Baixe Transmissão de Dados por Rede Elétrica: Função Transparência Usando Grafo de Fluxo e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
ELÉTRICA
Transmissão de Dados Via Rede
Elétrica: Função Transferência
utilizando Grafo de Fluxo
por:
Ulysses Roberto Chaves Vitor
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Elétrica.
Orientador: Marcos Tavares de Melo, Ph.D
Co-Orientador: Marcelo Eduardo Vieira Segatto, Ph.D
Recife, Julho de 2013
©ULYSSES VITOR, 2013.
V845t Vitor, Ulysses Roberto Chaves. Transmissão de dados via rede elétrica: função transparência utilizando Grafo de Fluxo / Ulysses Roberto Chaves Vitor – Recife: O Autor, 2013. vii, 61f. il., figs., gráfs., tabs. Orientador: Prof. Marcos Tavares de Melo, Ph.D. Coorientador: Prof. Marcelo Eduardo Vieira Segatto, Ph.D. Tese (Doutorado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2013. Inclui Referências.
- Engenharia Elétrica. 2. Modelagem do Canal. 3. Comunicação em Banda Larga. 4. Transmissão de Dados em Linhas de Potência. I. Melo, Marcos Tavares de (Orientador). II. Segatto, Marcelo Eduardo Vieira (Coorientador). III.Título.
621.3 CDD (22.ed) UFPE/BCTG-2013 / 270
iii
Agradecimentos
Gostaria de agradecer ao professor Marcos Tavares de Melo pela oportunidade e apoio oferecido. Ao professor Marcelo Eduardo Vieira Segatto pela cooperação e discussões sobre o tema. Ao Professor Cecílio pela ajuda e bom trabalho realizado na gestão do PPGEE. Aos colegas de Laboratório: Bruno, Francisco e Gabriel pelo ambiente agradável de trabalho que foi proporcionado por todos nós. Aos colegas do IFPE, campus Garanhuns, especialmente a Diretora de ensino Professora Lêda Cristina Correia da Silva e o Coordenador do curso de Eletroeletrônica, Professor Augusto Cesar Lúcio de Oliveira pela compressão e ajuda nas atividades finais do semestre letivo. À minha mãe por ter me apoiado em todos os momentos da minha vida. Por fim, à Capes e ao CNPQ pelo suporte financeiro e ao programa de pós- graduação em Engenharia Elétrica da UFPE.
ULYSSES ROBERTO CHAVES VITOR
Universidade Federal de Pernambuco
iv
Resumo da Tese submetida à UFPE como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia Elétrica.
Transmissão de Dados Via Rede Elétrica: Função Transferência Utilizando Grafo de Fluxo
Ulysses Roberto Chaves Vitor
Orientador: Marcos Tavares de Melo, Ph.D Co-orientador: Marcelo Eduardo Vieira Segatto Área: Fotônica Palavras-chaves: Modelagem do Canal, Comunicação em Banda Larga e Transmissão de dados em linhas de Potência Número de Páginas: 62
Resumo: Este trabalho apresenta uma nova técnica para determinar a função transferência de uma de uma rede elétrica quando exposta á frequências na faixa de quilohertz e megahertz tipicamente usadas para transmitir informação. Essa nova técnica usa a teoria de grafo de fluxo, a qual é frequentemente empregada para cálculo de ganho em amplificadores de micro-ondas, sendo aplicada para sistemas lineares. Realizaram-se medidas com cabos coaxiais, inicialmente, pois é um sistema isolado, sem interferências e com impedância característica constante e conhecida. Dessa forma, pode-se ter uma primeira avaliação da técnica. Em seguida, medições em uma rede de teste do IFPE campus Pesqueira foram realizadas. A função transferência obtida através de grafo de fluxo foi utilizada para modelar o canal de transmissão. Essa nova metodologia mostrou-se bastante promissora, podendo ser considerada uma ótima alternativa para a analise do canal PLC.
vi
Figura 39: Grafo de Fluxo para uma Rede de duas Portas Modelada com Parâmetros ABCD.
vii
Índice de Tabelas
Tabela 1: Percursos do Sinal na Rede....................................................................................... 17
1
1. Introdução
De acordo com a Academia Nacional de Engenharia dos EUA (Estados Unidos da América), a eletrificação massiva das cidades foi uma grande conquista da engenharia no século XX, pelo indubitável impacto na melhoria da qualidade de vida proporcionada na sociedade Tal conceito é compartilhado por técnicos ao redor do mundo. A maioria das pessoas desconhece a complexidade dos sistemas de geração, transmissão e distribuição que possibilitam que a energia elétrica seja entregue, exatamente quando demandada, na quantidade requerida, pelos diversos tipos de consumidores, em diferentes instalações e locais [1]. A primeira geração dos sistemas de fornecimento de energia elétrica era composta por sistemas em corrente contínua que atendiam pequenas áreas, quarteirões de cidades como Nova York [1]. A segunda geração dos sistemas de fornecimento de energia elétrica foi implantada em corrente alternada. A geração de energia elétrica passou a ocorrer remotamente. A energia era transmitida para os centros consumidores onde eram empregados principalmente postes e cabos aéreos que prejudicavam a paisagem urbana. Em função da crescente carga nos centros urbanos e da limitação física para ampliar o número de circuitos elétricos sustentados pelos postes, as empresas de distribuição de energia elétrica passaram a empregar sistemas de cabos subterrâneos, porém, sem qualquer integração com os demais serviços públicos que utilizam o subsolo das grandes cidades (telefonia, fornecimento de água e esgoto). Tal situação perdura até hoje, na maioria dos centros urbanos no mundo [1]. A terceira geração dos sistemas de fornecimento de energia elétrica caracteriza-se principalmente pelo compartilhamento do uso do subsolo pelas prestadoras de serviço público, ou seja, a principal evolução se dá na integração do planejamento e das ações de implantação de instalações dessas empresas (especialmente utilizando túneis multi-utilities, o que em alguns países é exigência legal), o que resulta na redução dos investimentos e dos custos de manutenção. Entretanto, esses sistemas de fornecimento de energia elétrica, de terceira geração, que começaram a surgir na última década do século passado, ainda empregam
2
primordialmente tecnologia analógica na execução das funções de medição, operação e proteção [1]. Com o avanço do uso da tecnologia digital nos sistemas de fornecimento de energia elétrica, começa a surgir o que se convencionou chamar de quarta geração desses sistemas, ou seja, as chamadas “smart grids”, caracterizadas pelo uso intensivo de equipamentos digitais, de telecomunicações, de sensoriamento e operação remotos de instalações, e de tecnologia de informação (TI), adicionalmente às instalações físicas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica existentes. O termo Smart Grid foi usado pela primeira vez em 2005 em um artigo escrito por S. Massoud Amin e Bruce F. Wollenberg, publicado na revista IEEE P&E, com o título de "Toward A Smart Grid" [2]. Existem várias definições para o conceito de redes inteligentes, mas todas convergem para o uso de elementos digitais e de comunicações nas redes que transportam a energia. Esses elementos possibilitam o envio de uma gama de dados e informação para os centros de controle, onde eles são tratados, auxiliando na operação e controle do sistema como um todo. Assim, é possível estabelecer que o principal diferencial das smart grids, em comparação aos sistemas de segunda e terceira gerações, é o significativo aumento da quantidade e da qualidade das informações relativas ao desempenho da rede; a disponibilidade dessas informações na própria rede (trafegam fisicamente na própria rede). Essa otimização do desempenho da rede de energia elétrica reflete-se em menores custos para a energia fornecida e, consequentemente, em menores tarifas para os consumidores [1]. Smart grids consiste de três subáreas que interagem entre si. A primeira é a inteligência no sistema de fornecimento de energia elétrica, abrangendo geração, transmissão e distribuição, ou seja, a parte do sistema de fornecimento de energia elétrica que está acima do medidor [1]. A segunda subárea seria o próprio medidor, que numa smart grid, geralmente, mas não necessariamente, é um medidor inteligente, atuando como interface entre o fornecedor de energia elétrica e o consumidor [1]. A terceira subárea seria composta pela inteligência no consumo, ou seja, pelas indústrias inteligentes, pelas casas inteligentes, que empregariam equipamentos e eletrodomésticos inteligentes, bem como sistemas domésticos de geração de energia elétrica empregando fonte eólica, solar ou biomassa, que utilizam as informações disponíveis na rede, e a programação definida pelo consumidor, para
4
1.2 Objetivos
Este trabalho propõe um novo método de modelagem do canal PLC utilizando a teoria de grafo de fluxo. Através dessa nova técnica é possível predizer redes mais complexas as quais possuem inúmeras reflexões e inúmeras derivações. Essa técnica introduz uma nova abordagem ao problema, já comentado no trabalho [5]. Aqui, entretanto, a função transferência encontrada através da teoria de Grafo de Fluxo é comparada com medidas experimentais, dessa forma, além de sugerir uma nova teoria para a função transferência do canal [5], também valida com medidas experimentais que o novo modelo pode ser aplicado.
1.3 Metodologia
A princípio são realizadas medições com cabos coaxiais. O benefício do uso desses cabos é o fato de eles serem encapsulados, dessa maneira é imune a interferências externas, e possuem impedância característica constante e independente da frequência com valor de 50 Ω. Assim, poderá trabalhar com um sistema isolado e conhecido, tendo mais facilidade de comprovar a teoria. Com cabos coaxiais, são montadas redes com uma e duas derivações. Utilizando um analisador de redes vetorial, extrair-se-ão os parâmetros de espalhamento da rede. Nesse trabalho, será construído um programa utilizando o software Matlab R2010a, o qual com os parâmetros de espalhamento se extrairá a função transferência com grafos de fluxos Após o uso de cabos coaxiais, para uma primeira comprovação da aplicação da nova teoria, medidas em redes elétricas serão feitas. Como não se possui conhecimento prévio da impedância característica da rede, mede-se os parâmetros de impedância da rede, além dos parâmetros de espalhamento. Novamente, fazendo uso do programa construído em Matlab, encontra-se-a expressão em função do grafo de fluxo. Esse resultado será comparado com o resultado medido, assim é possível validar a teoria. Por fim, serão realizadas medições em uma rede de teste no IFPE campus Pesqueira, trata-se de uma rede para treinamento de estudantes do curso técnico em eletrotécnica.
5
1.4 Revisão Bibliográfica
Alguns trabalhos na literatura propõem modelos matemáticos para a rede elétrica quando usada para transmitir informações em banda larga [6][7]. Por outro lado, trabalhando-se em banda estreita, as aplicações são para automação em Smart Grid. O conceito Smart Grid ou Rede Elétrica Inteligente incorpora tecnologias de sensoriamento, monitoramento, tecnologia da informação e telecomunicações para o melhor desempenho da rede, identificando antecipadamente suas falhas e capacitando-a a se auto-recompor diante de ocorrências que afetem sua performance [2]. Diversas tecnologias podem ser usadas para automatizar sistemas de distribuição de rede elétrica. Tais como Zig bee, antenas inteligentes, redes wirelles em geral e a rede elétrica como meio físico de transmissão. Esta última denominada de PLC, Power Line Communication, Comunicação através linha de potência. Existe um grande debate sobre qual tecnologia deverá ser a melhor escolha para uso em redes inteligentes [8]. No trabalho [3] é avaliado a viabilidade do uso da tecnologia PLC, Power Line Communication, para aplicações Smart Grid. No artigo[3] foram apresentadas simulações utilizando o software Matlab R2010a as quais mostraram a taxa de erro do canal. Foram considerados duas topologias que possuíam 1200 medidores eletrônicos, 1200 transformadores e 1 subestação. A conclusão desse trabalho foi que uma combinação entre tecnologias PLC de banda estreita e banda larga são eficazes para aplicações Smart Grid. Por conta disso, são realizados estudos sobre modelos matemáticos que demonstrem o comportamento do sinal quando injetado na rede elétrica. Pesquisadores consideram o canal PLC, um péssimo canal e extremamente difícil de se modelar[9]. Os problemas técnicos são: variação na frequência e no tempo, função transferência dependendo da localização, topologia de rede e cargas conectadas a rede, além de diferentes tipos de ruído [10]. Basicamente, o canal PLC pode ser visto como mostrado na Figura 1[7][11][12]:
7
No caso da função transferência, as técnicas para modelar o canal podem ser divididas em duas categorias [10]:
Aproximação Top Down: A função transferência é computada após a medição. Um modelo empírico que utiliza parâmetros extraídos da medição. É de fácil implementação e computacionalmente eficiente, todavia é sujeito a erros de medição; Aproximação Bottom Up: Trata-se de uma aproximação analítica. Nesse caso, a função transferência é computada antes da medição, através de um modelo determinístico. Ao contrário do anterior, exige maior esforço computacional.
Nesse trabalho, optou-se por extrair os parâmetros após serem realizadas as medições na rede elétrica, para, em seguida, com os parâmetros retirados da rede encontrar a função transferência do canal. Logo, esta se trabalhando com a aproximação Top Down.
1.4.1 Parâmetros de Espalhamento
Esses parâmetros proporcionam uma completa descrição de uma rede com N portas. A matriz formada por tais parâmetros relaciona as tensões incidentes e refletidas em cada porta do dispositivo. Para alguns dispositivos e circuitos, os parâmetros S podem ser obtidos utilizando técnicas de análise de circuitos. Também podem ser obtidos utilizando um analisador de redes vetorial [15].
Considere uma rede de duas portas na Figura 2, onde V 1 representa a onda de
tensão incidente na porta 1, V 1 representa onda refletida na porta 1, V 2 representa
onda de tensão incidente na porta 2 e V 2 representa a onda de tensão refletida na
porta 2.
8
Figura 2: Parâmetros de Espalhamento para uma rede de duas portas.
A seguir estão as equações que representam o quadripolo da Figura 2:
2
1 21 22
11 12 2
1 V
V
S S
S S
V
V
(1.2)
k^0
ij i j (^) V
S V
V
para (^) k j
Os parâmetros S representam os coeficientes de reflexão e transmissão para rede de duas portas.Assim, o S 11 é o coeficiente de reflexão da porta 1, quando a porta 2 estiver casada, de maneira similar ocorre para o S 22. O S 21 é o coeficiente de transmissão da porta 2 para a porta 1, quando a porta 1 esta casada, analogamente para o S 12. [15].
1.4.2 Parâmetros ABCD
Esses parâmetros podem ser usados para caracterizar uma rede com um numero arbitrário de portas. Na prática, contudo, muitas redes consistem de conexões em cascata de redes de duas portas. Esse é o caso da rede elétrica quando usada na transmissão de dados em banda larga. Assim, é conveniente definir uma matriz de transmissão 2 x 2, ou matriz ABCD, para cada rede de duas portas [15].
10
21
11 22 12 21 2
S
A S S S S
(1.4) 21 0 11 22 12 21 2
S
B Z S S S S
(1.5) 21
11 22 12 21 0 2
S
S S S S
C Z
(1.6) 21
11 22 12 21 2
S
D S S S S
(1.7)
Para testes que envolvem trechos mais complexos do circuito, nos quais existem cargas ativas ou passivas ligadas à rede elétrica, pode-se usar matriz ABCD. Cada trecho da rede corresponde a uma matriz ABCD, a matriz ABCD final que representa a rede completa será o produto das matrizes para cada parte da rede.
Função Transferência de uma Rede em função dos Parâmetros ABCD
A partir dos parâmetros ABCD, é possível encontrar a função transferência para qualquer rede de duas portas. A seguir será mostrado a resposta em frequência da rede em função desses parâmetros:
Considerando uma rede de duas portas, com fonte e carga na terminação, mostrada na Figura 4 onde [17]:
V A tensão da fonte, Z simpedância da fonte, Z Limpedância da carga.
Figura 4: Rede de duas portas conectada pela fonte de tensão e carga.
11
Deseja-se encontrar:
( ) L
A
H f V (^) V (1.8)
Lembrando de (1.3):
V 1 AV 2 BI 2 , mas V 2 Z IL 2 , logo:
1 2 2 2 1
L L
V AZ I BI I
(^) V (^) AZ B. Finalmente, multiplicando ambos os lados
por ZL:
2 1
L L
V Z
V ^ AZ B (1.9)
Expressando a tensão da fonte, VA, em função da tensão de entrada no quadripolo, V 1 :
VA V 1 Z Is 1 V 1 VA Z Is 1 (1.10)
Explicitando I 1 em função de V 2 e ZL, a partir de (1.3):
I 1 CV 2 DI 2 , mas V 2 Z IL 2 , então
1 2 2 L
I CV D V
Z (1.11)
Substituindo (1.10) em (1.11), e em seguida em (1.9). Chega-se, com algumas manipulações a [18]:
