Curso Sistemas Control Comunicaciones 2011 Parte4

Sistem Sis temaa de Tele Telecon contro troll – Sis Siste tema ma SCADA SCADA 

Subsistema de adquisici ó ón de datos y comunicaciones

• Subsistema de comunicaciones • Onda Portadora sobre LAT (PLC, Power Line Carrier) • Radioenlace Digital • Fibra Optica (F.O.)

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Subsistema de Comunicaciones

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Onda Portadora sobre LAT (PLC)

Onda Portadora Analógica (APLC) • Onda Portadora Digital (DPLC) •

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Radioenlaces Digitales

SDH  PDH 



Fibra Optica

O.P.G.W.  ADSS 



Enlaces satelitales


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Subsistema de Comunicaciones



Onda Portadora sobre LAT (PLC)

Onda Portadora Analógica (APLC) • Onda Portadora Digital (DPLC) •



Radioenlaces Digitales

SDH  PDH 



Fibra Optica

O.P.G.W.  ADSS 



Enlaces satelitales


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Subsistema de comunicaciones 

Onda Portado Portadora ra sobre sobre LAT – PLC (Power (Power Line Line Carrier) Carrier)



Radioenlace Digital



Fibra Optica

• An Anal alog og PL PLC C (APLC) • Di Digi gita tall PLC PLC (DPLC)

• PDH (Plesiochron (Plesiochronous ous Digital D igital Hierarchy) • SDH (Sinchronou (Sinchronous s Digital Hierarchy)

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


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SISTEMAS DE COMUNICACIONE COMUNICACIONES S

Sistema de Onda Portadora sobre Líneas L íneas de Alta Tensión (PLC) ( APLC) • 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 NECO NECOCHEA CHEA - TANDIL TANDIL se ha insta instalado lado un enlace enlace de Onda Onda Portadora Digital (DPLC) que opera a 128 Kbps. PROYECTO PILOTO (TRANSBA - ABB) iniciado en Junio de 2006 El enlace DPLC es de Banda Ancha, permitiendo la transmisión de datos con velocidades de hasta 256 Kbps.


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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) 

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Onda Portadora sobre LAT

(Power Line Carrier - 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


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Enlace de Onda Portadora (PLC)

E.T. A

E.T. B

LT: Trampa de Onda (Bobina de Bloqueo) CC: Capacitor de Acoplamiento Tuner: Unidad de Acoplamiento T/R: Terminal de OP


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Esquema Enlace PLC

Transmisión de Datos, Voz, y Señales de Teleprotección


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Enlace de Onda Portadora (PLC) Tipo de Acoplamiento

Terminal PLC Terminal PLC

Acoplamiento Fase -Tierra

Acoplamiento Fase - Fase


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Onda Portadora PLC (Power Line Carrier) Principio de Funcionamiento Terminal 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)


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Espectro de frecuencias de una señal modulada en amplitud

Donde fp - fm: frecuencia lateral inferior fp + fm: frecuencia lateral superior ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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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 banda Permite 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 ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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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.


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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

Modulación BLU (SSB)

4 kHz

40 kHz

200 kHz

204 kHz

500 kHz

Banda de Frecuencias PLC ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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E.T. B

E.T. A

Terminal PLC

Servicios • Telefonía (FXS/FXO – FXO E&M) • Datos baja velocidad (1200 bps) • Teleprotección ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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

Terminal Teleprotecció Teleprotección Terminal PLC


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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


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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 característica X = distancia del extremo transmisor en millas ó km Vx, Ix = tensión y corriente a distancia x del extremo transmisor γ = constante de propagación

La constante de propagación se compone de dos cantidades: γ=α+jβ

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 ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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Análisis Modal 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


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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 como modo 1, modo 2, y modo 3

Cada modo posee su constante de propagación ( γ1, γ2, γ3) e impedancia característica (Z 01, Z 02, y Z03) Otras configuraciones de LAT tendrán cada una su conjunto de parámetros modales


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Hilo de Guardia

A

B

C Conductores de Potencia

Típico Circuito Línea de Simple Conductor (Configuración Coplanar Horizontal)


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Modo 1 Es 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 2 Posee 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 3 Propaga 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) ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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Distribución de Fase de Modos de Corriente y Tensión Fase

Modo 1

Modo 2

Modo 3

R

1

1

1

S

p

0

q

T

1

-1

1

Las magnitudes se han normalizado con respecto a las magnitudes de fase R Los factores p y q dependen de la LAT en estudio El factor p puede variar desde aproximadamente -1.6 a -2.0, y q tendrá un rango de aproximadamente 1.1 a 1.3 ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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

Modo 1

Modo 2

Modo 3

Fase R Fase S Fase T


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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


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Modo 1 – Pérdidas de Conversión


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Rango de Frecuencias Onda Portadora • APLC (Analog Power Line Carrier): • DPLC (Digital Power Line Carrier):

24 - 500 kHz

24 - 1000 kHz

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


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Planificación enlaces PLC • 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 aplicación Capacidad 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 ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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Onda Portadora (PLC) Principio

Modulación BLU (SSB)

4 kHz

40 kHz 200 kHz

204 kHz

500 kHz


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APLC Canal 4 kHz: Voz + Teleprotección

Voz

0

Piloto

2,0

0,3

3,7

4 kHz

Frecuencias en Canal de 4 kHz


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APLC Canal 4 kHz: Voz + Datos + Teleprotección

Voz

Datos

2,0

0 0,3

Piloto

3,7

4 kHz

Frecuencias en Canal de 4 kHz


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Onda Portadora (DPLC)

Datos MUXD

32 kHz Equipo Monocanal (Datos de Alta Velocidad)


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Espectro de Frecuencia Enlaces PLC


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243

Comunicaciones – PLC – Utilización Ancho de Banda


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Onda Portadora (APLC) Ventajas: • Robusto • Tolerante al ruido

Desventajas: • Pocos canales (4 kHz) • Velocidades de transmisión de datos, bajas


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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


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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 canal B: ancho de banda S/R: relación Señal/Ruido


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Planificación Enlaces DPLC

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.) ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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Eficiencia Características principales de un enlace DPLC son: • Capacidad de transmisión neta: Cd (bps)

• Ancho de banda del canal DPLC (BW d)

Eficiencia del canal DPLC:

Eff = Cd/BWd (bps/Hz)


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Referencia: CIGRE – CIGRE – SCTF D2.08 ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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251

Proyecto Piloto DPLC sobre LAT 132 kV Resultados obtenidos

128 kbps

16

a d n a b ) z e d H k o ( h c n A

d a ) d i s c p o b l k e ( V

Referencia: Cigré TF D2.08, 2005 ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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252

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

BER 1E-3

1E-6

SNR

No-Pasa

Pasa


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

•

Un plan conservador

•

Adaptación dinámica de la velocidad

•

Redes malladas


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PLC (Onda Portadora) Esquema Enlace

E.T.

Trampa de Onda

Trampa de Onda Acoplamiento Bifásico

L.A.T.

E.T.

Capacitor de Acoplamiento Terminal PLC

Sala de Comunicaciones

Unidad de Acoplamiento

Cable Coaxil (75 Ω )


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Trampa de Onda

Capacitor de Acoplamiento

Unidad de Acoplamiento


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

Trampa de Onda (Bobina de Bloqueo) 400 A



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PLC - Acoplamientos

Trampa de Onda (Bobina de Bloqueo)



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Dispositivo de sintonía

Barrera anti pájaros

Dispositivo de Protección ________________________________________________________________________________________________________________________ Sistemas de Control y Comunicaciones en Sistemas Eléctricos de Potencia

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