Medici
´
on y an
´
alisis de la impedancia en PLC de
banda angosta en un ambiente universitario
Measurement and analysis of Narrowband PLC impedance in a University environment
Mat
´
ıas N. Hadad
†1
, Patricio G. Donato
†2
y Marcos A. Funes
†3
†
Instituto de Investigaciones Cient
´
ıficas y Tecnol
´
ogicas en Electr
´
onica (ICYTE)
Consejo Nacional de Investigaciones Cient
´
ıficas y T
´
ecnicas (CONICET)
Universidad Nacional de Mar del Plata (UNMDP)
Juan B. Justo 4302, Mar del Plata, Argentina
1
mhadad@fi.mdp.edu.ar
2
donatopg@fi.mdp.edu.ar
3
mfunes@fi.mdp.edu.ar
Resumen—Los sistemas de comunicaci
´
on por la red
el
´
ectrica de banda angosta son ampliamente utilizados en
aplicaciones como medidores inteligentes, automatizaci
´
on
de hogares, y sistemas de control y comando de baja
velocidad, entre otras. Sin embargo, las redes el
´
ectricas no
fueron dise
˜
nadas para transmitir datos y representan un
ambiente hostil para las comunicaciones. En la bibliograf
´
ıa
espec
´
ıfica se encuentran estudios que evidencian las diversas
problem
´
aticas de las comunicaciones por la red el
´
ectrica
de banda angosta, siendo la impedancia una de las m
´
as
importantes. El principal objetivo de este trabajo es proveer
un estudio de la impedancia de la red el
´
ectrica para esta
banda de comunicaci
´
on. Este estudio fue realizado en un
ambiente Universitario que contiene un n
´
umero diverso
de cargas desconocidas, considerando las variaciones con
respecto al tiempo y la ubicaci
´
on. Se describe el sistema de
adquisici
´
on desarrollado a medida para hacer el relevamiento.
El an
´
alisis de los resultados muestra que la impedancia de la
red presenta problemas para la comunicaci
´
on PLC al menos
tan severos como los relevados en otros estudios realizados en
diferentes pa
´
ıses y entornos.
Palabras clave: PLC de banda angosta; Impedancia;
Campa
˜
na de Medici
´
on.
Abstract—Narrowband powerline communication systems
are widely used in many applications, such as smart metering
devices, home automation and low-speed command and
control systems. However, power lines were not designed for
data transmission and they represent a harsh environment
for communication. In the specific bibliography, it is possible
to find studies that show the diverse issues of Narrowband
Powerline Communication, being the impedance of the grid
one of them. The main objective of the present work is
to provide a study on the impedance of the grid over this
communication band. This study was done in a University
environment which has a diverse number of unknown loads,
considering the variation with time and location. The data
acquisition system developed to conduct the study is shown.
The analysis of the results shows that the local grid exhibits
issues as least as severe as the ones presented by other authors
in different countries and environments.
Keywords: Narrowband PLC; Impedance; Measurement
Campaign
I. INTRODUCCI
´
ON
Durante la
´
ultima d
´
ecada se ha producido una evoluci
´
on
en las redes el
´
ectricas del mundo, principalmente impulsada
por el concepto de las redes el
´
ectricas inteligentes, que
involucra desaf
´
ıos tecnol
´
ogicos importantes. Uno de los
conceptos principales de la redes el
´
ectricas inteligentes es
el empleo de sistemas de comunicaciones que interconecten
a todos los dispositivos de la red. Estos sistemas deben
soportar tanto la comunicaci
´
on entre consumidores y
proveedores como la necesidades de los sistemas de
automatizaci
´
on y monitoreo de la red el
´
ectrica. Por este
motivo, las investigaciones en sistemas de comunicaci
´
on
han recibido un fuerte impulso. Entre las diversas opciones
disponibles, la tecnolog
´
ıa de las comunicaciones por la red
el
´
ectrica (PLC, del ingl
´
es Power Line Communications) ha
despertado un gran inter
´
es por parte de la industria y las
empresas de servicios [1]. Uno de los atractivos de esta
tecnolog
´
ıa respecto de otras t
´
ecnicas de comunicaci
´
on es
la existencia de un soporte f
´
ısico, la red el
´
ectrica, que sirve
no solo para distribuir energ
´
ıa sino tambi
´
en para transmitir
datos. Este inter
´
es ha sido apoyado por entes regulatorios
mediante la publicaci
´
on de est
´
andares como IEEE 1901.2 [2]
en 2013 y IEEE 1901.2a [3] en 2015, para frecuencias
menores a 500 kHz.
Desde un punto de vista acad
´
emico e industrial, PLC
es dividido en dos bandas principales, con diferentes
aplicaciones espec
´
ıficas, determinadas por el rango
de frecuencia utilizado. Las comunicaciones que usan
frecuencias menores a 500 kHz son categorizadas como
PLC de banda angosta (NB-PLC, del ingl
´
es Narrowband
PLC) y son principalmente utilizadas para enviar y recibir
se
˜
nales de control y telemetr
´
ıa entre dispositivos y centrales
de control, o para la transmisi
´
on de datos de informaci
´
on
de baja velocidad, como ser datos de medidores inteligentes
que usualmente reportan en intervalos de 15 o 30 minutos.
La segunda banda es conocida como PLC de banda ancha
(BB-PLC del ingl
´
es Broadband PLC) que comprende todas
las comunicaciones en frecuencias mayores a 500 kHz y
son principalmente utilizadas para transmitir y recibir video
o para redes de computadoras. Pese a que el medio f
´
ısico
Recibido: 03/03/21; Aceptado: 28/03/21
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.5.1.128.2021
Original Article
Revista elektron, Vol. 5, No. 1, pp. 70-76 (2021)
ISSN 2525-0159
70
es el mismo, las problem
´
aticas que presentan cada una de
estas bandas es diferente.
En el campo de las redes el
´
ectricas inteligentes, para
las comunicaciones con medidores inteligentes o inversores
conectados a la red, NB-PLC es la banda m
´
as interesante
debido a que requiere solamente un volumen moderado
de datos. Las principales problem
´
aticas que se encuentran
en esta banda son la presencia de ruido no Gaussiano
con comportamiento impulsivo [4] y la impedancia de la
red el
´
ectrica. Los efectos del ruido han sido analizados
en profundidad en diversos trabajos de la literatura
cient
´
ıfica [5], mientras que los problemas producidos por
la impedancia no han sido sido estudiados con la misma
profundidad. Dado que la impedancia es el resultado de
la topolog
´
ıa de la red y del tipo y cantidad de cargas
conectadas, su valor depende de la instalaci
´
on particular,
el tiempo y la posici
´
on, y puede ser menor a los valores
considerados por equipos comerciales y notas de aplicaci
´
on
de fabricantes de circuitos integrados. Por esta raz
´
on,
para dise
˜
nar correctamente el circuito de acoplamiento
de un m
´
odem PLC, el valor de la impedancia debe ser
correctamente evaluado [6], [7].
Los sistemas NB-PLC son clasificados en sub-bandas
dependiendo de la normativa considerada. Para Europa, se
definen las las siguientes bandas (EN 50065-1 [8]):
• CENELEC A: 9 kHz a 95 kHz
• CENELEC B: 95 kHz a 125 kHz
• CENELEC C: 125 kHz a 140 kHz
• CENELEC D: 140 kHz a 148 kHz
Mientras tanto, IEEE 1901.2 [2], que combina diferentes
est
´
andares, define estas otras bandas:
• CENELEC A: 35.9375 kHz a 90.625 kHz
• FCC-Low and ARIB 1: 37.5 kHz a 117.1875 kHz
• CENELEC B: 98.4375 kHz a 121.875 kHz
• ARIB 2 : 154.6875 kHz a 403.125 kHz
• FCC-above-CENELEC: 154.6875 kHz a 487.5 kHz
Este trabajo trata la problem
´
atica y an
´
alisis de la
medici
´
on de impedancia en entornos reales. El objetivo
es comprender el comportamiento de la impedancia en
el
´
ambito de una universidad/laboratorio de investigaci
´
on,
que puede ser considerado un ambiente semi-industrial, y
evidenciar la limitaci
´
on que puede presentar el equipamiento
comercial en estas condiciones. Se realiz
´
o una campa
˜
na de
medici
´
on en el Laboratorio de Instrumentaci
´
on y Control
del Instituto de Investigaciones Cient
´
ıficas y Tecnol
´
ogicas en
Electr
´
onica (ICYTE) [9], analizando el rango de frecuencia
entre 20 kHz y 440 kHz, que cubre casi la totalidad de
las frecuencias consideradas por los est
´
andares IEEE y
CENELEC. La secci
´
on II describe los problemas causados
por una incorrecta estimaci
´
on del valor de la impedancia.
La secci
´
on III realiza una breve descripci
´
on el sistema
desarrollado para realizar la campa
˜
na de medici
´
on. La
secci
´
on IV muestra y analiza los resultados obtenidos.
Finalmente, la secci
´
on V contiene las conclusiones del
trabajo.
II. IMPORTANCIA DE UNA CORRECTA ESTIMACI
´
ON DE
LA IMPEDANCIA
Para poder entender la importancia de la medici
´
on de la
impedancia, y los potenciales problemas producidos por una
estimaci
´
on incorrecta, es necesario entender primero como
es la arquitectura del circuito de acoplamiento. La Fig. 1
muestra un acoplador capacitivo t
´
ıpico, que es el tipo m
´
as
utilizado para redes el
´
ectricas de baja tensi
´
on. Las funciones
principales del acoplador son el filtrado de las componentes
de alta tensi
´
on, proteger los componentes de baja tensi
´
on
del m
´
odem y acoplar las se
˜
nales de comunicaci
´
on de alta
frecuencia en la red.
C
HV
T
C
C
LV
Modem
D
1
D
2
Vcc
TVS
MOV
L
S
Red
Fig. 1. Acoplador capacitivo t
´
ıpico.
El capacitor de baja tensi
´
on (C
LV
) permite acoplar la
se
˜
nal de entrada al transformador de acoplamiento (T
C
). El
capacitor de alta tensi
´
on (C
HV
) junto con la inductancia
de T
C
act
´
ua como un divisor de tensi
´
on hacia la parte
de baja tensi
´
on del circuito. El inductor L
S
en serie con
C
HV
permite controlar la frecuencia de resonancia del
acoplador, funcionando como un filtro pasabanda. Adem
´
as
de los componentes de acoplamiento antes mencionados,
se agregan componentes de protecci
´
on. Se incluyen diodos
de enclavamiento (D
1
y D
2
) para proteger el circuito
de baja tensi
´
on de sobretensiones, un TVS (Transient
Voltage Supressor) es usado para minimizar el transitorio
de conexi
´
on con la red y un MOV (Metal Oxide Varistor)
para limitar las sobretensiones de alta tensi
´
on.
La impedancia de la red es muy importante para el dise
˜
no
de dos partes del circuito, la impedancia serie del filtro
de acoplamiento y la etapa de potencia del m
´
odem. El
caso de una subestimaci
´
on de la impedancia lleva a un
sobredimensionamiento de los componentes del circuito,
con la consecuencia de un costo y tama
˜
no mayor al
necesario. En el otro extremo, una sobreestimaci
´
on de la
impedancia es m
´
as nocivo ya que lleva a problemas de
desempe
˜
no producidos por la divisi
´
on de impedancia entre
la impedancia serie del acoplador y la impedancia de la
red. Adem
´
as, si la etapa de potencia del m
´
odem no puede
proveer la corriente necesaria, se reduce la potencia efectiva
del transmisor.
A. Antecedentes y referencias normativas y comerciales
Para poder cuantificar la magnitud de la impedancia
medida, es necesario conocer las impedancias previstas por
normativas y las consideraciones de dise
˜
no de dispositivos
comerciales y dispositivos presentes en la literatura. A
continuaci
´
on, se presentan varios ejemplos.
El est
´
andar europeo EN 50065-1 [8] define los niveles
m
´
aximos de tensi
´
on para dispositivos que operan en
las bandas CENELEC. La secci
´
on C.1.2.2 define las
caracter
´
ısticas del circuito de prueba para medir estos
niveles, el cual es un arreglo en paralelo entre un resistor
de 50 Ω y un inductor de 50 µH.
Janse van Rensburg et al. [10], en su trabajo sobre el
dise
˜
no de un acoplador integrado, consideran que una red
Revista elektron, Vol. 5, No. 1, pp. 70-76 (2021)
ISSN 2525-0159
71
http://elektron.fi.uba.ar
el
´
ectrica t
´
ıpica tiene una impedancia de 12.5 Ω y 17.5 µH
para frecuencias menores a 500 kHz.
La nota de aplicaci
´
on del front-end anal
´
ogico de bajo
costo AFE031 de Texas Instruments [11], muestra el dise
˜
no
del circuito de acoplamiento para la banda de 23 kHz a
105 kHz especificando un valor 470 nF para C
HV
y 15 µH
para L
S
. Teniendo en cuenta estos valores, la impedancia
serie del circuito de acoplamiento tiene un rango de 6.67 Ω
para el l
´
ımite superior de la banda y 12.56 Ω para el l
´
ımite
inferior, con una resonancia en 60 kHz.
En resultados experimentales realizados localmente con
una implementaci
´
on de la nota de aplicaci
´
on se observ
´
o un
comportamiento inadecuado, principalmente producido por
tensiones menores a las esperadas en la salida a pesar que la
corriente de salida del front-end anal
´
ogico no llegaba a sus
l
´
ımites. Esto llev
´
o a la hip
´
otesis de que la impedancia de la
red el
´
ectrica deb
´
ıa ser menor a la prevista por el dise
˜
no.
Diversos trabajos en la literatura muestran resultados
que soportan esta hip
´
otesis para diferentes ubicaciones.
Cavdar y Karadeniz [12] analizaron la impedancia en
ambientes rurales, urbanos e industriales de Turqu
´
ıa,
mostrando impedancias en el rango de 5 a 6 Ω para las
bandas CENELEC, dependiendo del ambiente. Cort
´
es et
al. [13] realiz
´
o mediciones de impedancia, en ubicaciones
rurales, urbanas y semi-urbanas de Espa
˜
na, mostrando
valores menores a 5 Ω . Bausch et al. [14] analizaron
el canal PLC en diferentes emplazamientos dom
´
esticos de
Alemania, midiendo impedancias tan bajas como 300 mΩ
y categorizaron el comportamiento en frecuencia de la red
el
´
ectrica en 4 tipos caracter
´
ısticos.
Teniendo en cuenta los valores obtenidos en estos
trabajos, las consideraciones de ninguno de los ejemplos de
dise
˜
no [8][10][11] concuerda con el comportamiento de la
red [12][13][14]. Debido a esto, y para verificar las hip
´
otesis
planteada a partir de los ensayos locales con el AFE031, se
realiz
´
o un estudio de los valores de impedancia en la red
local. La siguiente secci
´
on muestra una breve descripci
´
on
del sistema de medici
´
on dise
˜
nado para este prop
´
osito.
III. SISTEMA DE MEDICI
´
ON
El sistema dise
˜
nado para la medici
´
on de impedancia se
basa en un circuito de acoplamiento como el de la Fig.
1. Est
´
a compuesto por una etapa de potencia, un circuito
de acoplamiento, un circuito de medici
´
on y un sistema de
procesamiento (Fig. 2).
Sistema de
Procesamiento
Potencia
Sistema de
Medición
Red
Acoplador
Fig. 2. Diagrama en bloques simplificado del sistema de medici
´
on
La operaci
´
on b
´
asica del sistema consiste en la inyecci
´
on
de una se
˜
nal de prueba, generada por el sistema de
procesamiento, a trav
´
es del circuito de acoplamiento para
medir la tensi
´
on y corriente, las cuales son usadas por el
sistema de procesamiento para calcular la impedancia total.
La se
˜
nal de prueba utilizada es una se
˜
nal pseudo-aleatoria
filtrada y la impedancia es calculada a partir de una FFT
de las se
˜
nales de tensi
´
on y corriente capturadas. El valor de
impedancia calculado contiene no solo la impedancia de la
red sino tambi
´
en la impedancia del circuito de medici
´
on, por
lo que como parte del procedimiento de medici
´
on se realiza
una calibraci
´
on del sistema para estimar correctamente esta
impedancia, para tenerla en cuenta en el c
´
alculo de la
impedancia de red.
El sistema de procesamiento es implementado con una
PC y una placa de desarrollo FPGA Xilinx Spartan 3
Starter Board. La etapa de potencia es implementada con un
conversor anal
´
ogico digital THS5661 de Texas Instruments y
un amplificador de potencia OPA561 de Texas Instruments.
El sistema de medici
´
on consta de circuitos de filtrado
diferenciales, un amplificador de ganancia programable
y conversores anal
´
ogico-digitales y son implementados
utilizando dos THS4032, dos THS4130 y un THS1206 de
Texas Instruments, y un AD8369 de Analog Devices.
La Fig. 3 muestra una foto del prototipo del
sistema utilizado para las mediciones, con todos sus
bloques funcionales identificados. El sistema permite medir
impedancias medias mayores a 300 mΩ en el rango
de frecuencias de 20 kHz a 440 kHz, permitiendo medir
m
´
ınimos locales tan bajos como 50 mΩ.
Sistema de Procesamiento
Sistema de medición
Acoplador
Etapa de potencia
Fig. 3. Foto del prototipo del sistema de medici
´
on de impedancia
IV. CAMPA
˜
NA DE MEDICI
´
ON Y AN
´
ALISIS DE
RESULTADOS
Para verificar la hip
´
otesis planteada sobre los niveles de
impedancia, se realiz
´
o una campa
˜
na de medici
´
on en las
instalaciones de la Universidad nacional de Mar del Plata.
La campa
˜
na fue realizada en 3 emplazamientos diferentes
del Laboratorio de Instrumentaci
´
on Control del Instituto de
Investigaciones Cient
´
ıficas y Tecnol
´
ogicas en Electr
´
onica
(ICYTE, Argentina), que posee una red de baja tensi
´
on
trif
´
asica de 220 V 50 Hz con un n
´
umero desconocido y
variable de cargas conectadas. Las mediciones se realizaron
en los circuitos internos monof
´
asicos de la instituci
´
on. El
primer emplazamiento, que corresponde a un espacio de
trabajo com
´
un, fue realizada por 12 d
´
ıas consecutivos, desde
el 8/3/2019 al 20/3/2019. La segunda medici
´
on fue realizada
en el punto com
´
un de conexi
´
on del laboratorio, durante 8
horas y finalmente, la tercera ubicaci
´
on, realizada dentro de
un tablero que contiene inversores conectados a la red, fue
realizada por 3 horas. En cada una de estas mediciones, la
Revista elektron, Vol. 5, No. 1, pp. 70-76 (2021)
ISSN 2525-0159
72
http://elektron.fi.uba.ar
impedancia fue continuamente analizada y almacenada en
intervalos de 5 minutos, guardando los valores, m
´
ınimo y
medio del intervalo.
La Fig. 4 muestra un gr
´
afico 3D del m
´
odulo de la
impedancia media medida en la primera ubicaci
´
on, con el
tiempo y la frecuencia como variables independientes. Esta
figura muestra que la impedancia de la banda superior no
presenta cambios significativos a lo largo de la medici
´
on.
En la Fig. 4 tambi
´
en se puede ver que el comportamiento
predominante respecto a la frecuencia (para frecuencias
mayores a 150 kHz) se corresponde con un sistema
inductivo, lo que es esperable.
Fig. 4. Comportamiento del m
´
odulo de la impedancia media respecto del
tiempo y la frecuencia en el primer emplazamiento.
La banda inferior muestra un comportamiento que
depende del d
´
ıa, hora y cargas conectadas. Durante el
experimento, el jueves 14/3, se cambiaron algunas de
las fuentes de alimentaci
´
on que se hallaban conectadas
en las inmediaciones del punto de medici
´
on. Este
cambio se evidencia m
´
as claramente en las mediciones
correspondientes a los fines de semana, donde la actividad
laboral decrece al m
´
ınimo. El primer fin de semana, que
corresponde al 9/3 y 10/3, muestra un pico en la impedancia
cercano a los 50 kHz y un valle a frecuencias menores.
El segundo fin de semana, que corresponde al 16/3 y 17/3
muestra impedancias mayores a baja frecuencia y un valle
en 50 kHz.
La Fig. 4 tambi
´
en muestra cambios respecto al d
´
ıa y
hora. En los per
´
ıodos de actividad pico, que corresponden
al horario entre las 9 y las 17 de lunes a viernes, la
impedancia muestra diversos cambios, mientras que para
algunas frecuencias la impedancia es mayor, es menor para
otras. Este fen
´
omeno, al igual que los anteriores, se puede
ver en mas detalle en Fig. 5, que muestra la impedancia
media respecto al tiempo para diferentes frecuencias.
En esta figura, los diferentes comportamientos
mencionados previamente se pueden ver para las
frecuencias de 25 kHz y 102 kHz entre los d
´
ıas 11/3
y 15/3. La impedancia en 25 kHz es menor para las
horas de actividad, mientras que la impedancia para
102 kHz es mayor. Tambi
´
en se puede ver el cambio de
comportamiento a partir del cambio de las fuentes de
alimentaci
´
on empezando la tarde del 14/3. Finalmente,
es importante destacar que para frecuencias menores a
64 kHz la impedancia media es menor a 3 Ω, que es
mucho menor a la impedancia considerada en la red de
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Impedancia media
Día
Fig. 5. M
´
odulo de la impedancia media respecto al tiempo para un
conjunto de frecuencias en la primera ubicaci
´
on. En gris se resaltan los
fines de semana
prueba de la normativa CENELEC y las notas de aplicaci
´
on
comerciales [8][10][11].
La Fig. 6 muestra la impedancia media respecto de la
frecuencia registrada a las 12 pm, para diferentes d
´
ıas.
En esta figura, al igual que lo mostrado en la Fig. 4,
la impedancia no var
´
ıa significativamente entre d
´
ıas de
actividad (d
´
ıas de semana) y de no actividad (fin de
semana) para frecuencias mayores a 150 kHz, mostrando
un comportamiento inductivo.
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Frecuencia
Impedancia media
2019-03-11 Mar.
2019-03-12 Mie.
2019-03-13 Jue.
2019-03-14 Vie.
2019-03-15 Sab.
2019-03-16 Dom.
2019-03-17 Lun.
Fig. 6. M
´
odulo de la impedancia media respecto a la frecuencia durante
una semana medida a las 12 pm en la primera ubicaci
´
on
El m
´
odulo de la impedancia en la banda de frecuencias
m
´
as bajas muestra una variaci
´
on que depende de las cargas
conectadas, que se puede ver m
´
as claramente en el trazo que
corresponde al d
´
ıa 15/3, comparado con los correspondientes
a los otros d
´
ıas de la semana. La dependencia con el nivel
de actividad se puede notar al comparar los trazos que
corresponden al fin de semana del resto de la semana.
Esto tambi
´
en se verifica si se analiza la impedancia media
respecto a la frecuencia para diferentes horas de un d
´
ıa
de la semana (Fig. 7). El comportamiento observado en
este emplazamiento no se corresponde directamente con
ninguno de los presentados por Bausch et al. [14] ya que el
n
´
umero de m
´
ınimos y m
´
aximos locales cambia respecto del
tiempo. Esto se puede deber a que las mediciones de Bausch
et al. [14] fueron realizadas en ambientes residenciales
mientras que las de este trabajo corresponden a un ambiente
semi-industrial, el cual posee una mayor cantidad de cargas
y un mayor consumo de energ
´
ıa.
Revista elektron, Vol. 5, No. 1, pp. 70-76 (2021)
ISSN 2525-0159
73
http://elektron.fi.uba.ar
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Frecuencia
Impedancia media
Fig. 7. M
´
odulo de la impedancia media respecto a la frecuencia para un
d
´
ıa de semana particular en la primera ubicaci
´
on.
La Fig. 8 muestra la impedancia m
´
ınima respecto a la
frecuencia registrada a las 12 pm, para diferentes d
´
ıas. En
esta figura se puede observar que el m
´
ınimo de impedancia
tiene una alta dispersi
´
on para la banda superior, teniendo
valores m
´
ınimos registrados del orden de las decenas de
miliohms. Estos valores son pr
´
acticamente imposibles de
tener en consideraci
´
on para el dise
˜
no, lo que lleva a
p
´
erdida de datos cuando se producen estos m
´
ınimos, para
estas frecuencias. Para frecuencias menores a 85 kHz la
impedancia m
´
ınima obtenida es del orden de 1 Ω.
Frecuencia
Impedancia mínima
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
2019-03-08 Vie.
2019-03-09 Sab.
2019-03-10 Dom.
2019-03-11 Lun.
2019-03-12 Mar
.
2019-03-13 Mie.
2019-03-14 Jue.
Fig. 8. M
´
odulo de la impedancia m
´
ınima respecto a la frecuencia durante
una semana medida a las 12 pm para la primera ubicaci
´
on.
La Fig. 9 muestra la distribuci
´
on de las impedancias
m
´
ınimas y medias a lo largo del per
´
ıodo de medici
´
on. La
distribuci
´
on se divide en frecuencias menores a 150 kHz,
que corresponden a las bandas CENELEC, y frecuencias
mayores a 150 kHz, que corresponden a las bandas FCC
y ARIB. La tabla I muestra los datos estad
´
ısticos de estas
distribuciones.
Impedancia media [Ω]
Probabilidad
Impedancia mínima [Ω]
Probabilidad
Fig. 9. Histograma de las mediciones en la primera localizaci
´
on.
TABLA I
ESTAD
´
ISTICAS DEL M
´
ODULO DE LA IMPEDANCIA MEDIDA EN LA
PRIMERA UBICACI
´
ON.
f < 150 kHz f > 150 kHz
Media M
´
ınima Media M
´
ınima
media 2.76 Ω 0.9 Ω 7.86 Ω 2.26 Ω
mediana 2.98 Ω 0.8 Ω 7.87 Ω 1.49 Ω
moda 2.99 Ω 0.53 Ω 7.9 Ω 0.6 Ω
varianza 0.45 0.3 Ω 5.34 4.19 Ω
Del an
´
alisis de la Fig. 9 y de la tabla I es evidente
que para frecuencias menores a 150 kHz la impedancia
predominante es aproximadamente 3 Ω, mientras que para
frecuencias mayores es aproximadamente 8 Ω. Tambi
´
en
se puede observar que para las bandas CENELEC el
valor de la impedancia se encuentra entre 1 Ω y 4 Ω ,
mientras que para las bandas superiores se encuentra entre
3 Ω y 13 Ω. Es importante notar que la banda utilizada
normalmente para medidores inteligentes es la que presenta
menor impedancia media lo que lleva al requerimiento
de algoritmos de comunicaci
´
on m
´
as robustos y menores
velocidades de transmisi
´
on o el sobredimensionamiento del
driver del m
´
odem.
A pesar que las estad
´
ısticas de la impedancia media
muestran valores que pueden ser considerados razonables
para el dise
˜
no, el problema m
´
as grave se encuentra en los
valores m
´
ınimos de impedancia, donde se midieron valores
en las decenas de miliohms en ambas bandas, con valores
m
´
as probables cercanos a los 0.6 Ω. La mitad de los valores
medidos son menores a 0.8 Ω para las bandas CENELEC
y 1.5 Ω para las bandas superiores.
Las Figs. 10 y 11 muestran las impedancias registradas
en el segundo emplazamiento de medici
´
on, que corresponde
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a un punto de conexi
´
on com
´
un de todo el laboratorio.
Es importante notar que comparando las Figs. 7 y 10 se
puede observar que el comportamiento de la impedancia
respecto de la frecuencia es completamente diferente. El
comportamiento no parece ser completamente inductivo
y tiene un m
´
aximo local cerca de los 200 kHz. Este
m
´
aximo local es beneficioso para la comunicaci
´
on, ya que
la impedancia media se encuentra en valores similares a
los sugeridos por los fabricantes o normativas. Este caso
tampoco exhibe un comportamiento como los mostrados por
Bausch et.al [14], lo cual puede explicarse por la diferencia
entre los
´
ambitos donde se realizaron los ensayos, como
se se
˜
nal
´
o anteriormente. Tambi
´
en se puede notar que esta
ubicaci
´
on no muestra una dependencia temporal, lo que
puede ser explicado como un efecto de promediado producto
de todas las cargas conectadas en el punto de conexi
´
on
com
´
un. Analizando las impedancias m
´
ınimas de la Fig. 11
se observa un comportamiento similar al mostrado en la
primera ubicaci
´
on, con m
´
ınimos del orden de las decenas
de miliohms.
Frecuencia
Impedancia media
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Fig. 10. M
´
odulo de la impedancia media respecto a la frecuencia para
diferentes horarios en la segunda ubicaci
´
on.
Frecuencia
Impedancia mínima
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Fig. 11. M
´
odulo de la impedancia m
´
ınima respecto a la frecuencia para
diferentes horarios en la segunda ubicaci
´
on.
Finalmente, la Fig. 12 muestra los resultados de la
medici
´
on en la tercera ubicaci
´
on. En este caso se puede
observar un comportamiento diferente a las otras dos
ubicaciones, similar a una red tipo 3 de Bausch et al. [14],
que corresponde a tres circuitos resonantes combinados en
serie y paralelo. A diferencia de la segunda ubicaci
´
on,
esta medici
´
on si presenta dependencia con el tiempo. Es
importante remarcar que la impedancia media tiene su
m
´
ınimo en una frecuencia mayor a las otras dos ubicaciones
y este m
´
ınimo es cercano a los 0.5 Ω. Para este caso, las
frecuencias CENELEC muestran valores de impedancia que
son bajos para los equipos comerciales pero aceptable desde
el punto de vista de dise
˜
no, mientras que para frecuencias
alrededor de 200 kHz la impedancia cae a niveles que hacen
pr
´
acticamente imposible una comunicaci
´
on.
Frecuencia
Impedancia media
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Fig. 12. M
´
odulo de la impedancia media respecto a la frecuencia en
diferentes tiempos para la tercera ubicaci
´
on.
A modo de resumen, la tabla II muestra el rango de las
impedancias medias medidas en las tres ubicaciones. Es
importante notar que esta tabla muestra valores medios pero
las impedancias pueden caer a decenas de miliohms como
muestran las Figs. 8 y 11.
TABLA II
RESUMEN DEL RANGO DE LAS IMPEDANCIAS MEDIAS EN LAS TRES
UBICACIONES.
Ubicaci
´
on Rango de Impedancia[Ω]
f < 150 kHz Rango Completo
Ubicaci
´
on 1 1 - 5 1 - 13
Ubicaci
´
on 2 1 - 8 1 - 12
Ubicaci
´
on 3 1.5 - 5 0.5 - 5
En la Fig. 13 se pueden apreciar las curvas de
impedancia media, promediadas a lo largo de todo el
per
´
ıodo de medici
´
on, en los tres emplezamientos de ensayo
seleccionados. El comportamiento de la impedancia en todos
los casos es diferente, con m
´
ayor
´
enfasis en las bandas
CENELEC (< 150 kHz), que es la banda donde opera la
mayor
´
ıa de los medidores inteligentes. En las frecuencias
superiores a 300 kHz se observa un comportamiento similar
en todos los casos, predominantemente inductivo, aunque
en la tercera ubicaci
´
on la magnitud de la impedancia es
sensiblemente menor a las otras ubicaciones. Tambi
´
en es
importante destacar la existencia de un m
´
aximo local de
impedancia en torno a los 200 kHz, que solo se manifest
´
o
en la segunda ubicaci
´
on. En ese caso, dado que se trata de
la impedancia medida en un tablero principal, al cual se
conectan todas las cargas del laboratorio, es posible que ese
m
´
aximo local se produzca por la interacci
´
on de equipos de
diferente naturaleza.
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Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Frecuencia
Impedancia media
Ubicación 1
Ubicación 2
Ubicación 3
Fig. 13. Promedio del m
´
odulo de la impedancia media respecto a la
frecuencia para las 3 ubicaciones.
V. CONCLUSIONES
En este trabajo se presentaron los resultados de una
campa
˜
na de medici
´
on de la impedancia de PLC de banda
angosta en el Laboratorio de Instrumentaci
´
on y Control
del Instituto de Investigaciones Cient
´
ıficas y Tecnol
´
ogicas
en Electr
´
onica (ICYTE). A partir del an
´
alisis de los
resultados se pudo observar que la impedancia es menor
a la prevista por normativas y recomendaciones de dise
˜
no
de fabricantes, obteniendo impedancias en el rango de las
decenas de miliohms. Se pudo verificar tambi
´
en que la
impedancia tiene dependencia no solamente del tiempo
sino tambi
´
en de la ubicaci
´
on y cargas conectadas y la
magnitud de estas variaciones en ciertas condiciones. Con
todo esto, es posible concluir que es importante realizar un
an
´
alisis de la impedancia para el dise
˜
no de los circuitos de
comunicaci
´
on en cada instalaci
´
on particular, ya que como
se describi
´
o, una incorrecta estimaci
´
on de la impedancia
puede llevar a problemas de comunicaci
´
on o costo mayor
del necesario. Adem
´
as, a partir de los resultados se pudo
comprobar la hip
´
otesis de que los niveles de impedancia en
la red local no son los adecuados para lograr una correcta
comunicaci
´
on utilizando equipamiento comercial, los cuales
est
´
an normalmente dise
˜
nados para operar satisfactoriamente
por encima de los 12 Ω dependiendo de la frecuencia
utilizada.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue realizado gracias al soporte econ
´
omico
del subsidio de la ANPCyT PICT 2018-02010, al
proyecto de unidad ejecutora ”Ciudades Inteligentes”
PUE 22920180100002CO de CONICET, y la Universidad
Nacional de Mar del Plata.
REFERENCIAS
[1] S. Galli, A. Scaglione, and Z. Wang, “For the grid and through the
grid: The role of power line communications in the smart grid,”
Proceedings of the IEEE, vol. 99, no. 6, pp. 998–1027, June 2011.
[2] “IEEE standard for low-frequency (less than 500 khz) narrowband
power line communications for smart grid applications,” IEEE Std
1901.2-2013, pp. 1–269, Dec 2013.
[3] “IEEE standard for low-frequency (less than 500 khz) narrowband
power line communications for smart grid applications - amendment
1,” IEEE Std 1901.2a-2015 (Amendment to IEEE Std 1901.2-2013),
pp. 1–28, Oct 2015.
[4] N. Andreadou and G. Fulli, “NB-PLC channel: Estimation of
periodic impulsive noise parameters and mitigation techniques,”
International Journal of Electrical Power and Energy Systems,
vol. 103, pp. 146 – 158, 2018. [Online]. Available:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142061517332143
[5] M. Nassar, J. Lin, Y. Mortazavi, A. Dabak, I. H. Kim, and B. L. Evans,
“Local utility power line communications in the 3–500 kHz band:
Channel impairments, noise, and standards,” IEEE Signal Processing
Magazine, vol. 29, no. 5, pp. 116–127, Sep. 2012.
[6] L. G. da S. Costa, G. R. Colen, A. C. M. de Queiroz,
V. L. da Costa, U. R. Vitor, F. V. dos Santos, and
M. V. Ribeiro, “Access impedance in brazilian in-home,
broadband and low-voltage electric power grids,” Electric Power
Systems Research, vol. 171, pp. 141 – 149, 2019. [Online]. Available:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037877961930080X
[7] H. Mahamudul and C. Ozansoy, “L-C band pass impedance matching
coupling circuit for high voltage PLC applications,” International
Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 117, p. 105639,
may 2020.
[8] “Signalling on low-voltage electrical installations in the frequency 3
khz to 148,5 khz part 1: General requirements, frequency bands and
electromagnetic disturbances,” CENELEC EN 50065-1, 2011.
[9] “Instituto de investigaciones cient
´
ıficas y tecnol
´
ogicas en electr
´
onica,”
http://icyte.fi.mdp.edu.ar.
[10] P. A. Janse van Rensburg, M. P. Sibanda, and H. C. Ferreira,
“Integrated impedance-matching coupler for smart building and
other power-line communications applications,” IEEE Transactions
on Power Delivery, vol. 30, no. 2, pp. 949–956, 2015.
[11] “AFE design for a narrowband power-line communications modem
using the AFE031,” http://www.ti.com/lit/pdf/sboa130.
[12] I. Cavdar and K. Engin, “Measurements of impedance and attenuation
at CENELEC bands for power line communications systems,”
Sensors, vol. 8, 12 2008.
[13] J. Cort
´
es, A. Sanz, P. Estopi
˜
n
´
an, and J. Garcia, “Analysis of
narrowband power line communication channels for advanced
metering infrastructure,” EURASIP Journal on Advances in Signal
Processing, vol. 2015, 03 2015.
[14] J. Bausch, T. Kistner, M. Babic, and K. Dostert, “Characteristics of
indoor power line channels in the frequency range 50 - 500 khz,” in
2006 IEEE International Symposium on Power Line Communications
and Its Applications, March 2006, pp. 86–91.
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