Companhia Energética de Minas Gerais Universidade Federal de Juiz de Fora

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1 XXI Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI a 13 de novembro Santos - SP - Brasil Antonio Angelo Missiaggia Picorone Moises V. Ribeiro Companhia Energética de Minas Gerais Universidade Federal de Juiz de Fora picorone@cemig.com.br mribeiro@engenharia.ufjf.br Sistema PLC Brasileiro para Aplicações de Telecomunicações e Smart Grids em Redes de Baixa Tensão Palavras-chave PLC banda larga comunicação de dados redes inteligentes Resumo Existem diversas iniciativas e testes pilotos voltadas para o emprego da tecnologia PLC ( power line communication), tais como acesso banda larga e infraestrutura de telecomunicações para redes inteligentes. Entretanto, as tecnologias PLC analisadas não foram desenvolvidas a partir das características das redes de distribuição de energia elétrica brasileira e, portanto, os resultados obtidos com essa tecnologia têm sido desanimadores. Visando preencher essa lacuna, a presente contribuição descreve um sistema PLC brasileiro, o qual foi especificado, projetado, desenvolvido e prototipado a partir das características das redes de energia elétrica de baixa tensão brasileiras. O sistema PLC brasileiro desenvolvido oferece taxas de até 450 Mbps na camada física. Testes de campo, nos quais medição eletrônica, VoIP e acesso banda larga foram avaliados e mostraram que essa tecnologia tem o potencial de viabilizar a comunicação de dados nas redes de energia elétrica de baixa tensão para atendimento das demandas das concessionárias de energia elétrica, quiçá de água e gás. 1. Introdução A tecnologia power line communication (PLC) ou tecnologia de transmissão de dados através das redes de energia elétrica se enquadra no conceito de tecnologia de comunicação verde, saudável e sustentável ( green, healthy and sustainable communication technology), posto que a infraestrutura de distribuição de energia elétrica já se encontra instalada e disponível para uso (GALLI, 2011, p ). Nesse contexto, a tecnologia PLC é uma solução real para o provimento de uma infraestrutura de telecomunicações para aplicações atuais e futuras das smart grids (redes inteligentes - RI) (GALLI, 2011, p ),(FARHANGI, 2010, p ), (GUNGOR, 2011, p ) das concessionárias 1/12

2 de energia elétrica. Além disso, países emergentes, tal como o Brasil, carecem de infraestrutura de telecomunicações ampla e diversificada de tecnologias de comunicações para atender às suas demandas, as quais são diferentes daquelas observadas em países desenvolvidos. Por outro lado, a tecnologia PLC tem sido amplamente questionada, devido, sobretudo, as análises dos modelos de negócios gerados a partir da resolução no. 375 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) (ANEEL, 2009) e a resolução no. 527 da Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL) (ANATEL, 2009) e as dificuldades técnicas apontadas em diversos projeto de P&D, majoritariamente apoiados com recursos de P&D ANEEL. Para lidar com ambos questionamentos, duas soluções deveriam ser adotadas: a) atualização das regulamentações e, consequentemente, viabilização de planos de negócio voltados para PLC e b) desenvolvimento de um projeto de P&D que efetivamente caracterize qualitativamente e quantitativamente o real potencial das redes de energia elétrica brasileiras como meio de transmissão de dados e, consequentemente, gerem subsídios para nortear o desenvolvimento de tecnologias PLC que sejam aderentes às características das redes de energia elétrica brasileira e o desenvolvimento de uma cadeia de produtos. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo apresentar a concepção, especificação, desenvolvimento, testes e validação de um sistema PLC inovador e de baixo custo (denominado de sistema PLC brasileiro), o qual é baseado nas características das redes de energia elétrica brasileira. Projetado para operar na faixa regulamentada pela ANATEL (ANATEL, 2009), com vazão na camada física de até 450 Mbps, o PLC Brasileiro resulta numa tecnologia de comunicação de dados robusta e de grande aplicabilidade nas concessionárias de energia elétrica, tal como telecomunicações para medição inteligente. Duas inovações importantes são introduzidas nesse novo sistema PLC: a) emprego da técnica clustered-ofdm (RIBEIRO, 2014), o que resulta em modens de baixo custo comparado com o concentrador e b) emprego de hardware reconfigurável (dispositivo flexible programmable gate array - FPGA) (TRIMBERGER, 1993, p ), (ALTERA) e, consequentemente, aplicação da técnica de reconfiguração remota, o que resulta em modens e concentrador que podem ter seu firmware totalmente atualizado para se adequar a situações totalmente inóspitas e, consequentemente, garantir a comunicação de dados com níveis aceitáveis de qualidade de serviço (QoS), mesmo em situações desconhecidas. Os principais resultados alcançados nesse projeto são os seguintes: a) protótipos dos chipsets, baseado no FPGA, dos equipamentos concentrador e modem PLC: a) protótipos dos hardwares dos equipamentos concentrador PLC, contemplando placas da parte digital dos chipsets e placa da parte analógica do front/end; b) software de gerenciamento e reconfiguração remota; d) padrão brasileiro para as camadas física e enlace de sistemas PLC banda larga de baixo custo; e, principalmente, e) sistema PLC baseado nas características das redes de distribuição de energia elétrica (RDE) de baixa tensão (BT) brasileiras (RDE-BT). Com o uso do sistema PLC brasileiro, as concessionárias de energia elétrica passam a dispor de uma infraestrutura de comunicação de dados de elevada flexibilidade e vazão superior às tecnologias PLC banda estreita para atendimento de suas demandas de comunicações de dados atuais e futuras (smart grid communication) em BT, ou seja, essa tecnologia poderá ser utilizada para aplicações smart metering, monitoramento remoto da qualidade da energia elétrica, cortereligação, observabilidade das redes de BT, etc. 2. Desenvolvimento O sistema PLC desenvolvido neste trabalho é constituído pelos equipamentos modem PLC e concentrador PLC, além dos softwares de configuração e gerenciamento da rede PLC. Na rede PLC, tanto o concentrador PLC quanto o modem PLC, do ponto de vista conceitual, atuam de forma idêntica a uma célula constituída por uma estação rádio base (ERB) e os celulares conectados a mesma. Noutras palavras, a complexidade, custo e a vazão do equipamento concentrador PLC é muito maior do que no equipamento modem PLC. Os equipamentos ativos dessa rede PLC, modem PLC e 2/12

3 concentrador PLC, são conectados através da RDE-BT. A Figura 1 mostra o ambiente para operação do sistema PLC brasileiro. Figura 1. Esquema do sistema PLC brasileiro numa rede BT (CAMPOS,2012). Conforme é observado, o concentrador PLC ou estação base (Base Station - BS) tem a função de coordenar, controlar e supervisionar a comunicação de dados entre os elementos da rede PLC, bem como da rede PLC com o backbone da Internet. A comunicação da rede PLC até o backbone pode ser implementada com tecnologias de rádio, fibra óptica, satélite, etc. Os equipamentos concentrador e modem PLC fazem uso da técnica clustered-ofdm (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) (RIBEIRO, 2014) e operam na faixa de frequência regulamentada pela ANATEL para broadband PLC, ou seja, entre 1,705 MHz e 50 MHz (ANATEL, 2009). Devido ao uso da técnica clustered-ofdm, cada modem faz uso de apenas 10 MHz de banda de frequência para a comunicação de dados, enquanto o concentrador faz uso da banda de 50 MHz. Os equipamentos modem e concentrador PLC podem atingir taxas de 90 Mbps e 450 Mbps, respectivamente, no nível da camada física. O sistema PLC brasileiro foi projeto para suportar até 180 modens conectados a um concentrador. 2.1 CONCENTRADOR PLC O equipamento concentrador PLC é instalado e fixado no poste de distribuição de energia elétrica. A topologia de rede escolhida na concepção do sistema PLC brasileiro é estrela, onde o concentrador PLC é o elemento mestre da rede e os modems PLC são os elementos clientes. É o equipamento concentrador PLC que efetivamente administra, coordena, controla, supervisiona e monitora todas as operações da rede PLC, dentre as quais destacam-se: a) o controle de acesso ao meio; b) o cadastro de novos usuários à rede PLC, bem como controle de taxa de dados contratadas em planos; c) o monitoramento dos parâmetros nos níveis das camadas física e de enlace e de rede PLC; d) a identificação de problemas de conexão; e) a configuração remota; f) a gerência e o controle do tráfego de dados; g) a autenticação dos modens PLC na rede; e etc. 3/12

4 O protótipo do equipamento concentrador PLC contempla o armário de armazenamento, circuito de proteção, circuito de alimentação, circuito de acoplamento, circuito de amplificação e de controle automático do ganho, circuito de detecção de cruzamento por zero, interface de conexão com a rede elétrica monofásica, interface de conexão ethernet de 10/100/1000 Mbps, hardware do chipset baseado em FPGA, front/end memórias SDRAM e flash. A Figura 2 mostra o protótipo do concentrador PLC instalado no campo de testes, enquanto a Figura 3 mostra o layout da camada superior da placa de circuitos impressos ( prototype circuit board - PCB) do concentrador PLC. Neste caso, o protótipo encontrase instalado no poste da RDE-BT. Figura 2. Protótipo do concentrador PLC integrado a um rugged PC para atuar como servidor de VoIP. Figura 3. Layout da camada superior (total de 8 camadas) do PCB do concentrador PLC. 2.2 MODEM PLC O modem PLC ou assinante (Subscriber Station - SS) é o equipamento da rede PLC instalado no medidor de consumo de energia elétrica do cliente da concessionária. No sistema PLC brasileiro, o equipamento modem PLC é instalado na entrada do medidor de consumo, posto que campanhas de medição realizadas ao longo do desenvolvimento do presente projeto mostraram que o medidor de consumo atenua consideravelmente o sinal do sistema PLC. O modem PLC tem a função de realizar a comunicação de dados com o concentrador PLC, de forma que as demandas por serviços de dados do consumidor sejam atendidas. Os modens PLC se comunicam com outras redes ou entre si unicamente através do concentrador PLC. O protótipo do modem PLC contempla armário de armazenamento, circuito de proteção, circuito de alimentação, circuito 4/12

5 de acoplamento, circuito de amplificação e de controle automático do ganho, circuito de detecção de cruzamento por zero, interface de conexão com a rede elétrica monofásica, interface de conexão ethernet de 10/100/1000 Mbps, hardware do chipset baseado em FPGA, front/end, memórias SDRAM e flash. As Figuras 4 e 5 mostram o protótipo instalado no campo de testes, e o layout da camada superior do PCB do modem PLC. O protótipo do modem PLC encontra-se instalado na entrada do medidor de consumo de um morador do referido campo de testes. Figura 4. Protótipo do modem PLC integrado ao medidor eletrônico ELO. Finalmente, é importante salientar que o modem PLC dispõe de uma interface para conexão com o medidor eletrônico e de uma interface ethernet para constituição de uma rede WiFi ou acesso à Internet através da conexão direta. Para tanto, foram desenvolvidos softwares, hospedados no modem PLC, para a configuração de uma rede WiFi e para acessar o medidor eletrônico de energia elétrica do consumidor. Figura 5. Layout da camada superior (total de 6 camadas) do PCB do modem PLC. 2.3 FRONT/END O front/end compreende os circuitos eletrônicos analógicos que permite condicionar o sinal na saída de um conversor digital analógico (Digital to Analog Converter - DAC) para que o mesmo seja injetado na rede de distribuição de energia elétrica. Além disso, o front/end também tem a função de condicionar o sinal recebido da rede de energia elétrica de baixa tensão para que o mesmo seja apresentado à entrada do conversor analógico digital (Analog to Digital Converter ADC) e seja processado pelo dispositivo FPGA. Ainda no front/end estão os filtros analógicos de transmissão e recepção para limitar a banda de frequência dentro da faixa de interesse (1,705 MHz - 50 MHz); filtro analógico para bloquear o 5/12

6 sinal de 60 Hz; circuito para desacoplamento elétrico, circuitos de amplificação do sinal transmitido e controle do ganho do sinal recebido. A Figura 6 mostra o protótipo do hardware do front/end. Figura 6. Protótipo do front/end do modem e concentrador PLC. 2.4 SOFTWARE DE CONFIGURAÇÃO O software Aplicativo de Configuração tem como função configurar, supervisionar e controlar a rede PLC (alocação de banda para os usuários, garantia de QoS, conexão e desconexão de novos usuários, etc). Além disso, é responsável pela atualização remota dos equipamentos concentrador e modem PLC. Esse software compõe-se de um conjunto de páginas web, disponíveis no equipamento concentrador PLC, o qual conta com função de webserver. O conjunto de arquivos para apresentação das páginas em um browser e o executável que interpreta comandos oriundo da interface gráfica (e.x. arquivos HTML) são executados como aplicação nativa e única do microprocessador emulado no dispositivo FPGA do concentrador PLC. As Figuras 7 e 8 ilustram duas interfaces gráficas do software Aplicativo de Configuração. Figura 7. Página Inicial do Aplicativo de Configuração. 6/12

7 Figura 8. Página de configuração do modem PLC. 2.5 CAMADAS FÍSICAS E DE ENLACE As Figuras 9 e 10 ilustram os diagramas em blocos dos algoritmos desenvolvidos para a camada PHY de ambos os equipamentos. Figura 9. Diagrama de blocos da camada física do transmissor. 7/12

8 Figura 10. Diagrama de blocos da camada física do receptor. Como ambos equipamentos têm interfaces ethernet e PLC, o desenvolvimento e integração das camadas MAC PLC, MAC ethernet com as camadas IP e TCP foram contempladas. As Figuras 11 e 12 ilustram os diagramas em blocos da camada de enlace. A camada de enlace concebida é totalmente inovadora, posto que pela primeira vez a técnica clustered-ofdm foi implementada em equipamento de comunicação de dados. Além disso, é importante ressaltar que as camadas física e de enlace constituem um padrão brasileiro para sistemas PLC que opera na faixa entre 1,705 MHz e 50 MHz. Figura 11. Diagrama em blocos da camada de enlace do transmissor. Figura 12. Diagrama em blocos da camada de enlace do receptor. 8/12

9 2.6 RESULTADOS Os testes de campo de funcionalidade e desempenho dos equipamentos desenvolvidos nesse P&D foram realizados no condomínio Neo Residencial, (Programa Minha Casa Minha Vida), na cidade de Juiz de Fora - MG, devido a uma parceria entre a UFJF e a Construtora PDG. Esse condomínio é constituído por casas com padrão elétrico monofásico, seguindo a padronização da concessionária de energia elétrica local, CEMIG. Nesse condomínio foram instalados cinco modens PLC e um concentrador PLC. Uma planta da rua com as distâncias dos modens para o concentrador é apresentada na Figura 15. As casas que estão com seus números destacados em amarelo indicam a posição de um modem PLC. A distância de cada modem para o concentrador, que se encontra na casa Q15, também pode ser observada. Figura 15. Planta da rua escolhida para testes de campo. A tabela 1 mostra a vazão medida para acesso à internet quando a modulação adaptativa é adotada. Conforme pode ser observado, essa vazão é bastante significativa para atender as demandas de telecomunicações das concessionárias de energia elétrica no que tange as redes BT (medição eletrônica, corte e religação, monitoramento da qualidade da energia elétrica, etc). Além do teste de vazão, foram realizados testes para verificar o desempenho do sistema PLC para atendimento ao medidor eletrônico da ELO, para o atendimento de uma rede WiFi, a qual foi constituída a partir do modem PLC, e, finalmente, chamadas VoIP dentro da própria rede PLC. Esses testes mostraram que o sistema PLC é capaz de atender essas demandas. Tabela 1. Taxa de uplink + downlink no analisador de tráfego 9/12

10 O presente projeto também resultou em uma extensa formação de recursos humanos. A tabela 2 mostra a quantidade de pessoas envolvidas no projeto. Conforme pode ser observado, cerca de 70 pessoas foram diretamente formadas e especializadas. O número de mestrandos e doutorando formados, além do de pós-doutorado, é elevado, assim como o número de graduandos. Além da formação de mão-de-obra qualificada, cerca de 7 professores doutores participaram ativamente do presente projeto de P&D. Tabela 2. Quantitativos de formação de mão-de-obra. A tabela 3 apresenta uma síntese da produção científica. Conforme é observado, há um número razoável de produções científicas. Apesar do número de publicação em periódicos ser igual a 14, ao longo dos próximos dois anos haverá a produção de cerca de 15 artigos de revista relacionados ao presente projeto, o que confirma o grau de inovação e valor tecnológico agregado constante no presente projeto de P&D. Tabela 3. Quantitativos da produção científica. 10/12

11 Além disso, como prova da inovação implementada neste projeto, estão sendo conduzidos 05 pedidos de patentes no INPI e possivelmente no exterior, sendo: 02 para o Modem PLC, 02 para o concentrador PLC e 01 para o front/end. 3. Conclusões A presente contribuição discutiu o desenvolvimento de um sistema PLC brasileiro, o qual é único no Hemisfério Sul. Do ponto de vista da inovação da tecnologia, foi discutido que o diferencial do presente desenvolvimento reside no fato do mesmo resultar num sistema PLC para uso nas redes de distribuição de energia elétrica brasileiras. Esse novo sistema PLC, contempla, um padrão brasileiro para as camadas físicas e de enlace e o uso do conceito de hardware reconfigurável para tornar flexível o uso do sistema PLC. Do ponto de vista da concessionária, pode-se concluir que o projeto se destaca como a única iniciativa brasileira de desenvolver um sistema PLC de elevada taxa de transmissão e confiabilidade para atender as demandas atuais e futuras das concessionárias de energia elétrica, considerando smart metering, smart homes, smart cities. A integração do sistema PLC com medidores eletrônicos, sistema VoIP e acesso sem fio através da tecnologia WiFi demonstra a ampla aplicabilidade dessa tecnologia para tais concessionárias. Várias aplicações contempladas nos testes de campo comprovaram a adequação dessa tecnologia. Como foi mostrado nesses testes, o sistema PLC brasileiro tem o potencial de viabilizar a rede de energia elétrica como meio de comunicação de dados para aplicações smart metering, podendo, inclusive ser utilizado para prover acesso a outros tipos de concessão, tais como água, gás, etc. Devido a sua complexidade, o presente projeto de P&D gerou elevada mão-de-obra e condições para a constituição de um centro de excelência para tecnologia PLC na UFJF. Finalmente, há um diferencial relevante na tecnologia PLC brasileiro: ela pode ser facilmente alterada para se adequar as mais diversas situações e, portanto, tem o potencial de viabilizar o uso maciço dessa tecnologia no Brasil para atendimento das demandas por serviços de dados das concessionárias de energia elétrica no nível das RDE-BT. Os próximos passos a serem perseguidos para a continuidade do presente projeto são a inclusão da funcionalidade cooperative communication (LAMPE, p , 2011), (PAYÁN, 2014), (FERNANDES, 2014) para eliminar a necessidade de repetidores, a realização de uma um teste piloto de larga escala para validar o sistema PLC brasileiro e o repasse da tecnologia para que uma empresa possa industrializar e comercializar o sistema. 3.1 Agradecimentos Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica regulado pela ANEEL. Os autores gostariam de agradecer a ANEEL, CEMIG, UFJF, FINEP, CNPq, CAPES, INERGE e Smarti9 pelo suporte dado. 4. Referências bibliográficas GALLI, S, A. Scaglione, e W. Zhifang, For the grid and through the grid: The role of power line communications in the smart grid, Proceedings of the IEEE, vol. 99, no. 6, pp , Junho FARHANGI, H., The path of the smart grid, IEEE Power and Energy Magazine, vol. 8, no. 1, pp , Jan.-Fev GUNGOR, V. C., D. Sahin, T. Kocak, S. Ergut, C. Buccella, C. Cecati, G. P. Hancke, Smart Grid Technologies: Communication Technologies and Standards 11/12

12 , IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 7, no. 4, pp , Novembro ANEEL, (Agência Nacional de Energia Elétrica), Regulamenta a utilização das instalações de distribuição de energia elétrica como meio de transporte para a comunicação digital ou analógica de sinais, Resolução Normativa no 375, 25 de agosto de ANATEL, (Agência Nacional de Telecomunicações), Aprova o regulamento sobre Condições de Uso de Radiofrequências por Sistemas de Banda Larga por Meio de Redes de Energia Elétrica (BPL), Resolução nº. 527, 8 de abril de RIBEIRO, M. V., G. R. Colen, F. P. V. Campos, H. V. Poor, Clustered-OFDM for Power Line Communication: When Could It Be Bene?cial?, IET Communications, (aceito para publicação) TRIMBERGER, S., A reprogrammable gate array and applications, Proceedings of the IEEE, vol. 81, no. 7, pp , Julho CAMPOS, F. P. V., M. V. Ribeiro, e M. L. R. de Campos, Efficient Structures for Implementing clustered-ofdm Transceivers on Recon?gurable Platforms: A Comparative Analysis, IEEE Trans. on Circuits and Systems-I: Regular Paper. (submetido). ALTERA, acessado em 15/03/2014. LAMPE, L., e A.J. Han Vinck, On cooperative coding for narrow-band PLC Networks, AEÜ - International Journal of Electronics and Communications, vol. 65, no. 8, pp , Agosto PAYÁN, J. D. V., In-home and low-voltage channel characterization of non-cooperative and cooperative power line communication (PLC), Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Juiz de Fora, FERNANDES, D. L., Comunicação cooperativa e em diversidade para power line communication, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Juiz de Fora, CAMPOS, F.P.V., Ribeiro, M.V., Resource Allocation and Management Techniques for Power Line Communications: Smart Grid and Broadband Access Systems. In: Kris Iniewski. (Org.). Power Line Communication Technologies for Smart Grids, Smart Cars, and Smart Homes. 1ed.: CMOS Emerging Technologies Press ISBN ASIN B0077Y03MC, vol. 1, pp. 1196, /12