Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Análise de soluções tecnológicas para comunicações PLC Pedro Hugo Anselmo Soares realizada(o) no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Major Telecomunicações Orientador: Prof. Dr. Joaquim Costa Co-orientador: Eng. Fernando Gomes 27-11-2009
Índice 1. Introdução... 3 1.1. Motivação... 4 2. Introdução ao estado da arte... 4 2.1. Tecnologia PLC... 4 2.2. Vantagens... 5 2.3. Desvantagens... 5 3. Recursos necessários... 6 4. Planeamento do trabalho... 6 5. Bibliografia consultada... 6 Pedro Soares Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores 2
1. Introdução Este relatório de progresso é realizado no âmbito da disciplina de Preparação para a Dissertação, do curso de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Os principais objectivos deste relatório são a apresentação, descrição e evolução do tema a desenvolver, para o colocar em prática, no segundo semestre, na dissertação. Com efeito, o tema da minha dissertação é "Análise de soluções tecnológicas para comunicações PLC", orientado pelo Professor Doutor Joaquim Costa e Co-orientado pelo Engenheiro Fernando Gomes. Este tema de dissertação insere-se num dos projectos da EFACEC, concretamente no departamento de ASIDAP (Automação de Sistemas, Inovação e Desenvolvimento, Automação e Protecção). Este departamento está encarregue, por exemplo, do desenvolvimento do produto SmartGate, realizado no âmbito do Projecto InovGrid, liderado pela EDPD [1]. O SmartGate, tecnicamente designado por DTC (Distribution Transformer Controller) [2], é colocado no Posto de Transformação (PT), tendo como principal função a comunicação e gestão das Energy Boxes (EB), existentes na rede baixa tensão (LV) da subestação. O DTC opera, ainda, quer como um dispositivo inteligente de controlo e automação do PT, quer na detecção de defeito e controlo da Iluminação Pública. O Distribution Transformer Controller é, igualmente, responsável pela implementação de outras funções, das quais o balanço energético, a monitorização do desequilíbrio de carga e de sobrecarga do transformador, a análise da qualidade de energia, a detecção e notificação de falhas de energia, são exemplos de utilização [1]. Um dos principais objectivos da minha dissertação está relacionado com o estudo das evoluções das tecnologias de comunicações via rede eléctrica, modems PLC (Power Line Carrier) que utilizam diferentes técnicas de modulação, nomeadamente a OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing) e FSK (Frequency-shift keying). Esta tecnologia encontra-se em forte desenvolvimento e evolução, apresentando um grande potencial, podendo vir a ser usada, futuramente, como uma solução viável para as comunicações em smart grid s. Pedro Soares Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores 3
1.1. Motivação A necessidade emergente de controlar e reduzir os gastos energéticos é um objectivo que, actualmente assume uma grande importância e relevo. Nesta óptica, e atendendo à constante evolução tecnológica e às diferentes soluções tecnológicas, é justificada a pertinência da investigação por mim desenvolvida. O carácter inovador desta temática está relacionado com o facto deste tipo de tecnologia PLC estar, neste momento, a ser implementada em smart grid s, para permitir uma melhor gestão e monitorização da rede eléctrica. Os estudos realizados relativamente a esta implementação são escassos, visto tratar-se de uma aplicação bastante recente, que está, ainda, em fase de testes. As comunicações assumem um papel fulcral no projecto que está a ser desenvolvido pela EFACEC, para a EDP, assim sendo, é deveras essencial a utilização de um modem PLC, que se adeqúe às necessidades do projecto, evidenciando a importância deste estudo quer para a empresa quer para a FEUP, visto tratar-se de uma investigação pioneira neste campo, de uma aplicação recente. 2. Introdução ao estado da arte 2.1. Tecnologia PLC Figura 1 - Arquitectura do Projecto InovGrid Pedro Soares Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores 4
A tecnologia PLC (Power Line Carrier) utiliza a rede de energia eléctrica para transmitir dados e voz em banda larga, representando uma alternativa à construção de infraestruturas dedicadas. Apesar da tecnologia PLC ser usada desde 1950, para serviços com baixa taxa de transmissão de dados, tal como controlo remoto de dispositivos da rede eléctrica, tornouse mais importante nos anos mais recentes devido à evolução tecnológica que permitiu aumentar as potencialidades dos PLC s e possibilitou as comunicações de alta velocidade em linhas de média (15/50kV) e baixa (110/230V) tensão fossem possíveis [6]. No entanto, existem ainda vários problemas técnicos e questões regulatórias que estão por resolver. Além disso, os estudos teóricos e práticos sobre PLC são reduzidos, existindo apenas alguns resultados gerais sobre o desempenho final na rede eléctrica. A utilização de PLC s a alta velocidade em longas distâncias requer ainda mais investigação, apesar disso a tecnologia PLC poderá constituir-se como uma alternativa bastante boa tanto em termos de custo como de eficiência para o problema da conectividade do último quilómetro (last mile problem) [7]. 2.2. Vantagens As vantagens das tecnologias PLC (Power Line Communications) para aplicações de automação da rede eléctrica são: Extensa cobertura geográfica: pois toda a infra-estrutura da rede eléctrica está já montada, um pouco por todo o lado. É especialmente vantajosa nas subestações nas zonas rurais, onde geralmente não existe outro tipo de infraestruturas para a comunicação; Custo: a rede de comunicação pode ser estabelecida rapidamente e de forma rentável, pois utiliza os fios já existentes da rede eléctrica [7]. 2.3. Desvantagens As principais desvantagens subjacentes a esta tecnologia são: Fontes de ruído sobre as linhas de energia: as linhas eléctricas encontram-se em ambientes com bastantes fontes de ruído, tais como: motores eléctricos, fontes de alimentação, lâmpadas fluorescentes e interferências do sinal de Pedro Soares Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores 5
rádio [8]. Este ruído leva a perdas de bits nas comunicações PLC, o que prejudica em muito o seu desempenho; Atenuação e distorção do sinal: em linhas eléctricas, a atenuação e distorção de sinais são consideráveis tanto devido à topologia da rede de energia como à flutuação das cargas nas linhas de energia [9]. Capacidade: baixa taxa de transmissão de dados, largura de banda reduzida, usa uma faixa de frequências entre os 3kHz até os 148,5kHz (Cenelec A-B-C) [10]; Segurança: maiores interferências electromagnéticas (EMI) no meio envolvente. Os sinais são facilmente interceptados por receptores de rádio o que obriga ao uso de técnicas de criptografia [11]; Falta de regulamentação: falta de modelos protocolares estandardizados internacionalmente. 3. Recursos necessários Todos os recursos necessários para efectuar a mina Dissertação serão disponibilizados pela empresa EFACEC, podendo também eventualmente ser necessário utilizar algum material de laboratório da FEUP. 4. Planeamento do trabalho Análise das características das diferentes tecnologias de modems PLC, nomeadamente OFDM e FSK; Elaboração de ensaios sobre evalution boards de diversos fabricantes, proprietários dessas tecnologias; Desenvolver um relatório com as características de cada uma dessas tecnologias PLC e respectiva análise comparativa. 5. Bibliografia consultada Pedro Soares Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores 6
[1] Carrapatoso, António M.; Gomes, Fernando M. ; IT 43 - Projecto InovGrid - A evolução da rede de distribuição como resposta aos novos desafios do sector eléctrico, 2008; [2]http://www.efacec.pt/presentationLayer/efacec_produto_01.aspx?idioma=1 &idproduto=238, consultado em Novembro de 2009; [3] Http://pt.wikipedia.org/, consultado em Novembro de 2009; [4] Sendin, Alberto; First Deployment of PRIME compliant Meters, Outubro de 2009; [5] Hirsch, Martial Monfort Jeremny; Performance of open-standard PLC technologies on ERDF distribution network, 2009; [6] I.H. Cavdar, A solution to remote detection of illegal electricity usage via power line communications, IEEE Transactions on Power Delivery, 19 Outubro de 2004; [7] V.C. Gungor, F.C. Lambert; A survey on communication networks for electric system automation, 21 February 2006; [8] N. Pavlidou, A.J.H. Vinck, J. Yazdani, B. Honary; Power line communications: state of the art and future trends, IEEE Communications Magazine 41, Abril de 2003; [9] Y. Abe et al., Development of high speed power line communication modem, SEI Technical Review 58, Junho de 2004; [10] S. Galli, A. Scaglione, K. Dosterl, Broadband is power: Internet access through the power line network, IEEE Communications Magazine 41, Maio 2003; [11] W. Liu, H. Widmer, P. Raffin, Broadband PLC Access systems and field deployment in European power line networks, IEEE Communications Magazine 41,Maio de 2003. Pedro Soares Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores 7