UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA ELECTRÓNICA SISTEMAS Y TELECOMUNICACIONES PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR ÉL TITULO DE INGENIERO ELECTRÓNICO

TITULO: DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRÓNICO DE ADQUISICIÓN TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN EN UN NODO CENTRAL, DE DATOS DE LAS SUBESTACIONES ELÉCTRICAS DEL DEPARTAMENTO DEL HUILA

AUTOR: FABIO JOSÉ CORREA CÁRDENAS.

DIRECTOR UNIVERSIDAD DE PAMPLONA: M.Sc. ANTONIO GAN ACOSTA.

CODIRECTOR: ING. ELECTRONICO DIEGO FERNEY GÓMEZ.

DIRECTOR DE PASANTÍA EN EMPRESA: ING. ELECTRICO PABLO EMILIO PARRA DÍAZ.

PAMPLONA – COLOMBIA SEPTIEMBRE – 2006

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Solo cuando seas capas de hacer lo que debes, aunque no quieras serás un alma libre. Anónimo.

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DEDICATORIA A Dios todo poderoso, por ser la luz y guía en mi formación profesional. A mis padres, por creer y confiar en mí. Brindándome apoyo incondicional y desinteresado, siendo esa fuerza que no me permitió desfallecer. A

Javier Alejandro Cárdenas

por ser esa compañía y voz de esperanza

convirtiéndose en un estimulo gratificante en el transcurso de mi carrera. A Enoe Correa y Flor Ángela Correa quienes me brindaron su apoyo incondicional en el transcurso de este proyecto.

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AGRADECIMIENTOS A la universidad de Pamplona por ser el templo de mi formación profesional. A los profesores qué me compartieron su conocimiento y me ofrecieron su apoyo. A mi director Antonio Gan Acosta y

asesor

Diego Ferney Gómez por su

colaboración en la realización de mi trabajo de grado. A los ingenieros de Eectrohuila y de Motorola por la accesoria técnica. A aquellos

compañeros que me brindaron una mano amiga y una voz de

aliento en los momentos difíciles. A todas las personas que me colaboraron para la realización de este trabajo de grado.

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RESUMEN La filosofía de este trabajo de grado, es el diseño del sistema electrónico de adquisición transmisión y recepción en un nodo central, de datos de las subestaciones eléctricas del departamento del Huila para realizar telemetría y visualizar variables en tiempo real. Para el diseño de adquisición, transmisión y recepción. Se realizó un estudio bastante puntual de cada punto a comunicar realizando continuas visitas, en donde se tuvo en cuenta las distancias, topología diversa del terreno, costos de implementación E.S.P

y las necesidades de La Electrificadora del Huila S.A.

y lo reglado por la Comisión de Regulación de Energía

y

GAS

(CREG). Se estudiaron varios analizadores de calidad para determinar que dispositivo es el más apto para la captura de la información y si éste cumplía con los parámetros establecidos por la CREG y ELECTROHUILA. El dispositivo que más se ajustó a las necesidades se le solicitó una prueba piloto. Teniendo las características principales de cada punto a comunicar y las necesidades tanto de la empresa como las exigencias de la comisión se procedió a estudiar las tecnologías existentes en el mercado, que se pudieran implementar y se analizó cual de éstas era la mas viable con respecto a costos de implementación, capacidad del canal, confiabilidad de los equipos, soporte técnico, garantía etc. En base a los estudios realizados la tecnología empleada para el diseño de comunicación es CANOPY ofrecida por el fabricante Motorola. Se explicó en que consistía esta tecnología, qué dispositivos se necesitan, cómo se configuran

para su adecuado funcionamiento e

procedió a realizar los respectivos cálculos para el diseño.

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instalación y se

ABSTRACT The philosophy of this degree work is the design of the electronic system of acquisition transmission and reception in a central node, of data of the electric substations of the department of the Huila to carry out telemetry and to visualize variables in real time. For the design and acquisition, transmission and reception. One carries out a quite punctual study of each point to communicate carrying out continuous visits where one kept in mind the distances, diverse topology of the land, implementation costs and the necessities of The Electrificadora of the Huila CORP. E.S.P. and that ruled by the Commission Of Regulation Of Mines AND Energy (CREG). Several analyzers of quality were studied to determine that device is the but capable for the capture of the information and if this it fulfilled the parameters settled down by the CREG and ELECTROHUILA. The device that but you adjusts to the necessities he/she is requested a test pilot. Having the main characteristics of each point to communicate and the so much necessities of the company like the demands of the commission you proceeded to study the existent technologies in the market that you/they could be implemented and you analyzes which of these era the but viable with regard to implementation costs, capacity of the channel, dependability of the teams, technical support, guarantee etc. Based on the carried out studies the technology used for the communication design is CANOPY offered by the manufacturing Motorola. I explain to you in that it consisted this technology that devices are needed, like they are configured for their appropriate operation and installation and you proceeded to carry out the respective calculations for the design.

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INDICE GENERAL

Página. RESUMEN. ABSTRACT. DEDICATORIA. AGRADECIMIENTOS. INTRODUCCIÓN

1

JUSTIFICACIÓN

3

DELIMITACION

8

CAPITULO 1: MARCO TEÓRICO. 1.1 Introducción.

9

1.2 Cálculo de enlaces

9

1.3 Análisis del espectro de transmisión

12

1.4 Descripción de una red

13

1.5 Descripción de topologías

15

1.6 Características de redes inalámbricas

18

1.7 Ventajas y desventajas de las redes inalámbricas

19

1.8 Análisis de protocolos de transmisión

20

1.9 El modelo de referencia TCP/IP

22

1.9.1 Concepción capas del modelo TCP/IP

22

1.10 Tipos de direcciones IP

23

1.11 Descripción de la máscara de subred

24

1.12 Descripción tecnología Ethernet

25

1.13 Criterios IEEE 802.11

25

1.14 Switches

26

1.15 Análisis del cable empleado para la transmisión de datos

27

1.16Estudio del conector RJ-45

28

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CAPITULO 2: ESTUDIO DE SITIO Y DISPOSITIVOS. 2.1 Introducción.

29

2.2 Características Técnicas De Subestaciones

29

2.2.1 Equipo empleado en las visitas técnicas

29

2.2.2 Cantidad de equipos analizadores de calidad por punto

30

2.2.3 Estudio de Transformadores de tensión por subestación

31

2.2.4 Factores determinantes en la solución de comunicación

34

2.2.5 Captura de las coordenadas de las subestaciones

35

2.2.6 Estudio de puntos del sistema de comunicación

37

2.2.7 Análisis ancho de banda requerido

39

2.3 Estudio de las variables reguladas por la CREG

39

2.3.1 Variables que se deben regular

40

2.3.2 Variaciones de corta duración

41

2.3.3 Características de los equipos

41

2.3.4 Plan de Recolección de Datos

42

2.3.5 Estándares de calidad

45

2.3.6 Plazos para corregirlas deficiencias

45

2.4 Estudio de los analizadores de calidad

46

2.4.1 Prueba piloto analizador de calidad ION 7650

47

2.4.2 Datos técnicos ION 7650

49

CAPITULO 3: CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN 3.1 Introducción

52

3.2 Tecnología empleada

52

3.2.1 Una Solución Económica

55

3.2.2 Instalación Sencilla y Configuraciones de Red

55

3.2.3 Flexibilidad y Extensibilidad Inherentes

56

3.2.4 Rápido y Confiable

56

3.2.5 Bloques del equipo CANOPY

57

3.3 Componentes básicos de

58

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CANOPY

3.3.2 Medidas de seguridad

60

3.4 Operación de los módulos CANOPY

60

3.4.1 Punto de Acceso (AP)

61

3.4.1.1Configuración

62

3.4.1.2 Configuración de red

64

3.4.1.3 Programación de la dirección IP predeterminada

64

3.4.1.4 Protección contra relámpagos

65

3.4.1.5 Instalación unidad de Punto de Acceso (AP)

65

3.4.1.6 Las herramientas empleadas para la instalación

66

3.4.1.7 Preparación del Cable

66

3.4.1.8 Procedimiento de instalación

67

3.4.1.9 Conexiones eléctricas

69

3.4.1.10 Configuración de la unidad de punto de acceso

70

3.4.1.11 Verificación de rendimiento

70

3.4.1.12 Información de la página Web

71

3.4.1.13 Kit de instalación de punto de acceso

76

3.4.2

76

BackHaul

3.4.2.1 Configuración

77

3.4.2.2 Criterios para la selección del sitio

78

3.4.2.3 Distancia

79

3.4.2.4 Dirección IP

79

3.4.2.5 Procedimiento de instalación

80

3.4.2.6 Información de página Web

82

3.4.2.7 Especificaciones técnicas

82

3.4.3 Modulo suscriptor

83

3.4.3.1 Instalación

84

3.4.3.2 Configuración del computador

85

3.4.3.3 Conexión y configuración

85

3.4.3.4 Alineación del modulo suscriptor

86

3.4.3.5 Página de estado

89

3.4.3.6 Página de configuración

89

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3.4.3.7 Prueba de enlace

90

3.4.3.8 Especificaciones técnicas

91

3.4.4 Supresor de picos 300SS

92

3.4.4.1 Herramientas que se requieren para su instalación

93

3.4.4.2 Procedimiento

94

3.4.4.3 Especificaciones técnicas

95

3.4.5 Switch

95

3.4.5.1 Datos técnicos

96

3.4.5.2 Requisitos del sistema

96

3.5 Instalación de los herrajes para los módulos

96

3.6 Software de cálculos

97

3.6.1 Análisis de Terreno

98

3.6.2 Características de operación

98

3.6.3 Qué se necesita para crear una red

99

CAPITULO 4: SOLUCION DE COMUNICACIÓN 4.1 Introducción

100

4.2 Selección de Puntos repetidores

100

4.2.1 Descripción Topología empleada

102

4.3 Análisis subestaciones comunicadas

103

4.3.1 Estudio Cerro Neiva

108

4.3.1.1 Cálculos subestación Centro

111

4.3.1.2 Cálculos subestación Bote

111

4.3.1.3 Cálculos subestación Sur

112

4.3.1.4 Cálculos subestación Oriente

113

4.3.1.5 Cálculos subestación Norte

114

4.3.1.6 Cálculos subestación Peñas Blancas

115

4.3.1.7 Cálculos subestación Planta Diessel

116

4.3.1.8 Cálculos subestación Motilón

116

4.3.1.9 Cálculos subestación Fortalecillas

117

4.3.1.10 Cálculos subestación Campo Alegre

119

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4.3.1.11 Cálculos subestación Colombia

120

4.3.2 Estudio Cerro La China

121

4.3.2.1 Cálculos subestación Campo Alegre

124

4.3.2.2 Cálculos subestación Seboruco

125

4.3.2.3 Cálculos subestación Algeciras

125

4.3.2.4 Cálculos subestación Hobo

126

4.3.2.5 Cálculos ccomunicación Cerro La China Cerro Las Nieves

127

4.3.3 Estudio Cerro Las Nieves

128

4.3.3.1 Cálculos subestación Paicol

130

4.3.3.2 Cálculos subestación La Plata

131

4.3.3.3 Cálculos Cerro Las Nieves Cerro Las Águilas

131

4.3.4 Estudio Cerro Las Águilas

133

4.3.4.1 Cálculos subestación Gigante

135

4.3.4.2 Cálculos transmisión Cerro Las Águilas Cerro Buena Vista

136

4.3.5 Estudio Cerro Buena Vista

137

4.3.5.1 Cálculos subestación de Potrerillos

139

4.3.5.2 Cálculos subestación de Garzón

140

4.3.5.3 Cálculos subestación La Pita

140

4.3.5.4 Cálculos subestación El pital

141

4.3.6 Estudio Cerro El Grifo

142

4.3.6.1 Cálculos subestación Pital

144

4.3.6.2 Cálculos subestación Altamira

145

4.3.6.3 Cálculos Transmisión Cerro El Grifo a Cerro San Luís

145

4.3.7 Estudio Cerro San Luís

146

4.3.7.1 Cálculos subestación Pitalito

148

4.3.8 Estudio Cerro Los Robles

149

4.3.8.1 Cálculos subestación Pitalito

150

4.3.8.2 Cálculos subestación San Agustín

151

4.3.8.3 Cálculos subestación San José de Isnos

152

4.3.9 Estudio Cerro Patá

153

4.3.9.1Cálculos subestación Fortalecillas

154

4.3.9.2 Cálculos subestación Aipe

155

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4.3.9.3 Cálculos subestación Baraya

155

Análisis económico y financiero

157

Análisis de legalidad

164

Análisis de protección e higiene

165

Impacto ambiental

166

Articulo sometido a publicación

167

Resultados

173

CONCLUSIONES. RECOMENDACIONES. BIBLIOGRAFÍA. ANALISIS BIBLIOGRAFICO. PAGINAS DE INTERNET. GLOSARIO. ABREVIATURAS UTILIZADAS.

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INDICE DE TABLAS

TABLAS

Pág.

Tabla 1.0 Modelo TCP/IP

22

Tabla 1.1 Clases de direcciones IP

24

Tabla 1.2 mascara de subred

25

Tabla 2.1 Estudio Cantidad de Equipos Por Punto

31

Tabla 2.2 Estudio de transformadores en fase

33

Tabla 2.3 Direccionamiento subestaciones

35

Tabla 2.4 Ubicación de subestaciones por coordenadas

36

Tabla 2.5 Análisis de equipos analizadores de calidad ofertados

47

Tabla 3.0 Costos de implementación

54

Tabla 3.2 Asignación de canales de frecuencia

63

Tabla 3.3 Parámetros modulo (AP)

72

Tabla 3.4 Parámetros configurables (AP)

73

Tabla 3.5 Conexión (MS) con (AP)

75

Tabla 3.6 Limites de funcionamiento

76

Tabla 3.7 Distancias Backhaul

79

Tabla 3.8 Especificaciones Backhaul

83

Tabla 3.9 Parámetros de estado modulo suscriptor

89

Tabla 4.0 Parámetros configuración del modulo

90

Tabla 4.1 Parámetros configuración

92

Tabla 4.2 Especificaciones técnicas modulo 300SS

95

Tabla 4.3 Ubicación de las estaciones repetidoras

102

Tabla 4.4 Costo de la implementación

159

Tabla 4.5 Análisis financiero

160

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Tabla 4.6 Gastos operacionales y cuentas por cobrar

161

Tabla 4.7 Impuestos y dividendos

162

Tabla 4.8 Análisis económico.

162

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA

Pág.

Figura 1.1 Departamento del Huila Puntos a Comunicar

4

Figura I.2 Modelo de transmisión

9

Figura 1.3 Espectro de transmisión

13

Figura 1.4 Tipos de topología de red

15

Figura 1.5 Conector RJ-45

28

Figura 1.6 Foto de subestaciones no atendidas

38

Figura 1.7 Foto de subestación atendida

38

Figura 2.1 Prueba piloto ION 7650 Subestación Norte

47

Figura 3.0 Solución satelital

53

Figura 3.1 Antenas básicas CANOPY

58

Figura 3.2 Modelo de transmisión

59

Figura 3.3 Antenas cobertura 3600 módulos (AP)

61

Figura 3.4 Antena modulo (AP)

62

Figura 3.5 Ensambles principales

62

Figura 3.6 Tablero de interconexión

63

Figura 3.7 Reutilización de frecuencia

64

Figura 3.8 Diagrama de cableado del sistema

69

Figura 3.9 Modulo Backhaul

76

Figura 4.0 Estructura del Modulo Backhaul

78

Figura 4.1 Modulo suscriptor

81

Figura 4.2 Configuración modulo suscriptor

85

Figura 4.3 Software de alineación (MS)

88

Figura 4.4 Supresor de picos 300SS.

93

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Figura 4.5 Herrajes de soporte de módulos

97

Figura 4.6 Topología de la red

103

Figura 4.6.1 Diagrama de bloques solución de comunicación

103

Figura 4.6.2 Modelo de filo de cuchillo

105

Figura 4.6.3 Obstáculos secundarios

106

Figura 4.7Cobertura cerro Neiva

108

Figura 4.8 Diagrama de instalación

110

Figura 4.9 Diagrama de instalación de dos (MS)

118

Figura 5.0 Cobertura cerro la China

121

Figura 5.1 Diagrama de conexión

122

Figura 5.2 Pagina de configuración

123

Figura 5.3 Cobertura cerro las Nieves

128

Figura 5.4 Diagrama de instalación

129

Figura 5.5 Cobertura cerro Las Águilas

133

Figura 5.6 Diagrama de instalación

134

Figura 5.7 Cobertura cerro Buena Vista

137

Figura 5.8 Diagrama de instalación

138

Figura 5.9 Cobertura Cerro El Grifo

142

Figura 6.0 Diagrama de instalación

143

Figura 6.1 Cobertura Cerro San Luís

146

Figura 6.2 Diagrama de instalación

147

Figura 6.3 Cobertura Cerro Los Robles

149

Figura 6.4 Diagrama de instalación

150

Figura 6.5 Cobertura Cerro El Patá

153

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INTRODUCCIÓN El proyecto nombrado diseño del sistema electrónico de adquisición transmisión y recepción en un nodo central, de datos de las subestaciones eléctricas del departamento del Huila, consiste en diseñar un sistema de comunicación para la Electrificadora del Huila S.A. E.S.P. que cumpla con las necesidades de la empresa, en cuanto a comunicación, calidad y seguridad de acuerdo a lo estipulado por la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG). La Electrificadora del Huila S.A. E.S.P. es una empresa encargada de comercializar energía a la comunidad en general. Esta empresa en su deseo de mejorar la calidad de energía y aumentar su proyección como empresa de carácter mixto, ha venido desarrollando e

implementando mejoras en las

diferentes áreas en procura de una alta productividad para dar mejor calidad de servicio a los usuarios en general. La empresa y el autor de este trabajo analizaron las diferentes posibilidades que llevaran

al establecimiento de un sistema de comunicación, con los

dispositivos necesarios para el control de calidad encargados de la telemetría en los barrajes de 34.5Kv, 13.8Kv y 115 Kv que se encuentran distribuidos en las zonas urbanas y rurales del departamento del Huila. Por otro lado es importante mencionar que la solución de comunicación que me propongo diseñar tiene la capacidad de ofrecer varios servicios que se desean instalar a futuro aparte de la transmisión telemétrica. Como permitir la instalación de un sistema scada en algunos puntos y en otros establecer vigilancia. La Comisión de Regulación de Energía y Gas, en su Sesión número 254 del 26 de abril de 2005, aprobó el contenido por el cual se modifican las normas de

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1

Calidad de la potencia eléctrica aplicables a los servicios de distribución de energía eléctrica estableciendo como plazo máximo el presente año. Los equipos deben contar con un sistema de procesamiento de datos capaz de realizar descargas automáticas de la

información

medida, en medio

magnético. Se deben generar de forma automática los reportes. Los equipos de medida y su sistema de procesamiento de datos forman el sistema de medición y registro. El sistema completo de medición y registro debe estar en capacidad de procesar indicadores y de otro lado medir de forma automática la frecuencia y duración de las interrupciones. El sistema debe permitir a las empresas centralizar los datos obtenidos, de forma automática, antes de su envío a la CREG. Para poder hacer posible la adquisición y transmisión de datos de una manera menos dispendiosa, teniendo en cuenta que las subestaciones en las que irán instalados estos dispositivos

se encuentran en distintos lugares del

departamento con características geográficas que dificultan el continuo acceso de personal

y sería muy dispendioso

la adquisición de estos datos, me

propongo establecer el diseño del sistema de comunicación. Para llevar al cabo el proyecto es indispensable conocer y evaluar los puntos de ubicación de cada una de las subestaciones, con, el fin de determinar y dimensionar qué sistema de comunicación es el más apto para implementar. Por otro lado toca establecer un nodo central para enrutar la sumatoria de la información a un punto central, ubicado en la ciudad de Neiva “sede principal el Bote”.

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2

JUSTIFICACIÓN

Marco histórico Colombia es un país en vía de desarrollo, debido a esto es importante realizar mejoras al fluido eléctrico en general y de esta manera mejorar la calidad del servicio eléctrico a la comunidad para así dar mejora a la calidad de vida de y aumentar la productividad de las industrias que requieren de esta fuente de poder para la elaboración y producción de bienes y servicios.

Objeto El objeto de este trabajo de grado es El sistema de transmisión de energía eléctrica del departamento del Huila.

Necesidades •

De acuerdo a exigencias estipuladas por la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG) al exigir un dispositivo que sea capaz de almacenar la información para luego ser descargada a un medio magnético. Al realizar la descarga de los datos capturados por el analizador de calidad de una manera manual en cada una de las subestaciones resulta bastante engorroso y poco practico. Lo mas adecuado es aprovechar los puertos de comunicación que traen habilitados estos dispositivos para encaminar los datos por un medio de comunicación y transmitirlos a un punto central, donde se realice la descarga y estudio para dar cumplimiento a la Comisión de Regulación de Energía y Gas.

•

Teniendo en cuenta que el plazo estipulado para rendir cada informe son tres días, una vez transcurrida la semana, se hace bastante complicado desplazar personal idóneo para que realice esta labor. Como se muestra en

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3

La figura 1.1 las subestaciones se encuentran ubicadas en diversidad de sitios

para ofrecer

una adecuada

cobertura de fluido eléctrico al

departamento del Huila. Esto conlleva a puntos

ubicados en sitios de

difícil acceso con vías de comunicación en precarias condiciones, la seguridad en algunas subestaciones ubicadas en sitios bastante remotos del casco urbano no es la mejor, para establecer el continuo tránsito de personal a realizar las respectivas descargas.

Figura 1.1 Departamento del Huila Puntos a Comunicar

•

Teniendo en cuenta los factores ya mencionados realización de un diseño

es indispensable

la

para el establecimiento de un sistema de

comunicación que permita unificar

todos estos puntos sujetos a la

telemetría estableciendo un punto central en la ciudad de Neiva.

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4

•

Los dispositivos analizadores de calidad adicionalmente cuentan con la capacidad de presentar por medio de un software de gestión la visualización de algunas variables de tensión en tiempo real, permitiendo un continuo monitoreo para dar mejora al rendimiento del fluido eléctrico.

•

La Electrificadora del Huila S.A. E.S.P. en su deseo de mejorar el rendimiento y calidad de la prestación del servicio de fluido eléctrico tiene presupuestado a Futuro el establecimiento de un sistema scada iniciando con las subestaciones ubicadas en el casco urbano de la ciudad de Neiva, con este factor adicional es importante presupuestar un ancho de banda adecuado para tener un canal de comunicación que permita visualizar y controlar variables y dispositivos en tiempo real.

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PROBLEMA •

La Comisión de Regulación de Energía y Gas, en su sesión número 254 del 26 de abril de 2005, aprobó el contenido por el

cual se modifican las

normas de calidad de la potencia eléctrica aplicables a los servicios de distribución de energía eléctrica en los barrajes 34.5, 13.8 y 115Kv ubicados en las subestaciones. •

Los equipos de medida y su sistema de procesamiento de datos forman el sistema de medición y registro. El sistema completo de medición y registro debe estar en capacidad de procesar indicadores y de otro lado medir de forma automática la frecuencia y duración de las interrupciones. El sistema debe permitir a las empresas centralizar los datos obtenidos, de forma automática, antes de su envío a la CREG.

•

Reporte valores de indicadores. El operador de red deberá enviar semanalmente a la CREG un archivo comprimido de tipo "zip", que contenga únicamente los archivos "csv" con las 1008 medidas y los eventos de tensión (para cada semana y para cada punto de medida). El archivo comprimido será llamado Semana_j.zip; donde j corresponde al número de la semana. Se entiende que cada semana comienza el día lunes a las 00:00:00 horas y termina el día domingo a las 23:59:59 horas. El plazo para reportar la información de la semana anterior será de 3 días contados a partir del último día de la semana.

•

Teniendo en cuenta lo reglado por la CREG en la norma, al exigir un repote semanal de las variables descritas anteriormente en cada punto (subestaciones). Seria muy dispendioso extraer la información de cada analizador de calidad de una manera manual ya que por la distribución geográfica en todo el departamento, en puntos de difícil acceso y con condiciones de seguridad poco aceptables que no brindan garantías para

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6

Tener Personal idóneo para realizar esta tarea rutinariamente, el limite de tiempo fijado para la entrega de los informes semanalmente es muy poco para reunir toda esta información.

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DELIMITACION

Objetivo general Diseño del sistema electrónico de adquisición transmisión y recepción de datos de las subestaciones eléctricas del departamento del Huila a un nodo central en la ciudad de Neiva.

Objetivos específicos •

Definir Ubicación de las subestaciones geográficamente.

•

Diseño del sistema de transmisión

para llevar las

magnitudes

eléctricas capturadas por los analizadores de calidad. •

Determinar que tecnología es la más adecuada para la realización del diseño de comunicación.

•

Estudio de viabilidad de comunicación de acuerdo al sitio de ubicación.

Acotaciones •

Debido a la topología diversa del departamento

el diseño se debe

realizar por radio enlace.

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8

CAPITULO 1. MARCO TEÓRICO. 1.1 Introducción. Para iniciar con esta primera parte se dará a conocer definiciones y conceptos empleados en este proyecto de grado. Se iniciará explicando las características de un enlace y los factores a tener en cuenta luego se definirá que es una red, las clases de red, las topologías empleadas para su diseño, el protocolo de comunicación que permitirá tener acceso a todas las subestaciones.

1.2 Cálculo de enlaces Todo sistema de comunicación necesita la unidad transmisora y receptora ver figura 1.2 que en este caso, esta unidad se denomina nódulos de punto de acceso (AP) y la unidad receptora denominada módulo suscriptor (SM). [2].

Figura I.2 Modelo de transmisión.

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9

La primera tarea para el cálculo de un enlace es determinar la diversidad de terrenos que puede atravesar el enlace. Se procura que las estaciones no se encuentren en línea recta, es decir que se distribuyan en zigzag con un ángulo igual o mayor a cinco grados con respecto a la orientación de la trayectoria del radio enlace, sitios en los cuales debe brindarse un nivel alto y estable en el tiempo de las señales de radio en las entradas de todos los receptores del enlace, aprovechando colinas y montañas accesibles, pero teniendo en cuenta el respectivo costo de la construcción de caminos o carreteras y canalizaciones. Se recomienda ubicar las estaciones de retransmisión cercanas a la red eléctrica de distribución, se requieren fuentes autónomas preferiblemente automatizadas, baterías de acumuladores con reserva de carga, conversores AC/DC, moto generador, etc.; otro factor influyente es el costo del edificio y de la torre, si la montaña es muy alta se debe tener en cuenta el viento, el invierno, el transporte, entre otros. •

Cálculo de la altura de antenas

El primer paso consiste en determinar la posición geográfica de las estaciones y desarrollar sobre un plano de alturas del terreno el perfil geográfico entre las estaciones. Se considera entonces una propagación en el espacio libre, ignorando la atmósfera y los obstáculos. Se obtiene entonces el nivel de potencia nominal de recepción y el margen de desvanecimiento del enlace. La inclusión de la atmósfera implica una curvatura del rayo de unión entre antenas, mientras que la inclusión de un obstáculo implica el despejamiento de la zona de Fresnel. Se concluye el cálculo cuando, mediante criterios de despejamiento, se admite un nivel de recepción igual al del espacio libre. Se tomará en cuenta la presencia de obstáculos, la atenuación introducida por los mismos o la necesidad de repetidores pasivos para eludirlos. Se tendrá en cuenta, además, posibles reflexiones en el terreno. [2].

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10

•

Refracción

Efecto de la refracción se determina el valor estándar para el coeficiente de curvatura de la tierra k de acuerdo con la zona geográfica y altura del enlace. Generalmente se utiliza, por costumbre, el valor medio k= 4/3. •

Factor k

La determinación del valor de (K) crítico. Se trata del peor caso, con ocurrencia más del 99,9% del tiempo. El valor se incrementa con la longitud del enlace y corresponde a k= 0,8 para 50 Km. de longitud del enlace. •

Curvatura

El cálculo de la curvatura (C) de la tierra. Se calcula en el obstáculo más evidente. Es una función inversa del valor (K) y función directa de la distancia. El horizonte cambia su curvatura debido a variaciones del índice de refracción (K). •

Difracción

El efecto de la difracción. Se calcula el radio de la primera zona del elipsoide de fresnel (F1) en el obstáculo más evidente. (F1) depende de la distancia y en forma inversa de la frecuencia. •

Despejamiento

El cálculo del valor de despejamiento (D). Se trata de la separación entre el rayo de unión entre antenas y el obstáculo. Es una fracción del radio (F1).

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11

•

Cálculo del efecto de las interferencias

Las interferencias producen sobre el enlace un incremento de la tasa de error cuando existen condiciones de propagación adversas. Por ello, es necesario estudiar la interferencia dentro del sistema a proyectar como desde y hacia el exterior del mismo. Las interferencias que no pueden despreciarse obligan a una redistribución del plan de frecuencias adoptado o se consideran como una reducción del margen de desvanecimiento. •

Cálculo de corte por lluvia

Los enlaces sufren indisponibilidad o corte debido a varias causas: atenuación por lluvia, falla de equipos, variación del índice de refracción (K atmosférico), caminos múltiples. La lluvia es importante en enlaces por encima de 7 GHz. Las fallas de equipo obligan al uso de sistemas conmutados con protección. Solo por razones económicas se puede admitir el uso de sistemas 1+0.

1.3 Análisis del espectro de transmisión Cuando se habla del Espectro Electromagnético se habla de un conjunto de ondas que van desde las ondas con mayor longitud como "Las ondas de radio" hasta las que tienen menor longitud como "Los rayos Gamma." Es importante anotar que las ondas con mayor longitud de onda tienen menor frecuencia y viceversa [5]. Las características propias de cada tipo de onda no solo son su longitud de onda, sino también su frecuencia y energía.

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R A DI O O N D A

R A DI O 1 MHz

1000m (300KH

100m (3MH

R A DI V O H M F

R A DI O

R A DI U O H M F

FI B R A O

MICROOND

10 MHz

100 MHz

10m (30MH

1m (300MH

1 GHz

10cm (3GH

10 GHz

1cm (30GH

1mm (300GH

L U Z VI SI

100 GHz

1012

1um (3TH

Figura 1.3 Espectro de transmisión.

En el grafico anterior se visualiza el espectro, La parte marcada con rojo muestra la frecuencia de operación de los equipos empleados para el sistema de comunicación (2.4Ghz-5.735Ghz - 5.825Ghz). Una solución popular con el problema licenciativo es proporcionada por la aparición de espectro de extensión (SS). Esta tecnología digital proporciona la mayor parte de las capacidades y el funcionamiento de un sistema de radio autorizado

sin

licenciamiento.

1.4 Descripción de una Red Una red hace referencia a su tamaño geográfico. El tamaño de una red puede variar desde unos pocos equipos en una oficina hasta miles de equipos conectados a través de grandes distancias. [4]. Al crear una red, se toman en cuenta dos factores principales: El medio físico de transmisión y las reglas que rigen la transmisión de datos. Al primer

factor

le

llamamos

nivel

físico

y

al

segundo

protocolos.

En el nivel físico generalmente encontramos señales de voltaje que tienen un significado preconcebido. Esas señales se agrupan e interpretan para formar

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Entidades llamadas paquetes de datos. La forma como se accedan esos paquetes determina la tecnología de transmisión. Las redes inalámbricas se diferencian de las convencionales principalmente en la "Capa Física" y la "Capa de Enlace de Datos", según el modelo de referencia. La capa física indica como son enviados los bits de una estación a otra. La capa de Enlace de Datos (denominada MAC), se encarga de describir como se empacan y verifican los bits de modo que no tengan errores. Las demás capas forman los protocolos o utilizan puentes, ruteadores o compuertas para conectarse. Los dos métodos para remplazar la capa física en una red inalámbrica son la transmisión de radio frecuencia y la luz Infrarroja. Existen dos tipos generales de red: •

Redes de área local

Una red de área local (LAN) conecta equipos ubicados cerca unos de otros. Por ejemplo, dos equipos conectados en una oficina o dos edificios conectados mediante un cable de alta velocidad pueden considerarse una LAN. Una red corporativa que incluya varios edificios también puede considerarse una LAN. [4]. •

Redes de área extensa

Una red de área extensa (WAN) conecta varios equipos que se encuentran a gran distancia entre sí. Por ejemplo, dos o más equipos conectados en lugares opuestos del mundo pueden formar una WAN.

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1.5 Descripción de topologías La topología de una red de área local define la distribución de cada estación en relación a la red y las demás estaciones. Las topologías son criterios determinantes para la elección de las redes de área local, la reducción del costo de encaminamiento, la fiabilidad o tolerancia a fallos y su facilidad para Localizarlos, y por último la facilidad de su instalación y re configuraciones futuras ver figura 1.4. [4]

Figura 1.4 Tipos de topología de red.

Las topologías más comunes en las redes de área local se citan a continuación •

Estrella

•

Bus

•

Árbol

•

Anillo

•

Anillo modificado

Atendiendo a los criterios antes citados, se presenta a continuación una descripción de los principales tipos de topologías de redes de área local.

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• Topología en estrella En la topología en estrella todas las estaciones están conectadas mediante enlaces bidireccionales a una estación o nodo central que controla la red. Este nodo central asume las funciones de gestión y control de las comunicaciones proporcionando

un

camino

entre

cada

dos

estaciones

que

deseen

comunicarse. La principal ventaja de la topología en estrella es que el acceso a la red, es decir, la decisión de cuando una estación puede o no transmitir, se halla bajo control de la estación central. Además la flexibilidad en cuanto a configuración, así como la localización y control de fallas es aceptable al estar todo el control en el nodo central. El gran inconveniente que tiene esta topología es que si falla el nodo central. Toda la red queda desactivada. Otros pequeños inconvenientes de este tipo de red son el costo de las uniones físicas puesto que cada estación está unida a la unidad central por una línea individual, y además, las velocidades de transmisión son relativamente bajas.

• Topología en bus En esta topología todas las estaciones se conectan a un único medio bidireccional lineal o bus con puntos de terminación bien definidos. Cuando una estación transmite, su señal se propaga a ambos lados del emisor, a través del bus, hacia todas las estaciones conectadas al mismo. Por este motivo, al bus se le denomina también canal de difusión. La mayor parte de los elementos de las redes en bus tienen la ventaja de ser elementos pasivos, es decir, todos los componentes activos se encuentran en las estaciones por lo que una avería en una estación no afecta más que a ella misma. Por otra parte, un inconveniente de este tipo de redes es que si falla el propio bus, queda afectada toda la red. Las principales ventajas que tiene esta topología son la modularidad, es decir, la facilidad de añadir y quitar estaciones. Entre las desventajas se puede citar el hecho de que varias estaciones quedan desconectadas al fallar un tramo del bus.

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• Topología en árbol Es una variante de la topología en bus, consistente en un bus principal denominado tronco del que parten varios buses secundarios denominados ramas, cada una de las cuales es capaz de admitir varias estaciones. Al igual que en la topología en bus, las señales se propagan por cada ramal de la red y llegan a todas las estaciones. Además de las ventajas e inconvenientes de las redes en bus, la red en árbol tiene una mayor adaptabilidad al entorno físico donde se instala la red, con lo que el costo de cableado es aún menor.

• Topología en anillo El anillo consiste en una serie de repetidores conectados entre sí mediante un único enlace de transmisión unidireccional que configura un camino cerrado. La información se transmite secuencialmente de un repetidor al siguiente a lo largo del anillo, de tal forma que cada repetidor regenera la señal que recibe y la retransmite al siguiente, salvo que la información esté dirigida a él, en cuyo caso la recibe en su memoria. Los repetidores constituyen un elemento activo de la red, siendo sus principales funciones las de contribuir al correcto funcionamiento del anillo ofreciendo todos los servicios necesarios y proporcionar el punto de acceso a las estaciones de la red. Normalmente los repetidores están integrados en las computadoras personales y en las estaciones de trabajo. Las redes en anillo permiten un control eficaz, debido a que, en cada momento, se puede conocer en que trama está circulando la señal, puesto que se sabe la última estación por donde ha pasado y la primera a la que todavía no ha llegado. La desventaja fundamental es la falta de fiabilidad. Un fallo en el anillo inhabilitaría todas las estaciones.

• Topología en anillo modificado Es una variante de la red en anillo que trata de solucionar los problemas de la escasa fiabilidad que tienen estas redes facilitando algunas tareas como la Instalación, mantenimiento y la re configuración. En general, se trata de topologías alternativas en las que la configuración física es distinta a la de

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Anillo pero conserva la misma estructura lógica. El ejemplo más claro de este tipo de redes es el ofrecido por la red de pase de testigo en anillo (Token-Ring) consistente en una configuración física en estrella con una configuración lógica en anillo. 1.6 Características de redes inalámbricas Las redes inalámbricas utilizan ondas electromagnéticas para transportar información de un punto a otro sin necesidad de una conexión física. Las ondas de radio frecuencia a menudo se refieren como portadoras de radio, debido a que su única función consiste en entregar la energía que conllevan al receptor remoto. Los datos que se desean transmitir se añaden sobre la portadora de forma tal que en el lado receptor puedan ser precisamente recuperados, este proceso es conocido como "modulación de la portadora", por la información que se desea transmitir. Una vez que la portadora ha sido modulada, la señal de radio ocupa más de una frecuencia, ya que la frecuencia de la información moduladora se añade a la portadora. Pueden existir varias portadoras en el mismo espacio de forma simultánea, sin interferirse mutuamente, siempre y cuando se transmitan en diferente frecuencia. Para extraer los datos, el receptor de radio se sintoniza para seleccionar una frecuencia de radio y rechazar señales en otras frecuencias. En la configuración típica de una WLAN, un dispositivo transmisor/receptor (denominado punto de acceso) se conecta a la red alambrada desde un punto fijo utilizando un cable Ethernet estándar. La distancia sobre la cual los dispositivos de radio frecuencia se pueden comunicar depende del diseño de los productos, las interacciones con los objetos típicos de construcción, y aún las personas pueden afectar la forma de propagación de las ondas.

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El punto de acceso o la antena asociada al punto de acceso usualmente se monta en un punto alto, sin embargo, puede colocarse en cualquier lugar práctico, siempre y cuando se obtenga la cobertura deseada. Los dispositivos

acceden la WLAN a través de adaptadores inalámbricos,

implementados en tarjetas. Los adaptadores WLAN proporcionan la interfaz entre el sistema operativo de red y las ondas electromagnéticas por conducto de la antena. La naturaleza de la conexión inalámbrica es transparente al sistema operativo de red.

1.7 Ventajas y desventajas de redes inalámbricas Sistema de implantación: Solución de sencilla implantación y que requiere poca carga de instalación. Reducción de costos de mantenimiento: La sencillez de la solución y la robustez de los equipos, repercuten en una reducción en el coste del mantenimiento. Retorno de la inversión: en tiempo y dinero: En soluciones de unión de sedes que en nuestro caso son subestaciones, el retorno de la inversión es prácticamente inmediato, pues el ahorro del costo de la implementación de fibra óptica o pagos mensuales de líneas alquiladas es enorme. La desventaja es que el precio de la tecnología y las dificultades urbanísticas que impiden que llegue la señal son algunos de los problemas con los que se encuentran los usuarios de estas redes inalámbricas. Otro de los problemas es que una red inalámbrica podría llegar a ser más lenta que una cableada, esto depende de cómo se comparta la frecuencia.

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1.8 Análisis de protocolos de transmisión Un protocolo es un conjunto de reglas que indican cómo se debe llevar a cabo un intercambio de datos o información. Para que dos o más nodos en una red Puedan intercambiar información es necesario que manejen el mismo conjunto de reglas, es decir, un mismo protocolo de comunicaciones [4]. Debido a la gran variedad de protocolos, se hizo necesario estandarizarlos y para eso se tomó un diseño estructurado o modular que produjo un modelo jerárquico. •

Jerarquías de protocolos

La idea central detrás del modelo es que, para que una aplicación que reside en un nodo A establezca comunicación con una aplicación en un nodo B, debe usar los servicios de una capa de la red. Se puede denominar a esa capa "capa de aplicación". La capa de aplicación le brinda un conjunto de servicios a las aplicaciones pero a su vez depende de otra capa inferior para trabajar. Llamemos a esa capa "capa de transporte de paquetes". La capa de transporte de paquetes es todo lo que necesita la de aplicación para trabajar en la red y, a su vez, la capa de aplicación es todo lo que necesita la de transporte para comunicarse con la aplicación, de manera que tenemos un flujo de información en ambos sentidos. Bajo la capa de transporte residen otras capas con relaciones similares a las ya descritas, hasta llegar a la capa que se encarga del problema del medio físico por el cual viaja finalmente la información de Manera electrónica. Se llama a esta última capa "capa física". Por ejemplo, esta capa podría encargarse de detectar señales de voltaje en un cable de cobre y agruparlas como unos y ceros para formar un byte, y luego unir los bytes hasta formar una cadena de cierto tamaño predefinido por el protocolo y pasar esa cadena a la capa inmediata superior.

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•

Relaciones entre servicios y protocolos

Las capas ofrecen servicios de dos tipos generales: orientadas a conexión y no orientadas a conexión y los servicios obtenidos cumplen con cierta calidad de servicio que puede ser un servicio confiable (reliable) o no confiable (non reliable). •

Servicios orientados a conexión

Los servicios orientados a conexión se caracterizan porque cumplen tres etapas en su tiempo de vida: Etapa 1: Negociación del establecimiento de la conexión. Etapa 2: Sesión de intercambio de datos Etapa 3: Negociación del fin de la conexión Los servicios orientados a conexión pueden ser considerados como "alambrados", es decir, que existe una conexión alambrada entre los dos interlocutores durante el tiempo de vida de la conexión. •

Servicios no orientados a conexión

Los servicios no orientados a conexión carecen de las tres etapas antes descritas y en este caso los interlocutores envían todos paquetes de datos que componen una parte del diálogo por separado, pudiendo estos llegar a su Destino en desorden y por diferentes rutas. Es responsabilidad del destinatario Ensamblar los paquetes, pedir retransmisiones de paquetes que se dañaron y darle coherencia al flujo recibido. Los servicios no orientados a conexión se justifican dentro de redes de área local en donde diversos estudios han demostrado que el número de errores es tan pequeño que no vale la pena tener un mecanismo de detección y corrección de los mismos.

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1.9 El modelo de referencia TCP/IP La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Defensa de los Estados Unidos de Norteamérica definió un conjunto de reglas que establecieron cómo conectar computadoras entre sí para lograr el intercambio de información, soportando incluso desastres mayores en la subred. Fue así como se definió el conjunto de protocolos de TCP/IP ( TCP/IP Internet Suite of Protocols). Para los años 80 una gran cantidad de instituciones estaban interesados en conectarse a esta red que se expandió por todo EEUU. La Suite de TCP/IP consta de 4 capas principales que se han convertido en un estándar a nivel mundial.

1.9.1 Concepción de las capas del modelo TCP/IP Las capas de la suite de TCP/IP son menos que las del modelo de referencia OSI, sin embargo son tan robustas que actualmente une a más de 3 millones de nodos en todo el mundo. [3]. Tabla 1.0 Modelo TCP/IP.

La capa inferior, que podemos nombrar como física contiene varios estándares del Instituto de Ingenieros Electrónicos y Eléctricos (IEEE en inglés) como son el 802.3 llamado Ethernet que establece las reglas para enviar datos por cable coaxial delgado (10Base2), cable coaxial grueso (10Base5), par trenzado (10Base-T), fibra óptica (10Base-F) y su propio método de acceso, el 802.4 llamado Token Bus que puede usar estos mismos medios pero con un método

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De acceso diferente, el X.25 y otros estándares denominados genéricamente como 802.X. La siguiente capa cumple, junto con la anteriormente descrita, los niveles del modelo de referencia 1,2 y 3 que es el de red. En esta capa se definió el protocolo IP también conocido como "capa de internet". La responsabilidad de este protocolo es entregar paquetes en los destinos indicados, realizando las operaciones de enrutado apropiadas y la resolución de congestionamientos o caídas de rutas. La capa de transporte es la siguiente y está implantada por dos protocolos: el Transmission Control Protocol y el User datagram Protocol. El primero es un protocolo confiable (reliable) y orientado a conexiones, lo cual significa que nos ofrece un medio libre de errores para enviar paquetes. El segundo es un protocolo no orientado a conexiones (connectionless) y no es confiable (unreliable). El TCP se prefiere para la transmisión de datos a nivel red de área amplia y el otro para redes de área local. La última capa definida en la suite de TCP/IP es la de aplicación y en ella se encuentran decenas de aplicaciones ampliamente conocidas actualmente. Las más populares son el protocolo de transferencia de archivos (FTP), el emulador de terminales remotas (Telnet), el servicio de resolución de nombres (Domain Name Service DNS), el WWW, el servicio de correo electrónico (Simple Mail Transfer Protocol SMTP), el servicio de tiempo en la red (Network Time Protocol NTP), el protocolo de transferencia de noticias (Network News Transfer Protocol NNTP) y muchos más.

1.10 Tipos de direcciones IP La dirección IP es el identificador de cada dispositivo dentro de la red establecida

para el sistema de comunicación en cada subestación. Cada

subestación conectada a la red tiene una dirección IP asignada, la cual debe

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Ser distinta a todas las demás direcciones que estén vigentes en ese momento en el conjunto de la red [3]. Las direcciones IP están formadas por 4 bytes (32 bits). Se suelen representar de la forma a.b.c.d donde cada una de estas letras es un número comprendido entre el 0 y el 255. Dependiendo del número de dispositivos que se necesiten para cada red, las direcciones se han dividido en las clases primarias A, B y C. La clase D está formada por direcciones que identifican no a un dispositivo, sino a un grupo de ellos. Las direcciones de clase E no se pueden utilizar (están reservadas).

1.1 Tabla Clases de direcciones

1.11 Descripción de la máscara de subred Una máscara de subred es aquella dirección que enmascarando la dirección IP, nos indica si otra dirección IP pertenece a la subred o no. La tabla 1.2 muestra las máscaras de subred correspondientes a cada clase:

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1.2 Tabla mascara de subred.

1.12 Descripción tecnología Ethernet Los estándares Ethernet no necesitan especificar todos los aspectos y funciones necesarios en un Sistema Operativo de Red NOS ("Network Operating System").

Como ocurre con otros estándares de red, la

especificación Ethernet se refiere solamente a las dos primeras capas del modelo OSI ("Open Systems Interconnection"). Estas son la capa física (el cableado y las interfaces físicas), y la de enlace, que proporciona direccionamiento local; detección de errores, y controla el acceso a la capa física. Una vez conocidas estas especificaciones el fabricante del adaptador está en condiciones de que su producto se integre en una red sin problemas. También es de su incumbencia proporcionar los controladores ("Drivers") de bajo nivel adecuados para cada Sistema Operativo que debe utilizar el adaptador. 1.13 Criterios de la IEEE 802.11 Al trabar con tecnología inalámbrica CANOPY de Motorola se hace necesario especificar el protocolo IEEE 802.11 que es un estándar de comunicaciones de la IEEE que define el uso de los dos niveles más bajos de la arquitectura OSI (capas física y de enlace de datos), especificando sus normas de funcionamiento en una WLAN. En general, los protocolos de la rama 802.x definen la tecnología de redes de área local. La familia 802.11 actualmente incluye seis técnicas de transmisión por modulación que utilizan los mismos protocolos. El estándar original de este protocolo data de 1997, era el IEEE 802.11, tenía velocidades de 1 hasta 2

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Mbps y trabajaba en la banda de frecuencia de 2,4 GHz. En la actualidad no se fabrican productos sobre este estándar. El término IEEE 802.11 se utiliza también para referirse a este protocolo al que ahora se conoce como "802.11legacy." La siguiente modificación apareció en 1999 y es designada como IEEE 802.11b, esta especificación tenía velocidades de 5 hasta 11 Mbps, también trabajaba en la frecuencia de 2,4 GHz. Se realizó una especificación sobre una frecuencia de 5 Ghz que alcanzaba los 54 Mbps, era la 802.11a y resultaba incompatible con los productos de la b y por motivos técnicos casi no se desarrollaron productos. Posteriormente se incorporó un estándar a esa velocidad y compatible con el b que recibiría el nombre de 802.11g. En la actualidad la mayoría de productos son de la especificación b y de la g (Actualmente se está desarrollando la 802.11n, que se espera que alcance los 500 Mbps). La seguridad forma parte del protocolo desde el principio y fue mejorada en la revisión 802.11i. Otros estándares de esta familia (c–f, h–j, n) son mejoras de servicio y extensiones o correcciones a especificaciones anteriores. El primer estándar de esta familia que tuvo una amplia aceptación fue el 802.11b. En 2005, la mayoría de los productos que se comercializan siguen el estándar 802.11g con compatibilidad hacia el 802.11b. Los estándares 802.11b y 802.11g utilizan bandas de 2,4 gigahercios (Ghz) que no necesitan de permisos para su uso. El estándar 802.11a utiliza la banda de 5 GHz. Las redes que trabajan bajo los estándares 802.11b y 802.11g pueden sufrir interferencias por parte de hornos microondas, teléfonos inalámbricos y otros equipos que utilicen la misma banda de 2,4 Ghz.

1.14 Switches Estos dispositivos llevan acabo la conectividad de una Red Local (LAN Local Area Network), se mencionan en este proyecto de grado ya que tendrán la función de enlazar módulos para establecer comunicaciones en varios puntos realizando saltos. Es un dispositivo considerado un Hub inteligente, cuando es

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Inicializado éste empieza a reconocer las direcciones MAC que generalmente son enviadas por cada puerto, en otras palabras, cuando llega información éste tiene mayor conocimiento sobre que puerto de salida es el más apropiado, y por lo tanto ahorra una carga ("bandwidth") a los demás puertos. Permitiendo que el sistema de transmisión no se sobre cargue.

1.15 Análisis cable empleado para la transmisión de datos La transmisión de datos binarios en el cable se hace aplicando voltaje en un extremo y recibiéndolo en otro extremo. Algunos de estos cables se pueden usar como medio de transmisión: Cable Recto, Cable Coaxial, Cable UTP, Cable STP, sin embargo para la instalación de un sistema de cableado estructurado los más recomendados son: UTP, STP y FTP Todos estos tipos pertenecen a la categoría 5, que de acuerdo con los estándares internacionales pueden trabajar a 100 Mhz, y están diseñados para soportar voz, video y datos. [2]. El UTP es sin duda el que esta ahora ha sido aceptado, por su costo accesible y su fácil instalación. Sus dos alambres de cobre torcidos aislados con plástico PVC, ha demostrado un buen desempeño en las aplicaciones de hoy. Sin embargo a altas velocidades puede resultar vulnerable a las interferencias electromagnéticas del medio ambiente. El STP se define con un blindaje individual por cada par, más un blindaje que envuelve a todos los pares. Es utilizado preferentemente en las instalaciones de procesos de datos por su capacidad

y

sus

buenas

características

contra

las

radiaciones

Electromagnéticas. Aunque con el inconveniente de que es un cable robusto, caro y fácil de instalar. Con lo anterior podemos concluir que el cable mas adecuado para el diseño de comunicación a emplear es el cable UTP, dado que los dispositivos empleados para la solución de comunicación estarán ubicados en subestaciones eléctricas

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Y se tiene que evitar las interferencias electromagnéticas pero también se tiene en cuenta que el flujo de información no es muy grande. 1.16 Estudio del conector RJ-45

Figura 1.5 Conector RJ-45.

RJ45 es una interfaz física comúnmente usada para conectar redes de cableado estructurado, (categorías 4, 5, 5e y 6). RJ es un acrónimo inglés de Registered Jack que a su vez es parte del Código Federal de Regulaciones de Estados Unidos. Posee ocho 'pines' o conexiones eléctricas, que normalmente se usan como extremos de cables de par trenzado. Es utilizada comúnmente con estándares como EIA/TIA-568B, que define la disposición de los pines. Una aplicación común es su uso en cables de red Ethernet, donde suelen usarse 8 pines (4 pares).

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CAPITULO 2 ESTUDIO DE SITIO Y DISPOSITIVOS 2.1 Introducción. En este capitulo se muestran los resultados de las visitas a las subestaciones de la electrificadora del Huila, para poder determinar que medio electrónico es el más apto para la adquisición transmisión y recepción de datos. Se determina que analizador de calidad es el más adecuado para la realización de la telemetría y se determina el punto central de monitoreo y descarga de la información.

2.2 Características Técnicas De Subestaciones Las características técnicas de las subestaciones obedecen a diversos factores a tener en cuenta. En un adecuado diseño de comunicación. Para ello se realizaron visitas que condujeron a determinar los siguientes resultados:

2.2.1 Equipo empleado en las visitas técnicas Para un adecuado Site Survey de las subestaciones se emplearon los siguientes elementos que permitieron valorar cada punto acertadamente. •

Cámara fotográfica digital.

•

GPS.

•

Altímetro.

•

Binóculos.

•

Voltímetro.

•

Decámetro.

•

Carpeta con formatos y Mapas de alta precisión (IGAC). La escala de los mapas es de 1: 200000 y su equivalencia 1cm = 2000 metros.

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2.2.2 Cantidad de equipos analizadores de calidad por punto. Se realizo un estudio

de las tensiones manejadas en

cada una de las

subestaciones para determinar la cantidad de dispositivos analizadores de calidad (uno por barraje) para dar cumplimiento a la resolución de la CREG. Las tensiones de los barrajes son: • 34.5 Kv • 13.2 Kv • 115 Kv

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2.1 Tabla de Cantidad de Equipos Por Punto

2.2.3 Estudio de Transformadores de tensión por subestación. Cada analizador esta encargado de tomar datos precisos de variaciones de tensión. Los dispositivos encargados de realizar esta telemetría, no se pueden instalar de una manera directa a las tensiones mencionadas en el subíndice 2.2.1 para lograr una adecuada instalación de los analizadores de calidad se hace necesario la adecuación de los barrajes a tensiones inferiores que los

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Dispositivos tengan la capacidad de soportar, para ello se

necesita

implementar en cada barraje la instalación de transformadores reductores de tensión (tres fases). De acuerdo a la información suministrada por ELECTROHUILA se tiene que en varias subestaciones ya están

implementados estos dispositivos, se

procedió a realizar un estudio en cada subestación para determinar que puntos cuentan con los transformadores de tensión (PTs) y en que condiciones de funcionamiento están. En la tabla 2.2 se tiene el estudio de cada punto para poder solicitarle a ELECTROHUILA la instalación. Por otra parte los módulos que deben ser instalados para realizar la comunicación (AP, SM y BH) necesitan una adecuada alimentación de 110 VAC haciendo necesario el empleo de los (PTs).

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2.2 Tabla de transformadores en fase

ZONA

SUBESTACIÓN

34,5kV

13,2kV

BOTE

SI

SI

CENTRO

SI

SI

NORTE

SI

SI

ORIENTE

SI

SI

PLANTA DIESEL

SI

SI

SUR

SI

SI

AIPE

NO

SI

ALGECIRAS

NO

SI

BARAYA

NO

SI

CAMPOALEGRE

2P

SI

COLOMBIA

NO

SI

II.

FORTALECILLAS

NO

SI

NORTE

HOBO

NO

NO

MOTILON

NO

NO

PEÑAS BLANCAS

NO

NO

SEBORUCO

SI

LA PLATA

SI

SI

PAICOL

NO

SI

ALTAMIRA

SI

SI

GARZON

SI

SI

GIGANTE

SI

SI

LA PITA

NO

SI

PITAL

NO

NO

POTRERILLOS

NO

NO

PITALITO

SI

SI

SAN AGUSTÍN

NO

SI

SAN JOSÉ DE SNOS

NO

NO

I. NEIVA

IV. CENTRO

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115 kV

SI

SI

SI

SI

SI

33

2.2.4 Factores determinantes en la solución de comunicación La decisión de solución de comunicación por punto que se estableció para la adquisición transmisión y recepción de datos (telemetría) de las subestaciones de la empresa de energía Electrohuila se determino así: •

Teniendo en cuenta los requerimientos planteados por Electrohuila y la comisión de regulación de energía y gas (GREG), toca implementar un sistema de comunicación, para la adquisición electrónica y transmisión de datos a la ciudad de Neiva. Para ello se analizaron costos, características geográficas del punto, ancho de banda requerido.

•

La Tabla 2.3 puede mostrar el direccionamiento de las subestaciones que en su gran mayoría están en zonas rurales del departamento del Huila. Careciendo de una línea telefónica y las que cuentan con este servicio esta en precarias condiciones

brindando poca confiabilidad

para emplear este canal como medio de transmisión.

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Tabla 2.3 Direccionamiento subestaciones SUBESTACION

DIRECCION

BOTE CENTRO

CIUDAD DE NEIVA KM 1 VIA PALERMO CIUDAD DE NEIVA CENTRO COMER. LOS COMUNEROS

NORTE

CIUDAD DE NEIVA - CRA 7 No. 76 - 26

ORIENTE

CIUDAD DE NEIVA - CRA 46 N. 16-31

PLANTA DISEL

CIUDAD DE NEIVA - CALLE 9 No. 17 -20

SUR

CIUDAD DE NEIVA - CRA 5 No. 29 - 93

AIPE

MUNICIPIO DE AIPE

ALGECIRAS

MUNICIPIO DE ALJECIRAS

BARAYA CAMPOALEGRE

MUNICIPIO DE BARAYA C11 12 128 MUNICIPIO DE CAMPOALEGRE C30 7 21 ESTE

COLOMBIA FORTALECILLAS

MUNICIPIODE COLOMBIA C10 532 INSPECCION FORTALECILLAS DE LA CIUDAD DE NEIVA

HOBO

MUNICIPIO DEHOBO

MOTILON

INSPECCION DE MOTILON DE LA CIUDAD DE NEIVA

PEÑAS

INSPECCION DE PEÑAS BLANCAS DE LA CIUDAD DE

BLANCAS

NEIVA

SEBURUCO

MUNICIPIO DE CAMPOALEGRE

LA PLATA

MUNICIPIO DE LA PLATA C10 5 126

PAICOL

MUNICIPIO DE PAICOL

ALTAMIRA

MUNICIPIO DE ALTAMIRA

GARZON

MUNICIPIO DE GARZON C9 14 60

LA PITA

INSPECCION ZULUAGA GARZON

PITAL POTRERILLOS

MUNICIPIO PITAL C10 6 12 INSPECCION DE POTRERILLOS MUNICIPIO DE GIGANTE

PITALITO SAN AGUSTIN SAN JOSE DE ISNOS GIGANTE

MUNICIPIO DE PITALITO K13 13 33 MUNICIPIODE SAN AGUSTIN K2 130 MUNICIPIO DE SAN JOSE DE ISNOS K2 305 MUNICIPIO DE GIGANTE C1B 4A 21

2.2.5 Captura de las coordenadas de las subestaciones Se decidió tomar las coordenadas de las subestaciones para facilitar la ubicación en un mapa con curvas de nivel del departamento del Huila,

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Suministrado por la Corporación Autónoma Regional del Alto Magdalena (CAM) ver tabla 2.4. De esta manera se pueden visualizar y determinar con mayor facilidad las distancias alturas para establecer una solución de comunicación. Tabla 2.4 Ubicación de subestaciones por coordenadas. NOMBRE BOTE

LONGITUD

LATITUD

ALTITUD(Mtr)

-75,3102

2,9403

494

-75,78

2,07

1006

-75,419

2,7189

549

NORTE

-75,2861

2,9688

500

ORIENTE

-75,2545

2,9363

587

CENTRO

-75,2923

2,9259

483

SUR

-75,2817

2,9002

492

PITALITO

-76,048

1,86

1221

BARAYA

-75,0595

3,1472

598

AIPE

-75,2445

3,2251

402

PEÑAS BLANCAS

-75,3568

3,0799

470

MOTILON

-75,1013

2,8369

1499

SAN AGUSTIN

-76,26

1,875

1591

ISNOS

-76,21

1,93

1711

COLOMBIA

-74,9476

3,3733

770

ALGECIRAS

-75,3198

2,5283

953

HOBO

-75,4224

2,5775

636

PAICOL

-75,8619

2,4811

940

GIGANTE

-75,54

2,39

803

LA PLATA

-75,9592

2,4944

1003

CAMPOALEGRE

-75,3159

2,6929

586

FORTALECILLAS

-75,2443

3,0504

468

GARZON

-75,63

2,2

841

LA PITA

-75,56

2,2

1230

-75,8

2,27

936

-75,2786

2,9318

508

-75,49

2,46

941

ALTAMIRA SEBORUCO

PITAL PLANTA DIESEL POTRERILLOS

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2.2.6 Estudio de puntos del sistema de comunicación Con la información adquirida en las visitas y personal conocedor del tema en donde se analizaron las siguientes variables: •

La topología diversa.

•

Las grandes distancias.

•

Problemas de interferencia por ruido debido a la presencia de líneas de transmisión eléctrica.

•

Fenómenos de absorción y reflexión debido a las obstrucciones ocasionadas por las elevaciones de terreno.

•

Costos de los dispositivos de comunicación.

Otro factor que tiene bastante relevancia es la importancia de la subestación para ELECTROHUILA esto varía de acuerdo a la cantidad de clientes a los que ofrece cobertura, tensiones ofrecidas de acuerdo a esto la subestación es atendida o no. Ver figura 2.1 y 2.2. Se hace referencia a este tema ya que el deseo a futuro de ELECTROHUILA es la implementación de un sistema scada en la zona urbana de la ciudad de Neiva para un completo monitoreo y control de los dispositivos empleados en estas subestaciones atendidas y en otros puntos el establecimiento de un sistema de seguridad, esto conlleva a determinar un canal adecuado para que cuando se realice el sistema scada no presente conflicto con la transmisión de variables al puesto central. Se realizó la consulta de la capacidad del canal de comunicación al personal de ABB quienes son autoridad en el tema de automatización de sistemas

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Complejos quienes respondieron que con 3M es más que suficiente pues la red no estará siempre en su total capacidad.

Figura 1.6 Foto de subestaciones no atendidas.

Figura 1.7 Foto de subestación atendida.

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2.2.7 Ancho de banda requerido. Los cálculos se determinaron en base a la información almacenada por los analizadores de calidad en el transcurso de una semana, esta información no superó los 2Kb. Si sabemos que son 71 dispositivos y la información a transmitir es inferior a 2Kb. 2000 x 71 = 142 Kb. •

Consideraciones para la configuración del puesto de control.

El puesto de control estará ubicado en la oficina de instrumentos y control, estación central

Bote Km 1 vía Palermo, por ser la cede principal de la

electrificadora del Huila. El software empleado para la descarga de los datos será proporcionado e instalado por la empresa que suministre los dispositivos analizadores de calidad. De esta manera el diseño de comunicación solo entrega los puntos aptos para la comunicación en cada subestación. Teniendo en cuenta esto lo más viable para la solución de comunicación es entregar direcciones IP por subestación.

2.3 Estudio de las variables reguladas por la CREG De acuerdo a el estudio que se realizo ala norma que estipula la regulación de la calidad de la Potencia Eléctrica (CPE).en donde se define como el conjunto de calificadores de fenómenos inherentes a la forma de onda de la tensión, que permiten juzgar el valor de las desviaciones de la tensión instantánea con respecto a su forma y frecuencia estándar, así como el efecto que dichas desviaciones pueden tener sobre los equipos eléctricos u otros sistemas.

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2.3.1 Variables que se deben regular: Fluctuación de tensión. Fenómeno que origina distorsión transitoria de la forma de onda de tensión, respecto de su forma estándar. Se dice que existe una discontinuidad del servicio cuando la tensión no sigue la forma de onda estándar. • Forma y Frecuencia estándar. Forma en el tiempo de una onda senoidal pura de amplitud constante, igual a la tensión nominal, y a una frecuencia de 60Hz. • Hundimiento (Sag).Fluctuación de tensión caracterizada por producir una depresión transitoria de tensión respecto de la onda estándar, en un punto del SIN. • Indicador. Cifra que establece el nivel o la evolución de una cantidad que refleja el estado de un sistema. • Parpadeo (Flicker).Impresión de inestabilidad de la sensación visual causada por un estímulo luminoso, cuya luminosidad o distribución espectral fluctúa en el tiempo. [1]. • Pico (Swell).Fluctuación de tensión caracterizada por producir un aumento transitorio de tensión respecto de la onda estándar, en un punto del SIN. • PST (Percibility Short Time).Es un indicador de la perceptibilidad de un equipo o sistema, ante fluctuaciones de tensión durante un período de tiempo corto (10 minutos), obtenido de forma estadística a partir del tratamiento de la señal de tensión.

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• THDV (Total Harmonic Distortion of Voltage). Es un indicador de la Distorsión Armónica Total del Voltaje, respecto de la onda estándar, expresada en porcentaje.

2.3.2 Variaciones de corta duración: 1. Muy Rápidos Duración Magnitud Típica (pu) • Hundimiento 0.5 - 30 ciclos 0.1 - 0.9 • Pico0.5 - 30ciclos 1.1 - 1.8 2. Rápidos • Interrupción0.5 ciclos - 3 s