Беспроводные каналы связи убивают Power Line Communication?
IoT, субгигагерц, LPWAN… Каждый, кто в курсе современных тенденций развития телекоммуникационных технологий, не мог пропустить эти «магические» аббревиатуры. Все известные производители микроконтроллеров, датчиков, коммуникационных чипсетов и их компонентов предлагают те или иные «IoT ready» компоненты. Поначалу может показаться, что по PLC (связь по линии электропередачи) уже прозвенели колокола и что будущее за беспроводной связью. Но так ли это на самом деле?
LPWAN
Огромный ассортимент, низкая цена, простота реализации, незначительное потребление — вот что обещают нам эти сети. Можно выделить два основных типа:
Безлицензионные диапазоны
Чаще всего это диапазон 868 МГц для европейских приложений и 900-915 МГц для США. Некоторые сети также используют 433 МГц 2,4 ГГц или спектр, изначально созданный для телевизионного вещания.
Типичными представителями этого семейства являются Sigfox, LoRa, Weightless, Nwave и другие. Работа в нелицензируемых частотных диапазонах требует соблюдения довольно строгого набора правил, установленных местным регулятором.
Для примера, в спектре 868,8 МГц мощность передачи ограничена 25 мВт ≈ 14 дБм, а рабочий цикл передачи — 0,1% (без LBT — listen before talk). Это ограничение является причиной того, что, например, конечная точка сети Sigfox допускает максимум 140 отправленных сообщений в день и только 4 полученных.
Лицензированные частотные диапазоны
К ним относятся стандарты LTE-M или NB-IoT. В основном это провайдеры мобильных сетей, которые уже имеют инфраструктуру GSM и LTE и владеют лицензией на нее. Используя эти «старые-новые» технологии, в ближайшие несколько лет ожидается массовое развертывание сетей такого типа.
Распределение электроэнергии и управление сетями
Наиболее часто используемым приложением PLC Communication является дистанционное считывание показаний счетчиков электроэнергии. В связи с массовым ростом использования возобновляемых источников энергии дистрибьюторы сталкиваются с серьезными проблемами.
Главная цель — привести в равновесие непосредственный объем генерируемой и потребляемой энергии. Простое считывание показаний счетчиков превращается в более сложную задачу, поскольку необходимо соответствующим образом регулировать энергосистему. Подобное регулирование предъявляет высокие требования к коммуникационной инфраструктуре по всей электрической сети — от электросчетчика до подстанции и далее до головной системы дистрибьютора.
Задача состоит в том, чтобы сохранить заданные доступность, пропускную способность и задержку на всем маршруте. Опыт показывает, что это неразрешимая проблема для используемой в настоящее время технологии (GPRS, 3g или LTE-сети).
Данные с мест
Использование LPWAN для дистанционного считывания показаний счетчиков электроэнергии, контроля и регулирования распределительной сети может показаться удобным на первый взгляд. За этим могут последовать отслеживание транспортных средств и грузов, системы мониторинга, управление уличным освещением и многие другие приложения.
Можно ли уместить все это в нелицензируемом спектре? Что произойдет при перегрузке сети LPWAN? Что произойдет, особенно в больших городах, с пропускной способностью и задержкой, которые имеют решающее значение для регулирования электрических сетей?
Счетчики электроэнергии могут быть (и часто бывают) расположены в подвале/подвале дома или в подсобном помещении без окон, что означает отсутствие беспроводной связи. Если не установлена внешняя антенна, LPWAN практически бесполезны в нелицензируемых частотных диапазонах.
Еще один фактор, который может повлиять на выбор подходящей технологии для стратегической роли управления электрическими сетями, — это зависимость от других субъектов. Часто бывает, что один провайдер обладает монополией на тот или иной стандарт беспроводной связи в стране. Многие стандарты требуют использования облачного бэкэнда, управляемого поставщиком сети, для обеспечения сбора данных с конечных точек или использования чипсета, поставляемого только одним лицензированным производителем.
Бывают случаи, когда использование ПЛК невозможно. Например, счетчики в удаленных местах, вне зоны действия ячеистой сети ПЛК. В таких ситуациях используется GSM-связь, несмотря на более высокую стоимость. Но именно в этих случаях LPWAN может стать более интересной альтернативой.
Связь между подстанциями
После передачи данных по сети PLC с поля на концентратор данных на вторичной подстанции (MV-LV) путь данных еще далеко не закончен. Необходимо создать связь между концентратором данных и первичной/центральной подстанцией (точнее, первичной трансформаторной подстанцией МВНВ). Опыт показывает, что более 12 % вторичных подстанций находятся вне зоны действия мобильной сети.
Помимо измеренных данных и команд для электросчетчика, этот канал также используется для телеметрии и дистанционного управления подстанцией (RTU). Чтобы не быть узким местом, он должен обладать лучшими характеристиками, чем подчиненные низковольтные ПЛК. Современные совместимые стандарты, такие как PRIME версии 1.4 или G3-PLC, в оптимальных условиях работают со скоростью около 1 Мбит/с, поэтому связь между ДК и головной системой не должна быть медленнее. Это, к сожалению, исключает большинство стандартов LPWAN.
Стандартный WIMAX можно считать подходящей технологией, поскольку он обеспечивает достаточно прочное соединение. Он работает в лицензированном частотном диапазоне, где каналы выделяются национальным регулятором. В результате в перспективных районах частотный диапазон практически «распродан» (например, используется местными интернет-провайдерами). Еще один фактор — высокая цена точки доступа (AP) WIMAX.
Высоковольтные линии всегда присутствуют в трансформаторе, и, по сравнению с низковольтными линиями, высоковольтные линии почти не подвержены влиянию нежелательных помех. Это позволяет использовать модуляцию и кодирование более высокого порядка для достижения достаточной скорости передачи. Даже в этой области PLC остается, по крайней мере, конкурентоспособной альтернативой, и ее работа не зависит от какого-либо частного провайдера.
Применение в домашних условиях
ПЛК касается не только промышленности или энергетики. Вероятно, наиболее известное применение PLC — это «сети powerline«, обычно использующие технологию домашних розеток на основе стандарта IEEE1901 (BPL). Использование этого способа передачи данных LAN/WAN является маргинальным из-за современных цен, простоты и доступности WI-FI соединений. Он используется только в районах, проблемных с точки зрения предоставления услуг WI-FI.
Многофункциональные системы и домашняя автоматизация (измерение величин, управление приборами, сигнализация) — это еще одна область, где удобно использовать простые и дешевые PLC-модемы, поскольку они обычно работают в диапазонах B и C CENELEC, характеризующихся относительно низким уровнем помех.
По сравнению с беспроводной связью в нелицензируемых частотных диапазонах (434 МГц, 868 МГц, 2,4 ГГц) они обеспечивают большую дальность действия без каких-либо ограничений, вызванных препятствиями, такими как железобетонные стены. Это простой способ увеличить радиус действия беспроводных шин M-Bus, Zigbee и других беспроводных соединений в проблемных местах, например, в многоквартирных домах.
Заключение: Будущее технологии ПЛК
Исходя из представленной информации, мы видим, что даже во времена бума беспроводных технологий, технологии PLC еще есть что предложить не только в области интеллектуальных сетей.