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.
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).
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, |
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.
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.
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.
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.
Схема |
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.
Для реализации надежной связи и технологической совместимости, в первую очередь, для интеллектуальных сетей электропитания и домашних сетей, было разработано немало стандартов (см. табл. 3).
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.
В разных регионах мира для узкополосной PLC-связи назначены разные частоты (см. табл. 4)
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
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.
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%.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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».