Projeto de Pesquisa (BANPESQ)

Comunicação de Dados através da Rede Elétrica







Equipe Executora
Prof. Eduardo Parente Ribeiro, Doutor DELT/UFPR (coordenador, email:edu@eletr.ufpr.br)
Prof. Wilson Artuzi, Doutor DELT/UFPR
Prof. Ewaldo Mehl, Doutor DELT/UFPR
Profª. Thelma Fernandes, Mestre DELT/UFPR
Prof. Ricardo Descardeci, Doutor DELT/UFPR
Eng. Luis Carlos do Nascimento LAC/COPEL
Eng. Salvatore Filippo Sciamarella LAC/COPEL

Introdução
Recentemente muita atenção vem sendo devotada a possibilidade de comunicação de dados através a rede elétrica. Mesmo no atual estagio de desenvolvimento das comunicações digitais via fibra ótica ou cabo metálico esta idéia é muito atrativa devido a grande abrangência e capilaridade da estrutura já existente da rede elétrica. Além disso, por mais que ocorram avanços nas comunicações óticas, sempre vai existir a necessidade da conexão dos equipamentos com a rede de alimentação, o que pode gerar uma simplificação em várias aplicações que utilizem a próprio cabo de energia para trafegar dados. Para a concessionária de energia os benefícios são inúmeros. A telemedição é um exemplo. A central pode efetuar a leitura do consumo da industria e de residências sem a necessidade da visita do funcionário, e sem a necessidade de usar a rede telefônica, ou uma instalação de fios dedicada. Outro exemplo é o gerenciamento pelo lado da demanda (GLD, ou DSM-Demand Side Management), onde a concessionária (ou o cliente) pode controlar o horário de acionamento de dispositivos elétricos de alto consumo visando não só economia de energia elétrica mas a melhor distribuição da carga ao longo do dia.
No âmbito da rede de distribuição, pode se imaginar ainda serviços como acesso à Internet, já que a taxa de transmissão que vem se cogitando é elevada. Tem se noticiado que empresas inglesas e canadenses de energia elétrica e comunicação de dados tem pesquisado o assunto e inclusive admitem já ter conseguido uma taxa de transmissão de 500 kpbs a 1Mbps [1,2], o que representa uma taxa bem superior a 56kpbs dos atuais modems analógicos, ou mesmo 128kbps da aqui no Brasil ainda incipiente RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados, ISDN).
No ambiente interno a residência ja existem produtos no mercado que trafegam dados em baixa velocidade (aprox. 60 bps) como a linha X-10 para sistemas de alarmes e controles de acionamento. Porém a robustez de tal protocolo ainda é extremamente precária [3]. Por exemplo, o acionamento não funciona se existe um reator para lâmpada dicroica na mesma malha. Outros Fabricantes como Intellon [4] e Echelon [5] já lançaram produtos que permitem a comunicação de dados para a automatização de casas, escritórios (smart offices) e industrias.
As aplicações são muitas. Alguns produtos com melhor ou pior desempenho começam a surgir agora. Porem ainda há muito o que se aprimorar, principalmente quando se pensa em lançar produtos adaptados a realidade da rede de distribuição brasileira que possui características diferente das redes inglesas ou americana no que se refere ao tipo e intensidade de interferências.
Faz se necessário no momento um estudo aprofundado de técnicas de modulação e correção de erros que melhor se apliquem a nossa realidade. Não se trata necessariamente de desenvolver uma tecnologia nova, mas adaptar as técnicas já existentes, para que funcionem com bom desempenho em nossa rede elétrica.

Métodos Existentes
O produto que já esta a mais tempo no mercado, o X-10 transmite um bit de informação a cada cruzamento da tensão por zero, tentando dessa maneira minimizar a interferência de outras fontes. Por isso a máxima taxa alcançada seria 60bps. Na prática esse numero é menor, pois ainda acompanham bits de sincronismo e controle.
Outras companhias tambem possuem produtos nesta área. A LonWorks [6] consegue obter uma qualidade superior em seus produtos adotando um protocolo de comunicação mais elaborado (LonTalk). A Echelon comercializa o PLT-20 (Tecnologia LonWorks) que funciona com um tipo de modulação de banda estreita. Outra companhia, a Intellon, utiliza modulação tipo spread spectrum e o protocolo CEBus para melhorar a qualidade da comunicação de dados digitais.
Esta previsto neste projeto um estudo detalhado destes produtos já existentes.
No que tange a transmissão de dados num canal limitado, o ponto de partida certamente são os modems (moduladores/demoduladores) analógicos, particularmente o modems para linha telefônica discada e modems para transmissão sem fio [7]. A banda de frequência para o canal de voz costuma ser de 300Hz a 3400Hz. Atualmente a especificação V.90 especifica um padrão para que a comunicação aconteça a uma taxa de 56Kbps. Espera-se adaptar esses métodos de modulação já conhecidos para a realidade das linhas de distribuição e rede interna elétrica.

Objetivos
O objetivo principal deste projeto é o de pesquisar e desenvolver técnicas para a comunicação de dados sobre a rede elétrica. Imagina-se dois ambientes de aplicação: Interno e externo. No ambiente interno, em residências, escritórios, industrias esse tipo de comunicação de dados trará como vantagem imediata a redução do numero de cabos de interconexão. No ambiente externo, a concessionária de energia poderá oferecer novos serviços como controle de equipamentos, telemedição, trafego de dados, acesso a Internet. Tambem é meta desenvolver filtros para isolar o trafego e possivelmente fazer a ponte entre sub-redes, como por exemplo a rede interna.
A pesquisa pode ser dividida basicamente em duas áreas de atuação: A pesquisa dos métodos de comunicação (modulação, protocolos...) e um estudo estatístico das características espectrais das linhas de distribuição nacionais.

Metodologia
O primeiro passo previsto é um profundo levantamento bibliográfico de artigos e publicações nesta área, que percebe-se a partir de levantamentos recentes possui pouco material publicado. Um estudo detalhado dos produtos existentes, pontos fortes e fracos, deve ser conduzido. Tambem um estudo, já com a perspectiva da adaptação, das técnicas de modulação comumente empregadas: faixa estreita (Quadrature Amplitude Modulation), spread spectrum; técnicas de acesso: Divisão por tempo (TDMA), divisão por frequência (FDMA), divisão por código (CDMA); protocolos de correção de erro (Cyclic Redundancy Code, código convolucional, treliça, Reed Solomon); protocolos de transporte e roteamento (TCP/IP).
As duas facetas do problema serão atacados: os pontos de vista teórico e prático. A geração de modelos para caracterizar a rede elétrica (interna e externa) deve ser realizada. E a validação deste modelo com medidas reais deve ser verificada.
Finalmente numa etapa seguinte, a medida de desempenho dos equipamentos desenvolvidos deve ser simulada e medida em condições de bancada.
Está previsto ao final e possivelmente ao longo da pesquisa, publicação dos resultados, para alimentar esta área comunicação de dados sobre a rede elétrica carente de referências.

Cronograma
O projeto se inicia com uma pesquisa bibliográfica para completar o acervo já coletado. Em seguida um estudo detalhado e comparativo dos produtos já existentes e das técnicas alternativas para modulação e correção de erro.
A etapa seguinte consiste em se propor uma técnica nova, mais eficiente para se atingir taxa de transmissão mais elevada com maior confiabilidade.
Posteriormente deve se simular esta técnica e compara-la com as técnicas existentes.
Está previsto iniciar uma colaboração com a concessionária de energia do Paraná para se fazer um estudo da qualidade espectral da rede elétrica e num segundo momento a realização de testes com a modulação de dados.
Finalmente, prevê-se que seja possível a construção de um protótipo para a realização de testes em bancada.

Fontes de Financiamento
Espera-se obter apoio financeiro junto ao CNPq. O projeto tambem será apresentado inicialmente a COPEL e possivelmente a outras empresas que possam se interessar em financia-lo.

Referencias

  1. Notícia no jornal do IEEE "The Institute", coluna "The TInet report", volume 22, número 5, maio de 1998.
  2. Matéria na revista Veja, 15 de julho de 1998.
  3. M.H.Shwehdi, A.Z.Khan, A Power Line Data Communication Interface using SPREAD SPECTRUM Technology in Home Automation, IEEE Trans. Power Delivery, 11(3), Julho/1996.
  4. http://www.intellon.com
  5. http://www.echelon.com
  6. http://www.lonworks.echelon.com
  7. H.Barth, et al., Modems QAM para transmissão de sinais de 140Mbps, Sistemas de Radioenlace Digitais, Siemens, 1989