curso sistemas control comunicaciones 2011 parte4

________________________________________________________________________________________________________________________Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia Rodolfo Pellizzoni 2011 209

Sistema de Telecontrol – Sistema SCADA

SubsistemaSubsistema de adquisicide adquisicióón de datos y comunicacionesn de datos y comunicaciones

•• Subsistema de comunicacionesSubsistema de comunicaciones

•• Onda Portadora sobre LAT (PLC, Power Line Carrier)Onda Portadora sobre LAT (PLC, Power Line Carrier)

•• Radioenlace DigitalRadioenlace Digital

•• Fibra Optica (F.O.)Fibra Optica (F.O.)


Onda Portadora sobre LAT (PLC)Onda Portadora sobre LAT (PLC)• Onda Portadora Analógica (APLC)• Onda Portadora Digital (DPLC)

Radioenlaces DigitalesRadioenlaces Digitales SDH PDH

Fibra OpticaFibra Optica O.P.G.W. ADSS

Enlaces satelitales

Subsistema de Comunicaciones


Subsistema de comunicaciones

Onda Portadora sobre LAT – PLC (Power Line Carrier) • Analog PLC (APLC)• Digital PLC (DPLC)

Radioenlace Digital• PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)• SDH (Sinchronous Digital Hierarchy)

Fibra Optica• ADSS (All Dielectric Self Sustaining)• OPGW (Optical Power Grownd Wire)


SISTEMAS DE COMUNICACIONES

Sistema de Onda Portadora sobre Líneas de Alta Tensión (PLC)

• Onda Portadora Analógica (APLC)En todas las LATs de TRANSBA existen enlaces de Onda Portadora

Analógica (APLC) que vinculan las EE.TT. con los Centros de Operación Regional (CORs)

Los enlaces de APLC son de Banda Angosta (4 KHz), por lo que no permiten la transmisión de datos en alta velocidad

• Onda Portadora Digital (DPLC)En la LAT NECOCHEA - TANDIL se ha instalado un enlace de Onda

Portadora Digital (DPLC) que opera a 128 Kbps.

PROYECTO PILOTO (TRANSBA PROYECTO PILOTO (TRANSBA -- ABB) iniciado en Junio de 2006ABB) iniciado en Junio de 2006

El enlace DPLC es de Banda Ancha, permitiendo la transmisión de datos con velocidades de hasta 256 Kbps.


Sistemas de Comunicaciones - Medios

Sistemas de comunicaciones convencionales

Onda Portadora sobre Líneas de AT (PLC) Onda Portadora “Analógica (APLC) Onda Portadora Digital sobre Líneas de Alta Tensión (DPLC)

Radioenlaces Radioenlace Digital VHF (Mantenimiento)

Fibra Optica: O.P.G.W. - ADSS

“Nuevos” Sistemas de comunicaciones (nuevas tecnologías) VPN (Virtual Private Network) WLAN (Wireless LAN) Tecnología Celular (GSM)


Onda Portadora sobre LAT Onda Portadora sobre LAT (Power Line Carrier (Power Line Carrier -- PLC)PLC)


Sistemas de Telecontrol Subsistema de adquisición de datos y comunicaciones

Enlace de Onda Portadora (PLC)

• Un enlace de Onda Portadora incluye el camino de la señal desde el Terminal PLC en una estación, a través de su acoplamiento a la línea de alta tensión, la LAT, y el correspondiente acoplamiento y Terminal PLC en el extremo receptor de otra estación con la cual se establece el enlace

• Es necesario confinar las señales PLC en el camino ó paso deseado, excluyendo las señales no deseadas

• Se utilizan Trampas de Onda, Capacitores de Acoplamiento y Dispositivos de Sintonía para proveer bloques de alta impedancia en aquellos caminos o direcciones no deseados y pasos de baja impedancia en las direcciones deseadas


Enlace de Onda Portadora (PLC)

LT: Trampa de Onda (Bobina de Bloqueo)CC: Capacitor de AcoplamientoTuner: Unidad de AcoplamientoT/R: Terminal de OP

E.T. A E.T. B


Esquema Enlace PLC

Transmisión de Datos, Voz, y Señales de Teleprotección


Enlace de Onda Portadora (PLC)Tipo de Acoplamiento

Acoplamiento Fase -Tierra Acoplamiento Fase - Fase

Terminal PLCTerminal PLC



Onda Portadora PLC (Power Line Carrier)

Principio de FuncionamientoTerminal de Onda Portadora

• Modulación de Amplitud (AM) se obtiene variando la amplitud de una portadora de frecuencia constante proporcionalmente a la amplitud de la señal moduladora

• La señal modulada resultante contiene la frecuencia original de la portadora más frecuencias superiores e inferiores a la portadora denominadas bandas laterales

• La información representada por la señal moduladora está contenida en ambas bandas laterales (superior e inferior)


Espectro de frecuencias de una señal modulada en amplitud

Dondefp - fm: frecuencia lateral inferiorfp + fm: frecuencia lateral superior


Onda Portadora - PLC (Power Line Carrier)

Principio de Funcionamiento

BLU (Banda Lateral Unica)SSB (Single Side Band)

• No es necesario transmitir ambas bandas laterales

• Cualquiera de ellas puede ser suprimida sin pérdida de información

• BLU : se transmite una sola banda lateral (Banda Lateral Unica con Portadora suprimida)Portadora suprimida en el Tx y reinsertada en el Rx para reducir potencia de

transmisión innecesaria, puesto que una Banda Lateral contiene toda la inteligencia

(información) de la señal moduladora

• Utiliza en forma más eficiente la potencia y el ancho de bandaPermite que la potencia total del Tx se concentre en una banda lateral que transporta

inteligencia

El ancho de banda requerido es la mitad del requerido por AM

• Mayor relación S/N que AM

• Susceptibilidad reducida a la modulación corona


Banda lateral única

Como la información se repite en cada banda lateral, se han desarrollado equipos denominados de Banda Lateral Única (BLU) o Single Side Band (SSB), en los cuales se requiere la mitad del ancho de banda del necesario para la transmisión en amplitud modulada. En el ejemplo anterior una transmisión en banda lateral única requiere solo 10KHz de ancho de banda. Si consideramos la banda lateral superior, el espectro de frecuencias tiene la siguiente forma.


Terminal de Onda Portadora (PLC)

Principio de Funcionamiento – Características Técnicas

• BLU (Banda Lateral Unica) con portadora suprimida SSB (Single Side Band)

• Canal de 4 kHz El canal es transpuesto a una banda de frecuencias comprendida entre 40 – 500 (1000) KHz

• Transposición mediante conversión de frecuencia

4 kHz 40 kHz 200 kHz 204 kHz 500 kHz

Modulación BLU (SSB)

Banda de Frecuencias PLC


E.T. A E.T. B

ServiciosServicios• Telefonía (FXS/FXO – FXO E&M)• Datos baja velocidad (1200 bps)• Teleprotección

Terminal PLC


Subsistema de adquisición de datos y comunicaciones – Enlaces PLC - Teleprotección

Terminal TeleprotecciTerminal Teleproteccióónn



Sistema de Onda Portadora (PLC)

Análisis Modal

Es una herramienta matemática que permite un análisis más preciso de la propagación de portadora, tal como las componentes simétricas proveen un método de análisis de sistemas trifásicos no balanceados


Sistema de Onda Portadora (PLC)Análisis Modal

La propagación de energía electromagnética en una LAT de un solo conductor está dada por la siguiente relación, suponiendo que no existe reflexión:

Vx = Vs ε-γx

Ix =Vx/Z0

donde:

Vs = tensión extremo emisor

Z0 = impedancia característicaX = distancia del extremo transmisor en millas ó kmVx, Ix = tensión y corriente a distancia x del extremo transmisorγ = constante de propagación

La constante de propagación se compone de dos cantidades:

γ = α + j β

donde:α = constante de atenuación en nepers por milla (ó nepers por Km)Β = constante de fase en radianes por milla (ó radianes por Km)

1 neper = 8.686 dB


La constate de propagación (γ) es dependiente de las propiedades físicas del conductor utilizado y de su geometría con respecto a tierra

Se ha observado que si la energía portadora es aplicada a un único conductor de una línea de multiconductores, entonces la propagación a lo largo de la línea no sigue la ecuación anterior

Usualmente la propagación de energía en la línea depende del número de conductores y usualmente involucra a todos ellos

Análisis de líneas de multiconductores muestra que diversos modos de propagación de energía pueden producirse simultáneamente

El número de modos naturales de propagación en una línea de multiconductores es igual al número de conductores involucrados en la propagación de energía

El análisis de una línea de multiconductores se lleva a cabo utilizando una ecuación matricial:

[V] = [Vs] ε-[γ m] x

donde m es un entero arbitrario para identificar los modos

Análisis Modal


La solución de la ecuación matricial anterior permite obtener la relación de la tensión y corriente de los modos.

Cada modo posee su propia constante de propagación e impedancia característica, y cada modo se propaga en una forma que es independiente de los otros modos

La tensión y la corriente en cualquier ubicación en cualquiera de los conductores es la suma vectorial de los modos individuales de tensión y de corriente existentes en ese conductor a la distancia particular x desde el transmisor

El caso especial de una LAT trifásica de un solo conductor de configuración coplanar horizontal

Se supone que el hilo de guardia, al estar puesto a tierra en cada estructura, y estar a un potencial constante en toda su longitud, no genera ningún modo de transmisión

En base a esta suposición existen tres modos naturales de propagación, designados comomodo 1, modo 2, y modo 3

Cada modo posee su constante de propagación (γ1, γ2, γ3) e impedancia característica (Z01, Z02, y Z03)

Otras configuraciones de LAT tendrán cada una su conjunto de parámetros modales


A B C

Hilo de Guardia

Conductores de Potencia

Típico Circuito Línea de Simple Conductor(Configuración Coplanar Horizontal)


Modo 1Modo 1Es el menos atenuado de los tres modos y permite comunicaciones PLC de largas distancias

Normalmente posee corrientes circulando hacia a fuera de los conductores de las fases exteriores y retornando vía la fase central

La atenuación del Modo 1, no es solamente baja, sino que es razonablemente independiente de la frecuencia en el rango de PLC

Modo 2Modo 2Posee su corriente circulando hacia a fuera en una fase exterior y retornando sobre la otra fase exterior

En la fase central no existe corriente Modo 2

Las pérdidas de Modo 2 son mayores que aquellas de Modo 1, y más dependientes de la frecuencia

Modo 3Modo 3Propaga corriente en forma prácticamente igual en las tres fases, y tiene un retorno por tierra

Este modo posee un tasa tan alta de atenuación que puede ser despreciado más allá de una distancia corta del transmisor (aproximadamente 10 millas o 16 Km)


Las magnitudes se han normalizado con respecto a las magnitudes de fase RLos factores p y q dependen de la LAT en estudioEl factor p puede variar desde aproximadamente -1.6 a -2.0, y q tendrá un rango de aproximadamente 1.1 a 1.3

FaseFase

RR

SS

TT

Modo 1 Modo 2 Modo 3

1

p

1

1

0

- 1

1

q

1

DistribuciDistribucióón de Fase de Modos de Corriente y Tensin de Fase de Modos de Corriente y Tensióónn


Modo 1 Modo 2 Modo 3

Fase R

Fase S

Fase T

Relaciones vectoriales de corrientes (tensiones) en los tres conductores de fase

(Relaciones Modales)


Acoplamiento a la LAT

Un Terminal PLC se conecta a la LAT, usualmente a través de un acoplamiento fase-tierra, ó fase-fase

Todos los métodos de acoplamiento utilizados generan diferentes porcentajes de potencia de modo 1, modo 2, y modo 3.

Puesto que el modo 1 es el menos atenuado, es deseable generar tanto modo 1 como sea posible


Modo 1 – Pérdidas de Conversión



Rango de Frecuencias Onda Portadora

• APLC APLC (Analog Power Line Carrier): 24 - 500 kHz

• DPLCDPLC (Digital Power Line Carrier): 24 - 1000 kHz

Potencia de Salida Terminal PLC: 5 W, 20 W, 40 W, 80 W


• Característica del equipo PLC

• Características de la LAT Respuesta en frecuencia (atenuación y distorsión por atraso de grupo) y Nivel de potencia del ruido corona

• Plan de frecuencias del sistema PLC existente

• Requerimientos de aplicaciónCapacidad mínima de transmisión del canal DPLC (Cd) y máxima tasa de error en los bits (BERmáx) aceptable

El procedimiento de planificación de enlaces APLC, se describe exhaustivamente en la Publicación IEC 60663, y en la Norma IEC60495

Los procedimientos de evaluación de las características de LAT (atenuación y ruido corona), con pequeñas modificaciones pueden se utilizados para planificar enlaces DPLC

Planificación enlaces PLC



4 kHz 40 kHz 200 kHz 204 kHz 500 kHz

Modulación BLU (SSB)

Onda Portadora (PLC)Principio



Frecuencias en Canal de 4 kHz

Voz Piloto

0,3 3,72,0

APLCCanal 4 kHz: Voz + Teleprotección

0 4 kHz



APLCCanal 4 kHz: Voz + Datos + Teleprotección

0 4 kHzFrecuencias en Canal de 4 kHz

Voz Piloto

0,3 3,72,0

Datos



Equipo Monocanal (Datos de Alta Velocidad)

Datos MUXD

32 kHz

Onda Portadora (DPLC)


Espectro de Frecuencia

Enlaces PLC


Comunicaciones – PLC – Utilización Ancho de Banda


Onda Portadora (APLC)

Ventajas:

• Robusto

• Tolerante al ruido

Desventajas:

• Pocos canales (4 kHz)

• Velocidades de transmisión de datos, bajas


DPLC vs. APLC

Gran capacidad de transmisión, ocupando la misma banda de frecuencias

Se utilizan básicamente como enlaces multipropósitos, como APLC

Se utilizan en los mismos niveles de tensión y mismos rangos de distancias que APLC

Poseen el mismo acoplamiento a la LAT



Onda Portadora Digital (DPLC)

El fundamento de la DPLC, se basa en la modulación digital y el teorema de Shannon:

C = B x log2 (1 + S/R)

donde

C: capacidad del canalB: ancho de bandaS/R: relación Señal/Ruido


Un objetivo fundamental es asegurar una alta relación Señal-Ruido (SNR) en el receptor del terminal DPLC en condiciones adversas de operación

Una disminución de la SNR por debajo de valores críticos causa la pérdida del canal DPLC y por tanto de todos los servicios soportados

Por la razón anterior la característica C/SNR es un dato fundamental de entrada para la planificación de un enlace DPLC

Otro dato importante además de la SNR, es el tipo de ruido (impulsivo, banda ancha, etc.)

PlanificaciPlanificacióón Enlaces DPLCn Enlaces DPLC


Eff = Cd/BWd (bps/Hz)

Eficiencia Eficiencia

Características principales de un enlace DPLC son:

• Capacidad de transmisión neta: Cd (bps)

• Ancho de banda del canal DPLC (BWd)

Eficiencia del canal DPLC:


Referencia: CIGRE Referencia: CIGRE –– SCTF D2.08SCTF D2.08


Proyecto Piloto DPLC sobre LAT 132 kV Resultados obtenidos

Referencia: Cigré TF D2.08, 2005

Vel

ocid

ad(k

bps)

Anc

ho d

e ba

nda

(kH

z)

16128 kbps


SNR

BER

1E-6

1E-3

No-Pasa Pasa

Caracteristica de umbral

Con unos pocos dB de modificación en la SNR los sistemas digitales cambiande la condición “Pasa" a "No-Pasa"


Alternativas posibles que solucionan la característica“pasa” – “no pasa" en sistemas digitales

• Un plan conservador

• Adaptación dinámica de la velocidad

• Redes malladas



PLC (Onda Portadora)Esquema Enlace

L.A.T.

Unidadde Acoplamiento

Trampa de

OndaE.T.

TerminalPLC

E.T.

Trampa de

Onda

Capacitor deAcoplamiento

Sala de Comunicaciones Cable Coaxil (75 Ω)

Acoplamiento Bifásico


Trampa de Onda

Capacitor de Acoplamiento

Unidad de Acoplamiento



Trampa de Onda(Bobina de Bloqueo)

400 A


Onda Portadora sobre L.A.T.Enlace PLC (Power Line Carrier) - Acoplamientos




Trampa de Onda(Bobina de Bloqueo)

PLC - Acoplamientos


Dispositivo de sintonía

Dispositivo de Protección

Barrera anti pájaros


Dispositivo de Protección

Dispositivo de Sintonía

Trampa de Onda

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