1

Resumo--Este artigo apresenta a simulação de um sistema de

onda portadora (Power Line Carrier - PLC), através do Simu-link/Matlab. A simulação foi baseada no sistema PLC, instalado na fase central da linha de transmissão de 138[kV] entre as sub-estações de Cidade Alta e Nobres da concessionária Centrais Elétricas Matogrossenses S.A. O objetivo deste trabalho é a modelagem de um sistema PLC, tendo em vista um projeto de pesquisa e desenvolvimento de supervisão de uma linha transmissão. Além disso, o trabalho visa analisar o nível de recepção do sistema PLC através de simulação e realizar uma comparação entre estes resultados com valores calculados e medidos entre as duas localidades. Os parâmetros da linha de transmissão, utilizados no MATLAB, foram obtidos através da do software denominado de Compensação Não Convencional de Linhas de Transmissão de Energia Elétrica, considerando o efeito pelicular, uma vez que o sistema PLC utiliza um sinal de portadora na freqüência de 232 [kHz].

Palavras-Chave—Sistema de Ondas Portadoras; PLC; Simulação; Simulink; Linha de Transmissão.

I. INTRODUÇÃO utilização de ondas portadoras (PLC) em linhas de transmissão (LT) teve inicio na década de 1920 [1].

Inicialmente a sua utilização se restringia à transmissão em fonia, mas com o passar do tempo e o avanço da tecnologia, iniciaram-se outras aplicações, tais como: tele-controle, telefonia, tele-proteção e tele-medição. Assim com estas aplicações, permitiu-se um melhor controle da própria linha de transmissão, bem como de sua proteção, viabilizando uma solução rápida e confiável para todos os tipos de falta.

A comunicação através de ondas portadoras também permite o controle e a interligação de um grande número de unidades geradoras e suas respectivas subestações, possibilitando assim a operação do sistema de modo remoto.

Muitas vezes a aplicação das ondas portadoras é altamente empírica devido à complexidade do sistema elétrico e suas ramificações, fato que torna praticamente impossível o cálculo exato de todas os efeitos de um sinal de alta freqüência através da linha de transmissão.

Inicialmente, a faixa de 50 a 150 [kHz] era a banda do sistema de ondas portadoras, mas o aumento do número de equipamentos interligados causou a saturação desta banda, fazendo-se necessária à criação de novos canais para a acomodação destes serviços. Atualmente esta faixa de freqüência está situada entre 30 e 500 [kHz] [1,5].

Todavia, os limites práticos para esta banda são

determinados, principalmente, pelas significativas atenuações dos sinais, pela complexidade dos equipamentos de acoplamento e sintonia em alta freqüência e pela dificuldade de se obter circuitos sintonizadores no extremo inferior do espectro de freqüência.

As linhas de alta tensão além da transmissão da energia elétrica transmitem vários tipos de comunicação, como voz, fax, dados e sinais de tele-proteção. Estes sinais são transmitidos simultaneamente com a energia elétrica, sem interferência mútua, para suprir as necessidades de telecomunicações internas das concessionárias de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica [6].

Dentro deste contexto as concessionárias fazem parcerias com empresas de telecomunicações que também utilizam as linhas de alta tensão para transmissão de seus sinais.

Os sistemas PLC são instalados em linhas de transmissão acima de 33 [kV], pois sistemas com tensões inferiores apresentam muitas interrupções ou derivações, sendo necessária a instalação de uma maior quantidade de equipamentos, aumentando o custo e a manutenção do sistema de comunicação. A Figura 1 ilustra um sistema de alta tensão e seu sistema de ondas portadoras.

A vantagem em utilizar um sistema PLC é a não necessidade de um meio específico para transmissão das comunicações. A desvantagem é a necessidade de equipamentos adicionais e maiores custos e dificuldades de operação e manutenção.

Fig. 1. Transmissão de alta tensão e sinal de comunicação [5]

II. ENLACE DE ONDA PORTADORA Importantes fatores devem ser considerados ao se conectar

os equipamentos de comunicação em uma rede de energia elétrica. Estes fatores são: isolação, proteção contra descarga elétrica e efeitos transitórios. Além do mais, o caminho para transmissão do sinal deve ser eficiente o bastante para que haja qualidade de serviço. Assim sendo é utilizado para a

Modelagem e Simulação de um Sistema de Ondas Portadoras através do Simulink/Matlab

*JOSÉ F. ADAMI, *PAULO M. SILVEIRA, *MARCEL F. C. PARENTONI, **ANTONIO C. DALLBELLO *UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ – UNIFEI

**Centrais Elétricas Matogrossenses S.A. – CEMAT

A

2

conexão à linha de alta tensão, além do próprio equipamento de onda portadora (normalmente denominado de PLC), outros três dispositivos: capacitor de acoplamento, caixa de sintonia e bobina de bloqueio.

A Figura 2 ilustra um sistema PLC [1,2, 4, 7].

Fig. 2. Sistema de onda portadora – PLC [5].

A seguir são descritas as funções principais de cada um destes três elementos citados.

A. Capacitor de acoplamento de alta tensão. O capacitor de acoplamento apresenta uma impedância

reativa alta na freqüência de transmissão de energia, porém baixa para sinal portador de informação. Este é ligado diretamente à linha evitando influências nos equipamentos terminais da freqüência da rede de energia. Os valores típicos dos capacitores de acoplamento variam entre 2000 a 20000 [pF], dependendo da máxima tensão do sistema.

A Figura 3 ilustra a aplicação do capacitor de acoplamento em um sistema PLC completo.

Fig. 3. Sistema PLC completo [5].

Em conjunto com capacitor de acoplamento é utilizado um

transformador de potencial e outros dispositivos associados. Estes elementos são instalados na parte de potencial

inferior do capacitor de acoplamento. A Figura 4 mostra um capacitor de acoplamento, bem como os dispositivos citados:

Fig. 4. Capacitor de acoplamento e sistema de proteção [1].

Os números observados na Figura 4 correspondem aos seguintes componentes:

• 1- Capacitor de acoplamento; • 2- Capacitor multiseção de acoplamento; • 3- Carcaça base; • 4- Chave de aterramento do transformador; • 5- Centelhador de proteção do transforma-dor; • 6- Transformador de reatância variável; • 7- Transformador de regulagem variável; • 8- Capacitor de correção do fator de potência; • 9- Chave de aterramento do aparelho de onda portadora; • 10- Centelhador de proteção do aparato de onda

portadora; • 11- Bobina dreno de onda portadora; • 12- Bobina choque de onda portadora.

B. Caixa de sintonia (unidade de casamento e sintonia). A caixa de sintonia tem por finalidade evitar interferências

e ruídos, bem como permitir a realização do casamento de impedância entre o PLC e a linha de alta tensão, resultando assim em uma melhor eficiência na transmissão do sinal.

C. Bobina de bloqueio Uma bobina de bloqueio é um circuito ressonante paralelo

sintonizado, o qual tem como objetivo oferecer uma alta impedância a uma freqüência especifica de onda portadora ou mesmo a uma faixa de freqüência. O circuito é inserido em série com um dos condutores da linha de transmissão. A bobina de bloqueio, ilustrada na Figura 5, possui uma impedância desprezível nas freqüências mais baixas e, portanto, não afeta a corrente normal do sistema de potência. Valores típicos da indutância de uma bobina de bloqueio encontra-se na faixa entre 0.1 a 2 [mH], com correntes nominais entre 400 a 4000 [A] [5].

3

Fig. 5 Bobina de bloqueio [5].

A Figura 6 ilustra o capacitor de acoplamento operando em conjunto com a bobina de bloqueio.

Fig. 6. Capacitor de acoplamento e bobina de bloqueio [5].

III. EXEMPLO DE CÁLCULO DOS NÍVEIS DE RECEPÇÃO DOS SINAIS E RUÍDOS DE UM SISTEMA PLC.

Nesta seção serão apresentados os cálculos da potência de

recepção e da relação sinal-ruído (SNR) de um sistema de onda portadora. Este sistema está localizado entre as subestações de Cidade Alta e Nobres das Centrais Elétricas Matogrossenses S.A. (CEMAT). Os cálculos são realizados para as condições de tempo bom (clima seco) e ruim (clima úmido).

Seja o diagrama de uma linha de transmissão conforme Figura 7

Equipamanto de Onda Portadora

Caixa de Sintonia

BB

CS

Linha de Transmissão - LT

C3

T2

CS

Capacitor deAcoplamento

Equipamanto de Onda Portadora

CA

Bobina de Bloqueio

C4

Dispositivo de Sintonia

E O P

BB

Cabo Coaxial Cabo Coaxial

E O P

CA

T1

Fig. 7. Diagrama básico de um sistema PLC.

A. Cálculo do nível de recepção de um Sistema de Onda Portadora [1,6].

Para efetuar os cálculos os seguintes dados da linha de alta tensão foram usados:

• Tensão nominal: 138 [kV]; • Cabo de transmissão de energia CAA 266,5 de

diâmetro 16,28 [mm]; • Freqüência da portadora: 232 [kHz]; • Distância entre as subestações: 108 [km]; • Potência de transmissão da portadora: 0,316 [W] ou

25 [dBm] [7]. De posse destes dados, a potência de recepção pode ser

calculada da forma mostrada na equação 1. Rx Tx SP P A= − (1)

onde RxP é a potência de recepção, TxP é a potência de transmissão e SA é a atenuação do sistema. Esta última é uma composição das perdas presentes no sistema, como mostra a equação 2.

S acTx bbTx a LT

Transp acRx bbRx

A P P C PP P P

= + + + +

+ + + (2)

onde acP são as perdas por acoplamento, bbP são as perdas nas bobinas de bloqueio, aC é a correção de acoplamento,

LTP é a perda na linha de transmissão e TransP é a perda por transposição.

As perdas por acoplamento e a correção de acoplamento assumem um valor típico de 3 [dB] cada.

Para a análise das perdas da bobina de bloqueio, deve-se levar em conta a relação da impedância de bloqueio na faixa de operação da bobina e a impedância da linha. A divisão da corrente para este caso, irá causar uma perda de aproximadamente 3 [dB].

As perdas na linha de transmissão podem ser obtidas analisando as curvas de atenuação típicas, de acordo com a Figura 8 [6].

Fig. 8. Curvas de atenuação típicas de linhas de transmissão de 69, 138, 230 e 500 [kV] [6]

Ao se observar a curva de 138 [kV], obtém-se um valor de atenuação de 0,18 [dB/milhas] correspondendo 0,113 [dB/km]. Para uma linha de 108 [km], tem-se uma atenuação de 12,2 [dB].

É sabido que as condições climáticas influenciam na atenuação das linhas de transmissão. Portanto para obter os valores com tempo ruim, deve-se corrigir a atenuação da

4

Figura 8. De acordo com [4], para uma linha de 138 [kV], pode-se utilizar um fator de correção de 1,5. Portanto, a atenuação da linha de transmissão para tempo ruim assume o valor de 18,31 [dB].

Finalmente, as perdas por transposição, de acordo com [6], podem ser desprezadas, devido à extensão da mesma ser menor que 100 milhas.

B. Resultados dos cálculos do nível de recepção De acordo com a equação 2, tem-se o seguinte resultado

para a situação de tempo bom: 3 3 3 12, 2 0 3 3 27, 2 [ ]SA dB= + + + + + + =

Assim a potência de recepção é obtida de acordo com a expressão 1.

25 27,2 2,2 [ ]RxP dBm= − = − De forma análoga, para a situação de tempo ruim, tem-se:

33,31 [ ] 8,31 [ ]S RxA dB P dBm= → = −

C. Cálculos de ruído e da relação sinal-ruído (SNR) para sinal de fonia de 30 [ dBm] [8].

De acordo com [6], os níveis de ruído para tempo bom e tempo ruim podem ser obtidos através da Figura 9.

Fig. 9. Nível ruído médio típico de uma linha 230 [kV] [6]

Como a linha em estudo é de 138 [kV], deve-se corrigir o nível de ruído obtido da figura 9 de um fator de -4 [dB] [6].

Desta forma, analisando a Figura 9 e aplicando o fator de correção, tem-se o nível de ruído para as duas situações:

36 ( 4) 40 [ ]20 ( 4) 24 [ ]

Tempo Bom dBmTempo Ruim dBm

→ − + − = −→ − + − = −

Por outro lado, pode-se obter a atenuação antes da chegada do sinal no ponto de recepção. Neste caso os valores para os níveis de recepção são:

30 21, 2 8,8 [ ]30 27,31 2,69 [ ]

Tempo Bom dBmTempo Ruim dBm

→ − =→ − =

Por fim, os valores de relação sinal-ruído (SNR), são obtidos para as condições de tempo bom e ruim respectivamente, da seguinte forma:

8,8 ( 40) 48,8 [ ]2,69 ( 24) 26,69 [ ]

TB

TR

SNR dBSNR dB

= − − == − − =

Estes valores podem ser considerados bons, tendo em vista que os valores aceitáveis de Voz – SSB estão na faixa de 25 a 30 [dB].

IV. SIMULAÇÃO DO SISTEMA PLC NO MATLAB

As simulações realizadas neste trabalho têm por objetivo testar a viabilidade de uma implementação computacional do sistema PLC. Além disso, testar o comportamento do modelo da linha de transmissão para sinais de alta freqüência. Para tal fim, foi confeccionado o modelo mostrado pela Figura 10. Os resultados obtidos podem ser comparados com os cálculos do projeto do sistema.

Este modelo dispõe de uma linha de alta tensão de 138 [kV] de 108 [km] e um sistema de ondas portadoras - PLC. A potência de transmissão da portadora é de 25 [dBm] / 75 [Ω].

Os parâmetros da linha de transmissão são representados pelo bloco Distributed Parameters Line do Simulink, e foram obtidos através da simulação no software denominado de Compensação Não Convencional de Linhas de Transmissão de Energia Elétrica - CILINTRA [8]. Foram considerados na simulação os valores reais da LT entre Cidade Alta e Nobres, tais como: altura da estrutura, distância horizontal dos condutores em relação ao eixo de referência, número de condutores por fase, distâncias entre condutores de uma mesma fase, flecha para o vão típico, tipo de material do cabo, resistência a 25 [ºC] e a 75 [ºC], raio externo do condutor,

Fig. 10. Modelo do sistema PLC.

5

raio médio geométrico, raio do filamento da última camada e o número de filamentos de uma camada.

Os valores dos parâmetros de seqüência nula e de

seqüência positiva da LT são [1]: • R1 = 0.665e01 [Ω];R0 =0.370e03 [Ω]; • L1 =1.25e-3 [H]; L0=2.55e-3 [H]; • C1 = 9.08e-9 [F]; C0 = 5.17e-9 [F].

O cabo coaxial utilizado para interligar o sistema PLC à caixa de sintonia é o RG 11. Seus parâmetros na freqüência de 232 [kHz], utilizados no bloco PI Section Line do Simulink, foram calculados conforme as fórmulas de cabos coaxiais [2]. Os comprimentos dos cabos considerados no projeto foram de 210 e 130 metros, conforme as distâncias reais, fornecendo:

• R=14,06 [Ω/km]; • L = 0,38 [mH / km]; • C = 67 [nF / km].

Foi inserido na recepção um filtro passa-faixa obtido por cálculos e confirmado na simulação no software Orcad, apresentando os seguintes valores:

• Indutância série Ls = 1,528[mH]; • Capacitância série Cs = 309 [pF]; • Capacitância paralela Cp = 478 [nF]; • Indutância paralela Lp = 988 [nH].

Também foram considerados outros dois filtros LC antes dos capacitores de acoplamento nas duas localidades (parte da caixa de sintonia). Todos os filtros foram sintonizados na freqüência de 232 [kHz]. Seus valores são:

• Indutância = 1mH; • Capacitância = 10 [μF].

Os valores dos parâmetros da bobina de bloqueio foram fornecidos pelo fabricante [5], da seguinte maneira, na mesma ordem mostrada pela Figura 10:

• Ramo 1: Indutor principal = 0,531 [mH]; • Ramo 2: Resistor = 420 [Ω]; Indutor = 0,28

[mH]; Capacitor = 3,01 [nF]; • Ramo 3: Capacitor = 1,59 [nF].

A Figura 11 ilustra o sinal da Portadora de 232 [kHz] após o cabo coaxial.

Fig. 11. Sinal da portadora.

A Figura 12 mostra o sinal de potência composto com o

sinal da portadora. Uma visualização aproximada do sinal da

Figura 12 revela a presença da componente de 232 [kHz] em conjunto com o sinal de 60 [Hz], conforme Figura 13.

Fig. 12. Sinal composto

Fig. 13. Sinal composto - Zoom.

A Figura 14 ilustra o sinal de recepção da portadora 232

[kHz].

Fig. 14 Sinal de recepção.

V. ANÁLISE DOS RESULTADOS DA SIMULAÇÃO, DOS VALORES CALCULADOS E DOS VALORES MEDIDOS

O valor medido com o voltímetro seletivo do nível de recepção da portadora do sistema PLC, em junho de 2005, foi de 4,5 [dBm] / 75[ Ω], em condições de tempo bom.

O valor calculado para condições de tempo bom é de -2,2 [dBm] e para tempo ruim de -8,31 [dBm]. Nestes cálculos sempre são consideradas as piores condições. A atenuação da

6

linha para condições de tempo bom foi considerada de 0,113 [dB/km] e para tempo ruim 0,17[dB/km]. O valor medido apresenta valor menor que 0,1 [dB/km] em condições de tempo bom. A perda entre caixa de sintonia e o capacitor de acoplamento nos cálculos foi considerada 6 [dB] enquanto que o valor medido apresentou atenuação de aproximadamente 5 [dB].

O resultado da simulação no MATLAB - Simulink, que considera o pior caso, foi de -8,24 [dBm].

Os valores simulados e calculados para condição de tempo ruim apresentaram resultados próximos, comprovando que a simulação ajuda a analisar os níveis de recepção de sistemas de ondas portadoras.

Finalmente cabe mencionar que vem sendo feito um acompanhamento do nível de recepção do sistema PLC entre as localidades de Cidade Alta e Nobres, para constatar as condições de tempo ruim. Desta forma será possível realizar um comparativo entre os valores medidos e aqueles obtidos na simulação.

VI. CONCLUSÕES As simulações do sistema PLC apresentaram resultados

satisfatórios. Desta forma conclui-se que a utilização do modelo apresentado no MATLAB pode ser utilizado para análise preliminar dos níveis de recepção de qualquer outro sistema PLC (30kHz a 500kHz), bastando corrigir a distância do sistema, os parâmetros da linha, parâmetros do cabo coaxial e os parâmetros dos filtros para a nova freqüência de operação do sistema PLC.

Por fim deve-se mencionar que este trabalho, em seus primeiros resultados, está em pleno andamento, com o objetivo de analisar e desenvolver um sistema on-line de supervisão de linha de transmissão utilizando o sistema de ondas portadoras.

VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Livros: [1] Cheek, R.C (1964), Power Line Carrier- Application. Eletrical

Transmission and Distribution – Reference Book Westinghouse Corporation,1964.

[2] Fushs, Rubens Dario – Transmissão de Energia Elétrica, Editora LTC, 1979.

[3] Hayt, Willian H. Eletromagnetismo, Editora LTC, 6a edição, 2005. [4] Quevedo, Carlos Peres, Eletromagnetismo, Editora Mcgraw-Hill do

Brasil Ltda.

Documentações Técnicas: [5] Areva , documentação técnica interna sobre PLC, 2005. [6] Sanders, M. P., Ray, R.r E. Power Line Carrier Cannel & Application

considerations for transmission line relaying, Pulsar document number C045-P0597.

[7] ABC, Teleinformática S.A, documentação técnica interna sobre Sistema Onda Portadora.

Dissertação:

[8] Robson, C. P. Compensação Não - Convencional de Linhas de transmissão de Energia Elétrica. Dissertação mestrado UNIFEI.,1989

VIII. BIOGRAFIAS

José Feliciano Adami Engenheiro Eletricista pelo Instituto Nacional de Telecomunicações – INATEL (1978). Mestre em Ciências – Sistema de Potência pela Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI (2001). Doutorando pela UNIFEI. Professor Adjunto da Universidade Estadual Paulista - UNESP – Guaratinguetá desde 2004. Membro do Grupo de Pesquisa e Estudos em Qualidade da Energia Elétrica – GQEE. Trabalhou na Siemens S/A na área telecomunicações de 1979 a 1999. Áreas de interesse: proteção de sistemas elétricos, qualidade da energia, energias renováveis e Telecomunicações.

Paulo Márcio da Silveira Engenheiro Eletricista pela Escola Federal de Engenharia de Itajubá – EFEI (1984). Mestre em Ciências – Sistema de Potência pela EFEI (1991). Doutor em Engenharia pela Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC (2001). Professor Adjunto da Universidade Federal de Itajubá, desde 1992. Membro do Grupo de Pesquisa e Estudos em Qualidade da Energia Elétrica – GQEE e professor nos cursos de graduação e pós-graduação do Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE). Áreas de interesse: proteção de sistemas elétricos e qualidade da energia.

Marcel Fernando da Costa Parentoni Engenheiro Eletricista – Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI (2004). Atualmente cursa mestrado na área de Sistemas Elétricos de Potência, também na UNIFEI. É membro do Grupo de Pesquisa e Estudos em Qualidade da Energia Elétrica – GQEE. Suas áreas de interesse são: qualidade da energia elétrica, medição e proteção de sistemas elétricos.

Antonio Carlos Dall Bello Licenciatura em Eletrônica, Eletricidade e Instalações Elétricas - Centro Federal de Educação Tecnológica - CEFET Pr (1990). Trabalha na Centrais Elétricas Matogrossenses S.A. desde julho de 1982, atuando na área de manutenção de campo e laboratório, instalação e comissionamento de Sistemas de Comunicação, Automação e Energia. Professor no CEFET-MT desde 1982 nos cursos de Eletrônica e Telecomunicações