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Title Modelagem da Rede de Distribuição de Energia Elétrica para Aplicações de Canais PLC (Power Line Communications)
Registration Nº: (Abstract) 197
Company
Universidade Presbiteriana Mackenzie
Authors of the paper
Name Country e-mail Paulo Rogério Dias Brasil [email protected]
Ivanilda Matile Brasil [email protected]
Marco Antonio Assis de Melo Brasil [email protected]
Fabiana Aparecida de Toledo Silva Brasil [email protected]
Paulo Batista Lopes Brasil [email protected]
Key words
PLC. Modelagem do canal PLC. Modelagem da rede elétrica. MATLAB. ATP.
Resumo
A tecnologia PLC (Power Line Communications) é capaz de transmitir sinais de dados e voz em alta velocidade através da rede elétrica, usando sinais de alta frequência e atingindo altas taxas de dados chegando até 200Mbps. Com isso, a tecnologia PLC permite a implantação de vários serviços como o de automação e controle, iluminação, climatização, comunicação, segurança, transmissão de áudio e vídeo em banda-larga e gerenciamento de recursos (eletricidade, água, gás, etc) com telemetria. A ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) homologou no final de 2009 a tecnologia BPL (Broadband over Power Lines), mais conhecida como PLC. O prévio conhecimento do comportamento do canal revela-se de extrema importância para o sucesso dessa tecnologia. O objetivo deste trabalho é desenvolver, na plataforma MATLAB, um modelo computacional que permita avaliar o desempenho das transmissões de sinal de comunicação na rede de energia elétrica via PLC/BPL através de simulações. Este modelo é composto de uma modelagem física da rede de Baixa Tensão no SimPower do MATLAB combinada com a Linha de Transmissão de parâmetros distribuídos modelada no ATP (Alternative Transients Program). Este modelo de canal foi transposto para o Simulink através de uma modelagem matemática para simular e avaliar a transmissão dos sinais modulados. A metodologia seguida foi testar a transmissão de dados de dois sistemas de modulação: GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) e OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Os resultados obtidos demonstram a compatibilidade dos dois módulos do MATLAB com os dois sistemas. Este artigo é o resultado de um Trabalho de Graduação Interdisciplinar na Universidade Presbiteriana Mackenzie.
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1 INTRODUÇÃO
A tecnologia PLC merece atenção no Brasil, pelo fato de aproveitar a infra-estrutura da rede de energia existente em qualquer ponto geográfico nacional como outra opção de meio de comunicação para diferentes aplicações.
A utilização da rede de energia elétrica, para transmissão de sinais de informação de dados, voz e imagem, encontra características na linha de potência de grande relevância para a propagação destes sinais de comunicações. A rede de distribuição de energia elétrica é caracterizada pela atenuação proporcional ao aumento da frequência e da distância, impedância variável, fase não linear e ruído conduzido ou irradiado nos condutores metálicos, por isso a tecnologia PLC encontra dificuldades com a seletividade de frequências e múltiplas reflexões. No momento do planejamento de um sistema PLC faz-se necessário o conhecimento prévio das características das redes elétricas de Média Tensão (MT) e Baixa Tensão (BT) da distribuição de energia elétrica, para compatibilizá-las com os parâmetros ou características exigidas para comunicação, a fim de garantir a qualidade e a confiabilidade do canal em aplicações de acesso (MARTINS, F. D., 2006).
Os estudos que envolvem simulações da tecnologia PLC no MATLAB carecem de uma modelagem de canal compatível com os parâmetros da rede de energia elétrica. Existem técnicas que simulam os efeitos dos ruídos em linhas de transmissão de sinal, contudo, não se aplicam para simulações num sistema de comunicação nas linhas potência.
Portanto, o objetivo deste trabalho foi desenvolver na plataforma MATLAB, um modelo computacional que permita avaliar o desempenho das transmissões de sinal de comunicação na rede de energia elétrica via PLC/BPL através de simulações. Este modelo é composto de uma modelagem física da rede e de uma modelagem matemática do canal PLC para a transmissão dos sinais modulados. Os testes do canal foram feitos através da simulação de dois tipos de modulação: GMSK e OFDM.
A modelagem da linha de distribuição foi feita a partir dos parâmetros obtidos na plataforma ATP (Alternative Transients Program) em função das características da rede. Entrando com dados de postes, cabos e características elétricas como Impedância de curto-circuito, Resistência de terra, entre outros, são obtidos os parâmetros Resistência, Indutância e Capacitância da linha, rodando o aplicativo Line Constants.
A rede foi modelada fisicamente no SimPower do MATLAB e matematicamente, através de uma função de transferência com parâmetros "s" da Transformada de Laplace. A partir da função de
transferência no domínio contínuo "s" foi aplicada uma função bilinear para transformar para função de transferência no domínio discreto, de parâmetros "z" da Transformada Z. Esta função de transferência representa o canal de transmissão de dados da rede elétrica no Communications Blockset do Simulink.
Foram modelados os sistemas de transmissão com modulação "Orthogonal Frequency Division Multiplex" (OFDM) e GMSK ou "Gaussian Minimum Shift Keying".
O modelo físico da rede no SimPower foi utilizado para avaliar a atenuação no sinal de alta frequência provocada pela linha de parâmetros distribuídos que variam com a frequência. O modelo matemático do Simulink foi utilizado para avaliar o desempenho da modulação no sinal digital.
2 PROCEDIMENTO ESPERIMENTAL
Foi modelada a conexão de um sistema PLC Outdoor na rede de distribuição de energia elétrica, para verificar o seu desempenho através de simulação no software MATLAB, fazendo com que um sinal de alta freqüência atue na linha juntamente com o sinal de potência de 60Hz.
A faixa de freqüência estabelecida para a utilização do canal PLC pela ANATEL em foi de 1,705 a 50MHz. A freqüência escolhida para a simulação foi o limite inferior de 1,705MHz, como poderia ser escolhida qualquer freqüência nesta faixa.(ANATEL, 2008).
Para desenvolver o modelo a ser simulado, foi necessário utilizar dois módulos distintos do MATLAB: O Simulink para analisar as características de modulação e acesso na freqüência do sinal digital e o SimPower para determinar a resposta em frequência do canal.
2.1 MODELAGEM DA REDE ELÉTRICA
Uma linha de Distribuição de Energia Elétrica pode ser representada por um diagrama unifilar simplificado onde se distribui as cargas alimentadas por um barramento de uma subestação. No Esquema 1 está representado um circuito equivalente de um alimentador com duas cargas LD distribuídas ao longo de 200 metros de rede.
Esquema 1: Digrama unifilar de um Sistema genérico.
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Os dados necessários para identificar um Sistema de alimentação são: A Potência de curto-circuito - Scc; O valor da média tensão - MT; a impedância de curto-circuito - Zcc e a baixa tensão - BT.
A partir dos parâmetros V (kV), P(kW) e Q (kVAr) do Fluxo de Potência (load-flow) a modelagem para a carga pode ser feita como um R e X em paralelo.
Também são necessários os dados da estrutura de distribuição do alimentador, por exemplo, os postes e os cabos. Nesta modelagem foram utilizados dados de uma rede de distribuição rural real, conforme Tabela 1.
Tabela 1: Dados do Alimentador. Dados Valores
Scc 500 MVA Tensão MT 23kV
Zcc 0,3809 Ω Tensão BT 220V
Fonte: (SILVA, F.A.T. et al., 2007)
Os dados da rede secundária do alimentador estão especificados na Tabela 2.
Tabela 2: Dados do alimentador da rede secundária Condutor fase - Linha não transposta
Descrição Valor Comprimento 10 km
Cabo aéreo 477 CAA – Sparrow (Dados no site da Concessionária)
Rcc (20o 0,1194 Ω /km C) Diâmetro 2,180cm
Altura do Condutor 6,8m Flecha do condutor 1 m
Resistividade do solo 1000 Ω.m Condutor neutro - Linha não transposta
Comprimento 10 km Cabo aéreo 1/0 AWG Rcc (20o 0,5349 Ω /km C) Diâmetro 0,936cm
Altura do Condutor 7 m Flecha do condutor 1 m
Resistividade do solo 1000 Ω.m
As características dos postes e da configuração dos condutores estão representadas na Figura 2.
0,50 m 0,85 m
7,00
m
10 m
0,45 m
N
A B C
0,23 m
a
b
c
6,80
m
6,60
m
6,40
m
Figura 1: Configuração do poste e condutores para um sistema
de alimentação de 23kV (SILVA, F. A. T. et al., 2008)..
A linha será representada por parâmetros distribuídos, através de sua impedância de surto, cujos valores foram obtidos pela rotina LINE CONSTANTS do programa ATP.
Tabela 3: Valores dos parâmetros da rede secundária do
alimentador para 60 Hz RESISTÊNCIA INDUTÂNCIA CAPACITÂNCIA
/km R1=2,58321e-01 L1=7,04017e-04 C1=1,77222e-08 /m R1=2,58321e-04 L1=7,04017e-07 C1=1,77222e-11
/km R0=4,35086e-01 L0=6,2716e-03 C0=5,8772e-09 /m R0=4,35086e-04 L0=6,2716e-06 C0=5,8772e-12
A partir dos valores determinados no ATP, foi
possível inserir os parâmetros no MATLAB.
2.2 MODELAGEM DO CIRCUITO DE POTÊNCIA NO MATLAB
A modelagem física da rede para a simulação
no ambiente SimPower do MATLAB foi feita para o levantamento da resposta em frequência da linha.
No Circuito de Potência do Esquema 2, o bloco Three Phasee Source foi configurado como uma Fonte senoidal trifásica com 230Vrms e uma freqüência de 60Hz, deste modo ele simula a fonte de BT após o transformador.
Os circuitos paralelos RLC e RLC1 – Filtros de linha para alta freqüência - foram modelados com os mesmo valores; eles fazem o papel de uma bobina de bloqueio para sinais de alta freqüência, preservando as características da fonte geradora e do receptor do sinal de 60Hz.
Os componentes de da seção em PI da Linha de Distribuição (ressaltado sob o círculo vermelho no Esquema 2) possuem os mesmo valores com a finalidade de representar trechos distintos da linha. No bloco representativo da linha de transmissão estão os valores que foram simulados no software ATP para a obtenção dos valores RLC da rede de energia elétrica. A configuração Line Section Length foi ajustada para 100metros.
Esquema 2: Circuito modelado para transmissão de sinal em alta freqüência (medição do sinal de 60Hz)
Para injetar o sinal na linha um bloco AC Voltage Source foi configurado como uma fonte de alta freqüência, na freqüência de 1,705MHz e 20V de
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amplitude, com o objetivo de fazer este sinal viajar pela linha de transmissão modelada e verificar qual o nível de atenuação que a linha provoca neste mesmo sinal capturado na sua fonte receptora.
Para sintonizar o sinal do PLC, foram colocados filtros tanto na emissão do sinal quanto na recepção. Foram calculados os valores de L e C para fazer a ressonância com a freqüência de 1,705 MHz. Os valores calculados são, respectivamente: 2ohms, 0,5x10-3 H e 17,427x10-12 F.
O sinal de alta freqüência e o de 60Hz percorrem simultaneamente este trecho da LT. No bloco que representa o consumidor no final da linha foi verificada a influência do sinal de alta freqüência na qualidade da energia fornecida.
A resposta em frequência do trecho da LT está representada no diagrama de Bode do Gráfico 4.
Gráfico 1: Diagrama de Bode da resposta em frequência da LT
Logo a atenuação da linha para o sinal de
1,705MHz é de 30,45 dB. Portanto pode-se ressaltar que para esta modelagem de rede feita em função dos parâmetros distribuídos do modelo PI, que variam com a frequência, o sinal sofre forte atenuação.
Comparativamente, a análise obtida no MATLAB pelo cálculo da resposta em frequência da Linha de Distribuição está representada no diagrama de Bode do Gráfico 1.
A banda de frequência homologada pela ANATEL, acima de 1,705 MHz está além do valor de ressonância na rede, representada pelo pico de amplitude e pela inversão de fase, em aproximadamente 600 kHz.
Pelo gráfico, a atenuação na frequência de 2 MHz pode ser estimada em 20 dB.
2.3 MODELAGEM DA LINHA NO SIMULINK
Para modelar um canal de comunicação PLC no Simulink foi necessário transformar a modelagem da linha de transmissão em PI para o parâmetro "s" e
adequar num bloco que permitisse simular o comportamento da linha de potência.
CsLsRCsViV 2
2
0++
=
(1)
( )2
202 ++
==RCsLCs
sHViV
(2)
A função de transferência da linha de energia, para ser adaptada ao Communication Blockset do Simulink foi modelada com um filtro digital em tempo discreto. Foi feita a transformação de filtros de tempo contínuo para tempo discreto, quer dizer, adaptar a função de transferência (s) da LT pela transformada (z) no próprio ambiente MATLAB.
A configuração do bloco Digital Filter necessita de ajustes do parâmetro transfer function type para a resposta infinita ao impulso (IIR) que é a de um filtro em tempo discreto. Os valores de R L C obtidos pelo ATP convertidos por uma transformação bilinear foram utilizados para configurar o bloco Digital Filter que é o responsável por simular o canal PLC.
2.4 MODELAGEM DOS MODULADORES GMSK E
OFDM
Para análise do sinal modulado nas duas configurações, GMSK e OFDM, foram utilizados os blocos Communication Blockset do Simulink.
O conjunto de modulação GMSK do MATLAB consiste de dois blocos – modulador e demodulador. Para o bloco GMSK pode-se atribuir os valores do produto BT onde B é a largura de banda e T é o tempo de um bit na entrada do modulador. Este parâmetro é um escalar positivo utilizado para reduzir a largura de banda em função do aumento da interferência intersimbólica. Pode-se também ajustar o comprimento do pulso gaussiano, o número de amostras na saída do bloco e se o tipo do sinal de entrada será uma sequência de bits. Neste caso, a entrada consiste em números binários.
A estrutura foi composta inicialmente pelo bloco chamado Bernoulli Binary Generator que tem a função de gerar números binários com seqüências aleatórias. A distribuição Bernoulli com parâmetro p produz zeros com probabilidade 1-p. O parâmetro p pode ser qualquer número de zero a um. O Sample Time é o tempo de amostra, ou seja, a largura de um bit. Este valor influencia na frequência da simulação. Neste caso, ajustada para 2MHz.
A saída do gerador binário atua no bloco de simulação GMSK Modulador Baseband. A saída para o modulador é um sinal de banda base da representação de pulsos do sinal.
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Para a modulação OFDM utiliza-se a Modulação 16-QAM e em seguida um bloco para multiplexar e ortogonalizar o sinal.
Esquema 3: Teste do canal modelado para diferentes modulações
Para a simulação, também é possível adicionar
geradores de ruído e o bloco que representa desvanecimento por multicaminhos. Para avaliar o desempenho dos moduladores podem ser instalados os blocos de Diagrama de Olho, Analisador de Espectro e o Medidor de Taxa de erro de Bit como no exemplo do modulador GMSK do Esquema 4.
Esquema 4: Circuito do Modulador GMSK com Ruído e
Desvanecimento por Multicaminhos
3 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES
Os resultados das simulações dos dois tipos de modulação no canal PLC modelado estão apresentados nos gráficos seguintes. Os espectros dos dois sinais modulados apresentam as características típicas de cada tipo de modulação.
Gráfico 2: Espectro do sinal GMSK transmitido
Como os gráficos indicam, a simulação é uma ferramenta muito útil para prever o comportamento de
sinais PLC modulados sendo transmitidos na rede de distribuição de energia elétrica.
Gráfico 3: Espectro do sinal GMSK recebido
Gráfico 4: Espectro do sinal OFDM transmitido
A atuação do canal em cada tipo de sinal modulado pode ser observada nos espectros dos sinais das modulações com o modelo do canal PLC. No Gráfico 4 e no Gráfico 5 observa-se uma atuação do canal mais forte no sinal modulado em OFDM.
Gráfico 5: Espectro do sinal OFDM após transitar na linha
Com a adição de ruído e desvanecimento por multipercurso, observa-se que o efeito do canal continua o mesmo. O espectro do sinal após o canal digital PLC demonstra que na freqüência central de banda base a atenuação do sistema é menor se
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comparada com a faixa de 2 a 3MHz e a partir de 6MHz a atenuação do canal é maior.
Gráfico 6: Sinal modulado com ruído aditivo após o canal
Gráfico 7: Sinal modulado com ruído aditivo e desvanecimento
por multipercurso após o canal
Com a adição de ruído e desvanecimento por multipercurso, o resultado do sinal após a passagem pelo canal de transmissão apresenta a adição de potência em frequências distintas da frequência central do sinal modulado.
4 CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES
FINAIS
A rede de energia elétrica foi analisada como canal de multi-propagação devido às reflexões geradas pelos multi-percursos com descontinuidades de impedância. Sabe-se que ocorrem variações dos parâmetros da linha em função da freqüência e variação temporal da resposta impulsiva devido à grande diversidade de equipamentos que são conectados e desconectados na rede. Neste estudo, somente na modelagem do canal físico, foram considerados parâmetros que variam com frequência. É possível observar que as respostas foram obtidas
por grupos de características diferentes no circuito físico e no matemático, onde os parâmetros foram considerados constantes, demonstrando que a atenuação depende tanto da distância quanto da freqüência.
As fontes de ruído na rede elétrica provém de chaveamentos de manobras, de variações de impedância por curto-circuitos, por sobretensões devido às descargas atmosféricas, além de interferências eletromagnéticas que atuam via ar. Não foi possível modelar no MATLAB estes tipos de sinais. O modelo físico permite montar alguns destes eventos, porém será preciso implementar os moduladores no SIMPOWER.
Na transmissão de sinais PLC numa rede elétrica, constata-se a ocorrência de reflexões e retransmissões por todos os pontos onde há variação de impedância da rede elétrica, onde suas reflexões são decorrentes do descasamento de impedância das cargas nos terminais da rede, da variação temporal de impedância nos pontos de entrada e saída de cargas e da mudança dos parâmetros da linha de distribuição elétrica.
Foi levantada a resposta em freqüência do canal e verificadas as ocorrências de nulos em freqüências em algumas faixas de interesse e também fortes atenuações em determinadas faixas de freqüências utilizadas. Para garantir uma qualidade do sinal transmitido, em algumas circunstâncias, será necessário amplificar o sinal antes da entrada do demodulador.
Foram analisados dois tipos de modulação, sendo que existem vantagens e desvantagens em cada uma. Os modelos que promovem um espalhamento do espectro e, portanto trabalham coma bandas de frequência mais largas possuem baixa densidade espectral de potência, mas grande imunidade contra interferências. Em razão do combate e supressão da interferência que provém do canal de comunicação no qual estão outros usuários conectados, surge a necessidade de sinais com largura de banda elevada. O Spread Spectrum é utilizado por alguns fabricantes em razão da sua robustez contra ruídos e interferências da rede elétrica. Estes fatores incentivaram o estudo da modulação GMSK, apesar da preferência, pelos fabricantes de equipamentos que utilizam a técnica OFDM, devido à possibilidade de velocidade e taxas de transmissão mais elevadas.
Neste trabalho, não houve a pretensão de analisar todos os pontos críticos que vêm provocando discussões entre as empresas e o governo, pela homologação do uso desta tecnologia no Brasil.
Para sugestão de trabalhos e estudos futuros fica um aprofundamento da utilização do MATLAB neste tipo de comunicação, permitindo também, modelar outras fontes de ruído e analisar qual a influência na qualidade de energia.
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Poderá ser analisada a variação dos parâmetros da linha com a frequência e comparar com outro software.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS] [1] TROMPOWSKY, J. F. M. V.; Estudo da interferência
eletromagnética gerada por redes PLC (Power Line Communication) no interior de edificações. 2005. 98p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2005. In Portuguese
[2] LUSHBAUGH L. and SAFAVIAN, R.S., Broadband over Power Lines, Bechtell Technical Papers, January 2007. Available in (www.bechtel.com/technical_papers.html)
[3] GALLI, S. and LOGVINOV, O, Recent Developments in the Standardization of Power Line Communications within the
IEEE, Communications Magazine, IEEE, Volume: 46, Issue: 7 pp: 64-71, July 2008
[4] LEUVEN EMTP CENTER, Alternative Transients Program Rule Book, July, 1987.
[5] SILVA, F. A. T. et al, Estudo dos Transitórios Eletromagnéticos nas Redes da RGE, com Foco na Proteção contra Sobretensões nas Unidades Consumidoras Utilizando DPS e Pára-Raios de BT; Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento da ANEEL realizado pela Universidade Presbiteriana Mackenzie para a RGE -Rio Grande Energia. São Paulo, 2007. (in Portuguese)
[6] ANTONIOU A., Digital Filters, McGraw-Hill, 2005. [7] DIAS, P. R.; MATILE, I. Modelagem Da Rede De
Distribuição De Energia Elétrica Para Aplicações De Canais Plc (Power Line Communications) Dissertation for conclusion of the Engineer Degree, available upon request (in Portuguese)
