XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1.0 GTL.YY 22 a 25 Novembro de 2009 Recfe - PE GRUPO -XV GRUPO DE ESTUDO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO E TELECOMUNICAÇÃO PARA SISTEMAS ELÉTRICOS - GTL PLANEJAMENTO TÉCNICO E ECONÔMICO PARA A IMPLANTAÇÃO DE REDES DE TELECOMUNICAÇÕES SOBRE A INFRAESTRUTURA DE REDES DE ENERGIA ELÉTRICA Helosa Helena Müller(*) Carlos A.Fróes Lma José Rcardo Portllo Navas Loreno Menezes da Slvera KNBS KNBS KNBS KNBS André L. Morelato França UNICAMP RESUMO Este trabalho apresenta os resultados obtdos no Planeamento de Redes de Acesso para conexão à Internet em Banda Larga, utlzando a tecnologa Powerlne Communcaton sobre a nfraestrutura exstente de redes de energa elétrca. Em um ambente de smulação técnca e econômca, georeferencado e com a vsbldade da estrutura da rede, podem ser realzados estudos de nterconectvdade e operação com estruturas de comuncação wreless e fbra. Permte-se a aplcação de modelos híbrdos de telecomuncações e organzação de redes. Fo elaborada uma metodologa de estudos para a caracterzação da vabldade, permtndo respostas para as condções de atendmento, sstemas e conectvdade. PALAVRAS-CHAVE PLC - Powerlne-Communcatons, BPL - Broadband Powerlne Communcatons, Energa Elétrca, Internet, Planeamento de Redes INTRODUÇÃO A déa de se usar redes de energa elétrca para conduzr snas de telecomuncações tem como atratvo aprovetar a sua caplardade sem nvestmentos adconas em estruturas físcas de dstrbução e oferta de servços como nternet em banda larga, sea pelos fos, fbras ou wreless, em uma estrutura ntegrada de suporte as telecomuncações. O grande desafo da tecnologa PLC banda larga é mostrar-se compettva frente a outros meos de transmssão de nformação. Embora tenha havdo, na últma década, sgnfcatvo avanço nas técncas de comuncação utlzadas em sstemas PLC banda larga, a resposta adequada a esse desafo depende fortemente dos obetvos a alcançar em termos de desempenho e abrangênca dentro de áreas delmtadas (1) (2). Em outras palavras, PLC banda larga pode ser compettva ou não em determnada área em função de parâmetros de desempenho específcos e abrangênca sóco-econômca. Para obter esse tpo de resposta de forma confável, é necessáro dspor de uma metodologa de planeamento de redes de acesso que permta uma análse de vabldade técnco-econômca e ao mesmo tempo assegure a possbldade de ntegração de tecnologas antes de se realzar os nvestmentos em mplantação. A tecnologa PLC tem sdo cogtada para apoar processos de automação, controle e medção na rede de energa elétrca, bem como em processos de utlzação de Internet como uma alternatva de acesso e, em função destes aspectos, é vsta como uma ferramenta de nclusão dgtal. Váras empresas concessonáras brasleras e (*) R. Dr. Emílo Rbas, n 174 sala 92 - Bloco 1 CEP Campnas, SP, Brasl Tel: (+55 19) Fax: (+55 19) e-mal: muller@knbs.com.br, froes@knbs.com.br; navas@knbs.com.br; loreno@knbs.com.br; morelato@dse.fee.uncamp.br

2 2 estrangeras mplantaram ou estão planeando mplantar a transmssão de dados em banda larga va rede elétrca sob a ótca de novos negócos. Tem-se em vsta a mnênca de regulamentação pela ANATEL para tas servços. Dante desse cenáro percebeu-se a oportundade de construção de um ambente computaconal de smulação que provesse recursos para realzar estudos comparatvos de vabldade econômca e técnca para mplantação de sstemas de transmssão de dados em banda larga sobre determnada rede elétrca. Este trabalho descreve metodologas de organzação de ambentes de telecomuncações, utlzando a rede elétrca como nfraestrutura, permtndo sua extensão para modelos híbrdos de comuncação. Crou-se um ferramental de vsualzação da arqutetura da rede, de mapeamento e alocação de recursos, de smulação de stuações de uso de tecnologas complementares, de análse estruturada da rede e de tomada de decsões. O escopo do proeto fo estruturado sob um ambente de pesqusa patrocnado pelo Programa de Inovação em Pequenas Empresas (PIPE) da FAPESP e contou com consultora de pesqusadores da Unversdade Estadual de Campnas (UNICAMP) (4). O ferramental nclu a modelagem e o armazenamento das nformações (recursos físcos e lógcos das redes de energa elétrca e da rede de telecomuncações planeada sobre a rede elétrca) vsando orentar processos que mantenham o controle do parque nstalado e planeado. Permte assm, realzar o regstro e controle de atvos das redes em estudo, formalzando o conhecmento dos elementos de rede e sua localzação (4). A flosofa básca de planeamento adotada consste em seleconar uma área de estudo de uma rede elétrca e construr um cenáro de atendmento de usuáros de nternet banda larga. Leva em conta requstos mínmos de qualdade de servço de telecomuncações, estrutura e elementos presentes na rede elétrca, parâmetros econômcos e socas da área atendda, custo e desempenho de equpamentos PLC e barreras técncas à propagação de snas de RF rádo frequênca na rede elétrca. Consderando-se esses fatores, analsam-se as condções de vabldade técnca e econômca para a mplantação do proeto ARQUITETURA GERAL O ferramental de planeamento, denomnado Power PLC-PLAN, consste em uma plataforma e ambente de software orentados ao suporte de servços. Permtem realzar os estudos da análse técnca e levantamento de custos da rede de acesso à nternet em banda larga. Foram concebdos aplcatvos acoplados à uma plataforma chamada Power Busness Sute PBSUITE. Permtuse assm, o aprovetamento, reutlzação e compartlhamento de componentes de software (5) (6). Os recursos da plataforma PBSUITE consstem em uma a base de dados de redes de energa elétrca, abrangendo subestações, equpamentos, crcutos, transformadores, postes, base de localdades, logradouros, lotes e endereços e CEP, base de dados de UC (Undades Consumdoras) com nteração para o faturamento. São amplados com módulos específcos como: moblty applcatons, para o tratamento de aplcações realzadas em PDAs e redes celular; controle e audtora de nformações; módulo de segurança e controle de acessos, que trabalha em uma estrutura herárquca estabelecda por concessão, regão, localdade, empresa e usuáro. Lmta a atuação dentro de uma área geográfca e herárquca na empresa (4). Sobre a estrutura do PBSUITE é executada a aplcação Power PLC-PLAN, compartlhando a base de dados da rede de energa elétrca. A plataforma PBSUITE fo proetada tecncamente para operar em um ambente de aplcações Web. Permte o mapeamento de obetos de forma georreferencada e possue um módulo de carga automátca de dados. A arqutetura funconal é apresentada na Fgura 1. É composta por ses módulos que dvdem as responsabldades e funconaldades sstêmcas (4): Power Admn: módulo que trata a segurança de acesso da plataforma relatva às camadas empresa, área admnstratva, área de concessão, área geográfca, usuáro, e da população de metadados do sstema, como parâmetros de confguração e operação; Power Manager: módulo que controla os elementos da rede de dstrbução de energa elétrca e suas característcas; Power Reports: módulo que controla os relatóros gerencas e de nventáro; Power Geo: módulo que controla a apresentação, tratamento das nformações georreferencadas e mapas temátcos;

3 3 Power PLC-Plan: módulo de planeamento da rede de acesso à Internet em banda larga baseada na tecnologa PLC. Power Loader: módulo responsável pela carga de nformações tabulares, georreferencadas e estruturação do datawarehouse da PBSUITE. Serão descrtos nos tens seguntes as funconaldades específcas do módulo Power PLC-Plan. FIGURA 1 Power Busness Sute e Power PLC_PLAN METODOLOGIA DE PLANEJAMENTO A metodologa fo concebda para propcar a cração de proetos de planeamento de redes de transmssão de dados baseados em tecnologa PLC, capazes de responder questonamentos sobre condções de vabldade técnca e econômca. Foram defndas duas stuações para a realzação desses proetos (4): a prmera, quando a concessonára possu os dados referentes à rede devdamente cadastrados em um sstema com recursos de georreferênca, quanto às redes de almentação e de dstrbução, amplando-a com equpamentos auxlares; a segunda possbldade é a regão de planeamento estar em uma área nova, onde não se possu os regstros organzados, organzando-os em um formuláro com uma entrada resumda dos dados. Em ambas as stuações, a análse fo estrategcamente dvdda para representar as redes prmára (MT - Méda Tensão) e secundára (BT - Baxa Tensão). Esse recurso permte uma smplfcação da análse e a cração de proetos híbrdos. É possível, por exemplo, usar a rede PLC na baxa tensão com outro recurso de telecomuncação para levar os snas até uma central, com equpamentos com tecnologa WI-MAX ou fbra óptca. No processo de análse de vabldades, a estrutura Power PLC-PLAN oferece aos usuáros as seguntes opções: a) Seleconar uma área para smulação e planeamento; b) Extrar do e/ou nclur no datawarehouse, as característcas físcas, topológcas, econômcas e socas relatvas à área geográfca determnada para análse; c) Quantfcar e avalar a vabldade de atendmento de usuáros compartlhados; d) Qualfcar as soluções e formas de ntegração de dstntas tecnologas de comuncação; e) Levantar os custos da solução vável capaz de atender aos padrões da qualdade de servço; f) Analsar a sensbldade da solução em relação a parâmetros seleconados; g) Avalar globalmente e eleger a solução técnco-econômca mas adequada sobre a área escolhda. A metodologa proposta para fazer a análse de vabldade técnca e econômca de redes de acesso PLC banda larga basea-se na verfcação das condções de atendmento de usuáros compartlhados, obedecendo a crtéros de qualdade de servço (QoS) prevamente defndos. Os maores problemas que degradam a qualdade de servço são a latênca (ou atraso) e a perda de pacotes, sendo que os prncpas fatores que nfluencam tas

4 4 problemas são a taxa de transmssão dsponível (capacdade de canal) e o número de usuáros compartlhados (usuáros conectados compartlhando mesma capacdade de canal ao mesmo tempo). Trabalha-se com uma entrada de dados quanttatva, smplfcada e rápda para a cração de um proeto de redes de comuncação. Outra opção é trabalhar com o uso de dados geográfcos da rede elétrca, permtndo-se uma vsbldade mas detalhada e dferencada das nformações. São dsponblzadas funções relatvas à análse da QoS, consderando aspectos lmtantes técncos das topologas da rede elétrca em análse. Entre essas funconaldades podemos enumerar os cálculos de: atenuação, nível de ruído, dstrbução de frequêncas, cálculo de banda dsponível, nível de potênca dos equpamentos PLC para cada um dos crcutos envolvdos. São estmados quas equpamentos deverão ser nstalados no proeto, de acordo com as premssas de rede fornecdas. Também é permtda aos usuáros da ferramenta a seleção e nclusão de equpamentos complementares fora do processo de cálculo automátco. São tratados os dados econômcos dos proetos, onde é possível fazer comparatvos fnanceros entre dversas soluções de dversos fabrcantes, e com dferentes orçamentos. Os proetos geram hstórco de alterações e controle de versões, permtndo-se estmar e planear dversas alternatvas de mplantação CICLO DA METODOLOGIA DE PLANEJAMENTO Sabe-se das dfculdades dos analstas de negócos em construr, planear, smular, organzar e decdr sobre novas redes seam de telecomuncações como de energa elétrca. Estas dfculdades estão fcam anda maores na nterlgação dos dos negócos. Assm, é mportante um ferramental de suporte ao planeamento que drecone o processo de apoo a tomada de decsões nas as ações do entendmento da abrangênca da solução, na concepção de premssas e/ou requstos, na formulação de hpóteses técncas e econômcas e na estruturação de relatóros comparatvos de possbldades. O processo fo formalzado em um ferramental, metodologcamente estruturado, apresentado a segur. 4.1 Seleção de Área para Planeamento O níco do planeamento começa com a cração de um proeto, que poderá ser com dados georreferencados ou apenas com uma entrada smplfcada de nformações. A seleção da área a ser planeada compreende a escolha de uma localdade e a pontuação de atrbutos para que sea ncado um proeto de rede PLC. Para efetos lustratvos será apresentado o cclo completo de um proeto com dados tabulares apenas lembrando que os mesmos concetos são aplcados aos proetos com dados georreferencados. Na cração de proetos, o planeador deve defnr alguns parâmetros báscos referentes a sua dentfcação, códgo, prazo e escopo, orçamento e versão do proeto, além de outros dados cadastras relevantes. O proeto possu controle de versão e prazo para análse sendo que estas nformações são controladas, ou sea, conforme altera-se qualquer nformação no proeto altera-se a sua versão, embora o códgo contnue o mesmo, conforme lustra a Fgura 2. FIGURA 2 Cração de Proetos de Rede

5 5 4.2 Montagem dos Cenáros Seleconada a área obeto de planeamento, precsam ser defndas pelo usuáro quas as característcas físcas, topológcas, econômcas e socas relevantes ao proeto relaconadas à regão geográfca onde ele será realzado, bem como as nformações relatvas às característcas quanttatvas e métrcas báscas dos elementos de rede. Estas nformações serão útes na estmatva de equpamentos PLC relaconados aos elementos da rede elétrca, conforme lustra a Fgura 3. FIGURA 3 - Dados Admnstratvos e Estatístcos Como a entrada das nfomações é smplfcada, pode-se pontuar tabularmente os elementos da rede elétrca que partcparão do proeto PLC, e usar dstrbuções estatístcas ou atrbuções de percentuas para estmar estatstcamente a porcentagem de partcpação de cada elemento de rede. Essas dstrbuções estatístcas podem ser confguradas e fazem parte do conunto de metadados do Power PLC-PLAN. Após dstrbur pelos transformadores a quantdade de UC que serão contempladas com a rede PLC, realza-se a dstrbução de banda e de velocdades que também é feta estatstcamente conforme mostra a Fgura 4. FIGURA 4 - Dados Tabulares da Rede Elétrca e Dstrbução Estatístca 4.3 Análse de Vabldade A análse de vabldade consdera que o proeto possu um orçamento e assm pode-se, antes mesmo da análse técnca de atendmento baseada na QoS, verfcar a vabldade econômca e fazer comparações com outras versões. Após assnalar os elementos da rede elétrca envolvdos e o número de UC contempladas, o proetsta poderá alocar os modelos de equpamentos e escolher com quas fabrcantes desea trabalhar. O Power PLC- PLAN possu um modelo onde é possível crar dnamcamente tpos de equpamento de comuncação e os valores fnanceros assocados, bem como nformações técncas detalhadas sobre os equpamentos que serão utlzados na análse de vabldade.

6 6 FIGURA 5 Modelo de Equpamentos de Comuncação O Power PLC-PLAN nstanca os equpamentos da tecnologa PLC que devem ser utlzados no proeto conforme lustra a Fgura 6. FIGURA 6 Desgnação de Equpamentos PLC Posterormente o proetsta pode nterferr retrando ou adconando outros equpamentos à solução básca conforme seu entendmento, como mostra a Fgura 7. FIGURA 7 Inclusão de Outros Equpamentos de Telecomuncações no Proeto A análse de vabldade técnca consste na determnação das larguras de banda necessára e dsponível em cada equpamento PLC localzado no transformador para atender aos usuáros conectados, na estmatva do nível de ruído de modo a garantr a relação snal-ruído especfcada, na dstrbução de frequêncas, e no cálculo do nível de atenuação. Além dsto, avala-se o nível de potênca dos equpamentos de transmssão PLC em termos de sua densdade espectral de potênca (Power Spectral Densty-PSD). Em caso do valor de PSD do equpamento transmssor escolhdo não ser sufcente para o cenáro apresentado, será necessáro promover a nstalação de repetdores ou substtução de equpamentos. O cálculo de ruído pode ser realzado utlzando a aleatoredade, o aspecto predtvo através de redes neuras artfcas, ou anda a forma determnístca pontuado pela área de engenhara. A Fgura 9 mostra o cálculo de banda por equpamento PLC no transformador e o cálculo de ruído por UC.

7 7 FIGURA 8 Cálculo de Banda e Cálculo de Ruído A atrbução de frequêncas é realzada consderando as faxas ndcadas pela ANATEL na consulta públca N 38 de Agosto/2008 (3) e o algortmo de dstrbução que procura otmzar a sua alocação consderando ntervalos e os canas a serem utlzados e a faxa admtda pelo equpamento escolhdo para o transformador. Também podem ser fetas ntervenções para modfcação das frequêncas pré-atrbuídas. A Fgura 9 mostra a dstrbução de frequênca e o cálculo de atenuação que depende do valor da frequênca. FIGURA 9 Dstrbução de Frequênca e Cálculo de Atenuação O cálculo da capacdade do canal e do PSD é realzado para a baxa tensão consderando o agrupamento das UC e seus ndcadores por transformador (1) (2). Um racocíno análogo se aplca à méda tensão para a análse do crcuto consderando o resultado por transformador. As equações a segur mostram os cálculos e a formulação utlzada, que pode ser confgurada, todava, conforme requstos específcos da área de engenhara da concessonára. AT = CC FB. L + CD. ND SNR = SNR mn + AT CAP = FRE. Banda.log2(1 + SNR ) [ kbps] CAP AT = 1 = CC CAP FB. L [ kbps] PSD = SNR mn + NR NUC = + CD. ND + AT [ dbm / Hz] Onde: = -ésma UC = -ésmo transformador NUC = quantdade de UC FRE = fator de realdade de utlzação de banda dsponível Banda = banda destnada à UC SNR = relação snal ruído AT = atenuação CC = constante do cabo de rede elétrca CD = coefcente de dervação ND = número de dervações da UC até o transformador CAP =capacdade de canal total exgda EXEMPLO DE APLICAÇÃO A ferramenta de planeamento Power PLC-PLAN fo utlzada, em novembro de 2007, na Fase 2 do Proeto Barrernhas no Estado do Maranhão, proeto-ploto de mplantação de nternet banda larga, coordenado pela APTEL (Assocação de Empresas Propretáras de Infraestrutura e Sstemas Prvados de Telecomuncações).

8 8 Foram utlzados os módulos Power Manager, Power Geo e Power Loader do PBSUITE para mportar os dados da rede de dstrbução de energa elétrca da CEMAR para o muncípo de Barrernhas. Em seguda, fo realzada a construção de cenáros de teste e respectva documentação para a mplantação da rede de acesso à Internet banda larga com a tecnologa PLC sobre a rede de energa elétrca. A Fgura 10 lustra a aplcação cuo desempenho mostrou conformdade com o planeado. FIGURA 10 - Proeto Barrernhas Power PLC-Plan CONCLUSÃO Este trabalho apresentou uma vsão geral do desenvolvmento de um ferramental de planeamento técnco e econômco para mplantação de redes de acesso à nternet em banda larga sobre a nfra-estrutura de redes elétrcas. Fo consderado o mapeamento de necessdades de atendmento e oferta de novos servços, permtndo a cração de cenáros, smulações, defnção de estratégas e planeamento. Neste ambente busca-se apoar o trabalho realzado pelos analstas de negócos e planeadores, oferecendo condções técncas obetvas para avalar a vabldade, vantagens e dfculdades na prestação do servço de acesso à rede nternet com qualdade adequada. Fnalmente, como ndcação de usos futuros, aderente as tendêncas de mercado de energa elétrca e de telecomuncações, esta plataforma está em amplação para o planeamento de aplcações Intellgent Grd, sensoramento remoto e telemedção REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Dostert, Klaus M. Power Lnes as Hgh Speed Data Transmsson Channels- Modellng the Physcal Lmts, IEEE 5 th. Int l Symposum on Spread Spectrum Technques and Applcatons, pp , Sept (2) Zmmermann,M., Dostert,K. A multpath model for the powerlne channel, IEEE Transactons on Communcatons, vol. 50, n..4, Aprl 2002 (3) damento# : ANATEL Consulta Públca no. 38, agosto de (4) Fapesp Relatóro Técnco do Proeto PIPE FAPESP Ferramenta de Planeamento de sstemas de transmsssão de dados em banda larga va nfraestrutura da rede de energa elétrca, Campnas KNBS Telecomuncações e Informátca Ltda, fev (5) Fundamentals of Data Warehouses, Matthas Jarke, Maurzo Lenzern, Yanns Vasslou, and Panos Vasslads, Hardcover - Jan 17, (6) BURROUGH, P. A.; MCDONNELL, R.A. Prncples of geographcal nformaton systems. Oxford, Oxford Unversty Press, 1998.