COMUNICAÇÕES FAIXA ESTREITA VIA REDE ELÉTRICA DE BAIXA TENSÃO

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1 COMUNICAÇÕES FAIXA ESTREITA VIA REDE ELÉTRICA DE BAIXA TENSÃO Leonardo Muttoni, Paulo S. Caparelli 2, Antônio C. P. Veiga 3, Gilberto A. Carrijo 4, Edna L. Flores 5 Mestrando em Engenharia Elétrica, 2,3,4,5 Professores da Faculdade de Engenharia Elétrica Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia MG muttoni@gmail.com, 2 caparelli@ufu.br, 3 acpveiga@ufu.br, 4 gilberto@ufu.br, 5 edna@ufu.br Resumo Neste trabalho são abordadas as comunicações via rede elétrica de baixa tensão e faixa estreita. É apresentado a caracterização do canal PLC restrito a instalações residenciais, prediais e industriais, através da medição local de diversos parâmetros tais como: impedância de acesso, atenuação e ruído. Palavras-Chave - Comunicações via rede elétrica, Modem, PLC. NARROW BAND, LOW VOLTAGE, POWER LINE COMMUNICATIONS Abstract - This work covers the low voltage, narrow band power line communications. It's presented the characterization of the PLC channel, restricted to residential and industrial installations through local measurements of various parameters: access impedance, attenuation and noise. Keywords - Modem, PLC, Power Line Communications. NOMENCLATURA PLC Power Line Communications Comunicações via rede elétrica. ODFM Orthogonal frequency-division multiplexing Multiplexação por divisão em freqüências ortogonais. BPL Broadband Over Power Line Banda larga via rede elétrica. I. INTRODUÇÃO A tecnologia PLC, utiliza a rede elétrica como meio de transmissão de dados. A informação é superposta à tensão nominal da rede, utilizando um espectro com freqüências bem maiores a freqüência nominal da rede elétrica, com o fim de minimizar a interferência entre os 50/60 Hertz da rede e os sinais elétricos que transportam os dados. Este meio de comunicação é interessante principalmente pelo aproveitamento da infra-estrutura que existe virtualmente em todo lugar a rede elétrica. Pode-se dividir as comunicações via rede elétrica em dois grupos, o primeiro faixa estreita e segundo faixa larga, ou banda larga. As comunicações faixa estreita são normalmente de baixa velocidade, restringindo suas aplicações em telemetria e telecomando. A freqüência da portadora é relativamente baixa, e está entre 30 e 500 KHz. Existem diversos exemplos de aplicações em uso, como a transmissão automática de dados de um medidor de energia para a concessionária, e o controle de dispositivos de automação residencial. A modalidade faixa larga consiste nas comunicações em alta velocidade, requerendo uma faixa de freqüência maior e permitindo aplicações mais sofisticadas, como telefonia, rede de computadores internet, transmissão de áudio de alta fidelidade, e vídeo. São utilizadas técnicas de modulação sofisticadas, como OFDM e espalhamento espectral. A faixa de freqüência utilizada está entre,6 e 80 MHz, sendo mais comum o emprego das freqüências entre e 30 MHz. Uma das aplicações principais, do ponto de vista econômico, é a internet banda larga via rede elétrica, conhecida como BPL. As pesquisas na área de PLC muitas vezes esbarram em problemas não encontrados em outros meios de comunicação. As principais dificuldades encontradas são: bloqueio do sinal por transformadores; acoplamento entre fase; interferências de outros dispositivos conectados à rede elétrica. Um sinal típico de PLC possui freqüências muito superiores a 50 ou 60 Hz da rede elétrica, e não apresentam bom acoplamento entre enrolamentos de um transformador, devido a alta indutância de dispersão das bobinas e as perdas no núcleo apresentadas para altas freqüências. Isso apresenta problemas para algumas aplicações como: leitura remota de medidores de energia e BPL. Nestas aplicações, há a necessidade de se transmitir os sinais a longas distâncias, envolvendo um ou mais transformadores entre os pontos de comunicação. A solução é o uso de repetidores de sinal que são ligados junto aos transformadores, provendo um passagem livre para o sinal. Outro problema encontrado é a comunicação entre dispositivos ligados em fases diferentes. O sinal de alta freqüência é fortemente atenuado pelo transformador, e não consegue um caminho confiável entre as fases. Normalmente se usa dispositivos pontes, que também podem atuar como repetidores regenerativos. Algumas cargas ligadas à rede podem gerar interferências que afetam significativamente a confiabilidade dos dispositivos PLC presentes. Dependendo da sofisticação da modulação e de técnicas de detecção e correção de erros empregados, a interferência pode impossibilitar totalmente a comunicação. Outras cargas podem prejudicar a comunicação por atenuarem os sinais de freqüências utilizadas pelo PLC. Cargas não lineares também provocam interferência. Um exemplo são fontes chaveadas sem filtros adequados na entrada.

2 Uma preocupação é que o sinal do PLC normalmente é transmitido por fiação comum, sem nenhum tipo de blindagem. Dependendo da potência e das freqüências empregadas, uma parte significativa desse sinal é irradiada e isto pode causar interferência em faixas de rádio já estabelecidas. Já foram publicados alguns estudos sobre as interferências causadas por instalações PLC, principalmente BPL, em faixas usadas por rádio-amadores [2]. A evolução de diversos padrões de PLC, particularmente BPL, seguem ainda caminhos diferentes, mas existem fóruns de discussões principalmente na Europa, Estados Unidos e Japão, que contribuem com os órgãos de padronização. A falta de padrões bem definidos atrasa a adoção ampla da tecnologia, principalmente por problemas de interoperabilidade de equipamentos. Uma das contribuições deste trabalho é a apresentação de um esquema para medições de diversos parâmetros importantes que caracterizam o canal PLC restrito a instalações de baixa tensão, residencial, predial e industrial. Outra contribuição foi a implementação deste esquema em um laboratório da Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia e apresentação de diversos parâmetros medidos, com subseqüente comparação entre os resultados locais com os obtidos pelo artigo de Bausch []. é ligado em um analisador de espectro e em uma placa de aquisição para PC, onde são medidas a atenuação e o nível de ruído. O esquema proposto para as medições utiliza circuitos acopladores, que permitem a passagem do sinal PLC para a/da rede elétrica e isolam os 50/60 Hz do circuito PLC. Há dois acopladores: um otimizado para transmissão - denominado Acoplador TX, e outro para recepção - denominado Acoplador RX. Cada acoplador é basicamente composto por um transformador com núcleo de ferrite, capacitores de acoplamento (baixa reatância para o sinal PLC), e dispositivos de proteção. O Acoplador RX e o Acoplador TX são ilustrados na Figura e Figura 2, respectivamente. Fig.. Circuito do acoplador de recepção Acoplador RX. II. COMUNICAÇÕES FAIXA ESTREITA VIA REDE ELÉTRICA As comunicações via rede elétrica apresentam grande aplicabilidade para automação residencial, pois aproveitam a fiação elétrica que existe praticamente em todas as edificações. Este tipo de aplicação exige baixas taxas de transmissão, sendo suficiente alguns kilobits por segundo. Mesmo com anos de pesquisa e muitos produtos sendo desenvolvidos e comercializados, os sistemas de comunicação via rede elétrica para automação continuam sofrendo com algumas deficiências. Como não existem informações suficientes a respeito do canal de comunicação, os sistemas atuais utilizam técnicas de modulação inadequadas ou hardware com limitações. As publicações disponíveis estão geralmente focadas no uso das PLC como meio de comunicação de faixa larga, existindo um relativa carência de material na área específica de PLC faixa estreita. III. CARACTERIZAÇÃO DO CANAL As comunicações via rede elétrica dentro de uma residência ocorrem normalmente ponto a ponto. Devido as particularidades de cada instalação, uma caracterização completa do canal é impossível. O que é feito normalmente é testar canais diferentes e assim obter algumas características médias desse conjunto de dados. Em um trabalho realizado por Bausch [] foram testados canais de comunicação, 5% desses em residências, 33% em apartamentos e 6% em laboratórios e instalações industriais. O procedimento de medida utilizado no trabalho de Bausch [] foi o seguinte: um módulo transmissor injeta um sinal senoidal na rede elétrica em uma freqüência programada, na faixa de khz e ao mesmo tempo mede a impedância de acesso. Na outra ponta, um módulo receptor Fig. 2. Circuito do acoplador de transmissão Acoplador TX. Para as medições também foram utilizados um gerador de onda senoidal com freqüência fixa em 430 KHz e um amplificador linear de cerca de 3 Watts, conectado ao acoplador TX. Nos próximos sub-itens são apresentados os resultados de medições locais. A.Impedância de Acesso A impedância de acesso é a impedância vista do transmissor para uma determinada freqüência. Esse é um parâmetro importante para o dimensionamento do transmissor PLC, pois, conforme a Equação, quanto menor a impedância apresentada ao transmissor, maior é a potência de transmissão necessária para se atingir um determinado nível de tensão na rede elétrica. P= U 2 Z () Foi realizado um ensaio para determinar a impedância de acesso da rede elétrica, no laboratório E da Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT) da Universidade Federal de Uberlândia (UFU). O esquema do ensaio é mostrado na Figura 3.

3 Foram feitas medidas locais de atenuação entre os laboratórios E e o laboratório de circuitos elétricos, localizados na FEELT, um ao lado do outro. Para isto, foi montado o experimento ilustrado na Figura 5. Fig. 3. Esquema de medição da impedância de acesso No experimento da Figura 3, foi injetado um sinal de 430 KHz na rede elétrica e medido a tensão no secundário do transformador acoplador e na sua resistência série de saída R 2. Assim pode-se obter os valores de tensão e corrente para o sinal PLC. As medições foram obtidas para 3 configurações do secundário do transformador acoplador. Os resultados calculados são apresentados na Tabela I. TABELA I Resultados das medições da impedância de acesso Vpri Relação de transformação Vsec Vrint Iout (Amperes de Ra (Ohms) ,86 0,38,5 2,48 2,8 6 2,4 0,4,2, ,38,5 2,6 O valor de impedância obtida na Tabela I está na faixa dos 2 ohms, um valor baixo, mas compatível com os resultados obtidos por Bausch []. B.Atenuação A avaliação da atenuação de um canal de comunicação é muito importante, pois é uma das características fundamentais para se estimar as possibilidades de comunicação de um canal. Com ela podemos dimensionar adequadamente um sistema de comunicação. Nas comunicações via rede elétrica, a atenuação pode variar muito, dependendo da carga na rede elétrica e a distância entre os pontos de comunicação. A Figura 4 exibe a probabilidade cumulativa da atenuação em função da freqüência, feitas por Bausch []. Nota-se que a atenuação cresce ligeiramente com a freqüência mas acima de 200KHz é praticamente constante. Fig. 4. Probabilidade acumulativa da atenuação []. Fig. 5. Esquema de medição da atenuação Neste ensaio, foi transmitido um sinal de 430KHz para o acoplador RX. Foi medida a tensão no primário do acoplador de transmissão (acoplador TX): V t e no secundário do acoplador RX: V r. O resultados das medidas corrigidas, com respeito à relação de transformação dos acopladores, são mostrados na Tabela II. A Tabela III mostra as relações de transformação dos acopladores utilizados. Distância - d TABELA II Resultados da medição de atenuação Tensão na Tensão na V t V (Volts r saída do entrada do Relação (Volts acoplador acoplador de de de TX (Volts RX (Volts tensões de de Atenuação (db) Zero 8 2,86 3,05-0,42 Laboratór 26 0,2 9,29 0,6 0,06 23,79 io ao lado TABELA III Relações de transformação nos acopladores Relação de transformação do acoplador TX (np/ns): 4/5 = 2,8 Relação de transformação do acoplador RX (np/ns): 3 Obteve-se uma atenuação de cerca de 23dB, no caso do transmissor e o receptor estarem localizados em laboratórios adjacentes. A medição efetuada com a distância zero (transmissor ao lado do receptor) foi feita para se confirmar as relações de transformação dos acopladores e a correta montagem do experimento. Também foram feitas medidas com o transmissor e o receptor conectados a fases diferentes da rede elétrica. Curiosamente, a intensidade do sinal recebido foi praticamente a mesma em qualquer uma das fases. Uma explicação para o ocorrido é que o sinal encontrou caminhos com atenuações semelhantes entre fases. Estes caminhos

4 podem ser atribuídos a diversas cargas ligadas a rede elétrica no momento da medição, portanto não são caminhos permanentes e confiáveis. C.Ruído Os ruídos presentes na rede elétrica são provocados principalmente pelas cargas nela ligadas. Algumas cargas geram uma grande quantidade de ruído na forma de harmônicos dos 60Hz (exemplo: lâmpadas fluorescentes compactas), e outras provocam ruído impulsivo na rede (exemplos: liquidificador; máquina de solda a arco). O ruído encontrado na rede elétrica pode ser classificado em ruído de plano de fundo e ruído faixa estreita. A Figura 6 mostra a probabilidade cumulativa da intensidade do ruído de plano de fundo em função da freqüência, segundo Bausch []. O transformador sintonizado de FI empregado neste experimento, tem a função de filtragem. Este foi aproveitado de um aparelho receptor de rádio AM comercial, e possui um núcleo de ferrite ajustável, permitindo a sua sintonia em outras freqüências diferentes da nominal, 455KHz. O potenciômetro em série com o filtro serve para ajustar o fator Q do circuito ressonante, e assim obter uma largura de faixa desejada. O potenciômetro e o núcleo do transformador de FI foram ajustados para que este filtro tivesse uma largura de faixa de 30 KHz e uma freqüência central de 435 KHz. Foi utilizado um osciloscópio para visualizar a intensidade do ruído, e assim obter a sua intensidade de forma qualitativa. Uma maneira adequada para medição de ruído seria fazendo o uso de um analisador de espectro, mas não havia este equipamento na Faculdade de Engenharia Elétrica. A fotografia da tela do osciloscópio, com a medição do ruído, é mostrada na Figura 9. Fig. 6. Probabilidade cumulativa da energia do ruído de fundo []. De acordo com Bausch [], a medição de ruídos de faixa estreita requer um processamento das curvas de ruído armazenadas e os histogramas resultantes deste processamento estão na Figura 7. Fig. 9. Fotografia da tela do osciloscópio, na medição de ruído. Nota-se que a amplitude do ruído atinge cerca de 25mV de pico. Supondo que a intensidade de ruído seja uniforme na largura de faixa medida (ruído branco), teria-se uma amplitude eficaz de ruído igual a 7,68 mv e a sua densidade de potência normalizada, em decibéis, seria dada pela Equação 2. Onde: S =0 log V 2 rms B (2) Fig. 7. Características do ruído de faixa estreita []. Conclui-se que os ruídos de faixa estreita têm mais ocorrência em freqüências abaixo de 40 KHz e acima de 40 KHz. A largura de faixa média é de 3 KHz. Foram feitas medidas locais, na residência do autor, do ruído de fundo, presente na rede elétrica. Para isto, foi montado o experimento ilustrado na Figura 8. Fig. 8. Esquema de medição de ruído. S - Densidade espectral de potência de ruído V rms - Tensão eficaz do ruído B - Largura de faixa do ruído A largura de faixa B foi ajustada pelo filtro para 30 KHz. Assim, teríamos uma densidade de potência de ruído de -79,8 db(v 2 /Hz), valor compatível aos obtidos por Bausch []. IV. CONCLUSÕES A avaliação das características do canal PLC permitiu levantar parâmetros importantes, que podem ser utilizados para a especificação de um sistema de comunicação que utilize a rede elétrica como meio. As medições locais foram executadas em uma única freqüência, e nesta freqüência, se aproximaram das medições de Bausch []. Como trabalho futuro, pode-se construir um sistema automático de medição e obter várias medidas para diferentes instalações elétricas em diversas condições de carregamento da rede elétrica.

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [] BAUSCH, Jorg et al. Characteristics of Indoor Power Line Channels in the Frequency Range KHz. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON POWER LINE COMMUNICATIONS, 0., 2006, Karlsruhe, Germany. IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications. Orlando, Florida, E.U.A.: IEEE, p Disponível em: < df?tp=&arnumber=76892&isnumber=366>. Acesso em: 09 abril [2] American Radio Relay League. Broadband Over Power Line (BPL) and Amateur Radio. Disponível em: Acesso em: 09 abril 2008.