PLC (POWER LINE COMUNICATION) DAVID MAURICIO ECHEVERRI RIQUETH VICTOR HUGO MADERA MARTINEZ

Transcripción

1 PLC (POWER LINE COMUNICATION) DAVID MAURICIO ECHEVERRI RIQUETH VICTOR HUGO MADERA MARTINEZ UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA MEDELLÍN 2008

2 INTRODUCCIÓN El concepto de Comunicaciones sobre Líneas de Potencia viene del inglés Power Line Communications (PLC), que se conoce también en Estados Unidos como BPL (Broadband Power Line) o DPL (Digital Power Line) nombre genérico de telecomunicaciones sobre el segmento de baja tensión (ámbito doméstico) de las redes eléctricas. Este sistema puede ser usado para proveer servicios de telecomunicación como: Internet de banda ancha, Voz sobre IP (VoIP), video y audio por demanda, servicios de valor agregado como la AMR (Automatic Meter Reading) para medición de servicios públicos (agua, gas, luz, etc), distribución automática DSM (Deman Side Management) como el control remoto y mantenimiento del alumbrado público, acceso remoto a edificios inteligentes y adquisición de datos, entre otros. La tecnología existente y los desarrollos logrados en tecnología de comunicaciones sobre líneas de potencia, la convierten en una de las nuevas alternativas de acceso para servicios de banda ancha. Las pruebas realizadas en todo el mundo han demostrado la viabilidad de esta tecnología para cumplir con tales objetivos, convirtiéndose en una interesante oportunidad de negocio para las empresas distribuidoras de electricidad. La tecnología PLC es simplemente un conjunto de elementos y sistemas de transmisión que, basándose en una infraestructura de transporte y distribución eléctrica clásica, permite ofrecer a los clientes servicios clásicos de un operador de telecomunicaciones, abriendo la posibilidad de ofrecer servicios de Internet, transmisión de datos a alta velocidad y hasta telefonía IP. Una forma de prestar el servicio de comunicación por PLC es utilizando redes hibridas, ya sea PLC-Fibra Óptica, PLC-Satélite y PLC-Wifi. Estas conexiones hibridas permiten tener redes más económicas, ya que combinan tramos de la red con tecnologías que se adapten mejor a las características de la infraestructura de distribución. Esto permite obtener redes de menor costo, con características similares a redes con tecnología no hibrida. A pesar de estos beneficios y que algunas de estas tecnologías híbridas permiten una solución económica para zonas rurales, se contempla hasta el momento una distribución totalmente por la red eléctrica, utilizando todos los beneficios y características de la transmisión por medio de las líneas de bajo y medio voltaje. La única conexión que se contempla con otra tecnología es en el tramo de red que conecta a la central de transmisión de datos para el suministro de servicios de Internet, utilizando fibra óptica. Ahora y luego de percatarse del posible uso que se le puede dar a la línea eléctrica como canal de comunicación, surge una serie de inconvenientes que se deben sortear para emplearla eficientemente y transmitir información a través suyo con la certeza de que los datos transmitidos lleguen a su destino. Estos inconvenientes surgen ya que la red eléctrica no fue diseñada 2

3 para la comunicación de datos, por lo cual se presentan problemas tales como desacoples de impedancia, las cuales producen reflexiones, la atenuación de la línea eléctrica se incrementa con la distancia y con la frecuencia, su impedancia varía con el tiempo en un rango muy grande, según estén o no conectados ciertos aparatos eléctricos, no es un sistema lineal e invariante en el tiempo, lo que añade más dificultad a su uso y complica su caracterización respecto a atenuación, ruido y distorsión, la gran variedad de dispositivos que pueden estar conectados hace que el ruido introducido por estos sea muy variado. Además, la red eléctrica del hogar no está diseñada para trasmitir señales a alta frecuencia, por lo que al hacerlo se convierte en una fuente de ruido que hay que limitar. Con el fin de sortear este tipo de inconvenientes, PLC hace uso de esquemas de modulación robustos que permitan transmitir la información sin que esta se vea afectada por las condiciones adversas que presenta la línea eléctrica. El principal esquema empleado por PLC es OFDM, el cual mas que ser un esquema de modulación es una técnica que combina múltiplexación y modulación, que emplea el principio de ortogonalidad de las señales para hacer un uso mucho mas eficiente del espectro electromagnético y disminuir los efectos dañinos producidos por la multitrayectoria, la cual se presenta con mucha frecuencia en los sistemas PLC debido a los desacoples de impedancia en la línea. 3

4 1. RED DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA El sistema de suministro eléctrico comprende el conjunto de medios y elementos útiles para la generación, el transporte y la distribución de la energía eléctrica. Este conjunto está dotado de mecanismos de control, seguridad y protección. Constituye un sistema integrado que además de disponer de sistemas de control distribuido, está regulado por un sistema de control centralizado que garantiza una explotación racional de los recursos de generación y una calidad de servicio acorde con la demanda de los usuarios, compensando las posibles incidencias y fallas producidas. 1.1 SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA (SEP) Un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) es el conjunto de centrales generadoras, de líneas de transmisión interconectadas entre sí y de sistemas de distribución esenciales para el consumo de energía eléctrica. El Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) está formado por tres partes principales: generación, transmisión y distribución. Generación. Comprende el como se genera energía eléctrica. Esta puede ser generada por centrales eléctricas de tipo hidráulica, térmica, eólica, termo nuclear, etc. Transmisión y Subtransmisión. Comprende todos los elementos que se necesitan para transmitir la potencia, desde los puntos de generación hasta los centros de carga a una tensión superior o igual a doscientos treinta mil voltios (230 KV). Comprende las subestaciones, líneas de transmisión, transformadores, etc. Se debe de tener presente que se debe involucrar los diferentes sistemas de interconexión. La Subtransmisión es la transmisión que se realiza a una tensión de ciento quince mil voltios (115 KV). Involucra subestaciones, líneas de transmisión, transformadores, etc. Distribución. Es la que se realiza a una tensión inferior a ciento quince mil voltios (115 KV). Comprende subestaciones de reducción, transformadores, líneas, etc. Otros aspectos a tener en cuenta que forman el sistema eléctrico son: Transporte. Subestaciones Centros de Transformación Instalación de Enlace 4

5 En la figura 1.1, se pueden observar en un diagrama esquematizado los distintos componentes del sistema de suministro eléctrico mencionados. Figura 1.1. Diagrama esquematizado del Sistema de suministro eléctrico 1.2 RED DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA En la Figura 1.2 se esquematiza la estructura de una red eléctrica. Figura 1.2 Modelo de referencia de la red de distribución eléctrica En ella se pueden distinguir cuatro segmentos de interés: Red de Alto Voltaje: Transporta la energía desde los centros de generación hasta las grandes áreas de consumo. Las distancias de transporte son grandes, lo que implica altos voltajes (110Kv 380Kv) para minimizar las pérdidas (una región, un país, entre países). 5

6 Red de Medio Voltaje: Distribuye la energía dentro de un área de consumo determinada (una ciudad, una comarca). Está en el rango de 10Kv a 30Kv. Red de Bajo Voltaje: Distribuye la energía a los locales de usuario final, a los voltajes de utilización final (110V-220V-380V). Red de Distribución Doméstica: Comprende el cableado de energía y las tomas dentro de los locales del usuario final. 1.3 Elementos de un Sistema de Distribución. Entre los principales elementos que conforman un sistema de distribución eléctrico se encuentran los siguientes: Alimentadores Primarios de Distribución: Llevan la energía eléctrica desde las subestaciones de potencia hasta los transformadores de distribución. Transformadores de Distribución: Equipos encargados de cambiar la tensión primaria a un valor menor de tal manera que el usuario pueda utilizarla sin necesidad de equipos e instalaciones costosas y peligrosas. Alimentadores Secundarios: Distribuyen la energía desde los transformadores de distribución hasta las acometidas a los usuarios. Acometidas: Son las partes que ligan al sistema de distribución de la empresa suministradora con las instalaciones del usuario. 1.4 REDES ELÉCTRICAS EN COLOMBIA En Colombia, tenemos un sistema bifásico, 220Voltios entre las fases, las cargas típicas son conectadas entre la fase y cero (110V). Cargas pesadas son conectadas entre dos fases. Frecuencia de operación 60 Hz. Por lo general se conectan de 5 a 20 casas a un solo transformador de distribución en una ciudad (casas próximas a los transformadores de distribución). Es importante tener presente que la red eléctrica no ha sido diseñada para transportar información que requiera cierto ancho de banda; de hecho es un medio muy hostil ya que es un canal con una respuesta en frecuencia muy variable, tanto de lugar a lugar, como en el tiempo (horas de mayor consumo eléctrico) y además de ser muy ruidoso, por la gran diversidad de cargas conectadas. Sin embargo el procesamiento digital de señales actualmente permite la transmisión de considerables anchos de banda a través de este medio. La banda de frecuencias aprovechable se extiende desde los KHz hasta los Mhz. Los tendidos de energía no toman precauciones en cuanto a la radiación (ni a la recepción a estas frecuencias) que coinciden con bandas de radio de uso público, estos aspectos constituyen uno de los campos donde se está regulando más intensamente para permitir la coexistencia de estos servicios. 6

7 2. SISTEMA PLC 2.1 HISTORIA DEL PLC Aunque la transmisión de información por las líneas de energía eléctrica, es explorada y utilizada de forma limitada desde hace años, podemos considerar que la nueva era de esta tecnología se dispara en otoño de 1997 con el anuncio de Norweb de sus experiencias en el Reino Unido, en las que se suministraba acceso a Internet a un segmento de baja tensión de unos 200 abonados. La potencialidad de la técnica causó un enorme revuelo y varios suministradores de equipos de telecomunicación se lanzaron a realizar pruebas de campo de sus tecnologías en el área (particularmente Siemens y Ascom). A finales del 2000, Siemens también detuvo sus desarrollos en esta tecnología, alegando la inestabilidad de la regulación y su lento despegue. Es interesante notar que las primeras aplicaciones de PLC se remontan hace más de veinte años en aplicaciones de banda estrecha, con velocidades de transmisión de unos pocos kbit/s, siendo su aplicación objetivo la lectura automática de contadores, detección y localización de averías y, en algunos casos, control de carga. La nueva generación de PLC, de banda ancha, tiene entre sus aplicaciones no sólo dar servicios de telecomunicaciones a los usuarios finales, sino también soportar este tipo de aplicaciones de operación de la red de energía y, de hecho, se consideran un factor que en ocasiones puede resultar determinante cuando se realizan los estudios de rentabilidad de estas redes. Se utilizaban pues, las líneas de alta tensión para transmitir datos, con unas velocidades muy pequeñas, pero suficientes para el telecontrol. Lo realmente novedoso es que los equipos de investigación hayan logrado recientemente tasas de hasta 3 Mbps mediante un nuevo chip, con lo que se ha despertado otra vez la posibilidad de ofrecer información a alta velocidad a través de la red eléctrica. Es también interesante reseñar un caso que representa las expectativas que levanta la posibilidad de transmitir información a través de las líneas de energía, a veces más allá de lo que se puede considerar razonable, como es el de Mediafusion, iniciativa que anunciaba la posibilidad de transmitir a velocidades de 2,5 Gbit/s. Mediafusion proclamaba que tenía una solución novedosa patentada, consistente en transmitir la información guiada en los campos magnéticos producidos por las líneas de energía, que se modulaban mediante máser, con alcance mundial, es decir, que, por ejemplo, desde un punto en EE.UU. se podía dar servicio a usuarios en Europa. Mediafusion tenía una página web donde establecía estos principios y solicitaba inversores, pero también ha cesado en sus actividades. En la actualidad los principales suministradores europeos de estos equipos fueron Siemens y Ascom (Suiza). 7

8 2.2 ESTRUTURA BÁSICA DE UNA RED PLC En la figura 2.1 podemos apreciar como es la estructura general de una Red PLC. Esta figura ilustra los segmentos de bajo voltaje y de distribución doméstica de una red PLC. Figura 2.1. Segmentos de baja tensión y red doméstica Comenzando por la red de distribución doméstica, que es donde más despliegue real de telecomunicaciones sobre líneas de energía existe, actualmente el objetivo es convertir el cableado de distribución doméstico en una red de área local, siendo cada enchufe un punto de acceso a esta red. Constituye un gran atractivo el no tener que instalar nuevo cableado para aplicaciones de telecomunicación, así como la posibilidad de controlar dispositivos eléctricos por el mismo enchufe que proporciona la energía. El segmento de distribución doméstica tiene características del medio muy similares a los de la primera milla, pero aliviadas por las dimensiones: la distancia a cubrir es menor (del orden de 50m), el número de ramas también es menor y más corto. En cualquier caso sigue siendo un medio hostil, no diseñado para el transporte de información que requiera un gran ancho de banda. Por ello, la tendencia en la actualidad es: Reutilizar la misma tecnología en los segmentos de bajo voltaje y de distribución doméstica con el objetivo de conseguir economías de escala. Aunque la pasarela del hogar de la Figura 2.1 puede adaptar, por ejemplo, de un acceso ADSL a un PLC dentro del hogar o, inversamente, de un PLC en el segmento de bajo voltaje a una interfaz Ethernet en el hogar, lo más atractivo es que la pasarela sea de PLC a PLC, haciendo efectivo el eslogan: un acceso a las comunicaciones en cada enchufe. Esto requiere compatibilidad espectral entre los sistemas PLC de bajo voltaje y doméstico. Por ello existen propuestas de dividir el espectro entre 1 MHz y 30 MHz en bandas de 10 MHz, asignando 8

9 las bandas superiores para uso doméstico (menores distancia que admiten las mayores atenuaciones en esta banda) y las inferiores para uso en el acceso (ver Figura 2.2). Figura 2.2. Asignación del espectro en PLC Obsérvese que la banda media puede asignarse indistintamente para acceso o dentro del hogar. Se está proponiendo que los sistemas de hogar detecten automáticamente la presencia o no de un sistema de acceso en esa banda, de forma que la puedan ocupar en caso de que esté libre y aumentar así sus prestaciones. Esto ha hecho que desde hace tiempo existan tecnologías en el mercado para este segmento basados en el estándar X-10 y en tecnología Echelon. Al considerar las soluciones PLC totales, la distribución utilizando la red interna de los usuarios constituye una gran ventaja competitiva en comparación con soluciones alternativas. El eslogan Convierta cada enchufe de su casa en un punto de acceso a Internet demuestra un gran atractivo para los usuarios, aunque algunos analistas opinan, por el contrario, que tener el acceso a las telecomunicaciones en un punto que da calambre puede constituir una barrera sicológica. En la actualidad se ha formado un grupo de interés especial denominado HomePlug que ha editado una especificación para estas redes. Las redes de bajo y medio voltaje pueden considerarse conjuntamente, ya que las soluciones adoptadas abarcan ambas redes. La red de bajo voltaje constituye lo que en el dominio de las telecomunicaciones se ha dado en llamar la última milla ; se extiende desde el transformador de media a baja tensión hasta los contadores de los abonados. Cabe señalar aquí características importantes de este tramo de la red: - Varios abonados están conectados a la misma fase; es decir, la red eléctrica desde un punto de vista de transmisión de la información es un medio compartido. - El número de abonados que son servidos desde un transformador de media a baja, y que constituye un punto candidato para inyectar las señales de telecomunicaciones, varía ampliamente de país a país. En Europa la media está en unos 150 abonados, en China en unos 250, mientras que en EE.UU. la media es de sólo 15 y en Brasil de unos 20. Esto tiene serias implicaciones en la arquitectura de red a considerar. En Europa el impacto de los costos en infraestructura de distribución de las 9

10 telecomunicaciones hasta los trasformadores de media a baja es más reducido, ya que se puede atender a un gran número de abonados. En cambio, en EE.UU. no es el caso, y por tanto consideran como punto de inyección más deseable los transformadores de alta a media; de forma que la red de media tensión se convierte en parte de la red de acceso. Aunque sea obvio, es pertinente recordar que la red eléctrica no ha sido diseñada para transportar información que requiera cierto ancho de banda; de hecho constituye un medio muy hostil: un canal con una respuesta en frecuencia muy variable, tanto de lugar a lugar como en el tiempo, y muy ruidoso. Sin embargo la potencia del Proceso Digital de Señal permite actualmente la transmisión de considerables anchos de banda a través de este medio. La banda de frecuencias actualmente aprovechable (the sweet spot) se extiende desde 1 MHz hasta los 30 MHz. Los tendidos de energía no toman precauciones en cuanto a la radiación ni a la recepción a estas frecuencias, que coinciden con bandas de radio de uso público. Estos aspectos constituyen uno de los campos donde se está regulando más intensamente para permitir la coexistencia de servicios. En el segmento de bajo voltaje las distancias más comunes desde el transformador al usuario es de 200 metros (al menos en Europa), siendo un medio compartido, con numerosas ramificaciones para servir a los usuarios. Esto hace que el medio sea tremendamente hostil, debido a: La atenuación a las frecuencias de interés con la distancia. Las reflexiones que se producen en las ramificaciones, lo que hace que la función de transferencia del canal presente desvanecimientos selectivos. Además esta característica tiene una variación temporal dependiendo de la carga (en el sentido de consumo de energía en cada momento o, equivalentemente, de qué dispositivos están conectados). Todo esto hace necesario utilizar sistemas de modulación muy robustos y adaptables a las características del canal. Como ejemplo, DS2 firma valenciana que actualmente está a la cabeza de esta tecnología, consigue velocidades de 45 Mbit/s a nivel MAC, 27 Mbit/s en el sentido descendente y 18 Mbit/s en el ascendente. DS2 utiliza OFDM adaptándose dinámicamente a las condiciones del canal, monitorizando las condiciones de relación señal ruido de cada subportadora cada 10 ms y adaptando en función de ésta la tasa de bit a transmitir por la misma. Las líneas de la red de alto voltaje se utilizan para transportar señales de telemetría, información de supervisión y órdenes de reconfiguración de la red. También es frecuente que las compañías eléctricas desplieguen una infraestructura de telecomunicación para cubrir sus propias necesidades de comunicaciones entre subestaciones. Es común que esta infraestructura se base en fibra óptica que utiliza como soporte el mismo que el tendido eléctrico, aunque también pueden encontrarse infraestructuras basadas en radioenlaces. Este aspecto de las telecomunicaciones de las compañías eléctricas, 10

11 aunque es evidente que conforma una base de partida ventajosa utilizar esta infraestructura para el transporte de la información del dominio público. 2.3 SISTEMAS INDOOR Y OUTDOOR La arquitectura de un Sistema de Comunicación, PLC consta de dos sistemas (Indoor y Outdoor) formados por tres elementos (Cabecera, Repetidor y Módem PLC) los cuales se aprecian en la figura 2.3 Figura 2.3. Arquitectura de un Sistema de Comunicación PLC. Existen limitaciones de distancia tanto para el tramo interior a la vivienda como para el tramo de acceso, siendo de aproximadamente de 400 metros para el tramo de acceso (Sistema Outdoor). El tramo exterior (del transformador al usuario) tiene una distancia promedio de 200 metros y de 50 metros para el tramo interno al hogar (Sistema Indoor o de distribución doméstica) Sistema Outdoor. Cubre el tramo que en telecomunicaciones se conoce como última milla y para el caso de la red PLC comprende la red eléctrica que va desde el lado de baja tensión del transformador de distribución hasta el medidor de la energía eléctrica. Como se aprecia en la figura

12 Figura 2.4 Sistema Outdoor Este primer sistema es administrado por un equipo Cabecera PLC, que conecta a esta red con la red de transporte de telecomunicaciones o Backbone. De esta manera el equipo de cabecera inyecta a la red eléctrica la señal de datos que proviene de la red de transporte Sistema Indoor: Cubre el tramo que va desde el medidor del usuario hasta todos los tomacorrientes o enchufes ubicados al interior de los hogares. Para ello, este sistema utiliza como medio de transmisión el cableado eléctrico interno. Como se aprecia en la figura 2.5 Figura 2.5 Sistema Indoor 12

13 Para comunicar estos dos sistemas, se utiliza un equipo Repetidor PLC. Este equipo, normalmente se instala en el entorno del medidor de energía eléctrica y esta compuesto de un Módem Terminal y un Equipo de Cabecera. El primer componente de este repetidor recoge la señal proveniente del equipo Cabecera del sistema Outdoor y el segundo componente se comunica con la parte terminal del Repetidor e inyecta la señal en el tramo Indoor. El hecho de que ambos servicios, los de energía eléctrica y los de transmisión de datos, operen en frecuencias muy distantes en la banda espectral, permite que estos puedan compartir el medio de transmisión sin que uno interfiera sobre el otro. En la figura 2.6 se aprecia el rango de frecuencias que en la actualidad se maneja en comunicaciones sobre líneas de potencia de baja tensión. Figura 2.6. Banda de Frecuencia Usadas en PLC 2.4 ELEMENTOS DE UNA RED PLC En la figura 2.7 se pueden ver los diferentes elementos que constituyen una red PLC. Figura 2.7. Elementos de una Red PLC 13

14 2.4.1 Redes Eléctricas. Antes de nada, debemos conocer que las redes eléctricas convierten (mediante los transformadores situados en las subestaciones), los voltajes de media tensión (utilizados para el transporte de la energía) a líneas de baja tensión 220V, lo más cerca posible de los usuarios. En aras a evitar las pérdidas que se producen a baja potencia. De las tres partes en que se compone la red eléctrica (tramos de baja tensión, de media y de alta tensión), se utiliza únicamente el tramo de baja tensión (o lo que en la red de telefonía se conoce como última milla). Tramo que conecta las viviendas con las subestaciones transformadoras (o lo que sería el equivalente telefónico a la central local). Para usar la red de distribución eléctrica de baja tensión como un sistema de comunicación digital es necesario un acondicionamiento de la infraestructura eléctrica. Estas redes normalmente pueden transmitir señales de baja frecuencia a 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. La topología de una red PLC es en BUS, lo que provoca que el ancho de banda proporcionado por cada transformador de distribución deba ser compartido por todos los usuarios que se cuelguen de este. 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) Transformadores. Cada transformador distribuye, típicamente entre 3 y 6 líneas de baja tensión, con una longitud media de unos 250 metros. Cada una de ellas proporciona suministro eléctrico a unos 50 clientes. Al transformador llega un acceso de banda ancha como la fibra óptica suministrado por un ISP (Internet Service Provider, En las subestaciones eléctricas (o transformadores locales) se instalan servidores que se conectan a Internet generalmente a través de fibra óptica), donde un Router PLC se encarga de distribuir el recurso a los diferentes usuarios que comparten la misma línea de transmisión de baja tensión a través de un Módem PLC, que se encarga de inyectar los datos provenientes de Internet (World Wide Web) para que viajen por la línea de baja tensión hasta los potenciales usuarios Módem de Cabecera. Por el lado de la compañía eléctrica, y en la subestación transformadora, deberá también colocarse el módem de recepción de datos. La cabecera PLC convierte los datos de la red PLC de baja tensión al estándar de Internet (Ethernet/USB) que se encarga de interconectar las diferentes redes de servicio (Internet, Televisión, Telefonía) con la línea de baja tensión. Con lo que se garantiza una conexión a alta velocidad lo suficientemente potente para dar servicio a todos los usuarios. Desde este punto, y mediante una fibra o bien un radio enlace, conectaremos 14

15 con el proveedor de servicios (ISP), Representado en la figura 4.8 bajo las siglas HE. La empresa eléctrica interesada en prestar servicios de comunicación deberá instalar en la subestación transformadora o transformador de distribución un Módem o Cabecera PLC de recepción y distribución de datos, que se conecta a la red por medio de un nodo que tiene acceso a Internet a través de un Backbone de fibra óptica, SDH, ATM, Inalámbrico entre otros, donde la señal es convertida en una señal eléctrica o viceversa. Se tienen dos versiones: de Media Tensión (MT) y Baja Tensión (BT). Distancias máximas: 600 m en MT y 300 m en BT, Este equipo emite señales de baja potencia por lo general menores de 100mW. De este modo la información ya acondicionada para viajar en las líneas de potencia, puede ser inyectada en la red de distribución eléctrica de baja tensión que va hasta el contador o cuarto de contadores de un grupo residencial. Así a una vivienda llegan dos señales: Una de baja frecuencia que transmite la energía eléctrica. Otra de alta frecuencia en la que se transmiten los datos Cableado Eléctrico. La tecnología Power Line Communications basa su estructura de funcionamiento, en la utilización de los cables eléctricos de baja tensión como medio de transporte desde la Central de Distribucion ubicado por lo general en los mismos transformadores de distribución hasta el cliente, permitiendo entregar servicios de transferencia de datos. Básicamente se utiliza el cableado de baja tensión como una red de telecomunicaciones, donde los enchufes de cada hogar u oficina se convierten en puntos de conexión Repetidor PLC. No siempre se utilizan, se sitúan en los cuartos de contadores de un edificio concentrando la voz y los datos de los usuarios residentes en el edificio. Así mismo regeneran la señal para aumentar su alcance y eliminar errores de transmisión. Si la distancia entre la cabecera PLC y el usuario es mayor de 300 metros, se hace necesario el uso de este, ya que la señal atenúa en la línea con el aumento de la distancia. Pueden controlar hasta 256 modems de cliente (CPE) Equipo de Acceso de Usuario (CPE). El CPE (Costumer Premises Equipment) es el equipamiento de telecomunicaciones instalado en el domicilio del cliente final para la prestación de los servicios (Módem PLC, Routers PLC, etc). Este dispone de un puerto de datos (Ethernet / USB) en donde se conecta el equipo de datos del usuario (por ejemplo, un PC) y un puerto para la conexión de un teléfono analógico convencional. Así mismo, el CPE contiene el módem PLC necesario para la inyección de la información digital (voz y datos) en los cables eléctricos para su transmisión Módem de Usuario. Cada usuario deberá instalar un módem PLC para posibilitar el envío y recepción de datos por la línea eléctrica (similar a los que se usan en ADSL) donde se conectan los equipos de transmisión de voz y 15

16 datos como computadores, teléfonos, impresoras y potencialmente otros dispositivos preparados para ello (como alarmas, aire acondicionado, refrigeradores, hornos microondas, etc). Este dispositivo se conecta a un tomacorriente, se vale de un filtro pasa bajas para limpiar ruidos generados por las aplicaciones domesticas y un filtro pasa altas que separa los datos para ser convertidos en señales compatibles con Ethernet o puertos USB. Los módems por enchufe proporcionan la interfaz requerida por las aplicaciones de usuario, por ejemplo Ethernet o interfaces a/b telefónicas Home Gateway. Existe la opción que el usuario instale un Home Gateway (Concentrador o HUB colocado cerca del contador de entrada), entre el Módem de Cabecera y una posible LAN interna, de tal manera que posibilite a los distintos usuarios conectados a esta compartir la conexión y a la vez interconectarse entre ellos utilizando cualquier enchufe o tomacorriente de la edificación, estos últimos serán un puerto de comunicación siempre y cuando dispongan de un Módem PLC. También cualquier fuente de datos externa (xdsl, HFC, inalámbrica entre otros) puede conectarse al home gateway para que este distribuya y gestione la conexión multiusuario en una misma edificación. La pasarela del hogar, en el caso representado de PLC extremo a extremo, en la figura 4.6 tiene una función de bridge, separando los segmentos de acceso y doméstico, y además puentea el contador eléctrico (también, un filtro paso bajo para las frecuencias de interés). En resumen, en la figura 2.8 se aprecia un diagrama esquemático que muestra los elementos que comprenden la tecnología PLC. Figura 2.8. Elementos de una Red PLC 16

17 2.5 FUNCIONAMIENTO DE UNA RED PLC La Baja Tensión se utiliza como red de acceso para los hogares e industrias (como sustituto del bucle de abonado), mientras que la Media Tensión hace las veces de red de distribución, transportando los datos hacia el backbone de la red. La existencia de la tecnología PLC en Media Tensión convierte esta parte de la red en anillos metropolitanos, afianzando aún más al PLC como una alternativa real de Banda ancha y solución de acceso. El usuario final conecta un módem PLC a la red eléctrica para tener acceso a una red de comunicación. El módem establece comunicación con el Repetidor PLC que por lo general se encuentra ubicado con la cabecera PLC en los transformadores de distribución. Las velocidades actuales en algunos equipos comerciales para el tramo de baja tensión están en el orden de unos 45 Mbps distribuidos en: 27 Mbps en sentido descendente (bajada) y 18 Mbps en sentido ascendente (subida), así que la comunicación es asimétrica. El ancho de banda se comparte entre todos los usuarios que se cuelgan al repetidor (colocado en la cabecera PLC) con un máximo de 256 usuarios. Esto indica que si en un repetidor concurren 100 conexiones la velocidad teórica de bajada es de 270 Kbps, pero si las conexiones son 10 la velocidad será de 2,7 Mbps con lo cual será más ventajoso que la tecnología ADSL. Veamos en la figura 2.9 como funciona la tecnología PLC. 17

18 Figura 2.9. Tecnología PLC Se aprecia en la parte superior de la figura 2.9 que por medio de fibra óptica se lleva información de Telefonía e Internet (línea roja) a un centro de distribución eléctrico o transformador de distribución, en este se encuentra ubicada una Cabecera PLC (En este punto debe haber un conversos Óptico Eléctrico por lo general a Ethernet, que es el estándar de entrada de datos para las cabeceras de PLC) la cual se encarga de inyectar la información a las redes del sistema de distribución eléctrico de baja tensión. La información sumada a la señal eléctrica (línea azul-roja) llega a todos los usuarios, entrando a sus domicilios a través del Contador, pasando este se encuentra ubicado un repetidor PLC. El repetidor PLC regenera la señal de información para que de esta manera pueda llegar al usuario convirtiendo un tomacorriente en un posible punto de acceso para la comunicación. El usuario debe contar como mínimo con un Módem PLC para poder acceder a la información. El Módem se comporta como un filtro Pasa Altas para permitir solo el paso de la información a los dispositivos de comunicación (línea roja) y como un filtro Pasa Bajas, para las frecuencias que dan potencia a los dispositivos eléctricos (línea azul). De esta manera un usuario de tecnología PLC puede contar con servicios de banda ancha en cualquier lugar de su residencia. Es así como puede disponer de Internet, telefonía (VoIP), video, entre otros. 2.6 ARQUITECTURA DE UNA RED PLC REDES PLC DE DISTRIBUCIÓN La solución mas económica para la conexión entre una red PLC de acceso y una red principal de comunicaciones, es el uso de sistemas que ya estén implementados en el área de acceso. Algunos transformadores ya están conectados a una red de mantenimiento mediante cables de cobre. Inicialmente estas conexiones fueron realizadas para el control remoto y comunicaciones internas entre los centros de control de la red de suministro. Estos enlaces pueden ser utilizados para la conexión de las redes PLC con las redes principales de comunicación aplicando otras tecnologías, como por ejemplo mediante el uso de Estaciones base, las cuales poseen interfaces para diferentes tipos de tecnología como xdsl Durante la última década, las empresas de energía han instalado redes de fibra óptica a lo largo de sus redes de distribución, las cuales también podrían ser empleadas para la conexión de las redes PLC de acceso con las redes principales de comunicación. 18

19 Otra posible solución es el uso de tecnología PLC en las redes de medio voltaje, las cuales se conectan a las de bajo voltaje, suministrando así, una conexión entre el usuario y la red principal de comunicaciones. Generalmente existen varias posibilidades para la conexión de una red PLC a una red principal: Implementación de redes cableadas, ya sean ópticas o de cobre Instalación de redes de distribución inalámbricas Aplicación de tecnología PLC en las redes de medio voltaje Independiente de las tecnologías aplicadas para esta conexión, estas deben asegurar la transmisión de todos los servicios ofrecidos por las redes PLC de acceso. Por esta razón, estas tecnologías no solamente deben asegurar altas ratas de transmisión de información, sino también la implementación de políticas de calidad de servicio en todos los servicios ofrecidos por la tecnología PLC Topología de las redes de distribución Una solución razonable para la conexión de múltiples redes PLC de acceso, ubicadas dentro de un área pequeña, es la unión de redes de distribución conectando un cierto número de redes PLC, como lo muestra la figura 2.10 Figura 2.10 Red de distribución PLC con topología en Bus Estas redes de distribución pueden ser implementadas en diferentes topologías, independiente de la tecnología de comunicación empleada. La topología de red escogida tiene que asegurar no solamente un costo razonable, sino también una confiabilidad, incluyendo la redundancia en caso de fallas, y esto depende principalmente de la ubicación de las redes de acceso PLC en determinad área y la ubicación de la oficina de interconexión del proveedor de servicios. Una topología en bus, es una de las posibles soluciones que se puede realizar a bajo costo dentro de un área adecuada. Otro criterio importante que debe ser tenido en cuenta en el momento de la elección de la topología de la red, a parte del costo de implementación, es la confiabilidad que esta me proporciona en caso de falla en algún enlace. En el caso de la topología en Bus, si un enlace entre dos redes PLC de acceso falla, todas las redes ubicadas dentro de este enlace también son desconectadas de la red principal de comunicaciones. Por 19

20 esta razón, topologías de red en maya deben ser consideradas para la aplicación en redes PLC de distribución. Otra posibilidad es una red con topología en estrella, la cual conecta cada red PLC de acceso separadamente, como lo muestra la figura 2.11 Figura 2.11 Red de distribución en Estrella Con esta implementación, la falla de un enlace solo afecta la red PLC de acceso a la cual enlaza, imposibilitando la realización de una conexión alternativa sobre un enlace de transmisión redundante. Por esta razón, la aplicación de topología en anillo aparece como una alternativa razonable que incrementa la confiabilidad de la red, como lo muestra la figura 2.12 Figura 2.12 Red de Distribución en Anillo Finalmente, la topología de una red PLC de distribución puede ser una combinación de cualquiera de las tres estructuras básicas presentadas anteriormente. Independiente de esto, la escogencia de la topología de la red depende de varios factores entre los cuales se encuentran: la disponibilidad del medio de transmisión dentro del área de aplicación, la posibilidad de implementar redes de distribución confiables y la estructura y distribución geográfica de redes PLC de acceso y una oficina de interconexión local RED DE ACCESO: ARQUITECTURAS ALTA, MEDIA Y BAJA TENSIÓN DEL PLC Las redes PLC soportan el protocolo de gestión simple de red SNMP (Simple Network Management Protocol) y otros servicios como habilitar el monitoreo de 20

21 redes y dispositivos específicos de empresas. En la figura 2.13 se aprecian los elementos conformando por una red PLC, así como también los tramos de alto, medio y bajo voltaje. Figura Arquitectura de una Red PLC El principal problema del despliegue de una red PLC en la primera milla consiste en elegir la ubicación de la cabecera PLC, entendiendo por cabecera el punto donde se efectúa la conversión de un transporte de telecomunicaciones convencional (por ejemplo, fibra óptica) a la tecnología PLC. El coste de este punto de conversión debe ser repartido entre el mayor número de usuarios posible. En Europa un buen candidato es el transformador de media a baja tensión, al que se conectan unos 150 usuarios de electricidad de los cuales, en un entorno de libre competencia y con una estimación de penetración final optimista, un 30% contratarían el servicio de telecomunicaciones. En EE.UU. la media de usuarios por transformador de media a baja es 15 en lugar de 150, luego si se sitúa la cabecera en este punto la repercusión por usuario será diez veces mayor que en Europa. Adicionalmente, si se colocan los puntos de interconexión en los trasformadores de media-baja, hay que llegar a ellos con la infraestructura de telecomunicaciones convencional (fibra, radio) y esta capilaridad incrementa coste por usuario. Por ello se buscan tecnologías que puedan ser utilizadas tanto en media como en baja tensión (como las distancias en medio voltaje son mayores que en baja, se requerirán repetidores). La idea es colocar las cabeceras en los transformadores de alta-media y llegar desde estos a los usuarios, puenteando con repetidores los transformadores de media-baja. Sólo en aquellos escenarios en que el número de usuarios de un segmento de baja tensión fuera suficiente se colocarían cabeceras en los transformadores de media-baja. 21

22 Obsérvese que el problema inverso, es decir, que un segmento desde un transformador de media a baja tenga demasiado tráfico, es de fácil solución, ya que se puede subsegmentar desde el transformador, formando varios sistemas de transmisión, por ejemplo entre cada fase y neutro. Las tres figuras siguientes ilustran distintos escenarios. En particular, el escenario de la figura 13 correspondería a las penetraciones habituales en EE.UU., mientras que en Europa este escenario podría darse en las fases iniciales del despliegue. Como ejemplo numérico podemos tomar el caso de Holanda, país en el que existen unas subestaciones de cada una de las cuales cuelgan una media de 10 transformadores de media-baja, en una configuración en anillo. Obsérvese el paralelismo de este tipo de arquitectura con una Red de Área Metropolitana de telecomunicaciones a las que se conectan redes de acceso. Existen grandes variaciones entre redes eléctricas, en España, por ejemplo, hay configuraciones con 20 a 30 transformadores de media - baja que no se conectan en anillo sino a tres o cuatro subestaciones, formando una red mallada. En las figuras 2.14, 2.15 y 2.16 se muestran los escenarios de redes de baja, media y alta tensión para la tecnología PLC. Figura Escenario de penetración baja de PLC Figura Escenario de penetración media de PLC 22

23 Figura Escenario de penetración alta de PLC 2.7 CARACTERÍSTICAS DEL CANAL DE TRANSMISIÓN PLC Un sistema de transmisión en una red de telecomunicaciones tiene la tarea de convertir el conjunto de datos en una forma adecuada antes de que esta sea introducida en el canal de comunicaciones o medio de transmisión. Tal y como lo hacen los otros canales de comunicación, el canal PLC introduce atenuación y desplazamiento de fase en la señales. Adicionalmente, el canal PLC fue diseñado desde un principio solo para la distribución de energía y por esta razón, varios tipos de maquinas y dispositivos son conectados a este. Este empleo del suministro eléctrico hace que el canal PLC no sea un medio adecuado para la comunicación de señales de información. Una de las razones es la discontinuidad de impedancia que caracteriza a este canal, la cual hace que las señales transmitidas se reflejen en varias ocasiones, resultando en transmisiones multitrayectoria, el cual es un efecto bien conocido en ambientes inalámbricos. Los cables de la línea eléctrica se dividen de manera asimétrica, como lo muestra la figura 2.17, presentando varias conexiones irregulares entre las secciones de red y los usuarios y transiciones entre los canales subterráneos y los canales aéreos. Figura 2.17 Estructura de una red de suministro de bajo voltaje Estas transiciones en los cables causan cambios de impedancia en el medio y por ende reflexiones. Adicionalmente, una red PLC cambia su estructura, especialmente en las redes caseras, en las cuales cada evento de encendido o apagado de cualquier artefacto eléctrico puede cambiar la topología de la red. Los efectos más importantes que influyen en la propagación de las señales son 23

24 las pérdidas debido a las reflexiones existentes en los puntos de empalmes, divisiones y extremos de los cables así como también la atenuación selectiva de las frecuencias de las señales. En las redes PLC, la atenuación de la línea de transmisión depende de la longitud y el cambio en las características de impedancia que esta presente. Numerosas medidas han demostrado que la atenuación en las líneas de potencia es aceptable en cables relativamente cortos (aproximadamente entre unos 200 y 300 m), pero es muy mala en cables más largos. Por esta razón, las redes PLC extensas requieren el empleo de repetidores que regeneren las señales DIFICULTADES DE LAS LÍNEAS DE POTENCIA La Red Eléctrica es un medio bastante hostil para la transmisión de datos, en ella encontramos muchas derivaciones, transformadores, malas conexiones, impedancias variables, ruido generado por los aparatos que se le conectan entre otros. Para el caso de los transformadores, estos elementos están formados por bobinas, las cuales producen una alta impedancia con el aumento de la frecuencia. La corriente y el voltaje de la señal en alta frecuencia se atenúan de manera crítica con el aumento de la frecuencia, esto se aprecia claramente con la definición de impedancia inductiva. Z. L ( j.!) j.!. L Las líneas de potencia domiciliaria están diseñadas para llevar potencia y no datos, sus frecuencias no son superiores a 400 Hz (típicamente 50 o 60 Hz). Se deben tener en cuenta las perturbaciones como alto ruido, alta atenuación y distorsión de la señal, tal como se puede observar en la figura 2.18, si se quiere llevar información sobre las líneas de potencia A.C. de uso domiciliario. Figura Factores que afectan la comunicación sobre las líneas de baja tensión. Caracteristicas 24

25 Descripción del Ruido Debido a que los cables de la línea eléctrica fueron diseñados únicamente para la transmisión de energía, ningún interés se dio por mostrar las propiedades de este medio en las altas frecuencias. Además de la distorsión de la señal de información debido a las pérdidas de señal presentes en los canales y a la propagación multitrayectoria, la superposición de ruido en la energía de la señal hace que una correcta recepción de la información sea más difícil de lograr. A diferencia de otros canales de comunicaciones, la línea eléctrica no representa una fuente de ruido blanco Gausiano Aditivo (AWGN), cuya densidad espectral es constante en todo el espectro de transmisión. Una cantidad de investigaciones y mediciones fueron realizadas con el fin de describir detalladamente las características de ruido en un ambiente PLC, logrando clasificar el ruido como una superposición de 5 tipos de ruido, diferenciados por su origen, tiempo de duración, ocupación del espectro e intensidad, la aproximación de la ocupación del espectro se ilustra en la figura 1.19 Figura 1.19 Tipos de ruido aditivo en ambientes PLC Ruido de Fondo Multifrecuencia (tipo 1): cuya densidad espectral de potencia es relativamente baja y decrementa con la frecuencia. Este tipo de ruido es causado principalmente por la superposición de numerosas fuentes de ruido de baja intensidad. Contrario al ruido blanco, el cual es aleatorio, presenta discontinuidades y su densidad espectral es uniforme siendo de esta manera independiente de la frecuencia sobre el rango de frecuencias especificado, esta clase de ruido muestra una fuerte dependencia de la frecuencia. 25

26 Ruido de Banda Angosta (tipo 2): cuya forma de onda es sinusoidal con amplitudes moduladas. Este tipo de ruido ocupa varias bandas, las cuales son relativamente pequeñas y continuas sobre el espectro de frecuencia. La causa principal de este ruido es el ingreso de estaciones de radiodifusión como la televisión y la radio y transmisiones de onda corta sobre el medio. La amplitud varía en el tiempo, llegando a ser más alta durante la noche debido a que las propiedades reflectivas de la atmósfera son más fuertes Ruido Impulsivo Periódico, asíncrono a la frecuencia principal (tipo 3): con forma de impulsos que generalmente tienen una frecuencia de repetición entre 50 y 200 KHz, y los cuales resultan en el espectro como líneas discretas con frecuencia espaciada de acuerdo a la frecuencia de repetición. Este tipo de ruido es causado principalmente por el encendido y apagado del suministro de energía. Debido a que es una alta velocidad de repetición, este ruido ocupa frecuencias que están muy cercanas entre si y forman espacios de frecuencia que usualmente se aproximan a bandas angostas de frecuencia Ruido Impulsivo Periódico, síncrono a la frecuencia principal (tipo 4): son impulsos con una frecuencia de repetición que esta entre los 50 y los 100 Hz y son síncronos con la frecuencia principal de la línea eléctrica. Estos impulsos tienen una corta duración, del orden de los microsegundos, y tienen una densidad espectral de potencia que decrece con la frecuencia. Este tipo de ruido es causado generalmente por la operación de convertidores de potencia conectados al suministro eléctrico principal Ruido impulsivo asíncrono (tipo 5): cuyos impulsos son causados principalmente por conmutaciones transientes en la red eléctrica. Estos impulsos tienen una duración que va desde microsegundos hasta unos pocos milisegundos. La densidad espectral de potencia de este tipo de ruido puede alcanzar valores de más de 50 db por encima del ruido de fondo, haciéndolo la principal causa de error en las comunicaciones digitales sobre las redes PLC. Las medidas obtenidas muestran que los ruidos tipo 1, 2 y 3 permanecen estacionarios sobre periodos relativamente largos, de segundos, minutos e incluso horas. Por esta razón, estos tres ruidos se pueden agrupar en una sola clase de ruido, llamado ruido de fondo generalizado. Los ruidos tipo 4 y 5, por el contrario, varían en periodos de tiempo de milisegundos y microsegundos, y pueden ser agrupados en una sola clase de ruido llamada ruido impulsivo. Debido a que su amplitud es relativamente alta, el ruido impulsivo es considerado la principal causa error en la transmisión de datos a altas frecuencias en un canal PLC. 26

27 RUIDO DE FONDO GENERALIZADO Modelo de la densidad espectral para el ruido de fondo generalizado Este es considerado como la superposición del ruido de color de fondo y los disturbios en el ancho de banda y se puede expresar así: Donde N CBC es la densidad espectral de ruido de color de fondo, N NN es la densidad espectral de los disturbios en el ancho de banda(ruido de ancho de banda), y el termino que contiene k es la densidad espectral de potencia de la subcomponente k generada por la interferencia k del ruido de ancho de banda. Para el modelo de la densidad espectral de ruido de color de fondo N CBC, las medidas y experimentos han mostrado que la relación mas apropiada es la exponencial y esta dada por: Donde N 0 es la constante de densidad de ruido, N1 Y f 1 son los parámetros de la función exponencial, y las unidades son dbµv/hz 1/2. Para N NN por diferentes estudios y medidas de ambientes residenciales y industriales, fue posible encontrar aproximaciones para los parámetros de este modelo y puede ser descrita por: Para ambiente residencial. Para ambiente Industrial. Para la aproximación de las interferencias del ruido de ancho de banda, es usada la función parametrica gaussiana, de la cual la principal ventaja son los 27

28 pocos parámetros usados, los parámetros pueden ser encontrados individualmente fuera de las medidas: Los parámetros de la función son A k para la amplitud, f 0,k es la frecuencia central y B k para el ancho de banda de la función gaussiana RUIDO IMPULSIVO Esta compuesto de los impulsos periódicos que son sincronos con la frecuencia principal y los impulsos de ruido asíncronos, las medidas muestran que en este tipo de ruido predomina este ultimo (Ruido tipo 5), por lo cual los estudios y medidas son basados en este tipo de ruido la siguiente imagen muestra un ejemplo: Ejemplo de algunos impulsos medidos en el dominio del tiempo en una red PLC Una aproximación a los modelos de esos impulsos es un pulso tren con ancho de pulso t w, amplitud del pulso A, tiempo entre pulso t a y una función de pulso general p ( t / t w ): Modelo del impulso usado para la clase de modelo de ruido impulsivo 28