Информация и энергия по одним проводам

Опубликовано: 27 ноября 2013 г. в 17:39, 111 просмотровКомментировать

Электрические сети есть повсюду. Передача электроэнергии осуществляется на частоте 50 Гц, в то же время, по силовым проводам могут передаваться сигналы с более высокой частотой. Таким образом, электрические сети пригодны для передачи разнообразной информации. Но, на самом деле, не все так просто. Красивая идея, выдвинутая еще в начале XX века, только в 90-х годах была реализована в виде продуктов, являющихся полноценными средствами связи для широкого применения. Системы связи по силовым кабелям получили название PLC от слов Power Line Communication (связь по линии электропитания).

«Мечта» связиста

Кабели электропитания можно рассматривать как весьма неплохую линию связи. Ведь для чего изначально спроектированы эти системы? Естественно, для передачи электроэнергии к потребителю с минимальными потерями. Потери должны быть минимальны, так что толстые провода заключены в относительно толстую изоляцию с большим сопротивлением. Прямо-таки, мечта для связистов. Но при более подробном рассмотрении обнаруживается, что не все так просто.

Во-первых, помимо частоты 50 Гц, в спектре присутствуют еще и гармоники высших порядков. Конечно, чем выше порядок гармоники, тем, как правило, меньше ее мощность. Но телекоммуникационный сигнал, который мы передаем по сети электропитания, на несколько порядков меньше по мощности, чем электрические колебания с частотой 50 Гц, передаваемые по сети. Соответственно, гармоники частоты 50 Гц могут быть сопоставимы по мощности с полезным сигналом и поэтому создавать ему помехи. Во-вторых, современное электрооборудование, например, электронная пускорегулирующая аппаратура для люминесцентных ламп, является мощным источником помех в диапазоне единиц — десятков килогерц. В-третьих, проводка неизбежно работает как антенна, «вбирая» в себя все наводки, например, от расположенной неподалеку радиостанции. В-четвертых, сколь бы совершенную аппаратуру вы ни использовали, дальность связи все равно будет физически ограничена пределами района, обслуживаемого одной питающей подстанцией. Если на группу комнат установлена аппаратура подавления импульсных помех или аппаратура бесперебойного питания, то связь возможна только в пределах этой группы.

В-пятых, топология сетей электропитания изначально не создавалась для того, чтобы по ним передавали информацию. Соответственно, сигнал может идти по довольно причудливому пути. Тогда возникает необходимость использования более «дальнобойного» оборудования для передачи информации в соседнюю комнату, но зато сигнал без всяких проблем будет «ловиться» в соседнем здании, чего бы вам очень не хотелось. Перекладывать же исправные провода питания только ради обеспечения связи нецелесообразно, дешевле проложить отдельный кабель связи или же воспользоваться беспроводными технологиями.

Фильтры и цифра

Передачу информации по сети электропитания обычно ограничивают пределами одного офиса или одного здания. По сути, сеть связи, организованную по сети электропитания, можно уподобить локальной компьютерной сети. Для обмена информацией между такими сетями, расположенными между двумя зданиями, используют другие системы связи.

Совсем обойтись без внесения изменения в сеть электропитания не обойтись, если вы не хотите, чтобы информация утекала из офиса. На кабель, по которому подается электропитание для офиса, устанавливается специальный фильтр, подавляющий телекоммуникационные сигналы. Такие же фильтры ставятся на проводку внутри офиса, если нужно, например, исключить возможность передачи информации из одной комнаты в другую.

Для связи по сетям электропитания сейчас используются исключительно цифровые системы.

Через годы и расстояния

Первые опыты передачи информации по сетям электропитания проводились в начале XX века в США. Сначала это была телеграфная связь в сетях постоянного тока, затем она была организована и в сетях переменного тока. Изначально такая связь использовалась в качестве диспетчерской.

В 50-х годах для диспетчерской связи по ЛЭП стали использовать аналоговые системы многоканальной электросвязи. Они работают в диапазоне от 1000 кГц, из этого частотного диапазона исключены некоторые полосы, создающие помехи другим устройствам. Для передачи телеметрической и управляющей информации использовались модемы.

Сейчас диспетчерская связь по ЛЭП осуществляется с применением цифровых систем. Они работают в том же частотном диапазоне, что и аналоговые. По сути, цифровая система связи по ЛЭП представляет собой широкополосный модем для передачи цифрового потока, который потом мультиплексируется с временным разделением каналов для передачи голосовой, телеметрической и управляющей информации.

Невысокая пропускная способность вкупе с низким качеством связи привели к тому, что связь по ЛЭП используется только для собственных нужд энергетиков. Для организации магистральной связи более перспективным оказалось подвешивание волоконно-оптических кабелей на опоры ЛЭП.

Зато технологии, связанные с передачей информации по сетям электропитания на более близкие расстояния, оказались пригодными для коммерческого использования. В 1975 году компания Pico Electronics из Великобритании разработала знаменитый стандарт X10, предназначенный для передачи сигналов управления. Цифровая информация передается в нем на частоте 120 кГц, длительность передачи одного бита составляет 1 мс. Но передается он строго в периоды прохождения синусоиды 50 Гц через ноль, что ограничивает скорость передачи. В пакете передается 12 бит, из которых по 4 бита выделено на код дома, код модуля и код команды. В одном здании на самом деле может быть несколько «домов», просто в пределах одного «дома» передаются широковещательные команды. Технология X10 до сих пор используется для управления такими несложными объектами как светильники, вентиляторы, рольставни и т.п.

HomePlug Powerline и UPA

Впервые широкая общественность, далекая от мира электротехники, узнала о возможности передавать информацию по электрическим сетям в 2000 году. Тогда в прессе широко освещалось рождение альянса HomePlug Powerline, объединившего ведущих производителей телекоммуникационного и электроэнергетического оборудования, с целью создать единый стандарт передачи информации. Времена были романтические, любое упоминание о причастности компании к интернет-индустрии сразу же способствовало росту курса ее акций, а беспроводные технологии представлялись дорогостоящей игрушкой, которая не скоро станет доступной по цене широким народным массам. В этих условиях PLC-системы воспринимались как некоторая панацея от монополизма телекоммуникационных компаний, устанавливавших завышенные цены на доступ в Интернет.

В 2001 году альянс выпустил первый стандарт HomePlug 1.0. В его основу положен принцип передачи сигнала на 84 поднесущих в диапазоне 4–21 МГц. Аппаратура осуществляет постоянный мониторинг линии и определяет, на каких частотах в данный момент времени затухание не превышает допустимого предела, а также нет помех. Именно эти частоты используются для передачи информации. Максимальная скорость передачи составляла 14 Мбит/с, а по Wi-Fi в то время передача информации могла осуществляться на скорости не более 11 Мбит/с. Увеличение количества поднесущих частот до 1155 позволило в стандарте HomePlug 1.0 Turbo повысить максимальную скорость передачи информации до 85 Мбит/с. Диапазон частот был расширен от 1,8 до 30 мГц. Далее, в 2005 г. , был выпущен стандарт HomePlug AV, приспособленный под передачу аудио-видео информации с высоким разрешением. Совершенствование стандарта HomePlug позволило строить на основе этой технологии сети Ethernet.

Параллельно с HomePlug Powerline в 2004–10 годах существовала ассоциация Universal Powerline Association. В 2006 году был выпущен стандарт UPA Digital Home Specification v1.0. По своим потребительским характеристикам аппаратура UPA мало чем отличалась от HomePlug, но UPA внедряла новшество с некоторой задержкой относительно конкурента, что, возможно, и стало причиной закрытия проекта.

Тесный рынок

Закрытие UPA продемонстрировало, что рынок PLC настолько узок, что даже двум ассоциациям там тесно. На тот момент Wi-Fi уже превратился в серьезного конкурента HomePlug. В 2009 году принят стандарт IEEE 802.11n, обеспечивающий беспроводную связь с реальной скоростью до 300 Мбит/с, при дальности связи до нескольких сотен метров. Дальность связи для HomePlug AV ограничена значением 300 м. Ведущий производитель телекоммуникационного оборудования Zyxel сообщил на своем российском сайте о произведенном в его лаборатории тестировании работы модема HomePlug AV на бухте кабеля длиной 300 м — средняя скорость передачи составила 40 Мбит/с.

Единственное весомое преимущество HomePlug AV по сравнению с новыми версиями Wi-Fi — возможность связи через толстые стены, а также межэтажные перекрытия, сквозь которые не проходят волны с частотами 2,4 и 5 ГГц. Но, опять-таки, на пути связи с другим этажом может встать неподходящая топология проводки.

Все это, вместе с широким развитием 4G сетей мобильной связи, привело к тому, что PLC так и не вышли за пределы «нишевых» решений.

И что же, идея передавать данные по электрической проводке оказалась тупиковой ветвью развития телекоммуникаций? На самом деле PLC ожидает новый взлет, но уже в другом — «умном» качестве.

Концепция Smart Grid

На протяжении многих десятилетий энергосистемы строились по принципу, когда передача энергии осуществлялась только в одном направлении — от производителя к потребителю. Но широкое распространение солнечных батарей, ветряков и других средств генерации электричества, установленных у потребителей, делает реальным обмен электроэнергией в обоих направлениях. Если у вас стоит солнечная батарея, которая дает электроэнергию, но вы не пользуетесь ей в настоящий момент, почему бы вам не поделиться электричеством с другими потребителями, тем самым уменьшив проблемы, связанные с пиковыми нагрузками, а заодно еще и подзаработать?

Организация обмена электроэнергией между производителем и потребителем, между потребителями, в общем — организация распределенной генерации, где не прописаны однозначно роли потребителя и генератора, становится возможной при использовании концепции Smart Grid (англ. – «умная энергосистема»). Эта концепция предусматривает сбор информации в реальном масштабе времени о потреблении и генерации электроэнергии клиентами и динамическом распределении энергии в зависимости от текущей ситуации.

Пока Smart Grid внедряется в США и ряде других стран на начальном уровне в таком виде. Клиенту предлагается на пиках нагрузки не заряжать электромобиль, не включать бытовые приборы, которые можно использовать и в другое время. Например, стиральную машину. За это он получает электроэнергию по льготному тарифу.

Для Smart Grid выпущен специальный стандарт HomePlug Green PHY 1.1., который при относительно невысокой скорости передачи 10 Мбит/с, отличается компактностью и дешевизной адаптеров, а также низким энергопотреблением оборудования. Также была повышена надежность связи за счет снижения скорости при сохранении количества поднесущих частот на уровне HomePlug AV.

Приборы, которые пользователь не должен использовать на пиках нагрузки, снабжены датчиками энергопотребления и HomePlug Green PHY адаптерами. Технология HomePlug Green PHY обеспечивает связь внутри дома или квартиры. Далее передача осуществляется через обычные проводные или беспроводные средства связи, шлюз между HomePlug Green PHY и внешней телекоммуникационной сетью конструктивно объединен со счетчиком электроэнергии. HomePlug Green PHY позволяет не заботиться о прокладке кабелей связи внутри дома или о том, пройдет ли радиосигнал через стены и межэтажные перекрытия. Внесенные в технологию HomePlug усовершенствования позволяют обеспечить более высокую надежность, чем у Wi-Fi при скорости связи, полностью соответствующей данному применению.

Алексей ВАСИЛЬЕВ

Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок», № 1 (49), 2013

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.