UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCOFACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA, ELECTRONICA, MECANICA Y MINAS

DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA ELECTRICA

PERFIL DE PROYECTO DE INVESTIGACION

FACTIBILIDAD DE LA TECNOLOGIA DE COMUNICACIONES SOBRE LINEAS DE POTENCIA (PLC) PARA LA MEDICION DE CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA

EN LA CIUDAD DE CUSCO

FEDU 2011-2012

Ing. Ricardo Campana Vargas (Responsable)

Ing. Luis Jimenez Troncoso

Ing. Basilio Salas Alagón

Ing. Octavio Cañihua

Ing. Jefrey Molina Mengoa

Ing. Marco Malpartida

FACTIBILIDAD DE LA TECNOLOGIA DE COMUNICACIONES SOBRE LINEAS DE POTENCIA (PLC) PARA LA MEDICION DE CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA EN LA CIUDAD DE CUSCO

I. GENERALIDADESI.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Actualmente las empresas de distribución eléctrica en nuestro país cuentan con un sistema manual de medición: los contratistas, para esta tarea, tienen un personal que se traslada al domicilio de cada usuario y realiza una lectura, anotando el número del medidor y el consumo correspondiente, para luego vaciar esta información en una base de datos que se entrega a la empresa de distribución. Así mismo, otra tarea encargada a estas empresas es la de realizar labores de corte y reconexión del suministro.

Este sistema lleva en sí una probabilidad de error, y la información se presta a manipulaciones, haciendo de éste, un sistema ineficiente y poco confiable, lo cual puede generar pérdidas económicas por errores en las lecturas. Adicionalmente, los trabajos de corte y reconexión de forma manual conllevan retrasos en una u otra tarea, pudiendo generar pérdidas para la empresa de distribución. También se debe tener en cuenta que, contratar a terceros eleva los costos operativos.

En Europa y en algunos países de Latinoamérica se ha dado solución a este problema, automatizando la medición del consumo de energía, corte y reconexión del suministro. Esta automatización se ha logrado haciendo uso de las distintas técnicas de comunicaciones disponibles en la actualidad. Una de éstas, son las comunicaciones por la red de distribución eléctrica como medio: PLC (Power Line Carrier). Para lograr este objetivo, tuvieron que desarrollar nuevos medidores, haciéndolos inteligentes y con posibilidad de establecer comunicaciones bajo distintas modalidades, la PLC entre ellas.

La tecnología PLC era utilizada, en un inicio, por las generadoras en los sistemas de protección de las líneas de alta tensión, para luego, ir perdiendo vigencia a medida que se desarrollaban nuevas tecnologías: fibra óptica, sistemas SCADA, etc. Sin embargo, en los últimos años, se ha retomado el interés por la PLC, en vista que se cuenta con un medio de comunicaciones muy extenso: la red de distribución eléctrica. Las posibilidades van desde las transmisiones de banda ancha, domótica y, últimamente, la automatización de la medición del consumo de energía eléctrica, corte y reconexión del suministro, entre otras.

I.2. FORMULACION DEL PROBLEMA

En el ámbito local, ELECTRO SUR ESTE SAA, es la empresa distribuidora de energía eléctrica y, como ya se mencionó, la de medición, corte y reconexión los realiza mediante contratistas y, éstos a su vez, estas tareas la realizan manualmente.

Este sistema tiene limitaciones en cuanto a la operatividad del mismo:

Para realizar las mediciones de forma oportuna, el contratista debe contar con más personal. Las lecturas manuales del consumo de energía están sujetas a errores y posibles manipulaciones, por lo

que las convierte en poco fiables. En todo caso, faltarían datos provenientes de auditorías realizadas a los contratistas.

El corte y reconexión del suministro también es manual, lo que trae como consecuencia, al igual que con la lectura manual, una elevación del personal de la empresa que lo lleva adelante.

Todo lo anterior lleva a una elevación de los costos operativos del contratista y en consecuencia en los de ELECTRO SUR ESTE SAA, así como de una reducción en la calidad del servicio al cliente.

I.3. JUSTIFICACION

En el presente trabajo se evaluará la factibilidad de la utilización la lectura remota de medidores, corte y reconexión: AMR para sus siglas en inglés, mediante comunicaciones PLC en la ciudad del Cusco, tareas realizadas por ELECTRO SUR ESTE SAA.

Las AMR presentan una serie de ventajas, que justifican al menos un estudio de la factibilidad de su aplicación en la ciudad del Cusco:

Mayor seguridad de los datos

La lectura automática de medidores proporciona una mayor productividad en la adquisición de la información. En el caso ideal de comunicaciones óptimas o sin interferencia, se evitan errores de lectura y faltas de lectura. También ofrece una mayor seguridad del caudal de datos entre el sistema AMR y otras aplicaciones. Al evitar la introducción manual de datos o la transferencia manual de los mismos, se elimina una fuente potencial de errores.

Costos de explotación más bajos

Con la lectura automática de medidores, se tiene acceso constante a los datos en tiempo real y se dispone de las lecturas de los contadores cuando se las necesite. Ello ayuda a atender las reclamaciones de los clientes.

Las lecturas relacionadas con altas y bajas se llevan a cabo más fácil y rápidamente, incluso de forma retroactiva, en caso de que un cliente olvide notificar oportunamente un cambio de domicilio. El costo de lectura de medidores disminuye, y con ello los costos totales de explotación.

Reducción de costos a lo largo del periodo de vida del sistema AMR

Las ventajas financieras de la lectura automática de contadores se mantienen durante toda la vida del sistema de AMR.

Mejora en el presupuesto y la gestión del flujo de caja

Con la lectura automática de contadores, las facturas de la empresa de distribución se ajustan al consumo real. Ello genera un flujo de caja más regular. La facturación se realiza a partir de datos en tiempo real, desapareciendo la necesidad de facturar según estimaciones.

Mejor servicio al cliente

Si las facturas de consumo son exactas, no hacen falta estimaciones ni correcciones. Las lecturas bajo demanda se pueden llevar a cabo como parte de los servicios a los clientes. Se podrá reaccionar más rápidamente en situaciones anormales y monitorizar más de cerca la demanda y el consumo. Además, se reforzará la imagen de la empresa entre los consumidores como proveedor fiable de energía y de servicios de facturación.

Reducción de las pérdidas no técnicas

El robo de energía y el fraude son dos de los males endémicos de la industria en momentos donde la oferta de energía se ve en muchos casos amenazada. Fraude, manipulación de los medidores y el consumo de cuentas "canceladas", son ejemplos de pérdidas no relacionadas con aspectos técnicos, algo que les cuesta a las empresas alrededor del mundo millones de dólares cada año. ELECTRO SUR

ESTE SAA no está exento de esta situación. Expertos de la industria estiman que en Latinoamérica las pérdidas no técnicas disminuyen los ingresos de los operadores en un 10 por ciento o más al año.

Lecturas automáticas de los medidores es una buena herramienta para reducir los costos asociados con las lecturas de los contadores, y mejorar la precisión y la facturación, AMR también puede combatir pérdidas no técnicas.

La tecnología actual permite automatizar la medición del consumo de energía eléctrica, así como el corte y reconexión del suministro. Existe un abanico de posibilidades para realizarlo, las mismas que van desde sistemas inalámbricos, sistemas SCADA, utilización de la red eléctrica como medio de comunicación (PLC).

Una ventaja importante del PLC frente a las otras tecnologías, radica en el hecho de que, se cuenta con el medio de comunicación: la red de distribución eléctrica. Este medio, como cualquier otro, tiene sus propias dificultades para la transmisión de señales, sin embargo, puede llegar hasta el último usuario, y no presenta los problemas inherentes de los sistemas inalámbricos, como son: contar con sistemas de transmisores, repetidoras, antenas, línea de vista, entre otras.

Existe en el mercado una serie de productos, como medidores inteligentes, concentradores, los cuales ya se están utilizando en Europa, Norte América y en algunos países de Latinoamérica. En el presente trabajo, se estudiará la situación actual de la red de distribución de energía eléctrica de la ciudad del Cusco y la factibilidad de la implementación de un sistema AMR, utilizando las comunicaciones PLC.

I.4. OBJETIVOS1. Objetivo General

Evaluar la factibilidad de la aplicación de la tecnología de comunicaciones sobre líneas de potencia (PLC) para la medición de consumo de energía eléctrica, corte y reconexión del suministro en la ciudad de Cusco.

2. Objetivos específicos

a. Analizar los fundamentos y el estado del arte de las comunicaciones sobre líneas de potencia (PLC).b. Analizar los antecedentes de aplicación en el sistema de distribución eléctrica en la ciudad de Cusco.c. Evaluar la factibilidad de su aplicación en la ciudad de Cusco mediante pruebas piloto con equipos

disponibles en el mercado.

I.5. HIPOTESISLa comunicación para la medición del consumo de energía eléctrica es suficientemente confiable, usando la tecnología PLC en la red evaluada.

I.6. VARIABLES

Variable independiente

Medición del consumo de energía eléctrica

Variable dependiente

Implementación de un sistema AMR, utilizando las comunicaciones PLC en la ciudad del Cusco

I.7. MATRIZ DE CONSISTENCIA

PROBLEMAS OBJETIVOS VARIABLES METODOLOGIA

1. Problema PrincipalCosto que representa a ELECTRO SUR ESTE tercerizar la medición del consumo de energía eléctrica, el corte y reconexión del suministro.

2. Problemas secundariosa. Demora en la medición del

consumo de energía eléctrica.b. Baja fiabilidad de las lecturas.c. Costos operativos altos.

1. Objetivo GeneralEvaluar la factibilidad de la aplicación de la tecnología de comunicaciones sobre líneas de potencia para la medición de consumo de energía eléctrica en la ciudad de Cusco.

2. Objetivos específicosa. Analizar los fundamentos y el

estado del arte de las comunicaciones sobre líneas de potencia

b. Analizar los antecedentes de aplicación en el sistema de distribución eléctrica en la ciudad de Cusco.

c. Evaluar la factibilidad de su aplicación en la ciudad de Cusco en base a algún equipo disponible en el mercado.

1. Variable independienteMedición del consumo de energía eléctrica

2. Variable dependienteImplementación de un sistema AMR, utilizando las comunicaciones PLC en la ciudad del Cusco

1. Tipo de investigaciónDe acuerdo a los problemas y objetivos planteados, el presente estudio reúne las condiciones para ser calificado como una investigación tecnológica aplicada, en razón que se estudiará una tecnología existente desde hace décadas, para darle una aplicación diferente para la cual fue concebida.

2. Nivel de investigaciónEl presente trabajo tendrá características descriptivas, explicativas y correlacionadas.

3. Metodología de la investigaciónEn la presente investigación se empleará el método descriptivo, analítico, deductivo e inductivo.

4. Diseño de la investigaciónDada la naturaleza del presente estudio, será una investigación por objetivos.

5. PoblaciónLa población será el sistema de distribución eléctrica de la ciudad de Cusco.

6. Muestra Se identificarán los intentos de uso de esta tecnología en el

entorno académico y en los sistemas de distribución de energía eléctrica en la ciudad del Cusco.

7. TécnicasLas técnicas que se utilizarán en el presente estudio serán, entre otras:

Investigación bibliográfica. Levantamiento de información existente. Encuestas.

II. MARCO TEORICOII.1.ONDA PORTADORA EN LINEAS DE POTENCIA. PLC

El sistema de comunicaciones PLC, es la transmisión de información utilizando la red eléctrica, ya sea de alta, media o baja tensión. La técnica consiste en acondicionar parte de las actuales infraestructuras eléctricas para que puedan transmitir señales regulares de baja frecuencia y otras inclusive, por encima de la banda de 1 MHz, sin que se vea afectado el rendimiento eléctrico. Las señales de baja frecuencia (50 ó 60 Hz, según la red) son las encargadas de la transmisión de la energía, mientras que las señales de más alta frecuencia pueden utilizarse para la transmisión de datos, circulando ambas simultáneamente a través de los cables de cobre.

Un sistema de onda portadora incluye tres elementos básicos: una línea de transmisión, utilizando un canal de la línea de potencia, equipos de acoplamiento y bloqueo, transmisores y receptores. Un diagrama funcional simplificado se muestra en la figura 1.

Figura 1. Diagrama funcional básico de un sistema PLC.

COMPONENTES

Trampa de línea

La trampa de línea provee un bloqueo para la portadora de la señal, previniendo que ésta continúe hacia otras secciones de la línea.

Consiste en una o dos trampas (filtros) de circuitos paralelos LC, con inductancias y capacitancias variables, sintonizados para resonar en una o dos frecuencias para bloquear el paso de la portadora. En la figura 2 se muestra el esquema circuital para ambos casos.

En las figura 3 y 4, se muestra la respuesta en frecuencia para los casos de resonancia en una y dos frecuencias. Se puede observar el alto grado de selectividad de cada uno de ellos y la fuerte atenuación que brindan.

Figura 2. Circuitos equivalentes de la trampa de línea.

Figura 3. Respuesta en frecuencia de una trampa de línea sintonizada en una sola frecuencia.

Figura 4. Respuesta en frecuencia de una trampa de línea sintonizada en dos frecuencias.

Unidad de sintonización de línea (LTU)

Esta unidad se usa para sintonizar la frecuencia de la portadora y brindar una adecuada impedancia de acoplamiento entre el tranceptor y la línea de potencia. La LTU incluye un transformador de acoplamiento de impedancia, un circuito serie LC resonante sintonizado a l frecuencia de la portadora, y también un dispositivo de protección. En la figura 5 se muestra el circuito básico de una LTU, así como un circuito LC (trampa), el cual es requerido para LTU’s de banda ancha.

Figura 5. Circuito equivalente de la LTU.

Condensadores y transformadores de acoplamiento

Los condensadores de acoplamiento se utilizan para acoplar la señal PLC a la línea de potencia, así como parte de filtros de orden superiores. Sus requisitos y características están estandarizados en la norma ANSI C93.1-1972. Deben filtrar la frecuencia de 50/60 Hz, por lo que deben ser capacitores de alta tensión. Sus características de filtrado están sujetas a la carga en la cual la señal está acoplada.

Los transformadores de acoplamiento deben brindar aislamiento eléctrico y una adaptación de impedancia, pero al mismo tiempo debe dejar pasar la señal de alta frecuencia. Así, la señal debe ser filtrada en baja frecuencia antes de entrar al transformador de acoplamiento.

En la figura 6 se muestra un ejemplo de para el circuito de acoplamiento de banda ancha. Generalmente utilizan capacitores y transformadores de acoplamiento. El circuito emplea capacitores de alto voltaje para bloquear los 60 Hz de la onda de energía, un transformador de banda ancha, y una combinación de diodos para protección contra sobre tensiones.

Figura 6. Circuito de acoplamiento de banda ancha.

COMPORTAMIENTO DE LA LINEA DE POTENCIA EN RF

Las frecuencias a las que trabaja la portadora exceden a la de la potencia en factor de 500 o más, por lo que su respuesta es diferente. A la frecuencia de 60 o 50 Hz, todas las líneas de potencia son eléctricamente cortas en términos de la longitud de onda. Sin embargo, a las frecuencias de la portadora, muchas líneas son largas, ya que la longitud de onda es mucho más corta. La longitud de onda de la portadora es aproximadamente:

λ=0.98∗Cf

De esta relación, es claro que a 250 KHz, la señal tendrá una longitud de onda de 1 176 m (1.176 Km), lo que significa que en una línea de 100 Km habrán 85 longitudes de onda, y que a 60 Hz, la misma línea será el 0.02 de la longitud de onda.

ATENUACION DE LA LINEA

La relativa eficiencia de las frecuencias de la potencia y portadora también difieren significativamente. Muchos factores están involucrados en las pérdidas de la señal de la portadora en una línea de transmisión. Los principales factores son:

Frecuencia de la portadora, la atenuación se incrementa a frecuencias altas. Sección de la línea. Tamaño del aislamiento. Condiciones climáticas, en especial ante la presencia de hielo, la señal irá por éste y no por el

conductor. Pérdidas del conductor, debido a que se incrementa el efecto pelicular. Lo que implica una

disminución de la sección del conductor disponible para la corriente de alta frecuencia.

En la figura 7 se muestra curvas típicas de atenuación en líneas de alta tensión:

Figura 7. Curvas típicas de atenuación.

RUIDO EN LA LINEA

Uno de los factores que limita el alcance del canal PLC es el ruido en la línea de potencia, y debe considerarse en el diseño, sobretodo en el lado del receptor. El parámetro a considerar, obviamente es

la relación señal – ruido, S/N, la misma que debe ser lo razonablemente alta como para recepcionar una buena señal.

Existen dos tipos de ruidos presentes en una línea de potencia: ruido continuo y de impulso. En cuanto al ruido continuo, está presente todo el tiempo y su amplitud varía lentamente con respecto a la frecuencia considerada. El ruido de impulso, existe en cortos períodos de tiempo; puede tener una amplitud más grande que el nivel promedio del ruido continuo. Ambos tipos de ruido tienen frecuencias que cubren todo el ancho de banda de la línea de potencia, y muchas veces pueden considerarse como ruido blanco para el receptor. El ruido blanco se define como aquel cuyo nivel de potencia tiene una densidad espectral para todas las frecuencias y una función de amplitud aleatoria en el tiempo. Para calcular la S/N y la performance del canal, el ruido debe considerarse como ruido blanco.

En la mayoría de los casos, el ruido en la línea de potencia es impulsivo, debido a que es generado por el efecto corona, el mismo que ocurre cada medio ciclo de la frecuencia de la potencia y sus niveles están normalmente por debajo del de la portadora. Estos impulsos son atenuados por el filtro de entrada del receptor. Sin embargo, es importante notar que los impulsos largos de ruido, como los generados en operaciones de conexión y desconexión, tendrán un efecto muy diferente en el receptor.

CIRCUITOS HIBRIDOS

El propósito de los circuitos híbridos es permitir la conexión de dos o más transmisores en un solo cable coaxial sin provocar distorsiones por intermodulación, debido a que la señal de un transmisor afecta a las etapas del otro transmisor. Sin embargo pueden causar pérdidas adicionales en la excursión de la señal de la portadora, por lo que deben ser utilizados apropiadamente.

En la siguiente figura se muestran algunos tipos de circuitos híbridos. En la figura 8 a y b, se muestra circuitos híbridos resistivos balanceados. En la figura 8 c, el circuito es híbrido de reactancia balanceada.

Figura 8. Circuitos híbridos.

II.2.SISTEMAS DE MEDICION REMOTA

Un sistema de medición remota que se está implementando alrededor del mundo, se muestra en la figura 9. Aquí se puede distinguir tres bloques principales:

Instalaciones de medición. Medios de comunicación Centros de procesamiento

Figura 10. Esquema básico de un sistema de medición remota. (Automatic Meter Reading Association)

INSTALACIONES DE MEDICION

Los dispositivos de medición constituyen los elementos primarios del sistema de medición, su equipamiento y configuración dependen básicamente del tipo de consumidor final y de la topología de las redes de distribución de energía eléctrica. En la práctica, predomina el medidor electromecánico.

Bajo este esquema, el medidor al ser electromecánico, se modifica para realizar funciones de lectura automática mediante la instalación de dispositivos electrónicos. Por otra parte, el concentrador de mediciones se le ubica en los postes de distribución.

MEDIOS DE COMUNICACION

Los medios de comunicación juegan un papel de vital importancia en los sistemas de medición a distancia. Hay que entender como medio de comunicación a los canales y protocolos.

La preferencia por los medios de comunicación para enlazar los medidores a los concentradores de medición es por las comunicaciones PLC y radiofrecuencia. Mientras que los enlaces entre los concentradores y los centros de control normalmente se realiza por RF, celular, línea telefónica.

CENTROS DE PROCESAMIENTO

Existen paquetes de software orientados al procesamiento de información de medición. Estos son escalables y abiertos en sus bases de datos, de manera que se pueden enlazar a otros sistemas, como los servidores de facturación. Una limitante, sin embargo, la falta de una normalización dificulta la incorporación de nuevos equipos de medición. No obstante esta tecnología resulta atractiva en función del costo/beneficio que puede

proporcionar en términos de mejoramiento del servicio al cliente y la eficiencia operacional del proceso de medición.

III. MARCO METODOLOGICOIII.1. TIPO DE INVESTIGACION

De acuerdo a los problemas y objetivos planteados, el presente estudio reúne las condiciones para ser calificado como una investigación tecnológica aplicada, en razón que se estudiará una tecnología existente desde hace décadas, para darle una aplicación diferente para la cual fue concebida.

Las comunicaciones PLC fueron, en un inicio, utilizadas por las empresas generadoras con el objeto de proteger las líneas de alta tensión. Posteriormente fueron añadidos algunos servicios, como los de telefonía. Sin embargo, con el advenimiento de nuevas tecnologías, fue siendo reemplazada por éstas, cayendo en desuso.

En los últimos años, se ha vuelto la mirada a esta tecnología para aplicarla en otras áreas, en razón que se cuenta con un medio de comunicación existente y que, puede llegar a cualquier lugar que cuente con el suministro de energía eléctrica.

Una de las aplicaciones que se viene extendiendo es la domótica, ya que ahorra en cableado y así permite la implementación de edificios inteligentes.

Dentro de este contexto, también se la está utilizando en las mediciones de consumo de energía eléctrica en forma remota. En Europa y en algunos países de Latinoamérica ya se ha implementado este sistema de medición, utilizando distintos medios de comunicación, entre ellos la tecnología PLC.

En el caso local, aún se sigue con el método tradicional, sin embargo, en el futuro se tendrá que migrar a esta tecnología por el costo-beneficio que representa. En el presente trabajo se pretende, entonces, evaluar la factibilidad de su implementación en la ciudad del Cusco. Esto implica analizar, por un lado, el estado actual de las líneas de distribución y, al mismo tiempo analizar cómo se podría implementarla. No existe, hasta el momento, una normalización en cuanto a las comunicaciones que se deben utilizar; esto en sí constituye una ventaja, ya que nos da libertad para elegir los métodos de modulación, frecuencias entre otros aspectos.

Por lo antes mencionado, el presente trabajo tendrá características descriptivas, explicativas y correlacionadas.

III.2. POBLACION

La población será el sistema de distribución eléctrica de la ciudad de Cusco, la cual pertenece a ELECTRO SUR ESTE SAA.

III.3. MUESTRA

Se identificarán los intentos de uso de esta tecnología en el entorno académico y en los sistemas de distribución de energía eléctrica en la ciudad del Cusco.

III.4. TECNICAS, INSTRUMENTOS Y FUENTES DE RECOLECCION DE DATOS

Investigación bibliográfica.

Levantamiento de información existente.

Encuestas.

IV. ASPECTOS ADMINISTRATIVOSIV.1. CRONOGRAMA

ACTIVIDAD MESES

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Investigación bibliográfica X X X X X X Trabajo de campo (antecedentes) X X X X X X Pruebas de campo X X X X X X Análisis de resultados X X X X X X

IV.2. PRESUPUESTO

Nº PARTIDA % MONTO1 Pasajes 5% 1238.002 Viáticos 15% 3714.003 Materiales 30% 7428.00 4 Equipos 40% 9904.005 Otros 10% 2476.00

TOTAL 100% 24760.00

BIBLIOGRAFIA

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LINCOGRAFIA

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