Komunikacja Power Line – najsłabsze ogniwo?

Nie ma wątpliwości, że linie energetyczne są częścią infrastruktury krytycznej. Energetyka znajduje się obecnie w najbardziej dramatycznej fazie rozwoju. Niestety, postęp technologiczny i decyzje polityczne mają tendencję do komplikowania rozwoju.

Po zrealizowaniu strategicznego planu UE 20-20-20 prawdopodobnie staniemy w obliczu paradoksu polegającego na tym, że niezawodne dostawy energii nadal nie będą zapewnione. Na szczęście jednak nawet puste slogany takie jak „smart grid” wprowadzają racjonalne rozważania i decyzje do obszaru stabilności i bezpieczeństwa zasilania.

Sposób sterowania urządzeniami końcowymi, w tym mieszkaniowymi licznikami elektronicznymi, jest bardzo jasny… pomimo zastrzeżeń, technologia PLC zwycięży. Jest to jedyna technologia, której niezawodność dorównuje niezawodności zasilania.

Schematy Shannona systemów komunikacyjnych
Schematy Shannona systemów komunikacyjnych

Powyższy schemat ujawnia strukturę zarówno modemu, jak i otoczenia, które wpływają na całkowitą wydajność przesyłanych informacji. Rzeczywisty system komunikacji jest oczywiście znacznie bardziej skomplikowany, jednak ten uproszczony model jest wystarczający do zidentyfikowania kluczowych efektów.

Wyzwania związane z kanałem transmisji

Na tej podstawie jasne jest, że przepustowość transmisji nie zależy od tego, jak chcemy, aby wyglądała, ale zależy od charakterystyki kanału transmisyjnego. W przypadku technologii PLC kanał ten oznacza linie energetyczne.

Rozkład można uogólnić na struktury szeregowo-równoległe o stosunkowo wysokim tłumieniu (ze względu na znaczną pojemność równoległą i indukcyjność szeregową). Równoległe uporządkowanie pojedynczych miejsc poboru z bardzo dynamicznym łączeniem i rozłączaniem powoduje silne i bardzo dynamiczne zmiany impedancji.

Uproszczona struktura sieci PLC
Wyidealizowana sieć dystrybucyjna. Elementy L1,2,3 i S1,2,3 mają charakter linii i można je opisać schematami zastępczymi – patrz rys. 3

Elementy ZG (impedancja źródła), ZL i Z1,2,3 (impedancja obciążenia) opisują zarówno źródło, jak i część sieci zasilającej (charakterystyka impedancji określa, że elementy mają zależność od częstotliwości).

Niestety, na końcu zawsze znajduje się konsumpcja klienta. Klienci mogą poprzez swoje zachowanie wpływać na sieć dystrybucji, a tym samym na kanał komunikacji.

Równoważny obwód połączeniowy
Zapasowa charakterystyka schematyczna podkreśla rzeczywistą wartość linii zasilających, które są zależne od częstotliwości. Ta pojemność w admitancji poprzecznej prowadzi do wysokiego tłumienia szumów przy wyższej częstotliwości. (Jest to jeden z powodów, dla których komunikacja BPL ma ograniczony zasięg).

Jak rozwiązać problem słabego ogniwa w komunikacji?

Kanał komunikacyjny jest zawsze najsłabszym ogniwem w łańcuchu transmisji. Wydawać by się mogło, że ze względu na słabość tego kanału (zakłócenia, dynamiczne zmiany topologii), wygodniej będzie go opuścić. Jest jednak dokładnie odwrotnie.

Powodem są unikalne cechy PLC, takie jak umożliwienie zasilania wraz z natychmiastową dostępnością kanału komunikacyjnego. Wystarczy zaakceptować charakterystykę tego kanału i nie dodawać oczekiwań dotyczących nierealistycznych szybkości komunikacji.

Jakie są ograniczenia obecnych standardów?

Nowe standardy „interoperacyjności” (tj. PRIME lub G3-PLC) pokazują „jak nie iść naprzód”. Korzystanie z tych modnych systemów OFDM (PRIME, G3-PLC), które osiągają wysoką przepustowość na innych kanałach transmisyjnych w środowisku linii energetycznej, oznacza, że zasiewamy ziarno poważnego problemu.

Co więcej, jeśli dodamy nieefektywne protokoły transmisji (DLMS) i zmniejszymy moc przetwarzania, aby umożliwić tanie rozwiązanie, osiągniemy zadowalające wyniki tylko na papierze, a nie w terenie. Nie możemy zwiększyć emitowanej mocy ze względu na przepisy. Nie można również rozważyć zwiększenia zakresu częstotliwości.

Są ku temu dwa powody:

  1. jesteśmy ograniczeni przypisaną częstotliwością, oraz
  2. charakterystyka kanału przy wyższych częstotliwościach nie pozwala fizycznie na większy zasięg (nie więcej niż kilkaset metrów).

Konieczne jest również uwzględnienie żądań w stopniu wyjściowym. Stopień wyjściowy i metoda modulacji muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby znaczące zmiany impedancji nie wpływały na stabilność tego stopnia.

W kierunku niezawodnych i wydajnych rozwiązań PLC

Dlatego stopień ten musi mieć niską impedancję wewnętrzną, co jest wymaganiem rzadko stosowanym w OFDM, który wymaga liniowego wzmacniacza wyjściowego w celu wyeliminowania zniekształceń, a jednocześnie zakłócenia ortogonalności podnośnych. Obwód wejściowy modemu odbiorczego musi być w stanie zmieniać swoje wzmocnienie w bardzo dynamiczny sposób, aby nie utrzymywać poziomu przetwarzanego sygnału.

Obecnie istnieją dwie możliwości. Pierwsza z nich jest już wykorzystywana w realizowanych projektach. Zakłada on znaczną redukcję ilości przesyłanych danych. Te autorskie rozwiązania nie wymagają przesyłania informacji o balastach. Dzięki temu osiągają wysoką niezawodność podczas transmisji danych, a ponadto są konkurencyjne cenowo.

Drugi scenariusz uwzględnia dominujące żądania transmisji większych ilości rzeczywistych informacji. W tym przypadku konieczne jest znaczne zwiększenie złożoności zarówno części nadawczej, jak i odbiorczej modemu.

Droga naprzód dla rozwoju PLC

Może w tym pomóc rosnąca integracja elementów w układach krzemowych. Umożliwia to implementację kodu turbo (w celu odnowienia przesyłanych informacji) i efektywne wykorzystanie miękkiego podejścia decyzyjnego (decyzja za pomocą słów kodowych).

Jeśli te metody zostaną rozszerzone, wraz z odpowiednią formą modulacji, znajdziemy jedyny sposób na rozwój komunikacji PLC. Zapewnia to transmisję większej ilości danych, a w takim przypadku nawet transmisja protokołu DLMS nie może być niespełnioną utopią.

Podsumowanie: Kształtowanie przyszłości PLC

Jesteśmy przekonani, że postęp w najbliższej przyszłości będzie kontynuowany równolegle. Z jednej strony wierzymy, że pojawi się publicznie racjonalny interoperacyjny protokół, a z drugiej strony postęp technologiczny w zakresie wydajności pojedynczego kanału komunikacyjnego – wszystko ukierunkowane na zwiększoną odporność i zgodność z określonymi opóźnieniami – co jest kluczowym wymogiem dla prawidłowego funkcjonowania inteligentnej sieci.

Chcesz wypróbować nasze modemy Power Line Communication?