UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA SEDE QUITO FACULTAD DE INGENIERIAS CARRERA DE INGENIERIA ELECTRICA
TESIS PREVIA A LA OBTENCION DEL TITULO DE INGENIERO ELECTRICO
ANALISIS DE FACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE TELEMEDICION UTILIZANDO EL METODO DE RADIO FRECUENCIA PARA UNA EMPRESA DE DISTRIBUCION.
AUTOR: CHRISTIAN WLADIMIR GALLARDO CRUZ
DIRECTOR: ING. GERARDO MARTINEZ
QUITO, ABRIL DEL 2009
DEDICATORIA A mi esposa, y a mis queridos padres.
AGRADECIMIENTO Mi más sincero agradecimiento a: A Dios, mis Padres, Esposa, y al Ingeniero Gerardo Martínez por su valiosa ayuda y acertados consejos para el desarrollo de la tesis y a cada una de las personas que colaboraron desinteresadamente en la realización de este trabajo.
CERTIFICACION Certifico que el presente trabajo ha sido realizado en forma total por el Señor: Christian Gallardo Ing. Gerardo Martínez DIRECTOR DE TESIS
INDICE GENERAL CAPITULO I OBJETIVOS Y ALCANCE
1
1.1 INTRODUCCION
1
1.1.1
2
SISTEMAS DE TELEMEDICION
1.2 ALCANCE
4
1.3 OBJETIVOS
5
CAPITULO II REVISION
GENERAL
DE
LOS
METODOS
DE
TELEMEDICION
7
2.1 INTRODUCCION
7
2.1.1
MEDICION DE ENERGIA ELECTRICA
7
2.1.2
TEORIA
Y
CONSTRUCCION
DEL
MEDIDOR
DE
ENERGIA
ELECTROMECANICO
9
2.1.3
PRINCIPIOS DE MEDICION ELECTRONICA DE ENERGIA
12
2.1.4
VENTAJAS DE LOS CONTADORES ELECTRONICOS
14
2.1.5
TIPOS DE MEDIDORES DE ENERGIA
15
2.1.6
CARACTERISTICAS DE LOS CONTADORES DE ENERGIA SEGUN LA
EMPRESA ELECTRICA QUITO S.A.
16
2.2 SISTEMAS DE TELEMEDICION
18
2.2.1
18
SISTEMA DE TELEMEDICION MEDIANTE ONDA PORTADORA
2.2.1.1
GENERALIDADES
18
2.2.1.2
INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA PLC (TESIS PLC)
19
2.2.1.3
SISTEMA DE TELEMEDICION MEDIANTE RADIO FRECUENCIA.
20
2.2.1.3.1
INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA DE RADIO FRECUENCIA
20
2.2.1.3.2
GENERALIDADES DEL SISTEMA DE TELEMEDICION MEDIANTE
RADIO FRECUENCIA.
21
2.2.1.4
24
SISTEMA DE TELEMEDICION MEDIANTE VIA TELEFONICA.
2.2.1.4.1
INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA VIA TELEFONICA
24
2.2.1.4.2
LINEA TELEFONICA COMO MEDIO DE COMUNICACION
24
2.2.1.4.3
GENERALIDADES DEL SISTEMA DE TELEMEDICION VIA
TELEFONICA
25
CAPITULO III
SISTEMAS DE TELEMEDICION MEDIANTE RADIO
FRECUENCIA
26
3.1 GENERALIDADES
26
3.2 INTRODUCCION RADIO FRECUENCIA
26
3.2.1
26
MODULACION DE SEÑALES
3.2.1.1
MODULACION DE AMPLITUD
28
3.2.1.2
MODULACION DE FRECUENCIA
28
3.2.1.3
MODULACION DE FASE
29
3.2.2
INTRODUCCION TECNOLOGIA GSM
29
3.2.2.1
DESCRIPCION DEL SERVICIO
29
3.2.2.2
ARQUITECTURA GSM
30
3.2.2.3
TARJETA SIM
32
3.2.2.4
FUNCIONALIDADES
32
3.2.2.5
TARIFACION
33
3.3 ANALISIS TECNICO DEL SISTEMA DE TELEMEDICION A TRAVES DE LA RED TELEFONICA CELULAR GSM. 3.3.1
34
OPERACION DEL SISTEMA DE TELEMEDICION PRINCIPAL A TRAVES DE
RED CELULAR GSM.
36
3.3.2
VENTAJAS
37
3.3.3
ANALISIS TECNICO DEL CENTRO DE CONTROL DEL SISTEMA DE
TELEMEDICION DE MEDIDORES. 3.3.3.1
39
MODALIDAD DE COMUNICACION ENTRE AMBOS SERVIDORES (EL DE
LA EEQSA Y EL DEL CENTRO DE CONTROL)
41
3.3.3.2
DESCRIPCION Y FUNCIONALIDADES DEL SOFTWARE DE GESTION
42
3.3.3.3
BENEFICIOS DEL SOFTWARE DE GESTION
44
3.3.3.4
ALCANCE DEL SOFTWARE DE GESTION
44
3.3.3.5
DESCRIPCION Y FUNCIONALIDADES DEL INTERFAZ DE SOFTWARE 44
3.3.4
REQUERIMIENTOS NECESARIOS PARA LA IMPLEMENTACION DEL
SISTEMA
48
3.3.4.1
48
3.3.4.1.1 3.3.4.2
CARACTERISTICAS MEDIDOR ELECTRONICO ESPECIFICACIONES TECNICAS INFRAESTRUCTURA
NECESARIA
48 PARA
EL
SISTEMA
DE
TELEMEDICION
52
3.3.4.2.1
RED LOCAL LAN DEL CENTRO DE CONTROL.
52
3.3.4.2.2
SERVIDOR DE APLICACIONES Y BASES DE DATOS
53
3.3.4.2.3
SERVIDOR DE SERVICIOS INTERNOS
53
3.3.4.2.4
COMPUTADORES
54
3.3.4.2.5
IMPRESORAS
54
3.3.4.2.6
RED DE VOZ DEL CENTRO DE CONTROL
54
3.3.4.2.7
INSTALACIONES ELECTRICAS NECESARIAS
56
3.3.4.2.8
UPS
57
3.3.4.2.9
AIRE ACONDICIONADO
58
3.3.4.2.10
RED EXTENDIDA WAN CON LA EEQSA.
58
3.3.4.2.11
ENLACE DE INTERNET.
59
3.3.4.2.12
RED GSM
59
3.3.4.2.13
SISTEMA OPERATIVO DE SERVIDORES
61
3.3.4.2.14
BASES DE DATOS
61
3.3.4.2.15
SOFTWARE DE GESTION
61
3.3.4.2.16
SOFTWARE INTERFAZ
62
3.3.4.2.17
PROGRAMAS DE ESCRITORIO Y SERVICIOS DE INTERNET
62
3.3.4.2.18
RECURSO HUMANO
62
3.3.4.2.19
BODEGA
65
3.3.4.2.20
MOVILIZACION
66
3.3.4.3
COBERTURA GSM EN LUGARES A APLICAR DEL SISTEMA DE
TELEMEDICIÓN PRINCIPAL A TRAVÉS DE LA RED TELEFÓNICA CELULAR GSM
66
3.3.4.3.1
AREA DE CONCESION DE LA EMPRESA ELECTRICA QUITO
66
3.3.4.3.2
AREA DE COBERTURA DE CONECEL O PORTA
68
CAPITULO
IV
ESTUDIO
DE
FACTIBILIDAD
PROYECTO
TELEMEDICION
69
4.1. LA EMPRESA
69
4.2. JUSTIFICACION
70
4.2.1.
71
PERDIDAS ACTUALES DE LA EMPRESA ELECTRICA QUITO S.A.
4.3. SITUACION PROYECTADA
72
4.4. MERCADO
73
4.4.1.
OFERTA
73
4.4.2.
ABONADOS
73
4.4.3.
PROYECCION DE ABONADOS HASTA EL AÑO 2017
73
4.5. INGENIERIA DEL PROYECTO
74
4.5.1.
INVERSIONES DEL PROYECTO
74
4.5.1.1. EQUIPOS DE COMUNICACION A IMPLEMENTAR
75
4.5.1.2. EDIFICIOS Y OBRAS CIVILES
77
4.5.1.3. SOFTWARE PARA IMPLEMENTACION Y OPERACION
79
4.5.1.4. MUEBLES Y EQUIPOS DE OFICINA
79
4.5.1.5. EQUIPOS DE INFORMATICA
80
4.5.2.
RECURSO HUMANO
81
4.5.3.
GASTOS GENERALES
84
4.5.4.
GASTOS OPERACION
84
4.5.5.
INVERSION TOTAL
86
4.5.6.
ANALISIS COMPARATIVO SISTEMA TOMA LECTURAS MANUAL VERSUS
SISTEMA TELEMEDICIÓN 4.5.7.
86
ANALISIS COMPARATIVO COSTO DEL SERVICIO GSMS VERSUS SISTEMA
ACTUAL INCLIDO PERDIDAS NO TECNICAS
88
4.6. EVALUACION FINANCIERA
89
4.6.1.
GASTOS FINANCIEROS
89
4.6.2.
TASA INTERNA DE RETORNO
90
4.6.3.
VALOR ACTUAL NETO
91
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
92
CONCLUSIONES
92
CONCLUSIONES FACTIBILIDAD TECNICA
92
CONCLUSIONES FACTIBILIDAD ECONOMICA
93
RECOMENDACIONES
94
BIBLIOGRAFIA
96
INDICE GENERAL DE FIGURAS FIGURA 2.1 SISTEMA MOTOR
9
FIGURA 2.2 DISCO ROTOR
10
FIGURA 2.3 MECANISMO REGISTRADOR
11
FIGURA 2.4 DIAGRAMA EN BLOQUES
22
FIGURA 2.5 DIAGRAMA DE CONEXIÓN DE MÓDULO MA-GSM
23
FIGURA 2.6 DIAGRAMA DE COMUNICACIÓN VÍA GSM
23
FIGURA 3.1 MODULACIÓN DE SEÑALES
27
FIGURA 3.2 ESTRUCTURAS CELULARES
29
FIGURA 3.3 ARQUITECTURA GSM
31
FIGURA 3.4 DIAGRAMA DE CONEXIÓN DE MÓDULO MA-GSM
35
FIGURA 3.5
DIAGRAMA CON EL MÓDULO GSM PARA LA RECEPCIÓN
DE DATOS Y LECTURAS CON INTERFAZ DE ACOPLAMIENTO USB (MRUSB-GSM).
35
FIGURA 3.6 SISTEMA DE TELEMEDICIÓN GSM
38
FIGURA 3.7 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DEL CENTRO DE CONTROL
40
FIGURA 3.8 PANTALLA DE INGRESO DIAGRAMA
45
FIGURA 3.9 PANTALLA DE INICIO DE LAS OPCIONES, PARA USUARIOS DEL SISTEMA DE TELE MEDICIÓN
46
FIGURA 3.10 RESUMEN DE RESULTADOS DE DATOS OBTENIDOS
46
FIGURA 3.11 MENÚ DE ACCESO PARA BÚSQUEDA DE UN SUMINISTRO O MEDIDOR ESPECÍFICO
47
FIGURA 3.12 PERFIL DE CARGA DELEG. DISTRITAL PICHINCHA CNJ DÍA 18/03/2008
47
FIGURA 3.13 MENÚ DE INGRESO DE DATOS PARA OBTENER LECTURAS DE LOS GRANDES CLIENTES.
48
FIGURA 3.14 CARCAZA DEL MEDIDOR
50
FIGURA 3.15 SELLO DE SEGURIDAD
50
FIGURA 3.16
MEDIDORES ELECTROMECÁNICOS Y ELECTRÓNICOS
INSTALADOS POR LA EMPRESA ELÉCTRICA QUITO S.A. FIGURA 3.17
52
ÁREA DE CONCESIÓN DE LAS EMPRESAS ELÉCTRICAS
DEL ECUADOR SEGÚN CONELEC
66
FIGURA 3.18 ÁREA DE COBERTURA SEGÚN GIS DE LA E.E.Q.S.A.
67
FIGURA 4.1 E.E.Q.S.A.
DESAGREGACIÓN DE PÉRDIDAS NO TÉCNICAS DE LA 88
INDICE GENERAL DE CUADROS CUADRO 3.1
REQUERIMIENTOS CABLEADO ESTRUCTURADO VOZ Y
DATOS.
56
CUADRO 3.2 REQUERIMIENTOS INSTALACIONES ELÉCTRICAS.
57
CUADRO 3.3
REQUERIMIENTOS DE UPS Y AIRE ACONDICIONADO A
UTILIZAR CUADRO 3.4
58 DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE MÓDULO DE
RECEPCIÓN MRUSB-GSM CUADRO 3.5
DETALLE DEL PERSONAL NECESARIO DURANTE LA
ETAPA DE IMPLANTACIÓN CUADRO 3.6
63
DETERMINACIÓN DEL PERSONAL TÉCNICO NECESARIO
DURANTE LA ETAPA DE IMPLANTACIÓN. CUADRO 3.7
60
64
DETERMINACIÓN DEL PERSONAL NECESARIO DURANTE
LA ETAPA DE OPERACIÓN
64
CUADRO 4.1 PÉRDIDAS DE ENERGÍA POR SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN 71 CUADRO 4.2 PROYECCIÓN DE ABONADOS HASTA EL 2017
74
CUADRO 4.3 DETALLES DE CANTIDAD DE EQUIPOS A UTILIZAR EN EL PROYECTO
76
CUADRO 4.4 DETALLES EQUIPOS DE COMUNICACIÓN
76
CUADRO 4.5
DETALLE DE COSTOS ELÉCTRICO Y DE CABLEADO
ESTRUCTURADO
78
CUADRO 4.6 COSTO DEL SOFTWARE A IMPLEMENTAR EN EL CENTRO DE CONTROL
79
CUADRO 4.7 DETALLE DE COSTOS DE EQUIPOS Y MUEBLES DE OFICINA 80 CUADRO 4.8 DETALLE DE COSTOS DE EQUIPOS INFORMÁTICOS
81
CUADRO 4.9 DETALLE RECURSO HUMANO
81
CUADRO 4.10 DETALLE NÓMINA DE PERSONAL
83
CUADRO 4.11 DETALLE GASTOS GENERALES
84
CUADRO 4.12 COSTO ANUAL DE ENVÍO DE SMS
84
CUADRO 4.13
GASTOS DE OPERACIÓN DE MENSAJES SMS PARA EL
PRIMER AÑO DE FUNCIONAMIENTO CUADRO 4.14
85
PROYECCIÓN COSTOS ACTIVACIÓN DE MÓDULOS Y
SERVICIO GSM
85
CUADRO 4.15 DETERMINACIÓN DE LA INVERSIÓN
86
CUADRO 4.16 COSTO TOMA DE LECTURAS MANUAL
87
CUADRO 4.17 ANÁLISIS COMPARATIVO COSTOS DE LECTURAS
87
CUADRO 4.18. PERDIDAS DE ENERGÍA
89
CUADRO 4.19. CUADRO COMPARATIVO SISTEMA ACTUAL VERSUS SISTEMA DE TELEMEDICIÓN
89
CUADRO 4.20 TABLA AMORTIZACIÓN CRÉDITO
90
INDICE DE ANEXOS ANEXOS
99
ANEXO 1
100
DISTRIBUCION ESPECTRO RADIOELECTRICO
100
ANEXO 2
101
ESPECIFICACIONES TECNICAS DE EQUIPOS A USAR EN EL SISTEMA DE TELEMEDICION
VIA
RADIO
FRECUENCIA
USANDO
LA
BANDA
DEDICADA AL SISTEMA CELULAR
101
ANEXO 3
104
CARACTERISTICAS TECNICAS DEL SOFTWARE DE GESTION
104
ANEXO 4
105
DESCRIPCION Y FUNCIONALIDAD DE LOS EQUIPOS NECESARIOS PARA LA IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DE TELEMEDICIÓN
105
ANEXO 5
107
AREA DE COBERTURA DE OTECEL O PORTA
107
ANEXO 6
110
TARIFACION OTECEL SEGUN EL CONATEL
110
ANEXO 7
116
NUMEROS DE ABONADOS DE LA E.E.Q.S.A.
116
ANEXO 8
118
PROYECCION DE ABONADOS DE LA E.E.Q.S.A.
118
ANEXO 9
119
COTIZACION DE EQUIPOS DE COMUNICACION DE EMPRESA CINTELAM 119 ANEXO 10 COTIZACION
121 DE
INSTALACIONES
ELECTRICAS
Y
CABLEADO
ESTRUCTURADO DEL CENTRO DE CONTROL
121
ANEXO 11
123
COTIZACION DE UPS 10KVA
123
ANEXO 12
124
COTIZACION DE MUEBLES DE OFICINA
124
ANEXO 13
125
COTIZACION DE EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
125
ANEXO 14
127
SUELDOS EMPRESA ELECTRICA QUITO S.A.
127
ANEXO 15
128
PRESTAMOS BID
128
ANEXO 16
130
DOCUMENTOS SEMINARIO OLADE
130
ANEXO 17
132
CUADRO DE USO DE FONDOS PARA DETERMINACION DEL TIR Y DEL VAN
132
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: En la actualidad las empresas distribuidoras realizan el proceso de recolección y tratamiento de los datos de consumo de energía eléctrica de los contadores de cada uno de los usuarios de manera manual, por lo que para la realización de este proceso es necesario que exista un grupo determinado de personas con el fin de que realicen la recolección de los datos de consumo desde los contadores de los usuarios por las distintas zonas de la ciudad. Este personal una vez que ha realizado la recolección de los datos de consumo los entrega a un digitador para su respectivo ingreso a la base de datos de la empresa distribuidora para su posterior facturación; siendo este un proceso que toma varios días por lo cual es un método lento al momento de actualizar los consumos mensuales de energía para su posterior facturación, además es un método poco preciso. JUSTIFICACION: Los sistemas de telemedición mediante radio frecuencia permiten obtener la información del consumo de energía eléctrica de manera rápida y precisa; Debido a que con la utilización de medidores electrónicos con capacidad de comunicación por radio, cuyas lecturas sean enviadas hacia un concentrador de mediciones ubicados en cada transformador de distribución, del cual se envían los datos vía radio hacia el centro de control o base de datos de la empresa de distribución, donde se administra el sistema de telemedición en sí, en el centro de control se realiza la emisión de las planillas de forma ágil y en tiempo real. Este método permite eliminar el error generado durante la etapa de toma de lecturas y emisión de planillas. ALCANCE: Revisión general de los sistemas de telemedición mediante onda portadora, línea telefónica y radio frecuencia existentes en el mercado. Determinación de la factibilidad técnica de implementar un sistema de telemedición mediante radio frecuencia dentro del área de concesión de la E.E.Q.S.A.
Determinación del costo beneficio de implementar un sistema de telemedición mediante radio frecuencia como medio de transmisión de la información del consumo de energía eléctrica de los abonados del área de concesión de la E.E.Q.S.A. OBJETIVO GENERAL: Realizar un estudio técnico económico que permita evaluar la factibilidad de implementar un sistema de telemedición vía radio frecuencia para la etapa de procesamiento y adquisición de las lecturas de consumo de energía eléctrica del área de concesión una Empresa Eléctrica de Distribución OBJETIVOS ESPECIFICOS: Identificar el costo que actualmente se genera dentro del área de concesión de la Empresa Eléctrica Quito S.A. con los métodos utilizados actualmente durante la etapa de adquisición y procesamiento de las lecturas de consumo de energía eléctrica. Revisar de manera general los métodos técnicos existentes para la implementación de un sistema de telemedición encaminado a la toma y registro de lecturas de las empresas distribuidoras de energía. Establecer la factibilidad de implementar un sistema de telemedición mediante radio frecuencia, bajo un estudio técnico y económico, que permita la reducción de los tiempos generados para la lectura y procesamiento de datos, del área de concesión de la Empresa Eléctrica Quito. HIPOTESIS: El sistema de telemedición mediante radio frecuencia permitirá procesar las lecturas de consumo de energía eléctrica directamente desde los medidores hacia la base de datos de las Empresas Eléctricas Distribuidoras. El análisis costo beneficio permitirá evaluar la inversión requerida para la implementación de un sistema de telemedición mediante radio frecuencia.
METODOLOGIA: En la realización del presente estudio se utilizará el método deductivo, ya que se analizaran cada una de los factores que intervienen dentro del proceso de recolección y procesamiento de datos previos al proceso de facturación. PLAN DEL PROYECTO: CAPITULACION: CAPITULO 1. Introducción Alcance Objetivos CAPITULO 2. REVISION GENERAL DE LOS METODOS DE TELEMEDICION Generalidades Características técnicas CAPITULO 3. SISTEMAS DE TELEMEDICION MEDIANTE RADIO FRECUENCIA Generalidades Características técnicas Requerimientos necesarios para la implementación del sistema. CAPITULO 4. ANALISIS COSTO BENEFICIO DE LA IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE TELE MEDICION MEDIANTE RADIO FRECUENCIA Inversión requerida para la implementación del sistema Análisis costo beneficio CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
RESUMEN Como consecuencia del crecimiento constante en el número de clientes residenciales de las empresas distribuidoras de energía eléctrica, las compañías proveedoras de estos servicios tienen que realizar importantes inversiones tanto en recursos humanos como en tiempo; adicionalmente los errores, consecuencia de la operación manual de las lecturas de los contadores de energía, traen el reclamo constante de clientes, por lo expuesto, el presente trabajo analiza la factibilidad tanto técnica como económica de implementar un sistema de telemedición vía Radio Frecuencia para un empresa de distribución, de manera que no se tenga la necesidad de emplear personal de campo y de esta forma hacer una facturación mas transparente al usuario. En el presente proyecto se exponen los tres métodos de telemedición más representativos, como son vía Onda Portadora, Radio Frecuencia y Línea Telefónica para posteriormente centralizarse en el tema central que es el siguiente: ”ANALISIS DE FACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE TELEMEDICION UTILIZANDO EL METODO DE RADIO FRECUENCIA PARA UNA EMPRESA DE DISTRIBUCION”. Para el análisis tanto técnico como económico, el presente proyecto se basa en datos estadísticos ya sea de número de medidores, consumos, costos de facturación, etc., de los clientes residenciales de la Empresa Eléctrica Quito S.A. En el Capítulo III se realiza el análisis técnico de implementar el sistema de telemedición propuesto par los clientes residenciales, de toda el área de concesión de la E.E.Q.S.A., para en el capítulo IV realizar el análisis de factibilidad económica de implementar el sistema para la E.E.Q.S.A. Realizado el respectivo análisis financiero, se determinará si el sistema propuesto es factible tanto técnica como económicamente de implementarlo para los clientes residenciales de la E.E.Q.S.A, y por consecuencia para cualquier empresa de distribución de energía eléctrica.
CAPITULO I OBJETIVOS Y ALCANCE 1.1 INTRODUCCION En la actualidad la medición del consumo de energía eléctrica consumida por cada uno de los diferentes usuarios de las empresas distribuidoras se lo efectúa mediante medidores electromecánicos en la mayoría de casos y a pesar del constante desarrollo que estos han experimentado en las últimas décadas los medidores electrónicos están abarcando el mercado ya que estos prestan la misma funcionalidad que los electromecánicos y además brindan mayores prestaciones en lo que a medidas de los parámetros del sistema se refieren. Por esto y dado que brindan mayor seguridad, eficiencia, flexibilidad y que cuanto no cuentan con partes móviles que pueden sufrir deformaciones o desgaste, casi todas las empresas dedicada al desarrollo de contadores electromecánicos incluyen dentro de sus avances a los contadores electrónicos dada su gran versatilidad y por ser la tendencia actual. La facturación mensual por concepto del suministro de servicios de electricidad para hogares y residencias, es uno de los problemas que tienen planteados las compañías proveedoras. Como consecuencia del crecimiento constante en el número de clientes, las compañías proveedoras de estos servicios tienen que realizar importantes inversiones tanto en recursos humanos como en tiempo; adicionalmente los errores, consecuencia de la operación manual de lectura trae como consecuencia el reclamo constante de clientes. El desarrollo de plataformas públicas de comunicaciones así como el desarrollo de componentes electrónicos más baratos, han hecho factible la implantación de sistemas de medición remota. Estos sistemas aprovechan las redes públicas ya instaladas para obtener de cada residencia las medidas de consumo, sin necesidad de emplear personal de campo y de esta forma hacer una facturación más transparente al usuario. Por lo expuesto, en el presente proyecto se exponen los métodos de telemedición más representativos para posteriormente realizar el tema central que es el siguiente: 1
”ANALISIS DE FACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE TELEMEDICION UTILIZANDO EL METODO DE RADIO FRECUENCIA PARA UNA EMPRESA DE DISTRIBUCION” 1.1.1 SISTEMAS DE TELEMEDICION Los sistemas de telemedición basan su funcionamiento en la recolección y transmisión automática de datos de consumo de energía eléctrica de forma remota utilizando como vía para la transmisión de datos un medio de comunicación apropiado. Los sistemas de telemedición que se han desarrollado durante los últimos años proporcionan algunos beneficios entre los que puede citarse los siguientes:
Permiten obtener una lectura remota del medidor, sin utilizar recursos humanos para la misma.
Permiten la lectura de los medidores de todos los clientes el mismo día de cada mes, con lo cual se podría reducir el tiempo que se retrasa entre la lectura manual en el medidor y la fecha de facturación.
Debido a la tecnología electrónica usada, las lecturas son sumamente exactas comparando con los medidores convencionales.
Pueden generarse reportes en tiempo real.
Por lo enunciado anteriormente son varias las compañías que han desarrollado sus equipos para que funcionen dentro de algún sistema de telemedición para el uso de las compañías distribuidoras de energía eléctrica, para supervisar la energía consumida por los diferentes usuarios. Técnicamente, no es difícil equipar un medidor de energía con la funcionalidad de minimizar la intervención humana. El desafío principal para llevar a cabo el sistema de telemedición es proporcionar un fiable costo-efecto y un canal de comunicación adecuado para la transmisión de los datos entre la oficina central y el punto de medición.
2
Existen principalmente tres métodos de comunicación usados dentro de los sistemas de telemedición, siendo estos los siguientes:
Líneas telefónicas,
Radio Frecuencia
Onda Portadora
Cada método tiene sus propias fuerzas y debilidades así:
La comunicación vía telefónica proporciona una infraestructura de comunicación ideal para los sistemas de telemedición debido a la simplicidad de instalación, la calidad de datos, alta inmunidad de ruido y fiabilidad. La desventaja de este método es que se encontraría la indisponibilidad de leer los datos debido a la desconexión de la línea telefónica, cambio del número de teléfono del cliente, y el costo de factura mensual de las compañías del teléfono.
La Radio Frecuencia es inalámbrica, por lo que es fácil de instalar. Las desventajas de este método son las interferencias de ambiente circundante y los altos costos generados por la compra de la licencia para el uso de la banda de frecuencia a utilizar, igualmente al usar tecnologías vía celular los costos que implicaría la prestación de este servicio.
Las comunicaciones por Onda Portadora se refieren al concepto de transmitir la información utilizando la línea principal de alimentación de energía como un canal de comunicaciones. La ventaja de usar la onda portadora como medio de comunicación se basa en que las redes o líneas de alimentación son de
propiedad de las compañías distribuidoras de energía y que la
infraestructura ya existe. Por consiguiente, el sistema de telemedición que utiliza la onda portadora puede reducir la inversión que podría generarse por la construcción de las líneas de comunicación
3
Sin embargo el inconveniente de la utilización de este método se debe a que las líneas de alimentación generan un ambiente de comunicaciones difícil. Los niveles del ruido pueden ser excesivos, pero con el avance de las tecnologías, estos inconvenientes se han ido reduciendo. 1.2 ALCANCE En el desarrollo del presente trabajo se realizará: Revisión general de los sistemas de telemedición mediante onda portadora, línea telefónica y radio frecuencia existentes en el mercado. Esta revisión se desarrollará en el Capítulo II y su contenido se basará en una revisión general de los sistemas de telemedición mediante onda portadora, radio frecuencia y línea telefónica debido a que estos tres son los métodos más desarrollados. Determinación de la factibilidad técnica de implementar un sistema de telemedición
mediante radio frecuencia en una muestra dentro del área de
concesión de la E.E.Q.S.A. Este tema será desarrollado en el Capítulo III y se centrará en el estudio técnico para determinar la factibilidad de implementar un sistema de telemedición mediante radio frecuencia, seleccionado dentro de varias opciones referidas a este sistema, para el área de concesión de la E.E.Q.S.A. Determinación del costo beneficio de implementar un sistema de telemedición mediante radio frecuencia como medio de transmisión de la información del consumo de energía eléctrica de los abonados dentro del área de concesión de la E.E.Q.S.A. o Este tema se desarrollará en el capítulo IV para lo cual se determinará la inversión requerida para la implementación del sistema de telemedición mediante radio frecuencia y luego se procederá a realizar el análisis costo-beneficio todo esto para el área de concesión de la E.E.Q.S.A.
4
o Para este análisis no se tomará en cuenta el costo del medidor, ya que si bien es parte del sistema de telemedición, el objetivo del presente proyecto es encontrar la factibilidad de aplicar un sistema de telemedición vía radio frecuencia, y en el área de concesión de la E.E.Q.S.A. existen tanto medidores electromecánicos (que se pueden acoplar con un dispositivo al sistema de telemedición), y electrónicos que ya poseen puerto de comunicación, se los puede utilizar para el sistema de telemedición, además que la E.E.Q.S.A. se encuentra realizando el cambio de medidores antiguos “mayores de 25 años”1, por electrónicos. Actualmente existen varias opciones tecnológicas de telemedición mediante radio frecuencia, especialmente a lo que se refiere a la forma de telecomunicación. Se realizará el análisis previo en forma generalizada de la mejor opción basándose en estudios realizados de la misma. Con la mejor opción tecnológica del sistema de telemedición mediante radiofrecuencia seleccionada, se buscará un fabricante con el cual se realizará el estudio de factibilidad técnica y económica del presente estudio. 1.3 OBJETIVOS El objetivo principal del desarrollo del presente trabajo es: Establecer la factibilidad de implementar un sistema de telemedición mediante radio frecuencia, bajo un estudio técnico y económico, que permita la reducción de los tiempos generados para la lectura y procesamiento de datos en el área de concesión de la Empresa Eléctrica Quito Para la realización de este objetivo se deberá:
1
I SEMINARIO LATINOAMERICANO Y DEL CARIBE DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EXPERIENCIAS DE LA EMPRESA ELÉCTRICA QUITO S.A. EN REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS DE ENERGÍA- Quito, 5 de agosto de 2008 – “OLADE Y E.E.Q.S.A.”
5
o Determinar la inversión requerida para la implementación del sistema de telemedición mediante radio frecuencia. o Establecer la factibilidad económica de implementar el sistema en el área de concesión de la Empresa Eléctrica Quito S.A.
6
CAPITULO II
REVISION
GENERAL
DE
LOS
METODOS
DE
TELEMEDICION 2.1 INTRODUCCION
El esquema y concepto de los sistemas de telemedición constituyen todo el sistema de medición: 1. instalación de medición, 2. medios de comunicación y 3. centro de control Bajo este esquema el medidor generalmente es del tipo electromecánico, convertido mediante una tarjeta electrónica para su lectura automática o un medidor electrónico. Para la comunicación entre el medidor y el centro de control normalmente existen tres medios y son los siguientes: Onda Portadora Radio Frecuencia Línea Telefónica 2.1.1 MEDICION DE ENERGIA ELECTRICA La medición de energía eléctrica se efectúa con la ayuda de contadores, los mismos que determinan la cantidad de energía eléctrica utilizada por el abonado. También se utiliza para conocer la cantidad de energía a través de las redes de distribución que no son traducidas precisamente en trabajo útil o electromecánico por falta de compensación de cargas reactivas. Medición de energía activa La medición de energía activa consiste en la cuantificación de la energía capaz de transformar la energía eléctrica en trabajo, los diferentes dispositivos eléctricos 7
existentes convierten la energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. Medición de energía reactiva La energía eléctrica no solo se compone de energía activa, a pesar de ser la que realmente realiza el trabajo, sino que también existe la energía reactiva, y es aquella que resulta de la utilización de una serie de equipos y componentes tales como motores eléctricos, y condensadores, esta energía provoca pérdidas en los conductores que la transportan, por esta razón, las empresas de distribución buscan mecanismos de regulación a fin de disminuir su efecto, por lo cual es necesario la existencia de medidores de energía reactiva. Medición de energía aparente La energía aparente es el resultado vectorial de sumar la energía activa con la reactiva, es una magnitud puramente numérica, y no representa una magnitud física. Su estimación se basa para el cálculo de la carga de los generadores y transformadores, que están limitados por su máxima intensidad de corriente. Mediciones especificas de energía. La complejidad de los métodos de facturación impuestos por las empresas distribuidoras ha creado la necesidad de establecer la cuantificación de la energía en función del tiempo, es un registro basado en la creación de tarifas horarias, debido a que el costo de producción de la energía varia en el tiempo, creándose contadores de energía horarios. Adicionalmente la medición de la demanda eléctrica es necesaria, su estimación obedece a la actual facturación eléctrica vigente en el país, y se basa en la determinación del máximo pico de demanda existente en un tiempo determinado, otro de los parámetros que usualmente se requiere cuantificar es la cantidad de energía consumida en los centros de transformación, de esta manera dicha energía es cuantificada y facturada al dueño del equipo, dichos medidores se los conoce como medidores de energía con compensación de pérdidas en el transformador.
8
2.1.2
TEORIA Y CONSTRUCCION DEL MEDIDOR DE ENERGIA ELECTROMECANICO2
La fabricación de medidores de corriente alterna y concretamente tipos basados en el sistema motor de inducción, se deben a la gran extensión de redes de corriente alterna existentes a nivel mundial. Las partes principales de un medidor de energía de corriente alterna son: 1. Sistema motor 2. Rotor y cojinetes 3. Imán de freno 4. Mecanismo numerador-integrador Sistema Motor Está compuesto por dos electroimanes con sus respectivos arrollamientos de tensión y de intensidad, figura 2.1. El arrollamiento de tensión se conforma de varias espiras, lo cual le provee una alta inductancia (por lo general las bobinas de tensión de los medidores disipan 1 W por cada 100 V de la tensión nominal), el mismo está conectado a la tensión de la red que alimenta el receptor, mientras que el arrollamiento de intensidad se compone de pocas espiras y muy baja impedancia (la potencia disipada en las bobinas de intensidad no sobrepasan 6.3 W. como valor medio), este se intercalado en serie con el receptor. Ambos electroimanes abrazan el rotor.
Figura 2.1 Sistema Motor
2
http://www.metas.com.mx/guiametas/la-guia-metas-03-03-ener.pdf
9
ROTOR Y COJINETES El rotor es un disco de aluminio que gira a bajo número de revoluciones por minuto, figura 2.2. La velocidad nominal de giro del rotor del medidor es el número de revoluciones por minuto del disco al aplicar al medidor una tensión, e intensidad de corriente nominal, y el factor de potencia del receptor.
Figura 2.2 Disco rotor
El disco del rotor generalmente es una capa de aluminio de espesor no mayor a 1.5mm. Está fijado sobre el eje provisto de un sin fin que engrana con el numerador. El sin fin puede ser postizo y de material plástico o fresado sobre le mismo eje. En la mayoría de los medidores el disco tiene estampada sobre su circunferencia una escala que tiene la finalidad de facilitar el contraste del medidor en serie. En medidores polifásicos se utilizan 2 o 3 discos colocados sobre el mismo eje. El eje del disco o rotor requiere de cojinetes par su soporte, los mismos que se ubican en la parte superior e inferior del disco, apoyándose sobre el cojinete inferior, y utilizando un superior que impide su inclinación, por tal motivo, se entiende que el cojinete inferior reacciona a las fuerzas verticales, y el superior a las laterales. Este sistema de cojinetes conlleva a un eventual rozamiento en el eje del rotor que genera errores en la medición eléctrica, por tanto y con el fin de evitar el rozamiento se han 10
desarrollado sistemas de suspensión que tienen como finalidad reducir la fricción del eje con el cojinete. IMAN DE FRENO El imán de freno es uno de los elementos más importantes del sistema de ajuste del medidor. De su posición y de la estabilidad de su flujo magnético depende el error principal del medidor, por lo tanto, es muy importante que cumpla con determinadas características, tales como una alta estabilidad magnética, gran fuerza coercitiva y mínima sensibilidad a los cambios de temperatura. MECANISMO REGISTRADOR Es el dispositivo capaz de sumar las vueltas efectuadas por el disco proporcionalmente con la energía suministrada al consumidor, e indicarla en sus unidades correspondientes (kWh), figura 2.3, la constante nominal del medidor se determina por la relación de engranajes del numerador, y a ésta se ajusta, durante su contraste con el medidor de energía.
Figura 2.3 Mecanismo Registrador
ERRORES DEL MEDIDOR DE ENERGIA El medidor de energía, lo mismo que cualquier otro instrumento de medición, indica con error. El error del medidor depende de varios factores y existe un límite del valor de error admisible. En consecuencia el medidor debe ser verificado y contrastado antes de entrar en operación. La verificación del medidor consiste en la comprobación de la velocidad del disco-rotor y el contraste en el ajuste y regulación 11
de esta velocidad a la correcta, o sea a la velocidad nominal. La velocidad nominal del disco es la velocidad con la cual el medidor acusará sin error la energía consumida por una potencia nominal durante un tiempo determinado. 2.1.3
PRINCIPIOS DE MEDICION ELECTRONICA DE ENERGIA3
Los primeros intentos en el diseño de medidores electrónicos de energía derivaron del cálculo de la potencia a través de multiplicar corriente y voltaje en el dominio analógico, pero la linealidad con respecto a la temperatura y el tiempo produjeron resultados no superiores a los medidores electromecánicos. Los conceptos de estabilidad, linealidad y precisión ofrecidos por los sistemas de detección/corrección automática en los cálculos digitales es ya una constante en el sector de las comunicaciones. Sin embargo, el poder de la tecnología moderna ha llegado a las puertas de la metrología de electricidad. Productos basados en DSP (Procesamiento Digital de Señal) digitalizan las señales de corriente y voltaje por medio de ADCs (convertidores análogo-a-digital) antes de hacer los cálculos. El procesamiento digital de las señales permite el cálculo estable y exacto por encima de las variaciones de tiempo y medio ambiente. Este procesamiento digital se puede manejar de dos formas diferentes: DSP’s programables y DSP’s de función fija. Las soluciones con DSP’s programables ofrecen la ventaja de reconfiguración post diseño. Obviamente, la facilidad de la reconfiguración es una consideración importante para cualquier medidor electrónico pero un DSP programable no es el método más exacto o el más económico de conseguir un medidor que ofrezca la flexibilidad de la reconfiguración. Primero, un microprocesador de bajo ancho de banda complementa un DSP de función fija para operar el sistema de comunicaciones y pantalla (display) electrónica. Al quitarle la gran carga computacional, la potencia y costo del aparato microprocesador pueden ser reducidos en forma considerable. Muchos diseños de 3
KARCZ, Andrés, Fundamentos de la Metrología Eléctrica, Ediciones Alfaomega, México DF, 1994.
12
medidores de energía se han fabricado en el último año con microprocesadores de 4MHz y 4-bits. El micro-controlador permite un grado limitado de configuración a la vez de manejar algunas funciones operativas internas (house-keeping functions), como: •
Encripción y demodulación de datos para las redes de comunicaciones
•
Grabación de la hora (time stamping) para facturación multitarifa.
•
Inteligencia sobre el suministro de energía (detección de apagones, desconexión remota, prepago, administración de cargas)
El microprocesador permite a los usuarios seleccionar el nivel de servicio que deseen y/o la empresa de servicios públicos puede configurar remotamente cada medidor. Los productos Standard basados en DSP’s de función fija usan ADCs integrados que digitalizan las ondas de voltaje y corriente a la más alta resolución a un costo muy bajo. Los DSP’s programables que intentan integrar la conversión análogo-a-digital fallan en la habilidad de continuamente efectuar sobre-muestreo a las señales análogas. La selección de una arquitectura ADC para los DSP’s programables tendrá mayores costos y tendrá unos resultados más bajos en el número efectivo de bits de resolución. Los DSP’s programables tienen un error inherente porque estos están limitados por un procesamiento discreto del tiempo. La potencia consumida durante los intervalos de los cálculos no es registrada. Un producto con un DSP de función fija usa ADCs de muestreo continuo y calcula la energía activa continuamente procesando la señal de potencia instantánea. Finalmente, el costo de los DSP’s programables puede ser expresado en términos de tiempos más largos para llegar al mercado, costo de programación del código fuente, y costos unitarios más altos. El mayor costo unitario pierde sentido cuando el usuario se da cuenta que “programable” implica circuitos adicionales que no se están utilizando. La simpleza de un DSP de función fija ofrece un bajo tiempo para llegar al mercado y costos generales bajos. Un microcontrolador programable de 4 bits siempre será menos costoso que un DSP programable de 16-bits. 13
2.1.4
VENTAJAS DE LOS CONTADORES ELECTRONICOS
Los contadores electrónicos benefician en cuatro formas significativas: •
El servicio al cliente se mejora con el uso de sistemas de lectura remota de medidores (amr) y con una eficiente administración de datos. Además de tener menores dudas sobre las facturas de los servicios públicos, los consumidores se benefician de un sistema más eficiente de distribución de energía. Los apagones se pueden detectar, identificar y corregir más rápidamente para los clientes cuyos medidores están comunicados a través de una red.
•
Se reducen las molestias y la polución ambientales al lograr reducir el tamaño de los equipos de generación eléctrica. Se minimiza el uso durante picos a pesar del crecimiento poblacional por medio de métodos de facturación con tarifación múltiples y se mantiene la limpieza en la distribución al monitorizar la polución de la calidad energética que algunos clientes aportan al sistema.
•
Los consumidores se pueden beneficiar de facturación más baja con el uso de medidores controlados con tarjetas inteligentes (smart cards) que reducen los costos operacionales del servicio, lectura de medidores y procesamiento de datos.
•
Se logra un aumento en la precisión de la medición a pesar de las cargas no lineales. Los medidores electromecánicos no son capaces de medir con precisión la energía frente a populares esquemas normativos de fase a carga fija en los sistemas de distribución. La medición electrónica es más robusta y precisa bajo tales condiciones.
14
2.1.5
TIPOS DE MEDIDORES DE ENERGIA4
Existen varios tipos de medidores de energía, los mismos que se clasifican de acuerdo a los parámetros eléctricos que son capaces de cuantificar, para poder distinguir los medidores en cuanto a su propósito, se los puede agrupar de la siguiente forma: Grupo A, en función del sistema de la red a través de la cual se utilice la energía 1. Medidores monofásicos 2. Medidores trifásicos Grupo B, en función el tipo receptor cuyo funcionamiento influye en la tarifa 1. Medidores de energía activa 2. Medidores de energía reactiva 3. Medidores de energía aparente Grupo C. en consideración del horario de la utilización y de la máxima carga de corta duración 1. Medidores de la tarifa múltiple 2. Medidores de la demanda máxima Grupo D. en consideración a parámetros especiales a cuantificar 1. Medidores de energía con compensación de pérdidas de transformador 2. Medidores de energía directa 3. Medidores de energía indirecta
4
KARCZ, Andrés, Fundamentos de la Metrología Eléctrica ,Ediciones Alfaomega, México DF, 1994,
p149.
15
2.1.6
CARACTERISTICAS DE LOS CONTADORES DE ENERGIA SEGUN LA EMPRESA ELECTRICA QUITO S.A. 5
Si bien el medidor es un elemento secundario, para el presente proyecto, es recomendable que para aprovechar al máximo el sistema de telemedición, el medidor electrónico debe tener las siguientes características, todo este de acuerdo a especificaciones solicitadas por la Empresa Eléctrica Quito S.A. Los contadores de energía deben cumplir características técnicas y de fabricación las mismas que las enumeramos a continuación: Normas Los medidores deberán ser fabricados de acuerdo a la Norma Metrológica IEC 1036 ó UNE – EN61036, deberá contar con informe técnico de un organismo de control certificado que certifique el cumplimiento de las normas. Construcción Los medidores deberán cumplir los requisitos siguientes: •
Diseño compacto.
•
Grado de hermeticidad.
•
Visualización Digital con LCD (Pantalla de Cristal Líquido).
•
Accesibilidad y simplicidad en conexiones y lecturas
•
El tipo de conexión será frontal e inferior.
Componentes El medidor estará compuesto de los siguientes elementos:
•
BASE.- De constitución rígida, fabricado de poli carbonato, no tendrá Tornillos, remaches o dispositivos de fijación de las partes internas del contador, que puedan ser retirados sin violación de los dispositivos de seguridad, estará provista de una oreja para la suspensión superior y 2 laterales inferiores para la sujeción, esta base deberá ser resistente a los golpes y variaciones de temperatura (-10°C a 60°C.).
5
CONCURSO N° CCO-001-2006 EEQSA Pág.3
16
•
TAPA.- La tapa del medidor deberá ser de poli carbonato, resistente a rayos ultravioleta y contra impactos, deberá tener protección contra la penetración de objetos sólidos, polvo y de agua al interior del medidor, fijada a la base mediante tornillos u otra fijación que permitan la colocación de los precintos de seguridad y garantice la hermeticidad especificada anteriormente. La tapa no podrá retirarse sin violar los dispositivos de seguridad.
Pantalla de visualización. La pantalla será de Cristal Líquido, apropiada para trabajar en altitudes hasta de 4000 msnm, para condiciones de variación de temperatura bruscas y sobre tensiones de origen atmosférico severas, resistente a la exposición a rayos ultravioleta, resistente a los cortes y reposición de tensiones. Deberá visualizar como mínimo 5 dígitos enteros y 1 decimal. De gran contraste y visible en ángulo. Registrador de energía. El registro de energía deberá ser almacenado en una memoria no volátil, que mantenga la información del consumo inclusive después de una falta de tensión. Dispositivo de pulsos. El medidor deberá contar con salida de pulsos para realizar pruebas y contrastación. Adicionalmente, deberá contar con un sistema siempre positivo de registro y un indicador de inversión de fases. Características adicionales de los medidores de energía Debe ser bidireccional con precisión de 0.2% o mejor para las mediciones de energía activa (Kwh). Debe aceptar entradas máximas de corriente del secundario del transformador de corriente directamente relacionado con el del factor térmico elegido multiplicado por la corriente del secundario, y voltaje máximo del secundario del transformador de potencial elegido.
17
Debe ser programable desde un puerto local con el apoyo de una computadora. Los parámetros programables deben ser almacenados en memoria no volátil. Debe operar sin detrimento de su precisión en temperatura ambiente de entre 20 y 70 grados Celsius con humedad relativa entre 0 y 95%. Debe estar equipado con un reloj interno el cual será sincronizado como esclavo únicamente por el computador servidor en el CND, por medio de la utilización de una contraseña, la cual fijará el CND. Debe permitir desplegar en una pantalla local, como mínimo, la siguiente información: demanda, potencia activa instantánea, factor de potencia, frecuencia, hora y energía activa entrando y saliendo. Debe almacenar en memoria las variables de energía activa y reactiva, entrando y saliendo, voltajes y corrientes por fase, demanda integrada en 15 minutos. Esta información debe almacenarse en períodos de quince (15) minutos, por lo menos por cuarenta y cinco (45) días y utilizar el principio de almacenamiento circular, bajo el concepto FIFO (lo primero que entra es lo primero que sale). Debe tener una fotocélula contador tipo Ferrari o Electrónico para la verificación de la precisión de la medición. La utilización de la misma no debe interferir en la operación normal del medidor. La comunicación del medidor es vía puerto óptico, puerto RS232, etc. 2.2
SISTEMAS DE TELEMEDICION
A continuación se realizará una breve revisión de los varios sistemas de telecomunicaciones que se puede usar para la implementación de un sistema de telemedición. 2.2.1 2.2.1.1
SISTEMA DE TELEMEDICION MEDIANTE ONDA PORTADORA GENERALIDADES 18
Los sistemas de telecomunicaciones por redes de distribución de energía eléctrica, nombrados en idioma ingles como Power Line Communications (PLC), y más recientemente como Broadband Power Line (BPL), son un nuevo tipo de sistema que tiene su antecesor en el denominado Onda Portadora por Línea de Alta Tensión" (OPLAT), pero con capacidad de proveer una tasa de transferencia de datos significativamente mas alta (miles de veces), en topología de red mallada en vez de radial. Como ya expresamos, la idea no es nueva y ya en los años '50 se había creado un sistema que permitía a las empresas de energía controlar el consumo, el encendido del alumbrado público y el valor de las tarifas eléctricas por medio de una señal de baja frecuencia (100 Hz) que viajaba a través de los cables de la red en un solo sentido. A mediados de los '80 se iniciaron investigaciones sobre el empleo de los cables eléctricos como medio de transmisión de datos y a fines de esa década ya se conseguía transmitir información en ambas direcciones, en los finales de los '90 se consiguió que esta transmisión se realizara a velocidades suficientemente elevadas, esto permitió brindar la base a un fenómeno en el campo de las telecomunicaciones, como lo es el acceso a Internet. De esta manera los más avanzados estudios indican que se pueden llegar a alcanzar velocidades que rondan los 200 MBps.6 2.2.1.2
INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA PLC (TESIS PLC)
Las iniciales se refieren a las palabras inglesas Power Line Communications o Power Line Carrier. En castellano esto significa, Comunicaciones a través de la Red de Energía o bien Transmisión por Onda Portadora de Corriente. Se trata, fundamentalmente, de la transmisión de voz y datos a través de la red eléctrica. El objetivo mas atrayente de esta tecnología es tratar de aprovechar la existencia de la mayor red construida por el hombre (mas de 3.000 millones de personas cuentan con energía eléctrica en todo el mundo) llamada red de redes. De esta manera, las compañías eléctricas incrementaran su rentabilidad, al aumentar el valor agregado de sus servicios con una mínima inversión, aprovechando su infraestructura para fines
6
http://www.epen.gov.ar/archivos/educativo/Tesis_GB_MB.pdf
19
que no habían sido concebidos inicialmente. Es algo similar a lo ocurrido con las empresas telefónicas cuando comprendieron que el par de cobre se podía emplear para acceder a Internet y ofrecer otros servicios de transmisión de datos, además de permitir las comunicaciones por voz. La empresa eléctrica actualmente se encuentra implementando el servicio de Internet a través de este sistema7 2.2.1.3
SISTEMA
DE
TELEMEDICION
MEDIANTE
RADIO
FRECUENCIA. 2.2.1.3.1
INTRODUCCION
A
LA
TECNOLOGIA
DE
RADIO
FRECUENCIA Al estudiar este tipo de medio de transmisión de datos es importante saber que cualquier transmisión de datos puede efectuarse sin ningún tipo de hilo, simplemente utilizando dispositivos que transportan la información mediante ondas. Por ejemplo la información recibida a través de la radio y televisión, vía celular, etc. La radiofrecuencia es en efecto un tipo de onda electromagnética que es muy semejante a la energía luminosa, y tiene la misma velocidad que la luz que es 300.000.000 metros por segundo. Las ondas de radio pueden generarse en una amplia gama de frecuencias, empezando aproximadamente de 10,000 hz y siguiendo a través de millones de hertzios hasta miles de millones. Se han incluido también ondas electromagnéticas, como luz visible.8 Las características de propagación de las ondas de radio a través de la atmósfera varían en gran medida con la frecuencia y deben tenerse presentes a la hora de elegir una frecuencia para un servicio de radio en particular. Las ondas de radio se dividen en diferentes bandas de frecuencia de acuerdo con sus características de propagación. En el anexo 1 se indica la distribución de frecuencias a nivel internacional.
7 8
http://electronet.net.ec/Productos/BPLInternetResidencial/tabid/78/Default.aspx http://pdf.rincondelvago.com/medios-de-transmision.html Pág. 16
20
El término radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o RF, se aplica a la porción del espectro electromagnético en el que se pueden generar ondas electromagnéticas aplicando corriente alterna a una antena. 2.2.1.3.2
GENERALIDADES DEL SISTEMA
DE TELEMEDICION
MEDIANTE RADIO FRECUENCIA. Existen varios esquemas que se pueden utilizar para este tipo de medición remota entre los más importantes se cita los siguientes: Solución Inalámbrica Desde El Contador Usando Un Transmisor-Receptor De RF Que Se Comunica Directamente Con El Centro De Control. Estos esquemas proponen soluciones inalámbricas desde el contador, lo que permite manejar sistemas monofamiliares y multifamiliares de forma adecuada. La implementación de uno de estos sistemas, requiere un transmisor-receptor de RF en cada medidor. Estos sistemas se especifican según su compatibilidad con los diferentes tipos o modelos de medidores instalados dentro de la infraestructura de la empresa prestadora del servicio. Solución Inalámbrica Desde El Concentrador De Medidores Hasta El Centro De Control, Y Desde El Concentrador De Medidores Hasta El Medidor La Comunicación Se Realiza Mediante Cable. Este esquema de telemedición, que por ser económicamente más viable es uno de los mejores opciones para ser implementado en la ciudad de Quito, se divide en cuatro partes principales: Módulo de adquisición de medidas, el cual se puede comunicar con el módulo de concentración de medidas con protocolos abiertos de comunicación que pueden ser MODBUS, RS-232, RS485, etc., y la comunicación con el centro de gestión es vía RF utilizando un MODEM RF tanto en el concentrador como en el centro de control. Además incluye un módulo de potencia para soporte de este. A continuación se muestra el gráfico base del este sistema.
21
Figura 2.4 Diagrama en Bloques Solución Inalámbrica Usando La Banda Rf Dedicada a La Comunicación Celular Otro tipo de sistema que se puede implementar es a través de la red celular GSM, este tipo de sistema es aplicado en la Empresa Eléctrica Quito S.A. y realiza la telemedición de clientes especiales, además es uno de los sistemas con mayor aplicación en las empresas de distribución eléctrica.9 Esta solución permite el monitoreo, supervisión y adquisición de datos históricos y en tiempo real de las lecturas de los medidores, a través de una red de comunicaciones de telefonía celular GSM. Se basa en la tecnología de transmisión de mensajes SMS, a través de la red de telefonía celular GSM.
9
sistema de tele medición para clientes especiales de la E.E.Q.S.A.- Néstor Duque Domínguez, Roberth Saraguro Ramírez – ECUACIER
22
Se debe instalar en cada medidor un Módulo de Adquisición de lectura de datos con un dispositivo de comunicaciones GSM incorporado, para formar el equipo (MAGSM), como se muestra en la figura 2.5.
Figura 2.5 Diagrama de conexión de módulo MA-GSM Dependiendo del tipo de medidor estos Módulos de Adquisición de lecturas pueden estar: •
Acoplados al puerto óptico del medidor
•
Acoplados al puerto serial del medidor
•
Acoplados internamente en el medidor.
En el anexo 2 se puede observar las características técnicas de todo el equipamiento necesario para la implementación de este sistema, y en el anexo 4 la funcionalidad de cada equipo dentro del sistema. Adicionalmente en el Servidor de Comunicaciones de red GSM del Centro de Control, se instala varios Módulos GSM para Recepción Datos y Lecturas de los medidores. Estos Módulos tienen interfaz de acoplamiento USB, para la conexión con los puertos USB del Servidor de Comunicaciones GSM. Estos módulos se denominan (MRUSB-GSM).
Figura 2.6 Diagrama de comunicación vía GSM 23
2.2.1.4
SISTEMA DE TELEMEDICION MEDIANTE VIA TELEFONICA.
Este sistema, utiliza el par telefónico como medio de transmisión de datos, entre el contador de energía y la base de adquisición de datos del departamento de comercialización de la empresa distribuidora, la transmisión de datos del medidor se programa remotamente, a través de una simple llamada telefónica. 2.2.1.4.1
INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA VIA TELEFONICA
Los sistemas de tele medición parten a través de contadores de energía que poseen, o soportan un módem de comunicación, el cual se acopla al medidor con el fin de tener acceso a la memoria interna del contador, la descarga de los datos hacia la estación central de la empresa distribuidora esta programada en función de las fechas de corte de facturación que puede variar en cada empresa distribuidora, la programación consiste en una simple llamada telefónica, a través del módem, en función de un número de intentos predeterminados, en el caso de que no se pueda efectuar la comunicación, el módem estaría programado para intentar la comunicación las veces que sean necesarias a fin de conseguir el enlace de comunicación. Cabe mencionar que otra de las funciones útiles es la capacidad de almacenar varios números telefónicos, garantizado la comunicación a través de un número telefónico principal, o secundarios, la unidad intentara comunicarse inicialmente con el número principal, en el caso de no obtener respuesta, intentara con las líneas secundarias programadas. 2.2.1.4.2
LINEA TELEFONICA COMO MEDIO DE COMUNICACION
La línea telefónica consiste en dos hilos de cobre con chaqueta aislada, y trenzados entre si, a fin de reducir las interferencias electromagnéticas inducidas por los pares cercanos, el par telefónico se puede utilizar ya sea para la transmisión de datos analógicos o digitales, y su ancho de banda depende mucho de la sección de cobre así como de la distancia en su recorrido.
24
2.2.1.4.3
GENERALIDADES DEL SISTEMA DE TELEMEDICION VIA TELEFONICA
El funcionamiento del sistema de tele medición por vía telefónica, consiste en la implementación de Módulos de Adquisición con un dispositivo de comunicaciones Dial Up incorporado, en los medidores de los clientes de las Empresas distribuidas, en el centro de control se instala un equipo Terminal Server, que sirve como puerto de comunicaciones dial up, para administrar las conexiones de los equipos de la red de datos local del centro de control, hacia los módems de los módulos vía telefónica incorporados en los medidores de clientes. A través de un software instalado en el servidor de Aplicaciones y Base de datos del centro de control, realiza un requerimiento de acceso a los medidores, para realizar las lecturas históricas y en tiempo real. El requerimiento de conexión es programado en el Terminal Server, el cual realiza la conexión por vía telefónica hacia el módem de los módulos instalados en los medidores de los clientes, a través de las líneas telefónicas de Andinatel, durante la conexión el centro de control a través de su servidor, accede a la memoria de los medidores obteniendo información almacenada tal como las lecturas históricas, así como datos en tiempo real, estas lecturas son almacenadas y procesadas en el servidor del centro de control, y enviadas hacia los programas de facturación de la empresa distribuidora.
25
CAPITULO III
SISTEMAS DE TELEMEDICION MEDIANTE RADIO
FRECUENCIA 3.1
GENERALIDADES
El análisis técnico económico a realizar se basará en la tecnología GSM, tomando en cuenta que este es un análisis para el área de concesión de la Empresa Eléctrica Quito S.A., la cual contará con cobertura celular. Sin embargo es importante recalcar que para áreas donde no existe cobertura celular se puede aplicar un sistema de telemedición vía telefónica, vía Power Line Carrier o vía radio utilizando módems RF, hasta un punto donde exista cobertura GSM y mediante un MODEM GSM se enviará la información al centro de control. 3.2
INTRODUCCION RADIO FRECUENCIA
El denominado espectro de radiofrecuencia o RF, se aplica a la porción del espectro electromagnético en el que se pueden generar ondas electromagnéticas aplicando corriente alterna a una antena. En el anexo 1 se tiene la distribución del espectro electromagnético. Según la SENATEL, Las bandas 824-849 MHZ, 869-894 MHZ, se atribuyen a los servicios fijo y móvil, y operarán los servicios de telefonía móvil celular y servicio móvil avanzado.10 Es importante conocer los conceptos relacionados con la modulación de señales. 3.2.1
MODULACION DE SEÑALES11
En principio, modular es la acción de imprimir una señal a una variación recuperable que afecte alguna de sus características siguiendo una ley que dependa de otra señal. Si pensamos que una señal tiene dos factores característicos: la amplitud y la frecuencia, ya surgen cuáles son nuestras posibilidades.
10
Resolución 531-31-CONATEL-2002 del 5 de noviembre del 2002 – Art. 1, EQA.175
11
http://html.rincondelvago.com/medios-de-transmision.html
26
Una variación posible es la amplitud y conservará su frecuencia constante, pero cada ciclo tendrá diferente valor de la intensidad o de la tensión. Supongamos que dejamos constante la amplitud de la onda, pero hacemos variar su frecuencia, tanto en aumento como en disminución, entonces se realiza una variación de frecuencia. De donde podemos decir que existen tres tipos diferentes de modulación de señales: Modulación de Amplitud Modulación de Frecuencia Modulación de Fase
Figura 3.1 Modulación de señales
27
3.2.1.1
MODULACION DE AMPLITUD
Es el proceso de variar la amplitud de la onda portadora sinusoidal con la amplitud de la señal moduladora. La onda portadora no modulada tiene un valor máximo constante y una frecuencia más elevada que la señal moduladora. La onda portadora no modulada tiene un valor máximo constante y una frecuencia más elevada que la señal moduladora, pero cuando se aplica la señal moduladora el valor máximo de la portadora, varía de acuerdo con los valores instantáneos de la señal moduladora, y la forma de la onda exterior envolvente de los valores máximos de la onda moduladora es la misma que la forma de onda de la señal moduladora original. 3.2.1.2
MODULACION DE FRECUENCIA
Es el proceso de variar la frecuencia de la portadora sinusoidal con la amplitud de la señal moduladora. Cuando se aplica la señal moduladora, la frecuencia de la portadora aumenta hasta un valor máximo a medida que la amplitud de la señal moduladora crece hasta su máximo en el sentido positivo, y disminuye hasta su valor propio no modulado cuando la amplitud disminuye a cero. Entonces, en la segunda mitad del ciclo la señal moduladora, la frecuencia de la portadora disminuye hasta un valor mínimo a medida que la amplitud de la señal moduladora aumenta hasta su máximo en el sentido negativo, aumenta hasta su valor no modulado cuando la amplitud de la señal moduladora disminuye nuevamente hasta cero. El valor máximo o amplitud de la onda portadora permanece constante. Es importante comprender que la variación de la frecuencia portadora por encima y por debajo de su valor no modulado depende de la amplitud de la tensión (o corriente) de señal moduladora.
28
3.2.1.3
MODULACION DE FASE
Con la modulación de fase la onda portadora empleada no es sinusoidal, sino que está formada por impulsos rectangulares repetidos. La amplitud, altura o posición de los impulsos pueden ser variadas por la amplitud de la señal de formación. 3.2.2
INTRODUCCION TECNOLOGIA GSM
Se define la Red del Sistema Global de Telefonía GSM como aquel servicio portador constituido por todos los medios de transmisión y conmutación necesarios que permiten enlazar a voluntad dos equipos terminales móviles mediante un canal digital que se establece específicamente para la comunicación y que desaparece una vez que se ha completado la misma.12 3.2.2.1
DESCRIPCION DEL SERVICIO
Los sistemas de telefonía móvil automática necesitan conseguir una amplia cobertura y una gran capacidad de tráfico con un limitado número de frecuencias. Ello es posible gracias a la reutilización sistemática de las frecuencias, lo que se logra mediante las estructuras celulares, como se indica en el siguiente gráfico.
Figura 3.2 Estructuras celulares
12
http://www.iec.org/online/tutorials/acrobat/GSM.pdf
29
Las redes de telefonía móvil se basan en el concepto de celdas, es decir zonas circulares que se superponen para cubrir un área geográfica. Las redes celulares se basan en el uso de un transmisor-receptor central en cada celda, denominado "estación base" (o Estación base transceptora, BTS). Cuanto menor sea el radio de una celda, mayor será el ancho de banda disponible. Por lo tanto, en zonas urbanas muy pobladas, hay celdas con un radio de unos cientos de metros mientras que en zonas rurales hay celdas enormes de hasta 30 kilómetros que proporcionan cobertura. En una red celular, cada celda está rodeada por 6 celdas contiguas (por esto las celdas generalmente se dibujan como un hexágono). Para evitar interferencia, las celdas adyacentes no pueden usar la misma frecuencia. En la práctica, dos celdas que usan el mismo rango de frecuencia deben estar separadas por una distancia equivalente a dos o tres veces el diámetro de la celda. 3.2.2.2
ARQUITECTURA GSM
En una red GSM, la terminal del usuario se llama estación móvil, y está constituida por una tarjeta SIM (Módulo de identificación de abonado), que permite identificar de manera única al usuario y a la terminal móvil, o dispositivo del usuario. Las terminales (dispositivos) se identifican por un número único de identificación de 15 dígitos denominado IMEI (Identificador internacional de equipos móviles). Cada tarjeta SIM posee un número de identificación único (y secreto) denominado IMSI (Identificador internacional de abonados móviles). Este código se puede proteger con una clave de 4 dígitos llamada código PIN. Por lo tanto, la tarjeta SIM permite identificar a cada usuario independientemente de la terminal utilizada durante la comunicación con la estación base. Las comunicaciones entre una estación móvil y una estación base se producen a través de un vínculo de radio.
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Figura 3.3 ARQUITECTURA GSM
Todas las estaciones base de una red celular están conectadas a un controlador de estaciones base (o BSC), que administra la distribución de los recursos. El sistema compuesto del controlador de estaciones base y sus estaciones base conectadas es el Subsistema de estaciones base (o BSS). Por último, los controladores de estaciones base están físicamente conectados al Centro de conmutación móvil (MSC) que los conecta con la red de telefonía pública y con Internet; lo administra el operador de la red telefónica. El MSC pertenece a un Subsistema de conmutación de red (NSS) que gestiona las identidades de los usuarios, su ubicación y el establecimiento de comunicaciones con otros usuarios. Generalmente, el MSC se conecta a bases de datos que proporcionan funciones adicionales, entre las cuales se encuentran las siguientes: El Registro de ubicación de origen (HLR): es una base de datos que contiene información (posición geográfica, información administrativa, etc.) de los abonados registrados dentro de la zona del conmutador (MSC).
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El Registro de ubicación de visitante (VLR): es una base de datos que contiene información de usuarios que no son abonados locales. El VLR recupera los datos de un usuario nuevo del HLR de la zona de abonado del usuario. Los datos se conservan mientras el usuario está dentro de la zona y se eliminan en cuanto abandona la zona o después de un período de inactividad prolongado (terminal apagada). El Registro de identificación del equipo (EIR): es una base de datos que contiene la lista de terminales móviles. El Centro de autenticación (AUC): verifica las identidades de los usuarios. La red celular compuesta de esta manera está diseñada para admitir movilidad a través de la gestión de traspasos (movimientos que se realizan de una celda a otra). Finalmente, las redes GSM admiten el concepto de roaming: el movimiento desde la red de un operadora a otra. 3.2.2.3
TARJETA SIM13
Una tarjeta SIM contiene la siguiente información:
El número telefónico del abonado (MSISDN).
El número internacional de abonado (IMSI, Identificación internacional de abonados móviles).
El estado de la tarjeta SIM.
El código de servicio (operador).
La clave de autenticación.
El PIN (Código de identificación personal).
El PUK (Código personal de desbloqueo).
3.2.2.4
FUNCIONALIDADES
GSM ofrece Servicios Suplementarios de Telefonía tales como: 13
http://es.kioskea.net/telephonie-mobile/gsm.php3
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Identificación del abonado llamante
Redireccionamiento de llamadas
Llamada en espera
Terminación de llamadas de usuarios ocupados
Grupos cerrados de usuarios
Tarifación
Mantenimiento de llamada
Transferencia de llamada
Multiconferencia
Prohibición de determinadas llamadas desde un Terminal.
Permite la emisión de Mensajes cortos
3.2.2.5
TARIFACION
La tarifación por uso de la Red GSM se realiza de forma dependiente al servicio a que esté dando soporte. En este sentido, la realización de una comunicación de voz o datos a través de este servicio está constituida por un coste de establecimiento de la comunicación y por un coste que es función del tiempo durante el cual se mantiene establecida. En el caso de envío de mensajes cortos (
