Связь по электрическим сетям. Принципы, стандарты, приложения


PDF версия

PLC (Power Line Communication) — технология передачи информации по существующим сетям электропитания, которая обеспечивает не только питание электронных устройств, но и управление/получение данных в полудуплексном режиме. Перевод статьи [1] представляет собой обзор этой технологии.

Обзор рынка PLC

Для лучшего понимания излагаемых вопросов рассмотрим эту технологию, разделив ее на два вида — узкополосную и широкополосную PLC.
Узкополосная технология PLC применяется на частотах 3–500 кГц, характеризуется относительно невысокими скоростями передачи данных (до 100 Кбит/с) и достаточно большим радиусом действия (до нескольких километров), который увеличивается за счет повторителей. Широкополосная PLC применяется на более высоких частотах (1,8–250 МГц, до 100 Мбит/с) и работает на относительно небольших расстояниях (см. табл. 1).

 

Таблица 1. Классификация PLC-технологий по скоростям передачи данных

Низкая скорость

Средняя скорость

Высокая скорость

Скорость передачи данных

0–10 Кбит/с

10 Кбит/с…1 Мбит/с

> 1 Мбит/с

Модуляция

BPSK, FSK, SFSK, QAM

PSK+OFDM

PSK+OFDM

Стандарты

IEC 61334,
ANSI/EIA 709.1, .2, UPB

PRIME, G3, P1901.2

G.hn, IEEE 1901

Диапазон частот

До 500 кГц

До 500 кГц

Единицы МГц

Приложения

Управление и контроль

Управление и контроль; голосовые данные

Широкополосная передача данных по электросети; домашние сети

Интерес к узкополосной технологии PLC растет благодаря ее применению в интеллектуальных энергосетях. Этот вид PLC также используется в интеллектуальных системах генерации, в частности, в микроинверторах для панелей солнечных батарей.
Широкополосная PLC-связь, главным образом, находит применение в решениях последней мили для интернет-сетей. Поскольку этот вид PLC обеспечивает высокие скорости передачи данных и не требует дополнительной прокладки кабелей, эта связь является наиболее эффективной для мультимедийных бытовых приложений, что подтверждается несколькими недавними поглощениями соответствующих компаний в сегменте домашних сетей. Так, например, Atheros приобрела Intellon; Sigma — Coppergate; Marvell — DS2, а Broadcom — компанию Gigle.
Существует и другой способ классификации PLC-связи по линиям: переменного тока (AC-PLC); постоянного тока (DC-PLC).
Большинство компаний работает на рынке решений AC-PLC, однако активно развивается и направление PLC-DC. К двум таким применениям относятся PLC-связь по DC-шине в распределенных системах генерации энергии и PLC в транспорте (электронное управление в самолетах, автомобилях и поездах). Применение этой технологии позволяет избежать сложного монтажа, снизить вес и стоимость системы связи. В статье рассматривается, главным образом, узкополосная PLC-связь по линиям переменного тока.

Конкуренция

На рынке узкополосной PLC-связи работает много конкурирующих компаний, к числу которых присоединились и поставщики PLC-технологии: Cypress Semiconductor; Echelon; ST Microelectronics; Yitran; Texas Instruments; Maxim; Semitech Semiconductor; Ariane Controls; ADD Semiconductor; Microchip. В сегменте широкополосной PLC-связи работают компании Atheros; Sigma; Marvell; Broadcom; Lantiq; Maxim и Plugtek.

Принцип работы PLC

В PLC, как и в любой другой технологии связи, передаваемые данные модулируются и отправляются приемнику адресата, где демодулируются. Главное отличие PLC-технология в том, что она не требует прокладки дополнительных кабелей. При этом можно управлять всеми питающимися от электросети устройствами.
При обсуждении технологии связи, как правило, обращаются к 7-уровневой модели OSI. Некоторые PLC-кристаллы позволяют реализовать только физический уровень этой модели, тогда как другие интегрируют все семь уровней. При использовании этой технологии можно задействовать DSP и программную реализацию MAC-уровня, а также внешнюю цепь на уровне PHY или оптимизированное решение на базе системы на кристалле (СнК), обеспечивающей полную реализацию PLC — MAC и PHY. Устройства CY8CPLCXX от Cypress — пример такого решения с готовым физическим, сетевым уровнями и уровнем, программируемым пользователем. Прежде чем мы рассмотрим применения этой технологии связи, давайте обсудим физический уровень.

Схемы модуляции

В PLC-связи используется множество схем модуляции. К наиболее известным из них относятся OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), BPSK (Binary Phase Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying), S-FSK (Spread-FSK), а также запатентованные схемы, например, DCSK (Differential Code Shift Keying) компании Yitran. В таблице 2 схемы BPSK, FSK, SFSK и OFDM сравниваются по двум основным критериям — эффективности использования полосы частот и стоимости.

Таблица 2. Сравнение схем модуляции

Схема
модуляции

Эффек­тивность исполь­зования

Стои­мость

BPSK

Средняя

Низкая

FSK

Средняя

Низкая

SFSK

Низкая

Средняя

OFDM

Высокая

Высокая

 

Например, OFDM обеспечивает высокую скорость передачи данных, но требует большой вычислительной мощности для выполнения БПФ (быстрых преобразований Фурье) и обратных БПФ. С другой стороны, более простыми и надежными методами являются BPSK и FSK, которые, однако, характеризуются относительно низкими скоростями передачи данных. В настоящее время сложилась тенденция перехода на OFDM с PSK-модуляцией (G3 и, вероятно, P1901.2). Для таких ресурсоемких вычислений требуется DSP, тогда как модуляция вида FSK, PSK и SFSK осуществляется с помощью микроконтроллера.

Стандарты

Для реализации надежной связи и технологической совместимости, в первую очередь, для интеллектуальных сетей электропитания и домашних сетей, было разработано немало стандартов (см. табл. 3).

 

Таблица 3. Параметры стандартов для узкополосной PLC-связи

Стандарт

Технология

Полоса частот, кГц

Скорость передачи, Кбит/с

G3-PLC

OFDM

36–90,6

5,6–45

PRIME

OFDM

42–89

21,4–128,6

IEEE P1901.2

OFDM

9–500

ожидается

ANSI/EIA 709.1, .2

BPSK

86, 131

3,6–5,4

KNX

S-FSK

125–140

1,2

IEC61334

S-FSK

CENELEC-A

2,4

Эти стандарты, а также разработавшие их организации CENELEC, FCC, ARIB, Homeplug Power Alliance определяют диапазон работы PLC-связи. Принятие единого во всем мире PLC-стандарта положительно отразилось бы на дальнейшем внедрении этой технологии. Этим вопросом и занимается в настоящее время рабочая группа IEEE 1901.2. До сих пор наиболее надежным считается стандарт G3-PLC.

Частоты

В разных регионах мира для узкополосной PLC-связи назначены разные частоты (см. табл. 4)

 

Таблица 4. Диапазоны частот, выделенные под узкополосную PLC-связь в разных регионах мира

Регион

Регулирующий орган

Полоса частот, кГц

Примечание

Европа

CENELEC*

3–95

A — поставщики энергии

95–125

B — пользовательский резерв

125–140

C — пользовательский резерв, рег. CSMA-доступ

140–148,5

D — пользовательский резерв

Япония

ARIB**

10–450

Китай

EPRI***

3–90, 3–500

Нерегулируемый

США

FCC****

10–490

 

* CENELEC — Европейский комитет по стандартизации в электротехнике.
** ARIB — Ассоциация радиопромышленности и бизнеса
*** EPRI — Научно-исследовательский энергетический институт
**** FCC — Федеральная комиссия связи

Приложения

Поначалу технология PLC нашла широкое применение в интеллектуальных энергосетях и микроинверторах. По мере освоения рынком этого вида связи PLC начинает с успехом использоваться в других приложениях — в освещении (системы управления светофорами, регулирования яркости светодиодов); промышленности (связь ИБП с сетевыми устройствами, системы автоматического управления поливом); в межмашинной передаче данных (торговые автоматы, гостиничные системы связи между стойкой администратора и номерами); телеметрии (морские буровые установки); транспорте (электронные системы автомобилей, поездов и самолетов) и т.д. В рамках этой статьи мы подробнее остановимся на применении PLC в производстве электроэнергии и ее рациональном использовании.

Генерация электроэнергии и ее потребление

На сегодняшний день термин «интеллектуальные электросети» у всех на слуху. Он относится ко всему, начиная с производства энергии и заканчивая ее потреблением. PLC-технологии играют важнейшую роль в том, чтобы энергосети стали «умными».
В 2010 г. доля полученной возобновляемой энергии увеличилась на 35,2%. Основная часть этого роста обусловлена удвоением числа фотоэлектрических установок во всем мире. Кроме того, увеличилось и количество ветроэнергетических установок: например, в Китае этот показатель вырос в 2010 г. на 64%.

PLC на рынках энергопотребления

Ожидается, что к 2020 г. в Европе будет насчитываться 80% интеллектуальных счетчиков, а остальные регионы мира придут к этому соотношению немного позже. PLC — предпочтительный метод создания инфраструктуры автоматизированного учета. В этом разделе мы рассмотрим рынок энергопотребления с точки зрения перспектив развития вспомогательного интерфейса и интеллектуальной энергосети. Кроме того, мы обсудим другие приложения — энергораспределение в центрах обработки данных и управление освещением.

Интеллектуальная энергосеть

В этой электросети существенно переработаны такие аспекты как передача и распределение энергии. В новой инфраструктуре допускается двусторонняя связь между потребителями и коммунальным предприятием. Потребители пользуются домашними сетями для снятия показаний интеллектуального счетчика, данные с которого поступают в энергосбытовую компанию. Понятие интеллектуальной сети не ограничено новыми возможностями потребления — электроэнергия, выработанная солнечными панелями или ветровыми турбинами, поступает в общую электросеть. Система распределенных источников генерации энергии также реализует V2G (vehicle-to-grid) — концепцию двухстороннего использования электромобилей и гибридов, подразумевающую не только подключение машины в общую сеть для подзарядки, но и отдачу лишней электроэнергии. В этой статье мы рассмотрим концепции AMI (Advanced metering infrastructure — архитектура автоматизированной двусторонней связи между «умными» счетчиками с IP-адресами и энергосбытовой компанией), Smart Appliances (интеллектуальная бытовая техника) и V2G.

Архитектура автоматизированной связи приборов учета

Инфраструктура AMI представляет собой систему для измерения и сбора данных, в которую входят счетчики потребителя, сети связи между потребителем и поставщиком услуг по снабжению электричеством, газом или водой, а также системы приема данных и управления, которые доставляют информацию поставщику. Интеллектуальные счетчики передают собранные данные по существующим PLC-сетям, сетям с фиксированной радиочастотой и сетям общего пользования (наземным, сотовым и пейджинговым). Эти данные собираются концентратором, отправляются в энергосбытовую компанию, а затем в систему управления данными приборов учета для хранения, анализа и биллинга. Исследования показали, что узкополосные PLC-сети наилучшим образом подходят для инфраструктуры AMI, которая насчитывает на текущий момент свыше 100 млн установленных устройств.
Энергосбытовые компании инвестируют миллиарды долларов в системы AMI. В отличие от беспроводных технологий, PLC-решение для передачи данных не требует создания новой инфраструктуры, поскольку использует существующие силовые кабели. PLC-системы очень популярны у многих энергокомпаний, т.к. обеспечивают надежную передачу данных по контролируемой инфраструктуре. Эти компании могут также использовать сотовые сети общего пользования для доставки данных AMI благодаря малым издержкам и низкой ежемесячной плате. Однако во многих случаях сотовые сети не обеспечивают стопроцентного покрытия всех потребителей электроэнергии.
В таких случаях использование беспроводных сетей, РЧ-решений или PLC-связи для передачи данных может стать альтернативным решением. Коммунальные предприятия в сельской местности или в труднодоступных районах (например, в горах), где беспроводная связь неустойчива, могут испытывать трудности при установлении связи с потребителями. Кроме того, скорость передачи данных с использованием беспроводных и РЧ-решений снижается при возникновении помех от Bluetooth-устройств, беспроводных телефонов и препятствий — бетонных стен, скал и даже деревьев. Технология PLC позволяет установить связь с любым подключенным к электросети объектом, даже если он не находится в зоне прямой видимости. Одним из наиболее важных вопросов при эксплуатации интеллектуальной энергосети является необходимость снизить ее перегрузку. По сравнению с беспроводными решениями на основе ZigBee или Wi-Fi, инфраструктура AMI на базе PLC-технологии уже на практике доказала, что она в большей мере позволяет избежать такой перегрузки. Кроме того, линии электропередачи позволяют с меньшими издержками выполнить еще одно распространенное требование к построению каналов связи — обеспечить их избыточность.
PLC-связь используется для: дистанционного контроля; управления подачей электричества (включая обнаружение сбоев в работе оборудования); управления потребительским спросом в соответствии с условиями подачи электроэнергии сетью; обнаружения и отключения подачи электроэнергии в неконтролируемые участки сети и обнаружения фактов мошенничества или воровства.

Интеллектуальная бытовая техника

Беспроводные, РЧ- или PLC-технологии объединяют бытовую технику в домашние сети. Современные бытовые электроприборы соединяются в двустороннюю сеть, в которой могут взаимодействовать друг с другом, а также с подстанцией. Эти интеллектуальные приборы в автоматическом режиме управляются с помощью одной или нескольких точек доступа.
На рисунке 1 прогнозируются доходы от продажи интеллектуальной бытовой техники в 2011 г.; данные предоставлены компанией Zpryme Research & Consulting. Ожидается, что совокупные темпы роста (CAGR) этого рынка за период 2011–2015 гг. составят 49%.

 

Рис. 1. Мировые доходы от продаж интеллектуальной бытовой техники в 2011 г.

К числу приложений PLC во многих странах ЕС относится также контроль нагрузки сети. Интеллектуальные счетчики собирают по PLC-сетям данные от стиральных машин, сушилок, посудомоечных машин, СВЧ-печей, кухонных плит, холодильников, кондиционеров и водонагревателей, а также информацию от поставщика электроэнергии о том, в какие часы тарифы достигают максимальных размеров. Располагая такой информацией, потребитель решает, когда ему включить или, наоборот, отключить бытовую технику, что позволяет ему сэкономить на счете за электричество, а коммунальному предприятию — улучшить управление подачей энергии в условиях пиковых нагрузок. PLC-сети также позволяют в целях экономии установить контроль над бытовой техникой и системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Для системы автоматизация дома требуются следующие приложения:
– освещение;
– контроль и диагностика бытовой техники и устройств;
– доступ через систему безопасности;
– инфраструктура автоматизированной двусторонней связи (AMI);
– мониторинг здоровья жильцов дома.
Датчики со стороны бытовой техники подключаются к средству контроля через электросеть. Любые изменения на этой стороне отражаются на дисплее, с помощью которого они контролируются и корректируются при необходимости. Таким образом, потребители получают полный контроль над всем домом.
Применение технологии PLC, в первую очередь, наиболее эффективно в домашних сетях. Для построения беспроводных сетей необходима новая инфраструктура. Более того, проникновение радиоволн через такие физические препятствия как стены или пол затруднено. Беспроводные сети часто не обеспечивают требуемых характеристик из-за помех от СВЧ-печей или беспроводных телефонов. В то же время PLC-связь доступна повсюду, где имеется розетка — своеобразная точка доступа, которая воплощает в себе преимущества проводных и беспроводных коммуникаций.

Интеллектуальные энергосети в ЦОД

С появлением облачных вычислений и интернет-сервисов спрос на центры обработки данных и соответствующее оборудование удвоился. Простои ЦОД абсолютно неприемлемы из-за снижения доходов и ухудшения репутации их владельцев. В основном, такие простои вызваны отказами ИБП, их перегрузкой и сбоем в работе автоматического выключателя. Еще одной важной проблемой ЦОД является энергоэффективность устройств, связанной с ростом стоимости тарифов на электроэнергию и расходов на дополнительное охлаждение. В то же время компании, которые предоставляют вычислительные ресурсы этих центров, нуждаются в доступе ко всем оценочным испытаниям своих систем, включая энергопотребление при разной нагрузке. Установление связи между устройствами представляет определенную трудность, поскольку беспроводные сети не могут надежно работать в центрах обработки данных, а проводные коммуникации усугубляют проблему помех.
Рассмотрим традиционную архитектуру энергораспределения в центре обработки данных на примере рисунка 2.

 

Рис. 2. Схема энергораспределения в типовом ЦОД

Переменный сетевой ток проходит через источник бесперебойного питания (ИБП), блок распределения питания (БРП), преобразуется в постоянный ток в источнике питания (ИП) и, наконец, поступает в серверы, коммутаторы и сетевые устройства хранения данных. В таких конфигурациях с резервным питанием нагрузка на ИБП редко превышает 30% от номинальной емкости. Главным образом, это обусловлено тем, что ИБП не может установить, сколько сетевых устройств к нему подключено. На рисунке 3 представлена типичная кривая эффективности ИБП.
Проблема. Чтобы избежать дорогостоящих простоев центров обработки данных из-за перегрузок оборудования, ИБП работают на низких нагрузках; при этом их КПД снижается (см. рис. 3).
Решение. Рассмотрим PLC-систему, изображенную на рисунке 4. ИБП, БРП, ИП и сетевые устройства связываются друг с другом через PLC, благодаря чему на каждом этапе распределения энергии эти устройства получают данные о топологии сети до и после них. Например, ИБП 1 «знает», что обеспечивает электроэнергией БРП 1 или сетевые устройства 1 и 2. Поскольку эти устройства стали «видимыми», их потребности в электроэнергии точно определяются. В результате нагрузку на ИБП можно увеличить до оптимального уровня.

 

Рис. 3. КПД ИБП в зависимости от нагрузки

Рис. 4. Топология энергораспределительной PLC-системы в ЦОД

Благодаря диагностике с помощью PLC-связи снижается вероятность перегрузки ИБП, отказа батарей и прерывателя цепи. В результате применения данной технологии в архитектурах энергораспределения ЦОД не только увеличивается КПД системы, но и обеспечиваются другие преимущества, в т.ч. облегчается диагностика и резервирование. Следует заметить, что все эти преимущества достигаются без трудоемких монтажных работ.

Управление светодиодным освещением

В текущем десятилетии вместо ламп накаливания постепенно станут использоваться светодиоды. У светодиодов имеются преимущества перед компактными люминесцентными лампами и лампами накаливания. К ним относятся регулирование яркости во всем диапазоне свечения, более продолжительный срок службы, отсутствие ртути и настройка цветовой температуры.
Проблема. Рассмотрим, например, систему уличного освещения. Муни­ци­па­литеты расходуют 30–40% своих бюджетных средств на освещение города. В устаревших осветительных системах не предусмотрена регулировка яркости ламп, контроль над цветовой температурой и интеллектуальное переключение. Более того, для обнаружения неисправностей в уличном освещении требуются бригады ремонтников. Очень часто ремонт производится только после поступления соответствующих заявлений. Всех перечисленных расходов, исчисляемых миллионами долларов, а также огромного количества выбросов углекислого газа в атмосферу можно избежать, перейдя на новую модель использования уличного освещения.
Решение. Светодиодная система улич­ного освещения, в которой реализована PLC-технология. Благодаря этой связи можно установить мониторинг и управление каждым уличным фонарем. Такое решение имеет огромное количество преимуществ. Перечислим лишь некоторые из них.
– Яркость уличных фонарей регулируется в зависимости от времени суток, дорожного движения, погоды и других факторов. В результате экономия средств превышает 40%. Это внушительная цифра для города. Снижается также объем выброса углекислого газа в атмосферу, что обеспечивает соблюдение норм Киотского протокола. Кроме того, регулировка яркости способствует увеличению срок службы светодиодных ламп.
– Лампы с истекающим сроком службы можно заменить до их выхода из строя, что уменьшает расходы на обслуживание.
– Данные о сроке службы ламп, их энергопотреблении и другая информация отправляется в центр мониторинга и используется в дальнейшем для диагностики.
– Цветовую температуру уличных фонарей можно динамически изменять, обеспечивая лучший эстетичный вид освещаемых улиц и безопасность.
– Для монтажа светодиодных светильников не требуется прокладки дополнительных кабелей или проведения земляных работ — PLC-решение является наиболее подходящим и доступным в таких приложениях.
Система управления светодиодами высокой яркости обеспечивает работу в соответствии с оптимизированным сетевым протоколом, позволяя контролировать отдельные установки или группы установок в инфраструктуре линии электропередачи. Например, PLC-система с решением EZ-Color от Cypress может применяться для интеллектуального регулирования яркостью и постепенного выключения мощных светодиодов.

Недостатки технологии PLC

Разумеется, не все так гладко обстоит с применением PLC-технологии. Во-первых, сети электропитания не приспособлены под передачу данных и ведут себя как НЧ-фильтры. Моделирование каналов связи по таким линиям осложнено зашумленной средой передачи, частотной избирательностью каналов, нестационарностью, флуктуационным шумом и импульсными помехами. Для сохранения целостности сигнала по линиям электропередачи требуются надежные технологии передачи данных и оборудование.
Во-вторых, структура сети электропитания в разных странах разная. То же самое относится и к проводке внутри дома. Не существует универсального стандарта ни для PLC-связи, ни для энергосетей. Необходимо предпринять меры по обеспечению совместимости разных устройств.
В-третьих, при отправке информации личного характера по сетям электропередачи требуется обеспечить ее защищенность. Наконец, PLC-связь испытывает конкуренцию со стороны других средств связи — проводной и беспроводной. Выбор наиболее предпочтительной технологии делается исходя из нескольких критериев — стоимости, сложности системы и ее реализуемости. В настоящее время главными конкурентами узкополосной PLC-связи являются технологии Zigbee, Wi-Fi, GPRS и RS-232.

Выводы

Итак, мы рассмотрели типы PLC-связи, схемы модуляции, стандарты и используемые частоты. Мы обсудили различные применения этой технологии в таких областях как производство электроэнергии, интеллектуальные электросети, энергораспределительные инфраструктуры и светодиодное освещение. Мы также остановились на вопросах, осложняющих применение этого вида технологии.
PLC-связь позволяет автоматизировать сети электропитания, но это применение — лишь самая верхушка айсберга. По мере дальнейшего совершенствования данного вида связи и появления стандартов PLC-сети станут по-настоящему «умными».

Литература
1. What is Power Line Communication? Cypress Semiconductor//www.eetimes.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *