Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 14 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Повышение точности синхронизации с помощью прозрачных часов

Статья посвящена проблеме синхронизации часов в сети.

Широкополосная PLC-технология: проблемы и решения

В статье рассмотрены особенности широкополосной технологии передачи данных по электросети. Для достижения высокой пропускной способности (до 200 Мбит/с) и приемлемой достоверности данных в этой технологии применяются многие из тех решений, которые используются в других проводных и беспроводных технологиях, в т.ч. метод модуляции с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением, современные высокоэффективные алгоритмы помехоустойчивого кодирования данных, что, несмотря на множество существующих проблем, позволяет, в конечном счете, обеспечить надежный прием/передачу данных.

Как подключить внешнее устройство к ПК

В статье приведены основные способы сопряжения внешних устройств с компьютером. Дано краткое описание каждого интерфейса, указаны его сильные и слабые стороны.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

10 марта

Узкополосная PLC-технология. Часть 1

В статье дан обзор международных и региональных стандартов узкополосной PLC-технологии. Рассмотрены спецификации, продвигаемые промышленными группами, альянсами и ассоциациями. Выросшая до 128 Кбит/с и более скорость передачи данных позволяет применить эту технологию при создании современных разветвленных автоматизированных сетей сбора данных, которые работают в режиме, близком к реальному времени.



Введение

Реструктуризация электроэнергетических сетей, ужесточение контроля энергопотребления, необходимость точного учета расхода электроэнергии со стороны производителей и потребителей, риск возникновения кризисных явлений в сбыте электроэнергии, увеличение пиковых нагрузок, возрастающая конкуренция с учетом возможного снижения тарифов послужили мощным толчком для развития принципиально новых технологий взаимодействия с потребителями. К ним, несомненно, относятся автоматизированные системы учета и контроля/управления энергоресурсами. Преимущества организации учета и контроля при помощи автоматизированных систем общеизвестны. Эти системы уже многие годы широко применяются как за рубежом, так и в России на средних и крупных промышленных предприятиях, а экономический эффект их применения ощущают не только энергетические компании, но и потребители [1—7].

Рост конкуренции на энергорынке способствовал эволюции автоматизированных систем типа AMR (Automatic Meter Reading — автоматического считывания показаний счетчиков), или, иными словами, систем АСКУЭ (Автоматизированные системы коммерческого учета энергии). Вначале в развитие AMR появились усовершенствованные системы AMI (Advanced Metering Infrastructure), а позже возникли комплексные автоматизированные распределенные системы управления/контроля AMM (Automated Meter Management). Их принципиальное отличие — наличие обратной связи с потребителем, что, помимо возможности удаленного считывания показаний счетчиков расхода, характерного для традиционных систем класса AMR/AMI, предоставляет, например энергогенерирующим компаниям, другие дополнительные возможности дистанционного управления (включение/отключение, ограничение мощности, изменение тарифа, ведение индивидуального профиля потребителей услуг и др.).

Для создания комплексных автоматизированных систем класса AMM/AMI/AMR можно использовать как проводные, так и беспроводные технологии передачи данных и уже существующие развитые сетевые инфраструктуры. К ним относятся телефонные PSTN (Public Switched Telephone Network) и локальные вычислительные сети, а также сети GSM/GPRS, интернет и др. В последние годы все более широкое распространение во многих приложениях находит технология передачи данных по электрическим сетям (Power Line Communication — PLC). Неполный перечень существующих и активно применяемых на практике технологий передачи данных, в т.ч. используемых в автоматизированных системах управления/контроля, а также стандартов, регламентирующих протоколы обмена и физическую среду передачи данных, приведен в таблице 1 [1].

Таблица 1. Технологии и стандарты, используемые в автоматизированных системах управления и контроля

Стандарты

Область применения

Технология передачи данных

Локальные AMR

Удаленные AMR

Системы AMI

Домашняя автоматика

Локальная шина

PLC

PSTN

GSM

GPRS

Интернет

IEC 61344 PLC

+

+

+

IEC 62056-21 “FLAG”

+

+

+

+

+

IEC 62056-31 EURIDIS

+

+

+

IEC 62056 DLMS/COSEM

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

EN 13757 M-bus

+

+

+

+

SML (Smart Message Language)

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

DIN 43863-4

+

+

+

+

+

+

IEC 60870-5

+

+

SITRED

+

+

+

+

PRIME

+

+

+

+

KNX

+

+

+

+

+

+

ZigBee SmartEnergy

+

+

Homeplug

+

+

EverBlu

+

+

+

+

UPA/OPERA

+

+

+

+

ITU-G.hn

+

+

+

PLC-технологию разделяют на широкополосную (с шириной спектра 2…30 МГц) со скоростью передачи данных 2…200 Мбит/с и выше и узкополосную (3…500 кГц) со скоростью до 128 Кбит/с и более [1—6]. В свою очередь, узкополосная PLC-технология подразделяется на низкоскоростную (до 10 Кбит/с) и высокоскоростную (более 50 Кбит/с). Основные сферы применения узкополосной PLC-технологии:

– автоматизированные системы управления технологическими процессами (SCADA);

– автоматизированные системы контроля и учета энергоресурсов (AMM/AMI/AMR);

– системы контроля и управления доступом;

– системы видеонаблюдения, безопасности, охранной, пожарной и иной сигнализации;

– «умный дом»;

– домашняя автоматизация.

При создании сетей сбора показаний электросчетчиков, датчиков и измерительных устройств, особенно в сложных условиях подземных коммуникаций, когда отсутствует возможность беспроводной связи (ZigBee, GPRS и т.д.), существующая электропроводка, использующаяся в PLC-технологии, — наиболее естественная среда для передачи данных. Пример применения узкополосной PLC-технологии в сети сбора показаний счетчиков и управления уличным освещением показан на рисунке 1.

Рис. 1. Пример использования узкополосной PLC-технологии

Стандарты

Стандартизацией в сфере электроники и электротехники, включая проблемы безопасности электрического оборудования, занимается Международная электротехническая комиссия МЭК (International Electrotechnical Commission — IEC). Эта организация продвигает, координирует работу и согласовывает решение возникающих проблем стандартизации в области электротехники, электроники и связанных с ними технологий. Комиссия IEC включает более чем 200 комитетов и подкомитетов, занимающихся разработкой нормативных документов и спецификаций в различных областях электротехники. Из них примерно 50 комитетов занимаются проблемами электромагнитной совместимости (Electromagnetic Compatibility — EMC) электротехнического оборудования и соответствующих технологий. Структура IEC приведена на рисунке 2 [2].

Рис. 2. Структура Международной электротехнической комиссии

Одним из первых комитетов был CISPR (International Special Committee on Radio Interference — Международный комитет по радиопомехам), созданный в 1934 г. Уже в первых рекомендациях этого комитета CISPR 22 были определены допустимые уровни электромагнитных излучений. В дальнейшем они послужили основанием для выработки большинства национальных стандартов. Один из влиятельных подкомитетов международной электротехнической комиссии носит название TC 77 (Technical Committee — Технический комитет). Этот комитет был создан в 1973 г. Совместно с другими комитет TC 77 принимает активное участие в классификации электромагнитных явлений и выработке основных рекомендаций и базовых нормативных документов [2].

Стандарт IEC 61334, принятый в конце 1990-х гг., описывает общие требования к системам автоматики с распределенными каналами связи, в которых в качестве физической среды передачи данных используются электросети среднего (4…30 кВ) и низкого напряжения (0,2…0,4 кВ). Спецификации физического уровня (PHY), а также канального подуровня (MAC) для систем с использованием для передачи данных модуляции вида S-FSK (Spread Frequency Shift Keying — частотной манипуляции с расширением спектра) регламентируются стандартом IEC 61334-5-1; требования к канальному подуровню (LLC) — техническими спецификациями раздела IEC 61334-4-32. Требования к системам, в которых используется модуляция вида FSK, описаны в спецификациях IEC 61334-5-2; требования для систем с модуляцией SS-FFH (Spread Spectrum Fast Frequency Hopping — скачкообразная смена рабочей частоты с расширением спектра) — в IEC 61334-5-5. Суть этого метода модуляции (преимущество которого — простота реализации) заключается в периодическом скачкообразном изменении несущей частоты в соответствии с некоторой псевдослучайной последовательностью, известной как на стороне приема, так и передачи. Основные преимущества модуляции SS-FFH — высокая надежность и пониженный средний уровень электромагнитных излучений в конкретном диапазоне, в сравнении с другими классическими методами модуляции с расширением спектра, к недостаткам которых можно отнести чрезмерное расширение полосы частот и трудность физической реализации. В спецификациях IEC 61334-5-5 определены требования к PHY- и MAC-уровням. Кроме перечисленных стандартов МЭК, имеется множество других, регламентирующих требования к сетям передачи данных на базе PLC-технологии. Например, стандарт IEC 61000-3-8 («Передача сигналов по низковольтным электрическим сетям. Полоса частот и предельные уровни электромагнитных излучений»), IEC 61334-4-1 («Протоколы передачи данных. Эталонная модель системы связи») и IEC 61334-4-33 («Протоколы передачи данных. Канальный уровень. Протоколы связи») и др. Полный список стандартов можно найти на веб-сайте IEC [8].

В протоколе FLAG (Ferranti and Landis and Gyr) определен нижний уровень интерфейса с электронными устройствами. Предусмотрена возможность подключения к приборам, имеющим интерфейс RS-232, RS-434, токовой петли, а также к линии с открытым коллектором. IEC FLAG — одно из подмножеств стандарта IEC 61107.

EURIDIS — стандартизованный интерфейс для удаленного считывания показаний электрический счетчиков (www.euridis.org) — был разработан французской компанией EdF. В качестве физической среды для передачи данных используется витая пара. Протокол впервые был представлен 1990 г. и рассматривался в IEC рабочей группой IEC TC13WG14. В настоящее время этот протокол, описанный в стандарте IEC 62056-31, используется главным образом в Европе (во Франции) и странах Северной Африки. Длина линии связи до 500 м, максимальное число подключенных счетчиков 100, скорость передачи 1200 бит/с. Для связи используется асинхронная, полудуплексная, двунаправленная передача данных. Максимальная длина пакета данных 128 байт, для исправления ошибок используется CRC-кодирование. Недостаток интерфейса EURIDIS — наличие дополнительного кабеля, что в некоторых случаях усложняет его применение. Чтобы решить эту проблему, некоторые производители применяют специальные шлюзы с радиоканалом для передачи данных в центральный диспетчерский пункт, PLC- или GSM-сеть [1, 4].

Для правильного функционирования автоматизированных систем, особенно при использовании в них оборудования разных производителей, необходимо следовать общим определениям и стандартам [9]. DLMS/COSEM — набор наиболее общих правил, определений и языка описания процедур, следование которым обеспечивает совместимость оборудования. DLMS (Device Language Message Specification) представляет набор обобщенных понятий и терминов для абстрактного моделирования объектов коммуникаций. COSEM (COmpanion Specification for Energy Metering) — набор правил, основанных на существующих стандартах, для обмена данными с электрическими счетчиками.

Из более ранних разработанных, внедренных и стандартизированных протоколов передачи данных по электросети можно отметить протоколы LonWorks (www.lonworks.echelon.com) и Konnex (www.knx.org).

Протокол LonWorks представляет собой набор протоколов для передачи данных, внедренных компанией Echelon Corp. еще в начале 1990-х гг. Впоследствии на их базе были разработаны европейский (EN 14908), американский (ANSI/CEA 709) и китайский (GB/Z 20177) стандарты. В протоколе LonWorks оговаривается возможность использования в качестве физической среды передачи данных витой пары, линии электропередач, оптоволоконного кабеля и радиосети. Для PLC-связи требования к PHY-уровню приведены в стандарте CEA 709.2. Для модуляции сигнала выбрана модуляция вида BPSK (Binary Phase Shift Keying — двухпозиционная фазовая манипуляция), для передачи данных предусмотрено использование полосы частот CENELEC C и CENELEC A. Скорость передачи данных в полосе частот CENELEC C (125…140 кГц) составляет 5,4 Кбит/с, в CENELEC A (9…95 кГц) — 3,6 Кбит/с. В каждом из режимов передача данных может осуществляться на двух несущих (см. рис. 3): основной и вспомогательной. Если приемник подтверждает получение сообщения, передача данных продолжается с использованием основной несущей частоты 132 кГц; если не подтверждает, осуществляется переход на вспомогательную частоту 115 кГц с повторной передачей данных. Аналогичные операции выполняются и в полосе CENELEC A, для которой основная частота выбрана равной 86, а вспомогательная — 75 кГц.

Рис. 3. Распределение рабочих частот в протоколе LonWorks

Konnex (KNX) — коммуникационный протокол для автоматизации зданий и домашней автоматики, продвигаемый ассоциацией производителей комплексных систем автоматизации с одноименным названием (KNX Association). В настоящее время в ассоциацию входит 176 фирм из 29 стран мира. Ввиду широкого распространения как в Европе, так и за ее пределами, а также востребованности на рынке изделий, созданных на базе технологии KNX, на основе спецификаций KNX были разработаны международный (ISO/IEC 14543-3) и европейские (CENELEC EN 50090, EN 13321-1) стандарты. В Китае действует созданный также на основе KNX-спецификаций стандарт GB/Z 20965. В протоколе Konnex оговаривается возможность использования в качестве физической среды передачи данных линии электропередач, витой пары, оптоволоконного кабеля и беспроводной связи. Для PLC-связи предусмотрены два профиля стандарта, основанные на спецификациях EIB (European Installation Bus — Европейской инсталляционной шины) или EHS (European Home Systems Protocol). Профиль PL110 (EIB) регламентирует использование модуляции вида S-FSK (частота несущей 110 кГц, максимальная скорость передачи 1,2 Кбит/с). В профиле PL132, созданном на базе спецификаций EHS, используется одна из разновидностей модуляции FSK — частотная манипуляция с минимальным сдвигом MFSK. Этот вид модуляции отличается тем, что значения частот, соответствующих логическим 0 и 1, отличаются на величину равную половине скорости передачи данных (т.е. индекс модуляции равен 0,5). Частота несущей 132,5 кГц, частотная девиация ±0,6 кГц (лог. 1 соответствует сигнал частотой 131,9; лог. 0 — 133,1 кГц), скорость передачи в сравнении с PL110 увеличена в два раза до 2,4 Кбит/с. Поскольку в каждом из профилей используется передача данных на одной несущей, возможна работа только в полудуплексном режиме.

Спецификации, предложенные альянсом OPERA (Open PLC European Research Alliance) и продвигаемые европейской ассоциацией UPA (Universal Powerline Association), а также спецификации альянса HomePlug (HomePlug 1.0 и HomePlug AV) обеспечивают высокую пропускную способность канала связи (14…200 Мбит/с) и ориентированы на широкополосные системы передачи данных: компьютерные сети (главным образом, домашние), интернет («последняя миля»), а также такие приложения как VoIP, IPTV, HDTV и др. высокоскоростные приложения. Требования к узкополосной PLC-технологии, ориентированной на применение в автоматизированных распределенных системах управления/контроля, кроме стандарта IEC 61334, описаны в спецификациях альянса HomePlug (HomePlug C&C), а также в спецификациях, продвигаемых европейским альянсом PRIME (Powerline Related Intelligent Metering Evolution). Отличительная особенность последних — увеличенная до 128 Кбит/с скорость передачи данных за счет применения модуляции OFDM [3]. Как правило, к полному объему спецификаций, продвигаемых альянсами и ассоциациями, имеют доступ только их члены.

Для узкополосной PLC-технологии со сравнительно небольшой пропускной способностью, реализуемой в системах контроля и автоматики с распределенными каналами связи (устройствах управления уличным освещением, системах сигнализации, вентиляции/кондиционирования, системах регистрации расхода энергоносителей и т.д.) не требуется очень высокая скорость передачи и, соответственно, широкая полоса частот. Одна из ключевых проблем при разработке PLC-технологии — выбор рабочей полосы частот для передачи данных по электросетям. Диапазон частот для передачи данных выбирается в соответствии с действующими региональными стандартами. В США принят стандарт FCC (Federal Communication Commission — Федеральной комиссии США по средствам связи), в Европе — CENELEC (Commission Européenne de Normalisation Électrique — Европейского комитета по электротехническим стандартам). В этих стандартах для передачи сигналов по электросети выделен диапазон частот 3…148,5 кГц (CENELEC EN 50065-1) или 3…500 кГц (FCC). Чтобы обеспечить электромагнитную совместимость оборудования, регламентируется также мощность сигнала в соответствии с нормативными документами (FCC Part15 subpart B/C, EN/IEC 61131-2, EN 55011, EN/IEC 61000-6-4 и др.). Распределение частот и региональные стандарты приведены на рисунке 4. Чтобы не создавать проблем с электромагнитной совместимостью оборудования для передачи данных с использованием узкополосной PLC-технологии, был выбран диапазон частот ниже 500 кГц. В стандарте CENELEC EN 50065-1 («Передача сигналов по низковольтным электросетям в диапазоне 3…148,5 кГц»), кроме полосы частот, регламентируется максимальная амплитуда сигналов с учетом допустимого уровня излучений (см. табл. 2). В американском стандарте FCC разрешается использовать более широкий диапазон частот (до 500 кГц). Это обусловлено тем, что в Сев. Америке не используется радиовещание в длинноволновом диапазоне, а полоса частот 525,0…1,71 МГц выделена для средневолнового радиовещания. Скорость передачи и вид модуляции сигнала в стандарте CENELEC EN 50065 не нормируются.

Таблица 2. Распределение частот в стандарте CENELEC EN 50065

Обозначение

Полоса частот, кГц

Максимальный уровень сигнала, дБмкВ

Пользователи

А

3…9

134

Только энергораспределительные компании

9…95

Энергораспределительные компании или с их разрешения

В

95…125

116/134

Общедоступна

С

125…140

Общедоступна с использованием протокола CSMA/CD

D

140,0…148,5

Общедоступна

Рис. 4. Распределение частот и региональные стандарты

Заключение

Рассмотренные спецификации узко-
полосной PLC-технологии далеко не единственные из существующих. Широко распространенное оборудование, созданное на базе PLC-спецификаций KNX, LonWorks, IEC 61334, HomePlug C&C и др., обеспечивает сравнительно небольшую скорость передачи данных — всего 0,3…10 Кбит/с, что уже во многих приложениях не удовлетворяет ни потребителя, ни энергогенерирующие и сервисные компании. В последние годы благодаря усилиям ведущих игроков PLC-рынка появилось оборудование, созданное на базе новых PLC-спецификаций, в котором обеспечивается более высокая — до 128 Кбит/с и более — скорость передачи данных.

Более полную информацию об узкополосной PLC-технологии, существующих стандартах и PLC-оборудовании можно найти в [1—7].

ЛИТЕРАТУРА

1. State-of-the-art Technologies & Protocols.D2.1/Part 4//OPEN Meter. 2009. www.openmeter.com.

2. H. Hrasnica, A. Haidine, R.Lehnert. Broadband Power-line Communications Networks. — John Willey & Sons. 2004.

3. PRIME. Technology Whitepaper. PHY, MAC and Convergence layers. 2008//www.prime-alliance.org.

4. Description of the state-of-the-art PLC-based access technology. D2.1/part 2//OPEN Meter, 2009. www. openmeter.com.

5. D57: Specification of interfaces between home automation and PLC and between AMR and PLC//OPERA, 2004. www.ist-opera.org.

6. HomePlug Command & Control (C&C). Overview. White Paper//HomePlug Powerline Alliance, 2008. www.homeplug.org.

7. Kevin Jones & Christos Aslanidis. DCSK Technology vs. OFDM Concepts for PLC Smart Metering. — Renesas, March 2009.

8. http://webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/mysearchajax?Openform&key=61334&sorting=& start=1).

9. www.dlms.com/index2.php.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Виктор Охрименко, техн. консультант, НПФ VDMAIS



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты