Передача данных по линиям электропередач: технологии и ограничения

Введение

Тип сети: другие схемы передачи данных и электроэнергии по одному кабелю.

Электролинейная связь (ПЛК) – это передача данных по проводнику, который одновременно используется для передачи переменного тока или распределения электроэнергии потребителям. Линия, осуществляющая это, называется линией передачи данных по электросетям. Ранее линии электропередач использовались исключительно для передачи электроэнергии. Однако с развитием передовых сетевых технологий поставщики коммунальных услуг и услуг стали искать экономически эффективные и высокопроизводительные решения. В настоящее время исследуется возможность использования линий электропередач в качестве универсальной среды для передачи не только электроэнергии или управляющих сигналов, но и высокоскоростных данных и мультимедиа. Для различных приложений требуется широкий спектр технологий ПЛК, от автоматизации дома до доступа в Интернет, который часто называют широкополосным доступом через электросети (BPL). Большинство технологий ПЛК ограничены одним типом проводки (например, внутридомовой проводкой в одном здании), но некоторые могут работать на двух уровнях (например, как в сети распределения, так и во внутридомовой проводке). Трансформаторы обычно препятствуют распространению сигнала, что требует использования нескольких технологий для создания очень больших сетей. В различных ситуациях используются разные скорости передачи данных и частоты. Ряд сложных технических проблем являются общими для беспроводной связи и ПЛК, в частности, проблемы, связанные с широкополосными радиосигналами, работающими в условиях сильных помех. Радиопомехи, например, давно вызывают обеспокоенность у радиолюбителей.

Основы

Системы связи по линиям электропередач работают путем добавления модулированного несущего сигнала в проводку. Различные типы систем связи по линиям электропередач используют разные частотные диапазоны. Поскольку система распределения электроэнергии изначально предназначалась для передачи переменного тока на типичных частотах 50 или 60 Гц, цепи электропроводки обладают лишь ограниченной способностью передавать более высокие частоты. Проблема распространения сигнала является ограничивающим фактором для каждого типа связи по линиям электропередач. Основным фактором, определяющим частоты связи по электролиниям, являются нормы, ограничивающие помехи для радиосвязи. Многие страны регулируют неэкранированные провода так, как если бы это были радиопередатчики. В этих юрисдикциях обычно требуется, чтобы нелицензируемое использование было ниже 500 кГц или в нелицензируемых радиодиапазонах. Некоторые юрисдикции (например, ЕС) регулируют передачу данных по проводной линии более строго. США являются заметным исключением, разрешая вводить в неэкранированную проводку ограниченную мощность широкополосных сигналов, при условии, что проводка не предназначена для распространения радиоволн в свободном пространстве. Скорости передачи данных и пределы расстояния значительно варьируются в зависимости от различных стандартов связи по линиям электропередач. Низкочастотные (около 100–200 кГц) несущие, наложенные на высоковольтные линии передачи, могут передавать один или два аналоговых голосовых канала или телеметрические и управляющие цепи с эквивалентной скоростью передачи данных в несколько сотен бит в секунду; однако такие цепи могут быть протяженностью в несколько километров. Более высокие скорости передачи данных обычно подразумевают меньшую дальность; локальная сеть, работающая на миллионах бит в секунду, может охватывать только один этаж офисного здания, но избавляет от необходимости прокладки специальной сетевой кабельной системы.

Типы ПЛК

Хотя в мире существуют различные протоколы и законодательство, по сути существует только два типа ПЛК: ПЛК для помещений и ПЛК для наружного применения. Обычно в этих системах используется амплитудная модуляция. Диапазон несущих частот используется для аудиосигналов, защиты и пилотной частоты. Пилотная частота – это сигнал в аудиодиапазоне, который непрерывно передается для обнаружения сбоев. Голосовой сигнал сжимается и фильтруется в диапазоне от 300 до 4000 Гц, после чего эта звуковая частота смешивается с несущей частотой. Несущая частота снова фильтруется, усиливается и передается. Мощность передачи этих ВЧ несущих частот находится в диапазоне от 0 до +32 дБВ. Этот диапазон устанавливается в зависимости от расстояния между подстанциями. PLCC может использоваться для соединения частных автоматических телефонных станций (АТС). Для секционирования сети передачи и защиты от отказов последовательно с линией электропередачи подключается "волновой фильтр". Он состоит из одного или нескольких звеньев резонансных контуров, которые блокируют высокочастотные несущие волны (24–500 кГц) и пропускают ток частоты сети (50–60 Гц). Волновые фильтры используются на большинстве электростанций для предотвращения попадания несущих частот в оборудование станции. Каждый волновой фильтр оснащен грозозащитным устройством для защиты от импульсных перенапряжений. Для подключения передатчиков и приемников к линии высокого напряжения используется соединительный конденсатор. Он обеспечивает путь с низким импедансом для энергии несущей частоты к ЛЭП, но блокирует цепь частоты сети, являясь путем с высоким импедансом. Соединительный конденсатор может быть частью трансформатора напряжения, используемого для измерения напряжения. Системы передачи данных по линиям электропередач давно пользуются популярностью у многих энергетических компаний, поскольку они позволяют им надежно передавать данные по инфраструктуре, находящейся под их контролем. Повторительная станция ПЛК – это объект, на котором обновляется сигнал связи ПЛК на линии электропередачи. Таким образом, сигнал фильтруется из линии электропередачи, демодулируется и модулируется на новой несущей частоте, а затем снова вводится в линию электропередачи. Поскольку сигналы ПЛК могут передаваться на большие расстояния (несколько сотен километров), такие объекты существуют только на очень протяженных линиях электропередач, использующих оборудование ПЛК. ПЛК – одна из технологий, используемых для автоматического снятия показаний счетчиков. Как односторонние, так и двусторонние системы успешно используются на протяжении десятилетий. В последнее время интерес к этому применению значительно возрос – не столько из-за интереса к автоматизации ручного процесса, сколько из-за интереса к получению актуальных данных со всех точек учета для лучшего контроля и управления системой. ПЛК – одна из технологий, используемых в системах автоматизированной инфраструктуры учета (AMI). В односторонней системе (только входящей) показания передаются от оконечных устройств (например, счетчиков) через коммуникационную инфраструктуру на "главную станцию", которая публикует показания. Односторонняя система может быть дешевле, чем двусторонняя, но ее также сложнее переконфигурировать при изменении условий эксплуатации. В двусторонней системе (поддерживающей как исходящую, так и входящую связь) команды могут передаваться с главной станции на оконечные устройства (счетчики), что позволяет перенастраивать сеть, получать показания или передавать сообщения и т. д. Устройство в конце сети может затем ответить (входящим) сообщением, содержащим требуемое значение. Исходящие сообщения, введенные на подстанции, распространяются на все последующие точки. Этот тип широковещательной передачи позволяет системе связи одновременно охватить тысячи устройств, все из которых имеют питание и ранее были определены как кандидаты на отключение нагрузки. ПЛК также может быть компонентом интеллектуальной сети.

Although different protocols and legislation exists throughout the world, there are basically only two types of PLC: the indoor PLC and the outdoor PLC. The modulation generally used in these system is amplitude modulation. The carrier frequency range is used for audio signals, protection and a pilot frequency. The pilot frequency is a signal in the audio range that is transmitted continuously for failure detection. The voice signal is compressed and filtered into the 300 Hz to 4000 Hz range, and this audio frequency is mixed with the carrier frequency. The carrier frequency is again filtered, amplified and transmitted. The transmission power of these HF carrier frequencies will be in the range of 0 to +32 dbW. This range is set according to the distance between substations. PLCC can be used for interconnecting private branch exchanges (PBXs). To sectionalize the transmission network and protect against failures, a "wave trap" is connected in series with the power (transmission) line. They consist of one or more sections of resonant circuits, which block the high frequency carrier waves (24–500 kHz) and let power frequency current (50–60 Hz) pass through. Wave traps are used in switchyard of most power stations to prevent carrier from entering the station equipment. Each wave trap has a lightning arrester to protect it from surge voltages. A coupling capacitor is used to connect the transmitters and receivers to the high voltage line. This provides low impedance path for carrier energy to HV line but blocks the power frequency circuit by being a high impedance path. The coupling capacitor may be part of a capacitor voltage transformer used for voltage measurement. Power line carrier systems have long been a favorite at many utilities because it allows them to reliably move data over an infrastructure that they control. A PLC carrier repeating station is a facility, at which a power line communication (PLC) signal on a powerline is refreshed. Therefore
the signal is filtered out from the powerline, demodulated and modulated on a new carrier frequency, and then reinjected onto the powerline again. As PLC signals can carry long distances (several hundred kilometres), such facilities only exist on very long power lines using PLC equipment. PLC is one of the technologies used for automatic meter reading. Both one way and two way systems have been successfully used for decades. Interest in this application has grown substantially in recent history—not so much because there is an interest in automating a manual process, but because there is an interest in obtaining fresh data from all metered points in order to better control and operate the system. PLC is one of the technologies being used in Advanced Metering Infrastructure (AMI) systems. In a one way (inbound only) system, readings "bubble up" from end devices (such as meters), through the communication infrastructure, to a "master station" which publishes the readings. A one way system might be lower cost than a two way system, but also is difficult to reconfigure should the operating environment change. In a two way system (supporting both outbound and inbound), commands can be broadcast out from the master station to end devices (meters) – allowing for reconfiguration of the network, or to obtain readings, or to convey messages, etc. The device at the end of the network may then respond (inbound) with a message that carries the desired value. Outbound messages injected at a utility substation will propagate to all points downstream. This type of broadcast allows the communication system to simultaneously reach many thousands of devices—all of which are known to have power, and have been previously identified as candidates for load shed. PLC also may be a component of a smart grid.

Средняя частота (100 кГц)

Эти системы часто используются в странах, где запрещено передавать сигналы, создающие помехи для нормальной работы радиосвязи. Частоты настолько низкие, что при передаче по электропроводке они не способны генерировать радиоволны.

Домашнее управление (узкополосная связь)

Технология связи по линиям электропередач может использовать электрическую проводку внутри дома для автоматизации дома: например, дистанционное управление освещением и бытовыми приборами без прокладки дополнительной управляющей проводки. Обычно домашние устройства связи по линиям электропередач работают путем модуляции несущей волны частотой от 20 до 200 кГц, подаваемой в бытовую проводку на передатчике. Несущая волна модулируется цифровыми сигналами. Каждый приемник в системе имеет свой адрес и может управляться индивидуально сигналами, передаваемыми по бытовой проводке и декодируемыми приемником. Эти устройства могут подключаться к обычным розеткам или быть постоянно подключенными к сети. Поскольку несущий сигнал может распространяться на соседние дома (или квартиры), подключенные к той же распределительной сети, эти системы управления имеют "домашний адрес", идентифицирующий владельца. Популярная технология X10 используется с 1970-х годов. "Универсальная шина линий электропередач", представленная в 1999 году, использует импульсно-позиционную модуляцию (PPM). Метод физического уровня существенно отличается от схемы, используемой в X10. LonTalk, являющийся частью линейки продуктов домашней автоматизации LonWorks, был принят в качестве компонента некоторых стандартов автоматизации.

Низкоскоростная узкополосная

Узкополосная связь по линиям электропередач началась вскоре после широкого распространения электроснабжения. Около 1922 года первые системы несущей частоты начали работать на высоковольтных линиях с частотами от 15 до 500 кГц для целей телеметрии, и это продолжается до сих пор. Потребительские товары, такие как детские радионяни, были доступны как минимум с 1940 года. В 1930-х годах на распределительных системах среднего (10–20 кВ) и низкого напряжения (240/415 В) была внедрена сигнальная модуляция с наложением несущей частоты. На протяжении многих лет продолжались поиски недорогой двунаправленной технологии, подходящей для таких применений, как дистанционное снятие показаний со счетчиков. Французская электроэнергетическая компания Électricité de France (EDF) разработала прототип и стандартизировала систему, называемую "распространенной частотной манипуляцией" или S-FSK. (См. IEC 61334) В настоящее время это простая, недорогая система с долгой историей, однако она имеет очень низкую скорость передачи данных. В 1970-х годах компания Tokyo Electric Power Co проводила эксперименты, которые показали успешную двунаправленную работу с несколькими сотнями устройств. В настоящее время (2012 год) система широко используется в Италии и некоторых других странах ЕС. S-FSK передает всплеск 2, 4 или 8 тонов, центрированный во времени, когда линия переменного тока проходит через нулевое напряжение. Таким образом, тоны избегают большинства радиочастотных помех от возникновения дуги. (Обычно загрязненные изоляторы искрят в точке максимального напряжения и, следовательно, генерируют широкополосный всплеск шума.) Чтобы избежать других помех, приемники могут улучшить отношение сигнал/шум, измеряя мощность только тонов "1", только тонов "0" или дифференциальную мощность обоих. В разных районах используются разные пары тонов для предотвращения помех. Синхронизация битов обычно восстанавливается по границам между тонами, аналогично UART. Время приблизительно центрировано на нулевом переходе с таймером от предыдущего нулевого перехода. Типичные скорости составляют от 200 до 1200 бит в секунду, с одним битом на временной интервал тона. Скорости также зависят от частоты линии переменного тока. Скорость ограничена шумом и нестабильностью нулевого перехода линии переменного тока, на которую влияют местные нагрузки. Эти системы обычно двунаправленные, причем как счетчики, так и центральные станции отправляют данные и команды. На более высоких уровнях протоколов станции (обычно интеллектуальные счетчики) могут повторно передавать сообщения. (См. IEC 61334)

Narrowband power line communications began soon after electrical power supply became widespread. Around the year 1922 the first carrier frequency systems began to operate over high tension lines with frequencies of 15 to 500 kHz for telemetry purposes, and this continues. Consumer products such as baby alarms have been available at least since 1940. In the 1930s, ripple carrier signaling was introduced on the medium (10–20 kV) and low voltage (240/415 V) distribution systems. For many years the search continued for a cheap bi directional technology suitable for applications such as remote meter reading. French electric power Électricité de France (EDF) prototyped and standardized a system called "spread frequency shift keying" or S FSK. (See IEC 61334) It is now a simple, low cost system with a long history, however it has a very slow transmission rate. In the 1970s, the Tokyo Electric Power Co ran experiments which reported successful bi directional operation with several hundred units. The system is now (2012) widely used in Italy and some other parts of the EU. S FSK sends a burst of 2, 4 or 8 tones centered around the time when the AC line passes through zero voltage. In this way, the tones avoid most radio frequency noise from arcing. (It is common for dirty insulators to arc at the highest point of the voltage, and thus generate a wide band burst of noise.) To avoid other interference, receivers can improve their signal to noise ratio by measuring the power of only the "1" tones, only the "0" tones or the differential power of both. Different districts use different tone pairs to avoid interference. The bit timing is typically recovered from the boundaries between tones, in a way similar to a UART. Timing is roughly centered on the zero crossing with a timer from the previous zero crossing. Typical speeds are 200 to 1200 bits per second, with one bit per tone slot. Speeds also depend on the AC line frequency. The speed is limited by noise, and the jitter of the AC line's zero crossing, which is affected by local loads. These systems are usually bidirectional, with both meters and central stations sending data and commands. Higher levels of the protocols can have stations (usually smart meters) retransmit messages. (See IEC 61334)

Начиная с середины 1980-х годов наблюдается всплеск интереса к использованию потенциала цифровых коммуникационных технологий и цифровой обработки сигналов. Цель состоит в создании надежной системы, которая будет достаточно дешевой для широкого внедрения и сможет эффективно конкурировать с беспроводными решениями. Однако узкополосный канал связи по линиям электропередач представляет множество технических проблем, доступна математическая модель канала и обзор работ. Области применения связи по линиям электропередач чрезвычайно разнообразны, что ожидаемо для столь широко доступной среды. Одним из естественных применений узкополосной связи по линиям электропередач является управление и телеметрия электрического оборудования, такого как счетчики, выключатели, обогреватели и бытовые приборы. Ряд активных разработок рассматривает такие приложения с системной точки зрения, например, управление спросом. В этом случае бытовые приборы будут разумно координировать использование ресурсов, например, ограничивая пиковые нагрузки. Приложения управления и телеметрии включают как приложения "со стороны энергоснабжающей организации", которые включают оборудование, принадлежащее энергоснабжающей компании, вплоть до бытового счетчика, так и приложения "со стороны потребителя", которые включают оборудование в помещениях потребителя. Возможные приложения со стороны энергоснабжающей организации включают автоматическое снятие показаний со счетчиков (AMR), динамическое управление тарифами, управление нагрузкой, запись профиля нагрузки, контроль кредита, предоплату, удаленное подключение, обнаружение мошенничества и управление сетью, и могут быть расширены для включения газа и воды. Open Smart Grid Protocol (OSGP) является одной из наиболее проверенных узкополосных технологий и протоколов PLC для интеллектуальных счетчиков. В мире установлено и эксплуатируется более пяти миллионов интеллектуальных счетчиков, основанных на OSGP и использующих BPSK PLC. Альянс OSGP, некоммерческая ассоциация, первоначально созданная как ESNA в 2006 году, возглавил усилия по созданию семейства спецификаций, опубликованных Европейским институтом стандартов в области телекоммуникаций (ETSI), которые используются в сочетании со стандартом ISO/IEC 14908 для управления сетями в приложениях интеллектуальных сетей. OSGP оптимизирован для обеспечения надежной и эффективной доставки информации команд и управления для интеллектуальных счетчиков, модулей прямого управления нагрузкой, солнечных панелей, шлюзов и других устройств интеллектуальных сетей. OSGP следует современной структурированной методологии, основанной на модели протокола OSI, для решения развивающихся задач интеллектуальных сетей. На физическом уровне OSGP в настоящее время использует ETSI 103 908 в качестве своего технологического стандарта. В нем используется бинарная фазовая манипуляция со скоростью 3592,98 бод, используя несущую частоту 86,232 кГц +/- 200 ppm. (Примечание: частота тактового сигнала почти в 24 раза меньше несущей.) На уровне приложений OSGP ETSI TS 104 001 предоставляет хранение данных, ориентированное на таблицы, основанное, в частности, на стандартах ANSI C12.19 / MC12.19 / 2012 / IEEE Std 1377 для таблиц данных оконечных устройств в энергетической отрасли и ANSI C12.18 / MC12.18 / IEEE Std 1701 для своих служб и инкапсуляции полезной нагрузки. Этот стандарт и система команд обеспечивают не только поддержку интеллектуальных счетчиков и связанных данных, но и универсальное расширение для других устройств интеллектуальных сетей. Проект EDF, Франция, включает управление спросом, управление уличным освещением, дистанционное снятие показаний со счетчиков и выставление счетов, оптимизацию тарифов для конкретных клиентов, управление контрактами, оценку расходов и безопасность газовых приложений. Существует также множество специализированных нишевых приложений, которые используют электросеть в доме в качестве удобного канала передачи данных для телеметрии. Например, в Великобритании и Европе система мониторинга телевизионной аудитории использует связь по линиям электропередач в качестве удобного пути передачи данных между устройствами, которые отслеживают активность просмотра телевизора в разных комнатах дома, и концентратором данных, подключенным к телефонному модему.

Since the mid 1980s, there has been a surge of interest in using the potential of digital communications techniques and digital signal processing. The drive is to produce a reliable system which is cheap enough to be widely installed and able to compete cost effectively with wireless solutions. But the narrowband powerline communications channel presents many technical challenges, a mathematical channel model and a survey of work is available. Applications of mains communications vary enormously, as would be expected of such a widely available medium. One natural application of narrow band power line communication is the control and telemetry of electrical equipment such as meters, switches, heaters and domestic appliances. A number of active developments are considering such applications from a systems point of view, such as demand side management. In this, domestic appliances would intelligently co ordinate their use of resources, for example limiting peak loads. Control and telemetry applications include both 'utility side' applications, which involves equipment belonging to the utility company up to the domestic meter, and 'consumer side' applications which involves equipment in the consumer's premises. Possible utility side applications include automatic meter reading (AMR), dynamic tariff control, load management, load profile recording, credit control, pre payment, remote connection, fraud detection and network management, and could be extended to include gas and water. Open Smart Grid Protocol (OSGP) is one of the most proven narrowband PLC technologies and protocols for smart metering. There are more than five million smart meters, based on OSGP and using BPSK PLC, installed and operating around the World. The OSGP Alliance, a non profit association originally established as ESNA in 2006, led an effort to establish a family of specifications published by the European Telecommunications Standards Institute (ETSI) used in conjunction with the ISO/IEC 14908 control networking standard for smart grid applications. OSGP is optimized to provide reliable and efficient delivery of command and control information for smart meters, direct load control modules, solar panels, gateways, and other smart grid devices. OSGP follows a modern, structured approach based on the OSI protocol model to meet the evolving challenges of the smart grid. At the physical layer, OSGP currently uses ETSI 103 908 as its technology standard. This uses binary phase shift keying at 3592.98 BAUD, using a carrier tone of 86.232 KHz +/ 200ppm. (Note: The bit clock is almost exactly 1/24 of the carrier.) At the OSGP application layer, ETSI TS 104 001 provides a table oriented data storage based, in part, on the ANSI C12.19 / MC12.19 / 2012 / IEEE Std 1377 standards for Utility Industry End Device Data Tables and ANSI C12.18 / MC12.18 / IEEE Std 1701, for its services and payload encapsulation. This standard and command system provides not only for smart meters and related data but also for general purpose extension to other smart grid devices. A project of EDF, France includes demand management, street lighting control, remote metering and billing, customer specific tariff optimisation, contract management, expense estimation and gas applications safety. There are also many specialised niche applications which use the mains supply within the home as a convenient data link for telemetry. For example, in the UK and Europe a TV audience monitoring system uses powerline communications as a convenient data path between devices that monitor TV viewing activity in different rooms in a home and a data concentrator which is connected to a telephone modem.

Узкополосные сети средней скорости

Технология системы передачи данных по линиям электропередач (DLC) использовала диапазон частот от 9 до 500 кГц со скоростью передачи данных до 576 кбит/с. Проект под названием «Управление энергопотреблением в реальном времени через электросети и Интернет» (REMPLI) финансировался Европейской комиссией с 2003 по 2006 год. Более современные системы используют OFDM для передачи данных с более высокой скоростью без создания радиочастотных помех. Они используют сотни каналов для медленной передачи данных. Обычно они могут адаптироваться к шумам, отключая каналы с помехами. Дополнительные затраты на кодирующие устройства незначительны по сравнению со стоимостью передающей электроники. Передающая электроника обычно представляет собой операционный усилитель высокой мощности, согласующий трансформатор и источник питания. Аналогичная передающая электроника требуется и в старых, более медленных системах, поэтому улучшение технологии позволяет добиться повышения производительности при доступной цене. В 2009 году группа поставщиков сформировала альянс PoweRline Intelligent Metering Evolution (PRIME). Физический уровень в его реализации представляет собой OFDM с дискретизацией 250 кГц и 512 дифференциальными фазосдвиговыми ключами в диапазоне 42–89 кГц. Максимальная скорость передачи данных составляет 128,6 кбит/с, а наиболее устойчивая – 21,4 кбит/с. Для обнаружения и исправления ошибок используется свёрточный код. Обычно верхний уровень – IPv4. В 2011 году несколько компаний, включая операторов распределительных сетей (ERDF, Enexis), производителей счетчиков (Sagemcom, Landis&Gyr) и производителей чипов (Maxim Integrated, Texas Instruments, STMicroelectronics, Renesas), основали альянс G3 PLC для продвижения технологии G3 PLC. G3 PLC – это протокол нижнего уровня, предназначенный для создания масштабной инфраструктуры в электрических сетях. G3 PLC может работать в диапазоне CENELEC A (35–91 кГц) или диапазоне CENELEC B (98–122 кГц) в Европе, в диапазоне ARIB (155–403 кГц) в Японии и в диапазоне FCC (155–487 кГц) в США и других странах мира. Используется технология OFDM с дискретизацией 400 кГц, адаптивной модуляцией и отображением тонов. Обнаружение и исправление ошибок осуществляется как с помощью свёрточного кода, так и с помощью коррекции ошибок Рида-Соломона. Для управления доступом к среде передачи используется стандарт IEEE 802.15.4 – радиостандарт. В протоколе 6loWPAN был выбран для адаптации IPv6, сетевого уровня Интернета, к ограниченным средам, таким как линии электропередач. 6loWPAN интегрирует маршрутизацию на основе mesh-сети LOADng, сжатие заголовков, фрагментацию и обеспечение безопасности. G3 PLC разработан для обеспечения чрезвычайно надежной связи на основе стабильных и защищенных соединений между устройствами, в том числе между трансформаторами среднего и низкого напряжения. Благодаря использованию IPv6, G3 PLC обеспечивает связь между счетчиками, исполнительными механизмами в сети и интеллектуальными устройствами. В декабре 2011 года технология G3 PLC была признана международным стандартом в ITU в Женеве, где она обозначена как G.9903 – узкополосные приемопередатчики с ортогональным частотным мультиплексированием для связи по линиям электропередач в сетях G3 PLC.

The Distribution Line Carrier (DLC) System technology used a frequency range of 9 to 500 kHz with data rate up to 576 kbit/s. A project called Real time Energy Management via Powerlines and Internet (REMPLI) was funded from 2003 to 2006 by the European Commission. More modern systems use OFDM to send data at faster bit rates without causing radio frequency interference. These utilize hundreds of slowly sending data channels. Usually they can adapt to noise by turning off channels with interference. The extra expense of the encoding devices is minor compared to the cost of the electronics to transmit. The transmission electronics is usually a high power operational amplifier, a coupling transformer and a power supply. Similar transmission electronics is required on older, slower systems, so with improved technology, improved performance can be very affordable. In 2009, a group of vendors formed the PoweRline Intelligent Metering Evolution (PRIME) alliance. As delivered, the physical layer is OFDM, sampled at 250 kHz, with 512 differential phase shift keying channels from 42–89 kHz. Its fastest transmission rate is 128.6 kilobits/second, while its most robust is 21.4 kbit/s. It uses a convolutional code for error detection and correction. The upper layer is usually IPv4. In 2011, several companies including distribution network operators (ERDF, Enexis), meter vendors (Sagemcom, Landis&Gyr) and chip vendors (Maxim Integrated, Texas Instruments, STMicroelectronics, Renesas) founded the G3 PLC Alliance to promote G3 PLC technology. G3 PLC is the low layer protocol to enable large scale infrastructure on the electrical grid. G3 PLC may operate on CENELEC A band (35 to 91 kHz) or CENELEC B band (98 kHz to 122 kHz) in Europe, on ARIB band (155 kHz to 403 kHz) in Japan and on FCC (155 kHz to 487 kHz) for the US and the rest of the world. The technology used is OFDM sampled at 400 kHz with adaptative modulation and tone mapping. Error detection and correction is made by both a convolutional code and Reed Solomon error correction. The required media access control is taken from IEEE 802.15.4, a radio standard. In the protocol, 6loWPAN has been chosen to adapt IPv6 an internet network layer to constrained environments which is Power line communications. 6loWPAN integrates routing, based on the mesh network LOADng, header compression, fragmentation and security. G3 PLC has been designed for extremely robust communication based on reliable and highly secured connections between devices, including crossing Medium Voltage to Low Voltage transformers. With the use of IPv6, G3 PLC enables communication between meters, grid actuators as well as smart objects. In December 2011, G3 PLC technology was recognised as an international standard at ITU in Geneva where it is referenced as G.9903, Narrowband orthogonal frequency division multiplexing power line communication transceivers for G3 PLC networks.

Передача радиопрограмм

Иногда ПЛК использовался для передачи радиопрограмм по линиям электропередач. При работе в диапазоне частот AM-радио это известно как система передачи по несущей частоте.

Высокая частота (≥ 1 МГц)

Высокочастотная связь может (повторно) использовать значительные участки радиочастотного спектра для передачи данных или использовать отдельные (узкие) полосы частот, в зависимости от используемой технологии.

Сети домашнего пользования (LAN)

Электропроводные коммуникации также могут использоваться дома для соединения домашних компьютеров и периферийных устройств, а также домашних развлекательных устройств, оснащенных портом Ethernet. Комплекты адаптеров для электросетей подключаются к розеткам для установления Ethernet-соединения с использованием существующей электрической проводки в доме (сетевые фильтры могут ослаблять сигнал электросети). Это позволяет устройствам обмениваться данными без необходимости прокладки отдельных сетевых кабелей. Наиболее распространенными стандартами для организации сетей по электропроводке являются стандарты Nessum Alliance и HomePlug Powerline Alliance. HomePlug Powerline Alliance объявила в октябре 2016 года о прекращении своей деятельности, а веб-сайт альянса (homeplug.org) был закрыт. Nessum (ранее HD PLC) и HomePlug AV, являющийся самой современной спецификацией HomePlug, были приняты группой IEEE 1901 в качестве базовых технологий для своего стандарта, опубликованного 30 декабря 2010 года. По оценкам HomePlug, во всем мире установлено более 45 миллионов устройств HomePlug. Другие компании и организации поддерживают различные спецификации для домашних сетей по электропроводке, включая Universal Powerline Association, SiConnect, Xsilon и спецификацию G.hn (HomeGrid) ITU-T.

Сети вне домашнего интернета (LAN)

С расширением сферы применения IoT растет спрос на высокоскоростную передачу данных, например, для трансляции видео высокой четкости и/или данных с высокочастотных датчиков, в таких областях, как умные здания, умные заводы и умные города. В подобных сценариях могут быть использованы технологии связи по линиям электропередач, которые обладают тем же преимуществом – возможностью повторного использования существующей кабельной инфраструктуры. Компания Nessum разработала технологию многоскоковой передачи данных, позволяющую создавать масштабные сети. Более того, новейшая технология Nessum (HD PLC четвертого поколения) поддерживает несколько каналов, что обеспечивает высокоскоростную и дальнодействующую связь за счет выбора оптимального канала.

Широкополосная связь через линию электропередач

Широкополосная связь по линиям электропередач (BPL) – это система для передачи данных в обоих направлениях по существующим электрораспределительным сетям переменного тока MV (среднего напряжения) между трансформаторами, а также по сетям переменного тока LV (низкого напряжения) между трансформатором и потребительскими розетками (обычно от 100 до 240 В). Это позволяет избежать затрат на создание выделенной сети проводов для передачи данных и расходов на обслуживание выделенной сети антенн, радиооборудования и маршрутизаторов в беспроводных сетях. BPL использует некоторые из тех же радиочастот, что и для радиовещания. Современные системы BPL используют Wavelet OFDM, FFT OFDM или частотно-разностную последовательную модуляцию для предотвращения использования уже занятых частот, хотя более ранние стандарты BPL, разработанные до 2010 года, этого не делали. Критика BPL с этой точки зрения относится к стандартам, предшествовавшим OPERA и 1905 году. Стандарт BPL OPERA в основном используется в Европе интернет-провайдерами. В Северной Америке он применяется в некоторых местах (например, на острове Вашингтон в штате Висконсин), но чаще используется электрораспределительными компаниями для интеллектуальных счетчиков и управления нагрузкой. После ратификации и широкого внедрения стандарта IEEE 1901 (Nessum, HomePlug) LAN в основные чипсеты маршрутизаторов, более старые стандарты BPL стали неконкурентоспособными для связи между розетками переменного тока внутри здания, а также между зданием и трансформатором, где сети MV переходят в сети LV.

Ультравысокая частота (≥ 100 МГц)

Даже более высокие скорости передачи данных по линиям электропередач используют радиочастоты в диапазоне микроволновых частот, передаваемые посредством механизма распространения поверхностных волн в поперечном режиме, требующего лишь одного проводника. Реализация этой технологии продается под названием E Line. В этих системах используются микроволны вместо более низких частотных диапазонов, вплоть до 2–20 ГГц. Хотя при использовании на открытом воздухе они могут создавать помехи для радиоастрономии, преимущества скорости, сопоставимой с волоконно-оптическими кабелями, без необходимости прокладки новой проводки, скорее всего, перевесят этот недостаток. Эти системы обеспечивают симметричную полнодуплексную связь со скоростью более 1 Гбит/с в каждом направлении. Было продемонстрировано одновременное функционирование нескольких каналов Wi-Fi и аналогового телевидения в нелицензируемых диапазонах 2,4 и 5,0 ГГц по одному проводнику линии среднего напряжения. Поскольку основной режим распространения обладает чрезвычайно широкой полосой пропускания (в техническом смысле), он может работать в диапазоне от 20 МГц до 20 ГГц. Кроме того, поскольку он не ограничен частотой ниже 80 МГц, как в случае высокочастотного BPL, эти системы позволяют избежать проблем с помехами, связанных с использованием общего спектра с другими лицензированными или нелицензированными службами.

Стандарты

На начало 2010 года для сетевых технологий по линиям электропередач применялись два принципиально различных набора стандартов. Внутри жилых помещений стандарты IEEE 1901 определяют, как существующие провода переменного тока должны использоваться для передачи данных во всем мире. IEEE 1901 включает в себя технологии Nessum и HomePlug AV в качестве базовых. Любые продукты, соответствующие стандарту IEEE 1901, могут сосуществовать и быть полностью совместимы друг с другом, если они используют одну и ту же технологию. В то же время, устройства управления домашней автоматикой средней частоты остаются разрозненными, хотя X10, как правило, является доминирующим. Для использования в энергосетях IEEE утвердил низкочастотный (≤ 500 кГц) стандарт IEEE 1901.2 в 2013 году.

Проблемы для ПЛК

Основная проблема с ПЛК на сегодняшний день – неэкранированная и невитая силовая проводка. Этот тип проводки излучает значительную радиоэнергию, что может создавать помехи для других устройств, работающих в том же частотном диапазоне. Кроме того, системы BPL (Broadband over Power Line) могут подвергаться воздействию помех от радиосигналов, генерируемых проводкой ПЛК.