Estruturação de Sistemas e Aplicações de IIoT em Redes Eléctricas Inteligentes

Abstract

A gestão dos ativos da rede elétrica de distribuição em baixa tensão, com recurso a modelos e a tecnologias no âmbito da Internet of Things, possibilita a avaliação do estado técnico de funcionamento e o diagnóstico dos ativos de forma autónoma e centralizada, através de sensores sem fios, sendo particularmente vantajosa, neste caso de aplicação, dada a dispersão geográfica das infraestruturas.

Na rede de baixa tensão destacam-se os órgãos constitutivos de um Posto de Transformação: o transformador de distribuição, o quadro geral de baixa tensão e a cela de proteção e seccionamento no circuito de entrada em média tensão. Neste trabalho é apresentado um sistema de gestão de ativos assente em soluções de instrumentação para a supervisão dos ativos mencionados, de acordo com um conjunto de critérios fundamentais para o desenvolvimento de projeto, com vista à sua viabilidade económica e prática: dispositivos não intrusivos aos equipamentos sob supervisão, autonomia energética, comunicação sem fios, processamento local, modularidade e interoperabilidade, flexibilidade incremental e interface humana de fácil compreensão. Assim, foram concebidos e desenvolvidos sensores inteligentes, autónomos e independentes para a monitorização de cada ativo, sendo os dados recolhidos e integrados numa unidade concentradora, em cada posto de transformação, para processamento e análise local dos dados respetivos.

A avaliação do desempenho do transformador de distribuição envolve a deteção de descargas parciais no seu interior, a medida da temperatura na tampa da carcaça, a deteção de descargas parciais nas travessias e a medição do nível de ruído de zumbido. As condições ambientais internas e externas do posto de transformação são analisadas através da medição de temperatura e humidade do ar. A cela de proteção de média tensão é avaliada pela deteção de descargas parciais no compartimento do disjuntor e pela monitorização da temperatura do barramento principal. No quadro geral de baixa tensão são medidas as tensões e correntes de cada circuito de saída. Em cada posto de transformação, a unidade concentradora é responsável pela análise dos eventos e variáveis comportamentais, e pela fusão dos dados provenientes das unidades de monitorização instaladas.

Enquanto fatores críticos, foram validados: (i) a deteção de descargas parciais no interior do transformador de distribuição, por emissão acústica, utilizando um sensor ultrassónico acoplado na tampa do tanque do transformador, (ii) a deteção de descargas parciais no ar por captação de radiofrequência na banda dos 433 MHz, (iii) a monitorização de temperatura, por contacto, no tanque do Transformador de Distribuição e, sem contacto, na Cela de Média Tensão, com recurso a redundância modular tripla para auto-diagnóstico e confiança acrescida.

A alimentação em potência de dispositivos de monitorização é, em grande parte, realizada através de captação de energia do meio envolvente que, nestas infraestruturas, pode ter a forma de energia térmica, solar ou eletromagnética, consoante as especificidades dos locais de instalação. São apresentados dois modelos de dimensionamento de sistemas de alimentação baseados em captação de energia do meio envolvente, especificamente solar e eletromagnética, e apresentados resultados de testes envolvendo múltiplos fatores construtivos para a otimização de um sistema de alimentação baseado na captação de energia térmica.

By resorting to models and technologies within the scope of the Internet of Things in order to carry out asset management activities in Low-Voltage electricity grids, both condition monitoring and diagnosis of the relevant assets are feasible, despite the geographic dispersion of the infrastructures, in an autonomous and centralized way, using wireless sensor networks.

A comprehensive management system of Secondary Distribution Substations is presented, thus addressing the condition monitoring and diagnosis of its critical parts. The fundamental criteria underlying the design and development of the system as a whole and of each and every integrating modular part, namely the different smart sensors there involved are articulated so as to obtain a cost effective and practical solution, such as: devices must not be intrusive, and no cabling may be used to support both communication and power supply. Hence, modules are nodes of a wireless network, and, in most cases, resort to energy harvesting technologies, in order to attain a final solution which provides scalability, modularity and interoperability. Thus, an innovative fully modular platform comprising a number of different and self-contained smart devices, which act as a single system, is presented. These devices transmit relevant information to a central unit which is responsible for the cross-correlation amongst different variables and parameters.

The assessment of distribution transformers is carried out through an innovative, autonomous, and multi-sensing unit, which encompasses a number of different sensors in order to monitor several critical variables that describe its operational performance, namely: oil/tank temperature, internal partial discharges, partial discharges in bushings, and humming noise. The medium voltage switchgear condition is assessed through the temperature monitoring of the main busbar, and the detection of partial discharges in the switch compartment. Voltage and currents in all feeders leaving the low voltage switchboard are continuously measured. In each Secondary Distribution Substation, a central unit is responsible for analysing events and analogue variables from each smart sensor, and, especially, for the cross-correlation of data generated at different locations within the substations.

The use of primary batteries for the power supply of self-contained devices isn’t practical, in some applications, given its limited capacity and the resources it would entail to replace them periodically. Thus, the power supply of most monitoring devices is attained through energy harvesting technologies, namely from thermal, solar and electromagnetic energy sources, depending on the location of devices. Two design models for both solar and electromagnetic energy harvesting power supply systems are presented, and in regard to thermal energy harvesting, multiple constructive elements are tested in order to optimize it.