Universidade Federal de Uberlândia

Faculdade de Engenharia Elétrica - Campus Patos de Minas

Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações

YAGO GOMES DOS SANTOS

TELECOMUNICAÇÃO PARA O SETOR ELÉTRICO: POWER LINE

CARRIER

Patos de Minas

2016

YAGO GOMES DOS SANTOS

TELECOMUNICAÇÃO PARA O SETOR ELÉTRICO: POWER LINE

CARRIER

Relatório Parcial apresentado como um dos requisitos de

avaliação na disciplina Trabalho de Conclusão de Curso

II do Curso de Engenharia de Eletrônica e de

Telecomunicações da Universidade Federal de

Uberlândia.

Orientador: André Luiz Aguiar da Costa

Assinatura do Orientador

Patos de Minas

2016

RESUMO

Neste trabalho é apresentado um sistema de comunicação voltado para atender as

demandas do setor elétrico, o sistema PLC (Power Line Carrier). Foram apresentados os

agentes do setor elétrico e discutido o histórico da telecomunicação no segmento energético,

apontando sistemas como rádio, óptico, satélite e PLC. Em seguida, foi exposto o descritivo

do sistema PLC, evidenciando cada um de seus dispositivos e apontando o comportamento

que devem apresentar para que o sistema opere como o esperado. A resposta em frequência da

linha de transmissão e suas características de atenuação foram discutidas. Foram apresentados

os cálculos de atenuação, além dos cálculos da impedância característica da linha. A relação

quanto ao comprimento de onda do sinal PLC, o comprimento da linha e de seus possíveis

seccionamentos também foram indicados. Após essa relação, são abordadas duas principais

modulações que são utilizadas nesse sistema. Foi realizado um experimento que apresentou os

principais tipos de serviços que são atendidos por essa tecnologia. O experimento utilizou de

dois transceptores digitais e um dispositivo atenuador, que simula a linha de transmissão. Por

último, foram feitas as conclusões sobre o trabalho.

Palavras chave: Telecomunicação no setor elétrico, Linha de transmissão e PLC.

ABSTRACT

This work presents a communication system focused on meeting the demands of the

electric sector, the PLC (Power Line Carrier) system. The entities of the electric sector were

presented and the historical of telecommunication in the energy segment was discussed.

Systems such as radio, optical, satellite and PLC were used as examples. Next, the description

of the PLC system was exhibited by showing each one of its devices and pointing out its

behavior, in order to verify if the system would operate as expected. The frequency response

of the transmission line and its attenuation characteristics were discussed. The calculations of

both attenuation and impedance of the line were presented. The relation between the

wavelength of the PLC signal, the length of the line and its possible sections were also

indicated. After this relation, two main modulations, that are used in this system, were

discussed. The experiment that was done in this work presented the main types of services

offered by this technology. The experiment used two digital transceivers and an attenuator

device that simulates the transmission line. Finally, some conclusions about this work were

reached.

Keywords: Telecommunication in the electric sector, Transmission line and PLC.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Organograma dos agentes do sistema elétrico brasileiro ........................................... 4

Figura 2 - Sistema básico PLC. ................................................................................................ 11

Figura 3 - Bobina de bloqueio com pedestal (a). Bloqueio da onda portadora (b) .................. 12

Figura 4 - Mapa de frequência PLC-Parte da região triângulo................................................. 13

Figura 5 - Link Patos de Minas - Coromandel ......................................................................... 13

Figura 6 - Circuito LC paralelo. ............................................................................................... 15

Figura 7 - Componentes de uma bobina de bloqueio. .............................................................. 16

Figura 8 - Curva característica para sintonia simples. .............................................................. 17

Figura 9 - Curva característica para sintonia dupla. ................................................................. 17

Figura 10 - Curva característica bobina de bloqueio em sintonia de banda larga .................... 18

Figura 11 - Circuito para levantar a curva de resposta em frequência. .................................... 19

Figura 12 - Resposta em frequência da bobina de bloqueio de SE São Simão/CEMIG. ......... 20

Figura 13 - Resposta em frequência da bobina de bloqueio de SE São Gonçalo do

Pará/CEMIG ............................................................................................................................. 20

Figura 14 - Funções do sintonizador de linha. ........................................................................ 22

Figura 15 - LC série. ................................................................................................................. 22

Figura 16 - Circuito equivalente de linha de transmissão. ....................................................... 25

Figura 17 - Distância “D” entre os condutores de raio “r”. ...................................................... 27

Figura 18 – Transformador abaixador conectado a LT. ........................................................... 27

Figura 19 - Circuito equivalente de uma LT conectada a um transformador. .......................... 28

Figura 20 - Atenuação por km de acordo com a frequência na LT. ......................................... 30

Figura 21 - Modulador. ............................................................................................................. 34

Figura 22 - Demodulador. ........................................................................................................ 35

Figura 23 – Modulador genérico QAM. ................................................................................... 37

Figura 24 - Setup para testar comunicação ............................................................................... 38

Figura 25 - Transceptores PLC: (a) analógico, (b) digital. ....................................................... 38

Figura 26 - Setup montado. ...................................................................................................... 39

Figura 27 - Atenuador. ............................................................................................................. 39

Figura 28 - Placa de ajuste de frequência: (a) placa do filtro de recepção, (b) ajuste manual

sendo feito. ............................................................................................................................... 40

Figura 29 - Banda de recepção e transmissão do transceptor A ............................................... 41

Figura 30 – Medidor de nível: (a) antes de passar pelo atenuador, (b) após ser atenuado. ...... 41

Figura 31 - Constelação QAM do enlace Governador Valadares x Engenheiro Caldas. ......... 42

Figura 32 - Ocupação do canal. ................................................................................................ 42

Figura 33 - Canal de 4 kHz com serviço de voz. ...................................................................... 43

Figura 34 - Configuração do canal de 4 kHz. ........................................................................... 43

Figura 35 - Canal de 4 kHz apenas com serviço de voz. .......................................................... 43

Figura 36 - Canal de 12 kHz com dados, voz e teleproteção. .................................................. 44

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Comprimentos de onda. ........................................................................................... 24

Tabela 2 - Fator de correção quanto a tensão da LT. ............................................................... 31

Tabela 3 - Atenuação para a quantidade de transposições. ...................................................... 31

Tabela 4 - Correção por tipo de acoplamento para linhas acima de 160 km ............................ 31

Tabela 5 - Níveis típicos em sistema PLC ................................................................................ 32

Tabela 6 - Bandas de Tx e Rx configuradas. ............................................................................ 40

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 4

1.1 Telecomunicações aplicadas no controle de geração, transmissão e distribuição de

energia .................................................................................................................................... 6

1.2 Justificativa ....................................................................................................................... 7

1.3 Objetivo geral ................................................................................................................... 8

2 POWER LINE CARRIER (PLC) ............................................................................................ 9

2.1 Evolução Sistêmica .......................................................................................................... 9

2.2 Descritivo do sistema Power Line Carrier ...................................................................... 11

2.2.1 Bobina de Bloqueio ................................................................................................. 11

2.2.1.1 Curvas da resposta em frequência .................................................................... 18

2.2.2 Capacitor de acoplamento e bobina de dreno .......................................................... 21

2.2.3 Sintonizador de Linha .............................................................................................. 21

3 LINHA DE TRANSMISSÃO ............................................................................................... 24

3.1 Atenuação ....................................................................................................................... 30

4 MODULAÇÃO ..................................................................................................................... 33

4.1 DSB-SC .......................................................................................................................... 33

4.1 QAM ............................................................................................................................... 36

5 EXPERIMENTO ................................................................................................................... 38

6 CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 45

7 REFERÊNCIAS .................................................................................................................... 47

4

1 INTRODUÇÃO

O emprego das usinas geradoras de energia e dos sistemas de transmissão e

distribuição proporcionou a difusão da energia elétrica no Brasil. Como exemplo, pode-se

citar a primeira usina hidrelétrica, a qual foi incorporada a uma linha de transmissão de

aproximadamente dois quilômetros, considerada extensa para a época [1].

O projeto de reestruturação do setor elétrico brasileiro (RE-SEB em 1996),

coordenado pelo Ministério de Minas e Energia, apresentou um novo modelo de estruturação

para as empresas de energia elétrica, ou seja, as empresas nesse setor seriam divididas em

segmentos de geração, transmissão e distribuição [2-3].

O RE-SEB identificou que os setores de distribuição e transmissão de energia

elétrica, considerados como monopólios naturais, deveriam estar sob a regulação do Estado

[2-3]. Identificou-se também a necessidade de criação de um órgão regulador (Agência

Nacional de Energia Elétrica – ANEEL), de um operador para o sistema elétrico nacional

(Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS) e de um ambiente para a realização das

transações de compra e venda de energia elétrica [2], estimulando assim a competição nos

segmentos de geração e comercialização de energia elétrica.

Em agosto de 1998, o Projeto RE-SEB apresentou toda a estrutura conceitual e

institucional do modelo a ser implantado (estrutura organizacional e os agentes do setor

elétrico brasileiro) como ilustrado na Figura 1 [3].

Fonte: Câmara de Comercialização de Energia Elétrica

Figura 1 - Organograma dos agentes do sistema elétrico brasileiro

5

Tal estrutura apresenta em sua composição o Conselho Nacional de Política

Energética (CNPE) cujo papel é assessorar o Presidente da República na formulação de

políticas e diretrizes de energia, que visam o aproveitamento dos recursos energéticos do país.

Já o Ministério de Minas e Energia (MME) é o responsável por planejar, formular e

implementar as ações do Governo Federal no âmbito energético. O MME concede a outorga

para exploração de usinas hidrelétricas e define as diretrizes a serem seguidas em leilões de

energia [2-3].

Além do MME, sob sua coordenação, o Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico

(CMSE) acompanha e avalia a continuidade e segurança do suprimento de energia no país.

Ainda, a Empresa de Pesquisa Energética (EPE) é destinada a serviços de pesquisas e estudos

para o planejamento do setor energético [2-3].

Também, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) compõe essa estrutura e

é responsável por regularizar e fiscalizar a geração, transmissão, distribuição e

comercialização de energia. Tal agência também fiscaliza o Operador Nacional do Sistema

Elétrico (ONS), cuja finalidade é coordenar e controlar operações de geração e transmissão,

objetivando o despacho energético centralizado bem como a operação física de todo o sistema

nacional, sendo uma grande composição das empresas geradoras e transmissoras interligadas

em todo o território, conhecido como Sistema Interligado Nacional (SIN) [2-3].

Por fim, o responsável por viabilizar a comercialização de energia elétrica no

Sistema Interligado Nacional é a Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE),

que administra os contratos de operação comercial do sistema (compra, venda contabilização

e liquidação de energia elétrica) [2-3].

Toda essa estrutura organizacional dos agentes do setor elétrico atua de modo que, a

geração, a transmissão e a distribuição de energia elétrica possam suprir as atuais e futuras

demandas do sistema elétrico brasileiro [2]. Por meio desses agentes são instituídas as regras

condizentes entre as empresas que fornecem o serviço e o consumidor, através de contratos de

concessão. Tais regras englobam a tarifação, regularidade, continuidade, segurança,

atualidade e qualidade dos serviços e do atendimento prestado. De maneira semelhante, há

também a definição de penalidades para as possíveis irregularidades [4].

Neste contexto, há cada vez mais investimentos por parte de concessionárias e

permissionárias com o objetivo de tornar o sistema elétrico mais automatizado e autônomo

[5]. Para tal, é indispensável a utilização de diferentes sistemas de telecomunicações

proporcionando, de modo mais rápido, eficiente e seguro, a transmissão e recepção de

6

informações específicas, compartilhadas entre centros de controle do sistema elétrico e

centros de gerência de rede [5-13].

No setor elétrico, a telecomunicação surge como um importante agente que atua na

solução das necessidades quanto aos aspectos de desempenho, complexidade, segurança

operacional e atendimentos à demanda [5-13]. A telecomunicação auxilia nos processos

operacionais do sistema elétrico, tais como telecomandos e de telessupervisões. Garantindo

uma constante melhoria na qualidade de energia e na segurança dos consumidores [6].

Entre os sistemas de telecomunicações mais empregados na automação do setor

elétrico brasileiro encontram-se os sistemas de rádio (UHF-Ultra High Frequency e SHF-

Super High Frequency), PLC (Power Line Carrier) ou OPLAT (Ondas Portadoras em Linhas

de Alta Tensão), sistemas de comunicações ópticas (OPGW- Optical Ground Wire) e

sistemas via satélites [7]. A seguir, são apresentadas as relações entres a telecomunicação

frente às demandas do sistema de energia elétrica.

1.1 Telecomunicações aplicadas no controle de geração, transmissão e

distribuição de energia

As tecnologias aplicadas ao sistema elétrico passaram por algumas mudanças. Na

década de 30 os sistemas de comunicações eram baseados na telefonia fixa, redes telefônicas

de comutação, que eram capazes de prover o status de alguns equipamentos em subestações e

de fornecer o controle de poucos pontos [6].

Com a chegada dos sistemas de aquisição de dados (DAS – Data Acquisition

Systems) nos anos 60, as subestações continham equipamentos com protocolos de

comunicação que permitiam a coleta de dados de medição automaticamente. Os protocolos

utilizados eram otimizados para operarem no transporte de dados em canais com largura de

banda limitada. Mesmo com tal otimização dos protocolos, o tempo gasto para configurar,

mapear e documentar os vários bits de dados recebidos era elevado [6].

A geração, transmissão e distribuição de energia aplicam diferentes tecnologias, de

acordo com a necessidade e a especificidade. As funções de manutenção e de operação de

subestações são executadas via enlaces dedicados de telefonia fixa, PLC, redes de telefonia

móveis e enlaces rádio (ponto a ponto) [11]. A necessidade de novas estratégias de controle

dos sistemas elétricos, aliada às regulamentações dos agentes institucionais, exige das

empresas uma boa disponibilidade dos ativos e um fornecimento de energia de qualidade para

7

os consumidores finais [12-13]. As telecomunicações contribuem para a evolução do setor

elétrico, apresentando soluções para o gerenciamento do sistema e assim garantindo o

provimento de energia [5-13].

Dessa forma, a telecomunicação, desde que bem aplicada, garante à automação um

meio seguro e confiável para a supervisão e o controle do sistema elétrico. Os sistemas de

telecomunicações são os responsáveis por prover a comunicação relacionada aos

equipamentos e a gerência do sistema de energia [5-13]. O conjunto de softwares, hardwares,

que são integrados para obter o gerenciamento da rede elétrica é denominado sistemas digitais

de supervisão e controle, também conhecido como sistemas SCADA (Supervisory Control

and Data Acquisition) [14].

Em subestações que não possuem o emprego de sistemas de telecomunicações, ou

seja, subestações não-automatizadas, todo o procedimento de operação é realizado por

técnicos e então repassado aos centros de operações do sistema. Entre as funções analisadas

pelos técnicos em campo, tem-se, a análise dos estados dos relés de proteção (de linhas, de

barramentos e transformadores), medição do óleo de transformadores (vazão, temperatura e

pressão), oscilografias e demais medições como de tensão, corrente e potência. [14].

Cada vez mais é visto a necessidade de implantação de redes elétricas inteligentes

(smart grids), que atendem questões de interoperabilidade, padronização, segurança e

envolvimento do consumidor [15]. Como apresentado na seção anterior, sistemas de

telecomunicações apresentam diversas tecnologias que são utilizadas para atender as

especificidades do setor elétrico.

1.2 Justificativa

Frente à crescente demanda do setor elétrico, os sistemas de telecomunicações

cooperam na redução de custos operacionais do sistema, visto que, é possível obter a

automação da leitura de registros, do corte energia e da detecção de irregularidades para

empresas de distribuição. Tendo em vista as especificidades dos serviços de telecomunicações

voltados para o auxílio da gerência de distribuição e transmissão de energia elétrica, os

sistemas PLC surgem como solução de apoio para o gerenciamento da rede elétrica,

constituindo em um canal de comunicação para os terminais da rede. Além disso, o PLC

demonstrou possuir uma tecnologia viável para sistemas elétricos, por sua disponibilidade de

utilização, que constitui a linha de transmissão da rede, que é um meio físico pré-existente. O

8

PLC também atenderá a demandas na área de smartgrids. Smartgrids são redes inteligentes,

capazes de trocarem informações com interoperabilidade de diferentes sistemas

compartilhando dados entre si

1.3 Objetivo geral

Apresentar o sistema de telecomunicação Power Line Carrier, que utiliza as linhas de

transmissão de energia elétrica como canal de comunicação. Evidenciar seus dispositivos, o

canal de comunicação e suas características, bem como as principais modulações utilizadas.

Este trabalho está organizado da seguinte forma: o capítulo 2 apresentará o histórico

e a evolução da tecnologia. Será abordado também o descritivo do sistema com os

dispositivos necessários. O capítulo 3 apresentará as características do canal de comunicação,

linha de transmissão, bem como um cálculo da atenuação. As principais modulações são

apresentadas no capítulo 4. No capítulo 5 é apresentado um experimento, sendo apresentados

os transceptores digitais e os serviços fornecidos. Por fim o capítulo 6 apresenta as conclusões

deste trabalho.

9

2 POWER LINE CARRIER (PLC)

Neste capítulo serão apresentados o histórico do sistema PLC, sua composição, a

evolução de sua capacidade de transmissão de informação e os serviços por ele transmitidos,

tais como, serviços de voz, dados referentes ao gerenciamento e teleproteção. Este capítulo

está organizado da seguinte forma, nas seções 2.1 e 2.2 serão abordados, respectivamente, o

histórico do sistema e os dispositivos que o compõe.

2.1 Evolução Sistêmica

Diferentes nomes e siglas são utilizados para representar a comunicação via linhas de

transmissão/distribuição de energia elétrica. Entre esses nomes encontram-se PLT (Power

Line Telecommunications - Telecomunicações em Linhas de Potência ), DLC (Distribution

Line Communications - Comunicações em Linhas de Distribuição) para linhas de baixa tensão

(< 1kV) e PLC (Power Line Carrier - Portadora em Linhas de Potência) para linhas de alta

tensão (>100kV). Comumente o acrônimo PLC (Power Line Communication - Comunicação

em Linhas de Potência) é encontrado para definir todo o campo de estudo relacionado à

comunicação sobre linhas de baixa, média e alta tensão [18].

Também é possível categorizar a comunicação em linhas de transmissão em dois

grupos, o NB-PLC (Narrowband - banda estreita) que opera com portadoras abaixo de 500

kHz e o BB-PLC (Broadband – banda larga) operando, normalmente, acima de 1,8 MHz [19].

As pesquisas iniciais em comunicações sobre linhas de transmissão tiveram enfoque

nas linhas de transmissão urbanas. No início do século 20, por exemplo, um sinal de 500 Hz

sobre uma linha de distribuição foi utilizado para controlar a iluminação das ruas da cidade de

New York. Os transmissores e receptores eram alimentados por um motor gerador (M-G)

acionado a combustão e o dispositivo que realizava sintonia era uma bobina com pouco mais

de 90 cm de diâmetro [20].

Os equipamentos PLC se desenvolveram conforme a tecnologia da época, embora

nunca como o principal campo de estudo das telecomunicações. Em 1954, o Instituto

Americano de Engenheiros Eletricistas – AIEE (American Institute of Electrical Engineers)

apresentou um manual orientando a aplicação e tratamento do canal, linha de transmissão,

para PLC. Desde então, o interesse pela área aumentou e novas pesquisas foram

desenvolvidas e intensificadas a partir da década de 90 [18].

10

Pesquisadores apontam três principais razões pela qual a tecnologia PLC é

interessante para as concessionárias de energia elétrica [18]:

Um enlace de comunicação PLC suporta altos níveis de ruído.

Confiabilidade de comunicação. É capaz de determinar se o sinal recebido consiste de

informação ou de falsos espúrios, provenientes do ruído do canal. Essa confiabilidade de

comunicação só é possível devido ao bom acoplamento entre a linha de transmissão e os

dispositivos do sistema PLC.

Permite enlaces de grandes distâncias. Em enlaces de comunicação PLC não são

necessários dispositivos ou uso de estações intermediárias entre as pontas do enlace. Todos os

dispositivos estão instalados dentro de cada subestação.

Com o avanço das técnicas de processamento de sinais e de esquemas de

modulações, tornou-se possível aumentar a eficiência espectral dos canais alocados para

sistemas PLC. Assim, com o aumento da eficiência espectral, o sistema PLC tornou-se mais

atrativo para as concessionárias de energia, uma vez que se tornou possível aumentar a

quantidade de informação transmitida. Após tal evolução surge o sistema DPLC [Digital

Power Line Carrier], onde representam o sistema PLC com modulações digitais. Sistemas

DPLC, além de permitirem que as concessionárias de energia sejam capazes de transmitir

dados de rede corporativa e telefonia, também possibilitam o uso de equipamentos

responsáveis por inspecionar as linhas de transmissão. Tal serviço é definido como

teleproteção [7,21].

Os transceptores digitais do sistema DPLC multiplexam voz, dados referentes à rede

corporativa e sinais de proteção, referentes às linhas de transmissão, permitindo também

serviços de rede Ethernet (TCP/IP) [7,21]. Essa tecnologia permite a transmissão de dados,

voz e serviços a velocidades de centenas de kbps (quilobits por segundo) por enlace de

comunicação [18].

A taxa de informação que é possível transmitir nesses sistemas depende das

condições da linha de transmissão. Essa taxa é proporcional à quantidade da relação sinal -

ruído (SNR - Signal to Noise Ratio). A relação sinal-ruído (SNR) é a relação entre o nível do

sinal de informação e o nível do ruído presente na linha de transmissão. Enlaces de até 256

kbps são encontrados, com larguras de banda de até 32 kHz para transmissão e também 32

kHz na recepção [21].

O controle de tráfego no canal e a utilização de compressões (dados e voz) são

técnicas que se mostraram eficientes para o melhor aproveitamento do canal para sistemas

digitais Power Line Carrier [21].

11

2.2 Descritivo do sistema Power Line Carrier

Um sistema PLC é composto basicamente por uma bobina de bloqueio, capacitores

de acoplamento, uma bobina de dreno e um sintonizador de linha conectada ao transceptor,

responsável por transmitir e receber, as informações (voz, teleproteção, dados de telemetria e

de gerenciamento do sistema). A aplicação de cada um desses dispositivos deve ser criteriosa,

de tal forma que o sistema PLC opere de forma adequada. Nas seções seguintes, serão

discutidos detalhadamente cada um dos componentes dos sistemas PCL. A Figura 2 ilustra o

sistema básico de comunicação.

Figura 2 - Sistema básico PLC.

Nas seções seguintes, serão discutidos cada um dos componentes do sistema.

2.2.1 Bobina de Bloqueio

O objetivo da bobina de bloqueio é confinar o sinal da onda portadora (sinal com

informação), injetado pelo equipamento transceptor, na linha de transmissão até o outro ponto

desejado. Ou seja, manter o sinal do transmissor até o receptor na linha de transmissão, sem

que ocorram perdas no sinal para os outros equipamentos da subestação. Dessa forma, a

12

bobina de bloqueio é conectada em série com a linha de transmissão, como ilustram as

Figuras 3(a) e (b) [20,22].

Fonte: CEMIG TI/TC

Figura 3 - Bobina de bloqueio com pedestal (a). Bloqueio da onda portadora (b)

Quando o sinal da portadora é acoplado na linha de transmissão, como ilustrado na

Figura 3, ele pode se propagar em duas diferentes direções, ao terminal de recepção (direção

correta) ou ao barramento da subestação. É dentro desse cenário que se faz necessário um

dispositivo que atue para impedir a frequência portadora de chegar até o barramento da

subestação e, portanto garantir que essa frequência seja direcionada corretamente ao terminal

de recepção por meio da linha de transmissão [20]. Se a bobina de bloqueio não estivesse

conectada ao sistema, o sinal ao se propagar em direção à recepção sofreria uma perda de

energia considerável, uma vez que, grande parte de sua energia seria desviada para a terra ou

em direção a outros equipamentos das linhas de transmissão, podendo ocasionar interferências

caso a mesma banda de frequência esteja em uso em outro link de comunicação PLC [20].

A Figura 4 apresenta uma parte do mapa de frequências da região do triângulo

mineiro da Companhia Energética de Minas Gerais. A Figura 5 ilustra um link de 85,7 Km

em um linha de transmissão de 138 kV, utilizando uma banda de frequência de 8 kHz para

transmissão e de 8 kHz .para a recepção, totalizando um total de 16 kHz de banda para o link

de comunicação.

(a) (b)

13

Figura 4 - Mapa de frequência PLC-Parte da região triângulo

Figura 5 - Link Patos de Minas - Coromandel

14

A bobina de bloqueio é constituída de um indutor principal e de um dispositivo de

sintonia (com para-raios), conectado em paralelo em seu interior, formando um circuito

ressonante paralelo [22]. Ela pode ser representada como por um circuito LC paralelo (arranjo

básico), a Figura 3 (a) apresenta uma bobina de bloqueio tamanho real com indutância típica

entre 0,1 mH e 2 mH. A bobina apresenta uma alta impedância ao sinal da portadora, e é

colocada em série com a linha de transmissão entre a saída do barramento da subestação e o

capacitor de acoplamento, forçando o sinal da portadora a se propagar na direção da linha de

transmissão, rumo ao ponto de recepção, contido em outra subestação [20,22,23].

Até chegar ao ponto de recepção, o sinal da portadora acoplado na linha de

transmissão é atenuado devido as condições do canal e as condições do próprio ambiente. No

ponto de recepção, o sinal é desacoplado da linha de transmissão e então enviado ao

equipamento transceptor via cabo coaxial [20].

A seguir, será demostrado a resposta em frequência da bobina de bloqueio. Sabendo

que a frequência angular ressonante é dada por:

𝜔 = √1

𝐿𝐶 (2.0)

sendo a frequência angular em radianos por segundo, L = indutância em Henry, C=

capacitância em Faraday.

A relação entre a frequência angular e linear pode ser visto abaixo:

𝜔 = 2𝜋𝑓 (2.1)

Pode-se, portanto, substituir a Equação (2.1) na equação (2.0)

2𝜋𝑓 = √1

𝐿𝐶 → 𝑓 =

1

2𝜋 √

1

𝐿𝐶 → 𝑓 =

1

2𝜋√𝐿𝐶 (2.2)

f = frequência em Hertz.

Sabe-se que as reatâncias capacitivas e indutivas são dadas pelas relações descritas

abaixo:

𝑍𝐶 =−𝑗

𝜔𝐶 (2.3)

𝑍𝐿 = 𝑗𝜔𝐿 (2.4)

15

ambas dadas em Ohms.

A Figura 6 ilustra um circuito LC paralelo utilizado na bobina de bloqueio.

Figura 6 - Circuito LC paralelo.

A impedância equivalente será o paralelo das reatâncias indutivas e capacitivas, como

mostrado abaixo:

𝑍𝐵 =𝑍𝐿𝑍𝐶

𝑍𝐿 + 𝑍𝐶 =

(𝑗𝜔𝐿) (−𝑗𝜔𝐶)

(𝑗𝜔𝐿 + −𝑗𝜔𝐶)

=−𝑗2 (

𝐿𝐶)

𝑗 (𝜔2𝐿𝐶 − 1

𝜔𝐶 ) (2.5)

𝑍𝐵 =−𝑗2 (

𝐿𝐶)

𝑗 (𝜔2𝐿𝐶 − 1

𝜔𝐶 )= (

𝐿

𝐶)

(𝜔𝐶)

𝑗 (𝜔2𝐿𝐶 − 1 ) =

𝐿𝜔

𝑗(𝜔2𝐿𝐶 − 1) (2.6)

Na frequência de ressonância a reatância da bobina tenderá ao infinito, como pode ser visto na

Equação 2.7:

𝑍𝐵 = 𝐿𝜔

𝑗(𝜔2𝐿𝐶 − 1)=

−𝑗𝐿𝜔

((√ 1𝐿𝐶)

2

∗ 𝐿𝐶 − 1)

→ ∞ (2.7)

Conforme a Equação 2.7, observa-se que a impedância equivalente do circuito LC

paralelo na frequência de ressonância tende a infinito. Isto implica em dizer que a bobina é

capaz de bloquear uma determinada frequência, por meio de uma alta impedância. A bobina

de bloqueio também deve ser capaz de permitir a passagem do sinal da rede (60 Hz) na linha

de transmissão para a o barramento da subestação, ou seja, apresentar baixíssima impedância

para a frequência da rede. Deve ser projetada também para suportar as altas correntes

presentes nas linhas de transmissão e as possíveis descargas elétricas [20]. A Figura 7 ilustra

os componentes de uma bobina de bloqueio. A bobina ilustrada encontra-se sobre um suporte,

e é colocada verticalmente. O dispositivo de sintonia é projetado de acordo com a resposta em

16

frequência que se necessita. Em termos de resposta em frequência, há 3 tipos principais de

sintonia [20,22, 23]:

Sintonia de frequência simples;

Sintonia de dupla frequência;

Sintonia de faixa larga.

Fonte: Trench,Line Traps.

Figura 7 - Componentes de uma bobina de bloqueio.

Uma bobina de bloqueio que opere em sintonia simples é um dispositivo que

apresenta uma alta impedância para uma faixa específica de frequência. Dessa forma,

apresenta uma operação muito seletiva. Nas extremidades da faixa de operação, a bobina de

bloqueio apresenta uma impedância mais baixa, já na frequência de ressonância fr sua

impedância alcança valores elevados. A Figura 8 ilustra a curva característica de uma bobina

de bloqueio em sintonia simples. A faixa de operação é determinada pelas frequências de

limite inferior e superior, f1 e f2 respectivamente. O dispositivo de sintonia é então projetado

para apresentar uma impedância mínima Zmin nas extremidades da faixa de operação desejada

[20,22,23].

17

Figura 8 - Curva característica para sintonia simples.

Bobinas que operam em sintonia de dupla frequência são bobinas capazes de

bloquear duas faixas de frequências que não são adjacentes. A Figura 9 ilustra sua curva

característica. Dessa forma, o dispositivo de sintonia é projetado para que a bobina apresente

uma impedância mínima nas extremidades das duas faixas de operação, f1 – f2 e f’1 – f’2

respectivamente.

Figura 9 - Curva característica para sintonia dupla.

Em projetos de bobina de bloqueio que operem em banda larga, dois fatores devem ser

considerados, a largura de banda de bloqueio e o valor de impedância. Esses dois aspectos

estão diretamente relacionados com o valor de indutor principal a ser dimensionado para a

bobina de bloqueio, uma vez que, por meio da indutância do indutor principal, uma bobina de

bloqueio de sintonia de banda larga pode oferecer até o dobro da largura de banda, f1 – f2, que

18

uma bobina de sintonia simples oferece, o que representa o alto valor de custo para o projeto.

A curva característica é ilustrada na Figura 10. Deve-se evitar utilizar as frequências que estão

próximas às bordas de bloqueio devido às possíveis mudanças que ocorrem no sistema

(subestação e Linha de Transmissão) [20, 22].

Figura 10 - Curva característica bobina de bloqueio em sintonia de banda larga

A seção seguinte apresenta algumas amostras de curvas de bobinas de bloqueio

caracterizadas em laboratório.

2.2.1.1 Curvas da resposta em frequência

Uma das técnicas para caracterizar a resposta em frequência de uma bobina de

bloqueio é ilustrada na Figura 11. A estratégia consiste de se conectar a um gerador de sinal

uma resistência em série com a bobina de bloqueio. Dessa forma, por meio de voltímetros,

registram-se os valores de tensão em cada um desses componentes para então ser traçada a

curva de resposta da bobina.

A Figura 11 ilustra o esquemático do circuito, onde VR é o valor de tensão registrado

pelo voltímetro sobre a resistência, VG a tensão aplicada pelo gerador de sinal registrada pelo

o outro voltímetro e ZB a impedância da bobina de bloqueio.

19

Figura 11 - Circuito para levantar a curva de resposta em frequência.

A impedância da bobina de bloqueio é encontrada por meio de simples análise de

circuitos. As equações a seguir apresentam essa análise. Onde R é a resistência de valor

conhecido.

Pela 1º lei de Ohm sabe-se que:

𝑉𝐺 = (𝑍𝐵 + 𝑅)𝐼 (2.8)

𝐼 =𝑉𝑅

𝑅 (2.9)

Aplicando a Equação 2.9 em 2.8 tem-se:

𝑉𝐺 = (𝑍𝐵 + 𝑅)𝑉𝑅

𝑅 (2.10)

Isolando ZB em 2.10 e substituindo o valor de R obtém-se:

𝑍𝐵 = ( 10𝑉𝐺

𝑉𝑅− 10) (2.11)

A Figura 12 ilustra a resposta em frequência da bobina de bloqueio da subestação

São Simão da Companhia Energética de Minas Gerais. A bobina apresenta uma indutância

principal de 0,32 mH e suporta correntes de até 3000 A. A Figura 13 apresenta a bobina da

subestação São Gonçalo do Pará, com 0,265 mH e que suporta até 800 A.

20

Figura 12 - Resposta em frequência da bobina de bloqueio de SE São Simão/CEMIG.

Figura 13 - Resposta em frequência da bobina de bloqueio de SE São Gonçalo do Pará/CEMIG

21

2.2.2 Capacitor de acoplamento e bobina de dreno

O capacitor de acoplamento é o dispositivo que providencia um caminho de baixa

impedância para o sinal de onda portadora com informação até a linha de alta tensão. Ao

mesmo tempo em que apresenta esse caminho de baixa impedância, apresenta também um

caminho de alta impedância para o sinal presente na linha de alta tensão (60 Hz), funcionando

também como um dispositivo de bloqueio [20,22,23].

Como ilustrado na Figura 2, uns dos terminais do capacitor de acoplamento é

conectado diretamente à linha de alta tensão e o outro a um dispositivo aterrado, denominado

bobina de dreno. Essa conexão é feita para que a sintonia seja em um ponto de baixa tensão.

Caso o capacitor de acoplamento fosse aterrado diretamente, o sinal da onda portadora seria

disperso para o terra. Dessa forma, a bobina de dreno é colocada entre o capacitor de

acoplamento e o terra, provendo assim o referencial de baixo potencial e ao mesmo tempo

impedindo que a onda portadora se desvie, pois sua impedância para altas frequências é alta.

Ao mesmo tempo, a bobina de dreno permite a passagem de baixas frequências para a terra,

como a frequência da rede de 60 Hz [20,22,23].

As Equações 2.3 e 2.4 representam as impedâncias do capacitor de acoplamento e da

bobina de dreno respectivamente. O capacitor forma um divisor de tensão, de maneira que na

parte superior tem-se a tensão fase-terra da linha de transmissão e na parte de conexão com o

sintonizador de linha uma tensão da ordem de 1 a 2 kV. Esta tensão residual em 60 Hz é

aterrada pela bobina de dreno [20,22,23].

Na prática, para a função de acoplar o sinal na linha de transmissão, é utilizada o

Transformador de Potencial Capacitivo (TPC), que realiza a função do capacitor de

acoplamento, mas também tem com função operar relés de proteção e alimentação para a casa

sistemas auxiliares da subestação [24]. A parte superior do TPC é conectada a LT e sua base é

aterrada. É também em sua base que é realizada a conexão com o sinal de onda portadora

[20,24].

2.2.3 Sintonizador de Linha

O sintonizador de linha, em conjunto com o capacitor de acoplamento e a bobina de

dreno garantem um caminho confiável para o sinal de onda portadora até a linha de alta

tensão. Dessa forma, um caminho de baixas perdas é estabelecido para uma banda de

frequência específica, ou seja, para uma banda que contém a frequência de onda portadora

22

que contém informação. As frequências que não estão dentro dessa banda são atenuadas, o

mesmo acontece com os ruídos. O caminho de baixa impedância é construído pela formação

de um circuito série ressonante sintonizado para uma ou duas frequências específicas, ou

também para uma faixa de frequências. A combinação do sintonizador de linha com o

capacitor de acoplamento forma um filtro do tipo passa-altas, geralmente com a frequência de

corte estabelecida pela capacitância do capacitor de acoplamento [20,23].

O sintonizador de linha também realiza o casamento de impedância entre o terminal

de saída do transceptor PLC e a linha de alta tensão. Por meio desse casamento de

impedância, a máxima transferência de potência do sinal de onda portadora é alcançada

[15,23].

A Figura 14 ilustra as três funções desempenhadas pelo sintonizador de linha:

Filtragem;

Casamento de impedância entre linha e o transceptor;

Proteção.

Figura 14 - Funções do sintonizador de linha.

Como citado anteriormente, a indutância do sintonizador de linha em série com o

capacitor de acoplamento gera um circuito ressonante série. A Figura 15 ilustra o circuito LC

série. A indutância do sintonizador de linha é projetada para atuar em ressonância com o

capacitor de acoplamento para uma dada frequência de onda portadora.

Figura 15 - LC série.

Utilizando as Equações 2.3 e 2.4, a impedância equivalente do circuito LC série é

dada pela Equação 2.12.

23

𝑍𝑒𝑞 = 𝑍𝐶 + 𝑍𝐿 (2.12)

𝑍𝑒𝑞 =−𝑗

𝜔𝐶+ 𝑗𝜔𝐿 (2.13)

𝑍𝑒𝑞 =−𝑗

𝜔𝐶+ 𝑗𝜔𝐿 = 𝑗(

𝜔2𝐿𝐶 − 1

𝜔𝐶) (2.14)

Utilizando a frequência de ressonância na Equação 2.1 e aplicando em 2.14, obtém-se:

𝑍𝑒𝑞 = 𝑗 (𝜔2𝐿𝐶 − 1

𝜔𝐶) = 𝑗 (

(1

𝐿𝐶) 𝐿𝐶 − 1

𝜔𝐶) = 0 (2.15)

Dessa forma, por meio da Equação 2.15 verifica-se que o sintonizador de linha,

juntamente com o capacitor de acoplamento, forma um caminho de baixa impedância para a

faixa de frequências do sistema PLC. Outra importante função do sintonizador de linha é

realizar o casamento de impedância entre o transceptor e a linha de transmissão, para que não

haja perdas no momento do acoplamento do sinal.

O capítulo seguinte abordará as características da linha de transmissão.

24

3 LINHA DE TRANSMISSÃO

Como descrito nas seções anteriores, o canal de comunicação utilizado por sistemas

de onda portadora constituí a própria linha de transmissão. Dessa forma, uma linha de

transmissão que esteja sendo utilizada em um sistema PLC, além de propagar a frequência da

rede de 60 Hz, também propagará as bandas de frequências de ondas portadoras.

Sendo assim, a resposta que a linha de transmissão apresentará será diferente para a

frequência da rede e para as frequências de ondas portadoras [15]. Uma vez que a frequência

de 60 Hz apresenta um comprimento de onda maior que a frequência de onda portadora. A

Equação 3.1 apresenta a relação com o comprimento de onda e a sua frequência.

𝜆 =𝑛 ∗ 𝑐

𝑓 (3.1)

onde c é a velocidade da luz, sendo aproximadamente igual a 2,99792458*108 m/s, f a

frequência em Hz e n o índice de refração do meio.

A Tabela 1 apresenta a relação dos comprimentos de onda para a frequência da rede

e para duas frequências de onda portadora.

Tabela 1 - Comprimentos de onda.

Frequência Comprimento de onda (𝝀)

60 Hz ≈ 4,9*103 km

30 kHz ≈ 9,8 km

500 kHz ≈ 588 m

A relação entre o comprimento de onda e comprimento da linha de transmissão

apresentam algumas características que podem influenciar o nível de sinal na recepção. Em

sistemas PLC’s, a linha de alta tensão pode apresentar ondas estacionárias que se formam

quando o sinal que foi transmitido se depara com um sinal refletido. Dependo do quanto de

sinal for refletido, a comunicação pode ser prejudicada, uma vez que pode gerar um alto nível

de atenuação da onda portadora [20].

Para ser feita análise de uma linha de transmissão, é levado em consideração o fato

de que o valor da tensão e da corrente de uma onda que se propaga pela linha são funções do

tempo e do espaço. Dessa forma, o valor da tensão e corrente em um dado momento,

dependerá em qual ponto da linha de transmissão está sendo considerado. A Figura 16

apresenta o circuito equivalente de uma linha de transmissão.

25

Figura 16 - Circuito equivalente de linha de transmissão.

As equações 3.2 e 3.3 apresentam a tensão e corrente para uma dada carga, de

impedância ZL, respectivamente.

𝑉(𝑧) = 𝑉0+𝑒−𝑗𝛽𝑧 + 𝑉0

−𝑒+𝑗𝛽𝑧 (3.2)

𝐼(𝑧) = 𝑉0

+𝑒−𝑗𝛽𝑧

𝑍0−

𝑉0−𝑒+𝑗𝛽𝑧

𝑍0 (3.3)

Onde V0+, V0

- e Z0 correspondem a tensão da onda incidente e refletida na carga e a

impedância característica da linha de transmissão respectivamente. A constante 𝛽 representa a

parte imaginária da constante de propagação 𝛾 de uma onda, apresentada na Equação 3.4, 𝛼 é

a constante de atenuação e 𝛽 a constante de fase.

𝛾 = 𝛼 + 𝑗𝛽 (3.4)

A Equação 3.5 mostra a relação entre uma carga de impedância ZL com a tensão e

corrente.

𝑍𝐿 =𝑉𝐿(𝑧)

𝐼𝐿(𝑧)=

𝑉0+𝑒−𝑗𝛽𝑧 + 𝑉0

−𝑒+𝑗𝛽𝑧

𝑉0+𝑒−𝑗𝛽𝑧

𝑍0−

𝑉0−𝑒+𝑗𝛽𝑧

𝑍0

(3.5)

Considerando o comprimento da linha z = 0 na carga, obtém-se a Equação 3.6.

𝑍𝐿 =𝑉𝐿(0)

𝐼𝐿(0)=

𝑉0+𝑒0 + 𝑉0

−𝑒0

𝑉0+𝑒0

𝑍0−

𝑉0−𝑒0

𝑍0

= 𝑍0 ∗ (𝑉0

+ + 𝑉0−

𝑉0+ − 𝑉0

−) (3.5)

26

Por meio de manipulações na Equação 3.5, define-se o coeficiente de reflexão na Equação

3.6.

𝛤(𝑧) = ( 𝑉0

−

𝑉0+ ) =

𝑍𝐿 − 𝑍0

𝑍𝐿 + 𝑍0 (3.6)

Rescrevendo as Equações 3.2 e 3.3 em função do coeficiente de reflexão obtêm-se:

𝑉(𝑧) = (𝑒−𝑗𝛽𝑧 + 𝛤𝑒+𝑗𝛽𝑧) (3.7)

𝐼(𝑧) =𝑉0

+

𝑍0 (𝑒−𝑗𝛽𝑧 − 𝛤𝑒+𝑗𝛽𝑧) (3.8)

As Equações 3.7 e 3.8 mostram que em uma linha de transmissão, a tensão e a

corrente de uma onda propagante são superposições entre as ondas refletidas e incidentes.

Essa superposição de ondas é conhecida como ondas estacionárias [25].

Com o objetivo de não haver ondas refletidas ao longo da linha de transmissão, em

sistemas PLC’s, o sintonizador de linha realiza o casamento de impedância entre a linha de

transmissão e os dispositivos transceptores. Nessa condição é dito que a carga está casada

com linha de transmissão, não havendo dessa forma ondas refletidas. Em outras palavras, faz-

se o coeficiente de reflexão 𝛤 = 0 [25].

A impedância característica de uma linha de transmissão é definida pela seguinte

equação:

𝑍0 =𝑉+

𝐼+= √

𝑅 + 𝑗𝑤𝐿

𝐺 + 𝑗𝑤𝐶 (3.9)

Onde R e G são respectivamente a resistência da linha e sua condutância. Considerando que

jwL e jwC são bem maiores que R e G , para altas frequências, a Equação 3.9 pode ser escrita:

𝑍0 = √𝐿

𝐶 (3.10)

A Equação 3.10 pode ser escrita em termos da distância D entre os condutores e o raio r dos

mesmos. A Equação 3.11 apresenta essa relação que é ilustrada pela Figura 17.

27

𝑍0 = 276 log𝐷

𝑟 (3.11)

Figura 17 - Distância “D” entre os condutores de raio “r”.

Dessa forma, um bom casamento de impedância entre os transceptores e a linha,

dificulta o surgimento de ondas estacionárias. Entretanto, pode haver casos em que existam

outros pontos de seccionamento em uma linha de transmissão entre duas subestações,

No setor elétrico, linhas de transmissão foram prioritariamente construídas para

transmitir a energia da geração para redes de distribuição de centros urbanos, ou também para

outras cargas, como indústrias e centros comerciais. Foram feitas também para permitirem a

integração da geração de médio porte (como parques eólicos e solares) aos centros de carga

(cidades, indústria, hospitais, etc). Essa integração da geração de médio porte é feita com

seccionamentos nas linhas de transmissão por meio de transformadores abaixadores, sendo

mais viável economicamente que a construção de uma nova subestação [26]. A Figura 18

ilustra um tipo de seccionamento. São ilustrados os alimentadores, o transformador, uma

chave operada por um motor e a linha do seccionamento.

Figura 18 – Transformador abaixador conectado a LT.

Experimentos mostram que cargas conectadas em triângulo são mais capacitivas que

cargas conectadas em estrela [20]. Dessa forma, para altas frequências, e para cargas em

triângulo, transformadores apresentam baixíssima impedância [20], conforme a Equação 2.3.

28

A Figura 19 ilustra o circuito equivalente do transformador conectado a LT, considerando

essa baixíssima impedância como um curto.

Figura 19 - Circuito equivalente de uma LT conectada a um transformador.

No ponto de conexão entre o seccionamento e a linha de transmissão a impedância

vista pela onda portadora é a impedância de entrada da linha de seccionamento. Definida pela

Equação 3.9 para uma linha sem perdas.

𝑍𝑖𝑛(−𝑙) = 𝑍0 ∗ (𝑍𝐿 + 𝑗𝑍0 tan(𝛽𝑙)

𝑍0 + 𝑗𝑍𝐿 tan(𝛽𝑙)) (3.9)

Como a impedância de entrada será para uma linha conectada um curto, ZL será igual à zero.

A Equação 3.9 se torna a seguinte equação:

𝑍𝑖𝑛(−𝑙) = 𝑍0 ∗ (0 + 𝑗𝑍0 tan(𝛽𝑙)

𝑍0 + 0𝑗 tan(𝛽𝑙)) = 𝑗𝑍0 tan(𝛽𝑙) (3.10)

Sendo 𝑙 o comprimento da linha de seccionamento e 𝛽 = 2𝜋/𝜆, a Equação 3.11 apresenta a

relação entre o comprimento do seccionamento e a impedância que a onda portadora

enxergará no ponto de seccionamento. O comprimento da linha de seccionamento deve ser

levado em consideração caso seja proporcional a um quarto do comprimento de onda (λ/4) da

frequência de onda portadora.

𝑍𝑖𝑛(−𝑙) = 𝑗𝑍0 tan(𝛽𝑙) = 𝑗𝑍0 tan (2𝜋

𝜆∗

𝑛𝜆

4) = 𝑗𝑍0 tan (

𝑛𝜋

2) (3.10)

29

Dessa forma, se n for ímpar (1, 3, 5, etc) a Equação 3.10 se torna a seguinte:

𝑍𝑖𝑛(−𝑙) = 𝑗𝑍0 tan (𝑛𝜋

2) = ∞ (3.11)

Caso n seja par (2, 4, 6, etc):

𝑍𝑖𝑛(−𝑙) = 𝑗𝑍0 tan (𝑛𝜋

2) = 0 (3.11)

Dessa forma, se o comprimento for um múltiplo par (2, 4, 6, etc) de (𝜆/4) e o

transformador apresentar baixa impedância, o sinal de onda portadora não chegará ao ponto

de recepção, pois será desviado para a seccionamento, uma vez que o comprimento da linha

refletirá essa baixa impedância do transformador no ponto de seccionamento. Caso o

comprimento da linha de seccionamento seja um múltiplo ímpar (1, 3, 5, etc) de (𝜆/4), e o

transformador apresente uma baixa impedância para frequências portadoras, o comprimento

da linha refletirá a baixa impedância como alta impedância (aberto) no ponto de

seccionamento. Essa alta impedância fará com que o sinal não seja desviado para o

seccionamento, indo em direção ao ponto de recepção [20].

Para enlaces PLC’s, são considerados dois pontos a respeito desses seccionamentos

de linhas terminados em transformadores:

Impedância;

Comprimento da linha de seccionamento.

Empiricamente, a impedância de um transformador de potência para frequências de

ondas portadoras é considerada como uma alta resistência de shunt. Dependendo de sua

localização ao longo do canal de comunicação (linha de transmissão), pode ou não gerar

interferência para o canal [20]. Pode-se evitar esse tipo de desvio do sinal, mudando a

frequência da onda portadora, de forma que o comprimento do seccionamento não seja mais

múltiplo de um quarto do comprimento de onda, ou colocando-se uma bobina de bloqueio na

entrada do seccionamento [20].

Além de seccionamentos que podem fazer com o que o sinal PLC não chegue ao

ponto de recepção, há atenuações que ocorrem ao longo da linha de transmissão que podem

diminuir o nível da potência do sinal. A seção a seguir apresentará uma discussão sobre

atenuações.

30

3.1 Atenuação

Há alguns fatores que estão envolvidos quanto à eficiência na transmissão do sinal

PLC na linha de alta tensão. Esses fatores são relacionados às perdas do sinal, os principais e

mais comuns fatores são: a frequência do sinal, o tipo de condutor da linha e a sua dimensão,

condições do clima, condutividade do solo e confiabilidade dos isolamentos nas torres [20].

A Equação 3.12 apresenta um cálculo muito comum para descobrir a atenuação da

linha. Embora não totalmente preciso, esse cálculo foi muito utilizado e permitia aos

projetistas uma margem quanto a atenuação esperada [27,28]

𝐴𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 𝐴𝑃𝑜𝑟 𝑘𝑚 ∗ 𝐿(𝑘𝑚) ∗ 𝐹. 𝐶𝑇𝑎𝑏𝑒𝑙𝑎 + 𝐶. 𝐴𝑇𝑎𝑏𝑒𝑙𝑎 (3.12)

Onde Apor km é a atenuação quanto a frequência utilizada na linha de transmissão, L(km) o

comprimento da linha de transmissão, F.CTabela o fator de correção quanto o número de

transposições ocorreram na linha e C.ATabela a correção quanto o tipo de acoplamento.

Os valores de cada variável da Equação 3.12 são determinados mediante gráfico e

tabelas que foram desenvolvidas. A seguir, a Figura 20 apresenta o gráfico quanto o valor

típico de atenuação para uma dada frequência em linha de 128 kV.

Figura 20 - Atenuação por km de acordo com a frequência na LT.

Após a determinação da atenuação por km , bem como comprimento da linha em km, é

verificado na Tabela 2 o fator de correção quanto a tensão na linha em que será acoplado o

31

sinal. Como a Figura 20 apresenta os valores típicos para uma tensão de 128 kV, a Tabela 2

permite as possíveis correções caso a linha em estudo não seja de 128 kV.

Tabela 2 - Fator de correção quanto a tensão da LT.

Tensão da LINHA DE TRANSMISSÃO FATOR DE MULTIPLICAÇÃO

39,5 kV 1,46

69 kV 1,20

115 kV 1,11

138 kV 1,00

230 kV 0,78

345 kV 0,72

500 kV 0,54

765 kV 0,50

O Fator de multiplicação é aplicado para linhas que não possuem transposição. Caso a linha

possua transposições, deve ser adicionada a atenuação total os valores conforme a Tabela 3. A

transposição das fases nas linhas de transmissão é utilizada para diminuir o desequilíbrio de

tensão e corrente existente. Uma vez que as distâncias entre as fases e entre as fases e a terra

não são sempre as mesmas, a geometria da LT acaba desequilibrando o fluxo de potência.

Dessa forma mudam-se as posições das fases a fim de amenizar o desequilíbrio. [27].

Tabela 3 - Atenuação para a quantidade de transposições.

Número de Transposições Atenuação

1 6 dB

2 – 4 8 dB

Acima de 5 10

A seguir, a Tabela 4 apresenta as correções que são tomadas mediante o tipo de acoplamento

utilizado no enlace PLC. Os valores mostrados são para enlaces acima de 160 km de

comprimento. Caso sejam enlaces menores os valores estão sujeitos a largas variações.

Tabela 4 - Correção por tipo de acoplamento para linhas acima de 160 km

Tipo de acoplamento Correção

Fase central para Fase lateral 0 dB

Entre Fases laterais 15 dB

Fase central para

terra

Sem cabo terra 8 dB

Cabo terra metálico 4 dB

Cabo terra de alumínio 2 dB

Cabo terra de cobre 2 dB

Fase Lateral para

terra

Sem cabo terra 16 dB

Cabo terra metálico 12 dB

Cabo terra de alumínio 10 dB

Cabo terra de cobre 10 dB

32

O sinal de onda portadora também sofre algumas atenuações em função de ruídos

presentes na linha. Conforme citado, as linhas de transmissão de energia e os dispositivos

conectados a ela não foram projetados com a preocupação de se evitar os possíveis distúrbios

que causariam nas frequências portadoras. Os distúrbios, tensões de ruídos, que são gerados

em sistemas de transmissão de energia podem ser classificados em duas categorias, quanto às

suas naturezas. A primeira categoria é o tipo de tensão de ruído presente em todo momento,

eles são gerados devido às descargas de isoladores, da linha e outros dispositivos. A segunda

categoria de tensão de ruído é quanto a natureza do tipo de impulso temporário. Eles ocorrem

devido aos chaveamentos nas subestações e descargas atmosféricas [28].

Um fenômeno que gera interferência nas frequências de ondas portadoras, é definido

como o efeito corona. Os materiais utilizados para a fabricação de isoladores podem ser

ionizados pela atmosfera e gerar uma descarga luminosa, essa descarga é denominada como

efeito corona. Esse efeito, além de liberar energia em forma de luz, também irradia ondas

eletromagnéticas que criam interferências nas ondas portadoras [29].

A Tabela 5 apresenta os valores típicos de ruído presente em linha de transmissão,

bem como os níveis típicos de potência de transmissão e de sinal recebido [27].

Tabela 5 - Níveis típicos em sistema PLC

dbm Watts

Ruído

Linha de

Transmissão

-50 10n

-40 100n

-30 1µ

-20 10µ

Nível de

Recepção

-10 0,1m

0 1m

+10 0,01

+20 0,1

Potência de

Transmissão

+30 1

+40 10

+50 100

O cálculo apresentado nesse capítulo para atenuações é uma estimativa que permite

as tomadas de decisões preliminares em questões de projeto. A seguir, na próxima seção,

serão apresentadas brevemente as principais modulações em sistemas PLC’s.

33

4 MODULAÇÃO

Como definido no capítulo anterior um dos fatores que limita um enlace de

comunicação PLC é o ruído presente na linha de transmissão. Esse ruído deve ser levado em

consideração quando se projeta o sistema PLC. O canal deve ser projetado de tal forma que o

nível do sinal recebido seja maior que o nível do ruído na banda de frequência do sistema

PLC. O tamanho da influência que o ruído terá depende da modulação e dos serviços

utilizados na linha [20].

Modulação é um processo que causa um salto de frequência em um determinado

sinal. Sendo assim, a modulação e a demodulação são definidas como processos de conversão

de frequências. Nesse processo, tem-se: o sinal banda base e a onda portadora. A onda

portadora é definida como o sinal auxiliar que realiza o salto de frequências no sinal de banda

base, que possui a informação desejada. A onda portadora pode ser modulada em amplitude,

frequência ou em fase. [30 - 31].

Este capítulo aborda uma breve apresentação de algumas modulações que são mais

encontradas em sistemas PLC.

4.1 DSB-SC

A modulação em amplitude, ou também chamada de modulação AM (Amplitude

modulation), consiste do fato de que a amplitude A da onda portadora Acos(wt +θ) é alterada

proporcionalmente ao sinal que contém informação. Onde w é frequência angular da onda em

rad/s, t o tempo em s e θ a fase da onda e graus [30]. Sendo assim, para um sinal de

modulante m(t), e uma onda portadora de fase igual a zero e amplitude unitária, o sinal

modulado corresponde a mt cos(wt). A Figura 21 apresenta o digrama de blocos do

modulador [30].

34

Figura 21 - Modulador.

Por meio da Equação 4.3 observa-se como é a modulação no domínio do tempo.

Onde wm representa a frequência angular do sinal modulador. Nota-se que não há componente

de frequência w da onda portadora no sinal modulado, essa característica dá a essa modulação

o nome de DSB – SC (Double Sideband Suppressed Carrier)

𝜑𝐷𝑆𝐵−𝑆𝐶(𝑡) = 𝑚(𝑡) cos(𝑤𝑡) (4.1)

𝜑𝐷𝑆𝐵−𝑆𝐶(𝑡) = cos(𝑤𝑚𝑡) cos(𝑤𝑡) (4.2)

𝜑𝐷𝑆𝐵−𝑆𝐶(𝑡) =1

2[cos(𝑤 + 𝑤𝑚)𝑡 + cos(𝑤 − 𝑤𝑚)𝑡] (4.3)

No espectro de frequência, essa modulação apresenta duas partes que são definidas

como USB (upper sideband) de componente 𝑤 + 𝑤𝑚 e LSB (lower sideband) de componente

𝑤 − 𝑤𝑚. Dessa forma, uma portadora cos(wt) de 150 kHz modulada para um sinal de voz

m(t) com uma banda B de 2100 Hz (300 Hz – 2300 Hz) terá um sinal modulado de 4200 Hz

de banda, ou seja, de 2B. A relação entre a largura de banda B e a frequência de onda

portadora deve ser maior ou igual a 2𝜋B. Sendo assim não haverá a sobreposição de sinal no

processo de modulação, o que impediria a recuperação da informação do sinal modulado. A

recuperação do sinal é apresentada pela Figura 22 que ilustra o demodulador [28-30 ].

O processo de recuperação do sinal de banda base do sinal modulado é definido

como demodulação ou detecção. Este processo é bem semelhante ao de modulação. Consiste

da multiplicação do sinal recebido pela portadora cos(wt), gerando um sinal e(t) que em

seguida é filtrado por um filtro passa baixa.

35

Figura 22 - Demodulador.

A Equação 4.4 apresenta a formação do sinal e(t).

𝑒(𝑡) = cos(𝑤𝑚𝑡) (cos2(𝑤𝑡)) =1

2cos(𝑤𝑚𝑡) (1 + cos(2𝑤𝑡) (4.4)

O termo 1

2cos(𝑤𝑚𝑡) cos(2𝑤𝑡) será bloqueado pelo filtro passa-baixa, uma vez que esse termo

está centrado na frequência de 2w. Assim o termo que resultará na saída do demodulador será

apenas o sinal com informação.

A desvantagem da modulação DSB-SC é a largura de banda que o canal de

comunicação precisa oferecer para a sua transmissão, como citado, é o dobro da largura do

sinal modulante. Tanto a parte USB quanto a parte LSB apresentam a completa informação do

sinal de banda base. Com o avanço da comunicação e com a escassez de banda em canais de

comunicação, foi criada a modulação de banda lateral única SSB (Single Sideband), que

utiliza apenas um das bandas laterais da modulação DSB. Desse modo, a banda necessária

para a transmissão de voz diminuiu para a metade [28-30].

No início do desenvolvimento do sistema PLC ,os transceptores analógicos

utilizaram a modulação DSB e SSB para transmitir voz e sinais de teleproteção. A banda

disponibilizada para a comunicação na linha de transmissão variava entre 4 kHz e 8 kHz. A

Alemanha, por exemplo, utilizava a transmissão com bandas de 5 kHz em DSB e SSB [28-

30].

Com o advento da comunicação digital e o desenvolvimento de transceptores

digitais, os sistemas PLC’s incorporaram mais informações além de voz e teleproteção. Dados

referentes a gerência e controle do sistema elétrico foram incorporados.[28-30]

A seção seguinte aborda a modulação QAM, utilizada em transceptores digitais.

36

4.1 QAM

A modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation) utiliza não apenas a

variação da amplitude na onda portadora, mas também a variação de sua fase. Sendo assim, a

informação a ser transmitida altera a onda portadora em fase e em amplitude por meio da

modulação QAM [31].Como citado, a modulação DSB ocupa o dobro da banda necessária

para o sinal modulante. Por meio da modulação QAM é possível enviar dois sinais DSB

modulados na mesma frequência portadora, porém em fase e quadratura [28].

Sinais QAM são comumente representados por constelações. Uma constelação

consiste de um gráfico N-dimensional de vetores correspondentes aos possíveis sinais digitais.

A maneira com que são distribuídos os pontos de constelação influencia a eficiência da

modulação. A constelação retangular apresenta uma boa relação entre a dificuldade de se

representar cada símbolo em constelação e a maneira com que a energia média do símbolo é

distribuída [31].

A lei de formação de símbolos de uma constelação em geometria quadrada é

apresentada na Equação 4.5 [31].

𝑠𝑖(𝑡) = 𝐴𝑖(t)cos(𝑤𝑡 + ∅𝑖(𝑡)) (4.5)

Onde i varia entre 1 e M (número de símbolos da constelação) e t varia entre 0 e T (tempo de

duração de cada símbolo).

A Figura 23 ilustra um modulador genérico para a modulação QAM. Na parte de

processamento em banda base ocorre a definição de qual a geometria será representada a

constelação [30]. Dessa forma, por ter uma alta eficiência [32], dois sinais de largura de banda

B modulados em DSB podem ser transmitidos simultaneamente em um canal de largura de

banda igual a 2B [28]. Os sinais são representados por x(t) e y(t). O sinal x(t) é multiplicado

pela portadora em fase (cosseno) e o sinal y(t) pela portadora em quadratura (seno).

A Equação 4.6 apresenta um sinal QAM que corresponde a dois sinais modulados em DSB.

𝜑𝑄𝐴𝑀(𝑡) = 𝑥(𝑡) cos(𝑤𝑡) + 𝑦(𝑡) sin(𝑤𝑡) (4.6)

37

Figura 23 – Modulador genérico QAM.

O capítulo seguinte apresentará um experimento realizado com um transceptor PLC

digital. Será possível observar os dados digitais modulados em QAM.

38

5 EXPERIMENTO

A Figura 24 apresenta o setup para testar a comunicação entre dois transceptores

PLC digitais. O setup consiste em conectar entre os transceptores um dispositivo atenuador

para simular a atenuação que o enlace sofre ao passar por linhas de alta tensão.

Figura 24 - Setup para testar comunicação

Os transceptores digitais são capazes de transmitir e receber em até 256kbps. Podem

ser conectados em canais que utilizam protocolos RS-232, G.703 e RS422 para dados. Para

voz, é utilizado a comunicação a 2 Fios ou 4-Fios com placa E&M (Ear and Mouth) e também

permitem a conexão usando protocolo TCP/IP para rede [18]

Os serviços tradicionais oferecidos pelos transceptores analógicos, como telefonia e

sinais FSK, ainda podem continuar em operação com os novos sinais digitais [18]. A Figura

25 (a) apresenta dois tipos de transceptores analógicos de diferentes fabricantes, já a Figura 25

(b) apresenta um transceptor digital composto de dois módulos. O módulo superior

corresponde ao amplificador do sinal de onda portadora e o módulo inferior corresponde ao

módulo dos serviços (dados e voz). Há também um módulo referente ao serviço de

teleproteção, não ilustrado na Figura 25 (b).

Figura 25 - Transceptores PLC: (a) analógico, (b) digital.

(a) (b)

39

Diferentemente dos transceptores analógicos, os digitais permitem o acesso via

software por meio de protocolos de rede, além de serem menores e modulares. Dessa forma, o

trabalho para realizar o comissionamento, sendo os testes do enlace após a implantação em

campo, por parte das concessionárias de energia, se torna mais prático e mais viável.

Bastando-se conectar o dispositivo digital PLC a um computador, via cabo de rede [34].

A Figura 26 apresenta o setup montando no laboratório de OPLAT da Cemig. O

setup é composto de dois transceptores digitais, um atenuador e um notebook para ter acesso

aos transceptores por meio de um cabo de rede.

Figura 26 - Setup montado.

O dispositivo atenuador, elaborado pela equipe técnica no laboratório, representa a

atenuação gerada pela LT. Há duas entradas para conexão dos cabos coaxiais dos

transceptores e mais três pontos de conexão para equipamentos que permitem o estudo das

frequências da banda de transmissão e recepção, como espectrômetros e medidores de nível

seletivo. A Figura 27 apresenta o atenuador.

Figura 27 - Atenuador.

40

Para o setup foi escolhido duas bandas de 4 kHz para cada transceptor, sendo uma

banda de 4 kHz para a transmissão e outra de 4 kHz para a recepção. Dessa forma, a banda de

transmissão e de recepção de um transceptor deverá corresponder à banda de recepção e de

transmissão do outro transceptor.

O transceptor digital utilizado é sintonizado por meio de configurações realizadas em

duas placas presentes no módulo do amplificador, uma para o filtro de transmissão e outra

para o filtro de recepção. A escolha das bandas correspondentes a transmissão e a recepção foi

baseada nas bandas que são usualmente utilizadas. Após a escolha, foi realizado o ajuste em

cada uma das placas, em ambos os transceptores. A Figura 28 (a) apresenta a placa

responsável ao filtro de recepção. A Figura 28 (b) ilustra o ajuste manual sendo realizado na

placa de recepção. O ajuste é feito por meio de pequenos conectores que se plugam entre os

contatos metálicos. Cada frequência necessita de uma configuração específica de ajuste, todas

as configurações são dispostas no manual do transceptor. A Tabela 6 apresenta os valores de

frequência que foram configurados para a banda de recepção e transmissão de cada

transceptor.

Figura 28 - Placa de ajuste de frequência: (a) placa do filtro de recepção, (b) ajuste manual sendo feito.

Tabela 6 - Bandas de Tx e Rx configuradas.

Dessa forma, conforme configurado manualmente, nos filtros de recepção e

transmissão em cada transceptor, a Figura 29 apresenta os canais configurados para um dos

transceptores.

Transceptor A Transceptor B

Banda de Rx (kHz) 144 - 148 152 - 156

Banda de Tx (kHz) 152 - 156 144 - 148

(a) (b)

41

Figura 29 - Banda de recepção e transmissão do transceptor A

Após a configuração de frequência, com o uso do medidor seletivo de nível foi medido o nível

do sinal na entrada e na saída do atenuador. Conforme ilustra a Figura 30. O valor da

frequência de maior energia encontrado pelo medidor foi a frequência de 153,96 kHz.

Figura 30 – Medidor de nível: (a) antes de passar pelo atenuador, (b) após ser atenuado.

O sinal encontrado pelo medidor antes da atenuação foi de +9,4 dB e após a

atenuação foi de -11,8 dB. Dessa forma, o dispositivo atenuador possui uma atenuação de

21,2 dB. Mesmo com altos valores de atenuação que um sinal de onda portadora sofre ao

longo da linha de transmissão, é possível a recuperação do sinal devido a alta sensibilidade

que os transceptores possuem.

A Figura 31 apresenta a constelação QAM de um enlace PLC entre duas subestações

da Companhia Energética de Minas Gerais. A taxa de erro de bit (BER) para esse enlace foi

de 4.24 * 10-8

e a relação sinal-ruído de 35,718 dB.

(a) (b)

42

Figura 31 - Constelação QAM do enlace Governador Valadares x Engenheiro Caldas.

A seguir serão apresentadas as possíveis configurações de um canal e os serviços que

podem ser transmitidos. A Figura 32 apresenta a configuração que se pode obter para o

transceptor utilizado no experimento. Conforme ilustrado, é possível determinar qual a faixa

de frequência que será estabelecida para a voz. No exemplo abaixo, optou-se por definir uma

banda de 1,7 kHz para a voz e um sinal de sinalização na faixa de 3,6 kHz – 3,72 kHz que

serve para indicar a necessidade de comunicação para o transceptor, ou seja, ao receber o sinal

de sinalização, o transceptor entenderá a necessidade de liberar o canal para a voz e enviará

um sinal para que o telefone toque.

Figura 32 - Ocupação do canal.

A Figura 33 ilustra o canal para esta configuração.

43

Figura 33 - Canal de 4 kHz com serviço de voz.

Esse tipo de configuração é comum quando se tem outros serviços a serem

modulados em uma banda de 4 kHz. Caso não exista a aplicação de outros serviços, pode-se

determinar uma maior banda para a voz. A Figura 34 ilustra essa configuração e a Figura 35

apresenta o canal com toda sua extensão especificada para a voz.

Figura 34 - Configuração do canal de 4 kHz.

.

Figura 35 - Canal de 4 kHz apenas com serviço de voz.

Caso a subestação necessite de serviços de voz, dados e de teleproteção, o canal de

PLC pode ser configurado conforme ilustrado na Figura 36. É possível observar que foi

utilizado uma banda maior que 4 kHz, 12 kHz para transmissão e 12 kHz para a recepção.

Para os dados, modulados em QAM, uma banda de 8 kHz foi estabelecida. O restante da

44

banda, 4 kHz, foi adicionado serviço de voz e teleproteção. O serviço de teleproteção é

indicado pelos 4 pulsos em vermelho.

Figura 36 - Canal de 12 kHz com dados, voz e teleproteção.

Este experimento permitiu observar os serviços atendidos e como são distribuídos no

espectro de frequência. No capítulo seguinte será apresentada a conclusão deste trabalho.

45

6 CONCLUSÃO

Por meio do estudo realizado nesse trabalho, foi possível verificar a telecomunicação

aplicada no âmbito das concessionárias de energia, dando uma atenção especial ao sistema

Power Line Carrier. Foi destacada sua importância como uma ferramenta para o auxílio e

gerência do setor energético.

Este trabalho possibilitou compreender os desafios que esta tecnologia enfrenta,

quanto aos limites de transmissão de dados e quanto as condições impostas pelo canal de

comunicação. Utilizar linhas de alta tensão como um canal de comunicação apresenta a

vantagem de se possuir toda a infraestrutura já estabelecida, mas ao mesmo tempo cria

desafios, uma vez que os projetos de linhas de transmissão mais antigos não consideravam a

resposta dos cabos para altas frequências.

Aplicações da comunicação PLC em cabos subterrâneos e em linhas aéreas com

transformadores seccionados são mais desafiadoras. Porém, com os estudos realizados ao

longo do tempo e avanços da tecnologia, é possível ter condições de saber como o sistema irá

se comportar ao longo da linha [18]. Com a chegada da comunicação digital, a comunicação

PLC teve avanços, e dessa forma, estudos que buscam uma alta taxa de dados, por meio de

módulos com modulações mais complexas que SSB, como COFDM, foram desenvolvidos

[33]. Também a utilização de protocolo TCP/IP, definido como IPoPLC (IP over PLC) [34].

Embora exista grande competividade com as outras tecnologias de comunicação,

acredita-se que o PLC atenderá a demandas na área de smartgrids. Smartgrids são redes

inteligentes, capazes de trocarem informações com interoperabilidade de diferentes sistemas

compartilhando dados entre si. Esta expectativa a respeito do PLC e smartgrids se baseia no

fato de que a própria tecnologia PLC é um natural avanço de se utilizar condutores como um

mesmo canal para soluções elétricas e de comunicação. Uma das principais vantagens de

sistemas PLC’s, pela perspectiva das concessionárias de energia, é o fato de que possui o

controle do meio físico de comunicação, no sentido de que não depende de outras companhias

de comunicação ou operadoras. A concessionária já possui o meio físico para a comunicação

[35].

As demandas operacionais e administrativas das concessionárias necessitam taxas de

transmissões cada vez maiores. Embora seja uma tecnologia muito promissora, do ponto de

vista técnico o sistema PLC apresenta grande desvantagem em relação a capacidade de

46

transmissão e expansão. Porém, apresenta a solução mais viável economicamente quanto ao

atendimento à localidades distantes, maiores que 100 km [10].

O experimento realizado neste trabalho permitiu observar os serviços que são

fornecidos atualmente pelos transceptores digitais PLC’s. Permitiu também observar avanços

já alcançados pela tecnologia, como a opção de analisar a condição do enlace via software.

Dessa forma, é possível concluir que o sistema Power Line Carrier, embora não

sendo o que apresenta maior taxa de transmissão de dados e nem o sistema de comunicação

mais comum, ainda tem se mostrado eficiente e viável economicamente para demandas de

comunicação de baixas taxas.

47

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