PLC standardem przyszłości

Dane w sieciach PLC są przesyłane zmodulowanym sygnałem nośnej dodawanej do napięcia zasilającego. Częstotliwość nośnej jest znacznie większa od częstotliwości napięcia zasilającego. Jej wybór, podobnie jak wybór metody modulacji, ma wpływ na parametry transmisji, na przykład jej szybkość, długość segmentu sieci oraz łatwość realizacji nadajnika i odbiornika.

Metody modulacji

Rys. 1. Idea smart grid zakłada realizację dwukierunkowej komunikacji między konsumentami i zakładem energetycznym oraz integrację rozproszonych źródeł energii

W komunikacji PLC wykorzystywane są modulacje OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), BPSK (Binary Phase Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying) oraz SFSK (Spread FSK). Istotą tej pierwszej, najczęściej stosowanej metody jest podział danych na kilka strumieni, które są następnie przesyłane równocześnie z wykorzystaniem wielu nośnych.

Jako metodę modulacji podnośnych często stosuje się w tym wypadku modulację fazową PSK. Modulacja OFDM w porównaniu do pozostałych pozwala uzyskać największą prędkość transmisji (tabela 1). Jednocześnie w przeciwieństwie do modulacji BPSK i FSK charakteryzuje ją duża złożoność obliczeniowa wynikająca z konieczności implementacji algorytmów FFT oraz odwrotnej FFT (tabela 2).

W efekcie do jej realizacji konieczne jest zastosowanie układów scalonych z funkcjami DSP. Modulacje BPSK, FSK i SFSK nie wymagają układów o tak rozbudowanej funkcjonalności.

Klasyfikacja

Rys. 2. Schemat blokowy mikroinwertera

Sieci PLC dzieli się na dwie grupy: wąskopasmowe oraz szerokopasmowe. W tych pierwszych do przesyłu danych wykorzystywane są sygnały o częstotliwości od 3 do 500 kHz. W sieciach tego typu zrealizować można transmisję o prędkości do kilkuset kb/s na duże odległości, sięgające nawet kilku kilometrów z możliwością zwiększenia zakresu przy zastosowaniu repeaterów sygnału.

Z kolei sieci szerokopasmowe działają w zakresie wyższych częstotliwości - od 1,8 do 250 MHz i pozwalają uzyskać prędkość transmisji do kilkuset Mb/s. Mogą być wykorzystywane wyłącznie do transmisji informacji na krótkich dystansach. Innym kryterium podziału sieci PLC jest rodzaj sieci elektroenergetycznej używanej do transmisji danych.

W tym zakresie wyróżnia się komunikację za pośrednictwem sieci prądu przemiennego lub prądu stałego. Obecnie najszybciej rozwija się ten pierwszy segment sieci PLC. Mimo to sieci PLC z medium transmisyjnym w postaci sieci zasilającej prądu stałego również są wykorzystywane w wielu aplikacjach, na przykład jako sieci pokładowe w samolotach, pociągach oraz samochodach.

Wady i zalety PLC

Rys. 3. Panele słoneczne są często montowane w miejscach trudno dostępnych, na przykład na dachach budynków

Główną zaletą sieci PLC jest możliwość wykorzystania do przesyłu informacji już istniejącej infrastruktury sieciowej, bez konieczności instalacji dodatkowego okablowania. Dzięki temu można znacznie ograniczyć koszty budowy sieci, które obejmują wydatki na okablowanie oraz na jego utrzymanie i konserwację.

Ponadto transmisję danych z wykorzystaniem sieci energetycznych można zrealizować także na terenach wiejskich lub innych o słabo rozwiniętej infrastrukturze, gdzie na przykład nie ma linii telefonicznych. Z drugiej strony ponieważ podstawową rolą linii energetycznych nie jest przesył danych, właściwości tego medium transmisyjnego mogą negatywnie wpływać na parametry transmisji w sieciach PLC.

Właściwości przewodów elektrycznych oraz podłączonych do nich odbiorników energii elektrycznej mogą powodować interferencje i tłumienie sygnału informacyjnego, są również źródłem różnego typu zaburzeń. Ponadto ze względu na brak jednolitego standardu sieci PLC oraz sieci elektroenergetycznych trudno o stworzenie uniwersalnych rozwiązań.

Sceptyczni wobec tej metody transmisji zwracają też uwagę na problem zabezpieczenia przesyłanych danych przed dostępem osób nieupoważnionych. Mimo tych wad zainteresowanie sieciami PLC w ostatnim czasie znacznie wzrosło. W przypadku sieci wąskopasmowych przewiduje się, że wkrótce będą one powszechnie wykorzystywane w obecnie szybko rozwijających się inteligentnych sieciach energetycznych (smart grid).

Szerokopasmowe sieci PLC są z kolei atrakcyjnym rozwiązaniem w zakresie budowy sieci zapewniających dostęp do Internetu, transmitujących dane multimedialne w obrębie budynku oraz w systemach automatyki domowej.

Smart grid

Tabela 1. Podział technologii PLC pod względem prędkości transmisji

Celem stworzenia inteligentnych sieci energetycznych jest przede wszystkim zwiększenie niezawodności i wydajności oraz zmniejszenie kosztów obsługi i konserwacji sieci przesyłu oraz dystrybucji energii elektrycznej. Wdrożenie smart grid oznaczać będzie też korzyści dla odbiorców energii - dzięki zastosowanym rozwiązaniom zyskają oni możliwość efektywniejszego zarządzania jej wykorzystaniem.

Podstawą do osiągnięcie tych założeń jest zapewnienie dwukierunkowej komunikacji między konsumentami i zakładem energetycznym dzięki zainstalowaniu u tych pierwszych inteligentnych liczników energii (smart meters).

Na podstawie przesyłanych przez nie informacji dostawca energii będzie rejestrować wyniki pomiarów zużycia energii, wykrywać awarie, przerwy w dostawach prądu i jego kradzieże, a także kontrolować obciążenie sieci oraz dostosowywać taryfy w zależności od potrzeb konsumentów, na przykład stosując zmienną cenę jednostki energii w różnych porach dnia.

Z kolei odbiorcy za pośrednictwem tych liczników uzyskają wgląd w dane o energii zużywanej przez poszczególne urządzenia elektryczne w ich domu, które będą w danym momencie podłączone do sieci. Oprócz tego idea smart grid zakłada też zintegrowanie różnych rozproszonych źródeł energii, w tym systemów energetyki odnawialnej (słonecznej, wiatrowej, hydroelektrowni), które zasilą publiczną sieć energetyczną.

W ramach inteligentnych sieci energetycznych realizowane będą też systemy typu vehicle-to-grid (V2G) umożliwiające dwukierunkową wymianę energii elektrycznej między pojazdami elektrycznymi oraz hybrydowymi a siecią elektryczną (rys. 1).

Sieci PLC na etapie generacji energii

Rys. 4. Wykorzystanie sieci bezprzewodowych jako medium transmisyjnego w systemach inteligentnego opomiarowania wiąże się z dodatkowymi wydatkami na budowę odpowiedniej infrastruktury

Sieci PLC mają szansę zostać dominującą technologią komunikacyjną w różnych segmentach inteligentnych sieci elektroenergetycznych. Przykładem jest etap zarządzania procesem pozyskiwania energii elektrycznej z rozproszonych źródeł energii odnawialnej. Najbardziej obiecującymi technologiami tego typu są obecnie elektrownie wiatrowe i słoneczne.

Elementem niezbędnym do tego, by prąd z elektrowni solarnej lub wiatrowej mógł być wprowadzony do publicznej sieci energetycznej, jest przetwornica (falownik, inwerter). W przypadku tych pierwszych instalacji z reguły jedna przetwornica obsługuje kilka paneli słonecznych, chociaż coraz popularniejsza stają się też tzw. mikroinwertery dołączane oddzielnie do każdego panelu (rys. 2).

To drugie rozwiązanie zwiększa efektywność przetwarzania energii wygenerowanej w ogniwach i jednocześnie pozwala lepiej kontrolować działanie poszczególnych modułów solarnych poprzez monitoring kluczowych parametrów (temperatury, maksymalnej mocy) każdego modułu oraz rejestrację zdarzeń awaryjnych. Dane te mogą być prezentowane na lokalnie zainstalowanym ekranie lub wyświetlane w centralnym systemie sterowania.

Dzięki temu w razie awarii możliwe jest wyłączenie konkretnej przetwornicy. By taki monitoring można było zrealizować, należy zapewnić możliwość transmisji danych z poszczególnych inwerterów. W tym celu można wykorzystać łączność bezprzewodową, na przykład w ramach sieci ZigBee, Wi-Fi lub Bluetooth lub przewodową, z wykorzystaniem standardów PLC, RS-485, RS-232 lub Ethernetu.

W przypadku, gdy wykorzystywane są mikroinwertery, które często instalowane są za lub pod panelami solarnymi, w miejscach trudno dostępnych przykładowo na dachach budynków (rys. 3) lub silnie nasłonecznionych rozległych terenach (farmy słoneczne) w sieciach bezprzewodowych, należy się jednak liczyć ze stratami mocy sygnału, które ograniczą zasięg.

Z kolei wszystkie sieci przewodowe oprócz PLC wymagają instalacji dodatkowego okablowania, co oprócz większych kosztów komplikuje proces instalacji elementów systemu elektrowni.

PLC w aplikacjach smart meter

Rys. 5. System dystrybucji energii elektrycznej w centrum danych

Na systemy inteligentnego opomiarowania będą się składać liczniki zainstalowane u klienta, sieć transmisji danych (m.in. wyników pomiarów zużycia energii elektrycznej) między odbiorcami i zakładem energetycznym oraz system zbierania informacji i ich analizy (m.in. w celu rozliczenia się z klientem). Przy budowie sieci przesyłu danych z i do inteligentnych liczników pod uwagę bierze się przede wszystkim sieci PLC oraz radiowe, w tym telefonię komórkową.

Pod wieloma względami te pierwsze są jednak znacznie lepszym rozwiązaniem niż pozostałe. Budowa infrastruktury systemów inteligentnego opomiarowania według szacunków może pochłonąć miliardy dolarów. Zaletą transmisji PLC jest brak konieczności dodatkowych wydatków w przeciwieństwie do sieci bezprzewodowych (rys. 4).

Poza tym zaletą sieci PLC z punktu widzenia operatorów energetycznych jest to, że do przesyłu danych wykorzystywane jest medium transmisyjne, nad którym sprawują oni pełną kontrolę, co jest istotne m.in. ze względu na kwestie bezpieczeństwa danych i brak dodatkowych opłat za korzystanie. Konkurencję dla sieci PLC pod tym względem mogą stanowić sieci komórkowe, które również nie wymagają budowy dodatkowej infrastruktury, a opłaty za ich użytkowanie nie są zbyt duże.

W wielu przypadkach jednak wciąż nie są one w stanie zapewnić pełnego pokrycia terytorialnego dla całej bazy klientów zakładów energetycznych. W wypadku innych sieci bezprzewodowych komunikacja z klientami zamieszkującymi tereny wiejskie lub górzyste również może być utrudniona, chociaż z innego powodu.

Na zasięg i prędkość transmisji danych w sieciach radiowych negatywnie może wpływać obecność innych urządzeń bezprzewodowych oraz tłumienie sygnałów przez budynki, wzgórza, a nawet drzewa. Przewaga PLC pod tym względem wynika stąd, że sieci te nie wymagają bezpośredniej linii widzenia między nadajnikiem i odbiornikiem oraz zapewniają łączność z dowolnej lokalizacji, do której doprowadzone są przewody energetyczne.

Oprócz tego, ze względu na prognozowany duży ruch w sieciach smart grid, zwłaszcza w sytuacjach awaryjnych, mogą wystąpić przeciążenia. Dlatego z uwagi na specyfikę przesyłanych danych należy też zapewnić redundancję kanału komunikacyjnego.

Ze względu na wszechobecność linii energetycznych to drugie w przypadku sieci PLC nie stanowi większego problemu. W porównaniu do sieci bezprzewodowych wykorzystujących ZigBee i Wi-Fi sieci PLC lepiej też sprawdzają się w przypadku dużego natężenia ruchu.

PLC w sieciach HAN i V2G

Rys. 6. Efektywność energetyczną systemu dystrybucji energii elektrycznej można poprawić, zapewniając komunikację między jego poszczególnymi komponentami

Kolejne dwa zastosowania dla transmisji za pośrednictwem sieci elektroenergetycznej to sieci HAN (Home Area Networks), sieci automatyki domowej oraz V2G. Zadaniem tych pierwszych jest zapewnienie komunikacji między domowymi odbiornikami energii (pralką, zmywarką, suszarką, lodówką) a jej licznikami.

Sieci automatyki domowej są z kolei wykorzystywane do sterowania na przykład oświetleniem i urządzeniami gospodarstwa domowego, w kontroli pracy instalacji alarmowej oraz w monitoringu parametrów takich jak m.in. temperatura i wilgotność, na podstawie których można dobrać optymalne ustawienia ogrzewania i klimatyzacji. W obu przypadkach wdrożenie sieci PLC jest uważane za najlepsze rozwiązanie.

W przeciwieństwie do sieci bezprzewodowych nie wymagają one inwestycji w dodatkowe urządzenia i okablowanie. Ponadto na ich działanie nie wpływają bariery zaburzające propagację fal radiowych oraz interferencje od m.in. takich urządzeń jak kuchenki mikrofalowe i telefony bezprzewodowe.

Pojazdy elektryczne i hybrydowe w przypadku rozwoju inteligentnych sieci energetycznych będą mogły zarówno pobierać z nich energię elektryczną w czasie ładowania, jak i dostarczać ją z powrotem, przykładowo w okresach większego obciążenia sieci. Będą to albo nadwyżki energii niewykorzystanej przez pojazd lub energia, którą będzie produkował samochód wyposażony na przykład w panele słoneczne lub ogniwa paliwowe.

Takie rozwiązanie będzie wymagało transmisji wielu informacji, przykładowo pozwalających na identyfikację pojazdu, aktualny stan naładowania akumulatora oraz parametry elektryczne, m.in. maksymalny dopuszczalny prąd ładowania. Sieci PLC w tym zastosowaniu gwarantują bezpieczeństwo transmisji danych oraz możliwości uwierzytelnienia dostępu w znacznie większym stopniu niż sieci bezprzewodowe.

PLC w centrach danych

Tabela 2. Porównanie metod modulacji wykorzystywanych w PLC

Wraz ze wzrostem popularności idei cloud computing oraz usług internetowych rosną wymagania odnośnie do wydajności centrów danych prowadzących działalność w tym zakresie. Oprócz tego ważną kwestią jest też zwiększenie efektywności energetycznej tych obiektów, które działając bez przerwy, zużywają ogromne ilości energii elektrycznej.

Jest to istotne ze względów finansowych i ekologicznych. By spełnienie tych oczekiwań było możliwe, konieczne jest zapewnienie komunikacji między poszczególnymi urządzeniami pracującymi w takich centrach. Na rysunku 5 przedstawiono przykład uproszczonego schematu systemu dystrybucji energii elektrycznej w centrum danych.

Napięcie zasilające z sieci publicznej jest doprowadzane do UPS-ów, dalej do modułów dystrybucji zasilania PDU, następnie do modułów zasilania PSU (Power Supply Unit) i za ich pośrednictwem do urządzeń sieciowych (serwerów, switchy itp.). W takiej konfiguracji obciążenie jednego UPS-a zwykle nie przekracza 30% jego mocy znamionowej.

Dzięki takiej nadmiarowości systemu dystrybucji energii minimalizuje się prawdopodobieństwo jego przeciążenia. Niestety odbywa się to kosztem jego sprawności energetycznej. Rozwiązaniem jest system w konfiguracji jak na rysunku 6. W tym wypadku UPS, PDU i PSU oraz urządzenia sieciowe komunikują się między sobą za pośrednictwem sieci PLC.

W efekcie na wszystkich etapach dystrybucji energii elektrycznej każdy z komponentów tego systemu ma informacje o tym, ile urządzeń jest za jego pośrednictwem zasilanych lub ile go zasila. Znając wymagania energetyczne odbiorników i ich liczbę, parametry pracy UPS można dostosować do rzeczywistego zapotrzebowania bez zagrożenia przeciążeniem.

Monika Jaworowska