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 Guilherme R. Colen Moises V. Ribeiro Fabricio P. V. de Campos Universidade Federal de Juiz de Fora Universidade Federal de Juiz de Fora Universidade Federal de Juiz de Fora guilherme.colen@engenharia.ufjf.br mribeiro@engenharia.ufjf.br fabricio.campos@ufjf.edu.br Thiago R. Oliveira Antonio A. M. Picorone Michelle S. P. Facina Universidade Federal de Juiz de Fora CEMIG Distribuição S.A. Universidade Federal de Juiz de Fora thiago.oliveira@engenharia.ufjf.br picorone@cemig.com.br michelle.soares@engenharia.ufjf.br Setup de Medição para Caracterização de Redes de Distribuição de Energia Elétrica Externas para Sistemas PLC Palavras-chave Comunicação de dados Medição e caracterização de canais Power line communication Resumo A presente contribuição apresenta um setup de medição e caracterização da rede de distribuição de energia elétrica como meio de comunicação de dados a partir da tecnologia power line communication (PLC). Para demonstrar a aplicabilidade desse setup de medição e caracterização, o mesmo é configurado para medir e caracterizar a rede de distribuição de energia elétrica de baixa tensão e externa, considerando a faixa de frequência entre 1,7 e 50 MHz. Medidas do espectro de amplitude da resposta em frequência de canais PLC, ruído aditivo, impedância de acesso, e sinais de rádio, obtidos durante uma campanha de medição mostram que o presente setup pode ser aplicado para realizar uma ampla campanha de medição e caracterização da rede de distribuição de energia elétrica brasileira e, consequentemente, gerar os requisitos e especificações mínimas que as tecnologias PLC devem atender para funcionarem de forma satisfatória no Brasil. 1. Introdução 1/12

2 A transmissão de dados através da rede de energia elétrica (power line communication - PLC) tem sido discutida, avaliada e empregada como uma tecnologia economicamente atrativa para várias demandas de telecomunicações das concessionárias de energia elétrica, principalmente, no tocante ao paradigma de redes inteligentes (smart grids) [2]-[4] e casas inteligentes (smart homes), além do acesso banda larga à internet [1]. Devido a esse fato, diversos projetos de P&D, apoiados por concessionárias de energia elétrica brasileira, têm sido desenvolvidos para verificar a viabilidade técnica de se utilizar as tecnologias PLC disponíveis no mercado nas redes de distribuição de energia elétrica brasileiras. Tais projetos têm contemplado a análise de desempenho das tecnologias PLC banda larga e banda estreita em ambientes externos (redes de distribuição de baixa e média tensão), assim como em ambientes internos (subestações e residências). Atualmente, algumas soluções de medição eletrônica comercial disponibilizam interfaces de comunicação baseadas na tecnologia PLC. Analisando a grande maioria dos projetos de P&D relacionados à tecnologia PLC, constata-se que os mesmos privilegiam o desenvolvimento e o emprego de soluções de comunicação baseadas em tecnologias desenvolvidas no exterior para a solução de diversos problemas de telecomunicações das concessionárias de energia elétrica. Na quase totalidade desses projetos de P&D, é reportado que o emprego da tecnologia PLC não é confiável, devido às características inerentes das redes de distribuição de energia elétrica, tais como a) foram projetadas para a transmissão de elevada energia à baixa frequência; b) não são blindadas e, portanto, interferem e sofrem interferência de sistemas de comunicação de dados operando na mesma faixa de frequência; c) apresentam comportamento variante no tempo e na frequência devido à dinâmica das cargas conectadas; d) a ocorrência de ruídos impulsivos de elevada potência, do ponto de vista de telecomunicações, reduz consideravelmente o desempenho dos sistemas PLC. Por outro lado, de forma inovadora, no projeto de P&D ANEEL-CEMIG D420, foi proposto a análise da viabilidade técnica das redes de distribuição de energia elétrica brasileiras como meio de transmissão de dados. Do ponto de vista de telecomunicações, o emprego de uma tecnologia de telecomunicação pressupõe o conhecimento das informações do meio de comunicação. Noutras palavras, conhecer o meio de comunicação é condição sine qua non para desenvolver e empregar sistemas de comunicação de dados que maximizem a utilização dos recursos disponíveis. Por exemplo, no que tange os canais PLC é importante caracterizar estatisticamente a atenuação, espalhamento do atraso, tempo de coerência, banda de coerência e capacidade. No que tange ao ruído aditivo, é importante caracterizar sua densidade espectral de potência,? tempo de chegada, largura e potência dos ruídos impulsivos e as amplitudes dos ruídos banda estreita. Finalmente, no que tange a impedância de acesso, é importante quantificar estatisticamente como ela se comporta ao longo do tempo e da frequência. Tais informações, quando devidamente extraídas e conjuntamente analisadas com as informações das redes de distribuição de energia elétrica (topologia, nível de tensão, tipo de cargas, tipo de alimentação, distâncias envolvidas, etc.), permitem estimar a capacidade de uma dada infraestrutura de distribuição de energia elétrica para operar como meio de comunicação de dados. A importância e a relevância da medição e da caracterização de canais PLC são ressaltadas em [5]-[14], bem como em projeto de P&D da União Europeia (OPERA). De uma forma geral, pode-se perceber que a maioria dos projetos de P&D relacionados com a tecnologia PLC no Brasil, não geraram conhecimento sobre qual é o real potencial das redes de distribuição brasileiras como meio de comunicação de dados, embora esse conhecimento seja de suma importância para indicar aos fabricantes os requisitos mínimos que as tecnologias PLC devem atender para funcionar com garantia de serviço (QoS) nas redes de distribuição de energia elétrica brasileiras. Sem esse tipo de informação, as concessionárias continuarão realizando novos projetos de P&D para verificar o desempenho de novas tecnologias PLC baseadas em tentativa e erro. Além disso, esse conhecimento fornece subsídios para desenvolvimento de novas tecnologias PLC ou modificações nas tecnologias existentes de forma a garantir o uso efetivo e eficiente das mesmas nas redes de distribuição de energia elétrica 2/12

3 brasileira. Nesse contexto, a presente contribuição apresenta e discute um setup de medição e caracterização de canal PLC, ruído aditivo e impedância de acesso e a análise dos sinais de rádio. O setup de medição, na configuração discutida nessa contribuição, permite medir as características da rede de distribuição de energia elétrica de baixa tensão na faixa de frequência entre 1,705 e 50 MHz, o que está em conformidade com a regulamentação brasileira para PLC banda larga [15]. Entretanto, o mesmo pode ser facilmente alterado para realizar campanhas de medição que cobrem outras bandas de frequência, tais como entre 3 khz e 500 khz e entre e 500 MHz. O setup de medição permite realizar campanhas de medição em redes de distribuição de energia elétrica de baixa e média tensão. Para ilustrar a aplicabilidade do setup de medição, resultados de uma campanha de medição realizada na rede de distribuição de energia elétrica da CEMIG na cidade de Juiz de Fora são apresentados. A grande importância do setup de medição é permitir a extração de parâmetros, os quais, após, o emprego de técnicas de processamento de sinais, permitem quantificar e qualificar a rede de distribuição de energia elétrica como meio de comunicação de dados. Além disso, o setup de medição permite levantar informações da rede de energia elétrica relevantes para indicar o que pode ser realizado num dado circuito de distribuição de energia elétrica para que o mesmo possa operar como meio de comunicação de dados. O restante deste trabalho está organizado da seguinte maneira: a Subseção 2.1 discorre sobre o setup de medição e caracterização proposta, detalhando os equipamentos utilizados. A Subseção 2.2 aborda os procedimentos que devem ser adotados. Os resultados obtidos referentes à resposta em frequência, ruído aditivo e impedância de acesso são apresentados na Subseção 2.3. Finalmente, a Seção 3, apresenta as conclusões do presente trabalho. 2. Desenvolvimento 2.1 Descrição do Setup de Medição O setup de medição é constituído por dois elementos principais: o Setup Tx e o Setup Rx. O primeiro é projetado para injetar um sinal, previamente conhecido na rede de energia elétrica, enquanto o segundo é projetado para extrair o sinal proveniente da rede elétrica. Basicamente, o Setup Tx é projetado para gerar um sinal OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) e transmiti-lo pela rede elétrica sob estudo, a fim de permitir que o Setup Rx estime a resposta em frequência do canal [15]. Além disso, ele é responsável pela medição da impedância de acesso. O Setup Rx foi construído para medir o sinal transmitido pelo Setup Tx, além de medir o ruído aditivo e os sinais de rádio. Os seguintes equipamentos foram utilizados para a constituição do setup de medição: i. Uma unidade para amplificar os sinais transmitidos, chamada amplificador de radiofrequência (RF) da Empower. Ele entrega até 25 W na sua saída e abrange a faixa de freqüência entre 0,15 e 230 MHz. A utilização de tal equipamento é justificada pelo fato de que o sinal recebido pelo Setup Rx deve ter amplitude suficiente para permitir a estimativa da resposta em frequência do canal PLC. A Figura 1(a) mostra o amplificador utilizado; ii. Dois computadores industriais, vide Figura 1(b), com placas de aquisição de dados (de 200 Msps com 12 bits) e de geração de dados (de 300 Msps com 14 bits). Esses equipamentos são aplicados, respectivamente, para gerar o sinal a ser transmitido e para adquirir o sinal na saída do canal. As placas de geração e aquisição de dados são da empresa Gage, as quais são mostradas nas Figuras 1(c) e 1(d). Neste trabalho, a taxa de amostragem considerada para ambas as placas é de 200 Msps, ou seja, quatro vezes a frequência máxima do sinal; iii. Um analisador vetorial de sinais e de rede portátil, Field Fox da Agilent, vide Figura 1(e), que cobre as faixas de frequência de 1 MHz a 3 GHz. Ele é responsável por medir a impedância de acesso às redes de distribuição de energia elétrica no ponto de conexão do Setup Tx; 3/12

4 iv. Dois acopladores PLC capacitivos do tipo SISO (single input single output), os quais foram projetados para operar na faixa de frequência entre 1,7 e 50 MHz e atuam como um filtro passa alta, bloqueando a componente fundamental de 60 Hz que pode danificar os equipamentos. A Figura 1(f) mostra o protótipo do acoplador e a Figura 2 ilustra sua resposta em frequência; v. Dois nobreaks para estabilizar a energia elétrica fornecida pelos geradores elétricos; vi. Dois transformadores com razão de transformação 2:1 e 1500 VA de potência, para isolar a rede de distribuição elétrica de baixa tensão dos Setups Tx e Rx. vii. Uma antena omnidirecional para a aquisição de sinais de rádio na banda de frequência de operação, ou seja, de 1,7 MHz até 50 MHz; viii. Dois geradores a diesel para fornecer energia elétrica para os Setups Tx e Rx. A utilização de dois geradores é necessária para assegurar que os equipamentos de medição não injetem ruído adicional ou distúrbios nas redes de energia elétrica. O gerador é mostrado na Figura 1(g); ix. Duas caixas metálicas para acomodar os equipamentos de medição. Elas foram projetadas para organizar e proteger os equipamentos utilizados no Setup Tx e Setup Rx, com ventilação forçada para evitar um aquecimento indesejado, bandejas removíveis com espaço para instalação de equipamentos e rodas para se moverem sobre superfícies. Além disso, elas possuem ganchos de modo a permitir que as mesmas sejam içadas; x. Um notebook para operar, através de acesso remoto, o computador industrial dentro do Setup Rx, que, eventualmente, é instalado no poste; xi. Oscilador atômico para gerar sinal com uma frequência de clock de referência e de elevada precisão, vide equipamento mostrado na Figura 1(h). Figura 1 - (a) Amplificador de sinal; (b) PC industrial; (c) Placa de geração de sinais; (d) Placa de aquisição de sinais; (e) Analisador de rede portátil FieldFox da Agilent; (f) Protótipo do acoplador PLC; (g) Geradores a diesel; e (h) Oscilador atômico empregado para gerar o clock de referência no Setup Tx. 4/12

5 Figura 2 - Espectro de amplitude da resposta em frequência do acoplador PLC. Com base na breve descrição dos equipamentos acima mencionados, detalhes sobre o Setup Tx e Setup Rx são apresentados nas Seções e Seção 2.1.2, respectivamente Setup Tx Figura 3 mostra o diagrama de blocos do Setup Tx, detalhando as conexões entre os equipamentos que o constituem. Os pontos A e B indicam os pontos de alimentação dos equipamentos. A energia é fornecida por um gerador a diesel. Um transformador de isolação e um nobreak são usados para isolar o circuito do Setup Tx da fonte de energia e para evitar interrupções de energia durante um curto período de tempo, respectivamente. Também na Figura 3, Fase e Neutro indicam a conexão do Setup Tx à rede de energia elétrica de baixa tensão usada para injetar o sinal. O multiplexador manual configura o Setup Tx em um dos dois possíveis modos de operação: estima resposta em frequência do canal e estima impedância de acesso. O primeiro é para inferir a estimativa da resposta em frequência do canal. Neste modo de operação, o sinal armazenado na memória do computador industrial é transferido para a memória da placa de geração de dados. Em seguida, o equivalente no domínio do tempo do sinal, na saída do DAC, é injetado na entrada do amplificador. A amplificação do sinal é ajustada manualmente para garantir que o Setup Rx perceba o sinal transmitido, que foi distorcido pelo canal PLC e corrompido pelo ruído aditivo. O sinal na saída do amplificador é enviado para a entrada do acoplador PLC. Finalmente, a saída do acoplador PLC é responsável por injetar o sinal amplificado na rede de energia elétrica, através do ponto de conexão. O segundo modo de operação proporciona o uso do Setup Tx para medir a impedância de acesso no ponto de conexão entre o Setup Tx e a rede de energia elétrica. Neste cenário, o analisador de rede é ligado diretamente aos terminais do acoplador PLC, o que permite que ele meça a impedância de acesso nesse ponto. A caracterização a priori do acoplador PLC permite a remoção de sua influência sobre as medidas. Finalmente, as medidas de impedância de acesso são armazenadas na memória do computador industrial. A imagem da caixa metálica contendo os equipamentos do Setup Tx está representada na Figura 4. 5/12

6 Figura 3 - Diagrama de blocos das conexões do Setup Tx. Figura 4 - O Setup Tx montado Setup Rx A Figura 5 ilustra o diagrama de blocos do Setup Rx. Como no Setup Tx, A e B designam o ponto de conexão da fonte de energia (gerador diesel). Um nobreak e um transformador isolador são utilizados. Fase e Neutro denotam o ponto de conexão do Setup Rx com a rede de energia elétrica sob estudo. O acoplador PLC é posicionado entre a rede de energia elétrica e a placa de aquisição de dados instalada no computador industrial. Essa placa de aquisição tem dois canais ADC que são conectados ao acoplador PLC e à antena. Como o Setup Rx é fixado ao poste, um notebook é usado para acessar remotamente o computador industrial. O acesso remoto faz uso de uma rede sem fio ad hoc. 6/12

7 Figura 5 - Diagrama de blocos das conexões no Setup Rx. O Setup Rx é responsável por receber e armazenar o sinal transmitido pelo Setup Tx. Além disso, ele mede os sinais de rádio, simultaneamente, à transmissão de dados feita pelo Setup Tx. A aquisição de sinais de rádio tem por objetivo monitorar o espectro. Outra função do Setup Rx é medir o ruído aditivo na rede de energia elétrica e, ao mesmo tempo, os sinais de rádio, ambos medidos quando não existirem sinais sendo transmitidos pelo Setup Tx. A imagem da caixa metálica contendo os equipamentos do Setup Rx está representada na Figura 6. Figura 6 - O Setup Rx montado e fixado no poste. 2.2 Procedimentos de Medição Esta seção descreve os procedimentos utilizados para fazer as medições, a fim de estimar a resposta em frequência do canal, adquirir o ruído aditivo na rede de energia elétrica de baixa tensão, além de adquirir os sinais de rádio através da antena. Também são abordados os procedimentos para estimar a impedância de acesso bem como para injetar o sinal nas redes de energia elétrica Medição da resposta em frequencia do canal PLC Para medir a resposta em frequência do canal PLC constituído pelo link entre a saída da placa de geração de dados do Setup Tx e a placa de aquisição de dados do Setup Rx, é usado o Setup Tx com o acoplador PLC conectado ao amplificador de sinal. Com a placa de geração de dados instalada dentro do computador industrial, um sinal constituído por símbolos OFDM [14] é gerado, amplificado e então injetado na rede de energia elétrica. Assim, a placa de geração de dados gera um sinal analógico correspondente à concatenação de símbolos OFDM consecutivos. No Setup Rx, o sinal recebido é armazenado utilizando uma placa de aquisição de dados. A fim de aumentar a confiabilidade e, consequentemente, evitar perda de dados, o sinal recebido é salvo no disco rígido do computador industrial três vezes. Dois osciladores atômicos são utilizados: um conectado ao clock da placa de geração e outro, ao clock da placa de aquisição. Ambos possuem a finalidade de corrigir as frequências de amostragem na transmissão e recepção, ajustandoas para o mesmo valor de referência. Finalmente, a estimativa de resposta em frequência do canal PLC é obtida através da aplicação do algoritmo proposto em [14]. Basicamente, este algoritmo executa a sincronização de símbolo, a estimação do canal e seu aprimoramento através de um processo de enriquecimento Medição do ruído na rede de energia elétrica 7/12

8 Para esta medição, apenas o Setup Rx é utilizado, uma vez que não é necessário transmitir qualquer sinal. Os sinais recebidos são armazenados na memória da placa de aquisição de dados e, remotamente, movidos para a memória do computador industrial. Tal como no caso da medição do canal PLC, três medições distintas são feitas e armazenadas Medição da impedância de acesso no ponto de conexão Para a medição da impedância de acesso apenas o Setup Tx foi usado. Ele foi configurado no modo em que o acoplador PLC é conectado ao FieldFox. Dessa forma, é realizada a medição da impedância de acesso apenas na entrada de energia elétrica da residência do consumidor Medição dos sinais de rádio Neste caso, os sinais de rádio foram obtidos em duas situações distintas. Na primeira, o sinal é transmitido pelo Setup Tx através da rede de energia elétrica. Durante esta transmissão, os sinais de rádio são adquiridos pela placa de aquisição de dados através do canal ADC conectado à antena. A segunda situação refere-se à aquisição com a ausência de transmissão de sinal na rede de energia elétrica. 2.3 Resultados da Medição Esta seção mostra alguns resultados que foram obtidos com o setup de medição e caracterização quando os procedimentos descritos na seção 2.2 são empregados. A apresentação desses resultados tem como objetivo exemplificar a aplicabilidade do setup de medição e caracterização. Para tanto, a Figura 7 mostra a estimativa das respostas em frequência de vários canais PLC num circuito montado no Laboratório de Comunicações da Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF). Já a Figura 8 ilustra estimativas consecutivas do espectro de amplitude da resposta em frequência de um canal PLC. Conforme é observado, o setup de medição é capaz de capturar o comportamento ciclicamente variante no tempo do canal PLC. Figura 7. Espectro de amplitude das respostas em frequência de vários canais PLC. 8/12

9 Figura 8 - Espectro de amplitude das respostas em frequência consecutivas de um canal PLC que é ciclicamente variante no tempo. Para verificar o desempenho do setup de medição e caracterização, uma campanha de medição foi realizada na cidade de Juiz de Fora - MG. A Figura 9 mostra membros da equipe da UFJF realizando a campanha de medição e caracterização da rede de distribuição de energia elétrica de baixa tensão na periferia de Juiz de Fora. A Figura 10 mostra a magnitude das respostas em frequência de dois canais PLC. Nota-se que os canais possuem atenuações distintas, que aumentam com a frequência, como é indicado na literatura referente a esse tipo de canal. Além disso, existem vários nulos espectrais em que as atenuações podem ser significativamente elevadas. Uma medida do ruído impulsivo é apresentada na Figura 11. Nota-se que a amplitude pode ser tão elevada quanto 0,7 V. Como os sinais de rádio podem ser bem caracterizados com a utilização da densidade espectral de potência (PSD), a Figura 12 mostra as PSDs dos sinais de rádio medidos, em duas situações diferentes: na primeira, o sinal OFDM é injetado na rede de energia elétrica (sinal de rádio n 1 medido) e, na segunda, o sinal OFDM não é injetado (sinal de rádio n 2 medido). Percebe-se que, nesse caso, a PSD do sinal de rádio é maior quando o sinal é transmitido. Este tipo de informação como mencionado anteriormente, pode ser muito útil para verificar a influência de sistemas PLC sobre sistemas sem fio que operam na mesma faixa de freqüência. Finalmente, na Figura 13 são representadas duas medidas de impedância de acesso. Nota-se que, para os dois casos avaliados, a impedância varia de poucos ohms até 140 ohms. A extração de parâmetros das medições mostradas nas Figuras 10 a 13 permitem quantificar e qualificar a rede de distribuição de energia elétrica como meio de comunicação de dados. 9/12

10 Figura 9 - Campanha de medição e caracterização da rede de distribuição de energia elétrica de baixa tensão. Figura 10 - Magnitude da resposta em frequência dos canais PLC medidos. Figura 11 - Amostra de um ruído impulsivo medido. Figura 12 - PSDs de sinais de radio medidos em duas situações diferentes. 10/12

11 Figura 13 - Medidas da impedância de acesso. 3. Conclusões A presente contribuição discutiu um setup de medição e caracterização da rede de distribuição de energia elétrica como meio de comunicação de dados. Para exemplificar a aplicabilidade do presente setup, o mesmo foi configurado para medir e caracterizar as redes de distribuição de energia elétrica de baixa tensão e externa. Para validar a eficácia do setup de medição e caracterização, foram apresentados resultados de medição em laboratório e de uma campanha de medição num bairro residencial. As estimativas do espectro de amplitude de canais PLC, da PSD dos ruídos, das formas de onda dos ruídos, das impedâncias de acesso e dos sinais de rádio mostraram que o setup de medição é de grande valia para a realização de uma campanha de medição de âmbito nacional para levantar, com elevada acurácia, a real potencialidade e limitação das redes de distribuição de energia elétrica como meio de comunicação de dados e, consequentemente, gerar os requisitos e as especificações mínimas que as tecnologias PLC devem atender para operar de forma eficiente e eficaz nas redes de distribuição de energia elétrica brasileiras. 3.1 Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer a CAPES, CNPq, FAPEMIG, INERGE, FINEP, Smarti9, P&D ANEEL e CEMIG pelo apoio econômico e financeiro. 4. Referências bibliográficas [1] J. A. M. de Souza, M. S. da Silva, C. R. L. Frances, J. C. W. Costa, M. E. V. Segatto, F. R. Antonio & N. L. Vijaykumar, "A feasibility study of PLC technology for digital inclusion," in Proc International Telecommunications Symposium, pp [2] S. Galli, A. Scaglione & 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 , Jun [3] A. Haidine, B. Adebisi, A. Treytl, H. Pille, B. Honary & A Portnoy, "High-speed narrowband PLC in smart grid landscape state-of-the-art," in Proc IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, pp [4] L. Jianming, Z. Bingzhen, G. Liang, Y. Zhou & W. Yirong, "Communication performance of broadband PLC technologies for smart grid," in Proc IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, pp [5] M. Zajc, N. Suljanovic, A. Mujcic & J. F. Tasic, "Frequency characteristics measurement of overhead high-voltage 11/12

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