TRANSMISION DE DATOS POR LA¶ RED ELECTRICA (PLC) EN …

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TRANSMISION DE DATOS POR LA

RED ELECTRICA (PLC) EN BANDA

ANGOSTA

Berterreix, German y Bonet, Maximiliano

Tutor Interno: Ing. Leiva Benegas, Martın

Tutor Externo: Ing. Gomez, Ruben

Depto. de Electrotecnia - Facultad de Ingenierıa

Universidad Nacional de Comahue

2006

ii

Resumen

En este trabajo se presenta el diseno de una Red PLC a nivel de blo-

ques para realizar telemedicion de subestaciones transformadoras. La

realizacion del mismo se desarrolla de manera tal que pueda satisfacer

las necesidades de las empresas de servicios electricos. Se presenta una

descripcion de las diferentes partes que conforman una Red de este tipo,

se exhiben las tecnicas de modulacion mas utilizadas y seguido a esto,

se realiza el diseno del MODEM PLC a nivel de bloques junto con la

eleccion del metodo de modulacion mas apropiado. Luego se realiza una

presentacion de los parametros de una Red de Media Tension, los ruidos

presentes y aquellos que influyen para el desarrollo de esta tecnologıa.

Una vez detallados teoricamente los items ya mencionados, se procede a

realizar el calculo teorico de los diferentes parametros de la Red para la

frecuencia de portadora empleada, situada dentro del rango de frecuen-

cias dado por la Norma CENELEC de banda angosta. De esta manera,

se procede a realizar el diseno final de todos los componentes de la Red

junto con las diferentes asunciones.

iii

iv

Abstract

In this work the design of a network PLC at level of blocks appears to

make telemetry of transforming substations. The accomplishment of the

same one is developed so of way that it can satisfy the necessities with

the companies of electrical services. A description of the different parts

appears that conform a network of this type, exhibit the modulation

techniques more used and followed this, the design of MODEM PLC at

level of blocks is made along with the election of method of more appro-

priate modulation. Soon a presentation of the parameters of a Network

of MT is made, the noises present and those that influence for the deve-

lopment of this technology. Once detailed the items already mentioned,

it is come to make the practical calculation of the different parameters

from the network for the rank of frequencies of PLC of narrow band. This

way, it is come to along with make the final design of all the components

of the network the different assumptions.

v

vi

Agradecimientos

Este apartado esta dedicado a agradecer a todas aquellas personas e

instituciones que durante todo este arduo camino recorrido, pero en-

riquecedor a su vez, nos han apoyado de un modo u otro, sin egoısmos ni

prejuicios, siempre dispuestos a brindarnos todo lo necesario para nues-

tro crecimiento tanto profesional como humano, por todo esto se nos

hace necesario mencionar y agradecer con total sinceridad y afecto a los

siguientes:

En primer termino a nuestras familias, dado que gracias a su incesante

sosten y estımulo en los momentos duros, que fueron varios por cierto,

logramos culminar este proyecto y nuestra carrera del mejor modo. Pero

cabe acotar que muchas mas fueron las alegrıas que se produjeron du-

rante todo este transcurso y las cuales compartieron con mucho placer

igual que nosotros.

A nuestros tutores, que nos proporcionaron sus conocimientos para guiar-

nos en los momentos de incertidumbre que se presentaron en este proyec-

to, orientandonos y dandonos ideas, pero sobre todas las cosas el sustento

humano que nos brindaron, por todo esto, nuestro mas sentido y pro-

fundo agradecimiento a los Ingenieros Ruben Gomez y Martın Leiva

Benegas.

No podemos dejar de mencionar a quienes compartieron nuestras “penas

y glorias” desde otro lado, compartiendo miles de vivencias con nosotros,

vii

viii

gracias a ellos aprendimos algo que no esta en los programas de estudio,

pero no por ello tiene menos importancia que los contenidos teoricos, y es

el companerismo y la camaderia, la solidaridad y el esfuerzo para seguir

adelante, por ello les decimos gracias y con el deseo de lo que se creo

en esta etapa de nuestras vidas trascienda mas alla de esta maravillosa

institucion como lo es la Universidad.

Finalmente, nos queda por agradecer a nuestros profesores, los cuales

dieron lo mejor de si para formarnos y ser los profesionales que hoy

somos, al Departamento de Electrotecnia, a la Universidad Nacional del

Comahue y al Ente Provincial de Energıa del Neuquen por el aporte que

brindaron para la realizacion de este Proyecto y para el desarrollo de

nuestras carreras.

Notacion

PLC · · · Powerline Communications.EPEN · · · Ente Provincial de Energıa del Neuquen.BPL · · · Broadband Powerline.OPLAT · · · Onda Portadora de Alta Tension.ADSL · · · Asimmetric Digital Subscriber Line.AMR · · · Automatic Meter Reading.UU · · · Unidades de Usuario.USB · · · Universal Serial Bus.UC · · · Unidades de Concentracion.VLAN · · · Virtual Local Area Network.UR · · · Unidades Repetidoras.LAN · · · Local Area Network.OFDM · · · Orthogonal Frecuency Division Multiplexing.DSSS · · · Direct Sequence Spread Spectrum.TCP/IP · · · Transmission Control Protocol/Internet Protocol.PSK · · · Phase Shifting Keying.ASK · · · Amplitude Shifting Keying.PSK · · · Phase Shifting Keying.QPSK · · · Quadrature Phase Shifting Keying.OQPSK · · · Offset Quadrature Phase Shifting Keying.DPSK · · · Differential Phase Shifting Keying.RTU · · · Remote Terminal Unit.ASCII · · · American Standard Code for Information Interchange.EBCDIC · · · Extended Binary Coded Decimal Interchange Code.DTE · · · Data Terminal Equipment.DCE · · · Data Communication Equipment.USART · · · Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter.UNCo · · · Universidad Nacional del Comahue.CENELEC · · · Comite Europeen de Normalization Electrotechnique.BER · · · Bit Error Rate.

ix

x

Indice general

1. Introduccion 1

1.1. Objetivos del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. Organizacion de este trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. Evolucion de la tecnologıa PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4. Introduccion a la tecnologıa PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4.1. Introduccion a BPL (Banda Ancha) . . . . . . . . . . . . . . 5

2. Detalles de los Sistemas de Telemedicion 13

2.1. Descripcion general sobre telemedicion . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2. Descripcion general sobre la Red PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3. Sistema de telemedicion usando PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4. Componentes de la Red PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4.1. Funciones de cada componente . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4.2. Comunicacion de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.5. Metodos de modulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.5.1. Modulacion QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5.2. Modulacion Offset QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.6. Diseno del modulador OQPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.7. Diseno del MODEM PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3. Parametros de la Red y del Sistema PLC 29

3.1. Redes de distribucion de energıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

xi

xii INDICE GENERAL

3.1.1. Instalacion electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1.2. Lıneas de transmision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.1.3. Circuito equivalente de una lınea de transmision . . . . . . . . 30

3.1.4. Caracterısticas de una lınea de transmision . . . . . . . . . . . 32

3.1.5. Transitorios en la lınea de transmision . . . . . . . . . . . . . 34

3.1.6. Comentarios generales sobre los cables de Media Tension . . . 35

3.2. Deterioro de la senal PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3. Metodos de Acoplamiento de la senal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.4. Normas regulatorias para PLC de Banda Angosta . . . . . . . . . . . 42

4. Diseno 47

4.1. Calculos requeridos para el diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.1. Informacion sobre la Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.2. Calculos de parametros de la Red . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.1.3. Niveles de senal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.1.4. Eleccion del metodo de acoplamiento . . . . . . . . . . . . . . 58

4.2. Diseno General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5. Conclusiones 61

5.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.2. Trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

A. Puerto Serie RS-232 y UART 63

A.1. Puerto serie RS232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

A.2. UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

B. Hojas Caracterısticas: PIC 16F7X y LM 1596/1496 67

B.1. PIC 16F7X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

B.2. LM 1596/1496 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

INDICE GENERAL xiii

C. Acoplamiento Capacitivo y Cables “Pirelli” 71

C.1. Acoplamiento Capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

C.2. Cables Pirelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

xiv INDICE GENERAL

Indice de figuras

1.1. Unidad de Acondicionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2. Topologıa PLC tıpica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1. Esquema general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2. Caracter de codigo en operacion asincronica. . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3. Modulador de QPSK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4. Consideraciones de ancho de banda en un Modulador QPSK . . . . . 22

2.5. Receptor QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.6. Modulador OQPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.7. Correspondencia del codigo binario al codigo GRAY . . . . . . . . . . 24

2.8. Diagrama en bloques de MODEM PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1. Circuito equivalente electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2. Disposicion de cables de Media Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3. Disposicion MN111 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.4. Ejemplo de un cable de Media Tension de 3 nucleos . . . . . . . . . . 36

3.5. Diferentes tipos de ruidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.6. Acoplamientos capacitivos para lıneas de Media Tension . . . . . . . 41

3.7. Acoplamiento “invasivo” por medio de la pantalla . . . . . . . . . . . 41

3.8. Acoplamiento “no invasivo” por medio de la pantalla . . . . . . . . . 42

3.9. Acoplamiento “no invasivo” por medio del nucleo . . . . . . . . . . . 42

3.10. Rango de frecuencias y niveles lımites segun el estandar EN 50065 . . 43

xv

xvi INDICE DE FIGURAS

4.1. Impedancia caracterıstica de lıneas aereas de MT . . . . . . . . . . . 50

4.2. Valor de Z0 en funcion de h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.3. Reactancia capacitiva de lıneas aereas de MT . . . . . . . . . . . . . 52

4.4. Probabilidad de Error Pe vs S/N en PSK M-ario. . . . . . . . . . . . 57

4.5. Acoplador Capacitivo CMC12 5N0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

B.1. PIC 16F7X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

B.2. PIC 16F7X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

B.3. LM 1596/1496 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

C.1. Acoplador Capacitivo CMC12 5N0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

C.2. Datos tecnicos del cable Pirelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Capıtulo 1

Introduccion

En este Capıtulo se presenta el marco introductorio que motivo la realizacion de

este trabajo. En la Seccion 1.1 se definen los objetivos a desarrollar y las motivaciones

que nos llevaron a realizar este tipo de proyecto. En la Seccion 1.2 se muestra como

es la organizacion de la presente tesis. En la Seccion 1.3 se expone la evolucion de

la tecnologıa PLC, utilizada como referencia para el desarrollo del trabajo y en la

Seccion 1.4 se realiza una breve introduccion sobre la tecnologıa de banda ancha.

1.1. Objetivos del proyecto

Nuestro proyecto tiene como principal objetivo, realizar una investigacion sobre

cuales son las mejores opciones dirigidas a llevar a cabo la telemedicion de una

cierta cantidad de subestaciones transformadoras que conforman una Red de media

tension. El medio de comunicacion que se utilizara sera la misma Red electrica a

traves de la tecnologıa PLC. En base a esto, el proyecto se orienta a disenar un

equipamiento de un sistema PLC para tasas de transmision en baja velocidad sobre

la Red de media tension, tomando como patron las necesidades propias del Ente

Provincial de Energıa de Neuquen (EPEN). La aplicacion estara tambien orientada

a las necesidades particulares y generales del EPEN o de otras empresas proveedoras

de servicios electricos.

1

2 CAPITULO 1. INTRODUCCION

Las motivaciones que llevan a la realizacion de este trabajo han sido las de aplicar

y extender los conocimientos adquiridos durante el desarrollo de la carrera, a fin de

obtener una herramienta fundamental a traves de la telemedicion para mejorar el

rendimiento y la eficacia de las funciones operacionales de una empresa proveedora

de servicios electricos. La obtencion de datos en el momento y punto de origen, al

integrarse al ciclo de procesamiento y control de las operaciones y al actualizar las

bases de datos en forma automatica, permite la toma de decisiones de manera de

minimizar todo tipo de perdidas relacionadas con esta actividad.

Nuestro proyecto estara limitado al rango de frecuencias de 9 a 95 Khz. y la

velocidad de transmision que se va a manejar sera de aproximadamente 9600 bps,

ya que nuestro objetivo no es la velocidad de transmision sino la seguridad y la

integridad de los datos presentes en la Red. No estara contemplado en este trabajo

el estudio de la tecnologıa PLC de banda ancha sino que solo se realizara una breve

introduccion al tema.

1.2. Organizacion de este trabajo

El informe esta organizado de la siguiente manera. Primeramente, el Capıtulo 1

presenta una clara explicacion de los objetivos del proyecto, luego se describe como

fue evolucionando a traves de los anos la tecnologıa PLC. Realizado esto, se comienza

a hacer una descripcion general de la tecnologıa, continuando con una introduccion

a los sistemas de Banda Ancha (BPL).

En el Capıtulo 2 se proporciona una descripcion de los sistemas de telemedicion,

brindando una caracterizacion general de dicho sistema. En particular se detallan

los componentes de una Red de comunicaciones PLC sobre la Red de potencia.

Luego se presentan los distintos tipos de modulacion y se hace una explicacion en

particular de la modulacion que se empleara; para finalizar se realiza el diseno a

nivel de bloques de un MODEM PLC.

El Capıtulo 3 hace referencia a los parametros de la Red de energıa electrica.

1.3. EVOLUCION DE LA TECNOLOGIA PLC 3

Seguido a esto, se realiza una descripcion sobre los inconvenientes del canal PLC,

luego se mencionan los distintos tipos de acopladores que se utilizan y por ultimo

se presenta la Norma Regulatoria que rige a los sistemas PLC en Banda Angosta.

En el Capıtulo 4 se realiza el diseno general del sistema PLC y los calculos de los

parametros necesarios para dicho diseno, en la banda de frecuencia que utilizaremos.

Luego se presenta un resumen del diseno general de los parametros seleccionados y

calculados.

En el Capıtulo 5 se realizan las conclusiones obtenidas del proyecto y se hace

mencion a futuros trabajos que se pueden realizar a partir de dicha tesis.

En la ultima parte del trabajo, se desarrolan unos apendices que tratan temas

que hacen al mejor entendimiento de ciertos puntos, especificando tambien las hojas

caracterısticas de los componentes utilizados.

1.3. Evolucion de la tecnologıa PLC

Los sistemas de telecomunicaciones por redes de distribucion de energıa electri-

ca, nombrados en idioma ingles como Powerline Communications (PLC), y mas

recientemente como Broadband Powerline (BPL), son un nuevo tipo de sistema que

tiene su antecesor en el denominado “Onda Portadora por Lınea de Alta Tension”

(OPLAT), pero con capacidad de proveer una tasa de transferencia de datos signi-

ficativamente mas alta (miles de veces), en topologıa de red mallada en vez de radial

[4][20].

Como ya expresamos, la idea no es nueva y ya en los anos ’50 se habıa creado un

sistema que permitıa a las empresas de energıa controlar el consumo, el encendido

del alumbrado publico y el valor de las tarifas electricas por medio de una senal

de baja frecuencia (100 Hz) que viajaba a traves de los cables de la red en un solo

sentido. A mediados de los ’80 se iniciaron investigaciones sobre el empleo de los

cables electricos como medio de transmision de datos y a fines de esa decada ya se

conseguıa transmitir informacion en ambas direcciones. Recien a finales de los ’90 se


consiguio que esta transmision se realizara a velocidades suficientemente elevadas.

Esto permitio brindar la base a un fenomeno en el campo de las telecomunicaciones,

como lo es el acceso a Internet.

De esta manera los mas avanzados estudios indican que se pueden llegar a al-

canzar velocidades que rondan los 200 MBps, velocidad que por demas supera a la

ya conocida tecnologıa ADSL.

1.4. Introduccion a la tecnologıa PLC

Las iniciales se refieren a las palabras inglesas Power Line Communications o

Power Line Carrier. En castellano esto significa, Comunicaciones a traves de la

Red de Energıa o bien Transmision por Onda Portadora de Corriente. Se trata,

fundamentalmente, de la transmision de voz y datos a traves de la Red electrica. El

objetivo mas atrayente de esta tecnologıa es tratar de aprovechar la ubicuidad de

la mayor red construida por el hombre (mas de 3.000 millones de personas cuentan

con energıa electrica en todo el mundo) llamada red de redes. De esta manera, las

companıas electricas incrementarıan su rentabilidad, al aumentar el valor agregado

de sus servicios con una mınima inversion, aprovechando su infraestructura para

fines que no habıan sido concebidos inicialmente. Es algo similar a lo ocurrido con

las empresas telefonicas cuando comprendieron que el par de cobre se podıa emplear

para acceder a Internet y ofrecer otros servicios de transmision de datos, ademas de

permitir las comunicaciones por voz.

En la actualidad, PLC se ha desarrollado ampliamente, existiendo basicamente

aplicaciones “indoor” y de “ultima milla” existiendo normas y estandares para es-

tas aplicaciones. A su vez, las empresas electricas, a traves de esta tecnologıa, han

ingresado como proveedores de servicios de telecomunicaciones, sin embargo, su in-

teres sigue siendo tambien los servicios especıficos dentro de la misma Red electrica;

como el monitoreo y control en media y baja tension. En esta ultima cuestion se

realizara la profundizacion y el mayor hincapie de nuestra tesis de grado.

1.4. INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA PLC 5

1.4.1. Introduccion a BPL (Banda Ancha)

Discripcion general

El sistema PLC utiliza las mallas electricas de media y baja tension para su

distribucion, ademas de producir tambien su conmutacion.

Las diferentes implementaciones de esta nueva tecnologıa tienen el potencial

para interconectar a traves de las instalaciones electricas internas: de casas, oficinas,

edificios, computadoras y perifericos. Tambien son eficaces y competitivos en costos

como sistemas de “ultima milla” para servicios de datos, voz y video en Banda

Ancha.

Los sistemas PLC consisten en dispositivos terminales (modems) que se enchufan

en la Red de suministro electrico, no solo para alimentarse sino para utilizar esta

como medio del enlace de datos a otros terminales ubicado en la misma Red o una

vecina. Estas unidades de usuario (UU) proporcionan interfaces para datos (USB,

Ethernet) y eventualmente telefonıa analogica sobre 2 hilos (FXS). Las UU reportan

a unidades de concentracion (UC), y estas a su vez a enrutadores y/o switches para

producir conmutacion local o hacia otras redes (Telefonıa Publica, Internet, etc.).

Las UC suelen tener la capacidad de establecer entornos VLAN, pudiendo prescindir

del enrutador para este servicio [24].

Para este sistema es necesario un “acondicionamiento” de la infraestructura exis-

tente en la Red electrica, como se muestra en la Figura (1.1). Las redes normalmente

pueden transmitir senales regulares de baja frecuencia en 50 o 60 Hz. y senales

mucho mas altas, sobre 1 MHz. sin que ambas frecuencias se molesten entre si, ya

que las de baja frecuencia llevan energıa mientras que las de alta frecuencia llevan

los datos. Se utiliza un HFCPN (Red condicionada de alta frecuencia de energıa),

para transmitir datos y senales electricas. Un HFCPN utiliza una serie de unidades

de acondicionamiento o concentracion denominada anteriormente (UC) para filtrar

esas senales separadas. El UC envıa electricidad y datos a los enchufes del hogar o

comercio, y una vez decodificados los datos, los envıa a un modulo de comunicacion


o a una unidad de usuario (UU). La unidad de usuario proporciona los canales

multiples para los datos, la voz, telefono, etc.

Figura 1.1: Unidad de Acondicionamiento.

Las UC se colocan generalmente “al pie” de los transformadores de Media a Baja

tension, y con sus corresponsales UU conforman “celdas”, en las cuales se introducen

repetidores (UR) para favorecer la cobertura de senal sobre la Red. Las unidades

de una celda comparten un ancho de banda bajo demanda, que actualmente oscila

entre 2,5 y 45 Mbps segun el proveedor. Ya hay en desarrollo soluciones de hasta

200 Mbps. Algunas soluciones de mercado permiten interconectar estas celdas entre

sı y/o con el enrutador central utilizando como enlace troncal las redes de media

tension (en nuestro paıs usualmente 13,2 kV). En la Figura (1.2) se muestra una

topologıa PLC tıpica.

Los servidores de las estaciones o subestaciones locales, se conectan a Internet

mediante fibra optica o cable coaxial tipo Banda Ancha, el resultado final, es similar

a una Red de area local (LAN).

Por lo general se utiliza la Red de Media tension entre 2.4 kV y 35 kV y en

los transformadores de las lıneas de distribucion de 220 V o 380 V de baja tension,

para facilitar el acceso de alta velocidad a Internet. La utilizacion del PLC implica

el desarrollo de la tecnologıa dentro de dos capas principales, la fısica o de energıa

electrica de consumo y la de datos o de comunicaciones.

La integracion de la tecnologıa de la Red y de la capa fısica o electrica permite

que los datos de alta velocidad sean transmitidos sobre las lıneas de energıa, para


Internet RTCP

UC UC

UU UU UU UU UU UU

Conm

CGR

E+P+P

Referencias

Topología TRE típica

UU

UU: Unidad Usuario UC: Unidad Concentradora UR: Unidad Repetidora Conm: Conmutador (switch) E+P+P: Enrutador+pasarela+portero SGCR: Sistema de Gestión y Control CGR: Centro de Gestión de Red

Línea Energía Baja T.

Fibra Óptica

UTP cat. 5

n x 64

n x FXO

UR UR

UR

Línea Energía Media T.

SGCR

Figura 1.2: Topologıa PLC tıpica.

uso general directamente a la premisa de los usuarios de forma ininterrumpida, sin

errores, de manera intacta y asegurada (cifrado). Los dispositivos principales dentro

de la capa fısica son los acopladores. La funcion principal de estos es la de acoplar

senales PLC entre las lıneas de baja y media tension, ası como los dispositivos de

puente que tıpicamente son los transformadores de la Red.

El uso de la Red Electrica existente significa reduccion de costos y proporciona

un acceso a la Banda Ancha y a la interconexion entre dispositivos. Historicamente,

los sistemas de PLC, estaban limitados a velocidades de transferencia de datos rela-

tivamente bajas, tıpicamente menos de 500 Kbps. Estos sistemas con baja tasa de

transferencia todavıa estan en uso en aplicaciones como telecontrol, tal es el caso de

interruptores en instalaciones domesticas y en el caso de empresas proveedoras de

servicios electricos para supervision de sistemas, comunicaciones de datos y telefonıa

tal cual es nuestro estudio.

Los nuevos sistemas utilizan tecnicas de acceso al medio muy modernas y efi-


cientes, con altos rendimientos Bit/Baudio, inmunidad al ruido y tolerancia a los

cambios electricos del medio (DSSS, OFDM). A nivel de usuario la conectividad

esta proporcionada en base al conjunto de protocolos TCP/IP, proveyendo a los

equipos terminales capacidades multimedia en base a los estandares H.323 y com-

plementarios [2].

Tecnicas de modulacion para Banda Ancha

El canal de PLC es un ambiente muy hostil. Las caracterısticas de un canal de

PLC tienden a variar en tiempo, situacion y con los cambios de carga, lo que justifica

tecnicas de modulacion robustas. El PLC usado para el proposito de comunicacion

requiere esquemas de modulacion sofisticados. Las tecnicas de modulacion conven-

cionales como ASK, PSK o FSK normalmente son excluidos por la conducta hostil

del canal de PLC.

Una posible solucion para superar los problemas en un canal de comunicaciones

de este tipo, es usar un metodo de modulacion robusta. Si el metodo de modulacion

puede ocuparse de la atenuacion desconocida, asi como de los cambios de fase des-

conocidos, entonces el receptor puede simplificarse. El problema es combinar estos

requisitos con una alta tasa de bits, necesaria en las comunicaciones de las computa-

doras actuales y las limitaciones del ancho de banda en el canal PLC. Dos metodos

de modulacion cumplen con todos estos requisitos y esos son OFDM, DSSS.[3].

Aplicaciones PLC

Las aplicaciones para estos sistemas pueden categorizarse de la siguiente manera:

aplicaciones internas (Vivienda adentro - in Home).

ultima milla.


Aplicaciones internas (in Home)

Los sistemas PLC de banda ancha son atractivos como servicios de datos en

edificios, porque no requieren ninguna instalacion adicional, simplemente mantener

conectados los equipos. Dentro de un mismo edificio estas aplicaciones permiten

conectar perifericos como heladeras, microondas, impresoras, fotocopiadoras, dis-

positivos de comunicaciones, etc. y configurar redes de computadoras. El edificio

podrıa ser una casa, un bloque de departamentos u oficinas. Consideramos que en

esos casos los trayectos de tendido de Red electrica de potencia no superan los 100m

entre los dispositivos.

Se ha desarrollado esta tecnologıa con exito para estas aplicaciones de corta

distancia e internas, ademas, cumpliendo con los requisitos de Compatibilidad Elec-

tromagnetica de los EE UU. Esto es posible gracias a la potencia relativamente

baja, necesaria para establecer las comunicaciones en la Red electrica y a las cortas

distancias que existen en una casa, edificio u oficina.

El desarrollo de esta tecnologıa para conformar redes de computadoras tipo LAN,

esta muy desarrollada ya que permite interoperatividad de sistemas entre disposi-

tivos de distintos fabricantes; por ejemplo el estandar HomePlug 1.0; a un costo

relativamente bajo, y dada su forma de conexion es muy facil de conectar y de

utilizar. Otras aplicaciones incluyen el uso de estos sistemas para distribucion de

sonido, video, y equipos con capacidad de controlar, dentro de la casa, cualquier

dispositivo hogareno.

Aplicaciones ultima milla

Estas aplicaciones incluyen la distribucion en oficinas y casas o edificios de Inter-

net y otros servicios por parte de proveedores de servicio de Banda Ancha a traves

de la Red de distribucion electrica. Ademas de la conexion de banda ancha de Inter-

net, tambien permite proporcionar voz (telefonıa IP), video bajo demanda (VOD),

sistemas de vigilancia, entretenimientos y aplicaciones en medicion de servicios como


electricidad, agua, gas, etc..

En los costos para brindar servicios de Banda Ancha, una parte importante

esta conformada por el costo de la denominada “ultima milla” para llegar al usuario

final. La existencia de una Red de distribucion electrica domiciliaria y en edificios,

representa una interesante posibilidad ya que no requiere ningun cableado especial.

Esta tecnologıa esta ya desarrollada y en proceso de optimizacion, especialmente en

lo que hace a lograr menores niveles de senal sobre la Red electrica y cumplir con

los requerimientos de compatibilidad electromagnetica [4].

Desventajas de PLC de Banda Ancha

Hay varios problemas presentados por la introduccion de la banda ancha en redes

de energıa electrica en los sistemas de comunicaciones. Estos problemas pueden

categorizarse en tres areas y referidas a la compatibilidad:

entre las redes privadas y publicas.

polıticas de telecomunicaciones.

interferencia en radiocomunicaciones.

Ventajas de PLC Banda Ancha sobre otras tecnologıas

(a) Economıa de instalacion

Sin obra civil.

Cada instalacion en un transformador da acceso entre 150 - 200 hogares.

(b) Anchos de banda muy superiores a ADSL

El lımite de velocidad promedio practico para ADSL es 2 Mb.

PLC puede llegar a ofrecer hasta 200 Mb.

(c) Emisiones electromagneticas.


Equiparables a ADSL y muy inferiores a la telefonıa movil.

(d) Monopolio en el bucle local.

No existen alternativas a ADSL y el operador dominante tiene mas del

90% de cuota de mercado.

Cualquier enchufe en casa se convertira en un acceso a los servicios.

Lanzamiento rapido: tecnologıas competidoras como VDSL, G.SHDL, AD-

SL2, ADSL2+, etc. tambien estan en el horizonte, con lo que aprovechar

la actual situacion es importante.

Precio competitivo frente a ADSL.

Buena calidad VoIP (voz sobre IP).

Velocidades y demas parametros de conexion aceptables segun lo ofertado.

Estabilidad frente a interferencias.

Marco legal y administrativo propicio.

Evolucion de la actual tecnologıa y abaratamiento de los dispositivos PLC.


Capıtulo 2

Detalles de los Sistemas de

Telemedicion

En este Capıtulo se presentan los detalles de los Sistemas de Telemedicion. En la

Secciones 2.1, 2.2 y 2.3 se hace una descripcion general sobre Telemedicion, Red PLC,

y la combinacion de ambos. En la Seccion 2.4 se detallan los componentes de una

Red PLC. En la Seccion 2.5 se explican los metodos de modulacion y se profundiza

en el metodo seleccionado. Por ultimo en las Secciones 2.6 y 2.7 se realiza el diseno

del Modulador OQPSK y del MODEM a nivel de bloques respectivamente.

2.1. Descripcion general sobre telemedicion

Las telecomunicaciones desempenan una funcion de primordial importancia en

la implantacion de modernos sistemas de Automatizacion Industrial. Esta funcion

es vital para aquellas empresas cuyas operaciones se encuentran dispersas geografi-

camente, como es el caso de los sistemas de distribucion de energıa.

La telemedicion es el uso de equipos electricos o electronicos para detectar, acu-

mular y procesar datos fısicos en un lugar, para despues transmitirlos a una estacion

remota donde pueden procesarse y almacenarse. Un ejemplo de la utilidad de la

telemedicion es la medicion, transmision y procesamiento de magnitudes fısicas en

13

14 CAPITULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICION

sistemas de automatizacion de procesos industriales. Estos datos pueden ser, por

ejemplo, la temperatura, la velocidad de un lıquido en una tuberıa, etc.. Estas

magnitudes son las denominadas variables de campo, que para el estudio que se

esta realizando serıan, por ejemplo: la temperatura, la tension, la corriente de una

determinada subestacion, etc.

2.2. Descripcion general sobre la Red PLC

El sistema de telemedicion PLC se basa en el intercambio de datos a traves de

la Red de energıa electrica. Esto se realiza automatizando las actividades manuales

y repetitivas pudiendo de esta manera no depender de ninguna intervencion humana.

El sistema utilizado que se muestra en la Figura (2.1), se denomina “maestro -

esclavo” y consta basicamente de los siguientes bloques:

Modem PLC

Modem PLC Modem PLC

Repetidor

Modem PLC

RTU RTU RTU

Linea Media Tensión

13.2 KV

Interfaz Serial

RS 232

Acoplador Acoplador

Acoplador

Acoplador

Figura 2.1: Esquema general

El Computador Central (Host) es el encargado de todas las decisiones del sis-

tema (maestro). El Modem PLC es el encargado de acondicionar las senales para la

transmision o recepcion segun lo requiera el Computador Central. Los acopladores

de lınea se encargan de inyectar la senal a traves de la Red electrica. Las RTU

2.3. SISTEMA DE TELEMEDICION USANDO PLC 15

(Unidades Remotas) son los dispositivos que se instalan en el lugar en donde se

debe realizar la medicion.

El sistema de telemedicion ofrece muchas ventajas sobre el sistema de medicion

convencional realizado manualmente. La mayor ventaja, es que se esta relevando

periodicamente el estado de las variables de los dispositivos que constituyen el sis-

tema, algo que manualmente serıa casi imposible de realizar, debido al costo economi-

co que esto requerirıa por la cantidad de dispositivos presentes en la Red electrica.

Otra ventaja es la identificacion de algun inconveniente de manera cuasi instantanea,

pudiendo tomar decisiones a distancia logrando que el problema se resuelva mucho

mas rapido. Se puede citar como dato relevante, la conveniencia de mantener un

canal propio PLC de baja capacidad, no compartido con otros usuarios.

Como ventajas secundarias, podemos mencionar que este sistema permite que los

datos actuales de los dispositivos puedan ser contrastados con sus datos historicos,

para poder determinar si hay alguna falencia en el rendimiento de los mismos.

2.3. Sistema de telemedicion usando PLC

La disposicion de nuestro sistema esta dado en forma de Red de difusion en

donde lo que el Computador Central transmite llega de forma automatica al resto

de las estaciones que estan en la misma Red fısica. El modo de transmision es en

forma serial half - duplex en el cual cada nodo puede transmitir o recibir, pero no

al mismo tiempo. Cuando uno esta enviando, el otro esta recibiendo y vice versa.

La Figura (2.1) muestra el diagrama en bloques de un circuito de comunicacion

de datos multipunto, que utiliza una topologıa bus. Este arreglo es una de las con-

figuraciones mas usadas para los circuitos de comunicacion de datos. En la estacion

primaria hay un Computador Central (Host, maestro) y en cada una de la otras esta-

ciones secundarias (esclavas) hay una Unidad Remota (RTU). El hardware y la cir-

cuiterıa asociada, que conecta al Computador Central a las terminales de Unidades

Remotas se denomina enlace de comunicacion de datos. Un arreglo como este, se


llama Red Centralizada; hay una estacion ubicada centralmente (Host) con la res-

ponsabilidad de asegurar un flujo ordenado de datos, entre las estaciones remotas

y ella misma. El flujo de datos es controlado por un programa de aplicaciones que

esta almacenado en el Computador Central.

En la estacion primaria hay un Computador Central y un MODEM de datos.

En cada seccion secundaria hay un MODEM y la correspondiente RTU. La estacion

primaria tiene la capacidad de almacenar, procesar y/o retransmitir los datos que

recibe de las estaciones secundarias. La estacion primaria tambien almacena el soft-

ware necesario para el manejo de datos.

2.4. Componentes de la Red PLC

2.4.1. Funciones de cada componente

El Computador Central es el encargado de “interrogar” a las diferentes Unidades

Remotas (RTU) el estado de las variables presentes en las diferentes subestaciones

conectadas a la Red, tales como temperatura, tension, corriente, frecuencia, etc. Al

ser una Red de difusion [21], “todos escuchan todo” pero solamente responde aquel

que tenga la direccion requerida por el Computador Central. Este, se comunica con

el MODEM PLC a traves de una interfaz serial RS-2321[15]. La tarea del MODEM

es la modulacion de la senal transmitida y la demodulacion de la senal recibida.

La senal que transmite o recibe el MODEM es inyectada a traves de un acoplador

de lınea. Este, a parte de ser el dispositivo que inyecta la senal de PLC en la lınea

de energıa, tambien se encarga de proteger al circuito de posibles sobretensiones

debido a diferentes factores. La comunicacion de la RTU con el Computador Central

es tambien a traves de un MODEM PLC y un Acoplador utilizando una interfaz

serial entre la RTU y el MODEM. La Unidad Remota RTU es la interfaz con los

dispositivos de campo, se la puede considerar como los ojos, oıdos y manos de una

1En el Apendice A se explica en detalle la interfaz serial RS-232

2.4. COMPONENTES DE LA RED PLC 17

estacion maestra. Junto a las RTU se encuentran los denominados transductores

que en general, son unos dispositivos que convierten una forma de energıa en otra.

En particular, un transductor electrico, convierte la magnitud de una variable fısica

en una senal electrica proporcional, de tal manera que el resultado de la operacion

pueda ser utilizado como informacion util y representativa de dicha cantidad. Debe

existir una relacion conocida entre la entrada y la salida del transductor.

2.4.2. Comunicacion de datos

La informacion codificada es representada a traves de bits, la cual puede ser

una eventual senal de control. Los bits pueden transmitirse secuencialmente, que es

lo que se conoce como forma serial, o agrupados en palabras, que serıa en forma

paralela. Los motivos que determinan el uso de una u otra forma de transmision,

claramente responden a las necesidades de velocidad y rendimiento economico. A

continuacion se mencionan los dos tipos de transmision y seguido a esto se describen

sus caracterısticas principales:

(a) Transmision de datos en paralelo

(b) Transmision de datos en serie

Transmision de datos en paralelo

La comunicacion paralela transmite todos los bits de un dato de manera si-

multanea, lo que implica tantos canales de comunicacion como bits contenga el ele-

mento base, por lo tanto la velocidad de transferencia es rapida, sin embargo tiene

la desventaja de utilizar una gran cantidad de lıneas, debido a esto, se vuelve mas

costoso y ademas se atenua a grandes distancias por la capacitancia entre conduc-

tores, ası como sus parametros distribuidos. Se usa basicamente para transmisiones

en distancias muy cortas.


Transmision de datos en serie

Los datos son transferidos bit a bit utilizando un unico canal. Es la forma nor-

mal de transmitir datos a larga distancia, ya que la instalacion de tantas lıneas de

comunicacion (datos en paralelo), como bits tiene una palabra a lo largo de un paıs,

serıa un coste inabordable. Las computadoras internamente manejan la informacion

agrupadas en palabras, conjuntos de bits, y deben realizar una conversion para se-

rializar la informacion. Esto es realizado por circuitos integrados de uso especıfico

y doble, ya que son capaces de convertir en una secuencia lineal una palabra, y a

la vez convertir en palabra, los bits que van obteniendo uno a uno de una lınea de

comunicacion serie.

Modos de operacion: sıncrona/asıncrona

Existen dos tipos de comunicaciones seriales: la sıncrona y la asıncrona.

En la comunicacion serial sıncrona, ademas de una lınea sobre la cual se trans-

mitiran los datos se necesita de una lınea la cual contendra los pulsos de reloj que

indicaran cuando un dato es valido.

En el modo de operacion asincronica, se transmite un caracter de codigo a la vez.

Cada caracter de codigo incluye dıgitos de arranque, paridad y parada, denominados

“dıgitos redundantes”. Estos dıgitos redundantes indican al receptor el comienzo

de un caracter, donde termina y un dato adicional (la paridad), para efectos de

deteccion de error; todos los dıgitos tienen la misma duracion, excepto el de parada,

cuya duracion es variable (una, una y media o dos veces la duracion de los otros)

segun la aplicacion. El caracter de codigo contiene tambien de 5 a 8 dıgitos de

informacion; este campo de informacion permite entonces codificar la informacion

en Baudot, ASCII o en EBCDIC. La longitud maxima del caracter de codigo es de

11 dıgitos binarios.

Los dos extremos, transmisor y receptor, tienen relojes independientes de la mis-

ma frecuencia nominal, de esta forma se realiza el sincronismo de bit. La informacion

2.5. METODOS DE MODULACION 19

se transmite caracter a caracter, precedidos de un bit a “0” o bit de START y ter-

minados por al menos, un bit a “1” denominado de STOP (pueden ser tambien 1,5

o 2 bits STOP). Esta es la forma de establecer el sincronismo de caracter. Entre dos

caracteres consecutivos puede mediar cualquier separacion, permaneciendo todo el

tiempo la lınea en estado “1”. El sincronismo de bit se consigue arrancando el reloj

de recepcion cuando se detecta el bit de START. Debido a que el reloj se inicializa

para cada caracter, las posibles derivas de frecuencia respecto al reloj emisor tienen

poca importancia. El sincronismo de caracter esta implıcito en el propio metodo de

transmision, ya que se produce caracter a caracter [5].

En la Figura(2.2) se muestra el formato de un caracter de codigo para operacion

asincronica.

Figura 2.2: Caracter de codigo en operacion asincronica.

2.5. Metodos de modulacion

Como la senal binaria de entrada es una secuencia de impulsos o dıgitos binarios

(de dos estados), las magnitudes moduladas tomaran tambien dos valores, de ahı que

a estos procesos se los denomina “Tecnicas de Modulacion Binaria”. Las formas

basicas de la modulacion binaria mediante portadora modulada son:

1. La Modulacion Binaria de Amplitud (Amplitude-Shift Keying, ASK).

2. La Modulacion Binaria de Frecuencia (Frequency-Shift Keying, FSK).

3. La Modulacion Binaria de Fase (Phase-Shift Keying, PSK).


4. La Modulacion Binaria Diferencial de Fase (Differential PSK, DPSK).

El tipo de modulacion que nosotros elegimos es Offset QPSK o bien PSK M-ario

con M=4 Offset, siendo esta una variedad de QPSK basica. Este metodo presen-

ta mejores caracterısticas de rendimiento para el canal de lınea electrica, el cual

presenta las siguientes ventajas:

1. Se minimiza el numero de errores que provoca un dıgito equivocado, ya que

entre estados adyacentes solo hay un dıgito de diferencia.

2. Se angosta el espectro de frecuencia al disminuir los lobulos laterales.

3. Se mejora la sincronizacion de los circuitos de recuperacion de referencia en el

lado receptor.

4. Se obtiene una mejor performance frente al ruido.

2.5.1. Modulacion QPSK

[8] QPSK es otra forma de modulacion digital, la cual modula angularmente

con amplitud constante. Es una tecnica de codificacion M-ario, en donde M = 4

(de ahı el nombre de cuaternaria). Con QPSK son posibles 4 fases de salida, para

una sola frecuencia de portadora. Debido a que hay 4 fases de salida diferentes,

tiene que haber 4 condiciones de entrada diferentes. Ya que la entrada digital a un

modulador de QPSK es una senal binaria (base 2), para producir cuatro condiciones

diferentes de entrada, se necesita mas de un solo bit de entrada, osea 2, habiendo

ası 4 posibles condiciones: 00, 01, 11 y 10. En consecuencia, con QPSK los datos

de entrada binarios se combinan en grupos de 2 bits llamados dibits. Cada codigo

dibit genera una de las 4 fases de entrada posibles. Por lo tanto para cada dibit

introducido al modulador, ocurre un solo cambio a la salida. Ası que la razon de

cambio en la salida (razon de baudio), es la mitad de la razon de bit de entrada.

Transmisor de QPSK

En la Figura (2.3) se muestra el diagrama en bloques de un modulador QPSK.

Dos bits se introducen al derivador de bits. Luego de que ambos han sido introduci-


dos, en forma serial, salen simultaneamente en forma paralela. Un bit se dirige al

canal I y el otro al cana Q. El bit I modula una portadora que esta en fase con el

oscilador de referencia y el bit Q modula una portadora que esta 90o fuera de fase

con la portadora de referencia . Entonces tenemos para un 1 logico = +1V y un 0

logico = -1 V, debido a esto, son posibles dos fases a la salida de cada modulador.

Cuando el sumador lineal combına las dos senales de cuadratura (90o fuera de fase)

hay cuatro fases resultantes mostradas por estas expresiones:

+ sen ωct + cos ωct

+ sen ωct - cos ωct

- sen ωct + cos ωct

- sen ωct - cos ωct

Entada

Bufer

ent. binaria Fb

Canal I

Canal Q

div 2

Modulador

Balanceado

Modulador

Balanceado

Desplazador

de Fase de 90º

Osc. Portadora

de referencia

sen Wc t Sumador

Lineal Filtro PB Sal. QPSK

Figura 2.3: Modulador de QPSK.

Consideraciones de ancho de banda para QPSK

La tasa de bits en el canal I o en el canal Q es igual a la mitad de la tasa de datos

de entrada Fb/2. En consecuencia, la frecuencia fundamental mas alta presente en

la entrada de datos al modulador balanceado, I o Q, es igual a un cuarto de la tasa

de datos de entrada (la mitad de Fb/2 = Fb/4). Como resultado, la salida de los

moduladores balanceados I y Q, requiere de un mınimo ancho de banda de Nyquist

de doble lado, igual a la mitad de la tasa de que estan entrando (FN= doble de Fb/4


= Fb/2). Por lo tanto con QPSK, se realiza una compresion de ancho de banda.

La senal de salida QPSK no cambia de fase, hasta que 2 bits han sido introducidos

al derivador de bits, la tasa de cambio mas rapido de salida (baudio) es igual a la

mitad de la tasa de bits de entrada.

En la Figura (2.4) se muestra la condicion de entrada del peor caso en el modu-

lador balanceado, de I o Q, la cual es un patron 1/0 alterno, que ocurre cuando los

datos de entrada binarios tiene un patron repetitivo de 1100.

1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0

Q I Q I I Q I Q I Q I

Datos de

enrtrada Fb

Datos del

canal I Fb/2

Datos del

canal Q Fb/2

Frecuenci a

fundamental

mas alta

Figura 2.4: Consideraciones de ancho de banda en un Modulador QPSK

Receptor de QPSK

El diagrama en bloques se muestra en la Figura (2.5). El derivador de potencia

dirige la senal QPSK de entrada a los detectores de producto, Q e I, y al circuito de

recuperacion de la portadora. El circuito de recuperacion de la portadora reproduce

la senal original del oscilador de la portadora de transmision. La portadora recu-

perada tiene que ser coherente, en frecuencia y fase, con la portadora de referencia

transmisora. La senal QPSK se demodula en los detectores de producto, Q e I, que

generan los bits de datos, Q e I originales. Las salidas de los detectores de productos

alimentan al circuito para combinar bits, donde se convierten de canales de datos,

Q e I paralelos a un solo flujo de datos de salida binaria.


BPF

Derivador

de

potencia

Detector de

producto

Detector de

producto

90º

Recuperación

de la Portadora

sen Wc t Q

Señal

QPSK de

entrada

LPF

LPF

I

Datos

binarios de

recepción

Figura 2.5: Receptor QPSK

2.5.2. Modulacion Offset QPSK

[25] La modulacion Offset QPSK se logra desplazando un dıgito la componente

Q, obteniendo ası una conversion de los datos binarios en codigo GRAY, el cual

se caracteriza por tener solo un dıgito de diferencia entre estados adyacentes. Esta

codificacion asegura transiciones de fase limitados a 90o a diferencia de los 180o que

se obtendrıan con codificacion binaria en la modulacion QPSK basica. En la Figura

(2.6) se muestra el modulador OQPSK mencionado.

Entada

Bufer

Canal I

Canal Q

div 2

Modulador

Balanceado

Modulador

Balanceado

Desplazador

de Fase de 90º

Osc. Portadora

de referencia

sen Wc t Sumador

Lineal Filtro PB Sal. QPSK

Cod

.

Dif.

Figura 2.6: Modulador OQPSK

.


En la Figura (2.7) se presenta la correspondencia del codigo binario al codigo

GRAY en forma esquematica.

Figura 2.7: Correspondencia del codigo binario al codigo GRAY

2.6. Diseno del modulador OQPSK

Como ya hemos mencionado en los objetivos del proyecto, nos vamos a ubicar en

el espectro de frecuencias de 9 a 95 kHz. La velocidad de transmision que necesitamos

es de aproximadamente 9600 bps y la modulacion que vamos a utilizar sera OQPSK.

Calculo del transmisor OQPSK

Vamos a realizar un modulador de OQPSK con una tasa de datos de entrada fb

igual a 9,6 Kbps y una frecuencia de portadora fc = 20 kHz.

La tasa de bits en los canales Q e I es igual a la mitad de la tasa de bits de tx,

fbq = fbi =fb

2=

9, 6Kbps

2= 4,8Kbps. (2.1)

La frecuencia mas alta que se presenta a la entrada de los moduladores de los

canales Q e I,

2.7. DISENO DEL MODEM PLC 25

fa =fbq

2=

fbi

2=

4, 8Kbps

2= 2,4Kbps. (2.2)

la salida de cada modulador balanceado es:

Salida = (sen 2πfat)(sen 2πfct)

= 12cos 2π(20− 2,4)t− 1

2cos 2π(20 + 2,4)t

= 12cos 2π(17,6)t− 1

2cos 2π(22,4)t

por lo tanto el ancho de banda mınimo de Nyquist es

fN = 22,4 - 17,6 = 4,8 kHz

El filtro pasabanda del modulador debera permitir el paso hasta la 3er armonico,

debido a que de esta manera se puede llegar a tener una mejor aproximacion de la

senal entrante.

fN = 27,2 - 12,8 = 14,4 kHz

2.7. Diseno del MODEM PLC

Introduccion

En la Capa Fısica es donde se resuelven todas las incompatibilidades entre los

diferentes equipos y en ella se encuentran todos los dispositivos para interconec-

tar un usuario con otro usuario, sea directamente por un canal o a traves de una

Red. Normalmente la interconexion se efectua entre computadores o terminales de-

nominados “Equipos Terminales de Datos (DTE)” y los modems o adaptadores de

comunicacion denominados “Equipos de Terminacion del Circuito de Datos (DCE)”.

Las secuencias generadas en la capa fısica en el extremo transmisor, estan disenadas

para ser interpretadas por la capa fısica del extremo receptor, en el cual se regeneran

las correspondientes secuencias que son presentadas al usuario final. En la capa fısica

no se toma en cuenta el significado o la informacion contenida en la secuencia de

datos, ni los diferentes formatos, etc.; todo esto es responsabilidad de las capas supe-

riores. Por la capa fısica y su correspondiente medio de transmision circulan dıgitos


binarios, lo que comunmente se denomina “datos crudos” y su responsabilidad es

transmitirlos sin error.

La modulacion digital se realiza en un dispositivo denominado “MODEM” (de

las palabras MOdulador y DEModulador) en el cual los dıgitos binarios modulan la

amplitud, la frecuencia o la fase de una senal sinusoidal, denominada portadora [5].

Diseno a nivel de bloques

El dispositivo que se disenara es un MODEM [19] half duplex OQPSK asıncrono,

disenado para aplicaciones de Redes de Comunicaciones a traves de la lınea electrica,

cumpliendo con las especificaciones CENELEC EN 50065 [6].

El dispositivo consta de cinco partes bien definidas (Figura (2.8))que son:

a)Interfaz serial y registro de control.

b)Codificador diferencial

c)Modulador.

d)Demodulador.

e)Decodificador diferencial.

Interfaz serial y registro de control:

La operacion y modo de funcionamiento del MODEM es gobernada por medio

de un registro interno programable, a traves de un interfaz serial. Los bits que in-

gresan a traves de la interfaz serial RS-232 son introducidos en el registro interno

de control anteriormente mencionado. Esta funcion es realizada mediante uno de los

modulos serie de entrada/salida USART (Trasmision Recepcion Asıncrona Sıncrona

Universal) de la familia PIC 16F7X2[18]. El modo de Transmision/Recepcion puede

ser configurado para trabajar en modo Full-duplex en operacion asıncrona o en mo-

do Half-duplex en operacion sıncrona, nosotros utilizaremos el segundo modo de

operacion (osea H-D). La funcion que tiene este, es la de almacenar de a dos bits y

2Las caracterısticas del PIC 16F7X se presentan en el Apendice B

2.7. DISENO DEL MODEM PLC 27

Modulador

OQPSK

Interface

Serial Registro de

Control

Demodulador

OQPSK Filtro LB

Detecc.

de Port.

Am

p .

AGC

HOST

Filtro BP

Acoplador

Capacitivo

Amp

Transmisión

PIC 16F74

Recepción

Base de tiempo Osc

Filtro

BP

Figura 2.8: Diagrama en bloques de MODEM PLC

enviarlos al modulador OQPSK (Modulador QPSK convencional mas Codificador

Diferencial) cuando se encuentra en el modo de transmision. En cambio, cuando el

MODEM se encuentra en el modo de recepcion, la senal que ingresa es demodulada

y luego llega al registro de control en forma digital (bits), realizando el camino in-

verso que en el modo de transmision.

Codificador diferencial:

El flujo de datos unipolar se codifica diferencialmente de manera de asegurar

que el transporte de la informacion se realice a traves de estados de fase relativa. De

esta forma el envıo de la informacion se independiza de la fase absoluta y por con-

siguiente del retardo de fase que introduce el medio de transmision. El codificador


diferencial recibe de un convertidor serie-paralelo las parejas de dos bits necesarias

para proporcionar los cuatro estados posibles de la modulacion en fase QPSK obte-

niendo las senales I y Q.

Modulador:

Luego de que el registro de control entrega los dibits (dos bits), estos son in-

gresados al codificador diferencial y luego al modulador QPSK. Para realizar la

modulacion y la demodulacion empleamos un dispositivo LM1596/LM14963, el cual

es un doble modulador/demodulador balanceado que produce una senal de salida

proporcional al producto de una tension de entrada con la senal portadora. Luego de

obtener la senal modulada en fase, ingresa en la etapa de amplificacion para luego

ser filtrada por un filtro pasabanda y finalmente ser enviada al Acoplador Capacitivo.

Demodulador:

Cuando ingresa una senal OQPSK a traves del Acoplador Capacitivo, esta es

dirigida hacia un filtro pasa bajos que realiza la funcion de eliminar las senales in-

deseadas. Luego es amplificada a traves de un control automatico de ganancia para

que luego ingrese a un circuito de recuperacion de la portadora. La senal OQPSK es

demodulada mediante el dispositivo ya mencionado anteriormente en el inciso (b)

para ser enviada al decodificador diferencial y luego al registro de control.

Decodificador diferencial:

El flujo de datos unipolar se decodifica diferencialmente de manera de asegurar

recuperar la informacion de estados de fase relativa. De esta forma la entrada de

la informacion se correlaciona con la fase relativa y por consiguiente del retardo de

fase que introduce el medio de transmision.

3Las caracterısticas del LM1596/LM1496 se presentan en el Apendice B

Capıtulo 3

Parametros de la Red y del

Sistema PLC

En este Capıtulo se describen los parametros de la Red y del Sistema PLC. En la

Seccion 3.1 se presenta informacion general sobre la Red de distribucion de energıa

electrica, con sus respectivos parametros. En la Seccion 3.2 se describen los ruidos

presentes en las senales PLC. En la Seccion 3.3 se detallan los distintos metodos de

Acoplamiento y por ultimo en la Seccion 3.4 se presentan las Normas regulatorias

para los sistemas PLC de Banda Angosta.

3.1. Redes de distribucion de energıa

3.1.1. Instalacion electrica

Las redes de distribucion electrica domiciliarias y las instalaciones electricas en

casas y oficinas, no fueron disenadas para llevar datos a gran velocidad y en altas

frecuencias. Estas redes se disenaron para llevar tensiones y corrientes altas con

frecuencias bajas (220V 50Hz en Argentina, 120V 60Hz en EE UU) para poder

entregar a los consumidores importantes cantidades de energıa.

Los sistemas PLC pueden estar “agregados” a la instalacion electrica y sujetos

29

30 CAPITULO 3. PARAMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC

a varias limitaciones, y de esta manera proporcionar conexiones de datos entre dis-

tintos puntos de la Red Electrica. En general esta ultima no esta apantallada, por

lo que emite radiofrecuencia, pudiendo provocar interferencia en otros sistemas de

radiocomunicaciones.

En una Red Electrica, la conexion y desconexion de equipos de distintos tipos es

muy frecuente, y no hay caracterısticas fısicas bien definidas referidas a estos picos y

valles de carga, creando un ambiente electromagnetico particular. La impedancia que

desbalancea los dispositivos conectados a la Red, puede resultar insignificante para

la Red Electrica misma, sin embargo, la perdida de senal para las comunicaciones

de datos a determinadas frecuencias y situaciones de carga de potencia, provoca

que algunas de estas frecuencias practicamente desaparezcan. La atenuacion sufri-

da en estos “ceros”, cambiara dependiendo donde esten ubicados los dispositivos

interconectados y que otros dispositivos (aparatos, etc.) se conectan a la Red [4].

3.1.2. Lıneas de transmision

Se puede considerar que la lınea de transmision es un elemento del sistema de

potencia. A las lıneas de transmision de potencia aerea se las pueden clasificar de la

siguiente manera [11]:

lıneas de longitud corta.

lıneas de longitud media.

lıneas de longitud larga.

3.1.3. Circuito equivalente de una lınea de transmision

Las caracterısticas de una lınea de transmision se determinan por sus propiedades

dielectricas, como la conductancia de los cables y la constante dielectrica del aislante,

y sus propiedades fısicas como el diametro del cable y los espacios del conductor.

3.1. REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA 31

Estas propiedades, a su vez, determinan las constantes electricas primarias; resisten-

cia de CD en serie (R), inductancia en serie (L), capacitancia de derivacion (C) , y

conductancia de derivacion (G). La resistencia y la inductancia ocurren a lo largo

de la lınea y constituyen la impedancia serie, mientras que entre los dos conduc-

tores, ocurre la capacitancia y la conductancia que corresponden a la admitancia

en paralelo. Las constantes primarias se distribuyen de manera uniforme a lo largo

de la lınea, y por la tanto, se les llama comunmente parametros distribuidos. Para

simplificar el analisis, los parametros distribuidos tipicamente, se agrupan por una

longitud unitaria, dada para formar un modelo artificial de la lınea. Por ejemplo la

resistencia en serie generalmente se da en ohms por milla o km.

La Figura (3.1) muestra el circuito equivalente electrico para una lınea de trans-

mision, de dos cables, metalica, indicando el lugar relativo de los distintos parametros

agrupados. La conductancia entre los dos cables se muestra en una forma recıproca

y se indica como una resistencia de derivacion dispersa (Rs).[8].

Figura 3.1: Circuito equivalente electrico

Si la lınea aerea se clasifica como corta, la capacitancia en derivacion es tan

pequena, que se puede omitir por completo con una perdida de exactitud insignifi-

cante, considerando solamente la resistencia R y la inductancia L en serie para la

longitud total de la lınea.

Una lınea de longitud media se puede representar con suficiente exactitud con

R y L como parametros concentrados, con la mitad de la capacitancia al neutro

de la lınea concentrada en cada terminal del circuito equivalente. Por lo general la


conductancia en derivacion G se desprecia cuando se calcula la tension y la corriente

de lıneas de transmision de potencia. Si los capacitores se omiten, el mismo circuito

representa las lıneas cortas.

En lo que se refiere a la capacitancia, se considera como corta las lıneas de 50Hz

de conductor abierto que tienen menos de 80 km. de longitud. Las lıneas de longitud

media son las que estan entre 80 km. y 240 km.. Las lıneas que tienen mas de 240

km. requieren de calculos en terminos de constantes distribuidas, si se necesitan

un alto grado de exactitud, aunque para algunos propositos, se puede usar una

representacion de parametros concentrados para lıneas de hasta 320 km. de largo

[11].

3.1.4. Caracterısticas de una lınea de transmision

[8][16]Las caracterısticas de una lınea de transmision se denominan constantes

secundarias y se determinan con las cuatro constantes primarias. Las constantes

secundarias son la Impedancia Caracterıstica y la Constante de Propagacion.

Impedancia Caracterıstica

Para una maxima transferencia de potencia, desde la fuente a la carga (o sea

sin energıa reflejada), una lınea de transmision debe terminarse en una carga pu-

ramente resistiva igual a la Impedancia Caracterıstica de la lınea. La Impedancia

Caracterıstica (Z0) de una lınea de transmision, es una cantidad compleja que se

expresa en Ω, que idealmente es independiente de la longitud de la lınea, y que no

puede medirse. La Impedancia Caracterıstica (que a veces se llama resistencia de

descarga), se define como la impedancia que se ve desde una lınea infinitamente

larga, o la impedancia que se ve desde el largo finito de una lınea, que se termina en

una carga totalmente resistiva, igual a la Impedancia Caracterıstica de la lınea. Una

lınea de transmision almacena energıa en su inductancia y capacitancia distribuida.

Si la lınea es infinitamente larga, puede almacenar energıa indefinidamente; esta en-


trando energıa a la lınea desde la fuente y ninguna se regresa, por lo tanto, la lınea

actua como un resistor que disipa toda la energıa. Se puede simular una lınea infini-

ta, si se termina una lınea finita con una carga puramente resistiva igual a Z0; toda

la energıa que entra a la lınea desde la fuente se disipa en la carga (esto supone una

lınea totalmente sin perdida). Matematicamente la Impedancia Caracterıstica es:

Z0 = EsIs

=

√R + jωLG + jωC

(3.1)

Constante de Propagacion

La Constante de Propagacion (a veces llamado el coeficiente de propagacion), se

utiliza para expresar la atenuacion (perdida de la senal) y el desplazamiento de fase

por unidad de longitud de una lınea de transmision. A medida que se propaga una

onda a lo largo de una lınea de transmision, su amplitud se reduce con la distancia

viajada. La Constante de Propagacion se utiliza para determinar la reduccion en

tension o corriente de la distancia, conforme una onda electromagnetica se propaga

a lo largo de una lınea de transmision. Para una lınea infinitamente larga toda la

potencia incidente se disipa en la resistencia del cable, conforme la onda se propague

a lo largo de la lınea. Por lo tanto con una lınea infinitamente o una lınea que se

ve como infinitamente larga, osea, como una lınea finita que termina en una carga

acoplada (Z0 = Zl), no se refleja ni se regresa energıa nuevamente a la fuente.

Matematicamente la Constante de Propagacion es

γ = α + jβ (3.2)

en donde γ es la Constante de Propagacion, α es el Coeficiente de Atenuacion

(dB/km), β es el Coeficiente de Desplazamiento de Fase (rad/km).

La Constante de Propagacion es una constante definida por

γ =√

(R + jωL)(G + jωC) (3.3)


a frecuencias de radio e intermedias ωL > R y ωC > G ; por lo tanto

α =R

2Z0

+GZ0

2(3.4)

β = ω√

LC. (3.5)

3.1.5. Transitorios en la lınea de transmision

[11]Las sobretensiones transitorias que ocurren en un sistema de potencia, son

de origen externo (por ejemplo las descargas atmosfericas o rayos) o bien se ge-

neran internamente por las operaciones de maniobra. En general, los transitorios

de los sistemas de transmision se originan debido a cualquier cambio repentino en

las condiciones de operacion o configuracion de los sistemas. Los rayos son siem-

pre un potencial de peligro para los equipos de los sistemas de potencia, pero las

operaciones de maniobra pueden tambien causar su dano. Para tensiones de hasta

230 kV, el nivel de aislamiento de las lıneas y del equipo esta determinado por la

necesidad de protegerlos de los rayos. En los sistemas con tension de mas de 230

kV, pero con menos de 700 kV, las operaciones por maniobra y los rayos, son los

que potencialmente danan los aislamientos. Para las tensiones superiores a 700 kV

las sobretensiones por maniobra son el factor determinante del nivel de aislamiento.

En la mayorıa de los casos las lıneas aereas se protegen de las descargas atmos-

fericas directas, a traves de uno o mas conductores que esten al potencial de tierra y

extendidos por arriba de los conductores de potencia. Estos conductores protectores,

llamados hilos de guarda o de blindaje, se conectan a la tierra a traves de las torre

de transmision que sostienen las lıneas.

Perdidas en la lınea de transmision

Hay varias formas en que la potencia se pierde en la lınea de transmision y son:

perdidas en el conductor (efecto piel, consecuencia del efecto Joule), perdidas por

radiacion, perdidas por el calentamiento del dielectrico, perdidas por acoplamiento


y descarga luminosa (corona)1[23].

3.1.6. Comentarios generales sobre los cables de Media Ten-

sion

Tenemos que distinguir entre dos diferentes tipos de tecnicas de disposicion. Una

disposicion de los cables es en forma triangular y la otra es colocar los cables en

forma planar. A continuacion se muestran las dos disposiciones de cables (Figura

3.2)

Figura 3.2: Disposicion de cables de Media Tension

Es muy comun que la disposicion triangular de los cables este protegida contra

la tension mecanica, por medio de un blindaje de metal alrededor de los tres cables.

El blindaje puede ser de dos tipos diferentes; un blindaje no aislado contra la tierra

circundante y un blindaje aislado por medio de un conducto plastico contra la tierra

circundante [7].

La disposicion mas utilizada, segun informacion brindada por el Departamento

de Ingenierıa de Potencia del EPEN y el Departamento de Electrotecnia (Area de

Potencia) de la UNCo, es la forma planar aerea antes mencionada, mostrada en

la Figura (3.3)2, con la disposicion MN111, tomando cables de conductor desnudo

1Estas perdidas seran tratadas con mayor detenimiento en el Capıtulo 4, Seccion 4.1.22Figura brindada por el Departamento de Electrotecnia (Area de Potencia) de la UNCo.


[22](Pirelli), de aleacion de aluminio segun Normas IRAM 2212 3[12] [13].

Figura 3.3: Disposicion MN111

Realizacion practica de un cable de Media Tension/Alta Ten-

sion

Los cables y alambres tienen a menudo que satisfacer requisitos muy diferentes

a lo largo de su ruta. Antes de decidir el tipo de seccion transversal, uno debe

examinar las funciones electricas en particular y tambien los factores climaticos y

operacionales, factores que influyen en la fiabilidad del sistema y en los parametros

de la comunicacion esperados.

La Figura (3.4) muestra la construccion de un cable de alta tension apantallado

Figura 3.4: Ejemplo de un cable de Media Tension de 3 nucleos

3La datos tecnicos de los cables se presentan en el Apendice C

3.2. DETERIORO DE LA SENAL PLC 37

En general puede decirse que cada cable apantallado aislado es suficiente para

este tipo de medio de comunicacion. Si se blinda los cables en uso, no debe haber

cortocircuitos entre la pantalla y el blindaje del cable, detras de los primeros 100

mts. luego del punto de inyeccion de la senal [7].

3.2. Deterioro de la senal PLC

Contrariamente a lo que sucede con otros canales de comunicaciones, el ruido

en el canal de las lıneas de energıa no se puede representar como un ruido blan-

co gaussiano aditivo. Si la cantidad de las senales que interfieren son demasiadas

grandes, con respecto a la senal atenuada y a la senal distorsionada, los receptores

tendran dificultades para reproducir la informacion original con fiabilidad suficiente.

Varias de las senales que interfieren se generan de las cargas conectadas, debido a

muchas interconexiones, diferentes tipos de conductor y, por lo tanto, tienen difer-

entes orıgenes y caracterısticas. Debajo se presentan los cuatros tipos principales de

ruido, presentes en un canal de comunicacion (Figura 3.5) sobre una lınea de energıa

[14].

Ruido impulsivo

Este tipo de ruido esta caracterizado por picos de tension muy potentes pero

de corta duracion, y pueden producir impulsos que saturan cualquier receptor por

perıodos de alrededor de 10 a 100 µseg. y pueden alcanzar magnitudes de hasta 2 kV.

Estos impulsos tienen tiempos de subida muy rapidos y son virtualmente imposibles

de filtrarlos. Los impulsos son generalmente periodicos con dos veces la frecuencia de

la lınea de energıa, entre 100 o 120 Hz, y muchos ocurren durante medio ciclo, debido

a la conmutacion de varias cargas. La Red y sus cargas unidas poseen inductancia y

capacitancia que pueden producir resonancia en una frecuencia, que depende de la

carga instantanea, produciendo atenuacion de las formas de onda que duran varios

ciclos en las frecuencias de comunicaciones. El ruido impulsivo aparece solo como


Figura 3.5: Diferentes tipos de ruidos

un acontecimiento unico y es causado por todas las operaciones de conmutacion,

tales como los cierres de contactos. Este tipo de ruido se modela como una senal de

impulso debido a su presencia relativamente corta.

Ruido Sıncrono

A este ruido se lo denomina ası, ya que esta en sincronıa con la frecuencia del

sistema de energıa (50Hz). Normalmente este ruido es causado por los rectificadores

controlados de silicio (SCR), el cual conmuta cuando la tension cruza un cierto valor.

Este ruido es considerado como un fenomeno que no ocurre regularmente, pero una

vez que sucede puede durar muchas horas. El nivel de ruido normalmente no excede

los -70 dBW por cada armonico.

Ruido de fondo

Este ruido esta siempre presente y generalmente esta dado por un espectro plano.

Es de naturaleza estocastica y tiene una densidad espectral de energıa relativamente

3.3. METODOS DE ACOPLAMIENTO DE LA SENAL 39

baja, de este modo puede ser modelado como ruido blanco limitado en banda con

distribucion gaussiana.

Ruido Asıncrono

Como el nombre sugiere, estos tipos de ruidos son los que no tienen relacion con la

frecuencia de la Red o armonicos superiores. Las fuentes de ruidos mas importantes

para este caso, son los monitores de television y los de computadoras, producto de la

exploracion y sincronizacion de las senales en este tipo de aplicaciones. Una carac-

terıstica de este ruido es que ellos ocurren a frecuencias conocidas, como por ejemplo

los sistemas de television (PAL) a la frecuencia 15625 Hz y armonicos superiores. El

ruido de banda estrecha tambien se encuentra dentro de esta categorıa, este ruido

consiste en senales sinusoidales de amplitud modulada. La fuente de este tipo de

ruido son las estaciones de radio y las variaciones del nivel del mismo, segun la hora

del dıa.

El ruido de fondo mostrado en la Figura (3.5) representa una forma tıpica de esta

clase. En la Figura tambien se muestra el ruido sıncrono, en donde se puede visualizar

los armonicos de la frecuencia de la Red. El ruido impulsivo se distingue de los demas

debido a la caracterıstica de la senal, la cual presenta picos de gran amplitud y corta

duracion de tiempo. El ruido asıncrono, tiene una densidad espectral aleatoria.

Aparte de la atenuacion del cable, de los cuatro tipos de ruido descritos arriba,

la desadaptacion de impedancias y las reflexiones causadas por diversos tipos y

tamanos de cable de transmision, contribuyen a la interferencia total que se describe

en la Capıtulo siguiente.

3.3. Metodos de Acoplamiento de la senal

Las tecnologıas de Acoplamiento para lıneas de media tension son un factor

decisivo para el diseno de una Red PLC. Las caracterısticas principales son: el costo

que debe ser razonable para la aplicacion dada y las dimensiones que deben ser


pequenas de manera que puedan ser instalados en las subestaciones transformadoras,

donde el espacio permitido es reducido[17].

Hay tres tipos basicos de Acoplamientos de senales a lıneas de media tension:

Inductiva por medio de la pantalla del cable.

Inductiva por medio del nucleo.

Capacitiva por medio del nucleo.

Los primeros dos metodos (inductivos) se acoplan a la lınea por corriente y el

ultimo mediante tension a traves del nucleo.

Otras aproximaciones como el acoplador direccional o el acoplamiento por medio

de un transformador al nucleo son deficientes o demasiado costosos.

Esquemas de Acoplamientos Capacitivos por medio del nucleo

Los Acoplamientos Capacitivos (Figura 3.6) para tecnologıa PLC sobre lıneas

de media tension, son unidades altamente compactas que incluyen en los mismos

dipositivos, el condensador de acoplo y el circuito de sintonıa. Estos dispositivos

maximizan el ancho de banda disponible y optimizan la adaptacion de impedancias

entre la lınea de media tension y el equipo de comunicaciones. El alto aislamiento

brinda la mas completa seguridad, ya sea dando proteccion a los operarios y/o a

los equipos de comunicaciones. Estos tipos de acoplamiento son muy utilizados para

lıneas aereas, y el costo es razonable para este tipo de aplicaciones.

Esquemas de Acoplamientos Inductivos

El Acoplamiento Inductivo puede ser un metodo muy utilizable conociendo exac-

tamente las caracterısticas de la Red y si hay un profundo conocimiento de la propa-

gacion de la senal. Hay tres tipos principales de Acopladores Inductivos utilizados

para inyectar la senal.

3.3. METODOS DE ACOPLAMIENTO DE LA SENAL 41

Figura 3.6: Acoplamientos capacitivos para lıneas de Media Tension

1) Acoplamiento “invasivo” por medio de la pantalla (Figura 3.7) del cable: este

metodo realiza la comunicacion entre la tierra y la pantalla, como si fuera un sistema

de un solo conductor.

Figura 3.7: Acoplamiento “invasivo” por medio de la pantalla

2) Acoplamiento “no invasivo” por medio de la pantalla (Figura 3.8) del cable:

este metodo realiza la comunicacion entre tierra y la pantalla, como si fuera un

sistema de un solo conductor. Este metodo es igual que el anterior pero entrega

normalmente una senal mas debil.

3) Acoplamiento “no invasivo” por medio del nucleo (Figura 3.9) del cable: este

metodo trabaja sobre todos los cables, pero tiene una gran desventaja con respecto


Figura 3.8: Acoplamiento “no invasivo” por medio de la pantalla

a los otros acoplamientos, que se refiere a la gran debilidad de este, o bien, que el

acoplador muestre una alta dependencia de la corriente en el conductor debido a la

saturacion magnetica del nucleo.

Figura 3.9: Acoplamiento “no invasivo” por medio del nucleo

Todos los metodos inductivos tienen una gran desventaja, que es que dependen de

la carga. El Acoplamiento mas afectado por este tema es el acoplador “no invasivo”

por medio del nucleo. En cambio el menos influenciado es el acoplamiento “invasivo”

por medio de la pantalla.

3.4. Normas regulatorias para PLC de Banda An-

gosta

Todas las tecnologıas de comunicacion de PLC de Banda Angosta trabajan en

las llamadas bandas CENELEC (Figura 3.10) en concordancia con el estandar EN

3.4. NORMAS REGULATORIAS PARA PLC DE BANDA ANGOSTA 43

50065.

Figura 3.10: Rango de frecuencias y niveles lımites segun el estandar EN 50065

Esta Norma brinda las regulaciones sobre parametros importantes, tales como el

rango de frecuencia, los niveles de senal, la potencia de transmision, etc., permitiendo

que los sistemas de PLC operen en la banda de frecuencia de 3 a 148.5 kHz. Se toma

este rango para evitar interferir con otros sistemas que trabajan a frecuencias mas

bajas y de interferir con las senales de radio de larga (LW) y media onda (MW),

fijando esto el lımite de frecuencia superior.

La asignacion de las bandas de frecuencias EN 50065-B-C-D estan realiazadas

para las Redes PLC que conectan directamente a los clientes de baja tension (LV).

Para los sistemas de comunicacion que trabajan en lıneas de energıa de media tension

(1 kV a 36 kV), las asignaciones antes indicadas, quedan sin sentido debido a que

no estan conectados a sistemas residenciales, por lo tanto los sistemas de PLC de

media tension estan permitidos para trabajar en todas las bandas conforme a EN

50065.

Debajo se presentan las categorıas de las distintas bandas de frecuencia men-

cionadas anteriormente:

El rango de frecuencias de la Banda A esta comprendido desde los 9 a 95 kHz,

asignado para empresas de servicios electricos para utilidades como AMR; no

hay necesidad de utilizar protocolo de acceso al medio cuando se opera en esta

banda.


El rango de frecuencias restante, comprende a las bandas de frecuencias B, C y

D, estas, estan reservadas para aplicaciones del usuario final. Estas tres bandas

difieren principalmente en las regulaciones de los protocolos de cada una de

ellas. La banda B se encuentra en el rango de 95 a 125 kHz y no requiere el

uso de protocolos de acceso al medio para el establecimiento de las comunica-

ciones. Por lo tanto es posible que dos sistemas transmitan simultaneamente

sobre la banda B, y en consecuencia de ello, puede producirse una colision de

mensajes. Esta banda esta disenada para usarse en aplicaciones tales como

intercomunicadores.

La banda C esta clasificada en el rango de frecuencia comprendido entre los 125

a 140 kHz y requiere de un protocolo de acceso al medio, para ser usados por

los dispositivos de transmision. Este protocolo apunta a que la transmision

simultanea de mensajes sea altamente improbable. En consecuencia pueden

existir varios sistemas de transmision, pero solamente uno puede transmitir

en cualquier momento. Las aplicaciones de los dispositivos que operan en esta

banda incluyen las comunicaciones internas entre PCs de un edificio.

La banda D comprende las frecuencias de 140 a 148.5 kHz., tiene caracterısticas

similares a la banda A, en que no requiere protocolo de acceso al medio y por

ende es factible la colision de mensajes.

Hay diferentes reglas en USA y Japon. Estos paıses tienen el lımite superior de

frecuencia para los sistemas PLC en alrededor de 500 kHz. Esto es, porque ellos no

usan sistemas de radio de onda larga. La mayorıa de los sistemas de PLC de gran

velocidad, que trabajan en las bandas CENELEC, con una tasa de datos de hasta

1 Mbps, son disenados para trabajar en el mercado de USA y Japon.

Finalmente, la Norma EN50065 especifica ciertas condiciones, como los protoco-

los de comunicacion, las especificaciones de los filtros para filtrar la portadora, para

evitar la atenuacion excesiva de la senal debido a los multiples dispositivos PLC de

3.4. NORMAS REGULATORIAS PARA PLC DE BANDA ANGOSTA 45

baja impedancia en una Red y tambien brinda informacion sobre la impedancia de

los equipos de comunicaciones.


Capıtulo 4

Diseno

En este Capıtulo se presentan los calculos de los parametros de la Red, la eleccion

de los diferentes niveles y el metodo de acoplamiento seleccionado. Por ultimo se

realiza un resumen del diseno completo.

4.1. Calculos requeridos para el diseno

4.1.1. Informacion sobre la Red

Para realizar este tipo de analisis es necesario tener conocimiento de las ca-

racterısticas de la Red de media tension. Esto necesariamente requiere del apoyo

de la empresa proveedora del servicio electrico, la cual debera brindar la siguiente

informacion:

1. Caracterısticas de la lınea media tension incluyendo:

Segmentos de lıneas aereas.

Longitud de cada segmentos de lınea.

El tipo de cable usado con detalles de corte transversal.

Nivel de voltaje.

Disposicion de las subestaciones.

47

48 CAPITULO 4. DISENO

2. La instalacion de los dispositivos de acoplamiento en los puntos de medicion

que la empresa seleccione para sus requerimientos.

4.1.2. Calculos de parametros de la Red

Los calculos requeridos para el analisis sobre el sistema, son diferentes de acuerdo

con el metodo de acoplamiento utilizado. Tambien es necesario tener conocimiento

de la topologıa de la Red y las aplicaciones de las comunicaciones que se estable-

ceran. Los siguientes tipos de datos y calculos pueden ser tomados y realizados

respectivamente de la lınea de potencia:

Impedancia Caracterıstica.

Atenuacion.

Relacion Senal a Ruido (S/N).

Calculo de la Impedancia Caracterıstica

De la informacion ya suministrada en capıtulos anteriores sobre las lıneas de

media tension , con respecto a los niveles de tension (13,2 kV), se la considera a

dicha lınea como corta (menor a 80 km), debido a que los ingenieros de potencia

toman como una regla practica a la multiplicacion del nivel de tension por 2, dan-

do como resultado la distancia que tomara la lınea de media tension , osea 26 km

aproximadamente. De esta manera el circuito equivalente electrico de la lınea queda

reducido a considerar la resistencia R y la inductancia L en serie para la longitud

total de la lınea, todo esto es propio de las lıneas de media tension a 50 Hz. Debido

a que en nuestro proyecto utilizamos la banda A de la Norma CENELEC que se

encuentra entre las frecuencias 9 a 95 kHz , los calculos sobre la lınea de media

tension seran basados en el circuito equivalente electrico de una “lınea larga”. Por

ello se requeriran calculos en terminos de parametros distribuidos.

4.1. CALCULOS REQUERIDOS PARA EL DISENO 49

Forma analıtica:

El calculo en forma analıtica sera realizado sobre lıneas aereas de cables de

media tension con disposicion planar MN111 como ya mencionamos en el Capıtulo

3, Seccion 3.1.6, la cual tiene una distancia entre fases de 112 cm. El cable es de

marca Pirelli, con aleacion de aluminio y cumple con ciertas caracterısticas segun

Normas IRAM 2212.

El mas utilizado segun informacion brindada por el EPEN es el que tiene las

siguientes especificaciones:

Seccion Nominal = 70 mm2

Diametro = 10.75 mm

Resistencia electrica = 0.483 Ω/km

Como nuestra propagacion se realizara entre fase y neutro, a partir de los para-

metros antes mencionados, calculamos la reactancia inductiva XL y la suceptancia

capacitiva bc y obtenemos la Impedancia Caracterıstica de la lınea Z0, para la Banda

A CENELEC (9 a 95 kHz) y en particular 20 kHz.

Comenzamos calculando el valor de la reactancia inductiva

XL = 4πf1000× 10−7lnDm

Dr

. (4.1)

donde Dm es la distancia media geometrica entre el conductor - tierra y Dr es el

radio del conductor desnudo. Con Dm = 9 m y Dr = 5.375 mm

Para 20 kHz =⇒ XL = 186.56 Ω/km

Calculamos el valor de la suceptancia capacitiva

XC =lnDm

Dr

4000π2kf. (4.2)


donde Dr es el radio del conductor desnudo y k es la permitividad que rodea a

la superficie.

Con Dm = 9 m , Dr = 5.375 mm , k = 8,85× 10−12 F/m. 1

bc =1

XC

suceptancia capacitiva (4.3)

Para 20 kHz =⇒ bc= 9,4× 10−4 S/km

Calculo de Z0

A partir de la ecuacion (3.1) y dado que ωL > R y ωC > G ; la ecuacion se

reduce a

Z0 =

√jωLjωC

(4.4)

Entonces:

Para 20 kHz =⇒ Z0= 445,5 Ω

Forma grafica:

Segun estudios realizados en Cipunet [7] y como se muestra en la Figura 4.1,

Figura 4.1: Impedancia caracterıstica de lıneas aereas de MT

la impedancia caracterıstica para una lınea aerea de conductor desnudo que se

1kr = k/k0, para el aire seco kr se supone igual a 1.0 en los calculos de lineas aereas y k0 es8,85× 10−12 F/m


encuentra a una altura dada, se calcula de la siguiente manera:

Z0(h) =η

2πln(

2h

a) (4.5)

en donde

η =

√µ0

ε0

(4.6)

sabiendo que η = 377 Ω , h = 9 m y a = 5.375 mm , nos queda

=⇒ Z0= 480 Ω

En la Figura (4.2) se muestra el valor de Z0 en funcion de h

Figura 4.2: Valor de Z0 en funcion de h

De la Figura (4.3) se pueden observar los valores de las reactancias capacitivas

para la Banda A CENELEC.

Como se observa los valores de la reactancia capacitiva y de la Impedancia Ca-

racterıstica para 20 kHz se aproximan bastante a los calculados analıticamente.

Calculo de la Atenuacion

Las perdidas de la lınea de tension aumentan en funcion de la frecuencia. Los

materiales conductores no son ideales, por lo tanto al inyectar una senal, parte de


Figura 4.3: Reactancia capacitiva de lıneas aereas de MT

la energıa que se transmite no es recibida por el receptor.

Los factores de perdida son:

perdidas resistivas en los conductores.

perdidas en el dielectrico.

perdidas por radiacion.

perdidas por acoplamiento.

Los principales factores de perdidas en una lınea de media tension en las frecuen-

cias en las que estamos trabajando (9 a 95 kHz.), son las mencionadas anteriormente,

salvo las perdidas por calentamiento del dielectrico y las perdidas por radiacion. Es-

ta ultima, no es tenida en cuenta debido a que la separacion entre conductores no es

una fraccion apreciable de una longitud de onda. Segun nuestro rango de frecuencias

y de la siguiente ecuacion, tenemos:

λ = v/f donde v es la velocidad de propagacion y si consideramos a v

como la velocidad de la luz, entonces v ≈ c, y ası obtenemos

En 9 kHz =⇒ λ = 33333 m.

En 95 kHz =⇒ λ = 3157 m.


Como la separacion de nuestros conductores es 9 m. (entre fase y tierra), este

tipo de perdida no afecta el calculo de la atenuacion.

Las perdidas por calentamiento del dielectrico ocurren al producirse una diferen-

cia de potencial entre los conductores de una lınea de transmision. El calor es una

forma de energıa y tiene que tomarse de la energıa que se propaga a lo largo de la

lınea. Para lıneas dielectricas de aire, las perdidas de calor son despreciables, lo que

sucede en nuestro caso. Sin embargo, para lıneas solidas, se incrementan las perdidas

por calentamiento del dielectrico con la frecuencia.

Las perdidas por acoplamiento son aquellas producidas por conexiones mecanicas,

cambios en el tipo de cable, aplicaciones de cargas, etc.. La magnitud de las perdidas

por acoplamiento, dependen por ejemplo de la topologıa de la red de distribucion,

de la frecuencia de la senal, y de las caracterısticas del tendido de los cables.

Las perdidas resistivas en el conductor, son causadas por la conductividad finita

del mismo. A medida que aumenta la frecuencia, la corriente fluye hacia la superficie

del conductor, debido al efecto piel. Las perdidas resistivas aumentan en funcion de

la frecuencia con una relacion de r ≈ f 1/2 [8]

Forma analıtica:

A partir de la ecuacion de la Constante de Propagacion (vista en el Capıtulo 3)

γ =√

(R + jωL)(G + jωC) (4.7)

realizamos la siguiente deduccion; como G es despreciable, y efectuando propiedad

distributiva, nos queda la siguiente ecuacion,

γ =√

(jωRC) + (j2ω2CL) (4.8)


la cual en terminos de XL y bc nos queda

γ =√

(−bcXL) + (jRbc) (4.9)

aplicando propiedades obtenemos el modulo de γ

|γ| = 4√

(−bcXL)2 + (jRbc)2 (4.10)

Para 20 kHz =⇒ |γ|= 0,39 nepers/km

Para obtener el valor de la atenuacion α

α = |γ| cos(rad(γ))8,686 (dB/km) (4.11)

Reemplazando los valores de |γ| y como el cos(rad(γ)) es ≈ 1 para 20 kHz obtene-

mos el siguiente valor de atenuacion.

Para 20 kHz =⇒ α= 3,4 dB/km

Otro metodo para determinar la atenuacion de forma aproximada es mediante

estudios realizados en [10]. Este se basa en la curva de un algoritmo, por la cual se

llega a una ecuacion de la atenuacion en funcion de la frecuencia. Esta se desarrolla

de la siguiente manera:

α(f) = 0,5× 10−6f 0,6 (nepers/km) (4.12)

Para 20 kHz =⇒ α= 2 dB/km

Estos dos metodos son calculos para lıneas de transmision convencional, pero se

pueden tomar como una aproximacion para lıneas de multiconductores. Un estudio


mas detallado se realizara seguidamete el cual consiste en un analisis modal que

tiene en cuenta parametros que anteriormente no se consideraban.

Analisis Modal [24]

El Analisis Modal consiste en que el acoplamiento debera ser elegido de tal modo

que toda la potencia del transmisor este inyectada en la lınea en un modo de bajas

perdidas. Para acoplamientos tales como fase - tierra, fase - fase, normalmente la

potencia es inyectada en una mezcla de modos, parte de estos en un modo de altas

perdidas (tierra), lo cual resulta en una cierta perdida de conversion modal ac.

La atenuacion de la lınea aline puede calcularse de la siguiente forma:

aline = α1l + 2ac + aadd (4.13)

donde

aline = atenuacion de la lınea (dB).

α1 = atenuacion en modo de bajas perdidas (dB/km).

ac = perdida por conversion modal (dB).

aadd = perdida adicional ocasionada por diferentes factores (dB).

l = longitud de la lınea (km).

Del analisis de una considerable cantidad de material experimetal y de calculos

computacionales se llego a la siguiente aproximacion para α1.

α1 ≈ 7× 10−2

[ √f

dc

√n

+ 1× 10−3f

](4.14)

donde

α1 = atenuacion en modo de bajas perdidas (dB/km).

f = frecuencia (kHz).

dc = diametro del conductor (mm).

n = numero de conductores por fase.


Entonces si f = 20 kHz, dc = 10.75 mm y n = 1 tenemos que

α1 = 0.03 dB/km

Se considerara a la lınea como no homegenea la cual presenta las siguientes carac-

terısticas: transposiciones, derivaciones, junciones entre lıneas aereas y otros tipos

de cables, etc. Las transposiciones de las lıneas pueden causar una alta atenuacion

bajo ciertas circunstancias. La transmision de la senal depende de los parametros

de la lınea, de la longitud de la lınea, del tipo de acoplamiento, el tipo y numero de

transposiciones, de la resistividad del terreno y de la frecuencia de portadora.

Como la disposicion de las lıneas aereas es en forma planar u horizontal, el tipo de

acoplamiento seleccionado es Fase - Neutro y las transposiciones son equiespaciadas,

la aadd estara acotada entre 3 y 8 dB para un promedio de resistividad del terreno

de 300 Ωm.

La perdida por conversion modal ac estara acotado entre 1.5 y 2 dB.

Entonces si tomamos que l = 1 km, ac = 2 dB, α1 = 0.03 dB/km y aadd = (3 a

8) dB, nos queda que la aline es:

Para 20 kHz =⇒ aline= (7.03 a 12.03) dB/km

Eleccion de la relacion S/N y BER

Como la modulacion seleccionada es PSK M-ario con M=4 (QPSK), se conside-

rara una probabilidad de error o un umbral de error conveniente. El ambiente hostil

de la comunicacion en el sistema de media tension, introducira muchas fuentes de

errores, como se menciono en el Capıtulo anterior, debido a que la Red de energıa

electrica no fue disenada para este tipo de comunicacion. En presencia de un error

en la senal, el sımbolo 1 se confundira con el sımbolo 0 o viceversa, de esta manera


tendremos una senal erronea. El efecto de los errores de bit en un canal de comunica-

ciones, se puede medir en terminos de la probabilidad media del error de bit, tambien

designado como tasa de error de bit (BER). Para optimizar el funcionamiento del

sistema en presencia de las atenuaciones, producto del ruido del canal y el cable, la

probabilidad media de error de bit necesitara ser optimizada, debido a esta razon,

un umbral de S/N sera elegido para determinar el estado de la comunicacion en

cualquier punto de la Red que se requiera.

Del trabajo realizado por [9], se entiende que el valor de Pe = 10−3 se toma como

un umbral mınimo tıpico de las Probabilidades de Error de Bit (BER) observadas en

los canales de comunicaciones de PLC. El valor del BER se escogio en 10−6 (1 error

cada 1000000 bits transmitidos) debido a que es un nivel razonable para la mayorıa

de las tecnologıas de comunicacion. Segun lo demostrado en la Figura (4.4), como el

BER se establecio a un nivel de 10−6, el valor marginal de la relacion senal a ruido

(S/N), sera de alrededor de 14 dB para el esquema de la modulacion de QPSK.

Cuando la relacion senal a ruido se encuentre por debajo de este nivel (14 dB) es el

momento en donde se requerira el aporte de un repetidor.

Figura 4.4: Probabilidad de Error Pe vs S/N en PSK M-ario.


4.1.3. Niveles de senal

Unas especificaciones importantes en el estandar EN50065 con respecto a la

Banda A CENELEC, son los niveles de tension maximos de la senal, de 134 dBµV

(equivalentes a 5 V) especificado en 9 kHz, y de 120 dBµV (equivalentes al 1 V)

especificado en 95 kHz. Otro parametro importante que fija la norma, es el nivel de

potencia maximo de transmision, el cual no debe exceder de 500 mW.

4.1.4. Eleccion del metodo de acoplamiento

Se seleccionara el metodo de Acoplamiento Capacitivo, debido a que es tipica-

mente utilizado en lıneas aereas de media tension. Este tipo de acoplamiento es

ampliamente utilizado, ofreciendo un buen rendimiento, tanto en banda angosta co-

mo en banda ancha, independientemente del tipo de cable y de la configuracion de la

Red. Tambien presenta una mınima atenuacion de la senal, es de tamano reducido,

ideal para lugares poco espaciosos, etc..

El principio de operacion de este dispositivo cumple con las caracterısticas de

propagacion que se han mencionado anteriormente (fase y neutro), por lo tanto,

debido a que los datos tecnicos de dicho Acoplador se adapta a los requerimientos

pretendidos, se selecciono el Acoplador Capacitivo CMC12 5N0 de Cipunet 2.

En la Figura 4.5 se muestra la imagen del Acoplador Capacitivo seleccionado.

Figura 4.5: Acoplador Capacitivo CMC12 5N0.

2Los datos tecnicos del Acoplador Capacitivo se presentan en el Apendice C

4.2. DISENO GENERAL 59

4.2. Diseno General

Debido a que hay estudios realizados con respecto al ruido en baja tension, y te-

niendo conocimiento de que este ambiente se ve mas perjudicado por este fenomeno,

con respecto a las lıneas de media tension, y a su vez la ausencia de estudios hechos

para esta ultima, se ha optado por seleccionar el nivel de ruido mas desfavorable

presente en baja tension. El nivel que se utilizara a continuacion sera adquirido del

estudio realizado en [10] y tiene un valor de 34 dBmV.

De lo mencionado en la seccion anterior, el nivel maximo de salida es de 5 V

(equivalente a So = 134 dBµV o bien 74 dBmV); y teniendo en cuenta las distintas

perdidas:

la perdida por acoplamiento, Pa = 2 x 1.4 dB = 2.8 dB.

la perdida por atenuacion tomando el peor caso de la atenuacion de lınea (20

kHz)siendo este, Pα = 12.03 dB/km.

la perdida debido al ruido presente en la lınea, NL = 34 dBmV.

obtenemos el valor de la S/N presente en 1 km de lınea

So − Pa − Pα −NL = S/N (dB/km) (4.15)

El resultado es =⇒ S/N = 25 dB/km

Como nuestra eleccion de S/N mınima es de 14 dB y en 1 km obtuvimos 25 dB,

tenemos 11 dB por encima del nivel mınimo indispensable, lo cual nos permite un

margen de 900 m mas. De esta manera habrıa que colocar un repetidor cada 1,9 km

aproximadamente.


Por lo tanto con todos los parametros seleccionados y calculados se presenta a

continuacion, a modo de resumen lo siguiente:

Tipo de transmision ............................. serie, half-duplex.

Modo de operacion................................ asıncrona.

Tipo de modulacion............................... OQPSK.

Rango de frecuencias............................. 9 a 95 kHz.

Tasa de transmision............................... 9600 bps

Frecuencia de portadora........................ 20 kHz.

Nivel maximo de tension a 9 Khz......... 5 V ≡ 74 dBmV

Nivel maximo de tension a 95 Khz........ 1 V ≡ 60 dBmV

Umbral de S/N...................................... 14 dB

BER....................................................... 10−6

Impedancia caracterıstica...................... Z0 = 445.5 Ω

Atenuacion............................................. α = 7.03 a 12.03 dB/km

Tipo de acoplamiento............................. Capacitivo (fase - neutro)

Capıtulo 5

Conclusiones

En este Capıtulo se exponen las conclusiones obtenidas a traves del desarrollo

del trabajo. En la Seccion 5.2 se proponen algunos trabajos futuros a seguir bajo

esta misma lınea de investigacion.

5.1. Conclusiones

En este trabajo se presento el analisis y diseno de un Sistema de Comunicaciones

PLC de Banda Angosta, para lıneas de media tension. El objetivo principal fue hacer

un estudio sobre este nicho de la tecnologıa PLC, el cual se encuentra muy poco de-

sarrollado. Debido a esto se decidio resolver estas inquietudes, segun las necesidades

del Ente Provincial de Energıa del Neuquen y/o empresas de servicios electricos.

Luego de realizar la eleccion de un metodo de modulacion robusta, como lo es

QPSK, junto con el codificador diferencial de codigo de GRAY que aporta una de-

teccion de errores mas eficiente que la modulacion QPSK convencional, se realizo el

diseno a nivel de bloques de un MODEM PLC, que si bien no se brindaron de-

talles como se harıa con un dispositivo de mercado, se exhibieron y calcularon los

parametros mas destacados que hacen a la funcion de este.

A partir de considerar, como se menciono anteriormente, que el Sistema PLC

sobre lineas de media tension no se encuentra tan desarrollado como los hay en baja

61

62 CAPITULO 5. CONCLUSIONES

tension, se tomaron en consideracion estudios realizados en baja tension y sabiendo

que estos presentan caracterısticas mas hostiles, se decidio emplear el peor caso de

ruido presente en la red de baja tension.

Otra cuestion importante fue contrastar el valor de la Impedancia Caracterıstica,

obtenido teoricamente, con respecto a estudios realizados por una importante em-

presa de comunicaciones como lo es Cipunet, los cuales dieron valores aproximados.

De esta manera se pudo llegar a calcular el valor de la atenuacion lo cual es muy

importante, para saber hasta que distancia se propaga la senal sin la necesidad de

un repetidor y para dejar un precedente para futuros trabajos que se realizen sobre

el tema.

Es importante destacar que todo este diseno, fue realizado bajo un marco teorico,

y llevarlo a la practica puede implicar realizarle ciertas correcciones, pero siempre

tomando como patron los valores obtenidos en este proyecto.

Por lo expuesto anteriormente y teniendo en cuenta los resultados de los calculos

realizados, consideramos que el Sistema de Comunicaciones PLC disenado, alcanza

satisfactoriamente los objetivos propuestos para este trabajo.

5.2. Trabajos futuros

Dado que la realizacion de este trabajo se formulo de manera teorica debido

a cuestiones economicas, ya que realizar una implementacion practica del diseno

implicarıa un elevado costo y una demanda de tiempo que supera el alcance de esta

tesis de grado, se propone como una continuacion, emplear este proyecto como base

para realizar pruebas de campo con un empresa proveedora de servicios electricos.

Otro aplicacion referida a los sistemas de telemedicion PLC, podrıa ser la reali-

zacion de un canal de voz, paralelo a la transmision de datos de control, dado el poco

requirimiento de ancho de banda que necesita la voz. Esto serıa una implementacion

muy util, ya que permitirıa a un operario comunicarse con la Central de Operaciones

y comunicar el problema a resolver.

Apendice A

Puerto Serie RS-232 y UART

A.1. Puerto serie RS232

El puerto serie de la PC es compatible con el estandar RS-232C. A raız de que

muchas empresas fabricaban equipos con diferentes interfaces entre ellos la EIA

(Asociacion de Industrias Electronicas) llevo a cabo las especificaciones RS 232

identificando la descripcion mecanica, electrica y funcional para la interfaz entre el

DTE (Equipo Terminal de Datos, PC) y el DCE (Equipo de terminacion de Circuito

de Datos, habitualmente modem ).El estandar especifica 25 pins de senal, y que el

conector de DTE debe ser macho y el conector de DCE hembra. Los conectores mas

usados son el DB-25 macho, pero muchos de los 25 pins no son necesarios. Por esta

razon en muchos PC modernos se utilizan los DB-9 macho. Los voltajes para un

nivel logico alto estan entre -3V y -15V. Un nivel logico bajo tendra un voltaje entre

+3V y +15V. Los voltajes mas usados son +12V y -12V. La interfaz RS 232 esta

disenada para la transmision serial de datos, hasta 20000 bps para una distancia de

15 mts o menos.

Las senales mas utilizadas se listan a continuacion:

/DTR (Data-Terminal-Ready): El PC indica al modem que esta encendido y

listo para enviar datos.

/DSR (Data-Set-Ready): El modem indica al PC que esta encendido y listo para

63

64 APENDICE A. PUERTO SERIE RS-232 Y UART

transmitir o recibir datos.

/RTS (Request-To-Send): El PC pone esta senal a 1 cuando tiene un caracter

listo para ser enviado.

/CD (Carrier-Detect): El modem pone esta senal a 1 cuando ha detectado el

ordenador.

/CTS (Clear-To-Send): El modem esta preparado para transmitir datos. El or-

denador empezara a enviar datos al modem.

TxD: El modem recibe datos desde el PC.

RxD: El modem transmite datos al PC.

A.2. UART

El circuito integrado que convierte los datos de paralelo a serie y viceversa se

llama UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). El UART se usa para

transmision asıncrona de datos, entre el DTE y el DCE. La transmision asıncrona

significa que un formato de datos asıncronos se usa y no hay informacion de medida

transferida entre el DTE y el DCE. Las funciones primarias del UART son:

Realizar una conversion de datos de serial a paralelo y de paralelo a serial.

Realizar una deteccion de errores insertando y revisando los bits de paridad.

Insertar y detectar los bits de arranque y parada.

Antes de datos en cualquier direccion, se debe programar una palabra control en

el registro de control UART, para indicar la naturaleza de los datos, tales como el

numero de bits de datos, si se usa paridad, y si ası es, si es par o impar; y el numero

de bits de parada. Esencialmente, el bit de arranque es el unico bit que no tiene

opcion; siempre hay un solo bit de arranque y debe ser 0 logico.

Ocho bits de datos (D0-D7) conectan la UART al bus de datos del PC. La

entrada de chip select habilita el circuito integrado cuando es seleccionado por el

A.2. UART 65

bus de control de la PC. Este circuito integrado tiene dos direcciones internas, una

direccion de control y una de datos. La direccion de control queda seleccionada

cuando la entrada /CD ( Carrier detect, el modem pone esta senal a 1 cuando ha

detectado el ordenador) esta seleccionada a nivel alto. La direccion de datos queda

seleccionada cuando la entrada /CD esta a nivel bajo. La senal de RESET resetea

el circuito integrado. Cuando /RD esta a nivel bajo el ordenador lee un byte de

control o de datos byte. La senal /WR es habilitada por PC para escribir un byte.

Las dos senales estan conectadas a las senales de control del sistema con los mismos

nombres.

El UART incluye cuatro registros internos:

THR: Registro temporal de salida.

TSR: Registro de salida.

RDR: Registro de entrada.

RSR: Registro temporal de entrada.

Cada caracter a transmitir es almacenado en el registro THR. La UART anade

los bits de comienzo y de parada. Luego copia todos los bits (datos, comienzo y

parada) al registro TSR. Para acabar el proceso los bits son enviados a la lınea a

traves de la senal TD.Cada caracter recibido de la lınea RD es almacenada en el

registro RSR. Los bits de comienzo y parada son eliminados y la UART escribe el

caracter en el registro RDR. Para acabar el proceso el caracter es leıdo por el PC.

Control de flujo

Un aspecto importante de la comunicacion serial es el concepto de control de

flujo. Esta es la habilidad de un dispositivo de decirle a otro que pare de enviar

datos por un tiempo. Los comandos Request to send (RTS), Clear To Send(CTS),

Data Terminal Ready(DTR) y Data Set Ready(DSR), son usados para permitir el

control de flujo. El control de flujo funciona ası, el modem puede parar el flujo de

datos de la computadora antes de que agote el buffer del modem. La computadora

66 APENDICE A. PUERTO SERIE RS-232 Y UART

esta enviando constantemente una senal de Peticion de Envio (RTS) y checando por

una senal en el pin Libre para enviar (CTS). Si no hay una respuesta por este pin,

la computadora para de enviar informacion, esperando hasta que le llegue la senal

CTS para resumir. Esto permite que el modem mantenga un flujo de datos corriendo

finamente.

Apendice B

Hojas Caracterısticas: PIC 16F7X

y LM 1596/1496

En este Apendice se adjuntan las hojas caracterıtisticas de los dispositivos em-

pleados en el MODEM PLC.

B.1. PIC 16F7X

En la Seccion B.1, se presenta uno de los dos modulos serie del dispositivo, el

cual sera configurado para trabajar en modo full duplex con operacion asıncrona.

En las Figuras B.1 y B.2 se muestra lo mencionado anteriormente.

B.2. LM 1596/1496

En la Seccion B.2, se describe el modulador - demodulador balanceado LM

1596/1496, que produce una senal de salida proporcional al producto de una ten-

sion de entrada con la senal portadora. En la Figura B.3 se presenta lo ya senalado

anteriormente.

67

68 APENDICE B. HOJAS CARACTERISTICAS: PIC 16F7X Y LM 1596/1496

Figura B.1: PIC 16F7X

B.2. LM 1596/1496 69

Figura B.2: PIC 16F7X

70 APENDICE B. HOJAS CARACTERISTICAS: PIC 16F7X Y LM 1596/1496

Figura B.3: LM 1596/1496

Apendice C

Acoplamiento Capacitivo y Cables

“Pirelli”

En este Apendice se anexan las hojas caracterıtisticas del dispositivo de Acoplamien-

to Capacitivo y del tipo de cable empleado en las lıneas aereas de media tension.

C.1. Acoplamiento Capacitivo

Luego de haber realizado una busqueda exaustiva sobre este tipo de dispositivos

en el mercado, se decidio recurrir al producto CMC12 5N0 fabricado por Cipunet,

dado que ha sido el que mejor se adapto a los requerimientos del diseno.

C.2. Cables Pirelli

Se realizo la eleccion de este tipo de cable, debido a que segun informacion brinda-

da por gente idonea en el tema, el cable mas utilizado en las lıneas de media tension

es el cable marca Pirelli, el cual se adjunta la hoja caracterıstica a continuacion.

71

72 APENDICE C. ACOPLAMIENTO CAPACITIVO Y CABLES “PIRELLI”

Figura C.1: Acoplador Capacitivo CMC12 5N0

C.2. CABLES PIRELLI 73

Figura C.2: Datos tecnicos del cable Pirelli

74 APENDICE C. ACOPLAMIENTO CAPACITIVO Y CABLES “PIRELLI”

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TRANSMISION DE DATOS POR LA¶ RED ELECTRICA (PLC) EN …