3 Ruido en el canal PLC

Transcripción

1 3 Ruido e el caal PLC 3.1 Itroducció E el capítulo aterior, se presetó ua breve explicació de la tecología PLC, su clasificació, fucioamieto y problemas. Queda claro que uo de los pricipales problemas es el ruido existete e el caal, por lo que e el presete capítulo, se aborda el tema del ruido. A lo largo de este capítulo, se defie al ruido y las fuetes que lo geera, pero sobre todo, se efoca e el ruido existete e las líeas de distribució de eergía eléctrica, que es el mismo medio utilizado e PLC. Asimismo, se aaliza el tema de la calidad de la eergía, debido a que es u tema que se ecuetra relacioado co la trasmisió de datos por PLC. Para eteder como se puede hacer medicioes referetes al ruido, se preseta de forma muy secilla, el aálisis armóico y las series de Fourier, sobre lo cual está basados los métodos para la medició de ruido armóico que se pueda ecotrar e la líea eléctrica, para luego comparar los resultados co los estádares defiidos. 5

2 3. Ruido Para poder trabajar sobre las características de u caal ruidoso, es ecesario primero saber lo que es el ruido y el tipo de ruido más comú que puede presetarse. El ruido, so señales ideseables si relació algua co la señal de iterés, que se itroduce y causa distorsioes sobre la misma. Existe señales de ruido aleatorias, es decir, que so de aturaleza impredecible, y señales de ruido o aleatorias, que puede predecirse y elimiarse co u diseño adecuado Fuetes de ruido Existe varias fuetes de ruido, puede clasificarse como: Ruido producido por el hombre. Perturbacioes aturales y erráticas que ocurre de forma irregular. Ruido de fluctuació que se preseta e el iterior de los sistemas físicos. El ruido producido por el hombre se debe a la recepció de señales o deseadas proveietes de otras fuetes tales como cotactos defectuosos, dispositivos eléctricos, alumbrado fluorescete, etc. Este tipo de ruido, idealmete se podría evitar si se idetifica y elimia la fuete que lo produce. El ruido atural errático puede proveir de relámpagos, tormetas eléctricas e la atmósfera, ruido itergaláctico, etc. El ruido de fluctuació aparece detro de sistemas 6

3 físicos debido a las fluctuacioes espotáeas, como el movimieto térmico de los electroes libres, la emisió de electroes, geeració de portadores, etc. [7] 3.. Ruido e la líea de trasmisió eléctrica Las líeas de trasmisió eléctrica costituye u ambiete hostil para la trasmisió de datos. Tiee impedacias variables, cosiderable ruido y ua alta ateuació. El caal combia el horrible comportamieto de la líea de trasmisió eléctrica co el caal de comuicació. Las características puede ser depedietes tato del tiempo como de la frecuecia, así como tambié depeder de la localizació del trasmisor y del receptor e la ifraestructura de la líea eléctrica. El caal se puede describir como aleatoriamete variate e el tiempo, y depediete de la relació de señal a ruido (SNR) e la frecuecia sobre el acho de bada de comuicació. [8] E el rago de frecuecias de iterés para PLC, (1.7-30MHz), el ruido es pricipalmete domiado por la iterferecia de bada agosta y el ruido impulsivo. Se puede cosiderar como fuetes de ruido e la red eléctrica todo el equipo electróico y eléctrico coectado a la líea de distribució eléctrica. Alguas de estas fuetes puede geerar ruido de bada acha, tal como los motores eléctricos que se ecuetra e licuadoras, taladros, extractores, máquias de coser, etc. Otras fuetes como los ateuadores de luz, iyecta ruido impulsivo. Más allá de lo aterior, hay 7

4 alguas fuetes de ruido que está armóicamete relacioadas co la frecuecia de la señal de CA de Hz. Fialmete, hay porcioes de ruido que so creadas por el ambiete, es decir, ruido atural errático (tormetas, radiació solar, etc.) e las líeas de trasmisió Clasificació del ruido e la líea muestra: Los varios tipos de ruido, puede ser clasificados como a cotiuació se Ruido de Fodo. Puede ser estacioario desde uos cuatos segudos hasta horas. Ruido de fodo de color: Preseta ua desidad espectral de baja potecia, variado co la frecuecia [3]. Ruido de bada estrecha: Cosiste e señales cotiuas co amplitud modulada. Se caracteriza por que su frecuecia cetral es mucho mayor que el acho de bada [40]. Ruido periódico sicroizado co las frecuecias pricipales de 50-60Hz.: Este tipo de ruido, geeralmete es causado por aplicacioes eléctricas que geera impulsos eléctricos co ragos de repetició [3]. 8

5 Ruido Impulsivo. Tiee ua variació que va desde los microsegudos a los milisegudos. Ruido impulsivo sicroizado co las frecuecias pricipales: So impulsos de corta duració ( μseg.) e los cuales la desidad espectral de potecia decrece co la frecuecia [3]. Ruido impulsivo asícroo: so impulsos idividuales ocasioados por evetos aleatorios de ecedido y apagado [3]. Ruido de avalacha o de ioizació: producido por campos eléctricos itesos que arraca electroes de los elaces covaletes de u material, por ioizació directa o por choque co otros portadores de carga acelerados. [13] Ruido de trasició: causado por los desfases que aparece etre los voltajes y corrietes e el iterior de los dispositivos, debido al tiempo que los portadores de carga tarda e atravesarlos; desfases que se icremeta co el aumeto de la frecuecia. [13] E PLC la trasmisió de datos tiee ua velocidad del orde de Mbps por lo que ua iterferecia de ta sólo 1μs puede covertir la señal de datos e u cojuto de bits basura rápidamete [38]. E la figura 3.1 se ejemplifica la coexió y descoexió de ua fuete creadora de iterferecia, y como ésta puede afectar a la señal de PLC. 9

6 Figura 3.1 Ejemplo de iterferecia e PLC [38] El ruido existete e Power Lie Commuicatio está lejos de ser simple ruido blaco gaussiao aditivo (AWGN por sus siglas e iglés), al cotrario, como se mecioó ateriormete, es ruido de color y es causado pricipalmete por las aplicacioes o cargas que so coectadas a la red de distribució eléctrica. [18] 3.3 Calidad de la Eergía Eléctrica La calidad de la eergía eléctrica se defie como la ausecia de iterrupcioes, sobretesioes, deformacioes producidas por armóicas e la red y variacioes de voltaje sumiistrado al usuario. Además, le cociere la estabilidad de voltaje, la frecuecia y la cotiuidad del servicio eléctrico. [] 30

7 Los disturbios e las líeas de distribució eléctrica causa problemas como los que se cita a cotiuació: a) Operació icorrecta de cotroles remotos. b) Sobrecaletamieto de cables. c) Icremeto de las pérdidas reactivas de los trasformadores y motores. d) Errores e medició. e) Operació icorrecta de sistemas de protecció. El objetivo de la calidad de la eergía es ecotrar camios efectivos para corregir los disturbios y variacioes de voltaje e el lado del usuario. Asimismo, busca propoer solucioes para corregir las fallas que se preseta e el lado del sistema de las compañías sumiistradoras de eergía eléctrica, para lograr co ello u sumiistro de eergía eléctrica de calidad. [] Disturbios e la líea eléctrica A cotiuació, se proporcioa ua breve descripció de alguos de los disturbios más comues que se preseta e las líeas de distribució de eergía: [] Pico de Voltaje: Es u icremeto e el ivel de voltaje co ua duració de microsegudos. Es causada pricipalmete por fallas e la red eléctrica, descargas 31

8 atmosféricas y switcheo de grades cargas. E la figura 3. a) se muestra este problema. Depresió de Voltaje: Es u decremeto mometáeo de varios ciclos de duració e el ivel de voltaje. Es provocada por la coexió de grades cargas y fallas e la red eléctrica. Este problema se muestra e la figura 3. b). Dilatació de Voltaje: Es u icremeto del voltaje de varios ciclos de duració, ocasioado por la descoexió de grades cargas como se muestra e la figura 3. c). Sobrevoltaje: Es ua codició de voltaje elevado, e este caso, el valor del voltaje esta por arriba del valor omial del mismo. Es causado por ua pobre regulació de voltaje. Ver figura 3. d) Parpadeo: se refiere a las fluctuacioes e el ivel de voltaje omial y se suele producir por la coexió de cargas cíclicas como horos eléctricos o por oscilacioes subarmóicas (ver figura 3. e)). Por lo geeral, este efecto se observa fácilmete e el cambio de itesidad bajo y alto de lámparas. Iterrupcioes de eergía: Es la pérdida total de potecia. Se cosidera iterrupció cuado el voltaje ha decrecido a u 15 % del valor omial o meos. 3

9 Se debe a aperturas de líeas, daño de trasformadores, operació de fusibles o equipos de protecció de la red, etre otras posibilidades. (Ver figura 3. f)). Ruido Eléctrico: Es la distorsió de la forma siusoidal del voltaje. Este es debido a switcheo, trasmisores de radio y equipo idustrial de arco eléctrico. (Ver figura 3. g)). Distorsió Armóica: Es la distorsió periódica de la forma de oda siusoidal del voltaje o corriete. (figura 3. h)). Geeralmete es causada por la operació de equipos y cargas o lieales. Este es u feómeo e estado estable. 33

10 Figura 3. Disturbios e la líea eléctrica [] 34

11 3.3. Armóicos e los sistemas eléctricos Los armóicos que causa distorsió e las formas de oda del voltaje y de corriete, tambié suele ser los que afecta e gra medida a la calidad de la eergía. Uo de los pricipales problemas de iterferecia e los sistemas de comuicació, so origiados por los armóicos de alta frecuecia que se geera e el acoplamieto magético; así mismo el icremeto de cargas o lieales coectadas al sistema eléctrico de potecia, ocasioa que el ivel medio de armóicos e la líea aumete. [] Por lo aterior, el modelado de los elemetos del sistema de potecia ate señales armóicas, cada vez es más importate, sobre todo si se cosidera que este es el medio utilizado para la trasmisió de datos e PLC. 3.4 Aálisis Armóico El ruido, la iterferecia y la calidad de la eergía está ítimamete relacioados cuado se trata de PLC. El estudio de la geeració de señales armóicas es u puto de gra importacia. A cotiuació, se abordará el tema de forma breve, tomado e cueta sólo los putos de mayor iterés Defiició del Aálisis Armóico El aálisis armóico o aálisis de Fourier es la rama de las matemáticas que estudia la represetació de fucioes o señales como superposició de odas básicas, de 35

12 las que se puede decir que la fució o la señal se compoe. Ivestiga y geeraliza las ocioes de series de Fourier y trasformadas de Fourier. Las odas base se dice armóicos, y de ahí el ombre de la disciplia. [3] La Serie Trigoométrica de Fourier es ua aplicació usada e muchas ramas de la igeiería, además de ser ua herramieta sumamete útil e la teoría matemática abstracta. Alguas áreas de aplicació icluye el aálisis vibratorio, acústica, óptica, procesamieto de imágees y señales, y compresió de datos. E igeiería, para el caso de los sistemas de telecomuicacioes, y a través del uso de los compoetes espectrales de frecuecia de ua señal dada, se puede optimizar el diseño de u sistema para la señal portadora del mismo. [36] Fucioes periódicas E la serie trigoométrica de Fourier se sostiee que si la forma de la oda es periódica, se puede represetar co ua precisió arbitraria mediate la superposició de u úmero suficietemete grade de odas siusoidales que forma ua serie armóica. [5] Ua fució periódica se defie como: ( t) f ( t T ) f = + (3.1) Dode T es el periodo, y esta defiido como: 1 T = (3.) frec. 36

13 La figura 3.3 muestra u cojuto de fucioes que cumple co la defiició de fucioes periódicas. Figura 3.3 Fucioes periódicas [4] Series de Fourier Si la fució f(t) es ua fució periódica, etoces se puede represetar por ua serie trigoométrica de la forma Dode f () t = C + C Cos( t θ ) 0 1 ω (3.3) 0 C C 0 = = 1 a a θ = ta π ω0 = T 1 + b b a (3.4) 37

14 y a a b 0 = T = T = T T T T T T T f f f () t dt () t Cos( t) () t Se( ω t) ω dt (3.5) 0 0 dt La figura 3.4 muestra ua forma gráfica de iterpretar las serie de Fourier Figura 3.4 Represetació de los coeficietes de la serie de Fourier [4] 38

15 Distorsió Armóica Es relevate retomar la defiició de armóica de la maera e que es utilizada e redes eléctricas. De esta forma, ua armóica esta defiida como ua frecuecia múltiplo de la frecuecia fudametal (e este caso Hz) [1], como se muestra e la figura 3.5. Y como e los sistemas eléctricos se tiee señales periódicas, por ejemplo el voltaje, etoces se puede represetar por: () t = V ( ωt + θ ) + V cos( ωt + θ ) + V cos( ωt + θ )... v 1 cos (3.6) O lo que es lo mismo: Dode a: v () t = V cos( t + θ ) 1 ω (3.7) V θ se le defie como la armóica de orde y a como el águlo de la armóica Figura 3.5 Fudametal más tercera armóica [1] 39

16 La distorsió armóica total (THD por sus siglas e iglés) de ua señal, es la medida de la distorsió armóica que preseta dicha señal y está defiida por el cociete de la suma de potecia de todos los compoetes armóicos, co relació a la potecia de la frecuecia fudametal. Los valores de distorsió está defiidos e porcetaje de catidades eléctricas, estos valores so frecuetemete utilizados para coocer el grado de cotamiació de las redes eléctricas. [1] Para el voltaje: Para la corriete: V + V THD V = 100 (3.8) V 1 I + I THD I = 100 (3.9) I 1 Para armóicas idividuales: V IHD = 100 (3.10) V 1 Distorsió total de demada: I + I TDD = 100 (3.11) I dem max 40

17 Normas siguietes: Alguas de las ormas iteracioales referetes al cotrol de armóicas so las IEC (Europa). DIN (Alemaia). G 5/3 (Iglaterra). AS 79 (Australia). IEEE 519 (Estados Uidos). La tedecia e México, impulsada por Comisió Federal de Electricidad, es de implemetar la orma estádar IEEE-519, auque hasta ahora solo ha aparecido ua especificació provisioal (CFE L ), la cual se basa e dicha orma. [1] Los límites para el voltaje y la corriete armóica se muestra e las tablas 3.1 a 3.4 que so las recomedacioes del IEEE std 519 IEEE Recommeded Practices ad Requiremets for Harmoic Cotrol i Electrical Power Systems. Estos límites so depedietes de varios coceptos que se defie a cotiuació: PCC. Puto de acoplamieto comú (por sus siglas e iglés). Este puto es defiido como el puto e el servicio público hacia u cliete particular, dode otro cliete podría ser coectado. I SC. Corriete de corto circuito dispoible (por sus siglas e iglés). 41

18 I L. Máxima corriete demadada e u promedio de 15 o 30 miutos. TDD. Distorsió total de demada (por sus siglas e iglés). El TDD es idético al THD a excepció de I L la cual es utilizada e lugar de la compoete fudametal de la corriete. PCC Voltage Idividual Harmoic Magitude (%) THD V (%) 69 KV KV KV Tabla 3.1. Limites de distorsió de voltaje e % de V1 I SC /I L < h<17 17 h<3 3 h<35 35 h TDD (%) < > Tabla 3.. Limites de distorsió de corriete para sistemas de 10 V a 69 KV e % de I L Máxima corriete de distorsió e % de I L. Para armóicas impares. Para armóicas pares se icremeta el límite e 5% de las impares 4

19 I SC /I L < h<17 17 h<3 3 h<35 35 h TDD (%) < > Tabla 3.3. Limites de distorsió de corriete para sistemas de V a 161 KV Máxima corriete de distorsió e % de I L. Para armóicas impares. Para armóicas pares se icremeta el límite e 5% de las impares I SC /I L < h<17 17 h<3 3 h<35 35 h TDD (%) < > Tabla 3.4. Limites de distorsió de corriete para sistemas mayores a 161 KV Máxima corriete de distorsió e % de I L. Para armóicas impares. Para armóicas pares se icremeta el límite e 5% de las impares 43

20 3.5 Resume A lo largo de este capítulo fuero referidos los temas más relevates respecto al ruido y los icoveietes que se preseta e las líeas de distribució eléctrica, siempre cosiderado los efectos egativos que puede ocasioar a la comuicació por PLC. Se defiió lo que es el ruido, las pricipales clases de ruido y sus características que se puede ecotrar e la líea, producto de distitas fuetes; asimismo, se mecioó el tema de la calidad de la eergía pues es importate teer e mete los problemas que suele presetarse ya que al trabajar co PLC, es deseable que la calidad de la eergía sea óptima. El ruido armóico es uo de los problemas qué mayor iterés tiee para el tema las iterferecias e PLC. Debido a lo aterior, se mostró ua breve descripció del estudio de armóicos mediate el aálisis de Fourier y la distorsió armóica, la cual puede ser debida por las distitas fuetes coectadas a la misma red de distribució eléctrica. Fialmete, como la distorsió armóica es algo ievitable, se recurrió a las ormas respectivas para teer u puto de referecia y coocer los límites aceptados para el THD presete e la líea, debido a que estos valores suele ser utilizados para coocer 44

21 el grado de cotamiació de las redes eléctricas; pero o es el úico factor que se debe cosiderar puesto que el mismo THD depede de otras variables. 45