Aplicaciones multimedia en el telecontrol de redes eléctricas

Abstract

Los principales temas desarrollados a lo largo de este trabajo y las conclusiones alcanzadas pueden resumirse en los siguientes puntos:

1. Se ha realizado un estudio del “estado del arte” de los sistemas de control en redes eléctricas. Destacando los aspectos de arquitectura de telecontrol y los sistemas de comunicaciones utilizados.

2. Se ha hecho un estudio pormenorizado de los estándares actualmente existentes, relacionados con los sistemas de comunicaciones multimedia. Se hizo una comparativa entre ellos destacando complejidad, extensibilidad, escalabilidad, uso de recursos y servicio.

3. Se ha hecho también un estudio exhaustivo de la transmisión de información multimedia en el telecontrol, estudiando sus necesidades de transmisión, la compresión de señales multimedia y la calidad del servicio.

4. Se ha presentado un estudio completo sobre técnicas de captura de información multimedia, comparando técnicas analógicas y digitales. Los principales resultados han sido los siguientes:

a) El uso de memoria se mantiene en los mismos niveles de uso para cualquier combinación posible de captura.

b) Se destaca que las mejores prestaciones, en cuanto al tanto por ciento de CPU por los bps capturado se obtienen para las resoluciones más altas y con mayor envío de frames por segundo (fps).

5. Se ha llevado a cabo un estudio exhaustivo sobre las técnicas de compresión y streaming, destacando el uso de tecnología de uso libre y gratuito. Los resultados más importantes son:

a) Se ha comprobado que la calidad de la imagen en los codecs estudiados con un valor máximo del 80% es el más adecuado, ya que valores superiores suponen un consumo excesivo de ancho de banda, sin apenas cambios apreciables en la imagen.

b) El tiempo de streaming no es significativo con respecto a los tiempos de captura y compresión.

c) El modo de codificación influye en la gestión del búfer de reproducción, se recomienda el modo CBR para garantizar un límite máximo de ocupación del mismo.

6. Se ha realizado un estudio sobre los tiempos de transmisión de la señal multimedia a través de una red pública, como puede ser Internet. En este estudio se ha obtenido un valor medio del tiempo de transmisión del primer cuadro de cinco segundos. Este valor está acotado desde los dos segundos en condiciones óptimas hasta superar los diez segundos, pasados algunos días de uso del sistema.

7. Se ha hecho un estudio comparativo de los sistemas SCADA/HMI disponibles en el mercado, destacándose el hecho de que las diferencias entre los sistemas estudiados son fundamentalmente más de tipo estructural que funcional.

8. Aprovechando las características del sistema SCADA/HMI elegido para la implantación del sistema multimedia diseñado, que ofrece soporte total para la integración de componentes de otros fabricantes, se tomó la decisión de usar ActiveX como mecanismo de integración de nuestro sistema en el SCADA correspondiente.

9. Se ha diseñado la arquitectura global del sistema así como se ha realizado la especificación funciona del sistema, resaltando las alternativas seleccionadas.

10. Se ha desarrollado el sistema diseñado realizando pruebas de laboratorio de los diferentes módulos que lo componen. Sus principales características son las siguientes:

a) Este sistema permite el control remoto del dispositivo de captura:

- permite la configuración del sistema;

- permite recibir las órdenes de los clientes y traducirlas al protocolo VISCA.

b) Se ha desarrollado un módulo que, mediante controles Active X, permite manejar con joystick las cámaras remotas.

c) Se ha creado otro módulo para mover una cámara remota usando un sinóptico multimedia del lugar remoto. Para ello se han diseñado sinópticos multimedia para mostrar los diferentes elementos de la estación remota, de manera que el operador puede señalar el elemento a visualizar y con los parámetros almacenados de ese elemento, la cámara se orienta y enfoca de forma adecuada dicho elementos en un breve plazo de tiempo.

d) Se ha desarrollado un sistema de videoconferencia entre unidad remota y centro de control que cumple los estándares establecidos y descritos en el capítulo 4 de esta Tesis.

e) Se ha desarrollado un módulo de análisis de video y audio por separado, permitiendo el análisis por filtrado o por detección de cambios en cada uno de ellos.

f) Se ha desarrollado un módulo de almacenamiento del flujo multimedia. Para ello se permite almacenar esta información en una carpeta compartida habilitada a tal fin, tanto en el ordenador que realiza el proceso de codificación, como en un ordenador remoto. Se permite al usuario especificar el número máximo de partes a almacenar, así como la duración de cada parte, ajustando la información al espacio disponible.

11. Se ha implementado dicho sistema, llevándose a cabo las pruebas del mismo, de forma muy satisfactoria, en las dependencias de la empresa de distribución eléctrica, Medina Garvey S.A. de Pilas, Sevilla:

a) Se ha desarrollado un puente SCADA, arquitectura que permite el encapsulado de datos procedentes del dispositivo SCADA, de manera que pueden transmitir través de la red IEEE 802. En las pruebas realizadas se ha conseguido que en caso de saturación de la línea se producen pérdidas de frames en la reproducción, sin embargo, la información SCADA se ha recibido siempre sin pérdidas y con un retraso mínimo.

b) Se ha diseñado una interfaz web que permite la administración de las estaciones y cámaras del sistema, la configuración de sus parámetros funcionales, así como el diseño de pantallas de supervisión bien en mosaico como en sinópticos multimedia. Esto permite el acceso al sistema desde cualquier ordenador conectado a Internet.

Una vez abierto un camino son múltiples las posibilidades que se abren ante el investigador, que le permitan avanzar diferentes líneas de continuación de la investigación iniciada. Entre ellas cabría señalar las siguientes:

- Avanzar en el análisis de vídeo en entornos de baja iluminación incluyendo el estudio de las imágenes captadas con cámaras infrarroja. La termografía infrarroja nos permitiría, a partir de la energía radiada por un cuerpo, determinar su temperatura, de tal manera que se podría conocer fácilmente y de forma remota si un elemento del sistema eléctrico excede su temperatura normal de funcionamiento, evitando sobrecalentamientos, bajo rendimiento del dispositivo, incluso, incendios.

- Introducir los mecanismos de seguridad en las comunicaciones de datos, ya que nuestro sistema es accesible desde Internet. Para aplicar formalmente un esquema de seguridad en la red de telecontrol, incluyendo multimedia, sería necesario analizar detenidamente qué mecanismos son los más adecuados, estudiando sobretodo qué latencias añaden en las transmisiones debido al procesado de la información.

- Adaptar el sistema desarrollado a cualquier nueva técnica de codificación y streaming que en un futuro pudiera surgir, como se prevé que ocurra con un proyecto de IETF y MPEG, denominado MPEG4IP, que proporcionará un sistema extremo a extremos para navegación con streaming multimedia.

- Implementar el sistema desarrollado en un sistema empotrado, de manera que el operador de telecontrol, cuyas funciones han estado limitadas por las del telecontrol tradicional, pudiera tratar al sistema como una caja negra y no fuera necesario ningún conocimiento extra para su configuración y mantenimiento.

La Tesis comienza con un estudio acerca del telecontrol de redes eléctricas en el capítulo 2, en el que se abarca dese la estructura de las redes eléctricas hasta los sistema de comunicaciones en el telecontrol, pasando por una descripción de las funciones de los sistema de telecontrol de redes eléctrica y por una descripción de las arquitectura más comunes de telecontrol.

Seguidamente, en el capítulo 3, se describe la situación actual y las perspectivas futuras acerca de las posibles aplicaciones multimedia en el ámbito de telecontrol de redes eléctricas, sobre todo aquellas relacionadas con la voz sobre IP (VoIP) y la videoconferencia, así como los usos de la información multimedia en ese ámbito.

Una vez descritas estas aplicaciones, en el capítulo 4, se describen los estándares relacionados con VoIP y videoconferencia más utilizados y extendidos hoy día, tales como H.323v3, SIP y otros protocolos auxiliares.

En el capítulo 5 se abordan los formatos para la codificación de audio y vídeo digital y se realiza una caracterización del tráfico multimedia. En este mismo capítulo se tratan las diferentes técnicas de compresión de la información digital, que permiten aliviar notablemente la carga de la red en la transmisión de información multimedia, así como los mecanismos que pueden aplicarse para implementar la calidad de servicio (QoS) en la red de comunicaciones y algunos mecanismos de equilibrado de carga que permiten la implementar un uso eficaz de los elementos de encaminamiento de la red de comunicaciones.

Una vez estudiadas aquellas cuestiones relacionadas con la transmisión de información multimedia a través de la red, la Tesis continúa con el capítulo 6, dedicado al análisis de la información multimedia. Con este capítulo se pretende analizar qué aplicaciones puede tener el análisis de la información multimedia en el ámbito del telecontrol eléctrico y describir algunos métodos sencillos para la detección de movimiento, en el caso del vídeo, y para la detección de cambio de sonido, para el caso del audio. Para ambos casos, se reseñan brevemente disciplinas en las que se estudian mecanismos para realizar análisis avanzado del audio y el vídeo, denominadas CASA (Computational Auditory Scene Analysis) y Visión por Computador, respectivamente. Por otro lado, se describe de modo introductorio el estándar MPEG-7 para la descripción de contenido multimedia genérico, ya que aplicando este estándar, es posible interpretar el contenido de las imágenes, así como buscar, recuperar y filtrar información multimedia según su contenido.

Seguidamente, la Tesis continúa con el capítulo 7, a lo largo del cual se describe el desarrollo de un sistema específico de acuerdo con el planteamiento y los objetivos marcados en los apartados 1.1 y 1.2 respectivamente.

A pesar de que el campo de estudio teórico cubierto por esta Tesis abarca gran variedad de temas relacionados con las comunicaciones multimedia, por cuestiones de viabilidad y operatividad, ha sido imprescindible marcar límites a este estudio y, sobre todo, en la implementación del sistema, en la que se han probado y utilizado sólo algunos de los diferentes mecanismos y protocolos descritos a lo largo de los capítulos precedentes.

El Capítulo 7 comienza, pues, describiendo la arquitectura global del sistema para pasar a describir su especificación funcional y diseño. Una vez especificado todo lo anterior, se lleva a cabo un análisis de las prestaciones del sistema. Posteriormente, se describen los elementos software que se han utilizado a nivel de implementación y el capítulo finaliza con la descripción de la implantación del sistema en la empresa de distribución eléctrica Medina Garvey , sita en Pilas (Sevilla).

Como colofón, la Tesis concluye con el capítulo 8, en el que se resumen las conclusiones más significativas obtenidas como resultado del trabajo descrito en los capítulos anteriores y en el que se comentan posibles futuras vías de investigación.

Adicionalmente, esta Tesis va acompañada de una serie de anexos, en los que se recoge información auxiliar como soporte complementario al texto. Además, se incluye un apartado donde se han indicado las referencias bibliográficas utilizadas, tanto en formato impreso como en formato electrónico, un glosario de términos y acrónimos utilizados a lo largo de la Tesis, y un índice de materias.

Por último, se desea hacer notar que hay términos que la autora ha preferido no traducir del inglés, debido a que son términos más conocidos y extendidos en su versión anglosajona que en su traducción al castellano. Para esos casos, los términos en cuestión aparecen en cursiva. Asimismo, por igual motivo, para los acrónimos se han mantenido las siglas en su terminología inglesa.