TRANSMISIÓN DE DATOS POR LA ELÉCTRICA (PLC) EN BANDA ANGOSTA. Berterreix, Germán y Bonet, Maximiliano

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1 . TRANSMISIÓN DE DATOS POR LA RED ELÉCTRICA (PLC) EN BANDA ANGOSTA Berterreix, Germán y Bonet, Maximiliano Tutor Interno: Ing. Leiva Benegas, Martín Tutor Externo: Ing. Gómez, Rubén Depto. de Electrotecnia - Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Comahue 2006

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3 Resumen En este trabajo se presenta el diseño de una Red PLC a nivel de bloques para realizar telemedición de subestaciones transformadoras. La realización del mismo se desarrolla de manera tal que pueda satisfacer las necesidades de las empresas de servicios eléctricos. Se presenta una descripción de las diferentes partes que conforman una Red de este tipo, se exhiben las técnicas de modulación más utilizadas y seguido a esto, se realiza el diseño del MODEM PLC a nivel de bloques junto con la elección del método de modulación más apropiado. Luego se realiza una presentación de los parámetros de una Red de Media Tensión, los ruidos presentes y aquellos que influyen para el desarrollo de esta tecnología. Una vez detallados teoricamente los items ya mencionados, se procede a realizar el cálculo teórico de los diferentes parámetros de la Red para la frecuencia de portadora empleada, situada dentro del rango de frecuencias dado por la Norma CENELEC de banda angosta. De esta manera, se procede a realizar el diseño final de todos los componentes de la Red junto con las diferentes asunciones. iii

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5 Abstract In this work the design of a network PLC at level of blocks appears to make telemetry of transforming substations. The accomplishment of the same one is developed so of way that it can satisfy the necessities with the companies of electrical services. A description of the different parts appears that conform a network of this type, exhibit the modulation techniques more used and followed this, the design of MODEM PLC at level of blocks is made along with the election of method of more appropriate modulation. Soon a presentation of the parameters of a Network of MT is made, the noises present and those that influence for the development of this technology. Once detailed the items already mentioned, it is come to make the practical calculation of the different parameters from the network for the rank of frequencies of PLC of narrow band. This way, it is come to along with make the final design of all the components of the network the different assumptions. v

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7 Agradecimientos Este apartado está dedicado a agradecer a todas aquellas personas e instituciones que durante todo este arduo camino recorrido, pero enriquecedor a su vez, nos han apoyado de un modo u otro, sin egoísmos ni prejuicios, siempre dispuestos a brindarnos todo lo necesario para nuestro crecimiento tanto profesional como humano, por todo esto se nos hace necesario mencionar y agradecer con total sinceridad y afecto a los siguientes: En primer término a nuestras familias, dado que gracias a su incesante sostén y estímulo en los momentos duros, que fueron varios por cierto, logramos culminar este proyecto y nuestra carrera del mejor modo. Pero cabe acotar que muchas más fueron las alegrías que se produjeron durante todo este transcurso y las cuales compartieron con mucho placer igual que nosotros. A nuestros tutores, que nos proporcionaron sus conocimientos para guiarnos en los momentos de incertidumbre que se presentaron en este proyecto, orientándonos y dándonos ideas, pero sobre todas las cosas el sustento humano que nos brindaron, por todo esto, nuestro más sentido y profundo agradecimiento a los Ingenieros Rubén Gómez y Martín Leiva Benegas. No podemos dejar de mencionar a quienes compartieron nuestras penas y glorias desde otro lado, compartiendo miles de vivencias con nosotros, vii

8 viii gracias a ellos aprendimos algo que no está en los programas de estudio, pero no por ello tiene menos importancia que los contenidos teóricos, y es el compañerismo y la camaderia, la solidaridad y el esfuerzo para seguir adelante, por ello les decimos gracias y con el deseo de lo que se creo en esta etapa de nuestras vidas trascienda más allá de esta maravillosa institución como lo es la Universidad. Finalmente, nos queda por agradecer a nuestros profesores, los cuales dieron lo mejor de si para formarnos y ser los profesionales que hoy somos, al Departamento de Electrotecnia, a la Universidad Nacional del Comahue y al Ente Provincial de Energía del Neuquén por el aporte que brindaron para la realización de este Proyecto y para el desarrollo de nuestras carreras.

9 Notación PLC Powerline Communications. EPEN Ente Provincial de Energía del Neuquén. BPL Broadband Powerline. OPLAT Onda Portadora de Alta Tensión. ADSL Asimmetric Digital Subscriber Line. AMR Automatic Meter Reading. UU Unidades de Usuario. USB Universal Serial Bus. UC Unidades de Concentración. VLAN Virtual Local Area Network. UR Unidades Repetidoras. LAN Local Area Network. OFDM Orthogonal Frecuency Division Multiplexing. DSSS Direct Sequence Spread Spectrum. TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol. PSK Phase Shifting Keying. ASK Amplitude Shifting Keying. PSK Phase Shifting Keying. QPSK Quadrature Phase Shifting Keying. OQPSK Offset Quadrature Phase Shifting Keying. DPSK Differential Phase Shifting Keying. RTU Remote Terminal Unit. ASCII American Standard Code for Information Interchange. EBCDIC Extended Binary Coded Decimal Interchange Code. DTE Data Terminal Equipment. DCE Data Communication Equipment. USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter. UNCo Universidad Nacional del Comahue. CENELEC Comité Européen de Normalization Electrotechnique. BER Bit Error Rate. ix

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11 Índice general 1. Introducción Objetivos del proyecto Organización de este trabajo Evolución de la tecnología PLC Introducción a la tecnología PLC Introducción a BPL (Banda Ancha) Detalles de los Sistemas de Telemedición Descripción general sobre telemedición Descripción general sobre la Red PLC Sistema de telemedición usando PLC Componentes de la Red PLC Funciones de cada componente Comunicación de datos Métodos de modulación Modulación QPSK Modulación Offset QPSK Diseño del modulador OQPSK Diseño del MODEM PLC Parámetros de la Red y del Sistema PLC Redes de distribución de energía xi

12 xii ÍNDICE GENERAL Instalación eléctrica Líneas de transmisión Circuito equivalente de una línea de transmisión Características de una línea de transmisión Transitorios en la línea de transmisión Comentarios generales sobre los cables de Media Tensión Deterioro de la señal PLC Métodos de Acoplamiento de la señal Normas regulatorias para PLC de Banda Angosta Diseño Cálculos requeridos para el diseño Información sobre la Red Cálculos de parámetros de la Red Niveles de señal Elección del método de acoplamiento Diseño General Conclusiones Conclusiones Trabajos futuros A. Puerto Serie RS-232 y UART 63 A.1. Puerto serie RS A.2. UART B. Hojas Características: PIC 16F7X y LM 1596/ B.1. PIC 16F7X B.2. LM 1596/

13 ÍNDICE GENERAL xiii C. Acoplamiento Capacitivo y Cables Pirelli 71 C.1. Acoplamiento Capacitivo C.2. Cables Pirelli

14 xiv ÍNDICE GENERAL

15 Índice de figuras 1.1. Unidad de Acondicionamiento Topología PLC típica Esquema general Caracter de código en operación asincrónica Modulador de QPSK Consideraciones de ancho de banda en un Modulador QPSK Receptor QPSK Modulador OQPSK Correspondencia del código binario al código GRAY Diagrama en bloques de MODEM PLC Circuito equivalente eléctrico Disposición de cables de Media Tensión Disposición MN Ejemplo de un cable de Media Tensión de 3 núcleos Diferentes tipos de ruidos Acoplamientos capacitivos para líneas de Media Tensión Acoplamiento invasivo por medio de la pantalla Acoplamiento no invasivo por medio de la pantalla Acoplamiento no invasivo por medio del núcleo Rango de frecuencias y niveles límites según el estándar EN xv

16 xvi ÍNDICE DE FIGURAS 4.1. Impedancia característica de líneas aéreas de MT Valor de Z 0 en función de h Reactancia capacitiva de líneas aéreas de MT Probabilidad de Error P e vs S/N en PSK M-ario Acoplador Capacitivo CMC12 5N B.1. PIC 16F7X B.2. PIC 16F7X B.3. LM 1596/ C.1. Acoplador Capacitivo CMC12 5N C.2. Datos técnicos del cable Pirelli

17 Capítulo 1 Introducción En este Capítulo se presenta el marco introductorio que motivó la realización de este trabajo. En la Sección 1.1 se definen los objetivos a desarrollar y las motivaciones que nos llevaron a realizar este tipo de proyecto. En la Sección 1.2 se muestra como es la organización de la presente tesis. En la Sección 1.3 se expone la evolución de la tecnología PLC, utilizada como referencia para el desarrollo del trabajo y en la Sección 1.4 se realiza una breve introducción sobre la tecnología de banda ancha Objetivos del proyecto Nuestro proyecto tiene como principal objetivo, realizar una investigación sobre cuales son las mejores opciones dirigidas a llevar a cabo la telemedición de una cierta cantidad de subestaciones transformadoras que conforman una Red de media tensión. El medio de comunicación que se utilizará será la misma Red eléctrica a través de la tecnología PLC. En base a ésto, el proyecto se orienta a diseñar un equipamiento de un sistema PLC para tasas de transmisión en baja velocidad sobre la Red de media tensión, tomando como patrón las necesidades propias del Ente Provincial de Energía de Neuquén (EPEN). La aplicación estará también orientada a las necesidades particulares y generales del EPEN o de otras empresas proveedoras de servicios eléctricos. 1

18 2 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Las motivaciones que llevan a la realización de este trabajo han sido las de aplicar y extender los conocimientos adquiridos durante el desarrollo de la carrera, a fin de obtener una herramienta fundamental a través de la telemedición para mejorar el rendimiento y la eficacia de las funciones operacionales de una empresa proveedora de servicios eléctricos. La obtención de datos en el momento y punto de origen, al integrarse al ciclo de procesamiento y control de las operaciones y al actualizar las bases de datos en forma automática, permite la toma de decisiones de manera de minimizar todo tipo de pérdidas relacionadas con esta actividad. Nuestro proyecto estará limitado al rango de frecuencias de 9 a 95 Khz. y la velocidad de transmisión que se va a manejar será de aproximadamente 9600 bps, ya que nuestro objetivo no es la velocidad de transmisión sino la seguridad y la integridad de los datos presentes en la Red. No estará contemplado en este trabajo el estudio de la tecnología PLC de banda ancha sino que solo se realizará una breve introducción al tema Organización de este trabajo El informe está organizado de la siguiente manera. Primeramente, el Capítulo 1 presenta una clara explicación de los objetivos del proyecto, luego se describe como fué evolucionando a través de los años la tecnología PLC. Realizado ésto, se comienza a hacer una descripción general de la tecnología, continuando con una introducción a los sistemas de Banda Ancha (BPL). En el Capítulo 2 se proporciona una descripción de los sistemas de telemedición, brindando una caracterización general de dicho sistema. En particular se detallan los componentes de una Red de comunicaciones PLC sobre la Red de potencia. Luego se presentan los distintos tipos de modulación y se hace una explicación en particular de la modulación que se empleará; para finalizar se realiza el diseño a nivel de bloques de un MODEM PLC. El Capítulo 3 hace referencia a los parámetros de la Red de energía eléctrica.

19 1.3. EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA PLC 3 Seguido a ésto, se realiza una descripción sobre los inconvenientes del canal PLC, luego se mencionan los distintos tipos de acopladores que se utilizan y por último se presenta la Norma Regulatoria que rige a los sistemas PLC en Banda Angosta. En el Capítulo 4 se realiza el diseño general del sistema PLC y los cálculos de los parámetros necesarios para dicho diseño, en la banda de frecuencia que utilizaremos. Luego se presenta un resumen del diseño general de los parámetros seleccionados y calculados. En el Capítulo 5 se realizan las conclusiones obtenidas del proyecto y se hace mención a futuros trabajos que se pueden realizar a partir de dicha tesis. En la última parte del trabajo, se desarrolan unos apéndices que tratan temas que hacen al mejor entendimiento de ciertos puntos, especificando también las hojas características de los componentes utilizados Evolución de la tecnología PLC Los sistemas de telecomunicaciones por redes de distribución de energía eléctrica, nombrados en idioma inglés como Powerline Communications (PLC), y más recientemente como Broadband Powerline (BPL), son un nuevo tipo de sistema que tiene su antecesor en el denominado Onda Portadora por Línea de Alta Tensión (OPLAT), pero con capacidad de proveer una tasa de transferencia de datos significativamente más alta (miles de veces), en topología de red mallada en vez de radial [4][20]. Como ya expresamos, la idea no es nueva y ya en los años 50 se había creado un sistema que permitía a las empresas de energía controlar el consumo, el encendido del alumbrado público y el valor de las tarifas eléctricas por medio de una señal de baja frecuencia (100 Hz) que viajaba a través de los cables de la red en un solo sentido. A mediados de los 80 se iniciaron investigaciones sobre el empleo de los cables eléctricos como medio de transmisión de datos y a fines de esa década ya se conseguía transmitir información en ambas direcciones. Recién a finales de los 90 se

20 4 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN consiguió que esta transmisión se realizara a velocidades suficientemente elevadas. Esto permitió brindar la base a un fenómeno en el campo de las telecomunicaciones, como lo es el acceso a Internet. De esta manera los más avanzados estudios indican que se pueden llegar a alcanzar velocidades que rondan los 200 MBps, velocidad que por demás supera a la ya conocida tecnología ADSL Introducción a la tecnología PLC Las iniciales se refieren a las palabras inglesas Power Line Communications o Power Line Carrier. En castellano esto significa, Comunicaciones a través de la Red de Energía o bien Transmisión por Onda Portadora de Corriente. Se trata, fundamentalmente, de la transmisión de voz y datos a través de la Red eléctrica. El objetivo más atrayente de esta tecnología es tratar de aprovechar la ubicuidad de la mayor red construida por el hombre (más de millones de personas cuentan con energía eléctrica en todo el mundo) llamada red de redes. De esta manera, las compañías eléctricas incrementarían su rentabilidad, al aumentar el valor agregado de sus servicios con una mínima inversión, aprovechando su infraestructura para fines que no habían sido concebidos inicialmente. Es algo similar a lo ocurrido con las empresas telefónicas cuando comprendieron que el par de cobre se podía emplear para acceder a Internet y ofrecer otros servicios de transmisión de datos, además de permitir las comunicaciones por voz. En la actualidad, PLC se ha desarrollado ampliamente, existiendo básicamente aplicaciones indoor y de última milla existiendo normas y estándares para estas aplicaciones. A su vez, las empresas eléctricas, a través de esta tecnología, han ingresado como proveedores de servicios de telecomunicaciones, sin embargo, su interés sigue siendo también los servicios específicos dentro de la misma Red eléctrica; como el monitoreo y control en media y baja tensión. En esta última cuestión se realizará la profundización y el mayor hincapié de nuestra tesis de grado.

21 1.4. INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA PLC Introducción a BPL (Banda Ancha) Discripción general El sistema PLC utiliza las mallas eléctricas de media y baja tensión para su distribución, además de producir también su conmutación. Las diferentes implementaciones de esta nueva tecnología tienen el potencial para interconectar a través de las instalaciones eléctricas internas: de casas, oficinas, edificios, computadoras y periféricos. También son eficaces y competitivos en costos como sistemas de última milla para servicios de datos, voz y video en Banda Ancha. Los sistemas PLC consisten en dispositivos terminales (módems) que se enchufan en la Red de suministro eléctrico, no sólo para alimentarse sino para utilizar ésta como medio del enlace de datos a otros terminales ubicado en la misma Red o una vecina. Estas unidades de usuario (UU) proporcionan interfaces para datos (USB, Ethernet) y eventualmente telefonía analógica sobre 2 hilos (FXS). Las UU reportan a unidades de concentración (UC), y estas a su vez a enrutadores y/o switches para producir conmutación local o hacia otras redes (Telefonía Pública, Internet, etc.). Las UC suelen tener la capacidad de establecer entornos VLAN, pudiendo prescindir del enrutador para este servicio [24]. Para este sistema es necesario un acondicionamiento de la infraestructura existente en la Red eléctrica, como se muestra en la Figura (1.1). Las redes normalmente pueden transmitir señales regulares de baja frecuencia en 50 o 60 Hz. y señales mucho más altas, sobre 1 MHz. sin que ambas frecuencias se molesten entre si, ya que las de baja frecuencia llevan energía mientras que las de alta frecuencia llevan los datos. Se utiliza un HFCPN (Red condicionada de alta frecuencia de energía), para transmitir datos y señales eléctricas. Un HFCPN utiliza una serie de unidades de acondicionamiento o concentración denominada anteriormente (UC) para filtrar esas señales separadas. El UC envía electricidad y datos a los enchufes del hogar o comercio, y una vez decodificados los datos, los envía a un módulo de comunicación

22 6 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN o a una unidad de usuario (UU). La unidad de usuario proporciona los canales múltiples para los datos, la voz, teléfono, etc. Figura 1.1: Unidad de Acondicionamiento. Las UC se colocan generalmente al pie de los transformadores de Media a Baja tensión, y con sus corresponsales UU conforman celdas, en las cuales se introducen repetidores (UR) para favorecer la cobertura de señal sobre la Red. Las unidades de una celda comparten un ancho de banda bajo demanda, que actualmente oscila entre 2,5 y 45 Mbps según el proveedor. Ya hay en desarrollo soluciones de hasta 200 Mbps. Algunas soluciones de mercado permiten interconectar estas celdas entre sí y/o con el enrutador central utilizando como enlace troncal las redes de media tensión (en nuestro país usualmente 13,2 kv). En la Figura (1.2) se muestra una topología PLC típica. Los servidores de las estaciones o subestaciones locales, se conectan a Internet mediante fibra óptica o cable coaxial tipo Banda Ancha, el resultado final, es similar a una Red de área local (LAN). Por lo general se utiliza la Red de Media tensión entre 2.4 kv y 35 kv y en los transformadores de las líneas de distribución de 220 V o 380 V de baja tensión, para facilitar el acceso de alta velocidad a Internet. La utilización del PLC implica el desarrollo de la tecnología dentro de dos capas principales, la física o de energía eléctrica de consumo y la de datos o de comunicaciones. La integración de la tecnología de la Red y de la capa física o eléctrica permite que los datos de alta velocidad sean transmitidos sobre las líneas de energía, para

23 1.4. INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA PLC 7 Internet RTCP E+P+P SGCR UU Referencias UC CGR UR Conm UC UU: Unidad Usuario UC: Unidad Concentradora UR: Unidad Repetidora Conm: Conmutador (switch) E+P+P: Enrutador+pasarela+portero SGCR: Sistema de Gestión y Control CGR: Centro de Gestión de Red UR UU UU UU UU UU UU UR Línea Energía Baja T. Línea Energía Media T. Fibra Óptica UTP cat. 5 n x 64 n x FXO Topología TRE típica Figura 1.2: Topología PLC típica. uso general directamente a la premisa de los usuarios de forma ininterrumpida, sin errores, de manera intacta y asegurada (cifrado). Los dispositivos principales dentro de la capa física son los acopladores. La función principal de éstos es la de acoplar señales PLC entre las líneas de baja y media tensión, así como los dispositivos de puente que típicamente son los transformadores de la Red. El uso de la Red Eléctrica existente significa reducción de costos y proporciona un acceso a la Banda Ancha y a la interconexión entre dispositivos. Históricamente, los sistemas de PLC, estaban limitados a velocidades de transferencia de datos relativamente bajas, típicamente menos de 500 Kbps. Estos sistemas con baja tasa de transferencia todavía están en uso en aplicaciones como telecontrol, tal es el caso de interruptores en instalaciones domésticas y en el caso de empresas proveedoras de servicios eléctricos para supervisión de sistemas, comunicaciones de datos y telefonía tal cual es nuestro estudio. Los nuevos sistemas utilizan técnicas de acceso al medio muy modernas y efi-

24 8 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN cientes, con altos rendimientos Bit/Baudio, inmunidad al ruido y tolerancia a los cambios eléctricos del medio (DSSS, OFDM). A nivel de usuario la conectividad está proporcionada en base al conjunto de protocolos TCP/IP, proveyendo a los equipos terminales capacidades multimedia en base a los estándares H.323 y complementarios [2]. Técnicas de modulación para Banda Ancha El canal de PLC es un ambiente muy hostil. Las características de un canal de PLC tienden a variar en tiempo, situación y con los cambios de carga, lo que justifica técnicas de modulación robustas. El PLC usado para el propósito de comunicación requiere esquemas de modulación sofisticados. Las técnicas de modulación convencionales como ASK, PSK o FSK normalmente son excluidos por la conducta hostil del canal de PLC. Una posible solución para superar los problemas en un canal de comunicaciones de este tipo, es usar un método de modulación robusta. Si el método de modulación puede ocuparse de la atenuación desconocida, asi como de los cambios de fase desconocidos, entonces el receptor puede simplificarse. El problema es combinar estos requisitos con una alta tasa de bits, necesaria en las comunicaciones de las computadoras actuales y las limitaciones del ancho de banda en el canal PLC. Dos métodos de modulación cumplen con todos estos requisitos y esos son OFDM, DSSS.[3]. Aplicaciones PLC Las aplicaciones para estos sistemas pueden categorizarse de la siguiente manera: aplicaciones internas (Vivienda adentro - in Home). última milla.

25 1.4. INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA PLC 9 Aplicaciones internas (in Home) Los sistemas PLC de banda ancha son atractivos como servicios de datos en edificios, porque no requieren ninguna instalación adicional, simplemente mantener conectados los equipos. Dentro de un mismo edificio estas aplicaciones permiten conectar periféricos como heladeras, microondas, impresoras, fotocopiadoras, dispositivos de comunicaciones, etc. y configurar redes de computadoras. El edificio podría ser una casa, un bloque de departamentos u oficinas. Consideramos que en esos casos los trayectos de tendido de Red eléctrica de potencia no superan los 100m entre los dispositivos. Se ha desarrollado esta tecnología con éxito para estas aplicaciones de corta distancia e internas, además, cumpliendo con los requisitos de Compatibilidad Electromagnética de los EE UU. Esto es posible gracias a la potencia relativamente baja, necesaria para establecer las comunicaciones en la Red eléctrica y a las cortas distancias que existen en una casa, edificio u oficina. El desarrollo de esta tecnología para conformar redes de computadoras tipo LAN, está muy desarrollada ya que permite interoperatividad de sistemas entre dispositivos de distintos fabricantes; por ejemplo el estándar HomePlug 1.0; a un costo relativamente bajo, y dada su forma de conexión es muy fácil de conectar y de utilizar. Otras aplicaciones incluyen el uso de estos sistemas para distribución de sonido, video, y equipos con capacidad de controlar, dentro de la casa, cualquier dispositivo hogareño. Aplicaciones última milla Estas aplicaciones incluyen la distribución en oficinas y casas o edificios de Internet y otros servicios por parte de proveedores de servicio de Banda Ancha a través de la Red de distribución eléctrica. Además de la conexión de banda ancha de Internet, también permite proporcionar voz (telefonía IP), video bajo demanda (VOD), sistemas de vigilancia, entretenimientos y aplicaciones en medición de servicios como

26 10 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN electricidad, agua, gas, etc.. En los costos para brindar servicios de Banda Ancha, una parte importante está conformada por el costo de la denominada última milla para llegar al usuario final. La existencia de una Red de distribución eléctrica domiciliaria y en edificios, representa una interesante posibilidad ya que no requiere ningún cableado especial. Esta tecnología está ya desarrollada y en proceso de optimización, especialmente en lo que hace a lograr menores niveles de señal sobre la Red eléctrica y cumplir con los requerimientos de compatibilidad electromagnética [4]. Desventajas de PLC de Banda Ancha Hay varios problemas presentados por la introducción de la banda ancha en redes de energía eléctrica en los sistemas de comunicaciones. Estos problemas pueden categorizarse en tres áreas y referidas a la compatibilidad: entre las redes privadas y públicas. políticas de telecomunicaciones. interferencia en radiocomunicaciones. Ventajas de PLC Banda Ancha sobre otras tecnologías (a) Economía de instalación Sin obra civil. Cada instalación en un transformador da acceso entre hogares. (b) Anchos de banda muy superiores a ADSL El límite de velocidad promedio práctico para ADSL es 2 Mb. PLC puede llegar a ofrecer hasta 200 Mb. (c) Emisiones electromagnéticas.

27 1.4. INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA PLC 11 Equiparables a ADSL y muy inferiores a la telefonía móvil. (d) Monopólio en el bucle local. No existen alternativas a ADSL y el operador dominante tiene más del 90 % de cuota de mercado. Cualquier enchufe en casa se convertirá en un acceso a los servicios. Lanzamiento rápido: tecnologías competidoras como VDSL, G.SHDL, AD- SL2, ADSL2+, etc. también están en el horizonte, con lo que aprovechar la actual situación es importante. Precio competitivo frente a ADSL. Buena calidad VoIP (voz sobre IP). Velocidades y demás parámetros de conexión aceptables según lo ofertado. Estabilidad frente a interferencias. Marco legal y administrativo propicio. Evolución de la actual tecnología y abaratamiento de los dispositivos PLC.

28 12 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

29 Capítulo 2 Detalles de los Sistemas de Telemedición En este Capítulo se presentan los detalles de los Sistemas de Telemedición. En la Secciones 2.1, 2.2 y 2.3 se hace una descripción general sobre Telemedición, Red PLC, y la combinación de ambos. En la Sección 2.4 se detallan los componentes de una Red PLC. En la Sección 2.5 se explican los métodos de modulación y se profundiza en el método seleccionado. Por último en las Secciones 2.6 y 2.7 se realiza el diseño del Modulador OQPSK y del MODEM a nivel de bloques respectivamente Descripción general sobre telemedición Las telecomunicaciones desempeñan una función de primordial importancia en la implantación de modernos sistemas de Automatización Industrial. Esta función es vital para aquellas empresas cuyas operaciones se encuentran dispersas geográficamente, como es el caso de los sistemas de distribución de energía. La telemedición es el uso de equipos eléctricos o electrónicos para detectar, acumular y procesar datos físicos en un lugar, para después transmitirlos a una estación remota donde pueden procesarse y almacenarse. Un ejemplo de la utilidad de la telemedición es la medición, transmisión y procesamiento de magnitudes físicas en 13

30 14 CAPÍTULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICIÓN sistemas de automatización de procesos industriales. Estos datos pueden ser, por ejemplo, la temperatura, la velocidad de un líquido en una tubería, etc.. Estas magnitudes son las denominadas variables de campo, que para el estudio que se está realizando serían, por ejemplo: la temperatura, la tensión, la corriente de una determinada subestación, etc Descripción general sobre la Red PLC El sistema de telemedición PLC se basa en el intercambio de datos a través de la Red de energía eléctrica. Esto se realiza automatizando las actividades manuales y repetitivas pudiendo de esta manera no depender de ninguna intervención humana. El sistema utilizado que se muestra en la Figura (2.1), se denomina maestro - esclavo y consta básicamente de los siguientes bloques: Interfaz Serial RS 232 Modem PLC Acoplador Linea Media Tensión 13.2 KV Repetidor Acoplador Acoplador Acoplador Modem PLC Modem PLC Modem PLC RTU RTU RTU Figura 2.1: Esquema general El Computador Central (Host) es el encargado de todas las decisiones del sistema (maestro). El Modem PLC es el encargado de acondicionar las señales para la transmisión o recepción según lo requiera el Computador Central. Los acopladores de línea se encargan de inyectar la señal a través de la Red eléctrica. Las RTU

31 2.3. SISTEMA DE TELEMEDICIÓN USANDO PLC 15 (Unidades Remotas) son los dispositivos que se instalan en el lugar en donde se debe realizar la medición. El sistema de telemedición ofrece muchas ventajas sobre el sistema de medición convencional realizado manualmente. La mayor ventaja, es que se esta relevando periódicamente el estado de las variables de los dispositivos que constituyen el sistema, algo que manualmente sería casi imposible de realizar, debido al costo económico que esto requeriría por la cantidad de dispositivos presentes en la Red eléctrica. Otra ventaja es la identificación de algún inconveniente de manera cuasi instantánea, pudiendo tomar decisiones a distancia logrando que el problema se resuelva mucho más rápido. Se puede citar como dato relevante, la conveniencia de mantener un canal propio PLC de baja capacidad, no compartido con otros usuarios. Como ventajas secundarias, podemos mencionar que este sistema permite que los datos actuales de los dispositivos puedan ser contrastados con sus datos históricos, para poder determinar si hay alguna falencia en el rendimiento de los mismos Sistema de telemedición usando PLC La disposición de nuestro sistema está dado en forma de Red de difusión en donde lo que el Computador Central transmite llega de forma automática al resto de las estaciones que están en la misma Red física. El modo de transmisión es en forma serial half - duplex en el cual cada nodo puede transmitir o recibir, pero no al mismo tiempo. Cuando uno está enviando, el otro está recibiendo y vice versa. La Figura (2.1) muestra el diagrama en bloques de un circuito de comunicación de datos multipunto, que utiliza una topología bus. Este arreglo es una de las configuraciones más usadas para los circuitos de comunicación de datos. En la estación primaria hay un Computador Central (Host, maestro) y en cada una de la otras estaciones secundarias (esclavas) hay una Unidad Remota (RTU). El hardware y la circuitería asociada, que conecta al Computador Central a las terminales de Unidades Remotas se denomina enlace de comunicación de datos. Un arreglo como éste, se

32 16 CAPÍTULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICIÓN llama Red Centralizada; hay una estación ubicada centralmente (Host) con la responsabilidad de asegurar un flujo ordenado de datos, entre las estaciones remotas y ella misma. El flujo de datos es controlado por un programa de aplicaciones que está almacenado en el Computador Central. En la estación primaria hay un Computador Central y un MODEM de datos. En cada sección secundaria hay un MODEM y la correspondiente RTU. La estación primaria tiene la capacidad de almacenar, procesar y/o retransmitir los datos que recibe de las estaciones secundarias. La estación primaria también almacena el software necesario para el manejo de datos Componentes de la Red PLC Funciones de cada componente El Computador Central es el encargado de interrogar a las diferentes Unidades Remotas (RTU) el estado de las variables presentes en las diferentes subestaciones conectadas a la Red, tales como temperatura, tensión, corriente, frecuencia, etc. Al ser una Red de difusión [21], todos escuchan todo pero solamente responde aquel que tenga la dirección requerida por el Computador Central. Éste, se comunica con el MODEM PLC a través de una interfaz serial RS [15]. La tarea del MODEM es la modulación de la señal transmitida y la demodulación de la señal recibida. La señal que transmite o recibe el MODEM es inyectada a través de un acoplador de línea. Éste, a parte de ser el dispositivo que inyecta la señal de PLC en la línea de energía, también se encarga de proteger al circuito de posibles sobretensiones debido a diferentes factores. La comunicación de la RTU con el Computador Central es también a través de un MODEM PLC y un Acoplador utilizando una interfaz serial entre la RTU y el MODEM. La Unidad Remota RTU es la interfaz con los dispositivos de campo, se la puede considerar como los ojos, oídos y manos de una 1 En el Apéndice A se explica en detalle la interfaz serial RS-232

33 2.4. COMPONENTES DE LA RED PLC 17 estación maestra. Junto a las RTU se encuentran los denominados transductores que en general, son unos dispositivos que convierten una forma de energía en otra. En particular, un transductor eléctrico, convierte la magnitud de una variable física en una señal eléctrica proporcional, de tal manera que el resultado de la operación pueda ser utilizado como información útil y representativa de dicha cantidad. Debe existir una relación conocida entre la entrada y la salida del transductor Comunicación de datos La información codificada es representada a través de bits, la cual puede ser una eventual señal de control. Los bits pueden transmitirse secuencialmente, que es lo que se conoce como forma serial, o agrupados en palabras, que sería en forma paralela. Los motivos que determinan el uso de una u otra forma de transmisión, claramente responden a las necesidades de velocidad y rendimiento económico. A continuación se mencionan los dos tipos de transmisión y seguido a esto se describen sus características principales: (a) Transmisión de datos en paralelo (b) Transmisión de datos en serie Transmisión de datos en paralelo La comunicación paralela transmite todos los bits de un dato de manera simultánea, lo que implica tantos canales de comunicación como bits contenga el elemento base, por lo tanto la velocidad de transferencia es rápida, sin embargo tiene la desventaja de utilizar una gran cantidad de líneas, debido a esto, se vuelve más costoso y además se atenúa a grandes distancias por la capacitancia entre conductores, así como sus parámetros distribuidos. Se usa básicamente para transmisiones en distancias muy cortas.

34 18 CAPÍTULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICIÓN Transmisión de datos en serie Los datos son transferidos bit a bit utilizando un único canal. Es la forma normal de transmitir datos a larga distancia, ya que la instalación de tantas líneas de comunicación (datos en paralelo), como bits tiene una palabra a lo largo de un país, sería un coste inabordable. Las computadoras internamente manejan la información agrupadas en palabras, conjuntos de bits, y deben realizar una conversión para serializar la información. Esto es realizado por circuitos integrados de uso específico y doble, ya que son capaces de convertir en una secuencia lineal una palabra, y a la vez convertir en palabra, los bits que van obteniendo uno a uno de una línea de comunicación serie. Modos de operación: síncrona/asíncrona Existen dos tipos de comunicaciones seriales: la síncrona y la asíncrona. En la comunicación serial síncrona, además de una línea sobre la cual se transmitirán los datos se necesita de una línea la cual contendrá los pulsos de reloj que indicarán cuando un dato es válido. En el modo de operación asincrónica, se transmite un carácter de código a la vez. Cada carácter de código incluye dígitos de arranque, paridad y parada, denominados dígitos redundantes. Estos dígitos redundantes indican al receptor el comienzo de un caracter, donde termina y un dato adicional (la paridad), para efectos de detección de error; todos los dígitos tienen la misma duración, excepto el de parada, cuya duración es variable (una, una y media o dos veces la duración de los otros) según la aplicación. El caracter de código contiene también de 5 a 8 dígitos de información; este campo de información permite entonces codificar la información en Baudot, ASCII o en EBCDIC. La longitud máxima del caracter de código es de 11 dígitos binarios. Los dos extremos, transmisor y receptor, tienen relojes independientes de la misma frecuencia nominal, de esta forma se realiza el sincronismo de bit. La información

35 2.5. MÉTODOS DE MODULACIÓN 19 se transmite caracter a caracter, precedidos de un bit a 0 o bit de START y terminados por al menos, un bit a 1 denominado de STOP (pueden ser también 1,5 ó 2 bits STOP). Esta es la forma de establecer el sincronismo de caracter. Entre dos caracteres consecutivos puede mediar cualquier separación, permaneciendo todo el tiempo la línea en estado 1. El sincronismo de bit se consigue arrancando el reloj de recepción cuando se detecta el bit de START. Debido a que el reloj se inicializa para cada caracter, las posibles derivas de frecuencia respecto al reloj emisor tienen poca importancia. El sincronismo de caracter está implícito en el propio método de transmisión, ya que se produce caracter a caracter [5]. En la Figura(2.2) se muestra el formato de un caracter de código para operación asincrónica. Figura 2.2: Caracter de código en operación asincrónica Métodos de modulación Como la señal binaria de entrada es una secuencia de impulsos o dígitos binarios (de dos estados), las magnitudes moduladas tomarán también dos valores, de ahí que a estos procesos se los denomina Técnicas de Modulación Binaria. Las formas básicas de la modulación binaria mediante portadora modulada son: 1. La Modulación Binaria de Amplitud (Amplitude-Shift Keying, ASK). 2. La Modulación Binaria de Frecuencia (Frequency-Shift Keying, FSK). 3. La Modulación Binaria de Fase (Phase-Shift Keying, PSK).

36 20 CAPÍTULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICIÓN 4. La Modulación Binaria Diferencial de Fase (Differential PSK, DPSK). El tipo de modulación que nosotros elegimos es Offset QPSK o bien PSK M-ario con M=4 Offset, siendo esta una variedad de QPSK básica. Este método presenta mejores características de rendimiento para el canal de línea eléctrica, el cual presenta las siguientes ventajas: 1. Se minimiza el número de errores que provoca un dígito equivocado, ya que entre estados adyacentes sólo hay un dígito de diferencia. 2. Se angosta el espectro de frecuencia al disminuir los lóbulos laterales. 3. Se mejora la sincronización de los circuitos de recuperación de referencia en el lado receptor. 4. Se obtiene una mejor performance frente al ruido Modulación QPSK [8] QPSK es otra forma de modulación digital, la cual modula angularmente con amplitud constante. Es una técnica de codificación M-ario, en donde M = 4 (de ahí el nombre de cuaternaria). Con QPSK son posibles 4 fases de salida, para una sola frecuencia de portadora. Debido a que hay 4 fases de salida diferentes, tiene que haber 4 condiciones de entrada diferentes. Ya que la entrada digital a un modulador de QPSK es una señal binaria (base 2), para producir cuatro condiciones diferentes de entrada, se necesita más de un solo bit de entrada, osea 2, habiendo así 4 posibles condiciones: 00, 01, 11 y 10. En consecuencia, con QPSK los datos de entrada binarios se combinan en grupos de 2 bits llamados dibits. Cada código dibit genera una de las 4 fases de entrada posibles. Por lo tanto para cada dibit introducido al modulador, ocurre un solo cambio a la salida. Así que la razón de cambio en la salida (razón de baudio), es la mitad de la razón de bit de entrada. Transmisor de QPSK En la Figura (2.3) se muestra el diagrama en bloques de un modulador QPSK. Dos bits se introducen al derivador de bits. Luego de que ambos han sido introduci-

37 2.5. MÉTODOS DE MODULACIÓN 21 dos, en forma serial, salen simultáneamente en forma paralela. Un bit se dirige al canal I y el otro al cana Q. El bit I modula una portadora que está en fase con el oscilador de referencia y el bit Q modula una portadora que está 90 o fuera de fase con la portadora de referencia. Entonces tenemos para un 1 lógico = +1V y un 0 lógico = -1 V, debido a esto, son posibles dos fases a la salida de cada modulador. Cuando el sumador lineal combína las dos señales de cuadratura (90 o fuera de fase) hay cuatro fases resultantes mostradas por estas expresiones: + sen ω c t + cos ω c t + sen ω c t - cos ω c t - sen ω c t + cos ω c t - sen ω c t - cos ω c t ent. binaria Fb Modulador Balanceado Entada Bufer Canal I Canal Q Osc. Portadora de referencia sen Wc t Sumador Lineal Filtro PB Sal. QPSK Desplazador de Fase de 90º div 2 Modulador Balanceado Figura 2.3: Modulador de QPSK. Consideraciones de ancho de banda para QPSK La tasa de bits en el canal I o en el canal Q es igual a la mitad de la tasa de datos de entrada F b /2. En consecuencia, la frecuencia fundamental más alta presente en la entrada de datos al modulador balanceado, I o Q, es igual a un cuarto de la tasa de datos de entrada (la mitad de F b /2 = F b /4). Como resultado, la salida de los moduladores balanceados I y Q, requiere de un mínimo ancho de banda de Nyquist de doble lado, igual a la mitad de la tasa de que están entrando (F N = doble de F b /4

38 22 CAPÍTULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICIÓN = F b /2). Por lo tanto con QPSK, se realiza una compresión de ancho de banda. La señal de salida QPSK no cambia de fase, hasta que 2 bits han sido introducidos al derivador de bits, la tasa de cambio más rápido de salida (baudio) es igual a la mitad de la tasa de bits de entrada. En la Figura (2.4) se muestra la condición de entrada del peor caso en el modulador balanceado, de I o Q, la cual es un patrón 1/0 alterno, que ocurre cuando los datos de entrada binarios tiene un patrón repetitivo de I Q I Q I Q I Q I Q I Datos de enrtrada Fb Datos del canal I Fb/2 Frecuenci a fundamental mas alta Datos del canal Q Fb/2 Figura 2.4: Consideraciones de ancho de banda en un Modulador QPSK Receptor de QPSK El diagrama en bloques se muestra en la Figura (2.5). El derivador de potencia dirige la señal QPSK de entrada a los detectores de producto, Q e I, y al circuito de recuperación de la portadora. El circuito de recuperación de la portadora reproduce la señal original del oscilador de la portadora de transmisión. La portadora recuperada tiene que ser coherente, en frecuencia y fase, con la portadora de referencia transmisora. La señal QPSK se demodula en los detectores de producto, Q e I, que generan los bits de datos, Q e I originales. Las salidas de los detectores de productos alimentan al circuito para combinar bits, donde se convierten de canales de datos, Q e I paralelos a un solo flujo de datos de salida binaria.

39 2.5. MÉTODOS DE MODULACIÓN 23 Detector de producto LPF Señal QPSK de entrada BPF Derivador de potencia Recuperación de la Portadora sen Wc t Q I Datos binarios de recepción 90º Detector de producto LPF Figura 2.5: Receptor QPSK Modulación Offset QPSK [25] La modulación Offset QPSK se logra desplazando un dígito la componente Q, obteniendo así una conversión de los datos binarios en código GRAY, el cual se caracteriza por tener sólo un dígito de diferencia entre estados adyacentes. Esta codificación asegura transiciones de fase limitados a 90 o a diferencia de los 180 o que se obtendrían con codificación binaria en la modulación QPSK básica. En la Figura (2.6) se muestra el modulador OQPSK mencionado. Modulador Balanceado Entada Bufer Cod. Dif. Canal I Canal Q Osc. Portadora de referencia sen Wc t Sumador Lineal Filtro PB Sal. QPSK Desplazador de Fase de 90º div 2 Modulador Balanceado Figura 2.6: Modulador OQPSK.

40 24 CAPÍTULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICIÓN En la Figura (2.7) se presenta la correspondencia del código binario al código GRAY en forma esquemática. Figura 2.7: Correspondencia del código binario al código GRAY 2.6. Diseño del modulador OQPSK Como ya hemos mencionado en los objetivos del proyecto, nos vamos a ubicar en el espectro de frecuencias de 9 a 95 khz. La velocidad de transmisión que necesitamos es de aproximadamente 9600 bps y la modulación que vamos a utilizar será OQPSK. Cálculo del transmisor OQPSK Vamos a realizar un modulador de OQPSK con una tasa de datos de entrada f b igual a 9,6 Kbps y una frecuencia de portadora f c = 20 khz. La tasa de bits en los canales Q e I es igual a la mitad de la tasa de bits de tx, f bq = f bi = f b 2 = 9, 6Kbps 2 = 4,8Kbps. (2.1) La frecuencia más alta que se presenta a la entrada de los moduladores de los canales Q e I,

41 2.7. DISEÑO DEL MODEM PLC 25 f a = f bq 2 = f bi 2 = 4, 8Kbps 2 = 2,4Kbps. (2.2) la salida de cada modulador balanceado es: Salida = (sen 2πf a t)(sen 2πf c t) = 1 cos 2π(20 2,4)t 1 cos 2π(20 + 2,4)t 2 2 = 1 cos 2π(17,6)t 1 cos 2π(22,4)t 2 2 por lo tanto el ancho de banda mínimo de Nyquist es f N = 22,4-17,6 = 4,8 khz El filtro pasabanda del modulador deberá permitir el paso hasta la 3er armónico, debido a que de esta manera se puede llegar a tener una mejor aproximación de la señal entrante. f N = 27,2-12,8 = 14,4 khz 2.7. Diseño del MODEM PLC Introducción En la Capa Física es donde se resuelven todas las incompatibilidades entre los diferentes equipos y en ella se encuentran todos los dispositivos para interconectar un usuario con otro usuario, sea directamente por un canal o a través de una Red. Normalmente la interconexión se efectúa entre computadores o terminales denominados Equipos Terminales de Datos (DTE) y los módems o adaptadores de comunicación denominados Equipos de Terminación del Circuito de Datos (DCE). Las secuencias generadas en la capa física en el extremo transmisor, están diseñadas para ser interpretadas por la capa física del extremo receptor, en el cual se regeneran las correspondientes secuencias que son presentadas al usuario final. En la capa física no se toma en cuenta el significado o la información contenida en la secuencia de datos, ni los diferentes formatos, etc.; todo esto es responsabilidad de las capas superiores. Por la capa física y su correspondiente medio de transmisión circulan dígitos

42 26 CAPÍTULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICIÓN binarios, lo que comúnmente se denomina datos crudos y su responsabilidad es transmitirlos sin error. La modulación digital se realiza en un dispositivo denominado MODEM (de las palabras MOdulador y DEModulador) en el cual los dígitos binarios modulan la amplitud, la frecuencia o la fase de una señal sinusoidal, denominada portadora [5]. Diseño a nivel de bloques El dispositivo que se diseñará es un MODEM [19] half duplex OQPSK asíncrono, diseñado para aplicaciones de Redes de Comunicaciones a través de la línea eléctrica, cumpliendo con las especificaciones CENELEC EN [6]. El dispositivo consta de cinco partes bien definidas (Figura (2.8))que son: a)interfaz serial y registro de control. b)codificador diferencial c)modulador. d)demodulador. e)decodificador diferencial. Interfaz serial y registro de control: La operación y modo de funcionamiento del MODEM es gobernada por medio de un registro interno programable, a través de un interfaz serial. Los bits que ingresan a través de la interfaz serial RS-232 son introducidos en el registro interno de control anteriormente mencionado. Esta función es realizada mediante uno de los módulos serie de entrada/salida USART (Trasmisión Recepción Asíncrona Síncrona Universal) de la familia PIC 16F7X 2 [18]. El modo de Transmisión/Recepción puede ser configurado para trabajar en modo Full-duplex en operación asíncrona o en modo Half-duplex en operación síncrona, nosotros utilizaremos el segundo modo de operación (osea H-D). La función que tiene éste, es la de almacenar de a dos bits y 2 Las características del PIC 16F7X se presentan en el Apéndice B

43 2.7. DISEÑO DEL MODEM PLC 27 Recepción Detecc. de Port. AGC Am p. Filtro BP Filtro LB Demodulador OQPSK HOST Interface Serial Registro de Control Acoplador Capacitivo PIC 16F74 Transmisión Modulador OQPSK Amp Filtro BP Base de tiempo Osc Figura 2.8: Diagrama en bloques de MODEM PLC enviarlos al modulador OQPSK (Modulador QPSK convencional más Codificador Diferencial) cuando se encuentra en el modo de transmisión. En cambio, cuando el MODEM se encuentra en el modo de recepción, la señal que ingresa es demodulada y luego llega al registro de control en forma digital (bits), realizando el camino inverso que en el modo de transmisión. Codificador diferencial: El flujo de datos unipolar se codifica diferencialmente de manera de asegurar que el transporte de la información se realice a través de estados de fase relativa. De esta forma el envío de la información se independiza de la fase absoluta y por consiguiente del retardo de fase que introduce el medio de transmisión. El codificador

44 28 CAPÍTULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICIÓN diferencial recibe de un convertidor serie-paralelo las parejas de dos bits necesarias para proporcionar los cuatro estados posibles de la modulación en fase QPSK obteniendo las señales I y Q. Modulador: Luego de que el registro de control entrega los dibits (dos bits), éstos son ingresados al codificador diferencial y luego al modulador QPSK. Para realizar la modulación y la demodulación empleamos un dispositivo LM1596/LM1496 3, el cual es un doble modulador/demodulador balanceado que produce una señal de salida proporcional al producto de una tensión de entrada con la señal portadora. Luego de obtener la señal modulada en fase, ingresa en la etapa de amplificación para luego ser filtrada por un filtro pasabanda y finalmente ser enviada al Acoplador Capacitivo. Demodulador: Cuando ingresa una señal OQPSK a través del Acoplador Capacitivo, ésta es dirigida hacia un filtro pasa bajos que realiza la función de eliminar las señales indeseadas. Luego es amplificada a través de un control automático de ganancia para que luego ingrese a un circuito de recuperación de la portadora. La señal OQPSK es demodulada mediante el dispositivo ya mencionado anteriormente en el inciso (b) para ser enviada al decodificador diferencial y luego al registro de control. Decodificador diferencial: El flujo de datos unipolar se decodifica diferencialmente de manera de asegurar recuperar la información de estados de fase relativa. De esta forma la entrada de la información se correlaciona con la fase relativa y por consiguiente del retardo de fase que introduce el medio de transmisión. 3 Las características del LM1596/LM1496 se presentan en el Apéndice B

45 Capítulo 3 Parámetros de la Red y del Sistema PLC En este Capítulo se describen los parámetros de la Red y del Sistema PLC. En la Sección 3.1 se presenta información general sobre la Red de distribución de energía eléctrica, con sus respectivos parámetros. En la Sección 3.2 se describen los ruidos presentes en las señales PLC. En la Sección 3.3 se detallan los distintos métodos de Acoplamiento y por último en la Sección 3.4 se presentan las Normas regulatorias para los sistemas PLC de Banda Angosta Redes de distribución de energía Instalación eléctrica Las redes de distribución eléctrica domiciliarias y las instalaciones eléctricas en casas y oficinas, no fueron diseñadas para llevar datos a gran velocidad y en altas frecuencias. Estas redes se diseñaron para llevar tensiones y corrientes altas con frecuencias bajas (220V 50Hz en Argentina, 120V 60Hz en EE UU) para poder entregar a los consumidores importantes cantidades de energía. Los sistemas PLC pueden estar agregados a la instalación eléctrica y sujetos 29

46 30 CAPÍTULO 3. PARÁMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC a varias limitaciones, y de esta manera proporcionar conexiones de datos entre distintos puntos de la Red Eléctrica. En general esta última no está apantallada, por lo que emite radiofrecuencia, pudiendo provocar interferencia en otros sistemas de radiocomunicaciones. En una Red Eléctrica, la conexión y desconexión de equipos de distintos tipos es muy frecuente, y no hay características físicas bien definidas referidas a estos picos y valles de carga, creando un ambiente electromagnético particular. La impedancia que desbalancea los dispositivos conectados a la Red, puede resultar insignificante para la Red Eléctrica misma, sin embargo, la pérdida de señal para las comunicaciones de datos a determinadas frecuencias y situaciones de carga de potencia, provoca que algunas de estas frecuencias prácticamente desaparezcan. La atenuación sufrida en estos ceros, cambiará dependiendo donde estén ubicados los dispositivos interconectados y que otros dispositivos (aparatos, etc.) se conectan a la Red [4] Líneas de transmisión Se puede considerar que la línea de transmisión es un elemento del sistema de potencia. A las líneas de transmisión de potencia aérea se las pueden clasificar de la siguiente manera [11]: líneas de longitud corta. líneas de longitud media. líneas de longitud larga Circuito equivalente de una línea de transmisión Las características de una línea de transmisión se determinan por sus propiedades dieléctricas, como la conductancia de los cables y la constante dieléctrica del aislante, y sus propiedades físicas como el diámetro del cable y los espacios del conductor.

47 3.1. REDES DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA 31 Estas propiedades, a su vez, determinan las constantes eléctricas primarias; resistencia de CD en serie (R), inductancia en serie (L), capacitancia de derivación (C), y conductancia de derivación (G). La resistencia y la inductancia ocurren a lo largo de la línea y constituyen la impedancia serie, mientras que entre los dos conductores, ocurre la capacitancia y la conductancia que corresponden a la admitancia en paralelo. Las constantes primarias se distribuyen de manera uniforme a lo largo de la línea, y por la tanto, se les llama comúnmente parámetros distribuidos. Para simplificar el análisis, los parámetros distribuidos tipicamente, se agrupan por una longitud unitaria, dada para formar un modelo artificial de la línea. Por ejemplo la resistencia en serie generalmente se da en ohms por milla o km. La Figura (3.1) muestra el circuito equivalente eléctrico para una línea de transmisión, de dos cables, metálica, indicando el lugar relativo de los distintos parámetros agrupados. La conductancia entre los dos cables se muestra en una forma recíproca y se indica como una resistencia de derivación dispersa (R s ).[8]. Figura 3.1: Circuito equivalente eléctrico Si la línea aérea se clasifica como corta, la capacitancia en derivación es tan pequeña, que se puede omitir por completo con una pérdida de exactitud insignificante, considerando solamente la resistencia R y la inductancia L en serie para la longitud total de la línea. Una línea de longitud media se puede representar con suficiente exactitud con R y L como parámetros concentrados, con la mitad de la capacitancia al neutro de la línea concentrada en cada terminal del circuito equivalente. Por lo general la

48 32 CAPÍTULO 3. PARÁMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC conductancia en derivación G se desprecia cuando se calcula la tensión y la corriente de líneas de transmisión de potencia. Si los capacitores se omiten, el mismo circuito representa las líneas cortas. En lo que se refiere a la capacitancia, se considera como corta las líneas de 50Hz de conductor abierto que tienen menos de 80 km. de longitud. Las líneas de longitud media son las que están entre 80 km. y 240 km.. Las líneas que tienen más de 240 km. requieren de cálculos en términos de constantes distribuidas, si se necesitan un alto grado de exactitud, aunque para algunos propósitos, se puede usar una representación de parámetros concentrados para líneas de hasta 320 km. de largo [11] Características de una línea de transmisión [8][16]Las características de una línea de transmisión se denominan constantes secundarias y se determinan con las cuatro constantes primarias. Las constantes secundarias son la Impedancia Característica y la Constante de Propagación. Impedancia Característica Para una máxima transferencia de potencia, desde la fuente a la carga (o sea sin energía reflejada), una línea de transmisión debe terminarse en una carga puramente resistiva igual a la Impedancia Característica de la línea. La Impedancia Característica (Z 0 ) de una línea de transmisión, es una cantidad compleja que se expresa en Ω, que idealmente es independiente de la longitud de la línea, y que no puede medirse. La Impedancia Característica (que a veces se llama resistencia de descarga), se define como la impedancia que se ve desde una línea infinitamente larga, o la impedancia que se ve desde el largo finito de una línea, que se termina en una carga totalmente resistiva, igual a la Impedancia Característica de la línea. Una línea de transmisión almacena energía en su inductancia y capacitancia distribuida. Si la línea es infinitamente larga, puede almacenar energía indefinidamente; está en-

49 3.1. REDES DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA 33 trando energía a la línea desde la fuente y ninguna se regresa, por lo tanto, la línea actúa como un resistor que disipa toda la energía. Se puede simular una línea infinita, si se termina una línea finita con una carga puramente resistiva igual a Z 0 ; toda la energía que entra a la línea desde la fuente se disipa en la carga (esto supone una línea totalmente sin pérdida). Matemáticamente la Impedancia Característica es: Z 0 = E s I s = R + jωl G + jωc (3.1) Constante de Propagación La Constante de Propagación (a veces llamado el coeficiente de propagación), se utiliza para expresar la atenuación (pérdida de la señal) y el desplazamiento de fase por unidad de longitud de una línea de transmisión. A medida que se propaga una onda a lo largo de una línea de transmisión, su amplitud se reduce con la distancia viajada. La Constante de Propagación se utiliza para determinar la reducción en tensión o corriente de la distancia, conforme una onda electromagnética se propaga a lo largo de una línea de transmisión. Para una línea infinitamente larga toda la potencia incidente se disipa en la resistencia del cable, conforme la onda se propague a lo largo de la línea. Por lo tanto con una línea infinitamente o una línea que se ve como infinitamente larga, osea, como una línea finita que termina en una carga acoplada (Z 0 = Z l ), no se refleja ni se regresa energía nuevamente a la fuente. Matemáticamente la Constante de Propagación es γ = α + jβ (3.2) en donde γ es la Constante de Propagación, α es el Coeficiente de Atenuación (db/km), β es el Coeficiente de Desplazamiento de Fase (rad/km). La Constante de Propagación es una constante definida por γ = (R + jωl)(g + jωc) (3.3)

50 34 CAPÍTULO 3. PARÁMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC a frecuencias de radio e intermedias ωl > R y ωc > G ; por lo tanto α = R + GZ 0 2Z 0 2 (3.4) β = ω LC. (3.5) Transitorios en la línea de transmisión [11]Las sobretensiones transitorias que ocurren en un sistema de potencia, son de origen externo (por ejemplo las descargas atmosféricas o rayos) o bien se generan internamente por las operaciones de maniobra. En general, los transitorios de los sistemas de transmisión se originan debido a cualquier cambio repentino en las condiciones de operación o configuración de los sistemas. Los rayos son siempre un potencial de peligro para los equipos de los sistemas de potencia, pero las operaciones de maniobra pueden también causar su daño. Para tensiones de hasta 230 kv, el nivel de aislamiento de las líneas y del equipo está determinado por la necesidad de protegerlos de los rayos. En los sistemas con tensión de más de 230 kv, pero con menos de 700 kv, las operaciones por maniobra y los rayos, son los que potencialmente dañan los aislamientos. Para las tensiones superiores a 700 kv las sobretensiones por maniobra son el factor determinante del nivel de aislamiento. En la mayoría de los casos las líneas aéreas se protegen de las descargas atmosféricas directas, a través de uno o más conductores que estén al potencial de tierra y extendidos por arriba de los conductores de potencia. Estos conductores protectores, llamados hilos de guarda o de blindaje, se conectan a la tierra a través de las torre de transmisión que sostienen las líneas. Pérdidas en la línea de transmisión Hay varias formas en que la potencia se pierde en la línea de transmisión y son: pérdidas en el conductor (efecto piel, consecuencia del efecto Joule), pérdidas por radiación, pérdidas por el calentamiento del dieléctrico, pérdidas por acoplamiento

51 3.1. REDES DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA 35 y descarga luminosa (corona) 1 [23] Comentarios generales sobre los cables de Media Tensión Tenemos que distinguir entre dos diferentes tipos de técnicas de disposición. Una disposición de los cables es en forma triangular y la otra es colocar los cables en forma planar. A continuación se muestran las dos disposiciones de cables (Figura 3.2) Figura 3.2: Disposición de cables de Media Tensión Es muy común que la disposición triangular de los cables este protegida contra la tensión mecánica, por medio de un blindaje de metal alrededor de los tres cables. El blindaje puede ser de dos tipos diferentes; un blindaje no aislado contra la tierra circundante y un blindaje aislado por medio de un conducto plástico contra la tierra circundante [7]. La disposición más utilizada, según información brindada por el Departamento de Ingeniería de Potencia del EPEN y el Departamento de Electrotécnia (Área de Potencia) de la UNCo, es la forma planar aérea antes mencionada, mostrada en la Figura (3.3) 2, con la disposición MN111, tomando cables de conductor desnudo 1 Estas pérdidas serán tratadas con mayor detenimiento en el Capítulo 4, Sección Figura brindada por el Departamento de Electrotécnia (Área de Potencia) de la UNCo.

52 36 CAPÍTULO 3. PARÁMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC [22](Pirelli), de aleación de aluminio según Normas IRAM [12] [13]. Figura 3.3: Disposición MN111 Realización práctica de un cable de Media Tensión/Alta Tensión Los cables y alambres tienen a menudo que satisfacer requisitos muy diferentes a lo largo de su ruta. Antes de decidir el tipo de sección transversal, uno debe examinar las funciones eléctricas en particular y también los factores climáticos y operacionales, factores que influyen en la fiabilidad del sistema y en los parámetros de la comunicación esperados. La Figura (3.4) muestra la construcción de un cable de alta tensión apantallado Figura 3.4: Ejemplo de un cable de Media Tensión de 3 núcleos 3 La datos técnicos de los cables se presentan en el Apéndice C

53 3.2. DETERIORO DE LA SEÑAL PLC 37 En general puede decirse que cada cable apantallado aislado es suficiente para este tipo de medio de comunicación. Si se blinda los cables en uso, no debe haber cortocircuitos entre la pantalla y el blindaje del cable, detrás de los primeros 100 mts. luego del punto de inyección de la señal [7] Deterioro de la señal PLC Contrariamente a lo que sucede con otros canales de comunicaciones, el ruido en el canal de las líneas de energía no se puede representar como un ruido blanco gaussiano aditivo. Si la cantidad de las señales que interfieren son demasiadas grandes, con respecto a la señal atenuada y a la señal distorsionada, los receptores tendrán dificultades para reproducir la información original con fiabilidad suficiente. Varias de las señales que interfieren se generan de las cargas conectadas, debido a muchas interconexiones, diferentes tipos de conductor y, por lo tanto, tienen diferentes orígenes y características. Debajo se presentan los cuatros tipos principales de ruido, presentes en un canal de comunicación (Figura 3.5) sobre una línea de energía [14]. Ruido impulsivo Este tipo de ruido está caracterizado por picos de tensión muy potentes pero de corta duración, y pueden producir impulsos que saturan cualquier receptor por períodos de alrededor de 10 a 100 µseg. y pueden alcanzar magnitudes de hasta 2 kv. Estos impulsos tienen tiempos de subida muy rápidos y son virtualmente imposibles de filtrarlos. Los impulsos son generalmente periódicos con dos veces la frecuencia de la línea de energía, entre 100 o 120 Hz, y muchos ocurren durante medio ciclo, debido a la conmutación de varias cargas. La Red y sus cargas unidas poseen inductancia y capacitancia que pueden producir resonancia en una frecuencia, que depende de la carga instantánea, produciendo atenuación de las formas de onda que duran varios ciclos en las frecuencias de comunicaciones. El ruido impulsivo aparece solo como

54 38 CAPÍTULO 3. PARÁMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC Figura 3.5: Diferentes tipos de ruidos un acontecimiento único y es causado por todas las operaciones de conmutación, tales como los cierres de contactos. Este tipo de ruido se modela como una señal de impulso debido a su presencia relativamente corta. Ruido Síncrono A este ruido se lo denomina así, ya que está en sincronía con la frecuencia del sistema de energía (50Hz). Normalmente este ruido es causado por los rectificadores controlados de silicio (SCR), el cual conmuta cuando la tensión cruza un cierto valor. Este ruido es considerado como un fenómeno que no ocurre regularmente, pero una vez que sucede puede durar muchas horas. El nivel de ruido normalmente no excede los -70 dbw por cada armónico. Ruido de fondo Este ruido está siempre presente y generalmente está dado por un espectro plano. Es de naturaleza estocástica y tiene una densidad espectral de energía relativamente

55 3.3. MÉTODOS DE ACOPLAMIENTO DE LA SEÑAL 39 baja, de este modo puede ser modelado como ruido blanco limitado en banda con distribución gaussiana. Ruido Asíncrono Como el nombre sugiere, estos tipos de ruidos son los que no tienen relación con la frecuencia de la Red o armónicos superiores. Las fuentes de ruidos más importantes para este caso, son los monitores de televisión y los de computadoras, producto de la exploración y sincronización de las señales en este tipo de aplicaciones. Una característica de este ruido es que ellos ocurren a frecuencias conocidas, como por ejemplo los sistemas de televisión (PAL) a la frecuencia Hz y armónicos superiores. El ruido de banda estrecha también se encuentra dentro de esta categoría, este ruido consiste en señales sinusoidales de amplitud modulada. La fuente de este tipo de ruido son las estaciones de radio y las variaciones del nivel del mismo, según la hora del día. El ruido de fondo mostrado en la Figura (3.5) representa una forma típica de esta clase. En la Figura también se muestra el ruido síncrono, en donde se puede visualizar los armónicos de la frecuencia de la Red. El ruido impulsivo se distingue de los demás debido a la característica de la señal, la cual presenta picos de gran amplitud y corta duración de tiempo. El ruido asíncrono, tiene una densidad espectral aleatoria. Aparte de la atenuación del cable, de los cuatro tipos de ruido descritos arriba, la desadaptación de impedancias y las reflexiones causadas por diversos tipos y tamaños de cable de transmisión, contribuyen a la interferencia total que se describe en la Capítulo siguiente Métodos de Acoplamiento de la señal Las tecnologías de Acoplamiento para líneas de media tensión son un factor decisivo para el diseño de una Red PLC. Las características principales son: el costo que debe ser razonable para la aplicación dada y las dimensiones que deben ser

56 40 CAPÍTULO 3. PARÁMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC pequeñas de manera que puedan ser instalados en las subestaciones transformadoras, donde el espacio permitido es reducido[17]. Hay tres tipos básicos de Acoplamientos de señales a líneas de media tensión: Inductiva por medio de la pantalla del cable. Inductiva por medio del núcleo. Capacitiva por medio del núcleo. Los primeros dos métodos (inductivos) se acoplan a la línea por corriente y el último mediante tensión a través del núcleo. Otras aproximaciones como el acoplador direccional o el acoplamiento por medio de un transformador al núcleo son deficientes o demasiado costosos. Esquemas de Acoplamientos Capacitivos por medio del núcleo Los Acoplamientos Capacitivos (Figura 3.6) para tecnología PLC sobre líneas de media tensión, son unidades altamente compactas que incluyen en los mismos dipositivos, el condensador de acoplo y el circuito de sintonía. Estos dispositivos maximizan el ancho de banda disponible y optimizan la adaptación de impedancias entre la línea de media tensión y el equipo de comunicaciones. El alto aislamiento brinda la más completa seguridad, ya sea dando protección a los operarios y/o a los equipos de comunicaciones. Estos tipos de acoplamiento son muy utilizados para líneas aéreas, y el costo es razonable para este tipo de aplicaciones. Esquemas de Acoplamientos Inductivos El Acoplamiento Inductivo puede ser un método muy utilizable conociendo exactamente las características de la Red y si hay un profundo conocimiento de la propagación de la señal. Hay tres tipos principales de Acopladores Inductivos utilizados para inyectar la señal.

57 3.3. MÉTODOS DE ACOPLAMIENTO DE LA SEÑAL 41 Figura 3.6: Acoplamientos capacitivos para líneas de Media Tensión 1) Acoplamiento invasivo por medio de la pantalla (Figura 3.7) del cable: este método realiza la comunicación entre la tierra y la pantalla, como si fuera un sistema de un solo conductor. Figura 3.7: Acoplamiento invasivo por medio de la pantalla 2) Acoplamiento no invasivo por medio de la pantalla (Figura 3.8) del cable: este método realiza la comunicación entre tierra y la pantalla, como si fuera un sistema de un solo conductor. Este método es igual que el anterior pero entrega normalmente una señal más débil. 3) Acoplamiento no invasivo por medio del núcleo (Figura 3.9) del cable: este método trabaja sobre todos los cables, pero tiene una gran desventaja con respecto

58 42 CAPÍTULO 3. PARÁMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC Figura 3.8: Acoplamiento no invasivo por medio de la pantalla a los otros acoplamientos, que se refiere a la gran debilidad de éste, o bien, que el acoplador muestre una alta dependencia de la corriente en el conductor debido a la saturación magnética del núcleo. Figura 3.9: Acoplamiento no invasivo por medio del núcleo Todos los métodos inductivos tienen una gran desventaja, que es que dependen de la carga. El Acoplamiento más afectado por este tema es el acoplador no invasivo por medio del núcleo. En cambio el menos influenciado es el acoplamiento invasivo por medio de la pantalla Normas regulatorias para PLC de Banda Angosta Todas las tecnologías de comunicación de PLC de Banda Angosta trabajan en las llamadas bandas CENELEC (Figura 3.10) en concordancia con el estandar EN

59 3.4. NORMAS REGULATORIAS PARA PLC DE BANDA ANGOSTA Figura 3.10: Rango de frecuencias y niveles límites según el estándar EN Esta Norma brinda las regulaciones sobre parámetros importantes, tales como el rango de frecuencia, los niveles de señal, la potencia de transmisión, etc., permitiendo que los sistemas de PLC operen en la banda de frecuencia de 3 a khz. Se toma este rango para evitar interferir con otros sistemas que trabajan a frecuencias más bajas y de interferir con las señales de radio de larga (LW) y media onda (MW), fijando esto el límite de frecuencia superior. La asignación de las bandas de frecuencias EN B-C-D están realiazadas para las Redes PLC que conectan directamente a los clientes de baja tensión (LV). Para los sistemas de comunicación que trabajan en líneas de energía de media tensión (1 kv a 36 kv), las asignaciones antes indicadas, quedan sin sentido debido a que no están conectados a sistemas residenciales, por lo tanto los sistemas de PLC de media tensión están permitidos para trabajar en todas las bandas conforme a EN Debajo se presentan las categorías de las distintas bandas de frecuencia mencionadas anteriormente: El rango de frecuencias de la Banda A está comprendido desde los 9 a 95 khz, asignado para empresas de servicios eléctricos para utilidades como AMR; no hay necesidad de utilizar protocolo de acceso al medio cuando se opera en esta banda.

60 44 CAPÍTULO 3. PARÁMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC El rango de frecuencias restante, comprende a las bandas de frecuencias B, C y D, éstas, están reservadas para aplicaciones del usuario final. Estas tres bandas difieren principalmente en las regulaciones de los protocolos de cada una de ellas. La banda B se encuentra en el rango de 95 a 125 khz y no requiere el uso de protocolos de acceso al medio para el establecimiento de las comunicaciones. Por lo tanto es posible que dos sistemas transmitan simultáneamente sobre la banda B, y en consecuencia de ello, puede producirse una colisión de mensajes. Esta banda está diseñada para usarse en aplicaciones tales como intercomunicadores. La banda C está clasificada en el rango de frecuencia comprendido entre los 125 a 140 khz y requiere de un protocolo de acceso al medio, para ser usados por los dispositivos de transmisión. Este protocolo apunta a que la transmisión simultánea de mensajes sea altamente improbable. En consecuencia pueden existir varios sistemas de transmisión, pero solamente uno puede transmitir en cualquier momento. Las aplicaciones de los dispositivos que operan en esta banda incluyen las comunicaciones internas entre PCs de un edificio. La banda D comprende las frecuencias de 140 a khz., tiene características similares a la banda A, en que no requiere protocolo de acceso al medio y por ende es factible la colisión de mensajes. Hay diferentes reglas en USA y Japón. Estos países tienen el límite superior de frecuencia para los sistemas PLC en alrededor de 500 khz. Esto es, porque ellos no usan sistemas de radio de onda larga. La mayoría de los sistemas de PLC de gran velocidad, que trabajan en las bandas CENELEC, con una tasa de datos de hasta 1 Mbps, son diseñados para trabajar en el mercado de USA y Japón. Finalmente, la Norma EN50065 especifica ciertas condiciones, como los protocolos de comunicación, las especificaciones de los filtros para filtrar la portadora, para evitar la atenuación excesiva de la señal debido a los múltiples dispositivos PLC de

61 3.4. NORMAS REGULATORIAS PARA PLC DE BANDA ANGOSTA 45 baja impedancia en una Red y también brinda información sobre la impedancia de los equipos de comunicaciones.

62 46 CAPÍTULO 3. PARÁMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC

63 Capítulo 4 Diseño En este Capítulo se presentan los cálculos de los parámetros de la Red, la elección de los diferentes niveles y el método de acoplamiento seleccionado. Por último se realiza un resumen del diseño completo Cálculos requeridos para el diseño Información sobre la Red Para realizar este tipo de análisis es necesario tener conocimiento de las características de la Red de media tensión. Esto necesariamente requiere del apoyo de la empresa proveedora del servicio eléctrico, la cual deberá brindar la siguiente información: 1. Características de la línea media tensión incluyendo: Segmentos de líneas aéreas. Longitud de cada segmentos de línea. El tipo de cable usado con detalles de corte transversal. Nivel de voltaje. Disposición de las subestaciones. 47

64 48 CAPÍTULO 4. DISEÑO 2. La instalación de los dispositivos de acoplamiento en los puntos de medición que la empresa seleccione para sus requerimientos Cálculos de parámetros de la Red Los cálculos requeridos para el análisis sobre el sistema, son diferentes de acuerdo con el método de acoplamiento utilizado. También es necesario tener conocimiento de la topología de la Red y las aplicaciones de las comunicaciones que se establecerán. Los siguientes tipos de datos y cálculos pueden ser tomados y realizados respectivamente de la línea de potencia: Impedancia Característica. Atenuación. Relación Señal a Ruido (S/N). Cálculo de la Impedancia Característica De la información ya suministrada en capítulos anteriores sobre las líneas de media tensión, con respecto a los niveles de tensión (13,2 kv), se la considera a dicha línea como corta (menor a 80 km), debido a que los ingenieros de potencia toman como una regla práctica a la multiplicación del nivel de tensión por 2, dando como resultado la distancia que tomará la línea de media tensión, osea 26 km aproximadamente. De esta manera el circuito equivalente eléctrico de la línea queda reducido a considerar la resistencia R y la inductancia L en serie para la longitud total de la línea, todo esto es propio de las líneas de media tensión a 50 Hz. Debido a que en nuestro proyecto utilizamos la banda A de la Norma CENELEC que se encuentra entre las frecuencias 9 a 95 khz, los cálculos sobre la línea de media tensión serán basados en el circuito equivalente eléctrico de una línea larga. Por ello se requerirán cálculos en términos de parámetros distribuidos.

65 4.1. CÁLCULOS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO 49 Forma analítica: El cálculo en forma analítica será realizado sobre líneas aéreas de cables de media tensión con disposición planar MN111 como ya mencionamos en el Capítulo 3, Sección 3.1.6, la cual tiene una distancia entre fases de 112 cm. El cable es de marca Pirelli, con aleación de aluminio y cumple con ciertas características según Normas IRAM El más utilizado según información brindada por el EPEN es el que tiene las siguientes especificaciones: Sección Nominal = 70 mm 2 Diámetro = mm Resistencia eléctrica = Ω/km Como nuestra propagación se realizará entre fase y neutro, a partir de los parámetros antes mencionados, calculamos la reactancia inductiva X L y la suceptancia capacitiva b c y obtenemos la Impedancia Característica de la línea Z 0, para la Banda A CENELEC (9 a 95 khz) y en particular 20 khz. Comenzamos calculando el valor de la reactancia inductiva X L = 4πf ln D m D r. (4.1) donde D m es la distancia media geométrica entre el conductor - tierra y D r es el radio del conductor desnudo. Con D m = 9 m y D r = mm Para 20 khz = X L = Ω/km Calculamos el valor de la suceptancia capacitiva X C = ln D m D r 4000π 2 kf. (4.2)

66 50 CAPÍTULO 4. DISEÑO donde D r es el radio del conductor desnudo y k es la permitividad que rodea a la superficie. Con D m = 9 m, D r = mm, k = 8, F/m. 1 b c = 1 X C suceptancia capacitiva (4.3) Para 20 khz = b c = 9, S/km Cálculo de Z 0 A partir de la ecuación (3.1) y dado que ωl > R y ωc > G ; la ecuación se reduce a Entonces: Z 0 = jωl jωc (4.4) Para 20 khz = Z 0 = 445,5 Ω Forma gráfica: Según estudios realizados en Cipunet [7] y como se muestra en la Figura 4.1, Figura 4.1: Impedancia característica de líneas aéreas de MT la impedancia característica para una línea aérea de conductor desnudo que se 1 k r = k/k 0, para el aire seco k r se supone igual a 1.0 en los cálculos de lineas aéreas y k 0 es 8, F/m

67 4.1. CÁLCULOS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO 51 encuentra a una altura dada, se calcula de la siguiente manera: Z 0 (h) = η 2π ln(2h a ) (4.5) en donde η = µ0 ɛ 0 (4.6) sabiendo que η = 377 Ω, h = 9 m y a = mm, nos queda = Z 0 = 480 Ω En la Figura (4.2) se muestra el valor de Z 0 en función de h Figura 4.2: Valor de Z 0 en función de h De la Figura (4.3) se pueden observar los valores de las reactancias capacitivas para la Banda A CENELEC. Como se observa los valores de la reactancia capacitiva y de la Impedancia Característica para 20 khz se aproximan bastante a los calculados analíticamente. Cálculo de la Atenuación Las pérdidas de la línea de tensión aumentan en función de la frecuencia. Los materiales conductores no son ideales, por lo tanto al inyectar una señal, parte de

68 52 CAPÍTULO 4. DISEÑO Figura 4.3: Reactancia capacitiva de líneas aéreas de MT la energía que se transmite no es recibida por el receptor. Los factores de pérdida son: pérdidas resistivas en los conductores. pérdidas en el dieléctrico. pérdidas por radiación. pérdidas por acoplamiento. Los principales factores de pérdidas en una línea de media tensión en las frecuencias en las que estamos trabajando (9 a 95 khz.), son las mencionadas anteriormente, salvo las pérdidas por calentamiento del dieléctrico y las pérdidas por radiación. Esta última, no es tenida en cuenta debido a que la separación entre conductores no es una fracción apreciable de una longitud de onda. Según nuestro rango de frecuencias y de la siguiente ecuación, tenemos: λ = v/f donde v es la velocidad de propagación y si consideramos a v como la velocidad de la luz, entonces v c, y así obtenemos En 9 khz = λ = m. En 95 khz = λ = 3157 m.

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