Comunicaciones a través de la red eléctrica PLC

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PLC (Power Line Communications) o PLM (Power Line Modem) se refiere a cualquier tecnología que permita transferir datos a velocidad de banda estrecha (<100 kbps) o banda ancha (>1 Mbps) y a través de la red eléctrica usando una tecnología avanzada de modulación.

Dependiendo del país, la institución y la compañía, las comunicaciones a través de la red eléctrica están agrupadas bajo diferentes acrónimos:

– PLC

– PLM

– PLT (Power Line Telecommunications)

– PPC (Power Plus Communications)

Principios en la comunicación por PLC

Las comunicaciones a través de la red eléctrica ya se utilizaban hace algún tiempo en telecontrol tipo todo o nada: de relés, alumbrado público y domótica. La banda ancha sobre PLC empezó a finales de la década de 1990:

–En 1950 se empezó con una frecuencia de 10 Hz y 10 kW de potencia, con comunicación en un solo sentido, aplicándose para el control de líneas eléctricas y para el control remoto de relés.

–A mediados de 1980 se inició la investigación sobre el uso de la red eléctrica para soportar la transmisión de datos, en bandas de entre 5 y 500 kHz, siempre en una sola dirección. Más adelante, las empresas eléctricas empezaron a utilizar sus propias redes para la transmisión de datos de modo interno.

–En 1997 se realizaron las primeras pruebas para la transmisión bidireccional de señales de datos a través de la red eléctrica y el inicio de la investigación de Ascom (Suiza) y Norweb (Reino Unido).

–En 2000 se llevaron a cabo las primeras pruebas en Francia por EDF R&D y Ascom.

Principio de trabajo

La tecnología PLC de banda ancha es capaz de transmitir datos a través de la red eléctrica y por lo tanto se puede extender a una red de área local existente o compartir una conexión a Internet a través de los enchufes eléctricos con la instalación de unidades específicas (figura 1).

El principio de PLC consiste en la superposición de una señal de alta frecuencia (de 1,6 a 30 MHz) con bajos

niveles de energía sobre la señal de la red eléctrica de 50 Hz. Esta segunda señal se transmite a través de la infraestructura de la red eléctrica y se puede recibir y descodificar de forma remota. Así, la señal PLC es recibida por cualquier receptor PLC que se encuentra en la misma red eléctrica.

Un acoplador integrado en la entrada del PLC receptor elimina los componentes de baja frecuencia antes de que la señal sea tratada.

Un módem de red eléctrica (PLM) convierte un dato binario en una secuencia de señales con características predefinidas (frecuencias, niveles) y viceversa, haciendo el proceso de MOdulación/DEModulación (figura 2).

Una interfaz de línea de red eléctrica (PLI – Power Line Interface) transmite las señales moduladas sobre la red eléctrica y detecta las señales que llegan, por lo que permite el proceso de transmisión/recepción. Por ello se requieren los bloques PLM y PL para permitir una comunicación fiable a través de las líneas de red eléctrica, donde el ruido es impredecible y las pérdidas siempre están presentes.

Modulaciones PLC

Las redes eléctricas son un mal medio para las transmisiones de comunicaciones. Los problemas que ocasionan son: atenuación con la frecuencia, variaciones con la impedancia, multicamino y condiciones desfavorables de ruido.

Las modulaciones en banda estrecha más utilizadas son: ASK, FSK, PSK (figura 3).

En la banda ancha se solucionan estos problemas con modulaciones eficientes: SS (Spread Spectrum) y OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing).

La modulación por división de frecuencia ortogonal OFDM, también conocida como modulación por multitono discreto (DMT), trabaja dividiendo el espectro disponible en múltiples subportadoras.

¿Por qué OFDM ha sido elegida por las compañías eléctricas?

OFDM es una técnica de modulación que puede utilizar la banda permitida de CENELEC A,B,C y FCC de forma más eficiente con técnicas de codificación avanzadas.

Añadiendo algoritmos Viterbi y Reed-Solomon se consiguen 6 dB adicionales de relación señal ruido. Reed-Solomon puede recuperar errores causados por ruidos provocados por pulsos típicos de la línea AC.

En la figura 4 vemos las dos modulaciones más populares, OFDM en la parte superior y FSK en la parte inferior. Es un ejemplo sencillo e ilustrativo de transmisión de 8 bits a través de modem en un ancho de banda de 85 kHz.

Se aprecia cómo utilizando solo 2 tonos cada 85kHz de ancho de banda (parte inferior del dibujo) un módem de banda estrecha necesita 4 símbolos para transmitir 8 bits de datos más el bit de redundancia. Por tanto, es más lento transmitir una misma información con modulación FSK que con modulación OFDM.

En la figura 5 se puede ver el modem PLC de MAXIM, MAX2990 que junto con el Analog Front End MAX2991 forman una solución OFDM muy robusta, compacta y preferida de ERDF y otras compañías eléctricas europeas, que basan sus primeros resultados sobre viabilidad del OFDM en esta tecnología.

Protocolo de comunicación

Para comunicar nodos PLC se debe usar un lenguaje específico y roles de comunicación, por ejemplo: el protocolo específico de comunicación.

De acuerdo con el modelo ISO/OSI (International Organization for Standarization/Open System Interface), los protocolos de comunicación están clasificados en 7 capas.

Cada capa se ocupa de un aspecto específico de la comunicación.

Cada capa proporciona una interfaz para la capa superior. El conjunto de las operaciones define el servicio proporcionado por esta capa.

En un mensaje enviado por la capa superior se transmite a la capa inmediatamente inferior hasta la capa más inferior.

En cada nivel se puede añadir una cabecera al mensaje.

La capa más baja transmite el mensaje a través de la red al nodo receptor. El mensaje recibido comunica con la capa más baja del receptor.

Cada capa retira la cabecera, se encarga del mensaje usando el protocolo previsto por la capa y pasa a la capa inmediatamente superior y, por último, a la capa más alta del receptor.

La figura 6 muestra el recordatorio de modelo OSI con sus distintas capas. Pero, a menudo, las comunicaciones PLC necesitan menos de 7 capas.

Normas internacionales de regulación PLC

Los productos PLC deben ser compatibles con las normas generales de regulación internacional, así como las especificadas por la FCC/CENELEC ARIB y comités en EE UU Japón y la UE.

En realidad hasta los 35 kHz aproximadamente se ha encontrado que la banda eléctrica es muy ruidosa, por lo que se utiliza a partir de 35 kHz o 40 kHz.

Estas normas imponen restricciones severas en la comunicación de frecuencias utilizables por los nodos PLC y emisiones radiadas. Bandas de frecuencias PLC en EEUU:

– FCC (Federal Communications Commission) sección 15 definida en la banda de frecuencia de 10 a 490 kHz para la comunicación PLC en Norteamérica y Canadá.

– HomePlug en la banda de 2 a 30 MHz.

– Protocolo de acceso definido por un estándar.

– Ancho de banda simple de 150 a

– 450 kHz. Bandas de frecuencias PLC en Asia:
– ARIB (Association of Radio Industries and Bussines) definida en la banda de frecuencia de 10 a 450 kHz para la comunicación PLC en Asia y Japón. Bandas de frecuencias PLC en China

– EPRI (Electric Power Reserch Institute) definida de 3 a 90 kHz.

– Ancho de banda simple de 3 a 500kHz. Bandas de frecuencias PLC en Europa:

– CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electronique) EN50065-1 definida en un margen de bandas de baja frecuencia permitidas para la comunicación PLC.

– Banda A (de 3k Hz a 95 kHz), reservada para las compañías eléctricas.

– Banda B (de 95 kHz a 125 kHz), que puede ser usada para todas las aplicaciones sin ningún protocolo de acceso.

– Banda C (de 125 kHz a 140 kHz), reservada para sistemas de red interna. Es obligatorio un acceso CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) que facilita la coexistencia de diferentes sistemas incompatibles en la misma banda de frecuencia. Y por último,

– Banda D (de 140 kHz a 148,5 kHz), que está especificada para alarmas sistemas de seguridad sin ningún protocolo de acceso.

Estándares

Actualmente solo existe una norma, en Estados Unidos con el estándar Homeplug V1.0.1. Esta norma solo es aplicable para las instalaciones “indoor” y no es interoperable con las aplicaciones actuales “outdoor”. Otras normas surgirán en los próximos meses o años.

PRIME

La alianza PRIME (PRIME = Powerline Intelligent Metering Evolution) está focalizada en el desarrollo de una solución no propietaria, abierta y pública que pueda soportar no solo el smart metering sino también la conexión completa de aparatos y medidas de energía, gas y agua a través de toda la red eléctrica, de dentro de casa y de fuera.

Para este propósito la tecnología PLC es la más adecuada en comunicaciones de gran densidad de nodos y enlaces eléctricos.

PRIME se basa en la multiplexación OFDM en la banda CENELEC-A. Para más información se puede encontrar en: http://www.prime-alliance.org

PRIME (Evolución de Medición Inteligente Powerline) es un estándar que define la capa física y la Mac basada en las tecnologías más avanzadas en la fecha de su constitución, con el fin
de garantizar que las necesidades del
mercado futuro se cumplan y que las
inversiones en empresas de servicios
públicos son a prueba de futuro.

PRIME es abierto, en busca de interoperabilidad
de los equipos de distintos
proveedores, como una forma
de impulsar el crecimiento de un nuevo
mercado para que al final (servicios
públicos, industria, clientes, etc.) se
beneficien de este estándar.

G3-PLC Open Standard for Smart Grid Impementation

G3-PLC es un estándar de comunicaciones,
desarrollado por Sagem,
ERDF y Maxim (http://www.maximic.
com/view_press_release.cfm/release_
id/1678) que busca interoperabilidad
en la comunicación, como el
anterior, y focalizado directamente al
«Smart Grid» o interconexión completa
de las comunicaciones a través de
la red eléctrica, tanto en baja, media
como alta tensión.

La especificación G3-PLC incluye
las capas PHY/MAC donde apoya
el OFDM, y una capa de adaptación
6LoWPAN para transmitir paquetes
IPv6 por la red. Está por tanto pensada
para infraestructuras de multitud
de nodos a gran escala (figura 8).

Este estándar promueve la interoperabilidad
entre los 10 kHz y los
490 kHz con FCC, CENELEC y
ARIB, y tecnológicamente tiene la
capacidad de coexistir con otras señales
de modem en la red, con lo que
funciona en redes donde hay instalada
otra tecnología de comunicación PLC
con otros estándares, tipo IEC61334,
IEEE P1901 e ITU G.hn.

Para ello tiene la posibilidad de hacer
un filtro rechazo de banda (notch)
muy selectivo.

En la figura 9 vemos un diagrama basado
en toma real con osciloscopio, y se
aprecia como la transmisión OFDM
no transmite en la banda de frecuencias
elegida entre 63 kHz y 74 kHz
para poder cohabitar con una señal
S-FSK existente en esas frecuencias.

Por tanto, 11 subportadoras no pueden
transmitir datos. Considerando el
hecho de que hay un total de 36 portadoras
disponibles, 25 subportadoras
quedan todavía para transmitir los datos,
resultando en un FC con 19 símbolos
OFDM ((33+6)*2*6/25)=19.

Hay un filtro notch analógico antes
del control automático de ganancia del
propio modem.

Este filtro notch es también muy útil
para poder bloquear o atenuar ciertas
frecuencias conocidas de ruido o jam.

El G3 reduce los costes de infraestructura
y la transmisión real con pruebas
reales han dado valores de transmisión
y velocidad de varios kilómetros de
distancia en varios tipos de pruebas realizadas
en Francia por ERDF (proyecto
Linky, público en la web) atravesando
transformadores de baja, media y alta
tensión en distintos tipos de escenarios,
como barrios antiguos de París, zonas
industriales de Lyón o zonas rurales
con cableados de distintos tipos e impedancias.

Todas las especificaciones, planos
reales donde se hicieron las pruebas y
condiciones se pueden ver en:

http://www.maxim-ic.com/products/powerline/pdfs/plc-erdf.pdf y las
especificaciones técnicas están publicadas
en http://www.erdfdistribution.fr/medias/Linky/ERDF-CPT-Linky-SPEC-FONC-CPL.pdf

No hay que olvidar que existen
otros estándares como el 1.8.3 IEC
61334 muy fiables para comunicaciones
de baja velocidad en contadores de
agua, electricidad y SCADA, también
conocido como S-FSK, derivado del
IEC 1334.

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