Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Eugénio da Costa Oliveira

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores na Faculdade de Engenharia de Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor João Abel Peças Lopes e do Prof. Doutor João Paulo Tomé Saraiva

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

A eletricidade como recurso energético adquiriu importância vital na sociedade moderna, pois permite atender de modo relativamente simples a demanda pelos seus serviços. Dessa forma a demanda pela eletricidade aumenta proporcionalmente a evolução das populações que dela se beneficiam. O sistema elétrico que produz esse insumo está limitado em sua capacidade aos recursos disponíveis para geração, transmissão e distribuição de energia. Grosso modo esse limite é definido pela potência máxima do sistema. Essa potência máxima pode ser alcançada em determinados períodos do dia, denominados horários de ponta e em boa parte do tempo o sistema é sub aproveitado. Havendo a possibilidade de controle da demanda, seria possível empregar essa capacidade ociosa pela transferência de cargas para horários mais favoráveis. Para isso é necessário haver a ação coordenada dos muitos consumidores para obter o resultado operacional desejado. A coordenação seria então obtida através das chamadas redes inteligentes que agregam funções e automação com vários níveis de complexidade e constituem um sistema muito amplo que une a geração ao consumo. A diferença perceptível pelo consumidor residencial está no fato deste ser incluído na operação dessa rede praticamente em tempo real, ou seja, espera-se sua participação mais efetiva no sistema elétrico. Um dos meios projetados para obter esse efeito é através de incentivos tarifários, onde a variação do custo da energia motivaria o consumidor a mudar seus hábitos de consumo. Para participar desse sistema o consumidor residencial precisa adaptar suas instalações para operar de modo mais eficiente obtendo o máximo de energia com o menor custo. Não é sempre que a mudança de hábitos está no poder do consumidor, de modo que este precisa de meios para adaptar suas instalações elétricas a essa realidade. A adaptação envolve incorporar meios de armazenamento e gerenciamento de recursos energéticos a fim de que a instalação forneça os serviços energéticos no momento em que é necessário, independente do momento em que adquire os insumos necessários. Para isso é necessário, além dos meios de armazenamento de energia, um sistema autônomo de controle, posto que os consumidores residenciais não devem viver em função de suas instalações elétricas. Esse sistema autônomo seria composto por elementos automáticos derivados daqueles empregados na automação industrial nos circuitos de comandos elétricos. Dessa forma o objetivo deste trabalho é analisar o potencial de aplicação dos chamados dispositivos elétricos inteligentes (medidores e elementos de controle) na automação das instalações elétricas residenciais e sua possível interação com as redes inteligentes. / Electricity as an energy resource acquired vital importance in modern society because it allows relatively easily meet the demand for their services. Thus the demand for electricity increases with the evolution of populations who benefit from. The electrical system that produces this input is limited in its ability to available resources for generation, transmission and distribution. Roughly speaking this limit is set by the maximum power of the system. This maximum power can be achieved at certain times of the day, called peak hours and in most of the time the system is under utilized. Having the ability to control demand, you could use that excess capacity by transferring loads to more favorable times. For this there must be a coordinated action of many consumers to obtain operating results. Coordination would then be obtained through socalled smart grids that add functions and automation with various levels of complexity and constitute a very large system that binds generation to consumption. The noticeable difference is in the residential consumer of this fact be included in the operation of this network in near real time, or is awaiting more effective participation in the electrical system. One of the means designed to achieve this effect is through tariff incentives, where the variation of the energy cost would motivate consumers to change their consumption habits. To participate in this system the residential consumer needs to adapt its facilities to operate more efficiently by getting the maximum power at the lowest cost. It is not often that changing habits is the power of consumer, so it needs the means to adapt their electrical installations to this reality. Adaptation involves incorporating means for storing and managing energy resources so that the installation provides energy services at the time that is required, regardless of the time it purchases the necessary inputs. This requires, beyond the means of energy storage, as a control, given that residential consumers should not live according to their electrical out lets. This system would consist of standalone automatic elements derived from those used in industrial automation electrical control circuits. Therefore the aim of this work is to analyze the potential application of so-called smart electric devices (meters and control elements) in the automation of residential electrical installations and their interaction with the smart grid.

A eletricidade como recurso energético adquiriu importância vital na sociedade moderna, pois permite atender de modo relativamente simples a demanda pelos seus serviços. Dessa forma a demanda pela eletricidade aumenta proporcionalmente a evolução das populações que dela se beneficiam. O sistema elétrico que produz esse insumo está limitado em sua capacidade aos recursos disponíveis para geração, transmissão e distribuição de energia. Grosso modo esse limite é definido pela potência máxima do sistema. Essa potência máxima pode ser alcançada em determinados períodos do dia, denominados horários de ponta e em boa parte do tempo o sistema é sub aproveitado. Havendo a possibilidade de controle da demanda, seria possível empregar essa capacidade ociosa pela transferência de cargas para horários mais favoráveis. Para isso é necessário haver a ação coordenada dos muitos consumidores para obter o resultado operacional desejado. A coordenação seria então obtida através das chamadas redes inteligentes que agregam funções e automação com vários níveis de complexidade e constituem um sistema muito amplo que une a geração ao consumo. A diferença perceptível pelo consumidor residencial está no fato deste ser incluído na operação dessa rede praticamente em tempo real, ou seja, espera-se sua participação mais efetiva no sistema elétrico. Um dos meios projetados para obter esse efeito é através de incentivos tarifários, onde a variação do custo da energia motivaria o consumidor a mudar seus hábitos de consumo. Para participar desse sistema o consumidor residencial precisa adaptar suas instalações para operar de modo mais eficiente obtendo o máximo de energia com o menor custo. Não é sempre que a mudança de hábitos está no poder do consumidor, de modo que este precisa de meios para adaptar suas instalações elétricas a essa realidade. A adaptação envolve incorporar meios de armazenamento e gerenciamento de recursos energéticos a fim de que a instalação forneça os serviços energéticos no momento em que é necessário, independente do momento em que adquire os insumos necessários. Para isso é necessário, além dos meios de armazenamento de energia, um sistema autônomo de controle, posto que os consumidores residenciais não devem viver em função de suas instalações elétricas. Esse sistema autônomo seria composto por elementos automáticos derivados daqueles empregados na automação industrial nos circuitos de comandos elétricos. Dessa forma o objetivo deste trabalho é analisar o potencial de aplicação dos chamados dispositivos elétricos inteligentes (medidores e elementos de controle) na automação das instalações elétricas residenciais e sua possível interação com as redes inteligentes. / Electricity as an energy resource acquired vital importance in modern society because it allows relatively easily meet the demand for their services. Thus the demand for electricity increases with the evolution of populations who benefit from. The electrical system that produces this input is limited in its ability to available resources for generation, transmission and distribution. Roughly speaking this limit is set by the maximum power of the system. This maximum power can be achieved at certain times of the day, called peak hours and in most of the time the system is under utilized. Having the ability to control demand, you could use that excess capacity by transferring loads to more favorable times. For this there must be a coordinated action of many consumers to obtain operating results. Coordination would then be obtained through socalled smart grids that add functions and automation with various levels of complexity and constitute a very large system that binds generation to consumption. The noticeable difference is in the residential consumer of this fact be included in the operation of this network in near real time, or is awaiting more effective participation in the electrical system. One of the means designed to achieve this effect is through tariff incentives, where the variation of the energy cost would motivate consumers to change their consumption habits. To participate in this system the residential consumer needs to adapt its facilities to operate more efficiently by getting the maximum power at the lowest cost. It is not often that changing habits is the power of consumer, so it needs the means to adapt their electrical installations to this reality. Adaptation involves incorporating means for storing and managing energy resources so that the installation provides energy services at the time that is required, regardless of the time it purchases the necessary inputs. This requires, beyond the means of energy storage, as a control, given that residential consumers should not live according to their electrical out lets. This system would consist of standalone automatic elements derived from those used in industrial automation electrical control circuits. Therefore the aim of this work is to analyze the potential application of so-called smart electric devices (meters and control elements) in the automation of residential electrical installations and their interaction with the smart grid.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Tecnologia Multimédia, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Doutor Nuno Manuel Robalo Correia

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Área de especialização de Telecomunicações), na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor José António Ruela Simões Fernandes

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (área de especialização de Telecomunicações), na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor Luís António Pereira de Meneses Corte-Real

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Dissertation submitted for obtain the degree of Doctor, at the Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, under supervisory Prof. José António Ruela Simões Fernandes