Plataforma IOT para Supervisão de Usina Fotovoltaica e Automação Predial com Validação no Ministério da Defesa do Brasil

Abstract

Abstract: In recent years, large organizations have made major investments in alternative energy sources, with the central objective of medium-term financial tax and predictability in energy consumption planning. The validation of the proposal involves verifications from the monitoring of the photovoltaic power plant installed in the Ministry of Defense (MD), on the Esplanade of Ministries, Brasília-DF, where the prototype platform integrates the intelligent components of the photovoltaic plant, such as inverters, power optimizers, microcontrollers, temperature and humidity sensors. Keywords: IoT, Photovoltaic Plant, Supervision, IoT Platform, RESTful Model. 1. Em (Duair, Jaafar J et al; 2022) os autores implementam um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados baseado em IoT para um sistema inteligente composto por uma matriz solar fotovoltaica (FV), banco de baterias e um gerador diesel, realizando toda a conexão sem fio e utilizando a arquitetura SCADA para gerar confiabilidade ao sistema, para os indicadores de falha nos subsistemas e falta de energia.

Headnote

Resumo: As grandes organizações têm realizado nos últimos anos grandes investimentos em fontes alternativas de energia, tendo como objetivo central a desoneração financeira a médio prazo e previsibilidade no planejamento de consumo energético. Porém, as soluções comumente empregadas não preveem um acompanhamento efetivo e não integram as mais diversas informações de consumo e operacionalidade. Este artigo trata da concepção e desenvolvimento de uma plataforma de supervisão de IoT (Internet of Things), com supervisório baseado em sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), estabelecendo indicadores e dados de operacionalidade predial, com a utilização de recursos do Protocolo HTTP/Web, computação em nuvem e as orientações do modelo de arquitetura de software RESTful. A validação da proposta envolve verificações a partir da monitoração da usina de energia fotovoltaica instalada no Ministério da Defesa (MD), na Esplanada dos Ministérios, Brasília-DF, onde a plataforma prototipada integra os componentes inteligentes da usina, como inversores, otimizadores de potência, microcontroladores, sensores de temperatura e umidade. Mostra-se assim as funcionalidades e resultados da monitoração remota da planta de geração e dos dispositivos de integração predial nela disponíveis.

Palavras-chave: IoT, Usina Fotovoltaica, Supervisão, Plataforma IoT, Modelo RESTful.

Abstract: In recent years, large organizations have made major investments in alternative energy sources, with the central objective of medium-term financial tax and predictability in energy consumption planning. However, the commonly used solutions do not provide for effective monitoring and do not integrate the most diverse information on consumption and operability. This article is intended to design and develop an Internet of Things (IoT) supervision platform, with supervisory based on Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) systems, establishing indicators and building operability data, using HTTP/Web Protocol resources, cloud computing and restful software architecture model guidelines. The validation of the proposal involves verifications from the monitoring of the photovoltaic power plant installed in the Ministry of Defense (MD), on the Esplanade of Ministries, Brasília-DF, where the prototype platform integrates the intelligent components of the photovoltaic plant, such as inverters, power optimizers, microcontrollers, temperature and humidity sensors. This shows the functionalities and results of remote monitoring of the generation plant and building integration devices available therein.

Keywords: IoT, Photovoltaic Plant, Supervision, IoT Platform, RESTful Model.

1. Introdução

Ao longo dos anos, estamos acompanhando a crescente demanda por energia elétrica no Brasil, estabelecendo um enorme desafio para a capacidade de geração de energia, uma vez que as fontes geradoras são limitadas e influenciadas por diferentes variáveis de produção, interesses econômicos e políticos.

O setor elétrico brasileiro é centralizado na geração hidráulica, e esse aproveitamento hidrelétrico é de apenas 33% do seu potencial, o restante da capacidade hídrica para geração de energia se encontra na região amazônica (Empresa de Pesquisa Energética - EPE, 2022), onde os impactos ambientais para a implantação de nova usinas hidrelétricas seriam gigantescos. Com isso, a necessidade de criação de gerações alternativas de energia renovável aumentou nos últimos anos, com a energia solar fotovoltaica conectada a rede se destacando nesse contexto.

Com todo esse potencial de crescimento em um mercado ávido por novas soluções e melhorias, potencializado por resoluções e leis nacionais que visaram incentivar o setor de energia solar, vários estudos têm abordado maneiras de supervisionar remotamente as instalações das usinas fotovoltaicas com dados em tempo real, a fim de proporcionar maneiras de mitigar problemas, proporcionando uma vida útil maior das instalações e controle dos ativos.

As usinas Fotovoltaicas são compostas por diversos componentes com capacidade de sensoriamento, comunicação e processamento. Neste contexto, o termo Internet das Coisas (IdC) expressa todo o esforço do desenvolvimento para concatenar os diferentes dispositivos, linguagens, sistemas e protocolos em resultados práticos e acessíveis.

Com o mercado de equipamentos e aplicativos para IdC em plena expansão, investimentos de grandes multinacionais de bilhões de dólares impulsionam este mercado, como o efetuado recentemente pela IBM de US$ 3,0 bilhões (BASSI, S., 2015) ou pela Samsung de US$ 1,2 bilhões (FINGAS, J. 2016). É possível que dentro de alguns anos tenhamos em casa "centrais de controle", versões mais poderosas da atual Amazon Echo ou do Google Home (BOHN, D; 2016). Estes dispositivos seriam responsáveis por fornecer a conexão à internet, sugestões e lembretes, totalizar os dados de geração do painel solar, da rede elétrica por Smart Grid, etc.

Como projeto pioneiro na Esplanada dos Ministérios em Brasília-DF, em implantar uma Usina Fotovoltaica (FV) nas coberturas do Edifício do Ministério da Defesa (MD), este trabalho visou desenvolver uma plataforma de supervisão das instalações da usina FV do MD, utilizando os dispositivos inteligentes da mesma, como Inversores, Otimizadores de potência e Medidores de Energia, estabelecendo critérios de aquisição, tratamento e disponibilização de dados do sistema via uma interface gráfica Web service interativa para o usuário, utilizando um software tipo SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition), computação em nuvem e as orientações do Modelo de Arquitetura de Software RESTful.

Em síntese este trabalho tem como objetivo principal a implementação de uma plataforma de supervisão gráfica de exibição dos dados aos usuários de fácil uso, intuitiva, consolidando os dados em um dashboard, que esteja disponível para o usuário através de uma página de internet ou aplicativo celular, da mini usina fotovoltaica de 520 kWp (kilo Watt pico de Energia) instalada no Ministério da Defesa em Brasília-DF.

Além do desenvolvimento de um sistema de monitoramento via WEB Services (WS) e dispositivos móveis, o presente trabalho também apresenta análises de desempenho da usina fotovoltaica, permitindo o monitoramento contínuo e em tempo real dos dispositivos, detecção de falhas, análise financeira da produção de energia e fatores de economia.

2. Trabalhos Correlatos

Na literatura, observa-se alguns trabalhos correlatados para implantação de supervisório utilizando IoT em usinas fotovoltaicas. Em (QAYS, Md Ohirul et al; 2022) os autores desenvolvem um aplicativo para o sistema de Controle de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) para monitorar um sistema híbrido que compreende sistemas fotovoltaicos, eólicos e armazenamento de energia em baterias.

Em (Duair, Jaafar J et al; 2022) os autores implementam um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados baseado em IoT para um sistema inteligente composto por uma matriz solar fotovoltaica (FV), banco de baterias e um gerador diesel, realizando toda a conexão sem fio e utilizando a arquitetura SCADA para gerar confiabilidade ao sistema, para os indicadores de falha nos subsistemas e falta de energia.

Em (Aghenta, Lawrence Oriaghe et al; 2019) os autores desenvolveram um sistema SCADA baseado em IoT que incorpora serviços Web com o SCADA convencional para um controle e monitoramento de supervisão mais robusto, utilizando um microcontrolador ESP32A de baixa potência, um microcontrolador Raspberry Pi e um roteador Wi-Fi local.

Em (Shapsough, Salsabeel et al. 2018) os autores apresentam uma nova arquitetura baseada em IoT que utiliza tecnologias de hardware, software e comunicação de IoT, para permitir o monitoramento e o gerenciamento em tempo real de sistema solares fotovoltaicos em grandes escalas. O sistema permite que os gestores controlem e monitorem remotamente os sistemas fotovoltaicos e avaliem os efeitos de vários fatores ambientais, como clima, qualidade do ar e sujeira.

Em (Lamnatou, Chr, D. Chemisana, and C. Cristofari; 2022) os autores revisam a situação atual das redes inteligentes em relação ao sistema fotovoltaicos, armazenamento de energia, integração da tecnologia nos edifícios e impactos ambientais produzidos e ainda a produzir.

Verifica-se que os trabalhos encontrados na literatura buscam soluções de supervisão IoT para usinas fotovoltaicas com custo baixo de implementação, uma vez que sistemas caros tendem a serem descontinuados. Os trabalhos também focam na simplificação de interface para todos os tipos de usuários, obtendo dados para orientar possíveis tomadas de decisões técnicas e econômicas.

O presente trabalho diferenciou dos trabalhos realacionados acima em buscar uma implementação gráfica e amigável para o usuário, com o desafio de tratar em tempo real uma quantidade significativa de dados utilizando conceitos de arquitetura de Software RESTful, possibilitando também acesso a plataforma apenas utilizando dispositivos móveis, contribuindo para soluções em sistemas integrados de supervisório de manutenção predial do tipo SCADA.

3. Metodologia

A partir da instalação física da mini usina FV no MD de 520 kWp (kilo Watt pico), desenvolveu-se uma plataforma IoT para aquisição e tratamento de todos os dados de supervisão gerados, permitindo também à disponibilização dos dados de maneira interativa para o usuário através de várias Interfaces Programáveis de Aplicação. Analisou-se também o comportamento das grandezas físicas extraídas dos componentes inteligentes da usina FV, além do desenvolvimento de rotinas de comunicação e respostas dos componentes instalados, resultando em alertas de falhas nos componentes e consequente intervenção preventiva e preditiva nos ativos instalados.

Nas instalações da usina FV do MD, encontram-se 1600 módulos de silício policristalino de 325 Watts cada, 800 unidades de Otimizador de Energia de 700 W/125V, 18 inversores de 27,6 kWp da fabricante SolarEdge e um medidor de Energia Inteligente integrado aos inversores, produzindo o arranjo lógico apresentado na Figura 1. Cada Inversor está conectado a 3 Strings com 30 Painéis e 15 Otimizadores de potência cada.

3.1. Módulo de Comunicação da Usina FV

Os inversores instalados capturam todas as informações da operação da usina, obtendo os dados de grandezas Físicas como Corrente Elétrica em Ampère (A) em cada arranjo por exemplo. Com todos esses componentes rastreáveis através dos protocolos de comunicação TCP/IP, utilizou-se 0 protocolo Modbus RTU que é baseado na comunicação mestre-escravo, com padrão físico RS-485, para conectar todos os 18 inversores no mesmo barramento para aquisição e transmissão de dados, Figura 2.

Os dados de geração da usina FV foram requisitados diretamente dos inversores, com a plataforma de prototipagem microcontrolada Arduino e a placa SE-SGM-R12-US-S1, Figura 3, para realizar a aquisição de dados e transferência para um servidor na nuvem, com frequência de envio de dados a cada 15 minutos.

A plataforma de monitoramento e aquisição de dados foi desenvolvida através do software SCADABR, que é um software livre e open-source sem restrições de uso, sem limites de Tags ou Data Points.

A Ferramenta SCADABR estabelece configuração inicial e conexão do datalogger da Placa SE-SGM-R12-US-S1 com um computador através de uma rede local, onde cria-se um Data Source do tipo Modbus IP, Figura 4.

3.2. Modo Gráfico

Através de data points no software SCADABR, cria-se as váriaveis para cada inversor. Ao todo foram criados 15 pontos de dados para cada um dos 18 inversores, resultando em um total de 270 pontos de dados, Figura 5.

Para a implementação do modo gráfico, utilizou-se o esquemático de aquisição e transferência dos dados conforme Figura 6.

Os comandos de implementação foram realizados diretamenta no microcontrolador Arduino da placa SE-SGM-R12-US-S1, gerando um algoritmo do firmware baseada na biblioteca ModbusMaster, que falicita o direcionamento das requisições para os Data points configurados em cada inversor, como demonstrado na Figura 7.

Via Interface de Programação de Aplicativos (API) disponível pela fabricante dos inversores, SolarEdge, com o móduo Cloud-Based, possibilitou-se a integração com a plataforma desenvolvida em SCADA, gerando uma interface mais amigável ao desenvolvedor e usuário.

Esses Serviços Web permitem o acesso aos dados salvos no servidor de monitoramento, mantendo os dados protegidos para usuários autorizados.

A API SolarEdge permite que aplicativos de software acessem seu banco de dados do sistema de monitoramento para fins de análise de dados, gerenciamento, exibição de dados do sistema em outros aplicativos, etc.

Na tabela 1, é listada os recursos de configuração e respostas das API disponibilizadas pelo fabricante SolarEdge.

Sendo as APIs apresentadas serviços RESTful, com as seguintes características de aplicação:

* Usa URLs previsíveis e orientados a recursos.

* Possui recursos HTTP incorporados para passar parâmetros através da API.

* Responde com códigos HTTP padrão.

* Retorna resultados em XML, JSON (incluindo suporte jsonp) ou formato CSV.

O formato e os parâmetros da solicitação sao especificados por cada API e estão em conformidade com as formas HTTP e REST. A ordem do parâmetro na solicitação nao é significativa, tendo o ordenamento gráfico a critério do desenvolvedor.

3.3. Implmentação da Plataforma

A partir das API SolarEdge, realiza-se cadastro no site das aplicações e acesso ao servidor em nuvem, onde é disponibilizado canais para configuração das APIs, com os respectivos valores das funções a serem assistidas.

Em cada aba, "API Keys" ficam disponíveis as chaves de escrita e leitura que são exclusivas de cada canal. As API disponíveis permitem o endereçamento dos dados adquiridos via plataforma microcontrolada e da plataforma desenvolvida em SCADABR, possibilitando inúmeras configurações de visualização e tratamento dos dados adquiridos.

Como exemplo de uma API implementada, tem-se a API Site Energy, onde é realizado a requisição dos pacotes de dados obtidos do medidor de energia para cada arranjo de inversor. Configura-se os parâmetros Data inicial, Data final e Unidade de Tempo com variáveis do tipo String e saída JSON. A Figura 8 exemplifica a aplicação API Site Energy configurada graficamente para resposta da produção de energia diária dos inversores da usina FV no MD.

4. Resultados e Discussão

Conforme o desenvolvimento mostrado para criação da plataforma do tipo SCADA para a configuração de todos os pontos de dados, totalizando 270 variáveis da usina FV do MD em observação, como aferição de grandezas físicas instantâneas, status de operação, alertas de problema de geração de Energia nos equipamentos, etc, a implementação das listas de observação gráfica foi estruturada para facilitar a utilização por qualquer usuário.

Para efeito de máximo aproveitamento de dados, todos os parâmetros foram desenvolvidos para aquisição de dados com menor intervalo de tempo possível no microcontrolador Arduíno e transmitido integralmente para o Cloud Server a cada 15 minutos, gerando um efeito instantâneao nos dados observados, porém com atualização despassada.

Os dados de maior interesse para a tomada de decisão na manutenção dos ativos da usina FV do MD foram dispostos juntos em um Dashboard gráfico, através das APIs disponíveis do fabricante do Inversores, SolarEdge. A Figura 9 apresenta a interface gráfica com a disposição dos dados em observação instantânea para a produção de energia, bem como a estimativa financeira.

A Figura 10 apresenta a implementação gráfica para acompanhamento do status de conexão ModBUS da usina com a plataforma SCADA desenvolvida.

A Figura 11 ilustra a implementação gráfica de alertas emitidos de falhas nos Inversores, indicando o tipo e a localização da falha.

A solução proposta para a aquisição de dados de geração a partir do armazenamento interno dos inversores é eficaz e garante a confiabilidade dos dados obtidos. As API Solar Edge se mostraram uma ferramenta de auto desempenho para supervisão dos componentes instalados na usina FV do MD.

Para aplicação em dispositivos móveis, foi possível implementar o monitoramento de acompanhamento de produção energético, status de conexão do sistema e alarmes de possíveis falhas no sistema, não sendo possível extrair informações de grandezas físicas dos inversores instalados.

De forma geral a plataforma IoT desenvolvida cumpriu com seus objetivos na implementação via Web Service e também para dispositivos móveis.

Para implementação da plataforma desenvolvida em dispositivos móveis, a grande maioria das API desenvolvidas para web funcionaram para aparelhos móveis, onde foi utilizado para teste, o aplicativo MysolarEdge gratuito, sendo possível apenas visualização, Figura 12.

5. Agradecimentos

Este trabalho teve como apoio em parte pelo CNPq - Conselho Nacional de Pesquisa (Processo 310941/2022-9 PQ-1D), em parte pela FAPDF - Fundação de Amparo à Pesquisa do Distrito Federal (Processo 625/2022 SISTeR City), em parte pela Universidade de Brasília (Ofício 7129 UnB COPEI), em parte pelo projeto AMORIS - Aplicativo Móvel e Central de Comando e Controle sobre Rede IoT para Suporte a Ações de Solidariedade no Combate ao COVID-19 e outros Surtos pela Procuradoria-Geral da União (Ofício AGU 697.935/2019), em parte pelo Conselho Administrativo de Defesa Econômica (Ofício CADE 08700.000047/2019-14), e em parte pelo Procuradoria Geral da Fazenda Nacional (Processo PGFN 23106.148934/2019-67).

6. Conclusões

Neste trabalho foram apresentadas as etapas de projeto, especificação e implantação de uma plataforma IoT de supervisão da usina fotovoltaica instalada no Ministério da Defesa em Brasília-DF.

Utilizando um sistema SCADA gratuito, SCADABR, em conjunto com as API SolarEdge disponíveis em um servidor cloud, o layout desenvolvido possui recursos gráficos que facilitam o monitoramento, disponibilização dos dados em tempo real, armazenamento de todo o histórico de produção, permitindo a comparação por períodos, além de possibilitar aferições de grandezas físicas dos componentes instalados, bem como extrair gráficos de desempenho.

Para aplicação Mobile, a implementação ocorreu de maneira satisfatória, podendo ser acompanhado de maneira resumida os indicadores de produção e status do sistema, tendo ainda alarmes de ocorrências no sistema.

Considerando que geralmente o monitoramento de usinas utiliza um dispositivo de transferência de dados para cada inversor instalado, o sistema proposto no presente trabalho além de apresentar baixo custo frente as soluções comerciais, possui a vantagem de utilizar apenas um hardware para realizar a aquisição e transferência de dados de todos os inversores conectados ao barramento RS485, reduzindo ainda mais os custos com componentes eletrônicos.

Embora o sistema desenvolvido tenha apresentado funcionamento satisfatório, alguns módulos podem ser explorados para trabalhos futuros, a saber:

* Integração de outros parâmetros prediais na plataforma de monitoramento, onde será necessário investimento de componentes inteligentes e modernização de instalações no Ministério da Defesa.

* Testes na segurança cibernética do sistema;

* Backup do banco de dados utilizado que pertence a um serviço grátis, não apresentando segurança na manutenção dos dados no futuro;

* Implementação de outras APIs como para incremento de informações ao usuário e de acordo com o Plano de Manutenção dos ativos instalados.

References

Referencias

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