Bezdrátové připojení: zvoní Power Line komunikaci hrana?
IoT, sub-GHz, LPWAN… Každý, kdo se orientuje v současných trendech v telekomunikačních technologiích a jejich vývoji, nemohl tyto „magické“ zkratky přehlédnout. Všichni významní výrobci mikrokontrolérů, senzorů, komunikačních čipových sad a jejich komponent nabízejí některé komponenty „IoT ready“. Na první pohled se může zdát, že PLC (power line communication) zvoní hrana a že budoucnost patří bezdrátovému připojení. Ale je tomu skutečně tak?
LPWAN
Obrovský dosah, nízká cena, snadná implementace, zanedbatelná spotřeba – to nám tyto sítě slibují. Rozlišujeme dva hlavní typy:
Nelicencovaná pásma
Nejčastěji se jedná o pásmo 868 MHz pro evropské aplikace a 900-915 MhZ pro USA. Některé sítě využívají také pásmo 433 MHz 2,4 GHz nebo spektrum původně zřízené pro televizní vysílání.
Typickými členy této rodiny jsou Sigfox, LoRa, Weightless, Nwave a další. Práce v nelicencovaných frekvenčních pásmech vyžaduje dodržování poměrně přísných pravidel daných místním regulátorem.
Jako příklad uveďme, že pro spektrum 868,8 MHz je vysílací výkon omezen na 25 mW ≈ 14dbm a vysílací cyklus na 0,1 % (bez LBT – poslech před hovorem). Toto omezení je důvodem, proč například koncový bod sítě Sigfox umožňuje maximálně 140 odeslaných zpráv denně a pouze 4 přijaté zprávy.
Licencovaná frekvenční pásma
Patří mezi ně standardy LTE-M nebo NB-IoT. Jedná se většinou o poskytovatele mobilních sítí, kteří již mají infrastrukturu GSM a LTE a vlastní k ní licenci. S využitím těchto „starých-nových“ technologií a s tímto typem sítě se v příštích několika letech očekává masivní rozšíření.
Distribuce elektřiny a řízení sítě
Nejčastěji používanou aplikací Power Line Carrier komunikace je dálkový odečet elektroměrů. S masivním nárůstem využívání obnovitelných zdrojů energie se distributoři potýkají s vážnými problémy.
Hlavním cílem je dostat okamžitý objem vyrobené a spotřebované energie do rovnováhy. Jednoduchý odečet měřidel se pak mění ve složitější problém, protože je třeba odpovídajícím způsobem regulovat energetickou síť. Taková regulace klade vysoké nároky na komunikační infrastrukturu v celé elektrické síti – od elektroměru po rozvodnu a následně po distribuční koncový systém.
Úkolem je udržet definovanou dostupnost, propustnost a latenci na celé trase. Zkušenosti ukazují, že pro aktuálně používanou technologii (síť GPRS, 3g nebo LTE) to představuje neřešitelný problém.
Údaje z terénu
Použití LPWAN pro dálkový odečet elektroměrů a řízení a regulaci distribuční sítě se může na první pohled zdát výhodné. Následovat by mohlo sledování vozidel a zásilek, monitorovací systémy, ovládání veřejného osvětlení a mnoho dalších aplikací.
Můžeme to všechno vměstnat do bezlicenčního spektra? Co se stane při přetížení sítě LPWAN? Co se stane, zejména ve velkých městech, s propustností a latencí, které jsou klíčové pro regulaci elektrické sítě?
Elektroměry mohou být (a často také jsou) umístěny ve sklepě domu nebo v technické místnosti bez oken, což znamená, že není k dispozici bezdrátové připojení. Pokud není nainstalována externí anténa, jsou sítě LPWAN v nelicencovaných frekvenčních pásmech prakticky nepoužitelné.
Dalším faktorem, který může ovlivnit výběr vhodné technologie pro strategickou roli řízení elektrické sítě, je závislost na jiných subjektech. Je běžné, že jeden poskytovatel má v zemi monopol na daný bezdrátový standard. Mnoho standardů vyžaduje použití cloudového backendu provozovaného poskytovatelem sítě, který zajišťuje sběr dat z koncových bodů, nebo použití čipové sady dodávané pouze jedním licencovaným výrobcem.
V některých případech není možné použít PLC. Například měřiče ve vzdálených lokalitách mimo dosah sítě PLC mesh. V těchto situacích se používá připojení GSM, a to i přes vyšší náklady. To jsou však případy, kdy by LPWAN mohla být zajímavější alternativou.
Komunikace mezi rozvodnami
Po přenosu dat prostřednictvím sítě PLC z pole do koncentrátoru dat v sekundární rozvodně (VN-NN) cesta dat zdaleka nekončí. Je třeba vytvořit spojení mezi datovým koncentrátorem a primární/centrální rozvodnou (přesněji primární trafostanicí MVHV). Zkušenosti ukazují, že více než 12 % sekundárních rozvoden se nachází mimo dosah mobilní sítě.
Kromě měřených dat a příkazů pro elektroměr se tento kanál používá také pro telemetrii rozvodny a dálkové ovládání (RTU). Aby se nestal úzkým hrdlem, měl by mít lepší vlastnosti než podřízené komunikační PLC nízkého napětí. Moderní interoperabilní standardy, jako je PRIME verze 1.4 nebo G3-PLC, pracují za optimálních podmínek s rychlostí kolem 1 Mb/s, proto by spojení mezi DC a hlavním systémem nemělo být nikdy pomalejší. To bohužel vylučuje většina standardů LPWAN.
Standardní WIMAX lze považovat za vhodnou technologii, protože poskytuje dostatečně robustní připojení. Pracuje v licencovaném frekvenčním pásmu, kde jsou kanály přidělovány národním regulátorem. Výsledkem je stav, kdy je kmitočtové pásmo v perspektivních oblastech v podstatě „vyprodáno“ (využívají ho například místní poskytovatelé internetu). Dalším faktorem je vysoká cena přístupového bodu (AP) WIMAX.
Vysokonapěťová vedení jsou v transformátoru přítomna vždy a ve srovnání s nízkonapěťovými vedeními jsou vysokonapěťová vedení jen stěží ovlivňována nežádoucím rušením. Umožňuje použití modulace a kódování vyššího řádu k dosažení dostatečné přenosové rychlosti. I v této oblasti je PLC stále přinejmenším konkurenceschopnou alternativou a jeho provoz není závislý na žádném soukromém poskytovateli.
Aplikace v domácnostech
PLC se netýká pouze průmyslu nebo energetiky. Pravděpodobně nejznámější aplikací PLC je „powerline networking„, který obvykle využívá technologii domácích zásuvek založenou na standardu IEEE1901 (BPL). Využití tohoto způsobu přenosu LAN/WAN je vzhledem k současným cenám, jednoduchosti a dostupnosti WI-FI připojení okrajové. Používá se pouze v oblastech problematických z hlediska služeb WI-FI.
Další oblastí, kde je výhodné používat jednoduché a levné PLC modemy, jsou systémy pro více uživatelů a domácí automatizace (měření hodnot, ovládání spotřebičů, zabezpečovací systémy), protože obvykle pracují v pásmech CENELEC B a C, která se vyznačují relativně malým rušením.
V porovnání s bezdrátovou komunikací v bezlicenčních frekvenčních pásmech (434 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz) mohou nabídnout větší dosah bez omezení způsobených překážkami, jako jsou například železobetonové zdi. Jedná se o snadný způsob, jak rozšířit dosah bezdrátových sběrnic M-Bus, Zigbee a dalších bezdrátových připojení v problematických oblastech, jako jsou například bytové domy.
Závěr: Budoucnost technologie PLC
Na základě uvedených informací můžeme konstatovat, že i v době rozmachu bezdrátových technologií má technologie PLC stále co nabídnout, a to nejen v oblasti inteligentních sítí.