Célio Gonçalves Júnior
Engenheiro Eletricista – Sistemas Integrados – Divisão de Medidores
Nansen S.A Instrumentos de Precisão

O objetivo básico deste trabalho é apresentar as vantagens da utilização de sistemas de supervisão e controle dos sistemas de distribuição utilizando-se Power Line Carrier como caminho natural para a comunicação bidirecional de dados para as concessionárias. Posteriormetne serão apresentadas as características básicas de dois sistemas de telegestão e automatização e medição. Entenda-se por telegestão de automatização e medição todo e qualquer controle e supervisão sobre os elementos que compõe o sistema de distribuição: medidores de energia, chaves em geral, cargas, transformadores, reguladores de tensão, etc.

2. COMUNICAÇÃO BIDIRECIONAL NAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO

A seguinte filosofia com relação aos recursos energéticos: "aumento da geração pelo aumento do consumo"não possui qualquer validade atualmetne sem levarmos em consideração a utilização racional dos recursos disponíveis. Até o presente momento a otimização dos recursos associados aos sistemas de distribuição de energia é muito ou quase nada explorada.

O Power Line Carrier pode ser entendido como uma forma de se explorar o potencial das redes de distribuição como um canal de comunicação disponível para as concessionárias. Se levarmos em consideração que a grande maioria dos consumidores de energia elétrica está conectada aos sistemas de distribuição de energia (não de transmissão ou sub-transmissão), encontramos um caminho natural e disponível para a implementação de processos que visam beneficiar tanto os consumidores quanto as concessionárias. Podemos destacar como processos passíveis de implementação:

• Telemedição

• Diminuição do ciclo de leitura,
• Eliminação de calculos de consumo pela média,
• Eliminação de releitura,
• Maior flexibilidade para implantação de periodos de cobrança (diária, semanal, quinzenal, outros),
• Possibilidade de aplicação de multitarifação,
• Diminuição gradual dos serviços de informática (tais como digitação, etc),
• Diminuição dos problemas com acidentes do trabalho junto a leituristas, etc.

• Implantação da medição individualizada em edificios (água),
• Medição centralizada em edificios,
• Estudo e controle de perdas,
• Segurança (controle de fraudes, avarias, e abastecimento),
• Acionamento remoto para controle de cargas e demanda máxima contratada,
• Conexão e desconexão remota de consumidores,
• Estudo de curvas de cargas,
• Comunicação bidirecional entre: consumidor e concessionária,
• Comercialização de vários dos serviços acima descritos junto a outras concessionárias.

Procuraremos a partir deste ponto descrever os benefícios da implantação de sistemas de telemedição, controle de cargas, e automação da distribuição em geral e logo em seguida apresentar duas arquiteturas de sistemas que utilizam o Power Line Carrier como meio de comunicação.

A implantação dos serviços descritos anteriormente podem em ultima analise evitar investimentos desnecessários na construção de novas plantas de geração de energia elétrica e paralelamente permiir a melhoria da qualidade no fornecimento de energia.

O investimento em novas plantas de geração de energia poderia ser adiado simplesmente pela equalização do perfil de carga solicitado à concessionária. Através de um controle mais direto e efetivo sobre as cargas dos consumidores pode-se obter a melhoria do perfil da potencia a ser fornecida. Podemos citar como exemplo o controle sobre a utilização de estações de ar condicionado, lavanderias em geral, circuitos de iluminação não essenciais, dispositivos e estações de aquecimento de água, estações de geração de ar comprimido, etc.

Experiencias comprovam que a contratação do controle de cargas é um ótimo método para se alcançar a equalização do perfil de carga, permitindo esquemas de supervisão e controle remoto de cargas não criticas ao consumidor.

Outra ferramenta importante é a implantação das tarifas horosazonais para os consumidores em geral. Isto é alcançado pela implantação de sistemas de telegestão de medição, permitindo a intervenção direta e on-line nos equipamentos de medição. Fator importante a ser considerado é que com a implementação de sistemas que agreguem serviços de telemedição é dispensada a necessidade do desenvolvimento de medidores especiais a cada mudança no esquema de tarifação.

A seguir são apresentadas as caracteristicas gerais de dois sistemas que utilizam power line carrier como meio de comunicação de dados para a implementação de serviços na área de automação da distribuição: telemedição, detecção de fraudes, controle de cargas, etc.

O primeiro sistema a ser abordado permite a telegestão do consumo de medidores de energia elétrica, água e gás a partir de um computador central sem a necessidade do translado até o domicilio do cliente e aplicar, automaticamente, tarifas diferenciadas sem a necessidade medidores específicos para cada uma delas (ver Figura 2).

Ë incorporado ao medidor de energia, água ou gás um dispositivo para a geração de pulsos, o qual gera um numero proporcional de pulsos relativamente ao consumo medido. Normalmente o gerador de pulsos não possui qualquer fonte de energia interna (bateria), sendo a alimentação do circuito feita pelo proprio Concentrador Auxiliar ou Indicador de Consumos.

O Concentrador Auxiliar – CAM e o Indicador de Consumos – ICM recebem os pulsos gerados pelo gerador de pulsos incorporado ao medidor. O CAM ou ICM recebem estes pulsos juntamente com os alarmes de fraude e avarias e os trata. Posteriormente estes dados são enviados ao Concentrador Principal – COM pela rede elétrica de baixa tensão pelo mesmo circuito que alimenta este equipamento. Não existe nenhuma restrição de comunicação com relação as proteções próprias de qualquer instalação elétrica com dispositivos que possam cortar a alimentação (chaves fusivel, etc). Cada Concentrador Auxiliar pode gerenciar até um total de 64 medidores e os Indicadores de Consumo até 4 medições.

O Concentrador Principal recebendo os dados (leitura, fraudes detectadas e avarias) os comunica ao computador central pela rede telefonica ou similar (rádio, redes de fibra ótica, etc). O número de Concentradores Principais é correspondente a cada circuito secundário dos transformadores na rede de distribuição, ou seja, circuitos de baixa tensão. Cada Concentrador Principal gerencia até 1024 medidores, independente de serem de água, gás e/ou energia. Adicionalmente pode ser obtida a leitura local dos dados dos Concentradores Auxiliares e Concentradores Principais, já que ambos equipamentos dispõe de canal ótico que permite a comunicação bidirecional com o equipamento de leitura portátil (micro-coletor, palm top, notebook, etc).

O segundo sistema tem a sua arquitetura geral baseada na utilização da comunicação por power line carrier em toda a extensão da rede de distribuição (ver Figura 3). Este sistema é composto basicamente por tres módulos:

Equipamento de Controle Central (ECC).

Equipamento de Controle de Subestação (ECS).

Equipamento de Comunicação Remoto (ECR).

O Equipamento de Controle Central está conectado ao Equipamento de Controle da Subestação por uma rede de comunicação de dados, a qual pode ser baseada em microondas, rádio ou rede telefonica, ou seja, meios já disponíveis. O ECC é baseado em um computador o qual gerencia todos os processos inerentes ao sistema: controle de cargas, telemedição (Time of Use) e rotinas de supervisão e controle de equipamentos na rede de distribuição: bancos de capacitores, transformadores, chaves, etc.

A comunicação entre o ECS e os ECR é feita utilizando-se power line carrier como meio de comunicação. O ECS pode também ser entendido como uma interface inteligente entre os ECRs e o ECC ligando dois meios distintos de comunicação: power line carrier e microondas, rádio ou rede de telefonia.

Os ECRs são equipamentos de comunicação, controle e supervisão que são empregados para implementar as rotinas de automação da distribuição e medição, sendo basicamente um modem para power line carrier. As rotinas de implementação em larga escala atualmente são o controle de cargas e a telemedição.

As distinções básicas entre os dois sistemas podem ser definidas em dois pontos: técnica de modulação e alcance da comunicação por carrier. No primeiro ponto temos para o sistema 1 a adoção de modulação em espectro expandido e na segunda em "zero crossing". Quanto ao alcance do sistema 1 se limita a utilizar power line carrier somente nos circuitos secundários dos transformadores de distribuição (baixa tensão), enquanto que o sistema 2 abrange toda a rede de distribuição desde o consumidor até a subestação de distribuição, por exemplo: de 127 V até 34,5 kV.

As principais vantagens da utilização do Power Line Carrier como Meio de Comunicação Bidirecional podem ser apontadas como sendo a área atingida e o numero de serviços agregados.

Por não sofrerem com problemas de relevo e construções, os sistemas que utilizam power line carrier são adequados tanto para áreas urbanas quanto para áreas rurais. Os equipamentos de comunicação não necessitam de repetidores entre o ponto supervisionado e controlado e o ponto de gerenciamento central e alem disso exploram um meio proprio e disponível das concessionárias.

Com relação ao número de serviços agregados podemos alcançar de forma imediata a agilização dos serviços das várias áreas que compõe as concessionárias. Como estes sistemas atendem a várias áreas, tais como faturamento, medição e distribuição, pode se ter um sistema homogeneo e compacto onde os investimentos não são pulverizados em soluções particulares e quase sempre concorrentes em alguns aspectos. A qualidade da energia fornecida pode ser amplamente otimizada aumentando-se o número de pontos de supervisão e controle sobre o sistema e finalmente garantindo a satisfação do consumidor.

3. TÉCNICAS DE MODULAÇÃO

3.1 MODULAÇÕA EM ESPECTRO EXPANDIDO

As técnicas tradicionais de modução utilizadas em power line carrier são normalmente FSK (Frequency Shift Keying) e ASK (Amplitude Shift Keying) que alcançam a velocidade de 19200 bps. Esta técnicas não apresentam confiabilidade por que trabalham em frequencias fixas aumentando os problemas com a atenuação de sinal que é particular para cada instalação e seu regime de funcionamento.

A técnica de modulação por espectro expandido (utiliza uma ampla faixa de espectro de frequencia) melhora a imunidade contra ruídos, surtos e atenuação nas redes de distribuição, inclusive em condições industriais. A faixa de frequencia de trabalho utilizada normalmente situa-se abaixo de 450 kHz e possui protocolo e controle de códigos de erro proprietários. Para a comunicação em circuitos situados no lado de baixa tensão de um centro de transformação (transformador) consegue-se um alcance estimado de 4.000 m entre os equipamentos de comunicação. A taxa de comunicação entre os módulos é equivalente a 19.200 bps com taxa de erro equivalente a 10^-9, similar a encontrada em cabos dedicados.

Os transformadores de distribuição formam um ponto natural de isolamento do sinal para a comunicação por power line carrier. Caso seja interessante transportar este sinal para o lado de média tensão podemos utilizar pontes passivas, repetidores ou equipamentos que armazenam e transmitem os dados. No caso das pontes passivas, esta é simplesmente formada por capacitores de alta tensão conectando os lados de alta e baixa tensão dos transformadores. É possível também a utilização do acoplamento indutivo como forma de se permitir a continuação da propagação dos dados (Figura 4).

3.2 MODULAÇÃO EM "ZERO CROSSING"

As técnicas de modulação em "zero crossing" podem ser entendidas através de duas modalidades de comunicação: Outbound e Inbound.

Figura 5

A modulação "zero crossing" para comunicação inbound é utilizada para a comunicação no sentido equipamento remoto – subestação. Fundamentalmente é baseada na modulação de corrente a frequencia de 60 Hz tomando como referencia uma faixa estreita proxima ao ponto em que a tensão é igual a zero. A comunicação unsolicited inbound é basicamente utilizada pelo equipamento remoto para informar alarmes ou situações anormais de forma automática e instantanea.

A tecnologia de comunicação por power line carrier adotada é baseada na modulação em "zero crossing. Implementando técnicas que permitem não adotar a arquitetura de comunicação por polling. A velocidade de comunicação, tão importante em área como a de automação da distribuição, pode ser melhor aproveitada quando os equipamentos de comunicação que compõe o sistema podem informar automaticamente qualquer alteração em seu estado de funcionamento. Este sistema tem implementado 6 canais de comunicação por fase e por alimentador, logo conclui-se que o numero de canais de comunicação disponíveis é bem amplo, permitindo o controle concorrente de vários equipamentos ligados a uma mesma subestação.

4. MÉTODOS E ESTUDOS

Os dados apresentados até o momento são o resultado de pesquisas junto a diversas empresas norte americanas e europeias nos meses de Maio e Junho passado, onde foi observada a atual situação da área de distribuição e medição de energia nestes países. Basicamente foram realizados os seguintes procedimentos para o levantamento das informações apresentadas.

• Treinamento nos processos de desenvolvimento de projeto e execução de instalações do Sistema 1, técnicas de avaliação das condições de operação de comunicação por power line carrier. Local: cidades de San Sebastian e Zaraus – Espanha em Maio/94.
• Reuniões técnicas com concessionárias americanas para discussão sobre os sistemas de telegestão de automatização e medição utilizados em suas áreas de concessão.
• Reuniões técnicas com fabricantes americanos e europeus e apresentação de seus sistemas para intercambio de informações.
• Levantamento de publicações sobre o assunto em artigos da IEEE e publicações da AMRA – Automatic Meter Reading Association.

Foram utilizados os seguintes equipamentos para realizarmos estes testes:

• Notebook com software para analise da qualidade do canal de comunicação (Fig. 7)
• Modem Power Line Carrier modulação em espectro expandido configurado como Master (Fig. 7).
• Modem Power Line Carrier modulação em espectro expandido configurado como Escravo (Fig. 8).
• Gerador de sinais (Fig 8).

Em uma das extremidades do circuito secundário foi conectado o modem escravo com o gerador de sinais e em outra o modem Master ligado ao Notebook. Durante o periodo anteriormente citado foram coletados os dados abaixo listados:
 

Data	Numero de  Cortes	Tempo Total  de Cortes	Tempo Máximo um Corte	Disponibilidade  %
23.05.94	0	0.00 min	0.00 min	100%
24.05.94	0	0.00 min	0.00 min	100%
25.05.94	0	0.00 min	0.00 min	100%
26.05.94	2	1.60 min	1.38 min	99.94%
27.05.94	0	0.00 min	0.00 min	100%
28.05.94	0	0.00 min	0.00 min	100%
29.05.94	1	0.25 min	0.25 min	99.99%
30.05.94	0	0.00 min	0.00 min	100%
31.05.94	0	0.00 min	0.00 min	100%
01.06.94	1	2.47 min	2.47 min	99.91%

 
Média de 99,98% de Disponibilidade do canal de comunicação durante o periodo de 240 horas de testes.

Testes de longa duração em outras áreas tem demonstrado que a performance de funcionamento se mantem homogenea durante todas as horas do dia, não ocorrendo qualquer alteração nos padrões de operação da comunicação em condições normais de trabalho da rede de distribuição.