магистрант Касымканов О.К

Казахский Агротехнический университет им. С.Сейфуллина, Казахстан

Проектирование точных систем связи по линиям электропередачи.

Электротехнология Power-line-communication применяет линии высокого напряжения в качестве транспортной среды. Данные подаются по тем же линиям электропередач, что снабжают электричеством дома или автомобили, освобождая от необходимости использовать добавочные кабеля. Технология PLC (Power-line-communication) все реже используется во множественных системах, в т.ч. в интеллектуальных энергосистемах, регулирования солнечными панелями, счетчиках энергии, домашних инфосетях для передачи видео и электромобилях.

Влечение многих государств мира перейти на энергосберегающие технологии иметь в виду нужда рационального производства и потребления энергии. PLC снабжает редкий метод употребления уже наблюдающейся инфраструктуры для быстрого введения технологии интеллектуального энергоуправления. В отличие от беспроводных методов, PLC не имеет ограничений, соединенных с поясом открытой видимости и дальностью трансляции. Кроме того, это эффективная и легко реализуемая технология для многих приложений. В состав любой системы связи входят передатчик, приемник, транспортная среда и сигнал. В типовой PLC-системе передатчик модулирует и вводит сигнал в линию электропередачи (см. рис. 1). Приемник на другом конце линии связи демодулирует сигнал и извлекает из него данные. Импеданс линии электропередачи ослабляет сигнал по мере его прохождения от передатчика к приемнику. Любой шум в среде также искажает сигнал при его распространении по линии. К числу факторов, которые влияют на характеристики и надежность PLC-системы, относятся уровень передаваемого сигнала, шум в линии электропередачи, импеданс сети, используемый протокол и чувствительность приемника. Рисунок. 1. Импеданс линии электропередачи, а также шум в ней существенно ослабляют передаваемый сигнал.

Передача сигнала

Сигналы высокой интенсивности менее подвержены искажениям из-за шума в линии электропередачи и распространяются на большие расстояния.

Интенсивность передаваемого сигнала также влияет на потребление узла PLC, т.к. он потребляет больше энергии при поступлении в сеть сигнала большой мощности. В идеальном случае разработчикам следует увеличить сигнал передатчика таким образом, чтобы обеспечить наилучшие характеристики и энергопотребление в линии электропередачи. Однако такие организации как FCC (Federal Communications Commission —Федеральная комиссия связи) в Северной Америке и CENELEC в Европе строго следят за тем, чтобы передаваемый сигнал не превышал определенного уровня. Кроме того, эти организации установили уровень гармоник, которым характеризуется основной сигнал передатчика, поступающий в линию электропередачи. Эти правила предотвращают взаимное искажение сигналов различных частот. При выборе PLC-устройства необходимо, чтобы оно удовлетворяло требованиям к уровню передаваемого сигнала для того или иного типа приложения. Кроме того, следует обеспечить совместимость этого устройства со стандартами FCC и CENELEC. В идеальном случае усиление в режиме передачи должно настраиваться таким образом, чтобы можно было регулировать уровень сигнала в зависимости от остальной части системы. Кроме того, необходимо определить, какую энергию потребляет PLC-узел, чтобы установить оптимальный уровень сигнала в соответствии с требованиями FCC и CENELEC.

Шум в линии электропередачи

После поступления сигнала передатчика в линию электропередачи его целостность зависит от количества шума в этой линии: чем он больше, тем в большей мере искажается сигнал. Шум генерируют многие источники.

Проще говоря, шум в линии можно разделить на импульсный и непрерывный. Импульсный шум непредсказуем и имеет пульсирующий характер. Трудно построить систему, которая могла бы справиться с непредсказуемым и подчас большим импульсным шумом, не потеряв в скорости передачи данных. Этот тип шума часто приводит к уничтожению пакетов данных в линии. Непрерывный шум имеет более предсказуемый характер, чем импульсный шум. Как правило, непрерывный шум зависит от качества монтажа линии электропередачи. Следует помнить, что изначально электросеть предусматривается для передачи энергии, а не данных, поэтому при создании линии электропередачи вопросам снижения шума уделяется мало внимания. Допустимый уровень шума также зависит от того, в каком регионе мира функционирует система. Для обеспечения надежной связи по линии электропередачи отношение сигнала к шуму (SNR) должно быть выше определенного порогового значения. Если в PLC-системе возникает непрерывный шум с высокой амплитудой, следует изолировать его от PLC-приемников или воспользоваться блокирующим дросселем, установленным на источник питания того оборудования, которое генерирует шум.

Разработчики прибегают и к другим методам борьбы с помехами. К ним относится использование двунаправленного пакета он либо просит передатчик повторно отправить этот пакет, либо не подтверждает получение данных, вынуждая передатчик автоматически повторить попытку переслать пропущенный пакет. Для борьбы с непрерывным шумом в некоторых PLC-устройствах реализовано АРУ. С помощью этой функции приемник динамически настраивает свою чувствительность выше порогового шума, чтобы эффективнее отличить данные от помех. Очевидно, что чем лучше метод борьбы с шумом, тем надежнее система. Таким образом, наиболее надежной системой передачи данных является двунаправленная связь с функцией повторных попыток, контролем с помощью циклического избыточного кода и получением подтверждений.

Сетевой протокол Надежный и безошибочный сетевой протокол, возможно, оказывает наибольшее влияние на надежность PLC-связи. Хотя при проектировании системы едва ли можно учесть такие физические факторы как шум и импеданс линии, оптимизированная реализация сетевого протокола позволяет существенно улучшить характеристики PLC-системы. Выбор сетевого протокола имеет большое влияние на ее функционирование: правильный сетевой протокол на 100% обеспечивает успешную связь, и наоборот. Следует заметить, что большинство PLC приложений поддерживает десятки, если не сотни, узлов, которые подключаются к одной и то же линии связи. Сетевой протокол определяет передачу пакетов данных между узлами, благодаря чему все узлы совместно пользуются доступной шириной полосы.

При этом ни один узел не имеет возможности монополизировать канал связи. Определение и реализации сетевого протокола также устанавливает максимальное количество PLC-узлов, подключаемых к линии. В тех случаях, когда сетевой протокол работает с функциями подтверждения приема данных, повторных попыток и CRC, запускаемым в PLC-системе приложениям не требуется реализация этих методов. С точки зрения приложения, программное обеспечение получает только достоверные данные PLC. Некоторые PLC-устройства поставляются со встроенным сетевым протоколом, тогда как в других случаях от разработчика требуется определение, кодирование и управление их протоколами. Если протокол не может запускаться на самом PLC-устройстве, разработчик должен определить другой процессор для реализации этого протокола.

Сети с несколькими линиями

Во многих электросетях имеется несколько линий переменного тока, которые образуются трансформаторами, работающими на частотах 50 или 60 Гц. PLC-сигналы — высокочастотные, поэтому трансформаторы их отфильтровывают, в результате чего данные не попадают на вторичную обмотку (линию) того же дома. В этом случае PLC-сигнал не распространяется по всем розеткам одного помещения или офиса. Однако эту проблему можно решить, установив связь между обмотками трансформатора для передачи PLC-сигнала. Для этого используются хорошо известные методы емкостной или беспроводной связи. При емкостной связи конденсатор подключается к линиям трансформатора, обеспечивая прохождение PLC- сигнала. При этом требуется физический доступ к трансформатору, что в отдельных случаях невозможно или приводит к дополнительным расходам. В методе беспроводной связи PLC-данные передаются с одной линии на другую с помощью двух РЧ -устройств, причем каждое из них подключается к своей линии. При этом физического доступа к трансформатору не требуется. Некоторые PLC-устройства поставляются с функцией беспроводной связи, тогда как в других случаях разработчики ищут методы соединения разных линий.