Úzkopásmová komunikace PLC – vynikající diagnostický nástroj
V rámci inteligentní sítě patří komunikace PLC přes vysoké napětí (230 V) k dominantním přenosovým kanálům. Plocha provozovaného území je často až 1 km2 , přičemž existuje spousta faktorů s negativním vlivem na sílu signálu PLC, včetně změn topologie, parazitní impedance z chování zákazníků nebo výrazně vysokého rušení, protože zákazníci nerespektují platné normy EMC. Naštěstí malý počet vedení vysokého napětí znamená, že při nižších přenosových frekvencích není problém s vlastní impedancí vedení .
Pokud jde o vedení středního napětí (do 35 kV), je situace pro přenos signálu PLC do 500 kHz příznivá. Změna topologie chybí, takže impedance vedení VN zůstává jedinou dominantní zátěží. Oblast distribuční sítě vn má poloměr do 30 km; tyto vzdálenosti pokrývají převážně nadzemní vedení. Naproti tomu podzemní kabelová vedení mohou dosahovat až 5 km.
Podívejme se na situaci v energetické síti. Při frekvenci 50 Hz musíme vzít v úvahu odpor vedení v délce několika kilometrů. Délka vlny signálu s frekvencí do 500 kHz (používaná systémy PLC) je zjevně kratší než použité vedení.
V tomto případě se signál chová jako vlna, a proto je nutné vzít v úvahu celkovou impedanci vedení. Můžeme ji porovnat s integrovaným RLC prvkem tvořeným jeho parazitními charakteristikami, kdy vyšší frekvence trpí větším útlumem.
Zatímco indukčnost je u nadzemního i kabelového vedení VN podobná, při dosažení kapacity je mezi nimi významný rozdíl. Kapacita kabelového vedení (z důvodu velmi těsného uložení kabelu nebo stínění jedním vodičem) dosahuje stovek nF na 1 km, zatímco kapacita nadzemního vedení je tisíckrát nižší, což má vliv na celkovou impedanci. Nadzemní vedení má proto v porovnání s kabelovým vedením výrazně nižší útlum s rostoucí frekvencí.
BPL vs. PLC na linkách SN: (ne)překvapivý vítěz
Porovnáme-li přenosové charakteristiky širokopásmové a úzkopásmové komunikace po vedeních VN, zjistíme několik zajímavých skutečností. Toto srovnání se provádí na kabelových vedeních, kapacitní spojka byla použita v mezifázovém provedení.
Jednofázové provedení – s jedním pólem připojeným k vodiči a druhým uzemněným – nebylo použito z důvodu vysoké úrovně rušení způsobené zemním spojením). Bylo porovnáváno několik vedení (nejdelší z nich dosahovalo délky 15 km) v propojení bod-bod.
BPL modemy (v tuto chvíli ponechme stranou jejich problematické právní zakotvení) s frekvenčním rozsahem 2-30 MHz byly schopny komunikovat na maximální vzdálenost 500 m s reálnou přenosovou rychlostí 100 kbit/s, a to v důsledku nerovnoměrných vlastností přenosového kanálu v celé jeho šířce pásma.
Na druhou stranu úzkopásmové modemy s komunikační frekvencí do 500 kHz, které využívaly standardy PRIME a G3-PLC, dosahovaly srovnatelných rychlostí i na 30krát větší vzdálenost ve srovnání s BPL (délka vedení byla pouze 15 km), a navíc nebyl použit žádný opakovač, což je zásadní zejména u nadzemních vedení.
Překvapivé je i další zjištění: skutečná přenosová rychlost převyšuje konkurenční kanály GPRS. Při testování jednotlivých linek (kabelové vedení VN, které napájí elektrickou obloukovou pec) bylo rovněž zjištěno, že krátký paket v pásmu do 100 kHz spolehlivě překonává všechny poruchy vznikající při provozu této zátěže, a to s definovanou latencí.
Tato skutečnost může být pro distributory energie zásadní: Pro objednávání distribučních sítí lze spolehlivě využít komunikaci s PLC MV. Objednávky a řídicí příkazy nejsou z datového hlediska velké, ale je požadována definovaná latence.
Přidaná hodnota Power Line komunikace: diagnostika linky
Další specifická vlastnost byla zjištěna při měření diagnostiky linky (doprovázené zvýšením spolehlivosti systému). Je třeba si uvědomit, že komunikační PLC modem je trvale připojený přijímač, který vyhodnocuje všechny zachycené signály. Kromě toho, že je možné zjistit přerušení vedení (například pokud na trolejové vedení spadl strom), můžeme identifikovat i další typy poruch.
Nejčastější poruchy, které vedou k degradaci vedení (nadzemního i kabelového), mají dva stavy. Na začátku je vysokoohmový stav, který časem přejde do nízkoohmového stavu, tj. zkratu. Vysoký počet poruch vedení VN se projevuje izolační degradací. Obrázek 1 ukazuje, jak porucha probíhá a jaký je její výsledek.
Kapacita C1 udává kapacitu plynové dutiny uvnitř izolace. Kapacita C2′ a C2“ udává kapacitu zbytku zdravé izolace a kapacita C3′ a C3“ je kapacita jediného izolantu.
V dutině vznikají částečné výboje, které postupně degradují postižené místo. Stav tohoto místa se mění z vysokoohmového na nízkoohmový (viz obrázek 2).
UB je průrazné napětí částečného výboje v dutině. Krátké zapálení částečných výbojů způsobuje proudové impulsy. Tyto impulsy jsou superponovány na základní napětí s výrazně vyšší frekvencí a tuto frekvenci je možné zachytit využitím přijímače modemu PLC.
Použijeme-li relativní metodu, zjišťujeme vznik poruchy ve srovnání s předchozím stavem, což je diagnostický signál. U kabelových vedení je to jasný začátek poruchy izolačního stavu. U nadzemních vedení se může objevit i koróna, která má podobné fyzikální vlastnosti.
Na úrovni středního napětí existuje výhoda: nízký gradient napětí. To znamená, že okolnosti pro vznik koróny jsou mimořádně nepříznivé (koróna je spojena především s vedením velmi vysokého napětí). Na úrovni vvn, zejména v prašném prostředí, kde se prach spolu s vysokou vlhkostí sráží na izolátorech, mohou vznikat vodivé cesty, které jsou počátkem degradace izolátorů.
Závěr: Ať žije středněnapěťová Power Line komunikace
Komunikace SN PLC může spolehlivě konkurovat rádiovým přenosům. Například sběrnice WMBus je z hlediska rychlosti komunikace a objemu přenášených dat podobná, ale nemá stejný dosah. Naproti tomu SIGFOX má podobný poloměr, ale je omezen objemem přenášených dat.
GSM má potřebnou rychlost a pokrytí, ale nemá definovanou latenci a závisí na nabídce služeb třetí strany. Různá radioreléová spojení musí být licencována v rámci telekomunikačního úřadu a mají pouze spojení bod-bod.
Ve srovnání s rádiovým přenosem není přenos po vedeních vysokého napětí není náchylný na úmyslné rušení a má 100% pokrytí. Nasazení modemů SN PLC přináší nové výhody do oblasti spolehlivosti napájení.
Aktuální situace umožňuje včas indikovat potenciální hrozby a zjednodušit vyhledávání poruch. Otevírá se také prostor pro výrazně sofistikovanější diagnostiku s minimálními dodatečnými investicemi, protože nejdražší část zařízení (tj. spojovací jednotku) lze použít společně s modemem PLC SN.