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CAPÍTULO IV
SISTEMA AUTOMATIZADO DE MEDIDA
Índice
CAPÍTULO IV. SISTEMA AUTOMATIZADO DE MEDIDA
ÍNDICE
4.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 4.1
4.1.1. ANTECEDENTES DE LA MEDICIÓN DE ELECTRICIDAD............................. 4.1
4.1.2. NECESIDAD DE LA MEDICIÓN AUTOMÁTICA DE ELECTRICIDAD ............... 4.1
4.1.3. SISTEMA AUTOMATIZADO DE MEDIDA Y PERSPECTIVAS DE FUTURO ...... 4.3
4.2. TOPOLOGÍA DE REDES. .............................................................................. 4.5
4.2.1. TOPOLOGÍA ESTRELLA........................................................................ 4.6
4.2.2. TOPOLOGÍA EN BUS............................................................................ 4.7
4.2.3. TOPOLOGÍA EN ANILLO ....................................................................... 4.8
4.2.4. ELECCIÓN DE LA TOPOLOGÍA ........................................................... 4.10
4.2.5. ELEMENTOS DE LA RED .................................................................... 4.12
4.3. PROTOCOLOS DE COMUNICACIONES.................................................... 4.14
4.3.1. SCP (SIMPLE CONTROL PROTOCOL)................................................ 4.15
4.3.2. CEBUS (CONSUMER ELECTRONIC BUS) ........................................... 4.17
4.3.3. X-10................................................................................................ 4.19
4.3.4. LONWORKS ..................................................................................... 4.21
4.3.5. EHS (EUROPEAN HOME SISTEM) ..................................................... 4.25
4.3.6. KONNEX .......................................................................................... 4.27
4.4. ARQUITECTURA DE LOS SISTEMAS DE MEDICIÓN REMOTA.............. 4.28
4.4.1. INSTALACIONES DE MEDICIÓN ........................................................... 4.29
4.4.2. MEDIOS DE COMUNICACIÓN.............................................................. 4.31
4.4.3. CENTROS DE CONTROL.................................................................... 4.33
Índice
4.5. ESTÁNDARES ............................................................................................. 4.34
4.5.1. UCA 2.0: UTILITY COMMUNICATIONS ARCHITECTURE ...................... 4.35
4.5.2. DLMS: DEVICE LANGUAGE MESSAGE SPECIFICATION....................... 4.36
4.6. TRANSMISIÓN DE DATOS A TRAVÉS DE LA LÍNEA DE TENSIÓN........ 4.38
4.6.1. ÁMBITO DEL PLC ............................................................................. 4.39
4.6.2. BANDAS DE UTILIZACIÓN................................................................... 4.41
4.6.3. INTERFERENCIAS GENERADAS POR PLC........................................... 4.43
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4.1
4.
4.1. INTRODUCCIÓN
4.1.1. ANTECEDENTES DE LA MEDICIÓN DE ELECTRICIDAD
Las compañías eléctricas generan, transmiten y distribuyen la electricidad a los consumidores y
para cobrar por el servicio prestado.
Las compañías de suministro de electricidad instalaban en cada uno de los puntos de
facturación un medidor, y periódicamente el personal autorizado realizaba de forma manual y
local la lectura en el medidor del servicio y anotaba el consumo correspondiente.
A medida que ha ido creciendo la cantidad de clientes, esta tarea ha ido demandando gran
cantidad de mano de obra y la frecuencia de medición ha ido disminuyendo. Como
consecuencia propia de la operación manual se producían errores en perjuicio de los clientes,
que tenían que pagar una tarifa más alta, y de las compañías, que tenían que invertir recursos
en el procesamiento de las reclamaciones.
Este sistema de medición tiene el inconveniente por tanto de ser poco eficiente, ya que emplea
muchos recursos humanos y esto no se traduce en una mejora del servicio. Por ejemplo en el
caso de hogares donde el medidor está dentro de la propiedad, demanda la presencia de
alguna persona en el domicilio para realizar la medición.
La situación ha provocado que se haya buscado en las nuevas tecnologías una solución para
estos problemas, mejorando así la calidad del servicio, la fiabilidad de las lecturas y la
rentabilidad.
4.1.2. NECESIDAD DE LA MEDICIÓN AUTOMÁTICA DE ELECTRICIDAD
La facturación mensual por concepto del suministro de electricidad para hogares y residencias,
es uno de los problemas que tienen planteados las compañías proveedoras.
Mejora del Servicio
Como consecuencia del crecimiento constante en el numero de clientes, las compañías
proveedoras tienen que realizar importantes inversiones tanto en recursos humanos como en
tiempo, añadiendo los errores por la operación manual de lectura.
La implementación de sistemas de lectura automática trae como consecuencia un reclamo
constante de clientes. Hay una mejora de la frecuencia de lecturas y de la frecuencia de
transmisión de la información.
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4.2
Además, los nuevos sistemas son capaces de proporcionar nuevos servicios en los que la
medición juega un papel importante, son los que se refieren al prepago y al control del
consumo y la demanda, con los que el consumidor obtiene un control y una información
completa del consumo.
Mejora de la tecnología
El desarrollo de plataformas públicas de comunicaciones así como el desarrollo de
componentes electrónicos más baratos, han hecho factible la implantación de sistemas de
medición remota. Estos sistemas aprovechan las redes públicas ya instaladas para obtener de
cada residencia las medidas de consumo, sin necesidad de emplear personal de campo, y de
esta forma hacer una facturación más transparente al usuario. Adicionalmente se pueden
obtener otros parámetros que permitan mejorar la calidad del servicio.
Liberalización del mercado
La desregulación de los mercados de energía trae nuevas oportunidades y retos, tanto para las
compañías de electricidad como para los consumidores.
La compra-venta de electricidad en un mercado abierto requiere de participantes bien
informados para analizar las condiciones del mercado, éstos necesitan conocer cuanta energía
se consume, en qué tiempo y en qué lugar de los circuitos eléctricos. La falta de un buen
sistema de medición es una de las principales barreras que impide a los participantes
beneficiarse de las oportunidades de un mercado abierto.
Diversos países han instrumentado esquemas de medición para ambientes desregulados.
Inglaterra es un buen ejemplo de la importancia de la medición en un ambiente de este tipo, en
donde la energía se cotiza por medias horas; esto significa oportunidades para los participantes
del mercado en el sentido de ofrecer diferentes tarifas a diferentes horas del día. Los
consumidores deben conocer sus perfiles de carga y necesidades de energía cada hora del
día; por tanto, los requerimientos de los sistemas de medición son más estrictos que en los
esquemas tradicionales.
Con esto se considera la medición no solamente como un costo para ver información sobre la
energía, sino como una tecnología estratégica, un medio de obtener y retener clientes,
entender el mercado, ofrecer nuevos productos y servicios y expandir negocios.
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Robo de energía
Se piensa que con la desregulación el robo de energía podría crecer exponencialmente.
También se piensa que la tecnología AMR ayudará a aliviar esta problemática, ya que es
posible llevar a cabo estadísticas de consumos y observar cambios bruscos en éstos.
Por otro lado AMR incluye los beneficios siguientes: bajo costo de la lectura de medición,
mediciones exactas y eliminación de estimaciones; en otras palabras, se cree que
consumidores satisfechos son menos propensos a realizar robos de energía.
4.1.3. SISTEMA AUTOMATIZADO DE MEDIDA Y PERSPECTIVAS DE FUTURO
Recientemente se han desarrollado tres áreas que han permitido implementar nuevas técnicas
de medición y facturación más eficientes, fiables y económicas:
El desarrollo de la electrónica que ha traído como consecuencia la
aparición de equipos de medición más precisos y económicos
llamado comúnmente "Instrumentación Inteligente"
Los avances en los sistemas de comunicaciones y las redes públicas que brindan
diversas formas de conectarse remotamente y en forma bidireccional, los dispositivos
inteligentes instalados en cada residencia y los centros de control o facturación
El desarrollo de sistemas basados en hardware normalizado de fácil adquisición en el
mercado y de software especializado en este tipo de aplicaciones
La integración de éstos ha permitido la implantación de soluciones que recolectan la
información de consumo de una forma rápida y eficiente, y generan una factura "libre de
errores".
Estos tres elementos componen los sistemas de lectura remota conocidos por su siglas en
ingles AMR (Automatic Meter Reading).
El desarrollo e implantación de la medición automática permitirá a las compañías proveedoras
de servicio de electricidad, poseer un sistema de facturación totalmente automatizado, y
monitorizar en tiempo real la calidad de su servicio.
Los departamentos para las reclamaciones serán más eficientes y los tiempos de respuesta a
los clientes disminuirán.
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Cada hogar poseerá un centro de monitorización que le permitirá obtener información
importante acerca de su consumo, que les ayudará a optimizar el uso de cada uno de los
servicios.
Se prevé la aparición de compañías encargadas de la facturación integral de servicios, la cual
se encargará de emitir una factura única de servicios de electricidad agua y gas, y procesar las
reclamaciones en cada uno de ellos. Esta modalidad simplificaría los trámites de pago para el
cliente y reduciría los costos para los diversos proveedores.
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4.2. TOPOLOGÍA DE REDES.
El sistema de lectura remota mediante PLC sólo soluciona la comunicación entre los distintos
centros de distribución y los contadores utilizando, como se ha dicho, la red de baja tensión.
La comunicación por tanto entre los centros de distribución y la central de datos donde se
recibe toda la información de los distintos contadores y se procesa se realiza mediante una red
de comunicaciones diferente, con mucha mayor capacidad, ya que el flujo de datos va a ser
mucho mayor.
Hay distintas topologías de redes que se pueden emplear para ello, y
cada una de ellas presenta unas ventajas y unos inconvenientes que
se detallan a continuación.
Se llama topología de una Red al patrón de conexión entre sus nodos,
es decir, a la forma en que están interconectados los distintos nodos
que la forman.
Los criterios a la hora de elegir una topología, en general, buscan que eviten el coste del
encaminamiento (necesidad de elegir los caminos más simples entre el nodo y los demás),
dejando en segundo plano factores como la renta mínima, el coste mínimo, etc. Otro criterio
determinante es la tolerancia a fallos o facilidad de localización de éstos. También tenemos que
tener en cuenta la facilidad de instalación y reconfiguración de la Red.
Topología punto-a-punto
La topología punto-a-punto (point-to-point o PTP) conecta dos nodos directamente. Por
ejemplo, dos computadoras comunicándose por módems, una terminal conectándose con una
mainframe, o una estación de trabajo comunicándose a lo largo de un cable paralelo con una
impresora.
En un enlace PTP, dos dispositivos monopolizan un medio de comunicación. Debido a que no
se comparte el medio, no se necesita un mecanismo para identificar las computadoras, y por lo
tanto, no hay necesidad de direccionamiento.
Topología multipunto
La topología multipunto enlaza tres o más dispositivos juntos a través de un sistema de
comunicación. Debido a que esta topología comparte un canal común, cada dispositivo
necesita identificarse e identificar el dispositivo al cual se quiere mandar información.
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Este dispositivo para identificar transmisores y receptores se llama direccionamiento. Hay tres
clases generales de topología utilizadas en redes multipunto:
Topología tipo Estrella, en la que todos los nodos se conectan a uno central
Topología tipo Bus, los nodos están unidos por un cable a modo de espina dorsal
Topología tipo Anillo, con los nodos encadenados en forma circular
A partir de ellas derivan otras que reciben nombres distintos dependiendo de las técnicas que
se utilicen para acceder a la red o para aumentar su tamaño.
Algunas personas consideran que topología Estrella no se adapta a la filosofía de una red,
donde uno de los factores más característicos es la distribución de la capacidad de proceso por
toda la red. En una Red Estrella gran parte de la capacidad de proceso y funcionamiento de la
Red estarán concentradas en el nodo central, el cual deberá de ser muy complejo y muy rápido
para dar un servicio satisfactorio a todos los nodos.
Se puede hacer cualquier combinación de estas clases de topologías, dependiendo de las
características deseadas de la red, o incluso, se pueden conectar todos los ordenadores entre
sí dando lugar a una red mallada.
4.2.1. TOPOLOGÍA ESTRELLA
La topología en estrella se caracteriza por tener todos
sus nodos conectados a un controlador central. Todas
las transacciones pasan a través del nodo central,
siendo éste el encargado de gestionar y controlar todas
las comunicaciones.
Por este motivo, el fallo de un nodo en particular es fácil
de detectar y no daña el resto de la red, pero un fallo en
el nodo central desactiva la red completa.
Una forma de evitar un solo controlador central y además aumentar el límite de conexión de
nodos, así como una mejor adaptación al entorno, sería utilizar una topología en estrella
distribuida. Este tipo de topología está basada en la topología en estrella pero distribuyendo los
nodos en varios controladores centrales. El inconveniente de este tipo de topología es que
aumenta el número de puntos de mantenimiento.
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4.2.2. TOPOLOGÍA EN BUS
Una Red en forma de Bus o Canal de difusión
es un camino de comunicación bidireccional
con puntos de terminación bien definidos.
Cuando una estación trasmite, la señal se
propaga a ambos lados del emisor hacia
todas las estaciones conectadas al Bus hasta
llegar a las terminaciones del mismo.
Así, cuando una estación trasmite su mensaje alcanza a todas las estaciones, por esto el Bus
recibe el nombre de canal de difusión.
Otra propiedad interesante es que el Bus actúa como medio pasivo y por lo tanto, en caso de
extender la longitud de la red, el mensaje no debe ser regenerado por repetidores que deben
ser muy fiables para mantener el funcionamiento de la red.
En este tipo de topología cualquier ruptura en el cable impide la operación normal y es muy
difícil de detectar. Por el contrario, el fallo de cualquier nodo no impide que la red siga
funcionando normalmente, lo que permite añadir o quitar nodos a la red sin interrumpir su
funcionamiento.
Topología en Árbol
Es una variación de la topología en Bus, en la cual
el Bus se extiende en más de una dirección
facilitando el cableado central al que se le añaden
varios cables complementarios.
La técnica que se emplea para hacer llegar la señal
a todos los nodos es usar dos frecuencias distintas
para recibir y transmitir. Las características dichas
para el Bus siguen siendo válidas para el árbol.
El Bus es una topología pasiva. Los ordenadores en un bus sólo escuchan para datos que
estén siendo enviados por la red. Ellos no son responsables de mover los datos desde un
ordenador al siguiente. Si un ordenador falla, no afecta al resto de la red. En una topología
activa los ordenadores regeneran las señales y mueven los datos a lo largo de la red.
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4.2.3. TOPOLOGÍA EN ANILLO
Esta se caracteriza por un camino unidireccional cerrado que conecta todos los nodos.
Dependiendo del control de acceso al medio, se dan nombres distintos a esta topología:
Bucle: Se utiliza para designar aquellos anillos en los que el control de acceso está
centralizado (una de las estaciones se encarga de controlar el acceso a la red)
Anillo: Se utiliza cuando el control de acceso está distribuido por toda la red
Como las características de uno y otro tipo de la red son
prácticamente las mismas, se utiliza el término anillo para las
dos.
En cuanto a fiabilidad, presenta características similares al Bus:
la avería de una estación puede aislarse fácilmente, pero una
avería en el cable inutiliza la red. Sin embargo, un problema de
este tipo es más fácil de localizar, ya que el cable se encuentra
físicamente dividido por las estaciones.
Las redes de éste tipo, a menudo, se conectan formando topologías físicas distintas al anillo,
pero conservando la estructura lógica (camino lógico unidireccional) de éste. Un ejemplo de
esto es la topología en anillo / estrella.
En esta topología los nodos están unidos físicamente a un conector central llamado
concentrador de cables o centro de cableado en forma de estrella, aunque se sigue
conservando la lógica del anillo (los mensajes pasan por todos los nodos). Cuando uno de los
nodos falla, el concentrador aísla el nodo dañado del resto del anillo y permite que continúe el
funcionamiento normal de la red. Un concentrador admite del orden de 10 nodos.
Para expandir el anillo, se pueden conectar varios concentradores entre sí formando otro anillo,
de forma que los procedimientos de acceso siguen siendo los mismos. Para prevenir fallos en
esta configuración se puede utilizar un anillo de protección o respaldo. De esta forma se ve
como un anillo, en realidad, proporciona un enlace de comunicaciones muy fiable ya que no
sólo se minimiza la posibilidad de fallo, sino que éste queda aislado y localizado (fácil
mantenimiento de la red).
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4.9
Paso de Testigo
Un método de transmitir datos alrededor de un anillo es llamado paso de testigo. El testigo es
pasado desde un ordenador a otro hasta que encuentra uno que tiene datos para enviar. El
ordenador que envía modifica el testigo, pone una dirección electrónica en el dato y lo envía
alrededor del anillo.
El dato pasa por cada ordenador hasta que encuentra uno con una dirección que coincide con
la almacenada en el dato.
El ordenador receptor devuelve un mensaje al emisor indicando que el dato ha sido recibido.
Después de la verificación, el emisor crea un nuevo testigo y lo libera en la red. El protocolo de
acceso al medio debe incluir mecanismos para retirar el paquete de datos de la red una vez
llegado a su destino.
Resumiendo, una topología en anillo no es excesivamente difícil de instalar, aunque gaste más
cable que un Bus, pero el coste de mantenimiento sin puntos centralizadores puede ser
intolerable. La combinación estrella /anillo puede proporcionar una topología muy fiable sin el
coste exagerado de cable como estrella pura.
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4.2.4. ELECCIÓN DE LA TOPOLOGÍA
Hay varios factores a considerar cuando se determina que topología cubre las necesidades de
una organización. El escoger una topología apropiada para su red es a menudo difícil. La red
más comúnmente instalada hoy en día es el bus en estrella, pero eso no satisface todas las
necesidades.
Hay varios criterios que puede utilizar:
Fiabilidad. Si necesita una red extremadamente fiable con redundancia implícita,
deberá considerar elegir entre una red en anillo o una de estrella conectada en anillo
Coste. Hay al menos tres consideraciones a tener en cuenta para estimar el costo de
implementar una determinada topología
Instalación
Mantenimiento e Investigación de problemas
Posibles ampliaciones
4.2.4.1. Bus
Ventajas:
El cable es barato y fácil de trabajar
Simple, segura y fácil de extender
Fácil de extender
Inconvenientes:
La red puede caer con tráfico fuerte
Los problemas son difíciles de aislar
La rotura del cable puede afectar a muchos usuarios
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4.2.4.2. Anillo
Ventajas:
Acceso igual para todos los ordenadores
Prestaciones uniformes a pesar de la existencia de muchos usuarios
Inconvenientes:
El fallo de un ordenador puede impactar al resto de la red
Problemas difíciles de aislar
La reconfiguración de la red interrumpe las operaciones
4.2.4.3. Estrella y Árbol
Ventajas:
Fácil de modificar y añadir nuevos ordenadores
Monitorización y manejo centralizado
El fallo de un ordenador no afecta al resto de la red
Inconvenientes:
Si el punto centralizado falla, la red falla
La planificación es muy importante en la implantación de una red que debe tener en cuenta el
crecimiento potencial e identificará factores que revelarán qué tipo de red es la más adecuada.
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4.2.5. ELEMENTOS DE LA RED
Compuerta
Se conoce también como un convertidor de protocolos y se emplea como interfaz de protocolos
de redes diferentes. Se utiliza en una variedad de aplicaciones donde las computadoras de
diferentes manufacturas y tecnologías deben comunicarse.
La información que pasa a través de los gateways es información par a par que viene de las
aplicaciones, de las interfaces y de los programas del usuario final.
Estos dispositivos son lentos y delicados por lo que no se requieren para una alta velocidad de
intercambio de información.
Conmutador de datos
Son dispositivos para proveer un enlace dedicado de alta velocidad entre segmentos de redes
de cómputo. Los sistemas generalmente se utilizan en aplicaciones en las que el tráfico de una
serie de estaciones de trabajo (workstation), necesita alcanzar un simple servidor.
Los data switches trabajan en la capa de enlace de datos y, opcionalmente, dependiendo del
fabricante, en la capa de red del modelo de referencia OSI.
Se emplean al conectar redes que acceden y comparten datos entre la misma serie de
servidores y estaciones de trabajo.
Repetidor
Este dispositivo es el más rápido. Se usa para extender las longitudes físicas de las redes, pero
no contiene inteligencia para funciones de enrutamiento. Un repetidor se utiliza cuando dos
segmentos están acercando sus longitudes físicas máximas, las cuales son limitadas en
cableado.
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Puente
Trabaja en las capas físicas y de enlace de datos del modelo de referencia OSI, no cuida que
los protocolos de red estén en uso, sólo prueba la transferencia de paquetes entre las redes.
Con el empleo de un puente la información se intercambia entre los nodos por medio de
direcciones físicas. El puente normalmente se utiliza para dividir una gran red dentro de área
pequeñas, con lo que se reduce la carga de tráfico y se incrementa el rendimiento.
Enrutador
Este dispositivo se emplea para traducir la información de una red a otra. La información se
intercambia mediante direcciones lógicas. Funciona en la capa de red del modelo de referencia
OSI; por lo que aunque un enrutador tiene acceso a la información física sólo se intercambia
información lógica.
Terminador
Debido a que las señales electrónicas son enviados por toda la red, viajan desde un extremo
del cable al otro. Si se permitiera que la señal continuara ininterrumpidamente, podría rebotar
para atrás y para delante a lo largo del cable e impedir a otros ordenadores enviar señales.
La señal debe ser parada después de que haya tenido la oportunidad de alcanzar la dirección
de destino apropiada, y para detener el rebote de la señal y absorber las señales libres, se
sitúa un componente llamado Terminador en cada extremo del cable. Con esto se limpia el
cable y otros componentes pueden enviar y recibir datos sin interferencias.
Hubs
Un hub es un concentrador y se usa como el componente central de una topología en estrella.
La mayoría de los hubs son activos en tanto que regeneran y retransmiten las señales igual
que hace un repetidor. De hecho, dado que los hubs usualmente tienen 8 ó 12 puertas para
conectar ordenadores de red, son llamados a veces repetidores multipuerta. Los hubs activos
requieren alimentación electrónica para funcionar.
Algunos tipos de hubs son pasivos, por ejemplo, paneles de cableado o bloques agujereados
(punchdown blocks ). Actúan como puntos de conexión y no amplifican o regeneran la señal; la
señal pasa a través del hub. No requieren alimentación eléctrica.
También hay Hubs Híbridos que son Hubs avanzados que pueden acomodar diferentes tipos
de cables.
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4.3. PROTOCOLOS DE COMUNICACIONES
Los protocolos son reglas y procedimientos técnicos que gobiernan la comunicación e
interacción entre ordenadores. El uso de las reglas de comunicación se aplican en el entorno
de los ordenadores cuando varios ordenadores conectados a una red.
Hay distintos tipos de protocolos. Cada protocolo permite comunicaciones básicas, tienen
propósitos diferentes y realizan tareas diferentes, y cada uno tiene sus propias ventajas y
restricciones.
Algunos protocolos trabajan en varios niveles OSI. El nivel en el que trabaja un protocolo
describe su función. Por ejemplo, un cierto protocolo que trabaja en el nivel Físico, asegura que
el paquete de datos pasa a través de la tarjeta de red y sale al cable.
Varios protocolos pueden trabajar juntos en los que es conocido como un stack de protocolos,
o suite. Los niveles en el stack de protocolos o corresponden con los niveles del modelo OSI.
Tomados juntos, los protocolos describen la totalidad de funciones y capacidades del sistema.
A continuación se detallan algunos protocolos con fuerte presencia en Europa y EEUU que
utilizan la Red Eléctrica como medio de transmisión. No existe un estándar único en el mercado
pudiéndose optar entre diferentes sistemas propietarios como son Cebus, Lontalk, X10, etc.
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4.3.1. SCP (SIMPLE CONTROL PROTOCOL)
Es un intento del gigante Microsoft, y de la mayor empresa del mundo
(por facturación y empleados) General Electric, de crear un protocolo
para redes de control que consiga afianzarse como la solución, de facto, en todas las
aplicaciones de automatización de edificios y viviendas.
Se trata de poner un poco de orden en la oferta que hay ahora mismo en EEUU para estos
temas (X-10, CEBus, Lonworks, otros) y auspiciar la convergencia de todos estos hacia un
protocolo abierto y libre de royalties, además de desarrollar un conjunto de productos que
cubran todos los requisitos de automatización de las viviendas.
Para el desarrollo de este protocolo, no se ha partido de cero, el CIC (CEBus Industry Council)
junto con las empresas que auspician el desarrollo del UPnP (Universal Plug&Play), se unieron
a trabajar desde el principio en esta convergencia.
Por otro lado UPnP es una iniciativa que pretende ser la solución estándar para todos lo
problemas de instalación y configuración de una red de dispositivos pequeños o grandes,
facilitando así la vida al usuario final. Hay que recalcar que el UPnP y el Jini (Sun
Microsystems) son iniciativas que tienen objetivo similares y que por lo tanto se están
desarrollando en competencia.
4.3.1.1. Nivel Físico
A nivel físico el SCP ha escogido una solución basada la transmisión de datos por las líneas de
baja tensión (ondas portadoras) que ya estaba desarrollada, el CEBus. Gracias a esto, el
estándar CEBus está disfrutando de una segunda oportunidad después de varios años de
existencia con una implantación escasa. En este punto hay que recalcar que en EEUU, donde
llevan varios años de adelanto en la implantación de sistemas domóticos respecto a Europa, el
X-10, en el mercado residencial y el Lonworks, en el mercado profesional, tienen copado el
mercado.
Usa las líneas eléctricas como medio de transmisión, por lo que no es necesario cablear la
vivienda para acceder a los dispositivos, aunque está previsto el desarrollo de varios medios
físicos adicionales como el par trenzado y la radiofrecuencia.
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4.3.1.2. Protocolo
El SCP esta optimizado para su uso en dispositivos de eléctricos y electrónicos que tienen una
memoria y una capacidad de proceso muy limitadas. Al igual que otros buses o protocolos de
control distribuido, el SCP está diseñado para funcionar sobre redes de control con un ancho
de banda muy pequeño (< 10 Kbps) y optimizado para las condiciones de ruido características
de las líneas de baja tensión (Ondas Portadoras o "Powerline Communications").
Los dispositivos SCP usarán un modelos definidos por el UPnP que serán configurados
mediante el acceso a un conjunto de primitivas o APIs (Application Program Interface). Se trata
de asegurar la conexión punto-a-punto entre dispositivos y definir un conjunto de funciones
distribuidas extremo-a-extremo que permita el desarrollo de múltiples servicios en las viviendas
con un bajo coste y de manera segura.
4.3.1.3. Evolución
Se supone que Microsoft, una vez que el SCP haya dado los primeros pasos en el mercado
norteamericano, intentará que algún protocolo europeo, que tenga bien resuelto el acceso al
medio físico por ondas portadoras, se una a la causa. Otra solución sería que el CEBus se
adapte a la legislación europea relativa a la transmisión de datos por las líneas de baja tensión
(norma CENELEC EN-50065).
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4.3.2. CEBUS (CONSUMER ELECTRONIC BUS)
En 1984 varios miembros de la EIA norteamericana (Electronics Industry
Association) llegaron a la conclusión de la necesidad de un bus domótico que
aportara más funciones que las que aportaban sistemas de aquella época
(ON, OFF, DIMMER xx, ALL OFF, etc).
Especificaron y desarrollaron un estándar llamado CEBus.
En 1992 fue presentada la primera especificación. Se trata de un protocolo, para entornos
distribuidos de control, que está definido en un conjunto de documentos (en total unas 1000
páginas). Como es una especificación abierta cualquier empresa puede conseguir estos
documentos y fabricar productos que implementen este estándar.
En Europa una iniciativa similar en prestaciones, y en el mercado al que va dirigido, es el
protocolo EHS (European Home System).
4.3.2.1. Nivel Físico
Se contemplan diversos protocolos para que los equipos eléctricos puedan comunicarse
usando ondas portadoras por las líneas de baja tensión, par trenzado con telealimentación,
cable coaxial, infrarrojo, radiofrecuencia y fibra óptica.
Para la transmisión de datos por corrientes portadoras, el CEBus usa una modulación en
espectro expandido; estos se transmite uno o varios bits dentro de una ráfaga de señal que
comienza en 100 kHz y termina en 400 kHz (barrido) de duración 100 microsegundos. La
velocidad media de transmisión es de 7500 bps.
A pesar que se puede encontrar productos CEBus para redes eléctricas "240 Vac/50 Hz", el
nivel físico del estándar CEBus no cumple la norma europea relativa a transmisión de señal por
las líneas de baja tensión (CENELEC EN-50065), por lo no se recomienda implantar en una
vivienda española una solución basada en este protocolo.
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4.3.2.2. Protocolo
Las tramas definidas en CEBus pueden tener longitud variable en función de la cantidad de
datos que se necesitan transmitir. El tamaño mínimo es 8 octetos y el máximo casi 100 octetos.
Al igual que los dispositivos EIB, los nodos CEBus tienen grabado una dirección física prefijada
en fábrica, que los identifican de forma unívoca en una instalación domótica. Hay más de 4.000
millones de posibilidades.
Como parte de la especificación CEBus se ha definido un lenguaje común para el diseño y
especificación de la funcionalidad de un nodo, a este lenguaje lo han llamado CAL (Common
Application Language) y esta orientado a objetos (estándar EIA-600).
4.3.2.3. CAL (Commun Appliance Language)
CAL es el lenguaje que utilizan los dispositivos CEBus para comunicarse. Es un lenguaje
orientado a comandos que permite controlar dispositivos CEBus y asignar recursos. El lenguaje
es un elemento de la capa de aplicación.
Las funciones de asignación de recursos permiten pedir, usar y liberar recursos CEBus. Las
funciones de control proporcionan la capacidad de enviar comando CAL a dispositivos remotos,
y responder a comandos CAL.
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4.3.3. X-10
X-10 es uno de los protocolos más antiguos que se están usando en aplicaciones domóticas.
Fue diseñado en Escocia entre los años 1976 y 1978 con el objetivo de transmitir datos por las
líneas de baja tensión a muy baja velocidad (60 bps en EEUU y 50 bps en Europa) y costes
muy bajos. Al usar las líneas de eléctricas de la vivienda, no es necesario tender nuevos cables
para conectar dispositivos.
El protocolo X-10, en sí, no es propietario, es decir, cualquier fabricante puede producir
dispositivos X-10 y ofrecerlos en su catálogo, eso sí, está obligado a usar los circuitos del
fabricante escocés que diseño esta tecnología. Aunque, al contrario de lo que sucede con la
firma Echelon y su NeuronChip que implementa LonWorks, los circuitos integrados que
implementan el X-10 tienen un royalty muy bajo, casi simbólico.
Gracias a su madurez, ya que son más de 20 años en el mercado y a la tecnología empleada
los productos X-10 tienen un precio muy competitivo de forma que es líder en el mercado
norteamericano residencial y de pequeñas empresas.
Se puede afirmar que el X-10 es ahora mismo la tecnología más asequible para realizar una
instalación domótica no muy compleja. Habrá que esperar a que aparezcan los primeros
productos E.mode (easy mode) del protocolo KNX (Konnex) en Europa para comprobar si el X-
10 tendrá competencia real, por precio y prestaciones, en el mercado europeo.
4.3.3.1. Nivel Físico
El protocolo X-10 usa una modulación muy sencilla, comparado con las que usan otros
protocolos de control por ondas portadoras. El transceiver X-10 está pendiente de los pasos
por cero de la onda senoidal de 50 Hz típica de la alimentación eléctrica (60 Hz en EEUU) para
insertar un instante después una ráfaga muy corta de señal en una frecuencia fija.
El Tiempo de Bit coincide con los 20 ms que dura el ciclo de la señal, de forma que la velocidad
binaria de 50 bps viene impuesta por la frecuencia de la red eléctrica que se tiene en Europa.
En Estados Unidos la velocidad binaria son 60 bps.
La transmisión completa de un orden X-10 necesita once ciclos de corriente. Esta trama se
divide en tres campos de información:
dos ciclos representan el Código de Inicio
cuatro ciclos representan el Código de Casa (letras A-P)
Sistema Automatizado de Medida
Proyecto Fin de Carrera Página
4.20
cinco ciclos representan o bien el Código Numérico (1-16) o bien el Código de
Función (Encender, Apagar, Aumento de Intensidad, etc...)
Para aumentar la fiabilidad del sistema, esta trama (Código de Inicio, Código de Casa y Código
de Función o Numérico) se transmite siempre dos veces, separándolas por tres ciclos
completos de corriente. Hay una excepción, en funciones de regulación de intensidad, se
transmiten de forma continuada (por lo menos dos veces) sin separación entre tramas.
4.3.3.2. Protocolo
Existen tres tipos de dispositivos X-10: los que sólo pueden transmitir órdenes, los que sólo
pueden recibirlas y los que pueden enviar/ recibir estas.
Los transmisores pueden direccionar hasta 256 receptores. Los receptores vienen dotados de
dos pequeños conmutadores giratorios, uno con 16 letras y el otro con 16 números) que
permiten asignar una dirección de las 256 posibles. En una misma instalación puede haber
varios receptores configurados con la misma dirección, todos realizarán la función preasignada
cuando un transmisor envíe una trama con esa dirección. Evidentemente cualquier dispositivo
receptor puede recibir órdenes de diferentes transmisores.
Los dispositivos bidireccionales, tienen la capacidad de responder y confirmar la correcta
realización de una orden, lo cual puede ser muy útil cuando el sistema X-10 está conectado a
un programa de ordenador que muestre los estados en que se encuentra la instalación
domótica de la vivienda.
4.3.3.3. Evolución
Al estar pensados para el sistema estadounidense, los dispositivos X-10 que aparecen en
multitud de catálogos de tiendas on-line X-10 que hay en EEUU no funcionan en una vivienda
europea que tenga suministro eléctrico a 230 Vac/50 Hz, a no ser que se especifique
explícitamente en el catálogo.
Poco a poco se van adaptando dichos dispositivos al sistema europeo y se están empezando a
abrir hueco dentro del mercado, por lo que ya se pueden encontrar en algunos distribuidores.
Sistema Automatizado de Medida
Proyecto Fin de Carrera Página
4.21
4.3.4. LONWORKS
Echelon presentó la tecnología LonWorks en el año 1992, desde
entonces multitud de empresas viene usando esta tecnología para
implementar redes de control distribuidas y automatización.
Aunque está diseñada para cubrir los requisitos de la mayoría de las aplicaciones de control,
sólo ha tenido éxito de implantación en edificios de oficinas, hoteles o industrias.
Pero, debido a su coste, los dispositivos LonWorks no han tenido una implantación masiva en
los hogares, sobretodo porque existían otras tecnologías de prestaciones similares mucho más
baratas.
El éxito que ha tenido LonWorks en instalaciones profesionales, en las que importa mucho más
la fiabilidad y robustez que el precio, se debe a que desde su origen ofrece una solución con
arquitectura descentralizada, extremo-a-extremo, que permite distribuir la inteligencia entre los
sensores y los actuadores instalados en la vivienda y que cubre desde el nivel físico al nivel de
aplicación de la mayoría de los proyectos de redes de control.
Según Echelon, su arquitectura es un sistema abierto a cualquier fabricante que quiera usar
esta tecnología sin depender de sistemas propietarios, que permite reducir los costes y
aumentar la flexibilidad de la aplicación de control distribuida.
Aunque se usa el concepto de "sistema abierto", realmente no es una tecnología que pueda
implementarse si no es con un circuito integrado registrado por Echelon.
4.3.4.1. Conceptos Básicos
Cualquier dispositivo LonWorks, o nodo, está basado en un microcontrolador especial llamado
Neuron Chip. Tanto este circuito integrado como el firmware que implementa el protocolo
LonTalk fueron desarrollados por Echelon en el año 1990. Del Neuron Chip se puede destacar:
Tiene un identificador único, el Neuron ID, que permite direccionar cualquier nodo de
forma unívoca dentro de una red de control LonWorks. Este identificador, con 48 bits
de ancho, se graba en la memoria EEPROM durante la fabricación del circuito
Tiene un modelo de comunicaciones que es independiente del medio físico sobre el
que funciona, esto es, los datos pueden transmitirse sobre cables de par trenzado,
ondas portadoras, fibra óptica, radiofrecuencia y cable coaxial, entre otros
Sistema Automatizado de Medida
Proyecto Fin de Carrera Página
4.22
El firmware que implementa el protocolo LonTalk, proporciona servicios de transporte
y routing extremo-a-extremo. Está incluido un sistema operativo que ejecuta y
planifica la aplicación distribuida y que maneja las estructuras de datos que se
intercambian los nodos
Estos circuitos se comunican entre sí enviándose telegramas que contienen la dirección de
destino, información para el routing, datos de control así como los datos de la aplicación del
usuario y un checksum como código detector de errores.
Todos los intercambios de datos se inician en un Neuron Chip y se supervisan en el resto de
los circuitos de la red. Un telegrama puede tener hasta 229 octetos de información neta para la
aplicación distribuida.
Los datos pueden tener dos formatos, desde un mensaje explícito o una variable de red. Los
mensajes explícitos son la forma más sencilla de intercambiar datos entre dos aplicaciones
residentes en dos Neuron Chips del mismo segmento LonWorks.
Por el contrario, las variables de red proporcionan un modelo estructurado para el intercambio
automático de datos distribuidos en un segmento LonWorks. Aunque son menos flexibles que
los mensajes explícitos, las variables de red evitan que el programador de la aplicación
distribuida esté pendiente de los detalles de las comunicaciones.
Respecto a los fabricantes, Echelon sólo ha concedido licencia a tres fabricantes de
semiconductores, los cuales además tienen que pagar un royalty por cada circuito fabricado.
Además, el diseño del Neuron Chip permanece secreto y supuestamente, ningún otro
fabricante, además de estos tres, puede fabricar dicho producto.
Por estos motivos, al no existir competencia real y estar la producción controlada por Echelon,
los precios no se han reducido tanto como para permitir que los nodos LonWorks puedan tener
un precio realmente competitivo en aplicaciones residenciales. Por lo tanto, aunque Echelon se
empeñe en decir que es una sistema abierto, la realidad viene demostrando que no es cierto.
4.3.4.2. Medio Físico
El Neuron Chip proporciona un puerto específico de cinco pines que puede ser configurado
para actuar como interface de diversos transceivers de línea y funcionar a diferentes
velocidades binarias. LonWorks puede funcionar sobre RS-485 opto-aislado, acoplado a un
cable coaxial o de pares trenzados con un transformador, sobre corrientes portadoras, fibra
óptica e incluso radio.
Sistema Automatizado de Medida
Proyecto Fin de Carrera Página
4.23
El transceiver es el encargado de adaptar las señales del Neuron Chip a los niveles que
necesita cada medio físico. En la tabla siguiente se resumen las características más
importantes de cinco modelos muy usados actualmente. El sistema es capaz de funcionar con
dos medios distintos para transmitir los datos:
Par Trenzado
Onda Portadora
En este caso sólo se incluyen las características de transmisión que presenta el protocolo de
comunicaciones para transmisión por Onda Portadora.
Un ejemplo es el transmisor de la marca ECHELON modelo PLT-22.
Transceiver PLT-22
Medio Físico Ondas Portadoras
Velocidad binaria 5,4 Kbps
Topología de red Cualquiera en redes de baja tensión o par trenzado sin alimentación
Distancia máxima Depende de la atenuación entre emisor y receptor y del ruido en la línea
Nº Nodos Depende de la atenuación entre emisor y receptor y del ruido en la línea
Compatibilidad Compatible con PLT-20 y PLT-21
LonMark es una asociación de fabricantes que desarrollan productos o servicios basados en
redes de control Lonworks. Esta asociación especifica y publica las recomendaciones e
implementaciones que mejor se adaptan a cada uno de los dispositivos típicos de las redes de
control, para ello se basan en objetos y perfiles funcionales.
Los objetos LonMark forman las variables que se
intercambia la red de control a nivel de aplicación, el
nivel 7 de la torre OSI.
Estos objetos describen los formatos de los datos que se intercambian los nodos y la
semántica que se usa para relacionarlos con otros objetos de la aplicación distribuida.
Sistema Automatizado de Medida
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4.24
Hay tres objetos que son básicos, el actuador, el sensor y el controlador.
Los perfiles funcionales detallan en profundidad el interface de la aplicación distribuida con la
red LonWorks (variables de red y las propiedades de configuración) y el comportamiento que
tendrán las funciones implementadas.
Hay que recalcar que los perfiles funcionales estandarizan las funciones, no los productos de
forma que permite que diversos fabricantes ofrezcan el mismo producto a nivel funcional pero
desde el punto de vista hardware no tenga nada que ver un diseño con otro. Lo perfiles
LonMark aseguran la compatibilidad total entre productos LonWorks.
Para no limitar el conjunto de funciones u objetos que un fabricante puede embarcar en un
nodo LonWorks, los perfiles funcionales se especifican con un conjunto de objetos o funciones
obligatorias además de un conjunto opcional de las mismas. En este punto se debe indicar que
aunque existen cientos de productos LonWorks no todos tienen la certificación LonMark.
Sistema Automatizado de Medida
Proyecto Fin de Carrera Página
4.25
4.3.5. EHS (EUROPEAN HOME SISTEM)
El estándar EHS ha sido otro de los intentos que la industria europea (año 1984), auspiciada
por la Comisión Europea, de crear una tecnología que permitiera la implantación de la domótica
en el mercado residencial de forma masiva. El resultado fue la especificación del EHS en el
año 1992. Esta basado en una topología de niveles OSI (Open Standard Interconnection), y se
especifican los niveles: físico, de enlace de datos, de red y de aplicación.
Desde su inicio han estado involucrados los fabricantes europeos más importantes, las
empresas eléctricas, las operadoras de telecomunicaciones y los fabricantes de equipamiento
eléctrico. La idea es crear un protocolo abierto que permitiera cubrir las necesidades de
interconexión de los productos de todos estos fabricantes y proveedores de servicios.
Tal y como fue pensado, el objetivo de la EHS es cubrir las necesidades de automatización de
la mayoría de las viviendas europeas cuyos propietarios que no se pueden permitir el lujo de
usar sistemas más potentes pero también más caros (como Lonworks, EIB o Batibus) debido a
la mano de obra especializada que exige su instalación.
El EHS viene a cubrir, por prestaciones y objetivos, la parcela que tienen el CEbus
norteamericano y el HBS japonés y rebasa las prestaciones del X-10 que tanta difusión ha
conseguido en EEUU.
4.3.5.1. EHSA
La asociación EHSA (EHS Association) es la encargada de emprender y
llevar a cabo diversas iniciativas para aumentar el uso de esta tecnología en
las viviendas europeas. Además se ocupa de la evolución y mejora
tecnológica del EHS y de asegurar la compatibilidad total entre fabricantes
de productos con interface EHS.
4.3.5.2. Nivel Físico
Durante los años 1992 al 1995 la EHSA auspició el desarrollo de componentes electrónicos
que implementaran la primera especificación.
Como resultado nació un circuito integrado de ST-Microelectronics (ST7537HS1) que permitía
transmitir datos por una canal serie asíncrono a través de las líneas de baja tensión de las
viviendas (PLC).
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Proyecto Fin de Carrera Página
4.26
Esta tecnología, basada en modulación FSK, consigue velocidades de hasta 2400 bps y
además también puede utilizar cables de pares trenzados como soporte de la señal. En la
actualidad, se están usando o se están desarrollando los siguientes medios físicos:
PL-2400: Ondas Portadoras a 2400 bps.
TP0: Par Trenzado a 4800 bps (idéntico a nivel físico del BatiBUS).
TP1: Par Trenzado/Coaxial a 9600 bps.
TP2: Par Trenzado a 64 Kbps.
IR-1200: Infrarrojo a 1200 bps.
RF-1100: Radiofrecuencia a 1100 bps.
4.3.5.3. Protocolo
Este protocolo está totalmente abierto, esto es, cualquier fabricante asociado a la EHSA puede
desarrollar sus propios productos y dispositivos que implementen el EHS.
Con un filosofía Plug&Play, se pretende aportar las siguientes ventajas a los usuarios finales:
Compatibilidad total entre dispositivos EHS.
Configuración automática de los dispositivos, movilidad de los mismos (poder
conectarlo en diferentes emplazamientos) y ampliación sencilla de las instalaciones.
Compartir un mismo medio físico entre diferentes aplicaciones sin interferirse entre
ellas.
Cada dispositivo EHS tiene asociada una subdirección única dentro del mismo segmento de
red que además de identificar unívocamente a un nodo también lleva asociada información
para el enrutado de los telegramas por diferentes segmentos de red EHS.
Sistema Automatizado de Medida
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4.27
4.3.6. KONNEX
Después de la aparición de diversos productos y soluciones basadas
en EHS, esta tecnología está convergiendo, junto con el EIB y el
BatiBUS, en un único estándar europeo, llamado KNX.
El Konnex es la iniciativa de tres asociaciones europeas:
EIBA, (European Installation Bus Association)
Batibus Club International
EHSA (European Home Systems Association)
Éstas tienen el objeto de crear un único estándar europeo para la automatización de las
viviendas y oficinas. Los objetivos de esta iniciativa, con el nombre de "Convergencia", son:
Crear un único estándar que cubra todas las necesidades y requisitos de las
instalaciones profesionales y residenciales de ámbito europeo
Aumentar la presencia de estos buses domóticos en áreas como la climatización o
HVAC
Mejorar las prestaciones de los diversos medios físicos de comunicación sobretodo
en la tecnología de radiofrecuencia
Introducir nuevos modos de funcionamiento que permitan aplicar una filosofía
Plug&Play a muchos de dispositivos típicos de una vivienda
Contactar con empresas proveedoras de servicios como las de telecomunicaciones y
las eléctricas con el objeto de potenciar las instalaciones de telegestión técnica de las
viviendas o domótica
En resumen, se trata de, partiendo de los sistemas EIB, EHS y Batibus, crear un único
estándar europeo que sea capaz de competir en calidad, prestaciones y precios con otros
sistemas norteamericanos como el Lonworks o CEBus
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4.28
4.4. ARQUITECTURA DE LOS SISTEMAS DE MEDICIÓN REMOTA
En el esquema general de medición que se está implantando en los mercados abiertos se
distinguen tres bloques principales que son, con variantes en sus denominaciones:
Las instalaciones de medición, que constituyen el punto donde nace la medición y
están formadas, básicamente, por transformadores de medición, medidores de
energía, concentradores de datos e interfases a los medios de comunicaciones
Los medios de comunicación, que están integrados por canales y protocolos de
comunicaciones, y que constituyen el enlace entre el centro de control y las
instalaciones de medición
Los centros de control, donde se llevan a cabo la administración del sistema de
medición. El centro está integrado por equipos de cómputo, bases de datos cliente /
consumo, interfaces a los medios de comunicaciones y herramientas de aplicación
El esquema puede variar dependiendo del país en función de los requerimientos operativos del
modelo de mercado.
Lo que se pretende es un control óptimo de la información, por lo que será necesario un
equipamiento que proporcione instalaciones de medición acordes con los requerimientos de
información, canales de comunicación suficiente para poder transmitir el flujo de datos
generado de todas las lecturas de los contadores, y centros de control capaces de manejar el
flujo de datos que le llega de todo el sistema.
En ambos extremos de esta comunicación deberán existir elementos inteligentes que permitan
optimizar el flujo de comunicación y reducir al mínimo la ocupación de canal:
Sistema Automatizado de Medida
Proyecto Fin de Carrera Página
4.29
4.4.1. INSTALACIONES DE MEDICIÓN
La instalación de medición es el elemento primario del sistema de medición. Su equipamiento y
configuración dependen del punto de medición: consumidor final, planta de generación o
subestación eléctrica y puntos críticos de las redes de transmisión y distribución.
El costo / beneficio de una instalación de medición requiere considerar estos factores para
elegir la estrategia de implantación óptima. En este sentido, los procedimientos de medición
también afectan las características requeridas de las tecnologías.
El elemento inteligente será el que establezca los enlaces con los diversos equipos de las
instalaciones a controlar, y realice llamadas al Centro de Control tan solo cuando existan
eventos significativos que éste deba conocer.
Deberán existir, asimismo, una serie de procedimientos para limitar la ocupación del canal por
este tipo de llamadas, dentro de unos límites tolerables, incluso ante posibles anomalías en
que se produzcan un gran número de eventos.
Independientemente de que sólo se comuniquen estos eventos, se deberá almacenar
localmente el resto de incidencias, para su posible recogida desde el Centro de Control. En
principio, las labores de este elemento inteligente serán desempeñadas por una estación
remota. Se han considerado los siguientes puntos de medición:
Consumidores residenciales y pequeños comercios.
El medidor electromecánico continúa representando el estado de la práctica. Estos medidores
pueden ser convertido mediante una tarjeta electrónica para su lectura automática, y empiezan
a tener presencia particularmente para casos con relativo alto consumo, que estén
concentrados geográficamente o de difícil acceso.
Consumidores comerciales e industriales.
Hay desde medidores electromecánicos reconvertidos hasta los medidores electrónicos con
amplias capacidades de medición y comunicación remota. En los puntos de medición
concentrados geográficamente o en los de difícil acceso, el esquema y concepto de los
sistemas AMR constituyen el sistema de medición más adecuado.
Sistema Automatizado de Medida
Proyecto Fin de Carrera Página
4.30
Puntos de entrega-recepción y puntos críticos
Son plantas de generación, subestaciones eléctricas o puntos donde existen necesidades de
medición especiales por ser geográficamente distantes a lo largo de las redes de transmisión y
distribución. En este caso se concentran necesidades de medición en varios lugares
concretos, de acuerdo al número de unidades de generación y de circuitos de alimentación.
El medidor que se utiliza es el electrónico multifunción, con capacidades de enlace mediante
redes alambradas punto-a-punto o en cadena, y con funciones avanzadas de medición, como:
historiales, valores acumulados e instantáneos y parámetros de calidad de la energía.
La medición en estos puntos se realiza comúnmente para propósitos de balance de energía,
análisis de pérdidas y de evaluación de la calidad de la energía.
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4.31
4.4.2. MEDIOS DE COMUNICACIÓN
La desregulación de los mercados de electricidad requiere de la integración, consolidación y
diseminación de información dentro y fuera de las compañías de electricidad, de tal manera
que los medios de comunicación juegan un papel de vital importancia en los sistemas de
medición.
Hay distintos tipos de canales según la velocidad de transmisión de los datos que alcancen.
Los de alta velocidad como a través de los cables de la red eléctrica, GPRS, UMTS, Fibra
Óptica, etc. y los canales de comunicación de baja velocidad como RTC, Radiotelefonía digital,
GSM, etc.
Consumidores residenciales
Con respecto a los protocolos de comunicaciones, a pesar de los esfuerzos internacionales en
favor de la estandarización, todavía predominan los del tipo propietario, lo que obstaculiza la
interoperabilidad de los equipos.
Por otro lado, las compañías de electricidad están encontrando que las tecnologías basadas en
Internet / Intranet significan alternativas de comunicaciones de bajo costo en relación con los
medios tradicionales.
Consumidores comerciales e industriales
En lo que se refiere a protocolos de comunicaciones, continúan predominando los protocolos
propietarios sobre los estandarizados, debido a su orientación a la explotación de datos y
capacidades de los medidores. De hecho, las compañías de electricidad continúan usando
diversos medios y tecnologías para adquirir información de los medidores de los consumidores.
Esto es diferente para casos de consumos muy importantes y grandes instalaciones aisladas
geográficamente, en los que el medio de comunicación favorecido es la línea telefónica o el
celular, ya que la información de medición se envía normalmente de manera directa a los
centros de control.
El medio de comunicación utilizado para obtener la información de medición es dictado no
únicamente por el costo, sino por la aplicación que la compañía hace de la información. Si ésta
es utilizada únicamente para propósitos de facturación, el radio móvil es suficiente. El manejo
de energía de los grandes consumidores requiere de lecturas más frecuentes; esto requiere de
otra tecnología de adquisición de datos. La combinación de más de un medio es común.
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4.32
Puntos de entrega-recepción y puntos críticos
Para estos puntos de medición lo que aplica es la comunicación cableada de los medidores al
concentrador de mediciones, utilizándose Ethernet o RS-485, en par trenzado o fibra óptica.
La comunicación de los puntos críticos de medición con los centros de control es directa, y
normalmente es a través de teléfono o radio. Al igual que en los puntos de medición
industriales importantes, predominan los protocolos propietarios por orientación al manejo del
medidor.
Del concentrador a los centros de control, generalmente coexisten diferentes medios, como:
microondas, satélite y fibra óptica.
Sistema Automatizado de Medida
Proyecto Fin de Carrera Página
4.33
4.4.3. CENTROS DE CONTROL
Las tecnologías de adquisición de datos no pueden ser explotadas óptimamente si no se tienen
las herramientas adecuadas de análisis de información.
Existen paquetes de software orientados al procesamiento de información de medición que son
escalables y abiertos en sus bases de datos, de tal manera que se pueden enlazar a otros
sistemas de las compañías de electricidad, como facturación y servidores de mercado.
Si bien existen algunos sistemas que incluyen una cantidad adecuada de modelos y marcas de
medidores para muchas aplicaciones de medición, y que constantemente se están
actualizando, es común encontrar sistemas con restricciones en este aspecto.
En el Centro de Control, se recibirán los eventos de las instalaciones conectadas a su red,
existiendo además la posibilidad de realizar desde dicho Centro otros tipos de llamadas
(algunas de mayor duración):
Llamadas periódicas para asegurar el mantenimiento del enlace, aún en ausencia de
eventos
Llamadas para recogida de datos históricos almacenados en las instalaciones
Llamadas para la recogida de lecturas de los contadores
Llamadas semipermanentes para realización de acciones remotas en los equipos de
las instalaciones (monitorización, configuración, etc.)
La estructura mencionada, a pesar de sus muchas diferencias, debe permitir su evolución al
uso de una red de datos de alta velocidad.
Pueden existir en el mercado equipamientos de muy diferentes funcionalidades y
suministradores, que pueden presentar diversas interfaces para la gestión de los mismos y en
número también variable.
Para intentar homogeneizar todo este tipo de soluciones se hace precisa la instalación de una
infraestructura de comunicaciones que permita concentrar físicamente todos estos puertos en
una única vía de comunicaciones normalizada, así como establecer los propios enlaces de
estas vías con los Centros de Control.
Sistema Automatizado de Medida
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4.34
4.5. ESTÁNDARES
Hay un fuerte movimiento por la estandarización de protocolos, y en la actualidad existen
organizaciones, compañías de electricidad y fabricantes de equipo que están soportando
diversas arquitecturas con distintas aplicaciones dentro del ámbito de la lectura y el control a
distancia.
Entre ellas podemos distinguir las arquitecturas diseñadas para sistemas de control y
monitorización de sistemas SCADA como IEC 60870 y DNP 3.0, otras más dedicadas a las
Automatización de subestaciones como UCA 2.0 y MMS, etc.
DLMS es un lenguaje para estandarizar el intercambio de datos entre dispositivos de medición.
IEC 61850 es un Estándar de comunicaciones entre aparatos electrónicos
A continuación se detallan las arquitecturas más utilizadas en América y Europa
respectivamente para control y monitorización de equipos:
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4.35
4.5.1. UCA 2.0: UTILITY COMMUNICATIONS ARCHITECTURE
Es el estándar más utilizado en América que surgió con la idea de conseguir interoperabilidad
entre el equipamiento provisto por distintos fabricantes. El EPRI comenzó a trabajar, desde
principios de la década del 90, en el programa denominado Integrated Utility Communications
(IUC), cuyo primer proyecto tendiente a resolver los problemas de comunicación de datos en
las empresas eléctricas, se llamó Utility Communications Architecture (UCA).
UCA-2.0 es la segunda versión y es una arquitectura de comunicaciones, que incorpora una
familia de protocolos seleccionados para proveer una gran flexibilidad en la elección de la
tecnología que se adecue a los criterios de precio y calidad de las empresas, manteniendo
consistencia a nivel de datos y dispositivos para reducir integración y costo del equipamiento.
Además incluye un conjunto de modelos de objetos que definen en forma unívoca el formato, la
representación y el significado de los datos.
Emplea una filosofía descentralizada orientada a objetos en la que definen: el formato, la
representación y el significado de los datos de cada dispositivo inteligente, entre ellos los
medidores.
Las comunicaciones entre el centro de control y la subestación, pueden basarse en modelos
TASE 2 (Telecontrol Application Service Element) para el caso de que el controlador de
subestación trabaje como un sub-master SCADA o CASM si los datos son transmitidos sin
ningún procesamiento. Los IEDs de la subestación se conectan a la red local utilizando los
modelos de objetos definidos en GOMSFE (Generic Object Model for Substations and Feeder
Equipment).
En UCA, los protocolos están organizados según el Modelo de referencia OSI, que permite la
utilización de distintas opciones, por ejemplo en la capa física o de enlace de datos, sin
modificar las capas de comunicaciones superiores o las aplicaciones.
Cuando se utiliza el modelo OSI en un entorno de aplicación determinado, se deben
seleccionar los protocolos más apropiados para cada capa, resultando un perfil de
comunicaciones para dicha aplicación. UCA 2.0 incluye perfiles que utilizan tanto la familia de
protocolos ISO/IEC como TCP/IP, para comunicaciones orientadas y no orientadas a la
conexión, instaladas sobre una variedad de redes locales (LANs) y de area amplia (WANs).
Existen también perfiles reducidos, o modelo de referencia de tres capas, en los que se
eliminan los protocolos correspondientes a las capas 3 a 6, que son utilizados para entornos
que utilizan bajo ancho de banda y para dispositivos con reducidas capacidades de memoria
y/o procesamiento.
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4.36
4.5.2. DLMS: DEVICE LANGUAGE MESSAGE SPECIFICATION
DLMS (IEC 61334-4-41), fue iniciado por Electricité de France (EDF), y es definido como un
lenguaje para estandarizar el intercambio de datos de medición e información de control entre
dispositivos de medición orientados al mercado abierto, conjuntamente con el COSEM
Companion Specification for Energy Metering y apoyados en el estándar IEC-62056.
Definen cómo se accede a los datos y cómo son definidas las estructuras de los mismos,
obteniendo una arquitectura que permite la interoperabilidad entre equipos de medición
independientemente del medio de comunicación. Al igual que UCA 2.0, algunas compañías
importantes soportan DLMS.
Actualmente la mayoría de los fabricantes europeos pertenecen a la
asociación DLMS por lo que se está generando una fuerte actividad en
torno a la estandarización, y en la forma de organizar y acceder a la
información de los equipos de medición.
4.5.2.1. DLMS dentro del mercado liberalizado
En la fase inicial la comunicación con los contadores de energía ha sido complicada por los
diferentes sistemas de comunicación de fabricantes y usuarios y su gran variedad de
protocolos. Con el nuevo protocolo estándar DLMS la comunicación asociada a la medida se
simplifica enormemente.
Este protocolo que tiene una estructura orientada a objeto, permite realizar la lectura de datos
de aplicación de diferentes fabricantes de forma idéntica.
Para la comunicación en los ambientes multimedia cambiantes de hoy en día DLMS establece
una nueva dimensión. Puede ser utilizado en todo el rango de medios de comunicación
disponibles, desde el teléfono hasta los terminales portátiles, PLC o radio.
4.5.2.2. El lenguaje común.
Es un lenguaje abstracto universal para la estandarización de la comunicación de medida
dentro de IEC. Es un estándar abierto que ha sido publicado como IEC 61334-4-41 y que sirve
para otros tipos de contadores diferentes a los de energía eléctrica como los de gas, calor,
agua etc.
Para cada uno de ellos CEN TC294 generara la correspondiente norma en estrecha
colaboración con IEC TC13.
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4.37
4.5.2.3. Objetivos
Compatiblilidad
Las tecnologías de comunicación están evolucionando muy rápidamente. Si las Empresas
Eléctricas quieren participar en las oportunidades ofrecidas por las nuevas tecnologías de
comunicación, serán necesarias inversiones substanciales en infraestructuras de
comunicación, unidades remotas, contadores y sistemas para la gestión de los mismos.
DLMS ayuda a optimizar tales inversiones garantizando la interoperabilidad de los equipos de
diferentes fabricantes. Los contadores existentes ( en stock o en uso) pueden ser combinados
con los nuevos dispositivos.
Independencia
DLMS es independiente del medio de comunicación utilizado y garantiza la interoperabilidad de
contadores de diferentes fabricantes en sistemas de comunicación multimedia y aplicaciones
multifuncionales. Esta independencia hace más fácil la decisión de compra.
Expandibilidad
DLMS facilita la ampliación de los sistemas existentes (plug and play). No es necesario adoptar
posteriores equipos de comunicación. Esto se traduce en menores costes generales y
configuración de los sistemas más simple.
4.5.2.4. Normativas DLMS UA
Las especificaciones DLMS / COSEM están descritas en los distintos libros de DLMS UA.
El Libro Azul describe el modelo de medición y el sistema de identificación de
COSEM orientadas a objeto
El Libro Verde describe la arquitectura y los protocolos que incluyen el modelo
El Libro Amarillo describe el proceso verificación que se debe cumplir
El Libro Blanco contiene un glosario de términos de DLMS / COSEM
Esta especificación se ha convertido en un estándar internacional para electricidad, calefacción
y mediciones de agua y gas.
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4.38
4.6. TRANSMISIÓN DE DATOS A TRAVÉS DE LA LÍNEA DE TENSIÓN
Power Line Communications (PLC), es una tecnología que permite ofrecer servicios de
telecomunicación a través de la red eléctrica. Se trata por lo tanto de transmisión bifilar usando
como línea de transmisión el coloquialmente conocido “cable de la luz” que ha sido pensado
para transportar energía en vez de información.
Permite ofrecer servicios accediendo el usuario final a través de la red eléctrica de baja tensión
mediante un módem PLC, que solamente cubre la última milla del acceso de los usuarios, por
lo que necesita del soporte de una red de datos para conectar los dispositivos con el Centro de
Control.
Fuente: Sistema PLC ( congreso URE, Badajoz 2003)
En la figura se muestra el diagrama general de conexión del sistema PLC desde el usuario
hasta los contenidos. En la residencia del usuario se instalan el modem PLC que realiza una
conexión punto a punto con la pasarela PLC (Gateway), cerca del contador de la compañía
eléctrica se instala un repetidor que realiza varias funciones en el proceso de conexión entre la
pasarela el modem PLC. Por cada dispositivo conectado sería necesario establecer una
conexión punto a punto con un módem distinto.
La línea de la luz es un sistema muy ruidoso por lo que la conexión PLC se debe de adaptar a
los cambios en dicho medio de transmisión realizando ajustes. Como la aplicación necesita una
velocidad binaria alta es necesario utilizar señales de un gran ancho de banda y utilizar
potencias de transmisión elevadas.
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4.39
4.6.1. ÁMBITO DEL PLC
Las líneas de distribución eléctrica que parten desde las centrales eléctricas y llegan a cada
hogar están conformadas por diferentes tramos. Cada uno de ellos llevan la electricidad a una
tensión distinta y son diferenciables en alta, media y baja tensión.
Las pérdidas en el transporte de la energía eléctrica son proporcionales a la intensidad de
corriente que circula por las mismas. Para una potencia determinada la intensidad y la tensión
son inversamente proporcionales por lo que para hacer la intensidad muy pequeña debemos
hacer la tensión muy grande.
El problema es que esa tensión no se puede llevar a los consumidores por el peligro que
resulta, por lo que se emplean los centros de transformación, que van adaptando la tensión a
los niveles adecuados para cada momento.
El tramo que abarca desde la central eléctrica hasta un transformador amplificador lleva una
Tensión Media y entre el primer transformador amplificador y la primera subestación de
transporte lleva una Tensión Alta. El transporte de la electricidad de grandes distancias a Alta
Tensión se hace para minimizar las pérdidas y va pasando por subestaciones sucesivas de
transporte.
Cuando la electricidad llega al último centro de transporte, que suelen estar a las afueras de las
ciudades, se pasa la Alta tensión a Media para trasladarlo a los centro de distribución, que
están ubicados dentro de las ciudades.
Una vez que se ha hecho el transporte, se llega a los centros de distribución donde se
transforma la Media Tensión a Baja Tensión para distribuirla a los consumidores.
Desde los centros de distribución hasta cada abonado se distribuye la energía eléctrica como
corriente alterna de baja frecuencia (50 o 60 Hz) llevando una Baja Tensión de entre 220 y 320
v. Esta red de distribución de baja tensión se encuentra en el entorno de los consumidores,
para disminuir el tramo en el cual las pérdidas son mayores.
Esta red de distribución es la que se aprovecha para transmitir los datos. Sobre la tensión se
modula una señal de información que viaja por la red eléctrica y termina en los centros de
distribución, ya que al tener un transformador (para pasar de Media a Baja) filtran la señal de
información que se había introducido.
El bucle de abonado, algunas veces llamado "última milla", utilizaría la red de baja tensión, y en
ocasiones incluso de media tensión, para transportar datos y brindar acceso de alta velocidad a
internet.
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La red de baja tensión se compone de los transformadores, las líneas, y los medidores de cada
hogar. En general, un sistema PLC debería consistir en dos elementos básicos que envían y
reciben datos, uno en el transformador y el otro en las instalaciones del usuario.
La red eléctrica soluciona por tanto la última milla de la red de distribución de Baja Tensión, por
lo que es necesario realizar el transporte de los datos desde el centro de distribución eléctrica
hasta la Central de Datos que utilicemos.
Esto se puede hacer de muchas formas, dependiendo del flujo de datos que se necesiten, de la
cantidad de usuarios y de la distancia a la Central de Datos.
El alcance de la transmisión es de 300 a 500 m, por lo que necesitamos repetidores a partir de
esa distancia.
Para un servicio de lectura de contadores automática usando PLC, el flujo de datos será mucho
menor que para un servicio de acceso a Internet de banda ancha, por lo que los requerimientos
del sistema de transporte de datos desde el Centro de Distribución eléctrica hasta la Central de
Datos será mucho menor.
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4.6.2. BANDAS DE UTILIZACIÓN
Estándares europeos habían establecido en los años 80 límite muy bajos en la potencia de
transmisión y en la frecuencia para comunicaciones a través de las redes eléctricas.
Niveles de transmisión de 1.2 V y frecuencias de 148,5 kHz son las más altas permitidas a
causa de la compatibilidad electromagnética, es decir, sobre el efecto de las emisiones sobre
otros terminales en la red.
Los operadores y fabricantes han combinado esfuerzos en el Forum Internacional sobre PLC
para acelerar el proceso de regulación para al menos llegar a frecuencias del rango de los
Megahercios.
Con estas frecuencias más altas además de experimentar menos interferencias se consigue
alcanzar una tasa de transmisión más elevada.
Para frecuencias en torno a 2 MHz, se consiguen velocidades de hasta 2 Mbits/s, pero para
que la tecnología sea competitiva con las ya existentes se tenía que aumentar la frecuencia y
por tanto la velocidad de transmisión.
Actualmente se consiguen velocidades de transmisión de más de 45 Mbits/s, con un rango de
frecuencias de utilización entre 1,6 y 30 MHz.
Según la legislación vigente cualquier empresa que quiera ofrecer servicios utilizando la Red
de Baja Tensión debe tener una licencia que otorga el derecho a emitir y recibir datos en un
determinado ancho de banda dentro del rango de frecuencias disponibles. La Comisión del
Mercado de las Telecomunicaciones será la encargada de otorgar estas licencias.
En Europa, la comisión CENELEC divide el rango de frecuencias original entre 3 kHz y 148,5
kHz en bandas:
Banda A ( 9 - 95 kHz) : Uso para empresas eléctricas suministradoras
Banda B ( 95 – 125 kHz) : Uso para consumidores sin necesidad de protocolo
Banda C (125 – 140 kHz) :Uso para consumidores usando protocolo estándar
Banda D (140 – 148,5 kHz) : Uso para consumidores sin necesidad de protocolo
Frecuencias superiores a 148,5 kHz : Prohibidas
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En Estados Unidos la comisión FCC es la que se encarga de delimitar las frecuencias para las
que se permite una comunicación por PLC:
Frecuencias inferiores a 525 kHz : Uso general
Frecuencias superiores a 525 kHz : Prohibidas
La ley europea que regula estas normas, determina las frecuencias utilizables, limita la
amplitud de las señales para evitar las emisiones, protegiendo así aplicaciones críticas como
Radio AM y de Onda Corta de las interferencias. Esta ley es la siguiente:
Código de la Ley : UNE-EN 50065:2004
Título español: Transmisión de señales por la red eléctrica de baja tensión en la banda de
frecuencias de 3 kHz a 148,5 kHz.
Parte 1: Requisitos generales, bandas de frecuencia y perturbaciones
electromagnéticas
Parte 2-1: Requisitos de inmunidad para los sistemas y equipos de comunicación a
través de la red de alimentación que funcionan en la banda de frecuencias de 95 kHz
a 148, 5 kHz y destinados para uso en entornos residenciales, comerciales y de
industria ligera
Parte 2-2: Requisitos de inmunidad para los sistemas y equipos de comunicación a
través de la red eléctrica de baja tensión que funcionan en la banda de frecuencias de
95 kHz a 148,5 kHz y destinados para uso en entornos industriales
Parte 2-3: Requisitos de inmunidad para los sistemas y equipos de comunicación a
través de la red eléctrica de baja tensión que funcionan en la banda de frecuencias de
95 kHz a 148,5 kHz y destinados para uso en empresas suministradoras de energía
eléctrica
...
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4.6.3. INTERFERENCIAS GENERADAS POR PLC.
El sistema PLC utiliza señales moduladas que al propagarse por un la línea de transmisión que
se pensó para transmitir energía (50Hz) por lo tanto ni está apantallada ni son simétricos
respecto a masa y por lo tanto radian.
Lo impredecible del tendido eléctrico junto con dispositivos no lineales hacen que se generen
gran cantidad de armónicos que también son radiados. La interacción del ordenador con otros
terminales eléctricos supone un problema debido a que las frecuencias y el nivel de ruido de la
red son prácticamente del mismo rango que de la señal a transmitir.
El ruido procedente de los distintos dispositivos conectados a las líneas tiene 3 componentes
principales: Ruido Impulsivo, Ruido Total y Ruido de Fondo.
Estas interferencias pueden causar problemas a distintos colectivos que emiten o reciben
información a esas frecuencias.
Por estos motivos PLC de banda ancha ha sido prohibido en Finlandia y en Japón, en
Alemania la explotación comercial del sistema PLC se ha parado en seco debido a las
denuncias por interferencias, ya que emiten señales a en el espectro de HF.
La radioastronomía en general
Radioaficionados que usan las bandas de HF
Emisiones de radiodifusión de onda corta
Redes de transmisión de datos.
Servicios de información de aeropuertos
Banda Ciudadana usada por transportistas y otros usuarios
Todos estos servicios tienen asignado el espectro de HF a título primario es decir que son sus
usuarios legítimos. La única forma de solucionar estos problemas es apantallando los
conductores lo máximo posible y colocando filtros de reja en las bandas a proteger.