comunicaŢia prin linia de alimentare cu · pdf filepentru managementul incarcarilor si...
TRANSCRIPT
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a
30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti
COMUNICAŢIA PRIN LINIA DE ALIMENTARE CU ELECTRICITATE
Mihai-Octavian POPESCU, Alexandru-Ionuţ CHIUŢĂ, Cătălin DAMIAN
UPB, Facultatea de Energetică Rezumat: Comunicatia prin linia de alimentare cu electricitate, denumita pe scurt PLC reprezinta o inovatie si totodata o solutie pentru societatea actuala. Proiectul urmator prezinta pe scurt istoria acestei tehnologii si se axeaza mai ales pe partea de utilizare, furnizand informatii despre infrastructura si avantaje ale folosirii PLC. Sunt abordate, de asemenea aspecte de infrastructura critica, dar si aspecte financiare cum ar fi costul de implementare al acestei tehnologii, deoarece orice investitie are la baza o analiza economica.
Cuvinte cheie: Infrastructura PLC, Utilizare PLC, Avantaje PLC
1. Introducere
Posibilitatea de a folosi reteaua de furnizare a electricitatii pentru telecomunicatii a
fost cunoascuta inca din anii 1800. In Statele Unite, prin anii 1920, AT&T a fost
recompensat cu mai multe patente pentru aceste tehnologii. In anii 1930,
semnalizarea transportului de unda (RCS) a inceput sa functioneze pe liniile de
curent. RCS folosea frecvente intre 125 Hz si 3 kHz, cu schimbarea amplitudinii.
RCS oferea rate de transfer de ordinul a catorva biti pe secunda, dar era suficienta
pentru managementul incarcarilor si reconfigurarea automata a retelelor de distributie
de electricitate. In anii 1950, utilitatile de curent foloseau frecvente joase (<1kHz)
pentru a transmite mesaje de control echipamentelor de pe retea. Din anii 1980, erau
folosite comunicatiile bidirectionale in banda de frecventa de 5 – 500 kHz. Dupa
aceste aplicatii de banda ingusta si cu rate de transfer mici ale PLC, au inceput sa
apara si PLC de banda larga, care sunt folosite tot mai des pentru retele locale (LAN)
si acces la internet.
Comisia Federala de Comunicatii a Statelor Unite imparte sistemele PLC in doua
categorii: PLC de acces, care are la baza transmiterea undelor prin linii de joasa si
medie tensiune, si retele PLC pentru acasa, care folosesc prizele disponibile in
cladire pentru a realiza LAN.
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a
30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti
2. Utilizare
2.1 Infrastructura PLC
PLC a fost proiectat sa profite de avantajul unei retele electrice existente, care difera
la fiecare tara in parte. In general, reteaua electrica trifazica este formata din linii de
transmisie de joasa tensiune (LV), medie tensiune (MV) si inalta tensiune (HV). Liniile
HV leaga statiile de generare de statiile de distributie, pe distante foarte mari (zeci de
kilometri). Liniile MV leaga statia de distributie de transformator, de-a lungul catorva
kilometri, iar liniile LV sunt folosite pentru sute de metri, catre locuinte si firme.
Cablurile electrice au fost optimizate pentru o putere de transmisie medie de 50-60
Hz si un maxim in gama de 400 Hz. Majoritatea sistemelor PLC sunt proiectate sa
opereze in spectrul de frecventa de la 1,705 la 30 MHz, dar ocazional pana la 80
MHz, folosind liniile de joasa si medie tensiune. Spectrul de frecventa de la 1,705
pana la 30 MHz reprezinta o resursa naturala limitata care include banda de
Frecventa Inalta (HF), care este de 3-30 MHz. Frecventa inalta are abilitatea rara de
a suporta transmisii pe distante mari, fara infrastructura (de exemplu un repetor) in
afara de echipamentele de transmisie si receptie de la fiecare capat. Mediul de
propagare pentru frecvente inalte este ionosfera Pamantului, care reflecta semnalele
din aceasta gama. Peste aceasta banda se afla spectrul de frecventa de la 30 pana
la 54 MHz, care in Statele Unite este folosit de serviciile publice . Spectrul de la 54
pana la 80 MHz este de exemplu folosit in SUA pentru canalele de televiziune.
Pentru exemplificare este prezentata figura 1.
Fig. 1: Spectrul electromagnetic
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a
30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti
2.2 Caracteristicile liniei de curent
Folosirea liniei de curent pentru transmiterea de frecvente inalte prezinta un numar
de provocari tehnice. In plus fata de atenuare, linia de curent este cel mai contaminat
mediu din punct de vedere electric. De asemenea, retelele au fost asamblate cu o
varietate de materiale, iar sectiunile transversale sunt unite aproape aleatoriu. Asta
inseamna ca inductanta de-a lungul firului va avea o gama larga de impedante, la
puncte diferite din retea. Mai mult, impedanta terminalului retelei variaza atat in
functie de frecventa semnalului, cat si in functie de momentul din zi. Conditiile
atmosferice, cum ar fi temperatura, umiditatea, presiunea barometrica, fulgerele,
exploziile solare si distanta fata de pamant au toate un efect.
In ciuda tuturor impedimentelor prezentate mai sus, liniile de medie tensiune sunt
purtatori excelenti de frecvente radio, deoarece sunt alcatuite din echipamente cu fire
deschise. De asemenea, numarul de puncte de transfer este mai mic decat la liniile
de joasa tensiune. Asadar, o transmisie de putere joasa, de doar 10 W ar putea fi
suficienta pentru a depasi distante de 500 km.
Semnalul de frecventa inalta poate fi injectat intr-o linie de curent folosind un filtru
realizat cu acest scop. Puterea semnalului receptat va fi mai mare cu cat impedanta
transmitatorului, a liniei si a receptorului se potrivesc.
2.3 Modelarea canalelor de transmisie prin retelele de distributie de joasa
tensiune
Pentru expansiunea sistemelor de comunicatie prin linia de alimentare cu electricitate
(PLC), este necesar sa se cunoasca in detaliu proprietatile de transmisie ale
canalelor, cum ar fi functia de transfer, scenariul de interferenta si capacitatea
canalului. Intelegerea acestora reprezinta baza in cautarea celor mai bune tehnici de
codare si de modulare. Apoi, liniile de curent ar putea fi capabile sa ofere servicii ca
accesul la internet sau retele pentru acasa/birou, cu costuri minime. Asadar, se
urmaresc urmatorii pasi:
a) Se stabilesc modalitati posibile de modelare a canalelor de transmisie prin
reteaua de distributie de joasa tensiune, impreuna cu diverse tehnici de
modulare si codare
b) Se propun modele de simulare a mediului PLC si a principalelor insuficiente in
canalele PLC, cum ar fi atenuarea variabila in timp, interferenta de acces
multiplu, zgomot de fundal si de impuls.
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a
30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti
c) Se realizeaza teste de performanta
2.4 Avantajele PLC
Faptul ca prizele se gasesc oriunde face ca potentialul pentru acces la comunicatii in
banda larga sa fie unul dintre principalele avantaje ale PLC. Economiile pe care
companiile le pot face prin folosirea infrastructurii actuale arata ca PLC poate oferi si
o metoda cu cost redus de a implementa servicii broadband. PLC ar putea fi
modalitatea prin care zonele rurale sa primeasca asemenea servicii de comunicatii.
Comisia Federala de Comunicatii a Statelor Unite a inceput sa incurajeze folosirea
sistemelor PLC care sa furnizeze consumatorilor an “al treilea fir”, care sa concureze
cu DSL si cablu.
Se mai pot identifica si un numar de avantaje ale PLC precum:
• capacitati de “autovindecare” ale retelei
• securitate imbunatatita impotriva atacurilor fizice si cibernetice
• posibilitatea de a folosi generarea distribuita de electricitate
• control sporit al consumatorilor si al serviciilor publice pentru echipamente
consumatoare de electricitate.
• inbunatatirea managementului retelelor de electricitate si a utilizarii
• aplicatii precum citirea automata a contorului, monitorizarea performantei
echipamentelor, detectia penelor de curent.
2.5 Reteaua de tip exterior
La nivelul fiecarei tari, exista diferite metode de implementare a tehnologiei PLC. In
mare, un echipament PLC este alcatuit din urmatoarele trei componente: injector,
repetor si extractor. Injectorii PLC sunt conectati la internet via fibrei optice sau altei
tehnologii (ex: DS1, linii de telefonie etc.); acestia avand ca interfata linia de medie
tensiune. Asadar, semnalul este injectat in linia MV, iar extractorii furnizeaza interfata
dintre linia de medie tensiune si clientii aflati in aria de serviciu. Extractorii sunt de
obicei localizati la fiecare transformator de joasa tensiune, alimentand un grup de
locuinte. Pentru cabluri de lungimi mari, atenuarea si distorsiunile pot determina
folosirea unui repetor care sa pastreze puterea si fidelitatea semnalului.Pentru o mai
buna intelegere este folosita figura urmatoare:
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a
30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti
Fig. 2: Retea de tip exterior
2.6 Reteaua de tip interior
Pentru reteaua de tip interior este nevoie ca locuinta sa fie racordata la reteaua de
electricitate si sa aiba deja acces la internet de mare viteza. Folosind un computer, si
dispozitive PLC specifice, se poate extinde reteaua de internet de mare viteza la
toate prizele electrice din cladire. Pentru exemplificare, se va folosi urmatoarea
figura:
Fig. 3: Retea de tip interior
3. Aspecte de infrastructura critica
Multe dintre dezastrele naturale sau facute de om, sunt insotite de intreruperea
sistemului de electricitate, de care PLC este dependent. Acesta este un factor de
limitare, care poate fi insa usor depasit prin folosirea unor generatoare portabile
impreuna cu echipamentele PLC potrivite. De aceea, in caz de dezastru, PLC ar
putea furniza echipelor de interventie un valoros set de aplicatii de comunicatie ca
VoIP (Voice over Internet Protocol), si aplicatii de viteza inalta pentru computer.
Chiar si in conditii normale, PLC poate sa ofere un nivel ridicat de protectie al
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a
30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti
infrastructurii critice, capacitate care sa ajute la reducerea vulnerabilitatilor retelei de
electricitate de la acte de terorism cum ar fi atacurile cibernetice. Potentialul unui
ridicat nivel de control asupra operatiunilor retelei de electricitate are de asemenea
avantaje de securitate.
4. Costul de implementare
Oportunitatea PLC este clara in tari unde cablurile de telefonie nu ajung la fiecare
locuinta. In multe tari din Europa Centrala si de Est, rata de teledensitate (procentajul
de locuinte conectate la cablurile de telefonie) este mai putin de 50%. In asemenea
cazuri, oportunitatea folosirii PLC este uriasa, in primul rand datorita faptului ca
procentajul de gospodarii cu electricitate este de aproape 100%.
In tari cu un numar foarte mare de oferte de telecomunicatii, nisa pe care ar putea sa
o ocupe PLC este aceea a unui serviciu mai ieftin de internet de banda larga si
telefonie. Piata comunicatiilor in banda larga in Europa de Vest este foarte activa, in
special in tarile in care operatorul vechi pune la dispozitie reteaua sa altor operatori,
care pot apoi sa faca oferte atractive abonatilor sai, pretul acestei separari fiind de 10
euro pe luna.
In multe tari (a inceput la scara larga in Franta), operatorii stabilesc pretul serviciului
la cel putin 30 euro pe luna (taxe incluse). O alternativa ar putea fi PLC in bucla
locala: servicii de internet broadband si telefonie ar putea costa cel putin 20 euro pe
luna. Multe persoane din comunitatea de telecomunicatii cred ca un asemenea pret
scazut este posibil.
5. Aspecte de reglementare si standardizare
In anii precedenti, disponibilitatea unor capacitati mai rapide de procesare a
semnalului digital si dezvoltarea unor scheme de modulare, codare si corectarea
erorilor au permis introducere de noi designuri pentru dispozitive. Aceste noi
designuri pot sa depaseasca limitarile tehnice anterioare cauzate de zgomot si
nepotriviri de impedanta, des intalnite la liniile de curent comerciale si se folosesc de
algoritmi adaptabili cere rezolva aceste probleme.
PLC de acces si tehnologiile pentru locuinte sufera in prezent de absenta unor
standarde nationale si internationale. De asemenea, sunt foarte putine informatii
tehnice detaliate cu privire la sistemele PLC disponibile, deoarece fiecare producator
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a
30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti
pastreaza secretul referitor la echipamentele lor. Acest lucru se va schimba in
urmatorii ani, dupa ce eforturile de a standardiza se vor incheia cu succes.
6. Concluzii
Aplicatii ale PLC de banda larga (aplicatii folosite pentru serviciul public de
electricitate) devin din ce in ce mai atractive datorita:
• presiunii exercitate de autoritatile de reglementare de a creea asa numita
“retea inteligenta”
• necesitatii unor servicii cu valoare adaugata intr-un context competitiv
• ajustarii managementului retelelor pentru a preveni avarii si pene de curent
• pregatirii unei noi generatii de contoare
PLC de banda ingusta a fost deja lansat cu succes pe mai multe retele, insa pentru
banda larga este privit cu mai multa atentie, din moment ce inlocuirea a milioane de
metri de cabluri se intampla odata la 20 de ani. De aceea trebuie folosite tehnologiile
cele mai puternice si de incredere.
Se poate constata asadar un set de oportunitati in mainile mai multor jucatori
(operatori de utilitati, operatori de telecomunicatii, autoritati de reglementare,
investitori, municipalitati) care trebuie sa lucreze impreuna pentru a se putea
introduce o asemenea tehnologie.
7. Bibliografie
1) CHIUTA, A – STANCU, C: Managementul sistemelor de comunicatii prin
curenti purtatori prin retele de joasa tensiune;
2) RASTISLAV, R – STANISLAV, D: Journal of Electrical Engineering 56, 2005;
3) SERRANO, J: News Bulletin of the PLC Utilities Alliance, Februarie 2006
4) ZIMMERMANN, M: Multipath model for the Powerline Channel, Aprilie 2002;
5) DESIGN OF SYSTEMS ON SILICON PORTFOLIO;
6) NATIONAL COMMUNICATIONS SYSTEM: Broadband over Power Lines,
Ianuarie 2007;