Análise comparativa de tecnologias IoT aplicadas ao monitoramento de transformadores de energia

Resumo

Os transformadores de energia constituem equipamentos essenciais aos sistemas elétricos de potência,

de modo que a supervisão contínua de suas condições operacionais é determinante para a confiabilidade do fornecimento de energia elétrica. Este trabalho tem como objetivo realizar uma análise comparativa de tecnologias de comunicação da Internet das Coisas (IoT) aplicadas ao monitoramento de transformadores de energia, a fim de identificar as soluções mais adequadas a diferentes cenários de aplicação. A pesquisa caracteriza-se como qualitativa, de natureza exploratória e descritiva, fundamentada em revisão narrativa da literatura científica publicada entre 2004 e 2025 em bases de dados indexadas. Foram selecionadas seis tecnologias de comunicação recorrentes na literatura, a saber, Zigbee, Wi-Fi, GSM/GPRS, NB-IoT, LoRaWAN e Sigfox, avaliadas segundo os critérios de alcance, taxa de transmissão, consumo de energia, custo, escalabilidade e qualidade de serviço. Os resultados indicam que não há tecnologia única adequada a todos os cenários: soluções de curto alcance favorecem aplicações em subestações com elevada demanda de dados, enquanto as redes de longa distância e baixa potência mostram-se mais adequadas ao monitoramento de transformadores de distribuição geograficamente dispersos. Conclui-se que a seleção tecnológica deve considerar os requisitos específicos da aplicação, despontando como promissoras as arquiteturas híbridas que combinam diferentes tecnologias de comunicação.

Palavras-Chave: Internet das Coisas; Transformadores de energia; Monitoramento de condição; Redes LPWAN; Sistemas elétricos de potência.

Abstract

Power transformers are essential components of electric power systems, and the continuous supervision of their operating conditions is decisive for the reliability of the electricity supply. This paper aims to carry out a comparative analysis of Internet of Things (IoT) communication technologies applied to the monitoring of power transformers, in order to identify the most suitable solutions for different application scenarios. The research is characterized as qualitative, exploratory and descriptive, based on a narrative review of the scientific literature published between 2004 and 2025 in indexed databases. Six communication technologies recurrently reported in the literature were selected, namely Zigbee, Wi-Fi, GSM/GPRS, NB-IoT, LoRaWAN and Sigfox, which were evaluated according to the criteria of range, data rate, energy consumption, cost, scalability and quality of service. The results indicate that there is no single technology suitable for all scenarios: short-range solutions favor applications in substations with high data demand, whereas low-power wide-area networks are more suitable for monitoring geographically dispersed distribution transformers. It is concluded that the technological selection must consider the specific requirements of the application, with hybrid architectures combining different communication technologies emerging as a promising approach.

Keywords: Internet of Things; Power transformers; Condition monitoring; LPWAN networks; Electric power systems.

1 Introdução

A Internet das Coisas - IoT (Internet of Things) destaca-se como uma tecnologia relevante para a transformação digital, permitindo a integração de dispositivos capazes de coletar, transmitir e compartilhar dados. No monitoramento de equipamentos, a IoT possibilita a aquisição contínua de informações sobre parâmetros operacionais, contribuindo para o acompanhamento em tempo real e para a tomada de decisões mais eficientes. Sua expansão está relacionada ao avanço de sensores, sistemas de comunicação e plataformas de processamento de dados, que ampliam as possibilidades de aplicação em diferentes setores (Atzori; Iera; Morabito, 2010).

No setor de energia elétrica, a aplicação de tecnologias IoT tem possibilitado o monitoramento e a automação de sistemas de distribuição em tempo real, contribuindo para a melhoria da eficiência, da confiabilidade e da capacidade de detecção de falhas nos sistemas elétricos (Ghasempour, 2019). Os transformadores de energia são equipamentos essenciais ao funcionamento do sistema elétrico, tornando seu monitoramento contínuo fundamental para garantir condições adequadas de operação. Nesse contexto, tecnologias IoT podem ser aplicadas à aquisição e à transmissão de dados referentes a parâmetros como temperatura,

corrente, tensão, vibração e condições do óleo isolante.

As tecnologias IoT apresentam diferentes características de funcionamento e desempenho. Aspectos como alcance, taxa de transmissão, consumo de energia, custo, confiabilidade e capacidade de integração podem variar de acordo com a tecnologia empregada. Além disso, sensores, protocolos de comunicação, arquitetura do sistema e plataformas de processamento e armazenamento influenciam diretamente a eficiência do monitoramento. Dessa forma, a seleção da tecnologia IoT deve considerar as características do ambiente e os requisitos específicos da aplicação.

A comparação entre diferentes tecnologias IoT é fundamental para identificar as soluções mais adequadas ao monitoramento de transformadores de energia. A análise comparativa considera aspectos como alcance, consumo de energia, custo, taxa de transmissão, escalabilidade e confiabilidade, fatores que podem influenciar diretamente a escolha da tecnologia para uma determinada aplicação (Durand et al., 2019; Thinh et al., 2023). Essa avaliação possibilita identificar as vantagens e limitações de cada tecnologia, contribuindo para a seleção da alternativa mais adequada às características e aos requisitos

dos sistemas elétricos.

Este trabalho apresenta uma análise comparativa de tecnologias IoT aplicadas ao monitoramento de transformadores de energia. A análise considera as principais soluções identificadas na literatura, abrangendo suas características, aplicações, parâmetros monitorados e recursos empregados na aquisição e transmissão de dados. Dessa forma, busca-se identificar as principais diferenças, vantagens e limitações das tecnologias analisadas, contribuindo para a seleção de soluções IoT adequadas ao monitoramento de transformadores de energia.

2 Revisão da Literatura

A IoT refere-se a um conceito no qual diferentes objetos e dispositivos, como sensores, atuadores, etiquetas de identificação por radiofrequência (RFID) e dispositivos móveis, podem ser identificados e conectados em rede, permitindo a interação e a troca de informações entre eles. Essa capacidade de comunicação e cooperação entre dispositivos constitui um dos fundamentos da IoT e possibilita sua aplicação em diferentes contextos, incluindo sistemas de monitoramento (Atzori; Iera; Morabito, 2010).

A aplicação da IoT envolve a integração de dispositivos de aquisição de dados, tecnologias de comunicação e sistemas destinados ao processamento e armazenamento das informações coletadas. Nesse contexto, os sensores desempenham um papel fundamental, pois possibilitam a coleta de informações sobre diferentes parâmetros do ambiente ou dos objetos monitorados. Os dados obtidos pelos sensores podem ser transmitidos por meio de redes de comunicação e posteriormente processados, possibilitando sua utilização pelas aplicações IoT (Sethi; Sarangi, 2017).

No contexto dos sistemas elétricos de potência, essa capacidade de monitoramento pode ser aplicada aos transformadores de energia, equipamentos fundamentais para a transmissão e distribuição de energia elétrica. Durante a operação, esses equipamentos estão sujeitos a condições que podem comprometer seu desempenho e sua vida útil, como elevação excessiva da temperatura, sobrecarga, variações de tensão e corrente, vibrações e degradação do isolamento. O monitoramento desses parâmetros por meio de sensores integrados a sistemas IoT permite obter informações contínuas sobre as condições de operação do equipamento, contribuindo para a identificação de alterações que possam indicar o desenvolvimento de falhas (Msane; Thango; Ogudo, 2024).

Os sensores são elementos essenciais para a aquisição de dados em sistemas de monitoramento. Esses dispositivos convertem grandezas físicas e elétricas em sinais que podem ser processados e transmitidos por sistemas IoT. Sua seleção depende da grandeza monitorada, das condições de operação do transformador e dos requisitos de precisão e confiabilidade. Assim, diferentes tecnologias podem ser empregadas conforme a finalidade do monitoramento, constituindo a etapa inicial da aquisição de dados e da avaliação das condições de operação do equipamento.

O monitoramento térmico constitui uma das aplicações mais difundidas no acompanhamento das condições de transformadores. A temperatura do topo do óleo e a temperatura dos enrolamentos podem ser medidas por meio de sensores resistivos do tipo PT100 (RTD), termopares e, mais recentemente, sensores a fibra óptica instalados diretamente nos enrolamentos, os quais permitem estimar o ponto quente (hot-spot) sem interferência eletromagnética. Trata-se de parâmetro determinante para a avaliação do envelhecimento do equipamento, uma vez que elevações sustentadas de temperatura aceleram a degradação do papel isolante e reduzem a vida útil do transformador (Tenbohlen et al., 2016).

As grandezas elétricas, por sua vez, são obtidas por meio de transformadores de corrente (TCs) e de potencial (TPs), que fornecem sinais proporcionais à corrente de carga e à tensão de operação, a partir dos quais podem ser calculadas as potências ativa e reativa, o fator de potência e o carregamento do equipamento, permitindo a detecção de sobrecargas e de desequilíbrios entre fases. Em soluções IoT de baixo custo, sensores de efeito Hall e bobinas de Rogowski têm sido empregados como alternativas não intrusivas para a medição de corrente em transformadores de distribuição (Msane; Thango; Ogudo, 2024).

No que se refere ao sistema de isolamento líquido, sensores de nível e de umidade do óleo permitem identificar vazamentos e a presença de água no meio isolante. Destacam-se, ainda, os sensores de análise de gases dissolvidos (DGA, do inglês Dissolved Gas Analysis), capazes de detectar gases como hidrogênio, metano, etileno e acetileno, gerados pela decomposição do óleo e da celulose sob falhas térmicas e elétricas incipientes. Equipamentos de DGA on-line, quando integrados a sistemas IoT, possibilitam o acompanhamento contínuo

da evolução desses gases e a antecipação de falhas internas (Bustamante et al., 2019).

Complementarmente, acelerômetros e sensores acústicos viabilizam o monitoramento de vibrações e ruídos associados ao afrouxamento de enrolamentos e do núcleo (Thinh et al., 2023), enquanto sensores de descargas parciais, baseados em métodos elétricos, acústicos ou de ultra-alta frequência (UHF), permitem identificar defeitos incipientes no sistema de isolamento (Tenbohlen et al., 2016). A associação desses dispositivos a microcontroladores e módulos de comunicação de baixo custo constitui a base dos sensores IoT aplicados ao monitoramento de transformadores de energia (Msane; Thango; Ogudo, 2024). A Tabela 1 sintetiza os principais tipos de sensores empregados no monitoramento de transformadores de

energia, as grandezas monitoradas e suas respectivas aplicações.

Tabela 1 – Tipos de sensores aplicados ao monitoramento de transformadores de

energia

Fonte: elaborada pelos autores com base em Tenbohlen et al. (2016), Bustamante et al. (2019), Thinh et

al. (2023) e Msane, Thango e Ogudo (2024).

Além dos sensores, as tecnologias de comunicação constituem elemento central das arquiteturas IoT, uma vez que são responsáveis pelo transporte dos dados coletados até as plataformas de processamento e armazenamento. Essas tecnologias podem ser classificadas em três grupos principais: redes de curto alcance, como Zigbee, Bluetooth e Wi-Fi; redes celulares, como GSM/GPRS, NB-IoT e LTE-M; e redes de longa distância e baixa potência (LPWAN, do inglês Low Power Wide Area Network), como LoRaWAN e Sigfox (Al-Fuqaha et al., 2015; Raza; Kulkarni; Sooriyabandara, 2017). Cada grupo apresenta características distintas de alcance, taxa de transmissão, consumo de energia e custo, que condicionam sua adequação a diferentes aplicações de monitoramento.

Entre as redes de curto alcance, o Zigbee, baseado no padrão IEEE 802.15.4, caracteriza-se pelo baixo consumo de energia, pela taxa de transmissão de até 250 kbit/s e pelo suporte a topologias em malha, sendo indicado para redes de sensores com elevado número de nós. O Wi-Fi (IEEE 802.11), por sua vez, oferece taxas de transmissão significativamente superiores, adequadas a aplicações com grande volume de dados, embora apresente maior consumo de energia e alcance limitado a algumas dezenas de metros (Lee; Su; Shen, 2007). Essas características tornam tais tecnologias apropriadas a ambientes restritos, como subestações, nos quais os dispositivos podem dispor de alimentação permanente.

As redes celulares constituem alternativa consolidada para o monitoramento remoto de transformadores. Sistemas baseados em GSM/GPRS são empregados desde a década de 2000 para a transmissão de parâmetros operacionais de transformadores de distribuição, aproveitando a ampla cobertura da infraestrutura celular existente (Al-Ali; Khaliq; Arshad, 2004). Mais recentemente, o NB-IoT (Narrowband Internet of Things), padronizado pelo 3GPP, passou a oferecer comunicação em espectro licenciado com baixo consumo de energia, elevada capacidade de conexões por célula e qualidade de serviço garantida, características que o tornam adequado a aplicações que exigem confiabilidade e baixa latência (Sinha; Wei; Hwang, 2017).

As redes LPWAN destacam-se pelo longo alcance e pelo consumo reduzido de energia, em contrapartida a taxas de transmissão limitadas. O LoRaWAN utiliza a técnica de espalhamento espectral LoRa em faixas não licenciadas sub-GHz, alcançando distâncias típicas de 5 km em áreas urbanas e de 20 km em áreas rurais, com taxas entre 0,3 e 50 kbit/s (Centenaro et al., 2016; Mekki et al., 2019). O Sigfox, por sua vez, emprega modulação em banda ultraestreita, atingindo alcances superiores, embora com restrições severas de carga útil e de quantidade diária de mensagens (Raza; Kulkarni; Sooriyabandara, 2017). Essas características favorecem aplicações de monitoramento periódico de grandezas de variação lenta, como a temperatura de transformadores.

Por fim, a literatura evidencia a integração dessas tecnologias a arquiteturas mais amplas, que abrangem camadas de percepção, rede e aplicação, incluindo plataformas em nuvem e recursos de computação de borda (edge computing) para o processamento local dos dados (Ghasempour, 2019). Em aplicações de monitoramento de transformadores de distribuição, o processamento na borda permite reduzir o volume de dados transmitidos e viabilizar diagnósticos em tempo próximo ao real, mesmo sob restrições de largura de banda (Thangiah; Ramanathan; Chodisetty, 2019).

3 Metodologia

Esta pesquisa caracteriza-se, quanto à abordagem, como qualitativa e, quanto aos objetivos, como exploratória e descritiva, pois busca identificar, descrever e comparar tecnologias de comunicação IoT aplicáveis ao monitoramento de transformadores de energia. Quanto aos procedimentos técnicos, o estudo consiste em uma pesquisa bibliográfica, do tipo revisão narrativa de literatura, realizada a partir de publicações científicas disponíveis nas bases IEEE Xplore, ScienceDirect, MDPI e SpringerLink.

O levantamento bibliográfico contemplou artigos de periódicos e conferências

publicados entre 2004 e 2025. A estratégia de busca foi estruturada a partir de quatro grupos de descritores: Internet das Coisas, transformadores de energia, monitoramento de condições e tecnologias de comunicação. Foram utilizados termos em língua inglesa e os operadores booleanos AND e OR. Entre as principais expressões empregadas, destacam-se: ("Internet of

Things" OR IoT) AND ("power transformer" OR "distribution transformer") AND ("condition monitoring" OR "transformer monitoring") AND ("communication technology" OR "wireless communication" OR "wireless sensor network" OR LPWAN); e ("power transformer" OR "distribution transformer") AND ("condition monitoring" OR "transformer monitoring") AND (Zigbee OR Wi-Fi OR "GSM/GPRS" OR "NB-IoT" OR LoRa OR LoRaWAN OR Sigfox).

Foram incluídos artigos que abordassem tecnologias de comunicação IoT aplicadas ao monitoramento de transformadores, arquiteturas de monitoramento, redes de sensores sem fio ou estudos comparativos entre tecnologias de comunicação, bem como trabalhos que apresentassem informações técnicas relevantes para o contexto analisado. Foram excluídos trabalhos sem relação direta com o objeto da pesquisa, estudos sem informações relevantes sobre comunicação ou monitoramento e publicações sem disponibilidade do texto completo.

A partir da literatura selecionada, foram definidas seis tecnologias de comunicação para a análise comparativa: Zigbee, Wi-Fi, GSM/GPRS, NB-IoT, LoRaWAN e Sigfox. A seleção considerou a presença dessas tecnologias na literatura consultada e suas diferentes características de comunicação. A comparação foi realizada com base em seis critérios técnicos e econômicos: alcance, taxa de transmissão, consumo de energia, custo de implantação e operação, escalabilidade e qualidade de serviço.

A análise foi realizada de forma qualitativa, por meio da extração e sistematização das informações apresentadas nas publicações selecionadas. Foram consideradas as características técnicas, vantagens, limitações e condições de aplicação de cada tecnologia, organizadas em um quadro comparativo e posteriormente discutidas em relação aos requisitos do monitoramento de transformadores de energia. A análise contemplou tanto o cenário de subestações quanto o de transformadores de distribuição geograficamente dispersos.

4 Resultados e Discussão

A sistematização das informações obtidas na literatura permitiu consolidar as principais características técnicas das seis tecnologias analisadas, conforme apresentado na Tabela 2. Os valores indicados correspondem às especificações nominais reportadas nos estudos consultados, podendo variar em função do ambiente de instalação, da configuração dos dispositivos e das condições de propagação do sinal.

Tabela 2 – Características das tecnologias de comunicação IoT analisadas

Fonte: adaptado de Lee, Su e Shen (2007), Sinha, Wei e Hwang (2017) e Mekki et al. (2019).

Os dados da Tabela 2 evidenciam um compromisso entre alcance, taxa de transmissão e consumo de energia. As tecnologias de curto alcance, como Wi-Fi e Zigbee, oferecem taxas de transmissão superiores, porém exigem maior densidade de infraestrutura de comunicação. No extremo oposto, as tecnologias LPWAN alcançam grandes distâncias com consumo mínimo de energia, à custa de taxas de transmissão reduzidas e de restrições de tráfego, como o limite de 140 mensagens diárias com carga útil de 12 bytes imposto pelo Sigfox (Mekki et al., 2019).

No contexto de subestações, em que os transformadores de potência se concentram em área restrita e dispõem de alimentação auxiliar permanente, tecnologias de maior taxa de transmissão, como o Wi-Fi, mostram-se adequadas ao transporte de grandezas com elevada frequência de amostragem, como sinais de vibração e correntes de carga, além de viabilizarem a integração com sistemas supervisórios locais. O Zigbee constitui alternativa para a formação de redes de sensores em malha no pátio da subestação, com baixo consumo e

custo reduzido, ainda que sujeito a interferências na faixa de 2,4 GHz (Lee; Su; Shen, 2007).

Para transformadores de distribuição geograficamente dispersos, as redes de longo alcance apresentam vantagens evidentes. O NB-IoT, por operar em espectro licenciado, oferece qualidade de serviço garantida e maior confiabilidade na entrega dos dados, sendo indicado para aplicações que envolvam alarmes e supervisão de eventos críticos, desde que haja cobertura celular na região atendida (Sinha; Wei; Hwang, 2017). O LoRaWAN, por sua vez, permite a implantação de redes privadas de baixo custo, característica relevante para concessionárias que necessitam monitorar grande quantidade de equipamentos em áreas com cobertura celular limitada (Centenaro et al., 2016). O Sigfox, embora apresente o maior alcance entre as tecnologias analisadas, impõe restrições severas de tráfego, limitando sua aplicação ao envio periódico de poucas grandezas, como temperatura e estado operacional (Raza; Kulkarni; Sooriyabandara, 2017).

As soluções baseadas em GSM/GPRS, embora historicamente consolidadas no monitoramento remoto de transformadores (Al-Ali; Khaliq; Arshad, 2004), tendem a ser progressivamente substituídas por tecnologias LPWAN e pelo NB-IoT, em razão do desligamento gradual das redes 2G em diversos países e do menor consumo de energia das alternativas mais recentes (Durand; Visagie; Booysen, 2019). Adicionalmente, a literatura aponta a adoção de arquiteturas híbridas, nas quais redes de curto alcance realizam a coleta local dos dados dos sensores e tecnologias de longo alcance efetuam o transporte até as plataformas de processamento, bem como o emprego de computação de borda para reduzir o volume de dados transmitidos (Ghasempour, 2019; Thangiah; Ramanathan; Chodisetty, 2019).

Cabe destacar, como limitação da análise, que os parâmetros comparados correspondem a valores nominais reportados na literatura. Em ambientes de subestação, fatores como interferência eletromagnética, obstáculos metálicos e condições climáticas podem degradar o desempenho das tecnologias avaliadas, de modo que a validação experimental em campo constitui etapa necessária à consolidação dos resultados apresentados (Msane; Thango; Ogudo, 2024).

5 Conclusão

Este trabalho apresentou uma análise comparativa de seis tecnologias de comunicação IoT aplicáveis ao monitoramento de transformadores de energia, com base em critérios de alcance, taxa de transmissão, consumo de energia, custo, escalabilidade e qualidade de serviço extraídos da literatura científica. A análise evidenciou que não existe tecnologia única capaz de atender, de forma ótima, a todos os cenários de aplicação, sendo a seleção condicionada aos requisitos específicos de cada contexto.

Os resultados indicam que tecnologias de curto alcance, como Wi-Fi e Zigbee, são

mais adequadas ao monitoramento de transformadores de potência em subestações, nas quais há disponibilidade de alimentação auxiliar e demanda por elevadas taxas de transmissão. Em contrapartida, tecnologias de longo alcance e baixa potência, como LoRaWAN, Sigfox e NB-IoT, mostram-se mais apropriadas ao monitoramento de transformadores de distribuição dispersos, priorizando-se o NB-IoT quando a confiabilidade de entrega é requisito crítico e o LoRaWAN quando se busca autonomia de infraestrutura e baixo custo. Arquiteturas híbridas, associadas a recursos de computação de borda, despontam como alternativa promissora para conciliar requisitos de cobertura, custo e volume de dados.

Como trabalhos futuros, sugere-se a implementação experimental de protótipos de monitoramento baseados nas tecnologias analisadas, com validação em condições reais de operação, bem como a investigação de aspectos complementares, como a segurança cibernética das redes IoT aplicadas a sistemas elétricos e o potencial das redes móveis de quinta geração (5G) para aplicações de missão crítica no setor de energia.

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