo a licenças ao seu uso. O ac o de não se um so wa e de desen ol imen o li e, o na-o pouco a a i o pa a emp esas e pa icula es em ge al, pois ep esen a um cus o adicional que mui as ezes Figu a 2.10 – Exemplo de aplicação Lab iew pa a sis ema de moni o ização [19] 24 Es ado da a e não se jus i ica ace a ou as opções no me cado. Apesa disso, es e compensa com inúme as uncionalidades, sendo bas an e p á ico e in ui i o no capí ulo da implemen ação. 2.4.2. Ja a Desen ol ida pela OEM, a aplicação o ien ada à moni o ização de ene gia elé ica dá pelo nome “VISample ”. O ambien e de desen ol imen o usado pa a es a aplicação, em con as e com o an e io , oi Ja a, sendo um pouco mais pob e a odos os ní eis (sob e udo isual) Es a aplicação não execu a de o ma con ínua a aquisição de sinais de co en e e ensão, icando dependen e da o dem do ope ado pa a ecebe uma amos a. Uma ez ecebida a amos a, e consul ados os alo es calculados de po ência, a o , picos, e c, o ope ado em o pode de decidi se p e ende expo a os dados pa a um ichei o x ou ecebe no a amos a. Como se pode cons a a da igu a acima, a aplicação Ja a é ca a e izada po uma meno qualidade g á ica e um aspe o em ge al mais a caico. Con udo, mui o embo a não o e eça as mesmas soluções de isualização que a aplicação LabView, o ambien e Ja a i a pa ido do ac o de não eque e um so wa e licenciado pa a co e , pe mi indo, ao mesmo empo, as mesmas unções de moni o ização. Um ou o a gumen o o e des a linguagem, é o ac o de usa uma "máquina i ual" pa a emula aplicações, podendo assim adap ada a a qualque OS (linux, windows, able s, and oids, e c). Em con apa ida, e ainda po compa ação com o LabView, exige um conhecimen o mais p o undo de p og amação o ien ada a obje os. 2.4.3. Visual Basic Desen ol ida em 2008 po in es igado es da Uni e sidade de T ás-os-Mon es e Al o Dou o, um sis ema de moni o ização com o mesmo p opósi o dos dois an e io es, ba izado “Sis ema de Aquisição e T a amen o de Dados pa a Moni o ização da Qualidade da Ene gia” oi c iado em linguagem VB. Es e sis ema, mui o simila ao ní el das unções com o is o em LabView, não ope ando po ém, de o ma in e up a - o so wa e eque dados ao mic ocon olado , no máximo, de 2,5 em 2,5 segundos. Figu a 2.11 – Exemplo de aplicação Ja a pa a sis ema de moni o ização – EOM [20] Mic ocon olado / Aquisição 31 3.1.3. Amos agem e amas de en io Como se explicou logo após o luxog ama do p og ama a implemen a no A duino, há dois ipos de amos as di e en es, cujo con eúdo, apesa de e a mesma o igem, se e di e en es unções do sis ema ge al: amos a no mal e amos a de inspeção de ede. Ambas a mazenam os alo es adqui idos em biná io, di ididos em 2 by es (2 x 8 = 16 bi ), po o ça da esolução de cada ADC - que se p e ende ap o ei a ao limi e. Pa a al, alocam- se os 6 bi s mais signi ica i os num dos by es e os 6 bi s menos signi ica i os no ou o by e. Po exemplo, o alo 1600, co esponden e a 2,6 V no ADC, se ia alocado da seguin e o ma: No que espei a à cons i uição de cada amos a, po ém, há di e enças mui o signi ica i as - al como se e e iu no pon o an e io 3.3.2, e ago a se explica com mais de alhe. A. Amos a no mal - AN A amos a no mal é cons i uída 146 amas, cada uma com 7 lei u as sucessi as dos ADCs, pa a cada um dos sinais p e endidos: IR, IS IT VRS VST IDC e VD. Cada uma des as lei u as é depois alocada em dois by es, donde se ob ém: ( ) ( ) ( ) O núme o de amas e quan idade de in o mação es ipulada pa a cada uma - 100 by es - oi de e minado com base no limi e de payload do módulo de comunicação sem ios po um lado, e pelas limi ações dos ADCs, po ou o. Na e dade, a aquisição e con e são de odos os ADCs demo a ce ca de 20 ciclos de clock (de 1 MHz) a conc e iza -se, ou seja, ce ca de 768 μs. Indi idualmen e, is o co esponde a uma axa de amos agem “ eal” de 25 kHz po canal, (40μs) que, po se conside a eduzida, p ocu ou-se ainda aumen a po ia da al e ação do egis o STARTUP dos ADCs. Assim, oi possí el ob e uma con e são 10 ezes mais ápida: 4 μs po sinal. Donde: ( ) ( ) ( ) Con udo, es e núme o de pon os conside ou-se inú il, a endendo à necessidade de calculo do FFT na aplicação de des ino, que eque eu uma amos a de dimensão po ência de 2. Des e modo, oi necessá io in oduzi delays (na o dem de µs) en e aquisições sucessi as, de modo a aze cai ligei amen e a equência de amos agem po sinal e assim diminui o núme o de pon os a é ao alo de 1024 pon os po sinal – pois 210 = 1024. Assim, calculou-se: ( ) Po ou o lado, aos 98 by es de cada ama, ac esce am ainda mais dois: um s a by e e o checksum. O p imei o se e pa a sinaliza o início da ama, pe mi indo à aplicação des ino sepa a as á ias amas da mesma amos a. O checksum, po seu lado, é usado como mé odo de e i icação de e os, cujo alo calculado no A duino (e en iado a pa i do mesmo) de e co esponde aquele que é calculado no so wa e g á ico de des ino. Es e by e é de capi al 32 Pla a o ma ha dwa e impo ância pa a o co e o uncionamen o de odo o sis ema, uma ez que pe mi e a de eção de e os na ansmissão e e i a lei u a de dados co ompidos. B. Amos a de inspeção de ede - AIR Como se explicou a ás, es a amos a em como obje i o le da ede os mesmo sinais que a amos a no mal, du an e o empo de espe a en e o en io e no a equisição do disposi i o mes e, e, a a és deles, calcula os alo es de pico e médio du an e esse pe íodo. Con udo, es a amos a em que se de pelo menos um ciclo de ede ou múl iplo in ei o do mesmo, de modo a pe mi i o cálculo de alo es c edí eis e consis en es com a ealidade. Se assim não o , as o inas implemen adas pa a o cálculo dos alo es a ás, co iam o isco de se e ela inconsis en es e pouco c edí eis, conduzindo a alo es des iados (se po exemplo, se usasse apenas um ciclo e meio da ede). Uma ez equisi ada pelo mes e uma no a amos a no mal, são de e minados os alo es de pico, e icaz e médio, e alocados numa única ama de en io com dois by es cada um, ou seja: ( ) ( ) A es a quan idade de in o mação, ac escem ambém os mesmos dois by es que no caso da amos a no mal: um s a by e e o checksum – po uma ques ão de p ocessamen o u u o. 3.1.4. Ro ina de cálculo: alo es pico, médio e e icaz A o ina de cálculo, incluída na amos a de inspeção da ede, é implemen ada com base numa biblio eca especí ica de A duino, S a is ic, que pe mi e c ia lis as de alo es e a es as adiciona o que bem se en ende . A pa i de cada lis a, po sua ez, é possí el calcula os alo es: médio, máximo, mínimo, o des io pad ão, soma ó io e a sua con agem. Na sequência do aciocínio explanado na alínea an e io , à axa de amos agem máxima dos ADCs 250kHz, são necessá ios 715 pon os de cada sinal pa a pe aze um ciclo. Como al, o núme o mínimo de alo es a adqui i nes e pe íodo de amos a de inspeção é 715, azendo uso das seguin es exp essões: ∑ ∑ 3.2. In e ace com o módulo de comunicação Pa a além de odas as an agens já assinaladas, o A duino e a sua amília de componen es i a ambém pa ido do ac o de se amplamen e ab angen e e o e ece inúme as soluções de compa ibilidade com di e en es equipamen os. O ien ado ao uso de módulos de comunicação sem ios ulga men e come cializados - ZigBee e Xbee - os A duinos dispõem de um SD Shield, ajus ado à dimensão e equisi os dos e e idos módulos, que con igu a uma comunicação ia po a sé ie com o mic ocon olado . Po ac éscimo, es a pla a o ma in e ace pe mi e inclui um ca ão mic o SD, com o qual o mic ocon olado pode ope a em p o ocolo SPI 16 , bas an e ú il pa a ins de a mazenamen o empo á io ou de ini i o - o que no âmbi o do p oje o se conside ou ele an e e po encialmen e necessá io. 16 SPI (Se ial Pe iphe al In e ace) - p o ocolo que pe mi e a comunicação en e um mic ocon olado e di e sos ou os componen es, o mando uma ede – o ien ado a unções mul imes e e edes senso es Ca a de aquisição 33 Ou o po meno bas an e a a i o da shield, é o ac o de possui um in e up o capaz de comu a en e uma de duas opções (apenas possí eis se in eg ada numa boa d A duino):  USB: pa a p og ama o mic ocon olado e oca dados ia po a sé ie;  Mic o: pa a o módulo Xbee comunica com o A duino e oca dados com os ou os módulos que supo em Zigbee. 3.3. Ca a de aquisição Como se deu a en ende ao longo des e documen o, a ca a de aquisição é obje o cen al nes e sis ema de moni o ização, assim como em qualque ou o. Es a assegu a a ligação en e o ae oge ado e o A duino, p ocu ando anula a disc epância de magni udes en e os sinais a “senso iza ” e os sinais admissí eis pelos ADCs. Pa a al, oi necessá io a anja uma solução pa a compa ibiliza ambas as pa es, azendo baixa as ensões lidas pa a uma gama de 0 a 3.3V, (máximo supo á el pelo A duino Due), ou seja, anulando a bipola idade dos sinais AC. Toda ia, de ido a alguns a asos e imp e is os, e elou-se impossí el ope a di e amen e com a u bina eólica da biblio eca da FEUP, o que limi ou a ase expe imen al do p oje o e le ou à p ocu a de soluções. Nesse sen ido, eco eu-se a uma ca a de aquisição o ien ada à moni o ização da ede elé ica, apenas com dois canais (mono ásica), de modo a simpli ica a ase expe imen al do p oje o e alida da aplicação desen ol ida na p á ica. Es a ca a de aquisição ez uso dos seguin es ansdu o es - cujas ca a e ís icas se ap esen am no anexo A: 3.1. T ansdu o de co en e: HY 5-P Figu a 3.7 - A duino Wi eless SD Shield Figu a 3.8 – LEM de co en e HY 5-P 34 Pla a o ma ha dwa e 3.2. T ansdu o de ensão: LV 25-P 3.3. Ci cui os de condicionamen o O condicionamen o de sinal usado na ca a de aquisição oi desen ol ido e implemen ado po Agos inho Rocha, colega da cu so, cujo esquemá ico se ap esen a no anexo B. Es a ca a, em PCB, pe mi iu ob e uma gama de ensão de saída comp eendida en e 0.2 e 2.56V, e uma gama de co en e en e 0 e 3V. À saída des a ca a oi ainda ac escen ado um il o analógico an i-aliasing passa-baixo de p imei a o dem (pa a cada canal), a im de a enua al as equências que pode iam in oduzi e os na amos agem. O dimensionamen o des e il o com equência de co e de 5kHz, pa a ambos os canais, cons a igualmen e do mesmo anexo B. 3.4. Módulo de comunicação sem ios O módulo de comunicação sem ios escolhido pa a se i de in e ace en e o A duino e a aplicação g á ica oi o ZigBee – azão pela qual es e e em oco no capí ulo do es ado da a e. A escolha ecaiu sob e es e módulo de comunicação, po o ça do p o ocolo IEEE 802.15 que u iliza e as an agens que lhe são subjacen es: comunicação com a u bina eólica num aio de 200 a 300 me os, baixos consumos, compa ibilidade com A duino, ácil implemen ação: No con ex o de u ilização desc i o, o módulo Xbee e elou-se como a opção mais álida e adap ada ao sis ema de moni o ização, endo como p incipais ca a e ís icas o alcançe de 300 me os em espaço ex e io , a axa de ansmissão de 250 kbps (mais do que su icien e pa a o olume de dados em causa), uma alimen ação de 2,1 a 3,6V e a possibilidade de in eg a uma solução opológica em ede pon o-a-pon o ou pon o-mul ipon o. Figu a 3.10 – Exemplo de um anscei e Xbee Figu a 3.9 - LEM de ensão LV 25-P Módulo de comunicação sem ios 35 3.4.1. Con igu ação da ede Uma ez escolhido o módulo Xbee pa a a implemen ação da comunicação sem ios en e o ae oge ado e a aplicação g á ica do PC, seguiu-se a sua con igu ação. Es a ep esen ou uma das e apas ulc ais do p oje o, pois da sua conclusão dependeu a oca de dados en e os dois módulos Xbees (A duino e PC). Nes e con ex o e na sequência do que oi e e ido ao longo do documen o, a ede implemen ada baseou-se numa opologia coo denado /end-de ice, endo pa a isso p og amado cada módulo Xbee pa a as unções espe i as:  Xbee coo denado (mes e): conec ado ia USB ao PC, onde co e a aplicação;  Xbee end-de ice (esc a o): conec ado ao A duino ia po a sé ie, UART; A con igu ação das unções de cada XBee oi conseguida a a és da aplicação i mwa e X- CTU, o necida pela emp esa Digi e com a ajuda do adap ado USB Explo e , que pe mi iu a de inição dos ende eços de des ino, enc ip ação, segu ança, e c. A a és des e so wa e, oi ainda possí el al e a ou a ualiza o i mwa e, bem como econhece cada Xbee no PC e sabe a sua con igu ação a ual: Pa a além das unções de cada módulo Xbee no âmbi o da ede, oi necessá io de ini a o ma como se egeu a in e ação en e os módulos mes e e esc a o. Nes e con ex o, duas hipó eses de ope ação se equaciona am: modo anspa en e (AT) e modo comando (API-Applica ion P og amming In e ace). No en an o, a decisão oi omada no sen ido de ope a em modo anspa en e, po se a que melho se adequa a a comunicações pon o a pon o ( edes de a qui e u a simples), em que o luxo de dados é unidi ecional. Figu a 3.11 – P in do so wa e X-CTU Capí ulo 4 Pla a o ma so wa e Uma ez ence ada a componen e ha dwa e, a e apa que se seguiu oi o desen ol imen o da pla a o ma so wa e. Es a esumiu-se essencialmen e à c iação de uma aplicação g á ica, capaz de supo a a comunicação sem ios com o A duino, ia módulo Xbee, e nela ap esen a os p incipais dados de p odução do ae oge ado sob a o ma de g á icos, diag amas e abelas. A es a égia de p ocessamen o ado ada e o esquema de isualização de ais dados, o am, no âmbi o da aplicação desen ol ida, os dois e o es de desen ol imen o base, p ocu ando i de encon o aos índices de QEE usados no se o de p odução eólico: ha mónicos, licke e ca as - ci ados no es ado da a e. 4.1. Linguagem de p og amação A p imei a g ande ques ão que se en en ou à pa ida pa a es e capí ulo, oi a escolha da linguagem de p og amação e espe i o ambien e de desen ol imen o a u iliza pa a o p oje o e conceção da aplicação g á ica. Tal como oi obje o de análise an e io men e, as p incipais linguagens de p og amação equacionadas o am Visual Basic, Ja a, LabView e uma aplicação em web em b owse (Ja aSc ip ). De en e es as, a que se ap esen ou mais an ajosa oi a linguagem Ja a, po pe mi i uma aplicação e execução em pla a o ma uni e sal, ( odo o ipo de disposi i os ixos e mó eis) o que se aduz em e sa ilidade e lexibilidade do u ilizado inal, e, po ou o lado, po não exigi um so wa e licenciado pa a se desen ol e . 4.1.1. Ambien e de desen ol imen o O desen ol imen o de uma aplicação Ja a pode se ei o com apoio em dois so wa es, de uma manei a ge al: o Eclipse e Ne Beans. Ambos são mui o simila es ao ní el da apidez e debugging, po ém o Ne Beans é o mais in ui i o pa a u ilizado es inexpe ien es em Ja a, pelo que nes e caso a opção acabou po ecai sob e ele. Es a e amen a de desen ol imen o possui uma in e ace bas an e simples e o emen e o ien ada à c iação de GUI 17 , o que pa a a aplicação desen ol ida se e elou na u almen e mui o ú il. Na igu a seguin e mos a-se um exemplo do wo kspace em ambien e Ne beans 7.4: 17 GUI (G aphic Use In e ace): in e ace que pe mi e aos u ilizado es in e agi com disposi i os ele ónicos a a és de icones e indicado es isuais, bem como con e i seus alo es e egis os A qui e u a da aplicação 37 4.2. A qui e u a da aplicação A aplicação g á ica des inada à isualização dos dados do ae oge ado esboçou-se, numa p imei a ase, com base nos equisi os uncionais e não uncionais – is os na ase in odu ó ia do documen o. A pa i des es oi possí el de ini os casos de uso UML 18 pa a a aplicação que se desen ol eu, se indo como guia de o ien ação e sus en ação à elabo ação do diag ama de classes. Po sua ez, es e úl imo oi o supo e de odo o p ocesso de implemen ação, do qual se comp eendeu:  De inição das á ias janelas da aplicação e seu con eúdo;  Fo ma ação de g á icos, abelas ou alo es nas mesmas;  Con igu ação da comunicação sem ios com o A duino ia Xbee;  P ocessamen o dos dados ecebidos e sua descompac ação;  Con olo e e i icação de e os de comunicação;  Modo de ope ação ge al do so wa e (in e up );  Mé odo de a mazenamen o de dados;  Sinalização a i a dos índices de QEE; A alidação e es e de odos os pon os elencados e e como aliado o so wa e Ne Beans, já e e ido a ás, pa a o qual se en ia am alo es ic ícios de ADCs do A duino, numa p imei a ase, (ainda sem o p oje o do PCB), e numa ase pos e io , alo es eais da ede. 18 UML (Uni ied Modeling Language) - linguagem de modelagem usada no desen ol imen o de so wa e, que simpli ica a sua concepção e p oje o a a és de á ios diag amas; Figu a 4.2 – Sessão de abalho em Ne Beans Figu a 4.1 – Sessão de abalho em Ne Beans 38 Pla a o ma so wa e 4.2.1. Casos de uso Con o me se e e iu no pon o an e io , o p imei o passo no desen ol imen o da aplicação oi a de inição dos casos de uso. Com base nos equisi os uncionais expos os mais a ás e a endendo à elação mas e <-> sla e que se p e endeu implemen a en e o PC e A duino, espe i amen e, de ini am-se como a o es do p ocesso de moni o ização: o ope ado e o nó senso . Po ou o lado, es e diag ama e le iu ambém alguns po meno es de p ocessamen o an o no lado do A duino (já is os a ás), como no lado da aplicação Ja a que se desen ol eu – senão ejamos na igu a abaixo: Como se pode cons a a , ao ní el da aplicação Ja a, há ês zonas de ação em des aque, no que conce ne à isualização dos dados: ca as, ases, e ha mónicos. Pa a cada um dos ês, o am des inados di e en es espaços no in e ace g á ico, nos quais, sob di e en es o ma os, se ap esen a am os dados de in e esse ao ope ado . Impo a elemb a , que ais dados e seu a amen o se aduzem em indicado es de QEE ela i os à p odução do ae oge ado , e que a sua melho isualização e ap eensão o am idos em con a pa a a sua con igu ação do espaço g á ico da aplicação desen ol ida. Nesse sen ido, como se suge iu no capí ulo da in odução - aquando dos equisi os uncionais - de ini am-se ês á eas de isualização p incipais:  Time Domain: á ea des inada à isualização em empo eal dos 7 sinais da u bina eólica, possibili ando a de eção e análise de ca as, sob e ensões ou do licke ;  F equency Domain: á ea des inada ao con eúdo ha mónico dos 7 sinais lidos em empo eal - sínc ono com o Time Plo - e onde se disponibiliza o alo %THD;  Phaso Diag am: á ea dedicada à ep esen ação dos sinais AC em aso e à análise do seu des io; Figu a 4.3 – Diag ama de casos de uso da aplicação Ja a A qui e u a da aplicação 39 Pa a complemen a a in o mação o necida nas á eas a ás, uma qua a zona oi de inida, com o im de mos a os alo es máximo, mínimo, médio e e icaz de cada sinal moni o izado, bem como a po ência, seu a o e equência. Ou seja, de ini am-se po isso qua o zonas de ação dis in as na aplicação, cada uma com a sua unção especí ica. 4.2.2. Diag ama de a i idade De inidos os á ios elemen os isuais a inclui na aplicação e a unção po de ás de cada um, equaciona am-se en ão os algo i mos e o inas a implemen a . O seu alcance oi possí el – em boa pa e – g aças ao diag ama de a i idade UML, que se iu de pon o de pa ida pa a o p ocesso de implemen ação em Ne Beans. Es e, à semelhança do lowcha esboçado pa a o p og ama em A duino, segue as mesmas eg as e sin axe, como se ê de seguida: (*) – “de e minação de alo es” engloba os alo es máximo, mínimo, médio e e icaz pa a odos os sinais, bem como pa a po ência a i a, ea i a, a o de po ência e equência; Figu a 4.4 – Diag ama de a i idade da aplicação 40 Pla a o ma so wa e A elabo ação do diag ama acima ap esen ado, e e como p incípio sepa a as o inas de se up - e con igu ação dos á ios elemen os isuais - do ciclo de p ocessamen o p op iamen e di o. Nesse sen ido, caso se p e enda inicializa a aplicação, es a apenas ai c ia condições à eceção e p ocessamen o aos sinais, icando em modo s andby, e agua dando a o dem do ope ado pa a p ocede à equisição das amos as. No que diz espei o à o inas de se up, es as e le em em g ande medida a componen e isual que se de alhou nos casos de uso, incidindo sob e 4 zonas de acção dis in as, às quais ac esce a con igu ação dos bu e s de eceção das amos as (pa a cada sinal), uma o ina de zoom e o clock que se e de e e ência à aplicação. Po sua ez, no que oca ao p ocessamen o das amos as (componen e de isualização e calculo) e ao a mazenamen o, es es icam condicionados po ês de “ il os” - ep esen ados simbolicamen e pelas igu as iangula es – implemen ados com o im de le amos as álidas e sem e os de ansmissão. Em de alhe, es es ep esen am:  De eção de amos a alida: ca a e izada pela lei u a do s a by e e pela ex ensão da ama; caso um não co esponda ao p e iamen e de inido (payload: 100 by es & s a by e * ou #) a amos a é ejei ada;  Seleção de amos a no mal / inspeção de ede: ca a e izada pela lei u a do s a - by e que, caso co esponda a um ca ac e ASCII 19 :  “#”: de e mina que é ecebida uma amos a de inspeção de ede;  “*”: uma amos a no mal;  Ve i icação do checksum: e i icação indi idual do by e checksum de cada ama da amos a, e sua compa ação com o alo calculado na aplicação; caso não haja co espondência, a ama é ejei ada e no a equisição e e uada; Uma ez passados odos os “ il os” aplicados à amos a, es a é descompac ada em á ias sub- amas co esponden es a cada sinal, e p eenchidos os bu e s inicializados no início de odo o p ocesso. Cessado esse p eenchimen o, são ealizadas duas a e as em pa alelo:  G á ico dos dois ciclos de ede pa a cada um dos sinais, no Time Domain;  Disc e ização cada um dos sinais no F equency Domain; Po im, os alo es dos bu e s são a mazenados em o ma o biná io no disco ígido local, p e iamen e da ados e com os alo es médio, máximo, mínimo e e icaz de cada um dos se e sinais moni o izados. Se o ope ado nada decidi em con á io, o p ocesso é einiciado, e uma no a amos a equisi ada ao A duino (e assim sucessi amen e). 4.2.3. Diag ama de classes Como oi e e ido, o diag ama de classes sus en ou-se em la ga medida no diag ama de a i idade is o no pon o an e io . A classe nuclea do diag ama classi icou-se como A duino, sendo esponsá el pelo es abelecimen o da comunicação ia po a sé ie, a lei u a de dados, alocação nos bu e s e de e minação de odos os alo es máx, e icaz, e c. Pa a além des a, ambém com capi al impo ância pa a a aplicação, de ini am-se as classes esponsá eis pelas 3 á eas de isualização (Time Domain, F equency Domain e Phaso Panel) e uma classe ge al, MainF ame, com is a a o ganização de odos os elemen os isuais numa janela p incipal. 19 ASCII (Ame ican S anda d Code o In o ma ion In e change) - é uma codi icação de ca ac e es de se e bi s baseada no al abe o inglês Capí ulo 5 P ocedimen o expe imen al Concluídas com sucesso as duas e apas an e io es, ha dwa e e so wa e, o passo seguin e oi es a e alida odo o sis ema em conjun o, na p á ica. Nesse sen ido, e al como oi di o mais a ás, - dada a impossibilidade de ope a isicamen e com o ae oge ado - oi usada pa a a pla a o ma ha dwa e uma ca a de aquisição mono ásica, com o p opósi o de “senso iza ” a co en e e ensão da ede elé ica. À saída de cada canal des a ca a (de co en e e ensão), ac escen ou-se o, ambém já e e ido, il o passa-baixo an i-aliasing de 5kHz, cuja saída po sua ez a um dos 7 ADCs que se con igu a am no A duino. 5.1. Tes e da ca a de aquisição O p imei o es e ealizado expe imen almen e oi à ca a de aquisição, p ocu ando a e i se a gama de alo es de saída em cada canal co espondia de ac o aos alo es calculados no dimensionamen o – anexo A. Es e oi um es e p e en i o, pa a não co e o isco de dani ica o A duino com ensões nos ADCs supe io es a 3.3V. A ca a de aquisição ap esen a-se abaixo: Figu a 5.1 – Ca a de aquisição es ada 48 P ocedimen o expe imen al Es a ca a de aquisição oi alimen ada com uma on e de ensão a ±15 V, endo ob ido na saída do canal de ensão: alo es en e 0.200 e 2.56 V – al como mos am a igu a seguin e: Ve i icou-se con udo, que es a gama de alo es não e a cons an e no empo, o que le ou a lei u as mínimas que a ingi am os 160 mV e máximas de 2,54 V. Es a si uação i ia a se de e minan e aquando do es e com a aplicação, in luenciando o p ocessamen o dos sinais na aplicação e de u pando mui o esidualmen e os alo es máximo, mínimo, e icaz e médio de cada sinal lido – algo a comp o a mais adian e. A pa des a lei u a no domínio empo al, ealizou-se ambém uma lei u a ao domínio das equências, p ocu ando e i ica a magni ude dos ha mónicos p esen es na ede, e se indo como e mo de compa ação pa a es es u u os - com a aplicação Ja a. O g á ico FFT que se ob e e a pa i do osciloscópio oi en ão o seguin e: A pa i des e FFT oi possí el e i ica que a equência undamen al (50 Hz) e a de ac o a p edominan e, sendo que o segundo, e çei o e quin o ha mónicos e am os que se seguiam com maio ep esen ação (jun amen e com o 6º, 7º e 9º, ainda que com meno magni ude). No caso do canal de co en e po seu lado, es e acabou po não se e e i amen e es ado, dando p io idade à alidação do sis ema no seu odo apenas com o canal de ensão, uma ez que a aquisição de mais um sinal não al e a ia mui o em elação à pe o mance ge al da Figu a 5.2 – Onda de ensão lida no osciloscópio Figu a 5.3 – FFTs ob idos a pa i da onda de ensão (di e en es escalas) Tes e da aplicação Ja a 49 aplicação g á ica. Des e modo, os es es expe imen ais subsequen es o am ealizados apenas com os alo es da ensão da ede elé ica, poupando assim empo, e p ocu ando alcança os esul ados p á icos espe ados com a maio cele idade. 5.1. Tes e da aplicação Ja a Validada a ca a de aquisição e os sinais de cada canal, o passo que se seguiu oi alida a aplicação Ja a. Es a alidação oi conseguida a a és de alo es ic ícios, c iados po o inas den o do p óp io p og ama, que simula am a ecepção de ondas sinusoide e o p eenchimen o dos á ios bu e s. A pa i des es, o am p ocessados e ap esen ados odos os dados ela i os às á ias á eas do Main F ame da aplicação: Time Domain, Values, e c – como de es o se iu no pon o 4.4, com a ap esen ação do in e ace g á ico. Nas p óximas igu as esume-se - à semelhança do pon o 4.4 - uma simulação p elimina à aplicação Ja a, em que se isualizam duas ondas sinusoides, co esponden es aos sinais IS e VRS. A pa i des es sinais são calculados odos os alo es e is os: máximo, mínimo, médio, e icaz, equência (de VRS), po ência apa en e, a o , e c. O Main F ame do qual se ex aí am odas as imagens que se seguem cons a em anexo, F, no seu o ma o o iginal. A. Time Domain Figu a 5.4 – Simulação do Time Domain com duas sinusoides Figu a 5.5 – Values ela i o aos sinais da igu a acima 50 P ocedimen o expe imen al B. F equency Domain C. Phaso Panel Como se pode cons a a das igu as an e io es, odos os alo es coincidi am com o que se espe a a, sal o algumas ap oximações que onda am as décimas: caso do ângulo aso ial que se de iniu inicialmen e como 90 g aus e oi calculado como 90.1, o alo e icaz da onda seno de maio ampli ude que esul ou não em 230 mas em 229.8, o THD% que de e ia se 0 exa o e oi de e minado como 0.1, en e ou os casos ma ginais. Fo a es es des ios mínimos, odas as unções se e ela am uncionais, an o a disc e ização, como a janela empo al, os cálculos implemen ados e os aso es desenhados. Es a simulação p elimina se iu assim, pa a p o a que a aplicação es a a de ac o uncional e de ol ia esul ados consis en es com aquilo que se p e ia, ou seja, p epa ada pa a se es ada expe imen almen e com a ca a de aquisição. Figu a 5.6 – F equency Domain ela i o às sinusoides Figu a 5.7 – Phaso Diag am que ep esen a os dois aso es das sinusoides Tes e de odo o sis ema 51 5.2. Tes e de odo o sis ema Po im, p ocedeu-se ao es e conjun o de odo sis ema: A duino, XBee e aplicação Ja a. Pa a al ligou-se a saída do canal de ensão da ca a de aquisição ao ADCs 0 do A duino, po o ma a simula o sinal IS do ae oge ado e ealiza o seu espe i o p ocessamen o/en io pa a a aplicação Ja a. Na igu a seguin e mos a-se o se up de odo o sis ema es ado: Con ém elemb a que, na u ilização des a ca a, oi necessá ia a inclusão de um il o de 1ª o dem passa-baixo, azão pela qual cons a da igu a acima uma boa d com um ci cui o RC. Os esul ados ob idos na aplicação Ja a - obje i o úl imo de oda a componen e expe imen al - podem se is os no pon o que se segue, no qual são discu idos indi idualmen e po á ea da aplicação: Time Domain, F equency Domain, Phaso , e c. 5.3.1. Time Domain Figu a 5.8 – Se up do sis ema de moni o ização comple o Figu a 5.9 – Time Domain ela i o ao sinal de ensão ob ido da ca a 52 P ocedimen o expe imen al Es a oi apenas uma de mui as amos as que se ecebe am na aplicação Ja a, e, al como se pode e i ica , coincide pe ei amen e com o que se espe a a. Se a en a mos na o ma de onda que se ob e e no osciloscópio ( igu a 5.2), es a co esponde exa amen e ao que se iu na aplicação Ja a, sub aída apenas do uído que se pode obse a na zona de pico da onda – u o do il o in oduzido. No que diz espei o aos alo es, es es ap esen am-se des iados apenas ma ginalmen e do que se espe a a, sendo que a causa mais p o á el pa a es e des io es á elacionada com a a iação da gama de ensão saída da ca a. Es a a iação, egis ada en e 30/40 mV, a e a o o se do sinal de ensão de saída da ca a e, po consequência, são lidos na aplicação alo es ligei amen e des iados pa a os picos máximo e mínimo. Po sua ez, is o conduz a um des io no cálculo do alo e icaz, médio, e na equência (ainda que com meno in luência) al como se obse a na igu a acima. 5.3.2. F equency Domain Figu a 5.10 – Valo es calculados pa a a onda ecebida da ca a Figu a 5.11 – F equency Domain ela i o ao sinal de ensão ob ido da ca a Tes e de odo o sis ema 53 No que oca à componen e das equências, es as ambém coincidi am com aquilo que se ob e e a a és do osciloscópio digi al ( igu a 5.3), sendo que a equência de magni ude 230 V oi de ac o a de 50 Hz - undamen al. Os es an es ha mónicos egis ados com magni ude exp essi a o am o 2º, 3º e 5º, o que oi pe ei amen e de encon o ao que se obse ou na igu a 5.3. O alo de ensão ob ido pa a es es ha mónicos ondou os 11, 8 e 5V, pa a cada um dos e e idos, espe i amen e. Po ou o lado, o alo calculado pa a a axa de dis o ção ha mónica o al (em %) ela i o à onda de ensão lida, oi de 1.6 %, o que se conside ou plausí el ace à dis ibuição das magni udes egis adas, e pe ei amen e den o dos pad ões de qualidade exigidos pa a a ede pública – ex aídos do capí ulo 2 pon o 1.7, alínea D). 5.3.3. His o y Po im, no que conce ne ao his ó ico e seus alo es, oi possí el consul a os alo es que o am a mazenados du an e uma ho a, e con e i os picos da ede pa a o sinal de ensão lido, a equência, bem como a ho a em que oco e am – como se mos a abaixo: Figu a 5.12 – Time Domain do His o y F ame ela i o a 1 ho a de amos as Figu a 5.13 His o y Values co esponden es aos g á icos da igu a 5.12 Capí ulo 6 Conclusões 6.1. Alcance dos obje i os A ealização des a disse ação inha como p opósi o undamen al desen ol e um sis ema de moni o ização capaz de le os alo es de p odução do ae oge ado da biblio eca da FEUP, e, com base nes es, a e i a qualidade da ene gia inje ada na ede. Embo a sem ope a isicamen e com o mesmo, os dois obje i os e e idos o am alcançados com sucesso, sendo moni o izada a ede elé ica pública di e amen e no labo a ó io. Es a moni o ização le ou a esul ados coinciden es com aquilo que são os alo es da ede elé ica pública, endo-se egis ados apenas ligei os des ios em elação ao expec á el, o que não e á sido unicamen e consequência da aquisição e p ocessamen o do sinal adqui ido. Na e dade, os esul ados ob idos nos es es do capí ulo an e io pe mi i am conclui , a pa i dos alo es dados no in e ace g á ico, que a aquisição o a implemen ada de o ma co e a, a ansmissão sem ios es á el e sem e os, e o p ocessamen o na aplicação ei o da o ma desejada. Os des ios egis ados o am mui o ma ginais ace ao espe ado, sendo p o a disso os alo es a mazenados em his ó ico, que pa a o pe íodo em que se egis a am, de e mina am os seguin es des ios ela i os máximos:  F equênciamin: 49.6 / 50 = 0.8 %  VRS, MAX = 326.3 / 325 = 0.4 %  VRS, MIN = -332.8 / -325 = 2.4 % Es es des ios, p incipalmen e o mais signi ica i o, o pico máximo do sinal de ensão lido a pa i da ca a, de eu-se às lu uações na ca a de aquisição e à a iação (explicada a ás) de ensão que o canal da ca a o necia, egis ada em 30/40 mV. Po es e mo i o, os alo es que se p ocessa am na aplicação e se mos a am no in e ace não co esponde am exa amen e ao espe ado (325Vpico, 230V ms, 50 Hz, e c). Em odo o caso, a pe o mance ge al da aplicação oi sa is a ó ia, pe mi indo isualiza o sinal de ensão com odo o po meno a a és do zoom implemen ado, con e i as magni udes dos di e en es ha mónicos e o alo do THD do sinal. Todos es es esul ados o am conco dan es com os que se egis a am no ínicio des e capí ulo, a es ando dessa o ma a alidade da implemen ação ealizada e o sis ema em ge al.Apesa disso, e no que oca ainda aos es es ealizados, oi moni o izada apenas a ensão da ede, a pa i da qual se calcula am a equência, THD%, alo es de pico, e icaz e médio, icando po Di iculdades e con a empos 55 es a o canal de co en e, ambém p esen e na ca a de aquisição u ilizada, que in iabilizou o cálculo da po ência apa en e e a i a, espe i o ângulo de ase – componen e em al a. A aplicação g á ica desen ol ida pa a se i de in e ace g á ico ao ope ado oi ei a em linguagem Ja a, po se e ela a melho escolha no capí ulo da compa ibilidade com sis emas ope a i os di e sos (and oid, PC, Mac, e c), po dispo das e amen as g á icas necessá ias à implemen ação e, sob e udo, po não eque e um so wa e licenciado pa a se execu a . No que espei a à sua alidação expe imen al, es a oi p a icamen e comple a, com excepção ao Phaso Diag am, de ido à ausência do es e com o canal de co en e da ca a de aquisição - o que impossibili ou o cálculo do ângulo e sua ep esen ação ace ao aso ensão. No que oca à es an e implemen ação, A duino e Xbee, es a co espondeu na p á ica ao que se p e ia, sendo que odas as unções e o inas con igu adas de am uma espos a cabal ace àquilo pa a que o am de inidas: aquisição, en io, e i icação de e os, e c. 6.2. Di iculdades e con a empos No deco e do desen ol imen o do sis ema de moni o ização o am á ias as di iculdades e obs áculos encon ados, alguns ul apassados com sucesso, ou os não. De en e odos es es, o que mais se des acou e condicionou o andamen o p oje o oi a linguagem de p og amação escolhida, (Ja a) e espe i o ambien e de desen ol imen o pa a a aplicação: a componen e cen al do sis ema. A o al ausência de con ac o e o inas com es a linguagem oi po en u a a maio di iculdade, que se a as ou p a icamen e du an e odo o desen ol imen o. No en an o, a pe sis ência em usa es a linguagem (po odas as an agens que se enume a am a é ago a) acabou po se sob epo a odas as di iculdades e, com alguma ap endizagem em pa alelo, o in e ace g á ico em Ja a acabou po se uma ealidade. Pa a além disso, o pouco ou nenhum con ac o com PCBs e seu so wa e de p oje o acabou ambém po a as a o desen ol imen o da solução pa a a ca a de aquisição, acabando po se desca ada a hipó ese de se desen ol e uma (o ien ada ao ae oge ado ), e ado ada uma solução já exis en e pa a moni o ização da ede pública: ca a de aquisição mono asica. Em e çei o luga , com peso meno , alguns concei os sob e aquisição e p ocessamen o de sinal, em al a, ep esen a am ambém di iculdades du an e o desen ol imen o do sis ema, o que condicionou em alguns momen os o a anço das implemen ações e le ou ao es udo quase con ínuo de ma é ias. Po im, a implemen ação da FFT esponsá el pela disc e ização dos sinais adqui idos oi ambém um passo complicado, p incipalmen e po es a eque e uma amos a de dimensão em po ência de 2, e, pa alelamen e, uma p ecisão al íssima pa a a gama empo al adqui ida. 6.3. T abalho u u o O passo seguin e a se dado no desen ol imen o des e sis ema se ia - al como já oi di o a ás - o es e do canal de co en e e sua alidação. Pa a além disso, p ocu a -se-ia ambém e o mula a aplicação pa a possibili a a sua execução em SO And oid, ou, al e na i amen e, desen ol e um apple pa a que osse possí el eco e à aplicação a a és de um b owse , desde que cone ado à web. Nes a lógica de u ilização, a base de dados pode ia passa de um disco ígido ixo pa a uma base de dados online, a pa i da qual se equisi assem os egis os po ia PHP. Equaciona a aplicação des e ipo de sis ema de moni o ização pa a o ambien e indus ial, ambém se ia an ajoso e ú il, quando ajus ado à qualidade de p odução. Anexos Nes a secção são o necidas in o mações e con eúdos complemen a es ao que oi expos o ao longo do documen o, nomeadamen e exce os de ichas écnicas dos componen es usados, esquemá icos, cálculos, diag amas e p in s do GUI da aplicação Ja a. Anexo A: Ca a de aquisição A1. Ci cui os de condicionamen o O ci cui o de condicionamen o p esen e na ca a de aquisição, em pa icula no canal de ensão, oi o seguin e: Es e ci cui o pe mi iu adqui i a ensão da ede, ans o mando a gama de alo es de -3V a +3V, saída do senso , em 0-3V, alo es ole á eis pelos ADCs do A duino. O ci cui o usado pa a o condicionamen o da co en e oi, po sua ez, o seguin e: Figu a 6.1 – Ci cui o de condicionamen o do ansdu o de ensão Figu a 6.2 – Ci cui o de condicionamen o do ansdu o de co en e Figu a 6.7 – Aplicação Ja a comple a Anexo F: Simulação da aplicação g á ica Ja a 65 Figu a 6.8 – Simulação da aplicação Ja a com sinais i uais Re e ências [1] APREN e INEGI. “Pa ques Eólicos em Po ugal”, Dezemb o 2012. [2] Vi o M. Ribei o. “Eoli o : Sis ema de moni o ização em mic o-ge ação eólica”, 2009. [3] Rui P. Ba bosa. “Sis ema de supe isão e con olo de unidade de p odução eólica”, 2011 [4] Rui P. Mo ei a, Hen ique Gonçal es, J.G. Pin o, João L. A onso. “Moni o ização da Qualidade da Ene gia Elé ica”, Re is a Robó ica, nº 90, pp. 60-62, 2013. [5] Rica do Que ido Hen iques. “Desen ol imen o de um Sis ema de Moni o ização Remo a do Consumo de Ene gia Elé ica e da P esença Humana em Edi ícios”, 2012 [6] Ped o B. S. 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