Comentários Sobre o Uso de Redes de Distribuição como Meio de Comunicação de Dados Fabio Cavaliere e Cesar Bandim 1 Workshop Internacional sobre Power Line Communications PLC ANEEL 33 e 4 de maio de 2007
Sumário Histórico do uso de PLC Experiência do CEPEL Aspectos técnicos Aspectos econômicos Conclusões 2
Histórico Uso de redes de distribuição de energia elétrica para propagar sinais de comunicação: conhecido há mais de 50 anos. Uso para transporte de informações de interesse exclusivo da empresa de energia elétrica. Característica particularmente atrativa do sistema elétrico: CAPILARIDADE! Investigação da possibilidade de uso da rede de distribuição de energia elétrica para transmissão de maiores blocos de informação, a taxas elevadas (por exemplo, Internet). Ao longo destes 50 anos modificação das características das cargas conectadas às redes de distribuição. 3
Experiência do CEPEL O CEPEL iniciou, no final dos anos 80, investigações para o uso de redes de distribuição para desenvolvimento do Sistema Integrado para Faturamento e Uso Racional de Energia Elétrica [1] Unidirecional Portadora do sinal - centenas de Hz Transmissor + Receptor 4
Experiência do CEPEL Modelagem da rede BT 5 Simulação de injeção do sinal no transformador (centro da linha) Simulação de injeção do sinal em consumidor localizado num dos extremos da linha
Experiência do CEPEL Sistema Comercial Banda Larga (taxas de até 3Mbps); Ensaiado o sistema desenvolvido pela empresa Ascom- Powerline Communications AG; Sistema tipo mestre / escravo, com diferentes modems para comunicação indoor (1 a 10MHz) e outdoor (19 a 22MHz); Ensaios realizados, em março de 2001, em diferentes redes externas de BT da LIGHT no Rio de Janeiro [2]; O ensaio realizado para verificação da comunicação consistia na transferência de arquivos via FTP; 6
Experiência do CEPEL Sistema Comercial - Resultados Rede 1 (Linha BT aérea convencional baixo carregamento) Comunicação bem sucedida Rede 2 (Linha BT subterrânea radial) Comunicação bem sucedida Rede 3 (Linha BT subterrânea radial cabo concêntrico) Comunicação bem sucedida com baixa atenuação Rede 4 (Linha BT aérea multiplexada) Comunicação bem sucedida 7
Experiência do CEPEL Sistema Comercial - Resultados 8 Rede 5 (Linha BT aérea convencional alto carregamento) Comunicação irregular, não houve comunicação a cerca de 150m do transformador Quando da inserção de capacitores idênticos aos utilizados na rede de iluminação, a comunicação foi inviabilizada mesmo a 40 metros do transformador Rede 6 (Linha BT condutores do tipo bus way - Shopping Rio Sul - 43 andares) Comunicação bem sucedida Rede 7 (Linha BT subterrânea tipo reticulada Network, Av. Atlântica - Copacabana) Não foi possível comunicação em todas as tentativas mesmo em distâncias muito curtas entre o ponto de injeção e captação
Experiência do CEPEL Sistema Comercial - Resultados Nas redes 2 e 3 foram realizadas transferências de arquivos, via FTP, em taxas de até 1,25Mbps A multiplicidade de casos foi escolhida de forma a cobrir as diferentes topologias possíveis de rede BT no Brasil. 9
Experiência do CEPEL PLC bidirecional Desenvolvimento de solução de comunicação para leitura de medidores baseado em PLC narrow-band (portadora 10kHz); Este primeiro desenvolvimento foi validado em laboratório mas se mostrou inadequado quando ensaiado em campo; MENSAGEM O MUNDO REAL É DIFERENTE DO LABORATÓRIO 10
Experiência do CEPEL PLC bidirecional Experiência de campo utilizando módulo PLC comercial (Rede de distribuição da AMPLA); Comunicação possível entre postes adjacentes entretanto muito instável; Estamos avaliando a utilização de uma segunda alternativa comercial; Até o momento verificação apenas no laboratório. 11
Aspectos técnicos PLC unidirecional Baixa freqüência portadora em centenas de Hz Largamente utilizado Ripple Control (França) Implementação de menor custo Propagação garantida Limitação da aplicação A injeção para retorno da informação é mais difícil 12
Aspectos técnicos PLC bidirecional ( narrow band ) Portadora - dezenas a centenas de khz Utilização em leitura remota, levantamento de curvas de carga e chaveamento de cargas; O sinais sofrem elevadas atenuações; Susceptibilidade a interferências e variações de carga, reflexões do sinal; Alternativas para minimizar os problemas: uso de técnicas de spread-spectrum + DSP ----- MAIOR CUSTO E COMPLEXIDADE 13
Aspectos técnicos PLC broad band denominado BPL Portadora - dezenas de MHz (até 30MHz); Mesmos problemas do narrow-band acrescidos de interferências eletromagnéticas e atenuações mais elevadas; Uso de faixa de freqüência alocada para radiodifusão (ondas curtas) e parte da faixa de radiocomunicações em VHF utilizada para serviços públicos como polícia, bombeiros, defesa civil e outros; Melhoria da confiabilidade da comunicação utilizando-se outras formas de modulação e processamento digital de sinais, incluindo processamento adaptativo; 14 Aumento da complexidade -- MAIOR CUSTO;
Aspectos técnicos Redes nacionais x estrangeiras Redes encontradas no Brasil Cabos usados no Reino Unido 15
Aspectos técnicos sobre BPL Os cabos utilizados para distribuição de energia empregam dielétricos que apresentam elevadas perdas para altas freqüências, o que limita a distância de propagação ao longo dos cabos; 16 Os cabos de distribuição aéreos não são eletricamente simétricos (balanceados), facilitando a irradiação dos sinais de alta freqüência e causando interferência nas radiocomunicações, ao mesmo tempo em que recebem interferências destes serviços;
Aspectos técnicos sobre BPL (cont.) A medida que o sinal se propaga ao longo dos cabos, ele sofre atenuações enquanto que as interferências provenientes do chaveamentos das diferentes cargas e os transientes provenientes das operações nas redes se mantém, deteriorando a relação sinal-ruído; O comportamento descrito acima é altamente aleatório e imprevisível. 17
Aspectos técnicos sobre BPL (cont.) As junções dos cabos, os transformadores, os medidores de energia, a entrada e saída de cargas e as topologias das redes provocam grandes variações de carregamento nas redes e formam múltiplos pontos de reflexão criando um ambiente dinâmico e repleto de ecos. 18 Os transformadores e medidores de energia são elementos de bloqueio para sinais de alta freqüência demandando elementos de by-pass para a propagação de sinais;
Uso em redes rurais A universalização da distribuição de energia elétrica sugere a possibilidade do uso de BPL para atender às necessidades de serviços de comunicação. Porém não significa necessariamente que seja de fácil implementação: 19 Como se comportam os sinais de altas freqüências em redes de distribuição MRT (Monofásica Retorno pelo Terra) / MRN? Qual a distância de propagação dos sinais? Ela determinará o número de repetidores necessários ao longo da rede. De que modo serão alimentados os circuitos necessários a reinjeção dos sinais? A rede é de média tensão e os circuitos são de baixa tensão. Os requisitos de EMC (Compatibilidade Eletromagnética) devem ser mais rigorosos.
Aspectos econômicos São diferentes as motivações para o uso de cada segmento citado anteriormente; Narrow-band visão estratégica da empresa, uso da rede para fugir da dependência de outros provedores de serviços de comunicação de dados aplicáveis à operação das redes e serviços da distribuidora; Broad-band visão de oportunidade de negócio, imperativo comparar custos com outras soluções, disputa de mercado. 20
Aspectos econômicos (cont.) Narrow-band um exemplo de custo de uma solução comercial disponível : US$ 27.00 para lotes > 2.000 unidades Uso externo ( outdoor ) taxas de até 2,5kbps (modo robusto e 600bps na condição de operação denominada ultra robusta) Uso interno ( indoor ) taxas de até 7,2kbps (modo padrão, em modo ultra robusto até 1,2kbps) Faixa dinâmica - > 85dB; 21
Aspectos econômicos (cont.) Broad-band o mesmo fornecedor da solução narrow-band oferece soluções de até 2,5Mbps no valor de US$324,00 (kit com 2 modems) (valores mencionados na ref [3]). Wireless (valores encontrados em sites de comércio eletrônico) ( US$ 250.00) : Roteador Wireless (54Mbps) R$ 359,00 Adaptador Wireless (54Mbps) R$ 129,00 22 Aspecto importante se o ambiente é de concorrência, a confiabilidade do serviço é primordial
Conclusões Estabelecer critérios regulatórios para os equipamentos (Modems PLC); Necessidade de realizar verificação de desempenho das soluções PLC para cada tipo de rede; O ambiente ao qual está submetida a solução PLC tem influência significativa sobre o desempenho; Necessidade de normalização para verificação de desempenho; Necessidade de verificação quanto a compatibilidade eletromagnética a que estão sujeitos os equipamentos; Desejável montar uma modelagem do comportamento das redes para faixas de freqüências da ordem de dezenas de MHz; 23
Mensagem A adoção de Power Line Communications (PLC) deve ser analisada de maneira rigorosa, baseada em critérios técnicos e econômicos. 24
Referências [1] SOUZA, F. C., PINTO JR., A. V., ALVARENGA, L. M., COSTA, R. S., SANTOS, B. V., HINDS, A., PESSOA, R. V.. 1998. Experiência Piloto de Gerenciamento de Demanda no Território de Concessão da Light In Anais do III CONLADIS III CONLADIS - Congresso Latino Americano de Distribuição de Energia Elétrica São Paulo - SP 1998 526-530 [2] ALVARENGA, L. M., PINTO JR., A. V., SOUZA, F. C., BANDIM, C. J.. 2001. Considerações sobres o uso de redes de distribuição de energia elétrica como meio de propagação de sinais de comunicação. In Anais do XVI SNPTEE XVI SNPTEE - Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica Campinas - SP 2001. [3] Vargas, A.A., Pereira, C.E., Lages, W.F., Carro, L., Comunicação de Dados através da Rede Elétrica, Departamento de Engenharia Elétrica, Escola de Engenharia, UFRGS, Porto Alegre 2004. [4] Peter Cochrane s Uncommon Sense: The Right Technology for the Right Job 28/05/2003 http://www.cochrane.org.uk/opinion/articles/silicon/2003/28-05-2003.php 25
Referências (cont.) [5] D. Chaffanjon (EDF), G. Duval(EDF), M. Meunier(SUPELEC) and A. Pacaud(SUPELEC), Differential and Common Mode Propagation in PLC Low Voltage Networks, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 14, No. 2, April 1999. [6] Attenuation Characteristics of High Rate Home-Networking PLC Signals, Charles J. Kim, Member, IEEE, and Mohamed F. Chouikha, Member, IEEE, IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 17, NO. 4, OCTOBER 2002. 26
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