Czy łącza bezprzewodowe zastąpią Power Line komunikacji?
IoT, sub-GHz, LPWAN… Każdy, kto jest świadomy współczesnych trendów w technologii telekomunikacyjnej i jej ewolucji, nie mógł przegapić tych „magicznych” skrótów. Wszyscy znani producenci mikrokontrolerów, czujników, chipsetów komunikacyjnych i ich komponentów oferują komponenty „IoT ready”. Na początku może się wydawać, że dla PLC (power line communication) to już przeszłość, a przyszłość należy do łączności bezprzewodowej. Ale czy rzeczywiście tak jest?
LPWAN
Ogromny zasięg, niska cena, łatwość wdrożenia, znikome zużycie – to właśnie obiecują nam te sieci. Możemy rozróżnić dwa główne typy:
Pasma nielicencjonowane
Najczęściej jest to pasmo 868 MHz dla zastosowań europejskich i 900-915 MHz dla USA. Niektóre sieci wykorzystują również 433 MHz 2,4 GHz lub widmo pierwotnie ustanowione dla transmisji telewizyjnych.
Typowymi członkami tej rodziny są Sigfox, LoRa, Weightless, Nwave i inne. Praca w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości wymaga przestrzegania dość rygorystycznego zestawu zasad określonych przez lokalnego regulatora.
Dla przykładu, dla częstotliwości 868,8 MHz moc nadawania jest ograniczona do 25 mW ≈ 14dbm, a cykl pracy nadajnika do 0,1% (bez LBT – listen before talk). To ograniczenie jest powodem, dla którego na przykład punkt końcowy sieci Sigfox pozwala na maksymalnie 140 wysłanych wiadomości dziennie i tylko 4 odebrane wiadomości.
Licencjonowane pasma częstotliwości
Obejmują one standardy LTE-M lub NB-IoT. Są to głównie dostawcy sieci komórkowych, którzy posiadają już infrastrukturę GSM i LTE oraz posiadają do niej licencję. Korzystając z tych „starych-nowych” technologii, z tego typu siecią, w ciągu najbliższych kilku lat spodziewane są masowe wdrożenia.
Dystrybucja energii elektrycznej i kontrola sieci
Najczęściej wykorzystywanym zastosowaniem komunikacji PLC jest zdalny odczyt liczników energii elektrycznej. Wraz z ogromnym wzrostem wykorzystania energii odnawialnej, dystrybutorzy stają w obliczu poważnych problemów.
Głównym celem jest zrównoważenie natychmiastowej ilości generowanej i zużywanej energii. Prosty odczyt licznika staje się bardziej złożonym zagadnieniem, ponieważ sieć energetyczna musi być odpowiednio regulowana. Regulacja tego rodzaju nakłada wysokie wymagania na infrastrukturę komunikacyjną w całej sieci elektrycznej – od licznika elektrycznego do podstacji, a następnie do systemu końcowego dystrybutora.
Zadanie polega na utrzymaniu określonej dostępności, przepustowości i opóźnienia na całej trasie. Doświadczenie pokazuje, że stanowi to nierozwiązywalny problem dla obecnie używanej technologii (GPRS, 3g lub LTE).
Dane z terenu
Wykorzystanie LPWAN do zdalnego odczytu liczników energii elektrycznej oraz kontrolowania i regulowania sieci dystrybucyjnej może początkowo wydawać się wygodne. Śledzenie pojazdów i przesyłek, systemy monitorowania, sterowanie oświetleniem publicznym i wiele innych zastosowań może pojawić się później.
Czy możemy to wszystko zmieścić w nielicencjonowanym spektrum? Co stanie się podczas przeciążenia sieci LPWAN? Co się stanie, zwłaszcza w dużych miastach, z przepustowością i opóźnieniami, które są kluczowe dla regulacji sieci elektrycznej?
Liczniki energii elektrycznej mogą być (i często są) umieszczone w piwnicy/piwnicy domu lub w pomieszczeniu gospodarczym bez okien, co oznacza brak usługi bezprzewodowej. Jeśli zewnętrzna antena nie jest zainstalowana, LPWAN są praktycznie bezużyteczne w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości.
Innym czynnikiem, który może wpływać na wybór odpowiedniej technologii do strategicznej roli kontroli sieci elektrycznej, jest zależność od innych podmiotów. Często zdarza się, że jeden dostawca ma monopol na dany standard bezprzewodowy w kraju. Wiele standardów wymaga korzystania z backendu w chmurze obsługiwanego przez dostawcę sieci w celu zapewnienia zbierania danych z punktów końcowych lub korzystania z chipsetu dostarczanego tylko przez jednego licencjonowanego producenta.
Istnieją przypadki, w których użycie PLC jest niemożliwe. Na przykład liczniki w odległych lokalizacjach, poza zasięgiem sieci PLC mesh. Połączenie GSM jest używane w takich sytuacjach, pomimo wyższych kosztów. Są to jednak przypadki, w których LPWAN może być bardziej interesującą alternatywą.
Komunikacja między podstacjami
Po przesłaniu danych za pośrednictwem sieci PLC z pola do koncentratora danych w podstacji wtórnej (MV-LV), ścieżka danych jest daleka od zakończenia. Konieczne jest utworzenie połączenia między koncentratorem danych a podstacją pierwotną/centralną (a dokładniej pierwotną stacją transformatorową MVHV). Doświadczenie pokazuje, że ponad 12% podstacji wtórnych znajduje się poza zasięgiem sieci komórkowej.
Oprócz danych pomiarowych i poleceń dla licznika elektrycznego, kanał ten jest również wykorzystywany do telemetrii podstacji i zdalnego sterowania (RTU). Aby uniknąć bycia wąskim gardłem, powinien on mieć lepsze funkcje niż podrzędna komunikacja niskonapięciowych sterowników PLC. Nowoczesne standardy interoperacyjne, takie jak PRIME w wersji 1.4 lub G3-PLC, działają z prędkością około 1 Mb/s w optymalnych warunkach, dlatego połączenie między DC a systemem stacji czołowej nigdy nie powinno być wolniejsze. To niestety wyklucza większość standardów LPWAN.
Standardową technologię WIMAX można uznać za odpowiednią, ponieważ zapewnia ona wystarczająco solidne połączenie. Działa w licencjonowanym paśmie częstotliwości, w którym kanały są przydzielane przez krajowego regulatora. Rezultatem jest stan, w którym pasmo częstotliwości jest zasadniczo „wyprzedane” w obszarach perspektywicznych (na przykład używane przez lokalnych dostawców Internetu). Innym czynnikiem jest wysoka cena punktu dostępowego (AP) WIMAX.
Linie wysokiego napięcia są zawsze obecne w transformatorze i w porównaniu do linii niskiego napięcia, linie wysokiego napięcia są w niewielkim stopniu narażone na niepożądane zakłócenia. Pozwala to na wykorzystanie modulacji i kodowania wyższego rzędu w celu osiągnięcia wystarczającej prędkości transmisji. Nawet w tym obszarze PLC jest nadal co najmniej konkurencyjną alternatywą, a jego działanie nie zależy od żadnego prywatnego dostawcy
Aplikacje domowe
PLC nie dotyczy tylko przemysłu czy energetyki. Prawdopodobnie najbardziej znanym zastosowaniem PLC jest „powerline networking” wykorzystujący zazwyczaj technologię wtyczek domowych opartych na standardzie IEEE1901 (BPL). Wykorzystanie tej metody transmisji LAN/WAN jest marginalne ze względu na współczesne ceny, prostotę i dostępność połączeń WI-FI. Stosuje się ją jedynie na obszarach problematycznych pod względem usługi WI-FI.
Systemy multi-utility i automatyka domowa (wartości pomiarowe, sterowanie urządzeniami, systemy alarmowe) to kolejny obszar, w którym wygodnie jest korzystać z prostych i tanich modemów PLC, ponieważ zazwyczaj działają one w pasmach CENELEC B i C charakteryzujących się stosunkowo niewielkimi zakłóceniami.
W porównaniu do komunikacji bezprzewodowej w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości (434 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz), mogą one zaoferować większy zasięg bez żadnych ograniczeń spowodowanych przeszkodami, takimi jak żelbetowe ściany. Jest to łatwy sposób na zwiększenie zasięgu Wireless M-Bus, Zigbee i innych połączeń bezprzewodowych w problematycznych obszarach, takich jak bloki mieszkalne.
Wnioski: Przyszłość technologii PLC
Na podstawie przedstawionych informacji widzimy, że nawet w czasach boomu technologii bezprzewodowych, technologia PLC ma jeszcze wiele do zaoferowania nie tylko w obszarze inteligentnych sieci.