UdE - artykul - 05.2011 - JM

technologie, produkty – informacje firmowe
Komunikacja PLC (OFDM)
w Systemach Zdalnych Odczytów
Szybki rozwój techniki wprowadza nową technologię
komunikacji PLC (OFDM) po liniach zasilających do systemów
zdalnych odczytów liczników energii elektrycznej.
dzisiejszych czasach trudno wyobrazić sobie życie bez
energii elektrycznej. Praktycznie każda czynność związana jest
z elektrycznością.
Rosnąca konsumpcja energii elektrycznej oraz zmiany w strukturze wytwarzania (rozwój i upowszechnianie się małych zdecentralizowanych mocy wytwórczych) powoduje potrzebę monitorowania na bieżąco przepływów
energii. Obecnie klient końcowy może zarówno zużywać jak i produkować
energię stąd potrzeba zbilansowania jego konta przed wystawieniem rachunku.
Rozwój i dostępność nowych technologii umożliwia wprowadzenie rozwiązań,
które jeszcze kilka lat temu były niemożliwe do realizacji. Aktualnie rynek systemów zdalnych odczytów przeżywa dynamiczną ewolucję.
Budowa sieci
Stary schemat sieci, zaprojektowany
kilkadziesiąt lat temu, zakładał kilka
centralnych miejsc wytwarzania energii (elektrownie jądrowe, wodne, węglowe, itp.) oraz konsumentów jedynie pobierających energię, których łatwo można było podzielić na kilka grup
i przewidywać ich zapotrzebowania.
Dzięki tak uproszczonemu schematowi
możliwe było prognozowanie zużycia
energii i na jego podstawie wystawianie faktury.
Sieć energetyczna nowej generacji jest
dużo bardziej skomplikowana. Dzięki rozwojowi OZE (Odnawialne Źródła
Energii) oraz ciągle rosnącej liczbie odbiorców końcowych, zróżnicowaniu ich
poborów oraz możliwości produkowania przez nich energii sieć straciła swój
dotychczasowy statyczny charakter.
Ciągły wzrost zużycia energii zwiększa
ryzyko wystąpienia awarii, jakimi są zapady (ang. blackout). W związku z dynamiczną pracą sieci energetycznej oraz
zjawiskami w niej zachodzącymi powstała potrzeba bieżącego monitorowania i sterowania jej stanem. Naturalnym narzędziem do tego zadania wydają się liczniki, które służą do rozliczania
klientów. Umożliwiają one obserwacje
parametrów na najniższym możliwym
poziomie całej struktury. Pomiary w najmniejszych odgałęzieniach sieci umożliwiają bilansowanie na bieżąco oraz wykrywanie miejsc o największych stratach
2
spowodowane kradzieżami lub usterkami sieci. Dodatkowo liczniki wyposażone w przekaźniki umożliwiają sterowanie obciążeniem sieci poprzez odłączanie i bezpieczne załączanie wybranych
punktów poboru energii.
W celu spełnienia przedstawionych założeń wymagane jest wprowadzenie
dwukierunkowej komunikacji pomiędzy
centrum zarządzania umiejscowionym
w zakładzie energetycznym, a licznikami energii elektrycznej zainstalowanymi
u klientów.
Różnorodność scenariuszy
W celu stworzenia komunikacji pomiędzy licznikami a centrum zarządzania
należy sprostać wymaganiom, jakie stawia różnorodność topologii sieci oraz
sąsiedztwo innych mediów komunikacyjnych. I tak na przykład odległości
pomiędzy licznikiem a koncentratorem
bądź innym licznikiem mogą wynieść od
kilku metrów dla lokalizacji w miastach
do kilku kilometrów na terenie wiejskim. Poziom zakłóceń może się znacznie różnić, przykładowo dla obszarów
przemysłowych będzie inny niż dla terenów podmiejskich. Instalacjom w obszarach aglomeracji miejskich przyjdzie
pracować w otoczeniu popularnych rozwiązań komunikacji radiowej (sieci WiFi, Bluetooth, ZigBee, wimax, hotspoty,
itd.). Wymienione aspekty muszą być
uwzględnione przy wyborze medium
komunikacyjnego.
Dostępne technologie
Ze względu na różnorodność topologii
sieci wybór technologii komunikacji nie
jest łatwy. Pewne wymagania są narzucone przez charakter sieci i jej docelowe
zastosowanie i nie da się z nich zrezygnować. Dlatego przewiduje się możliwość zastosowania równolegle dwóch
lub więcej technologii w celu utworzenia komunikacji na całym interesującym
nas obszarze.
Do wyboru mamy komunikacje bezprzewodowe oraz przewodowe. Do pierwszej grupy zaliczyć możemy pakietową
transmisję danych GPRS, łączność RF
w paśmie ISM, łączność RF w wykupionym paśmie częstotliwości, pakietową
transmisję danych GPRS, CDMA, EDGE,
UMTS, HSCSD, wimax, WIFI, ZigBee,
Bluetooth. Z grupy komunikacji przewodowej wymienimy: PLC (Power Line
Communication), RS485, CAN, M-BUS,
PROFIBUS.
Rozwiązanie PLC
Coraz większą popularność zyskuje
idea zastosowania technologii Power
Line Communication w systemach zdalnych odczytów. Główną cechą przekonującą za wyborem tej technologii jest
możliwość wykorzystania przewodów
energetycznych jako medium transmisji, dzięki czemu nie trzeba ponosić dodatkowych kosztów związanych z instalacją nowej infrastruktury kablowej.
W ramach inwestycji trzeba zainstalować koncentratory danych oraz liczniki
energii elektrycznej wyposażone w modemy do komunikacji PLC. Modemy PLC
to urządzenia, które sygnał informacyjny modulują na wysokiej częstotliwości
(w paśmie CENELEC A, 9÷95kHz) i nakładają na sygnał zasilający. Dotychczas
używaną w technice PLC modulacją było S-FSK Spaced Frequency Shift Keying, które pozwala osiągnąć transmisję
o maksymalnej prędkości 2,4kbps (realnie w terenie znacznie poniżej 1kbps).
Prędkość ta jednak daje za małą przepustowość łącz, aby system składający
się z kilkuset do kilkunastu tysięcy liczników mógł swobodnie przesyłać zgromadzone w licznikach dane. Z pomocą
przychodzą urządzenia oparte o modulację OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing. Dzięki nim możliwe
jest uzyskanie maksymalnej prędkości
do 128kbps (dla 97 podnośnych).
Modulacja OFDM
OFDM to modulacja wielomodowa. Polega ona na podziale pasma częstotliwości na wiele niezależnych nośnych
i transmisję kilku strumieni danych równolegle. Wprowadzono także dodatkowe ochronne odstępy czasu (tzw. guard
interval) pomiędzy kolejnymi symbolami w transmisji na każdej nośnej, bez
obniżania łącznej wydajności połączenia. Dzięki temu modulacja OFDM jest
odporniejsza na negatywne zjawisko
wielodrogowości (nakładanie się kolejnych symboli na siebie spowodowanych różnym czasem propagacji sygnału w medium) występujące przy szybkich transmisjach jednomodowych. Dodatkowo OFDM wykorzystuje dostępne
częstotliwości z większą niż dotąd wydajnością.
urządzenia dla energetyki 5/2011
technologie, produkty – informacje firmowe
Do zalet technologii OFDM zaliczyć możemy:
• Odporność na zjawisko wielodrogowości
• Lepsza tolerancja na opóźnienia
w propagacji sygnału
• Wzrost stosunku czasu trwania symbolu do czasu propagacji sygnału
• Eliminacja interferencji międzysymbolowych dzięki okresom ochronnym
Do wad technologii OFDM zaliczyć możemy:
• Potrzeba liniowości toru sygnałowego
• Potrzeba wysokiej rozdzielczości
przetwornika C/A w nadajniku i A/C
w odbiorniku
• Potrzeba wysokiej stabilności oscylatora
Zastosowanie OFDM
Technologia OFDM jest szeroko wykorzystywana m.in. w telekomunikacji
(szerokopasmowy dostęp do Internetu
ADSL, VDSL, LTE - telefonia komórkowa
4G ) , telewizji cyfrowej (DVB-T, DVB-H), bezprzewodowych sieciach komputerowych (standardy 802.11a, 802.11g),
sieciach wimax, Ultra-Wideband (UWB
high-speed short-range technology)
oraz w zastosowaniach militarnych.
Ze względu na wrażliwość na efekt Dopplera OFDM nie nadaje się na przykład
do komunikacji radiowej pomiędzy pojazdami przemieszczającymi się względem siebie. Wraz ze wzrostem szybkości przemieszczania się obiektów między sobą wzrasta współczynnik błędów
komunikacji.
Podsumowanie
Rozwój technik komputerowych oraz
cyfrowego przetwarzania sygnałów,
wzrost mocy obliczeniowej układów
elektronicznych a zarazem malejące ich
ceny generują nowe możliwości rozwoju istniejących systemów sieci energetycznych, które także ulegają prawom
ewolucji. Aktualnie większość znaczących na świecie producentów układów
scalonych pracuje nad dedykowanymi
układami do komunikacji PLC dla sieci
energetycznych. W całej Europie prowadzone są projekty pilotażowe systemów zdalnych odczytów. Pierwsze testy
komunikacji PLC przeprowadzano wykorzystując urządzenia oparte na S-FSK.
Jednak otrzymane rezultaty pokazały
niedostatek przepustowości łącz takiego rozwiązania. W kolejnych projektach
pilotażowych zaczęto stosować urządzenia wykorzystujące OFDM. Dotychczasowe wyniki PLC-OFDM wyglądają
obiecująco. Trzeba jednak pamiętać, że
komunikacja PLC po liniach zasilających
bardzo zależy od warunków panujących
w sieci. Linie energetyczne w Polsce nie
są najnowsze i w wielu miejscach wymagają gruntownej modernizacji. Wiele urządzeń elektrycznych podpiętych
do sieci nie posiada żadnych układów
filtrujących, przez co wprowadzają do
sieci liczne zakłócenia mające negatywny wpływ na komunikację PLC. Trzeba
mieć na uwadze także możliwe problemy spowodowane skalowalnością. Projekty pilotażowe prowadzone są od kilkuset do kilka tysięcy liczników. W rzeczywistej instalacji może ich pracować
znacznie więcej.
Obserwując trendy konferencji, seminariów związanych z sieciami energetycznymi, prace prowadzone przez zakłady energetyczne, ogólnoeuropejskie
projekty nadzorowane przez powstałe
stowarzyszenia i konsorcja wydaje się,
że sieci energetyczne zmierzają w jednym kierunku: PLC-OFDM. Na podstawie dotychczasowych wyników badań prowadzonych w Europie i Polsce
widać znaczący postęp w dziedzinie
urządzenia dla energetyki 5/2011
zdalnych odczytów i komunikacji po
PLC. Perspektywa zdalnych odczytów
w stosunkowo krótkim czasie wydaje
się coraz bliższa, jednak nie należy lekceważyć zagrożeń, które możemy jeszcze napotkać.
Opracowanie: Maciej Szenk œ
Słownik
OFDM – Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
OZE - odnawialnych źródłach energii
ICT - technologie informatyczne i komunikacyjne
OSP – Operator Systemu Przesyłowego
OSD – Operatora Systemu Dystrybucyjnego
Smart Grid – inteligentne systemy dystrybucji energii
S-FSK – Spaced Frequency Shift Keying
CENELEC band A – pasmo częstotliwości komunikacji
PLC przeznaczone dla dostawców energii
3