Технология передачи данных по силовым линиям идет в массы

Введение

Связь по силовым линиям является основным элементом автоматических систем контроля и учета энергоносителей (АСКУЭ). Основные преимущества этой технологии: возможность автоматически получать информацию с пунктов учета, расположенных в удаленных районах с низкой плотностью населения и низким качеством инфраструктуры, большой срок службы, возможность наращивания и низкие затраты.

Принцип работы системы довольно прост. Электричество от электростанции передается по высоковольтному кабелю к подстанции. Здесь происходит понижение напряжения и распределение на большое количество низковольтных трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до бытового. Обычно к одному трансформатору подсоединено от 500 до 1000 конечных потребителей. Таким образом, можно предложить следующий вариант построения PLC систем для АСКУЭ: концентратор, действующий как центральный узел, базируется на низковольтных подстанциях и регулярно (например, раз в час) собирает результаты измерений со счетчиков (это могут быть не только счетчики электроэнергии, но и воды, тепла, газа). После этого концентратор пересылает их, например по каналу GSM, для дальнейшей обработки. Такой тип систем не ограничен только получением информации со счетчиков и может выполнять другие функции (рис. 1).

Рис. 1. Области применения PLC

Способы передачи сигналов

Поскольку силовые линии были спроектированы исключительно для доставки электроэнергии, технология связи, которую предполагается использовать в этой среде, должна справляться с ее характерными помехами, а именно: модуляция импеданса; спектральные искажения; пульсация и скачки; узкополосная и гармоническая интерференция, генерируемая подключенным к сети оборудованием; ослабление, вызванное физической длиной канала передачи.

Качество и надежность связи зависят от того, насколько устойчива выбранная методика модуляции к искажениям. Основные из наиболее широко распространенных технологий — FSK (Frequency Shift Keying — частотная манипуляция) и SS (Spread Spectrum — частотная манипуляция с растяжением спектра). При частотной манипуляции каждому возможному значению передаваемого сигнала ставится в соответствие своя частота. В течение каждого символьного интервала передается гармоническое колебание с частотой, соответствующей текущему значению. В FSK (рис. 2) две различные несущие частоты выбираются цифровым сигналом. Сигнал для двух уровней 1 и 0 описывается так:

где ƒ_C1 и ƒ_C0 — несущие частоты для логического 0 и логической 1. Этот тип манипуляции обычно уязвим к шумам и искажениям, которые могут появиться в узкой полосе несущей частоты.

Рис. 2. Принцип FSK

Манипуляция SS растягивает передаваемые данные по выбранной полосе частот. Исходный сигнал собирается с помощью корреляционного механизма, где полученный сигнал коррелируется с опорным сигналом (рис. 3). Размазывание данных по всему спектру делает передаваемый бинарный код более устойчивым к шумам и помехам.

Рис. 3. Принцип манипуляции SS

Технология манипуляции SS гораздо более сложная. Она требует применения дополнительных цифровых фильтров и механизмов коррекции ошибок, но при этом возрастает надежность связи.

Европейский стандарт для PLC

В Европе разработан стандарт CENELEC EN500065-1, который определяет полосу частот для передачи данных в цепях с низким напряжением (бытовым напряжением). Существует 4 полосы, которые расположены в частотном диапазоне от 3 до 148,5 кГц (рис. 4, таблица). Полоса A предназначена для устройств измерения, а B — для устройств автоматизации зданий.

Рис. 4. Полоса частот стандарта CENELEC

PLC/модем IT800

PLC-модем IT800 был специально разработан Yitran Communications, чтобы подавлять искажение в линии. При проектировании этого модема были использованы технологии DCSK (Differential Code Shift Keying — частотная манипуляция с растяжением спектра) и DLL (Data Link Layer — уровень управления передачей данных). Эти технологии позволяют осуществлять очень устойчивую связь через существующие линии электропередач со скоростью до 7,5 кбит/с.

Микроконтроллер с интегрированным PLC/модемом

Поскольку помимо PLC-модема в любом интеллектуальном устройстве должен присутствовать микроконтроллер для обработки данных, Renesas Technology Corp. разработала контроллер M16C/6S (рис. 5) со встроенным модемом для силовых линий IT800 и, таким образом, обеспечила недорогое решение для АСКУЭ, выполненное на одном кристалле. Микроконтроллер имеет пять 16-битных таймеров, 96 кбайт флэш-памяти и 24 кбайт SRAM. Он подходит для применений, требующих большого стека протоколов. Устройство построено на мощном ядре семейства M16С. M16C/6S может передавать данные по силовым линиям с частотой тока 50 или 60 Гц.

Рис. 5. Структурная схема M16C/6S

Другие решения на основе PLC

Уже в ближайшее время использование PLC-модемов не ограничится только узлами учета. Это устройство идеально вписывается в концепцию «Интеллектуального дома». Оно может применяться для дистанционного управления любыми бытовыми приборами: стиральная машина, микроволновая печь, бойлер, климатическая установка, телевизор. В каждой комнате нашего жилища есть несколько розеток, что делает PLC дешевым и почти «беспроводным» решением. Любое устройство, требующее электропитания, уже является подключенным к каналу связи, делая технологию связи по силовым линиям доступной каждому пользователю.

Основные особенности успешности коммуникационного решения:

1. Простота использования.
2. Большое количество доступных точек подключения.
3. Надежность.
4. Ценовая эффективность.

Контроллер от Renesas Technology M16C/6S со встроенным PLC-модемом удовлетворяет всем четырем вышеперечисленным требованиям.

Варианты использования PLC-модема в счетчиках электроэнергии представлены на рис. 6.

Рис. 6. Использование PLC-технологии в счетчиках электроэнергии

Заключение

В ближайшее время ожидается возрастание требований к инновационным и передовым PLC-решениям на рынке АСКУЭ. Этот рынок прочно встает на ноги и требует применения устойчивой связи для надежной передачи данных; высокой интеграции для низкой стоимости и низкого электромагнитного излучения; гибкости для различных вариантов применения и длительного времени службы. Контроллер M16C/6S от Renesas Technology включил в себя передовые полупроводниковые решения и может быть основой нового поколения приборов для АСКУЭ, предлагающих потребителям дополнительные преимущества PLC-технологии.

Контроллер M16C/6S с PLC модемом будет доступен в ближайшее время, а пока Renesas Technology предлагает оценочные наборы EVB04-UA-A и EVB04-UA-B для полос CENELEC A и B соответственно. Они состоят из двух плат, позволяющих оценить функциональность связи по силовым линиям. Поскольку основным вопросом данной технологии является помехоустойчивость, то после изучения оценочного набора российскими специалистами мы вернемся к более детальному рассмотрению вопроса о применении PLC в АСКУЭ. Надеемся, что это произойдет в ближайших выпусках нашего журнала.