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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
4 CAPITULO 1. INTRODUCCION
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
6 CAPITULO 1. INTRODUCCION
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
1.4. INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA PLC 7
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-
8 CAPITULO 1. INTRODUCCION
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.
1.4. INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA PLC 9
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
10 CAPITULO 1. INTRODUCCION
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.
1.4. INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA PLC 11
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.
12 CAPITULO 1. INTRODUCCION
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
16 CAPITULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICION
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.
18 CAPITULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICION
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).
20 CAPITULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICION
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-
2.5. METODOS DE MODULACION 21
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
22 CAPITULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICION
= 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.
2.5. METODOS DE MODULACION 23
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
.
24 CAPITULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICION
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
26 CAPITULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICION
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
28 CAPITULO 2. DETALLES DE LOS SISTEMAS DE TELEMEDICION
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
32 CAPITULO 3. PARAMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC
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-
3.1. REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA 33
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)
34 CAPITULO 3. PARAMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC
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
3.1. REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA 35
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.
36 CAPITULO 3. PARAMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC
[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
38 CAPITULO 3. PARAMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC
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
40 CAPITULO 3. PARAMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC
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
42 CAPITULO 3. PARAMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC
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.
44 CAPITULO 3. PARAMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC
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.
46 CAPITULO 3. PARAMETROS DE LA RED Y DEL SISTEMA PLC
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)
50 CAPITULO 4. DISENO
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
4.1. CALCULOS REQUERIDOS PARA EL DISENO 51
encuentra a una altura dada, se calcula de la siguiente manera:
Z0(h) =η
2πln(
2h
a) (4.5)
en donde
η =
õ0
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
52 CAPITULO 4. DISENO
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.
4.1. CALCULOS REQUERIDOS PARA EL DISENO 53
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)
54 CAPITULO 4. DISENO
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
4.1. CALCULOS REQUERIDOS PARA EL DISENO 55
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.
56 CAPITULO 4. DISENO
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
4.1. CALCULOS REQUERIDOS PARA EL DISENO 57
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.
58 CAPITULO 4. DISENO
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.
60 CAPITULO 4. DISENO
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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