Dentre as principais questões discutidas recentemente para se chegar a uma Smart Grid (Rede Elétrica Inteligente), destaca-se o conceito “interoperabilidade de sistemas”. Acreditamos ser este o ponto central na construção de uma Smart Grid bem sucedida. O resultado deverá ser um sistema robusto, escalável, de baixo custo e preparado para suportar qualquer tipo de serviço ou aplicação, tal como uma “internet” voltada ao fornecimento de energia elétrica.
O conceito Smart Grid tem sido implementado em diversas escalas e iniciativas, e sabemos que grande parte do hardware que o constitui já foi testado e aprovado, ainda que de forma isolada. Portanto, sensores, atuadores e modems M2M com ou sem fio podem ser classificados como “prontos” neste contexto. Por outro lado, sistemas de informação (softwares) estão em estágio menos testado e carente de uma padronização que permita a convergência dos esforços.
O termo interoperabilidade pode ser definido como a habilidade de dois ou mais sistemas se comunicarem de forma transparente, alcançando plenamente seus propósitos. Para tanto, é imprescindível que fabricantes e concessionárias de energia elétrica adotem os mesmos padrões ou, simplesmente, adotem um padrão aberto, garantindo assim os menores investimentos nas implementações e os menores custos durante toda a vida útil das aplicações.
Várias Organizações de Desenvolvimento de Padrões (do inglês, SDOs) nacionais e internacionais têm organizado esforços, através de comitês técnicos e grupos de trabalho, para se chegar a um conjunto de tecnologias, normas e padrões visando a interoperabilidade na Smart Grid. Dentre outras, podem ser destacadas o IEC (International Electrotechnical Commission), através de seu SG3 (Smart Grid Strategic Group) com a publicação “Smart Grid Standardization Roadmap” em 2010, e o IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), através de seu projeto P2030 com a publicação “Draft Guide for Smart Grid Interoperability of Energy Technology and Information Technology Operation with the Electric Power System (EPS) and End-Use Applications and Loads” em 2011. Em 2010, a agência do governo Norte Americano NIST (National Institute of Standards and Technology) publicou o documento “NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards, Release 1.0” elencando padrões Smart Grid de consenso entre SDOs.
É importante destacar o trabalho de base realizado pelo IEC no contexto Smart Grid, com amplo portfólio de padrões internacionais voltados à automação, a exemplo daqueles derivados de atividades do Comitê Técnico 57 (IEC TC 57: Power Systems Management & Associated Information Exchange), que incluem o IEC 61850, especificação de arquitetura para automação de subestações (integra sistemas de proteção, controle, medição e monitoramento), um dos padrões de maior consenso entre SDOs, o IEC 60870, definição de procedimentos utilizados em sistemas de telecontrole e teleproteção (SCADA), e os IEC 61970/61968, que descrevem o padrão aberto CIM (Common Information Model) definindo uma semântica para o gerenciamento de sistemas de energia em ambiente de TI (software de aplicação), independente de fabricante ou provedor.
O roadmap do NIST foi resultado de gigantesco esforço de representantes do setor, sendo considerado por muitos um dos principais registros de interoperabilidade na Smart Grid. Este trabalho foi suportado por entidades de renome no mundo Smart Grid, dentre outras o EPRI (Electric Power Research Institute) e o GWAC (GridWise Architecture Council). O Modelo de Referência Conceitual Smart Grid do NIST “Smart Grid Conceptual Reference Model”, citado nos roadmaps do IEC e IEEE, provê um framework de alto nível com a definição de sete domínios: geração, transmissão, distribuição, consumidores, operações, mercados e provedores de serviço, onde cada um deles pode ser dividido em subdomínios. Domínios e subdomínios incluem “atores” (dispositivos e softwares que trocam mensagens) e “aplicações” (ex: gerenciamento de energia). Este framework pode ser visualizado na figura 1, que destaca “fluxos de informação” e “fluxos de energia elétrica” entre domínios.
Figura 1: Modelo de Referência Conceitual Smart Grid [ref.: NIST Special Publication 1108].
O documento do NIST apresenta, em seu capítulo 4, duas importantes tabelas, definindo padrões nativos de várias SDOs em suporte à interoperabilidade na Smart Grid. A primeira delas (tabela 4.1), mais importante, lista padrões e especificações pelos quais o NIST entende que haja concordância entre stakeholders. Por exemplo, nela estão listados os padrões ANSI C12 suite (smart metering), DNP3 (Distributed Network Protocol 3), IEC 60870, Zigbee, IETF RFC 2460 (IPv6), IEEE C37.118 (suporte à PMU: Phasor Measurement Unit), IEC 62351 parts 1-8 (segurança em operações de controle), ISO/IEC 27000 (segurança de informação), NERC CIP 002-009 (segurança na geração) e Multispeak (integração de softwares de aplicação). A segunda tabela (tabela 4.2) contém padrões com “aplicação ou provável aplicação” na Smart Grid, como por exemplo, aqueles do 3GPP family (celular), GPS (em auxílio à PMU), IEEE 802 family (LANs e MANs), IEEE P2030 (roadmap do IEEE), OASIS EI (padrões XML para interoperação), HomePlug AV (BPL indoor) e ITU G. 9960 (camada física e arquitetura G.Hn: rede doméstica sobre powerline, linha telefônica e cabo coaxial), que, no entanto, seriam objeto de revisão mais rigorosa.
O NIST categorizou Planos de Ações Prioritárias (PAPs: Priority Actions Plans) visando definir focos (prioridades) para a construção de uma Smart Grid interoperável, sendo um de seus principais critérios o caráter de urgência. Cada um dos dezoito PAPs é ligado a organizações de padrões relevantes em alguma área específica da Smart Grid. Por exemplo, o PAP 15 (Harmonize Power Line Carrier Standards for Appliance Communications in the Home) trabalha com diferentes padrões BPL disponíveis no mercado, mas que não conversam entre si, podendo-se citar o ITU G.Hn (HomeGrid), o IEEE P1901 (HomePlug) e o ANSI/CEA 709.2 (Lonworks). O objetivo do PAP 15 é, portanto, desenvolver padrões BPL interoperáveis para HANs (Home Area Networks). Já o PAP 12 (DNP3 Mapping to IEC 61850 Objects) trabalha no mapeamento do DNP3 para objetos IEC 61850 visando a integração de equipamentos DNP3 (rede legada) com equipamentos IEC 61850, considerado padrão full Smart Grid.
Parceiro do NIST, o GWAC, composto por lideranças de indústrias, é outra entidade que pode ser identificada como promotora de uma Smart Grid interoperável. O GWAC advoga que grandes sistemas, tais como uma Smart Grid, requerem a definição de diferentes “camadas de interoperabilidade” para propor o “GWAC stack” (figura 2), onde oito camadas dividem-se em três grupos (técnico, informacional e organizacional) definindo um contexto onde são determinados requisitos de interoperabilidade. Em suas publicações estão citadas tecnologias ditas convergentes. Por exemplo, protocolos como FTP, TCP, UDP, IP/IPv6, ARP e IPSec são reportados como interoperáveis, tecnologias XML, HTML e ASN.1 são padrões para a interoperabilidade sintática, enquanto CIM e modelos de objetos baseados no IEC 61850 e no XSD (XML Schema Definition) são padrões comuns para o entendimento semântico.
Figura 2: GWAC (GridWise Architecture Council) Stack [ref.: NIST Special Publication 1108].
Para o IEEE, a Smart Grid é vista como um grande “sistema de sistemas”, onde cada domínio do Modelo de Referência Conceitual do NIST é expandido em três camadas: (i) Camada de Energia, (ii) Camada de Comunicação e (iii) Camada de TI/Computação. As camadas (ii) e (iii) são “infraestruturas habilitadoras” da Camada de Energia, fazendo a rede elétrica inteligente existir. O IEEE tem aproximadamente 100 padrões, aprovados ou propostos, relacionados à Smart Grid, incluindo 20 padrões citados no roadmap do NIST, como por exemplo, o padrão IEEE C37.118-2005 (Synchrophasor Protocol), o IEEE 1547 suite (define requisitos de interconexão entre a utility e a geração distribuída) e o IEEE 1159.3-2003 (Recommended Practice for the Transfer of Power Quality Data), importante por definir um formato de arquivo para a troca de dados de medições relacionadas à qualidade de energia independentemente de fabricante. Importante destacar o IEEE SCC21 (Standards Coordinating Committee on Fuel Cells, Photovoltaics, Dispersed Generation, and Energy Storage), comitê IEEE para assuntos relacionados à geração distribuída e armazenamento, citado pelo roadmap do NIST. Finalmente, o projeto IEEE P2030 define terminologias, características, desempenho funcional e critérios de avaliação visando consolidar a interoperação entre o sistema de fornecimento de energia, as aplicações dos usuários e as cargas em uma Smart Grid.
Em seu roadmap de 136 páginas, o IEC, que também adota o Modelo de Referência Conceitual do NIST, foca principalmente em padrões relacionados ao monitoramento e controle de componentes da rede elétrica. No entanto, diferentemente do NIST, relaciona apenas padrões próprios (IEC). O documento apresenta uma visão geral de áreas chaves de uma Smart Grid, tanto gerais (p. ex., comunicações e segurança) como específicas (p. ex., DR: Demand Response), apresentando para cada uma delas definições e descrições, e finalmente uma lista com recomendação de padrões IEC. Importante notar que para cada uma dessas áreas chave são identificados também “standard gaps”. O roadmap IEC identifica em seu Apêndice 6 sete padrões considerados fundamentais na implantação da Smart Grid do futuro (core standards: IEC /TR 62357, IEC 61970, IEC 61850, IEC 61968, IEC 61351, IEC 62056 e IEC 61508) e pelo menos outros 100 padrões IEC classificados em três níveis de relevância (high, medium, low). A lista de padrões do roadmap IEC facilita a consulta ao agrupá-los pela aplicação Smart Grid (AMI, DA, DR, DMS, etc.), podendo ser acessada através do site http://www.iec.ch/smartgrid/standards/
Segundo o roadmap do NIST, há grande expectativa que tecnologias baseadas em redes IP (Internet Protocol) possam servir como elementos chaves nos sistemas de informação de uma Smart Grid. Embora o estágio atual da tecnologia IP possa não suportar plenamente todos os requisitos da rede elétrica inteligente, como restrições de tempos de resposta (seria necessário o auxílio do MPLS) e a quantidade de novos endereçamentos (recomenda-se a migração para IPv6), há uma série de fatores que a elegem como plataforma de sustentação à evolução da rede de energia elétrica. O fato de a tecnologia IP permitir que aplicações sejam desenvolvidas independentemente de topologias e tecnologias de comunicação está entre os mais evidentes. Igualmente importante, o grau de maturidade em que os padrões das redes IP alcançaram, a grande disponibilidade de ferramentas e o grande alcance que tais redes impetraram em ambientes privados e públicos corroboram para esta tendência, que se consolidará com uma proposta mais precisa de um suite de RFCs relacionadas ao ambiente Smart Grid, assim como o desenvolvimento de RFCs complementares a este escopo.
No NIST, a tarefa de viabilização de uma Smart Grid baseada em plataforma IP está sendo desempenhada pelo PAP 01 (Guidelines for the Use of IP Protocol Suite in the Smart Grid). Ainda, padrões como ANSI C12.22 (End Device Tables communications over any network), que descreve um protocolo para transportar tabelas ANSI C12.19 (utilizadas em smart meters) sobre redes quaisquer, e IEC 61850, cujo modelo de objetos é tal que permite o mapeamento para outros protocolos que rodam sobre TCP/IP, reduzem o caminho para o IP. Trabalhos recentes apontam o uso do SIP (RFC 3261: Session Initiation Protocol) como core de controle (de informação) de uma Smart Grid, desempenhando o mesmo papel de convergência das NGNs (Next Generation Networks) ou redes All-IP implementadas via o 3GPP IMS (IP Multimidia Subsystem). Toda esta questão pode ser resumida pela declaração de Arnold George (Diretor do NIST e Coordenador Nacional para a Interoperabilidade na Smart Grid nos EUA) à revista NETWORKWORLD (outubro de 2009): “IP e padrões da internet serão os protocolos da Smart Grid”. Tal visão é corroborada por empresas como Cisco Systems, Microsoft e Google, dentre outras, com larga tradição em arquiteturas de rede e aplicações baseadas em IP. No entanto, aspectos de segurança e a viabilidade de, em hipótese, uma cloud computing suportar requisitos de automação e controle são questões abertas neste cenário.
Muitos dos padrões acima listados apresentados como “de consenso” foram selecionados pelo NIST, entidade ligada ao governo dos EUA, país no qual o escopo de ação na Smart Grid pode ser diferente de outras regiões do mundo. Por exemplo, enquanto nos EUA, que contam com mais de 3000 utilities, o foco está na modernização de sua infraestrutura, o Japão, que já usufrui de redes de transmissão e distribuição confiáveis nas suas 10 utilities, coloca seus esforços na viabilização de um sistema com baixa emissão de carbono. Este esforço se repete em países da Europa. É interessante, portanto, identificar roadmaps Smart Grid em outros países, assim como as abordagens do setor privado.
A EC (European Commission), corpo executivo da União Européia, tem solicitado roadmaps em sua área de influência. Por exemplo, o Mandate M/441, que envolve as SDOs européias CEN, CENELEC e ETSI, foi instituído com a finalidade de criar padrões europeus que permitirão a interoperabilidade entre utility meters (eletricidade, gás, água e calor). Por outro lado, a ETP (European Technology Platform) promove a Smart Grid coordenando fóruns de stakeholders visando a criação de uma “Plataforma Tecnológica Smart Grid Européia” (SG ETP: Smart Grids European Technology Platform). Outras iniciativas como o chinês SGCC (State Grid Corporation of China), os japoneses METI (Ministry of Economy, Trade and Industry) e JISC (Japanese Industrial Standards Committee), o coreano KATS (Korean Agency for Technology and Standards), os alemães BDI (Bundesverband der Deutschen Industrie) e BMWi E-Energy Program e os projetos norte-americanos Microsoft SERA (Smart Energy Reference Architecture) e EPRI Intelligrid merecem investigação.
O Governo Brasileiro também trabalha na criação de seu roadmap Smart Grid. O MME (Ministério de Minas e Energia) criou, por meio da Portaria 440 de 15/04/2010, um grupo de trabalho (GT) para analisar e identificar ações necessárias para subsidiar o estabelecimento de políticas públicas para a implantação do “Programa Brasileiro de Rede Elétrica Inteligente”. O GT é composto por representantes do MME, da EPE (Empresa de Pesquisa Energética), do CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica), da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) e do ONS (Operador Nacional do Sistema). O programa abordará, principalmente, uma proposta de adequação de regulamentações e normas gerais dos serviços públicos de distribuição de energia elétrica, a identificação de fontes de recursos para financiamento e incentivos à produção de equipamentos no País e novas possibilidades de atuação de acessantes no mercado (promovendo os chamados “prosumidores”: geração para consumo próprio e venda do excedente).
Um Projeto Estratégico de P&D para migração tecnológica do setor elétrico brasileiro, proposto pela ABRADEE (Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica) e APTEL (Associação de Empresas Proprietárias de Infraestrutura e de Sistemas Privados de Telecomunicações) em atendimento à chamada ANEEL 011/2010, está em curso reunindo 37 Concessionárias de Energia Elétrica, dentre outras a CEMIG (coordenadora do projeto) e a CELG, e seis Entidades de Pesquisa de renome, dentre outras o CPqD (Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações) com reconhecida competência em integração de sistemas via TICs (Tecnologias da Informação e Comunicação), totalizando 189 profissionais envolvidos. O projeto aborda sete blocos: Governança e Integração do Projeto (bloco 01), Medição Inteligente (bloco 02), Automação da Distribuição e da Transmissão (bloco 03), Geração Distribuída, Armazenamento e Veículos Elétricos (bloco 04), Telecom, TI e Interoperabilidade (bloco 05), Políticas Públicas e Regulação (bloco 06), Perspectiva do Consumidor (bloco 07).
O trabalho de harmonização de padrões, apesar de extremamente complexo, é fundamental para viabilizar o conceito Smart Grid. Neste contexto, o estudo investigativo de frameworks e roadmaps, visando identificar normas e padrões para a implementação de seu “backbone”, torna-se essencial. Além desses esforços, pactos de co-publicação de padrões de grupos de SDOs, evitando normas regionais, agregariam notável contribuição para a maturidade da Smart Grid. Fazendo uma analogia com a internet, há duas décadas o homem não podia vislumbrar a revolução que a mesma iria causar no mundo moderno: hoje ninguém trabalha, de forma eficiente, sem utilizá-la. As redes de energia elétrica devem seguir o mesmo caminho das redes de computadores, isto é, tornarem-se inteligentes e interoperáveis de modo a garantir a oferta de energia elétrica com maior qualidade e menor impacto ambiental às futuras gerações.
Finalmente, este nosso artigo não tem a pretensão de esgotar o assunto, ao contrário, tem a modesta intenção de demonstrar o quão complexa se tornou a questão e grandiosa a tarefa. Ao mesmo tempo, gostaríamos de acenar com a lembrança de que importantes conquistas na história moderna foram conseguidas após um inspirador trabalho de simplificação das hipóteses.
José Gonçalves Vieira, Engenheiro Eletricista/Eletrônico, Diretor Técnico-Comercial
da CELGTELECOM, Superintendente de Novos Negócios e Telecomunicações
da CELG Distribuição S.A. e Diretor de Inovações Tecnológicas da APTEL.
vieira@celg.com.br – vieira@aptel.com.br
Sérgio Granato de Araújo, Professor da Escola de Eng. Elétrica e de Computação (EEEC) da UFG (Universidade Federal de Goiás), Consultor / Assessor da Superintendência de Novos Negócios e
Telecomunicações da CELG Distribuição S.A. e Dr. em Eng. Elétrica pela COPPE UFRJ.
Os autores agradecem à Domingos Sávio Leal (*) pelo trabalho de revisão.
(*) Eng. Aeronáutico pelo ITA, Consultor pela Integradores Soluções em Tecnologia, participante do Projeto de P&D Local em Smart Grid CELG/UFG.
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