Τρίτη, 18 Σεπτεμβρίου 2018 | 13:16

Τεχνολογίες PLC

Επικοινωνίες μέσω της καλωδίωσης δικτύων μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος

Η τεχνολογία PLC (Power-Line Communication) μοιάζει με οποιαδήποτε άλλη τεχνολογία επικοινωνίας, με την οποία ο πομπός διαμορφώνει τα προς αποστολή δεδομένα, τα εισάγει στο μέσο και ο δέκτης αποδιαμορφώνει τα δεδομένα για να τα διαβάσει. Η κύρια διαφορά είναι ότι η PLC δεν χρειάζεται πρόσθετη καλωδίωση, αφού χρησιμοποιεί τις υφιστάμενες καλωδιώσεις...
Γράφτηκε από: Σ. Χατζηστρατής

Η τεχνολογία PLC (Power-Line Communication) μοιάζει με οποιαδήποτε άλλη τεχνολογία επικοινωνίας, με την οποία ο πομπός διαμορφώνει τα προς αποστολή δεδομένα, τα εισάγει στο μέσο και ο δέκτης αποδιαμορφώνει τα δεδομένα για να τα διαβάσει. Η κύρια διαφορά είναι ότι η PLC δεν χρειάζεται πρόσθετη καλωδίωση, αφού χρησιμοποιεί τις υφιστάμενες καλωδιώσεις μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος. Η εξάπλωση των γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, δίνει τη δυνατότητα ελέγχου ή παρακολούθησης όλων των συσκευών που λειτουργούν με ηλεκτρικό ρεύμα από το δίκτυο, μέσω των τεχνολογιών PLC.

Μία σειρά από τα δύσκολα τεχνικά προβλήματα είναι κοινά ανάμεσα στις ασύρματες και τις power-line επικοινωνίες, κυρίως αυτά που αφορούν τα ραδιοσήματα διασποράς φάσματος (spread spectrum) που λειτουργούν σε κορεσμένο περιβάλλον. Οι ραδιοφωνικές παρεμβολές αποτελούν για παράδειγμα ένα πρόβλημα που απασχολεί για πολλά χρόνια τις κοινότητες των ραδιοερασιτεχνών.

Βασικές αρχές

Τα συστήματα επικοινωνιών power-line λειτουργούν με την προσθήκη ενός διαμορφωμένου σήματος στο δίκτυο της ηλεκτρικής καλωδίωσης. Διαφορετικοί τύποι επικοινωνιών power-line χρησιμοποιούν  διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων. Καθώς τα συστήματα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας σχεδιάστηκαν αρχικά για τη μετάδοση εναλλασσόμενου ρεύματος με τυπικές συχνότητες 50 ή 60 Hz, οι καλωδιώσεις αυτές έχουν περιορισμένη δυνατότητα μεταφοράς υψηλότερων  συχνοτήτων. Το πρόβλημα της διάδοσης είναι ένας περιοριστικός παράγοντας για κάθε τύπο επικοινωνιών power-line.

Το κυριότερο ζήτημα που καθορίζει τις συχνότητες των επικοινωνιών power-line είναι η νομοθεσία για τον περιορισμό των παρεμβολών σε ασύρματες υπηρεσίες. Πολλά κράτη κατατάσσουν τις ενσύρματες εκπομπές μέσω αθωράκιστης καλωδίωσης στις ασύρματες επικοινωνίες. Οι κανονισμοί αυτοί επιτρέπουν συνήθως την χωρίς άδεια χρήσης των συχνοτήτων κάτω από τα 500kHz, ή την εκπομπή σε ραδιοφωνικές ζώνες που δεν έχουν αδειοδοτηθεί. Ορισμένοι κανονισμοί (όπως της ΕΕ) ρυθμίζουν ακόμα αυστηρότερα τις εκπομπές μέσω power-line.

Οι ρυθμοί μετάδοσης των δεδομένων και τα όρια απόστασης ποικίλλουν ευρέως σε πολλά πρότυπα επικοινωνίας power-line. Τα φέροντα χαμηλής συχνότητας (περίπου 100-200 KHz) πάνω σε γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης μπορούν να μεταφέρουν ένα ή δύο αναλογικά κυκλώματα φωνής ή κυκλώματα τηλεμετρίας και ελέγχου με ισοδύναμο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων μερικών εκατοντάδων bit ανά δευτερόλεπτο. Ωστόσο, αυτά τα κυκλώματα μπορεί να έχουν μήκος πολλά χιλιόμετρα. Yψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων συνήθως σημαίνουν μικρότερες αποστάσεις. Ένα τοπικό δίκτυο που λειτουργεί σε ρυθμό μετάδοσης εκατομμυρίων bit ανά δευτερόλεπτο, μπορεί να καλύπτει μόνο έναν όροφο ενός κτιρίου γραφείων, αλλά εξαλείφει την ανάγκη εγκατάστασης ειδικής καλωδίωσης δικτύου.

 

Οικιακός έλεγχος με τεχνολογίες PLC

Η τεχνολογία επικοινωνιών power-line μπορεί να χρησιμοποιήσει την ηλεκτρική καλωδίωση μέσα σε ένα σπίτι για οικιακό αυτοματισμό. Για παράδειγμα, τον απομακρυσμένο έλεγχο του φωτισμού και των συσκευών χωρίς εγκατάσταση πρόσθετης καλωδίωσης ελέγχου (εικόνα 1).

Συνήθως οι συσκευές ελέγχου power-line οικιακής χρήσης λειτουργούν διαμορφώνοντας ένα φέρον κύμα μεταξύ 20 και 200 KHz στην οικιακή καλωδίωση στον πομπό. Το φέρον διαμορφώνεται με ψηφιακά σήματα. Κάθε δέκτης στο σύστημα έχει μια διεύθυνση και μπορεί να ελεγχθεί ξεχωριστά με τη βοήθεια των σημάτων που μεταδίδονται μέσω της οικιακής καλωδίωσης και αποκωδικοποιούνται στον δέκτη. Αυτές οι συσκευές μπορεί να είναι είτε συνδεδεμένες σε συνηθισμένες πρίζες, είτε μόνιμα εγκατεστημένες. Δεδομένου ότι το φέρον μπορεί να μεταδοθεί σε κοντινά σπίτια (ή διαμερίσματα) στο ίδιο σύστημα διανομής, αυτά τα συστήματα ελέγχου έχουν μια "διεύθυνση κατοικίας" που υποδηλώνει τον ιδιοκτήτη. Μια δημοφιλής τεχνολογία αυτού του τύπου, γνωστή ως X10, χρησιμοποιείται από τη δεκαετία του 1970.

Το universal powerline bus, που εισήχθη το 1999, χρησιμοποιεί διαμόρφωση PPM (pulse-position modulation). Η μέθοδος φυσικού στρώματος είναι πολύ διαφορετική από το Χ10. Η LonTalk, μέρος της σειράς προϊόντων οικιακού αυτοματισμού LonWorks, έχει γίνει αποδεκτή ως μέρος ορισμένων προτύπων αυτοματισμού.

Οικιακή δικτύωση (LAN)

Οι επικοινωνίες γραμμής ισχύος μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε ένα σπίτι για τη διασύνδεση οικιακών υπολογιστών και περιφερειακών συσκευών με συσκευές οικιακής ψυχαγωγίας που διαθέτουν θύρα Ethernet. Ο προσαρμογέας Power-line συνδέει τις πρίζες και δημιουργεί μια σύνδεση Ethernet χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα ηλεκτρική καλωδίωση στο σπίτι. Αυτό επιτρέπει στις συσκευές να μοιράζονται δεδομένα χωρίς την ανάγκη λειτουργίας εξειδικευμένων καλωδίων δικτύου.

Τα οικιακά συστήματα PLC χρησιμοποιούν κυρίως τα πρότυπα HomePlug (εικόνα 2), που αναπτύχθηκαν από την HomePlug Powerline Alliance, μία ένωση που δημιουργήθηκε για την ανάπτυξη της τεχνολογίας και των προτύπων που επιτρέπουν την διασύνδεση και επικοινωνία συσκευών μεταξύ τους μέσω της υφιστάμενης καλωδιακής εγκατάστασης. Η πρώτη έκδοση των προτύπων HomePlug παρουσιάστηκε τον Ιούνιο του 2001 και επέτρεπε ταχύτητες έως τα 14Mbit/s. Το 2005 παρουσιάστηκε το πρότυπο HomePlug AV που ανεβάζει τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στα 200 Mbit/s χρησιμοποιώντας συχνότητες από τους 2 έως τους 30 MHz για τα φέροντα σήματα (carrier), με διαμορφώσεις OFDM BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM, 256 QAM, και 1024 QAM ανάλογα με το σήμα προς φέρον (SNR) κάθε carrier. Ορισμένοι αντάπτορες της Qualcomm Atheros συμμορφώνονται με το πρότυπο HomePlug AV, αλλά υποστηρίζουν και μία ιδιόκτητη επέκταση που αυξάνει την ταχύτητα μετάδοσης στα 500 Mbit/s, χρησιμοποιώντας κυρίως ευρύτερο φάσμα. To 2010 παρουσιάστηκε το HomePlug Green PHY, που έχει καλύτερη ενεργειακή απόδοση και είναι διαλειτουργικό με το HomePlug AV προσφέροντας μικρότερο κόστος, χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος, αλλά και μειωμένη ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων, που φτάνει τα 10 Mbit/s. Το πρότυπο αυτό προορίζεται για χρήση από έξυπνους μετρητές και άλλες εφαρμογές που δεν απαιτούν υψηλές ταχύτητες. Το HomePlug AV2 παρουσιάστηκε το 2012 και είναι διαλειτουργικό με τις συσκευές που υποστηρίζουν τα HomePlug AV και HomePlug Green PHY, καθώς και το πρότυπο IEEE 1901. Υποστηρίζει ρυθμούς μεταφοράς στο φυσικό στρώμα (PHY) που φτάνουν τα επίπεδα του gigabit, το MIMO PHY, λειτουργίες αναμετάδοσης και λειτουργίες εξοικονόμησης ενέργειας. Μπορεί να χρησιμοποιήσει επιπρόσθετα το φάσμα συχνοτήτων από τους 30 έως τους 86 MHz.

Άλλες εταιρείες και οργανισμοί υποστηρίζουν διαφορετικές προδιαγραφές για την οικιακή δικτύωση ηλεκτρικής ενέργειας και αυτές περιλαμβάνουν την Universal Powerline Association, τη SiConnect, την  HD-PLC Alliance, την Xsilon και την προδιαγραφή G.hn της ITU-T.

Ευρυζωνική σύνδεση μέσω power line

Η ευρυζωνική σύνδεση μέσω power line (BPL) είναι ένα σύστημα για την μετάδοση δεδομένων διπλής κατεύθυνσης μέσω των συμβατικών γραμμών διανομής εναλλασσόμενου ρεύματος μέσης τάσης, μεταξύ μετασχηματιστών, και μεταξύ καλωδιώσεων εναλλασσόμενου ρεύματος χαμηλής τάσης (110-240 V) και μετασχηματιστών και πριζών των πελατών (εικόνα 3). Με το σύστημα αυτό εξαλείφεται το κόστος εγκατάστασης ενός ειδικού δικτύου καλωδίων για επικοινωνία δεδομένων και το κόστος διατήρησης ενός αποκλειστικού δικτύου κεραιών, αναμεταδοτών και δρομολογητών στο ασύρματο δίκτυο.

Το BPL χρησιμοποιεί μερικές από τις ραδιοσυχνότητες που χρησιμοποιούνται και από τα ραδιοσυστήματα που εκπέμπουν ασύρματα. Η σύγχρονη τεχνολογία BPL χρησιμοποιεί σύστημα διασποράς φάσματος με εναλλαγή συχνοτήτων (FHSS) για να αποφευχθούν οι εκπομπές σε συγκεκριμένες συχνότητες που χρησιμοποιούνται στην πραγματικότητα, αν και τα πρότυπα BPL πριν από το 2010 δεν το υποστήριζαν. Το πρότυπο BPL OPERA χρησιμοποιείται κυρίως στην Ευρώπη από παρόχους υπηρεσιών διαδικτύου.

Το IEEE 1901 είναι ένα πρότυπο για υψηλής ταχύτητας (έως 500 Mbit/s στο φυσικό στρώμα) BPL. Χρησιμοποιεί συχνότητες μετάδοσης κάτω από τους 100 MHz. Χρησιμοποιείται από όλες τις κατηγορίες συσκευών BPL, συμπεριλαμβανομένων των συσκευών BPL που χρησιμοποιούνται για σύνδεση τελευταίου μιλίου (λιγότερο από 1500 μέτρα από τις εγκαταστάσεις) σε υπηρεσίες πρόσβασης στο διαδίκτυο, καθώς και σε συσκευές BPL που χρησιμοποιούνται σε κτίρια για τοπικά δίκτυα, έξυπνο δίκτυο (smart grid), εφαρμογές PLC.

Μετάδοση σήματος HDMI πάνω από την γραμμή ρεύματος

Είναι πολύ συνηθισμένο σήμερα να υπάρχουν πολλές τηλεοράσεις σε διάφορα δωμάτια ενός σπιτιού, αλλά οι πηγές βίντεο και ήχου να είναι τοποθετημένες μόνο σε ένα από αυτά, αφενός γιατί δεν υπάρχει πάντα δυνατότητα μεταφοράς τους σε άλλο δωμάτιο, αφετέρου επειδή η λύση της μεταφοράς δεν είναι ιδιαίτερα πρακτική. Δεν είναι επίσης εύκολο να έχουν αποκτηθεί 2, 3 ή και περισσότερες παρόμοιες πηγές, αντίστοιχα για κάθε τηλεόραση του σπιτιού. Έτσι η λύση στο πρόβλημα αυτό είναι η μεταφορά του σήματος βίντεο και ήχου από τις πηγές που είναι τοποθετημένες σε ένα σημείο του σπιτιού, στα δωμάτια που είναι τοποθετημένες άλλες τηλεοράσεις. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι μεταφοράς του σήματος, όπως ασύρματα με WiFi ή μέσω ενσύρματου τοπικού δικτύου Ethernet, μέσω συσκευών AV Link, ή ακόμα και μέσω συσκευών PLC από την καλωδίωση ρεύματος του σπιτιού. Το streaming σημάτων HDMI μέσω της ηλεκτρικής καλωδίωσης αποτελεί μία πολύ καλή επιλογή, αφού διατηρείται το υψηλό bitrate που είναι απαραίτητο για την χωρίς απώλειες ποιότητα στην αναπαραγωγή του βίντεο, ενώ ταυτόχρονα είναι μία plug and play λύση που δεν χρειάζεται την παραμικρή ρύθμιση για την λειτουργία της, εκτός από τις συνδέσεις των συσκευών αυτών με το ρεύμα και με τις πηγές βίντεο / ήχου και τις τηλεοράσεις (εικόνα 4).

Τεχνολογία Powerline και συστήματα επιτήρησης

Για την εγκατάσταση ενός οικιακού ή σχετικά μικρού συστήματος επιτήρησης υπάρχουν δύο κυρίως μέθοδοι σύνδεσης, η ενσύρματη με ομοαξονικά καλώδια ή καλώδια δικτύου, και η ασύρματη σύνδεση, μέσω WiFi. Η πρώτη λύση προϋποθέτει την ύπαρξη ενός ενός εξειδικευμένου δικτύου καλωδίων στο κτήριο, ή διαφορετικά την εγκατάσταση καινούριων καλωδίων, με την όποια φασαρία και κόστος σημαίνει αυτή. Η δεύτερη λύση δεν απαιτεί την ύπαρξη ενός ενσύρματου δικτύου, αλλά μπορεί να υποφέρει από αξιοπιστία στις συνδέσεις και σε διακυμάνσεις της ταχύτητας μεταφοράς των δεδομένων, ανάλογα με την απόσταση που έχουν οι προς σύνδεση συσκευές μεταξύ τους, και τα εμπόδια που παρεμβάλλονται ανάμεσα τους, όπως για παράδειγμα τοίχοι. Υπάρχει όμως μία ακόμα επιλογή, η οποία είναι γνωστή και χρησιμοποιείται κυρίως μέχρι σήμερα για την επέκταση ενός οικιακού δικτύου LAN μέσα στο σπίτι, για την μεταφορά βίντεο, ήχου, δεδομένων. Η τεχνολογία PLC είναι μία καλή εναλλακτική λύση για ένα σύστημα IP CCTV, αφού μειώνει το κόστος και τον χρόνο εγκατάστασης καλωδίων, και βοηθά την εύκολη χρήση IP καμερών υψηλής ευκρίνειας και NVR σε οποιοδήποτε σημείο υπάρχει ηλεκτρική παροχή. Με την εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας σε ένα δίκτυο επιτήρησης εξαλείφεται η ανάγκη χρήσης εξειδικευμένης καλωδίωσης, και το σύστημα γίνεται κυριολεκτικά Plug & Play (εικόνα 5).

 

PLC στην παραγωγή ενέργειας

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αυξάνονται με ταχύ ρυθμό, με το μεγαλύτερο μέρος αυτής της αύξησης να έρχεται από τις εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών σε όλο τον κόσμο.

Προκειμένου ένα σύστημα Κατανεμημένης Παραγωγής (Distributed Generation, DG), να τροφοδοτήσει την παροχή δικτύου, η έξοδος συνεχούς ρεύματος (DC) του πρέπει να μετατραπεί από έναν inverter σε καθαρή και αξιόπιστη παροχή εναλλασσόμενου ρεύματος. Έτσι ένα τυπικό σύστημα DG αποτελείται από τη συσκευή παραγωγής ενέργειας (για παράδειγμα το ηλιακό πάνελ, την ανεμογεννήτρια), τον inverter, την καλωδίωση και τις επικοινωνίες (εικόνα 6). Αν λάβουμε υπόψη την ειδική περίπτωση της παραγωγής ηλιακής ενέργειας, μέχρι πρόσφατα, οι περισσότερες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις χρησιμοποιούσαν κεντρικούς inverter ή inverter στοιχειοσειρών, οπότε η απόδοση του συστήματος μπορούσε να ελεγχθεί με μερικές  συνδέσεις Ethernet στους inverter.

Σήμερα, υπάρχει μια αυξανόμενη τάση προς τους micro-inverter και τους βελτιστοποιητές ισχύος. Αυτά λειτουργούν σε επίπεδο ηλιακού πάνελ και οι περισσότεροι προμηθευτές παρέχουν δυνατότητα παρακολούθησης για κάθε μία από αυτές τις μονάδες. Η παρακολούθηση αυτή παρέχει ζωτικής σημασίας στατιστικά στοιχεία απόδοσης κατά τη διάρκεια ζωής του ηλιακού πάνελ, πράγμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση και τον εντοπισμό των προβλημάτων απόδοσης. Για να εφαρμοστεί μια τέτοια δυνατότητα παρακολούθησης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ασύρματα συστήματα - ZigBee, Wi-Fi, RF και Bluetooth, ή ενσύρματα - PLC, RS-485, RS-232 και Ethernet, μεταξύ άλλων. Στην περίπτωση των micro-inverter, η υλοποίηση μιας ασύρματης λύσης μπορεί να είναι δύσκολη λόγω:

  • Απαίτησης για οπτική επαφή - οι micro-inverter βρίσκονται γενικά πίσω από ένα ηλιακό πάνελ
  • Πιο περίπλοκη εγκατάσταση
  • Προβλήματα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI)

Εναλλακτικά, άλλες ενσύρματες τεχνολογίες περιλαμβάνουν επιπλέον καλωδίωση και συνεπώς μεγαλύτερο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης. Το PLC μπορεί να είναι απλούστερο και πιο οικονομικό.

PLC στις αγορές κατανάλωσης ενέργειας

Η τεχνολογία PLC είναι η κυρίαρχη μέθοδος επικοινωνίας στις υποδομές αυτόματης μέτρησης (AMI) και επίσης υιοθετείται γρήγορα σε άλλες εφαρμογές.

Το σύνολο του συστήματος μέτρησης και συλλογής που περιλαμβάνει μετρητές στην τοποθεσία του πελάτη, δίκτυα επικοινωνίας μεταξύ του πελάτη και ενός παρόχου υπηρεσιών, όπως ηλεκτρικό, αέριο ή νερό, καθώς και συστήματα λήψης και διαχείρισης δεδομένων, τα οποία καθιστούν τις πληροφορίες διαθέσιμες στην υπηρεσία παροχέα, αναφέρονται ως AMI (Advanced Metering Infrastructure). Οι έξυπνοι μετρητές (εικόνα 7) μεταδίδουν τα συλλεχθέντα δεδομένα μέσω κοινώς διαθέσιμων σταθερών δικτύων, όπως τα δίκτυα επικοινωνιών PLC, τα δίκτυα σταθερής ραδιοσυχνότητας και τα δημόσια δίκτυα (π.χ. σταθερής ή κινητής τηλεφωνίας, τηλεειδοποίησης) που συγκεντρώνονται και μεταφέρονται στην εταιρεία κοινής ωφέλειας, και έπειτα σε ένα Σύστημα Διαχείρισης Δεδομένων Μετρητών για αποθήκευση, ανάλυση και τιμολόγηση δεδομένων. Μελέτες δείχνουν ότι το Narrowband PLC είναι το πλέον κατάλληλο για AMI με πάνω από 100 εκατομμύρια συσκευές NB-PLC να έχουν εγκατασταθεί μέχρι σήμερα.

Η λύση PLC για μετάδοση δεδομένων δεν χρειάζεται νέα υποδομή, σε αντίθεση με την ασύρματη, καθώς χρησιμοποιεί τα υπάρχοντα καλώδια τροφοδοσίας. Τα συστήματα Power-line carrier είναι από καιρό ένα από τα αγαπημένα σε πολλές επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας, επειδή τους επιτρέπει να μετακινούν αξιόπιστα δεδομένα μέσω μιας υποδομής που ελέγχουν. Σε σύγκριση με τις ασύρματες λύσεις που βασίζονται στο ZigBee ή το Wi-Fi, το AMI που βασίζεται σε PLC έχει αποδεδειγμένο ιστορικό ότι είναι πιο κατάλληλο για την αποφυγή συμφόρησης δικτύου σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης. Μια άλλη συχνά αναφερόμενη απαίτηση είναι η ανάγκη εφεδρικού καναλιού επικοινωνίας. Με την πανταχού παρούσα γραμμή ηλεκτρικής ενέργειας, η ανάπτυξη ενός εφεδρικού καναλιού γίνεται οικονομικότερη.

PLC μέσω γραμμών συνεχούς ρεύματος (DC)

Ενώ οι περισσότερες εταιρείες προσανατολίζονται προς το παρόν για την παροχή λύσεων PLC μέσω γραμμών εναλλασσόμενου ρεύματος, το PLC μέσω γραμμών DC έχει επίσης εφαρμογές. Δύο από αυτές τις εφαρμογές είναι το PLC μέσω του DC-bus στην παραγωγή κατανεμημένης ενέργειας και το PLC στις μεταφορές (ηλεκτρονικοί έλεγχοι σε αεροπλάνα, αυτοκίνητα και τρένα). Η χρήση αυτή μειώνει την πολυπλοκότητα καλωδίωσης, το βάρος και τελικά το κόστος των επικοινωνιών εντός των οχημάτων (εικόνα 8).

digitaltvinfo.gr - Τα πάντα για τη δορυφορική, ψηφιακή και HD TV
Κάντε εγγραφή στο ενημερωτικό δελτίο μας για να λαμβάνετε τα νέα μας, τις αποκλειστικές ειδήσεις και τις καταπληκτικές προσφορές από το χώρο της ψηφιακής τηλεόρασης.