stadiul actual privind comunicaŢia prin reŢeaua de ... · prin intermediul liniilor de înaltă...
TRANSCRIPT
Investeşte în oameni !
FONDUL SOCIAL EUROPEAN Proiect cofinantat din Fondul Social European prin Programul Operational Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Universitatea “Ştefan cel Mare” din Suceava
STADIUL ACTUAL PRIVIND COMUNICAŢIA PRIN REŢEAUA DE ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ PENTRU CITIREA CONTOARELOR
ELECTRICE
Raport de cercetare nr. 1
Coordonator ştiinţific,
Prof. Univ. Dr. Ing. Valentin POPA Doctorand,
Ing. MALEŞ Codrin
2012
2
3
Investeşte în oameni ! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1: „Educaţia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5 "Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării" Beneficiar: Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca Partener: Universitatea “Stefan cel Mare” din Suceava Acord de parteneriat nr. 24266/30.09.2010
Aceasta lucrare a beneficiat de suport financiar prin proiectul "Q-DOC – Creşterea
calităţii studiilor doctorale în ştiinţe inginereşti pentru sprijinirea dezvoltării
societăţii bazate pe cunoaştere, Contract nr. POSDRU/CPP107/DMI1.5/S/78534,
proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial
Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013.
4
5
Cuprins:
1. Introducere .................................................................................................................................. 8
2. Scurt istoric ............................................................................................................................... 11
3. Avantajele PLC ......................................................................................................................... 12
4. Dezavantaje PLC....................................................................................................................... 14
5. Tehnologia PLC ........................................................................................................................ 16
6. Comunicaţia PLC ...................................................................................................................... 20
7. DCSK VS OFDM ..................................................................................................................... 23
8. Zgomotul ca factor perturbator .................................................................................................. 26
9. Protocoale de comunicaţie PLC ................................................................................................. 30
10. Sisteme de contorizare ............................................................................................................. 36
11. Trecerea de transformator ........................................................................................................ 51
12. Unitatea de cuplaj .................................................................................................................... 53
13. Concluzii, contribuţii şi direcţii viitoare de cercetare ............................................................... 55
14. Referinţe generale ................................................................................................................... 57
6
Listă figuri
Fig. 1 – Schemă bloc transceiver PLC .......................................................................................... 16
Fig. 2 – Structura sistemului Echelon ............................................................................................ 38
Fig. 3 – Schema reţelei Smart Grid Yitran ..................................................................................... 39
Fig. 4 – Sistemul AEM Argus ....................................................................................................... 40
Fig. 5 – Sistemul de contorizare ADDgrup .................................................................................... 42
Fig. 6 – Sistemul eRDF Linky ....................................................................................................... 44
Fig. 7 – Sistemul de contorizare Siemens ...................................................................................... 45
Fig. 8 – Sistem contorizare Enel .................................................................................................... 47
Fig. 9 – Sistem contorizare automat Maxim .................................................................................. 49
Listă tabele
Tabel 1 – Comparaţie protocoale bandă îngustă ........................................................................... 14
Tabel 2 – Comparaţie comunicaţie în bandă îngustă - bandă largă ................................................ 15
Tabel 3 – Studiu comparativ tehnici de acces la spectru ................................................................ 17
7
Listă abrevieri:
PLC (Power Line Communication) – Comunicaţii prin reţeaua electrică
AMR (Automatic Meter Reading) – Citirea automată a contoarelor
AMI (Automated/Advanced Metering Infrastructure) – Infrastructură avansată de contorizare
AMM (Automated Meter Management) – Administrarea automată a contoarelor
JT – Joasă Tensiune
MT – Mediu Tensiune
UNB (Ultra Narrow Band) – Bandă de frecvenţe foarte îngustă
NB (Narrow Band) – Bandă de frecvenţe îngustă
BB (Broad Band) – Bandă de frecvenţe largă
HDR (High Data Rate) – Viteză mare de transfer
DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying)
DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)
D8PSK (Differential Eight-Phase Shift Keying)
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)
DCSK (Differential Code Shift Keying)
DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum)
BPSK (Binary Phase Shift Keying)
FSK (Frequency Shift Keying)
S-FSK (Spread Frequency Shift Keying)
MCM (MultiCarrier Modulation)
TDMA (Time Division Multiple Access)
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance)
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection)
SNR (Signal to Noise Ratio)
GPRS (General Packet Radio Service)
GSM (Global System for Mobile communications)
PSTN (Public Switched Telephone Network)
FFT (Fast Fourier Transform)
IFFT (Inverse Fast Fourier Transform)
8
1. Introducere
Comunicaţiile prin reţeaua de alimentare cu energie electrică pot fi descrise ca date care sunt
transmise folosindu-se ca mediu de comunicaţie chiar liniile electrice ce sunt utilizate pentru
alimentarea cu energie electrică a tuturor echipamentelor electronice. Acest tip de comunicaţii este
cunoscut în literatură sub abrevierea PLC, care provine de la Power Line Communications, şi va fi
folosit în continuare cu referire la această denumire şi nu la Programmable Logic Controller, tradus
prin controler logic programabil, cu care s-ar putea face confuzie. Comunicaţia PLC poate utiliza
toată structura unei reţele electrice care este formată după cum urmează: de la centralele electrice
prin intermediul liniilor de înaltă tensiune (100 kV - 400 kV) sau foarte înaltă tensiune (> 400 kV)
la cele de medie tensiune (1 kV - 100 kV) până la liniile de joasă tensiune (< 1 kV) ce alimentează
consumatorii casnici prin intermediul transformatoarelor din structura reţelelor de distribuţie a
energiei electrice.
PLC a fost conceput pentru controlul echipamentelor din staţiile de transformare şi
efectuarea de măsurători de către inginerii elveţieni încă de la începutul secolului XX. Această
tehnică de comunicaţie a fost folosită şi în cel de-al doilea război mondial de unii radioamatori.
Prima referire la această tehnologie a fost făcută de către Institutul American de Inginerie Electrică
(AIEE) prin publicarea raportului „Guide to Application and Treatment of Channels for Power Line
Carrier” [1]. Începând din acel moment cercetarea posibilităţii comunicaţiei folosind reţeaua
electrică a început să trezească interesul multor centre şi companii, ajungând ca aceasta să cunoască
o creştere semnificativă între anii 1980 şi 1990. Până în prezent cercetarea în domeniul PLC s-a
axat pe utilizarea ca mediu de comunicaţie a liniilor de joasă tensiune, existând totuşi şi dezvoltatori
ce oferă echipamente care pot comunica utilizând şi linia de medie tensiune. Utilizarea liniilor de
alimentare cu energie electrică a ridicat încă de la început probleme deoarece acestea nu au fost şi
nu sunt proiectate pentru a permite un transfer de date, asigurând o minimă protecţie în caz de
zgomot electromagnetic extern şi a perturbaţiilor induse de pornirea şi oprirea echipamentelor
electronice. Deşi acesta a fost un dezavantaj major ce a fost identificat şi luat în considerare de la
începutul dezvoltării acestei tehnologii, cercetătorii au încercat să găsească metode pentru a asigura
comunicaţia pe distanţe din ce în ce mai mari şi la viteze acceptabile scopului pentru care este
utilizat. Astfel comunicaţia PLC a fost aleasă să deservească două mari nevoi: reţele locale pentru
calculatoare sau conectarea la internet şi citirea sau administrarea contoarelor electrice. Pentru acest
scop s-au definit prin standarde recunoscute la nivel internaţional benzi de frecvenţe separate,
pentru prima în banda 1 MHz – 30 MHz (bandă largă), iar pentru a doua în banda 3 kHz – 500 kHz
(bandă îngustă), fiecare fiind adaptată conform prevederilor ţărilor sau referinţelor geografice unde
comunicaţia PLC este utilizată.
9
Motivaţia
Interesul pentru domeniul comunicaţiei prin intermediul reţelei electrice a fost stârnit pe
parcursul realizării lucrării de licenţă în care s-au analizat perturbaţiile electromagnetice dintr-o
reţea electrică de joasă tensiune monofazată în prezenţa/absenţa comunicaţiei PLC. La începutul
studiilor doctorale s-a hotărât îndreptarea atenţiei spre partea de citire a contoarelor electrice ce
utilizează această tehnologie.
Această alegere a fost susţinută de următoarele aspecte:
• cercetarea în domeniu se află într-un stadiu intermediar;
• la acel moment nu exista un standard care să facă referire la comunicaţia prin reţeaua
electrică, comunicaţia realizându-se în bandă îngustă;
• această tehnologie are un potenţial foarte mare de dezvoltare şi implementare datorită
marelui avantaj de a nu necesita instalarea de noi cabluri care să fie utilizate în scop de transmisie şi
recepţie a datelor;
• existenţa unui număr mic de producători şi dezvoltatori de echipamente dedicate acestui tip
de comunicaţie;
• posibilitatea de a crea o reţea de administrare a contoarelor electrice care să utilizeze doar
mediul cablat al liniilor electrice;
• rezolvarea problemelor existente care ţin de viteza de transmisie, distanţa de comunicaţie
şi posibilitatea asigurării transmisiilor de date pe şi între toate cele 3 tipuri de linii electrice.
Scopul lucrării
Prezenta lucrare are ca scop prezentarea de informaţii, date şi tehnologii care sunt utilizate
pentru creşterea performanţelor PLC în vederea citirii contoarelor „inteligente”. În continuare se vor
defini termeni precum: contoare „inteligente”, reţea electrică „inteligentă”, citirea automată a
contoarelor cunoscută în literatură ca AMR (Automatic Meter Reading) şi alţii care au legătură cu
tema propusă pentru cercetare în cadrul studiilor doctorale.
Comunicaţia prin reţeaua electrică este definită de transferul de date dintre două
echipamente ce folosesc ca mediu fizic liniile electrice de joasă şi medie tensiune. Acest tip de
comunicaţie este cunoscut sub numele de PLC (Power Line Communications). Prin intermediul
acestei tehnologii se doreşte automatizarea citirii contoarelor electrice, apă şi gaz. Conceptul citirii
automate a contoarelor este cunoscut sub numele de AMR (Automatic Meter Reading), dar acesta
nu face referire expres la utilizarea mediului electric pentru comunicaţie, ci la procesul de transfer
în mod automat, cu control de la distanţă utilizând majoritatea tehnicilor de comunicaţie pentru
medii cablate şi de radio frecvenţă.
10
Obiectivele şi ipotezele de cercetare
Pe parcursul cercetării în vederea întocmirii tezei de doctorat se propun urmărirea
următoarele obiective:
1. Îmbunătăţirea comunicaţiei dintre linia de JT (joasă tensiune) şi MT (medie tensiune) fără
utilizarea echipamentelor de traversare a transformatorului.
2. Creşterea vitezei de comunicaţie dintre un contor inteligent şi un concentrator.
3. Reducerea nivelului pierderilor de date datorat perturbaţiilor ocazionale din reţeaua
electrică prin îmbunătăţirea unei tehnici de comunicaţie existente.
Pentru a îndeplini aceste obiective a fost achiziţionat un kit de dezvoltare PLC ce oferă
posibilitatea realizării comunicaţiei folosind cele mai noi modulaţii propuse de cercetători. Aceste
obiective vor fi susţinute în teza finală de teste practice şi simulări folosind software-uri dedicate,
precum şi de articole ştiinţifice susţinute la conferinţe naţionale sau internaţionale.
11
2. Scurt istoric
Power Line Communication (PLC) nu este o tehnologie nouă. Primele brevete PLC au
apărut la începutul anilor 1900 [2]. Cu toate acestea, s-au înregistrat evoluţii recente în această
tehnologie, care oferă o nouă gamă de aplicaţii în cazul în care PLC pot fi utilizate, cum ar fi
automatizarea locuinţelor, furnizarea de servicii de internet de bandă largă prin liniile electrice,
contorizare automată şi de Smart Grid. Tehnologiile actuale PLC pot fi împărţite, în funcţie de
banda de frecvenţă de lucru, precum este prezentat în [2] astfel:
1. Bandă Ultra-Îngustă (UNB – Ultra Narrow Band), aceste tehnologii funcţionează în banda
de frecvenţă extrem de joasă (0.3-3 kHz) sau în partea superioară a benzii de frecvenţă super
joasă (30-300Hz) cu o rată de transfer de până la 100 bps. Cu toate acestea, ele au o distanţă
foarte mare de acoperire, 150 km sau mai mult. Soluţiile UNB sunt de obicei proprietate
privată.
2. În Bandă Îngustă (NB – Narrow Band), aceste tehnologii funcţionează în banda de foarte
joasă frecvenţă, banda de joasă frecvenţă şi banda de medie frecvenţă (3-500kHz) şi pot fi în
plus împărţite în:
Rată de transfer scăzută (LDR – Low Data Rate), aceasta include tehnologii unice de
transport, ce oferă viteze de transfer de câţiva kbps. Sunt companii care oferă deja
produse ce lucrează în acest interval de frecvenţă, fiind de obicei utilizate pentru
sistemele casnice sau de sistemele de automatizare a clădirilor.
Rata de transfer ridicată (HDR – High Data Rate), aceasta include tehnologii multi
purtătoare cu rate de transfer cuprinse între zeci de kbps şi sute de kbps.
3. Bandă Largă (BB - Broadband), aceste tehnologii operează în benzile de înaltă frecvenţă şi
foarte înaltă frecvenţă (1,8-250 MHz), cu rate de transfer cuprinse între câţiva Mbps şi
câteva sute de Mbps. Aceste tehnologii sunt cunoscute şi sub numele de comunicaţii în
bandă largă prin liniile de alimentare cu energie electrică (BPL – Broadband over Power
Lines) şi sunt utilizate în special pentru reţelele de date de mare viteză sau în domeniul auto.
În Europa şi SUA, entităţile guvernamentale au considerat că tehnologia PLC poate fi un
candidat pentru aplicaţiile Grid inteligente. Prin urmare, le-au definit o bandă de frecvenţă, în care
această tehnologie poate funcţiona în scopul de a asigura armonizarea în piaţă. European Committee
for Electrotechnical Standardization (CENELEC) a emis standardul EN 50065 [3], care permite
12
comunicaţia pe liniile de joasă tensiune (JT) şi medie tensiune (MT), în banda de frecvenţe 3 kHz -
148,5 kHz în Europa. În plus, această bandă a fost împărţită în 4 sub-benzi de frecvenţe:
A : 3 - 95 kHz, rezervată pentru aplicaţiilor utilităţilor
B : 95 - 125 kHz, orice aplicaţie
C : 125 - 140 kHz, în sistemele de reţea casnice cu utilizarea obligatorie a tehnicii de
acces la mediu CSMA/CA
D : 140 - 148,5 kHz, pentru sistemele de alarmă şi de securitate.
În SUA, Comisia Federală de Comunicaţii (FCC), defineşte banda de frecvenţă 10kHz - 490
kHz pentru supravegherea generală a sistemului public electric de putere [4].
3. Avantajele PLC
Uşor de instalat: cablurile de energie electrică sunt deja instalate astfel nici o infrastructură
suplimentară nu este necesară. Cerinţa principală este utilizarea contoarelor electronice inteligente
cu PLC şi introducerea receptoarelor PLC în staţiile de transformare sau la punctual central de
control. În funcţie de distanţa dintre locaţia utilizatorilor şi a staţiilor, repetoare sau relee pot fi
necesare de-a lungul reţelei.
Lăţime de bandă special rezervată pentru utilităţi: CENELEC şi FCC au definit o lăţime de
bandă pentru a fi utilizată în special de utilităţi, care este sub 100 kHz respectiv 500 kHz.
Costurile de implementare: în mod tradiţional, contoarele instalate în segmentul de joasă
tensiune a reţelei electrice nu sunt echipate cu module ce pot oferi posibilitatea efectuării de transfer
de date la distanţă [5], astfel dezvoltarea unei structuri de comunicaţie implică costuri ridicate
deoarece acestea trebuie schimbate cu unele electronice.
Conectivitate mare şi acoperire extinsă: toţi consumatorii conectaţi într-o structură AMI
sunt conectaţi prin cablurile de alimentare cu energie electrică. Prin urmare, printr-o reţea PLC,
aceştia sunt conectaţi în reţeaua de comunicaţie AMI. Acesta este un avantaj suplimentar pentru
posturile de transformare şi pentru clienţii din zonele rurale, unde de obicei nu există infrastructură
de comunicaţii de date.
Uşor scalabil: deoarece reţeaua de comunicaţie este deja prezentă, dispozitivele noi pot fi
instalate şi conectate prin simpla asigurare a unui transceiver PLC conectat la acesta.
Canal de comunicare redundant: sistemele AMI pot necesita redundanţă în vederea
protecţiei şi controlului, ceea ce implică necesitatea de comunicaţie pe canale redundante
disponibile. În funcţie de structura reţelei, tehnologia PLC poate funcţiona folosind topologia mash
necesară pentru redundanţă.
13
Mediu de transfer propriu: liniile de energie electrică sunt deţinute de regulă de companii de
utilităţi, PLC oferă astfel companiei de distribuţie şi furnizare a energiei electrice controlul direct şi
complet al reţelei. Acest lucru este avantajos în special în ţările în care pieţele de telecomunicaţii
sunt liberalizate.
Capacitate de transfer: rata de transfer poate ajunge până la 1 Mbps în cazul utilizării
specificaţiilor standardului ITU-T G.hnem, sau până la 500 Kbps după publicarea standardului
IEEE 1901.2 pe distanţe de câţiva km.
Traversarea transformatorului: semnalul PLC în bandă îngustă, spre deosebire de semnalul
PLC în bandă largă, este capabil să traverseze cu succes corpul transformatorului, acesta fiind totuşi
puternic atenuat. Cu toate acestea, această capacitate depinde de transformator în sine. Astfel, în
cazul în care sunt instalate transformatoare noi, degradarea semnalului PLC ar trebui să fie luat în
considerare.
Uşurinţa de aducere la zi a echipamentelor la versiunile viitoare: timpul scăzut de
implementare a unei noi soluţii este dorit în majoritatea sistemelor. Dispozitivele PLC în bandă
îngustă pot fi actualizate rapid prin intermediul Digital Signal Processing (DSP), acest lucru nefiind
posibil în cazul echipamentelor PLC de bandă largă [2].
Armonizarea la nivel mondial: FCC şi CENELEC au definit o bandă de frecvenţe în
domeniul de bandă îngustă pentru a fi utilizate de utilităţi pentru funcţionalităţile de reţea
inteligentă. În plus, unele ţări, au interzis utilizarea de frecvenţe mai mari de 2 MHz, care este
banda de frecvenţă pentru bandă largă PLC şi a tehnologiilor de comunicaţie fără fir [10].
Design optimizat: soluţiile BB-PLC, cum ar fi IEEE 1901 [6] sau a ITU-T G.hn, au fost
iniţial dezvoltate pentru aplicaţii de reţea de date de mare viteză pentru interior şi acces la internet
în bandă largă şi nu pentru susţinerea necesităţilor sistemelor Smart Grid. Cu toate acestea, G.hnem,
şi, de asemenea, IEEE 1901.2 [7] au fost special concepute pentru funcţionalităţile Smart Grid, cum
ar fi AMI.
Mediul de comunicaţie oferit de liniile de alimentare cu energie electrică pentru sistemele
AMI este deja prezent, PLC-ul este singura tehnologie care are costurile de implementare
comparabile cu tehnologiile fără fir.
14
4. Dezavantaje PLC
Noul standard: chiar dacă unele tehnologii PLC au trecut de faza experimentală şi sunt
tehnologii mature, G.hnem se află în etapa finală de standardizare şi va fi disponibil în curând
alături de IEEE 1901.2 care de asemenea nu este finalizat.
Interferenţa: ITU-T G.hnem şi IEEE 1901.2 lucrează în aceeaşi bandă de frecvenţe şi
utilizează ca mediu comun de comunicaţie liniile electrice, fapt care poate genera probleme de
interoperabilitate. Cu toate acestea, interferenţele între dispozitive pot fi rezo lvate prin utilizarea
mecanismelor de coexistenţă, cum ar fi cele definite în recomandarea ITU-T G.9972 [8],[10].
Canal neecranat şi zgomotos: mediul electric este greu de modelat, este selectiv în frecvenţă,
variabil în timp şi afectat de zgomot colorat şi variabil, precum şi de zgomotul de impuls.
Structura Grid: crearea unei reţele PLC pentru AMI poate fi o provocare din punctul de
vedere a implementării într-o structură electrică deoarece diferă de la o ţară la alta şi, de asemenea,
într-o ţară pot exista mai mulţi furnizori de energie electrică.
G3-PLC PRIME G.hnem
CENELEC FCC
Rată transfer 34 kbps 130 kbps 1 Mbps
Nivel transport compatibil IPv6 IPv4, IEC 62056,
IEC 61334-4-32 IPv6, IP v4, Ethernet
Bandă de frecvenţe 3-95 kHz,
150-490 kHz 3-95 kHz 35 – 143 kHz 34-478 kHz
Dimensiune FFT 256 512 256 512
Dimensiune windowing 8 - 8 16
Distanţă purtătoare 1,5625 kHz 488 Hz 1,5625 kHz 3,125 kHz
Coduri corecţie Reed Solomon,
Cod convoluţional
Cod
convoluţional Reed Solomon, Cod convoluţional
Modulaţii DBPSK, DQPSK DBPSK,
DQPSK, D8PSK BPSK, QPSK, 16-QAM
Tabel 1 – Comparaţie protocoale bandă îngustă [9]
15
Rată de transfer scăzută în
bandă îngustă
Rată de transfer mare în
bandă îngustă Bandă largă
Bandă de frecvenţe 9-148,5 kHz 9-500 kHz
CENELEC A,B,C,D 1,5 – 50 MHz
Viteză de transfer < 10 kbps 50 Kbps – 1 Mbps > 10 Mbps
Tehnici FSK, BPSK, FFH, SFSK,
DCSK OFDM, MCM MCM / COFDM
Coduri corectoare Inexistente sau slabe puternice medii
Aplicaţii
Citirea automată a
contoarelor, Reţele de
comunicaţii prin liniile
electrice
Administrare energetică,
Sisteme Smart Grid şi de
contorizare AMR/AMM
Internet, VoIP, HDTV
Companii, organizaţii
Busch Jaeger, Echelon,
Gorlitz, Yitran, Renesas,
Landis&Gyr
ADD Grup, iAd Maxim,
PRIME,
Amperion, Current, DS2,
Homeplug, Mitsubishi,
OPERA, Panasonic,
Spidcom
Tabel 2 – Comparaţie comunicaţie în bandă îngustă - bandă largă [11]
Specificaţii ITU-T G.9955/56 (G.hnem)
- bandă de frecvenţe: 9 – 490 kHz
- viteză de transfer: până la 1 Mbps în banda FCC
- robusteţe ridicată
- complexitate scăzută
- consum energetic scăzut
- susţinut de Maxim, Lantiq, Texas Instruments, Yitran, Marvell, Metanoia, Sigma Designs
- Tehnică de împrăştiere a spectrului: OFDM
- Modulaţie: BPSK, QPSK, 16QAM
- Compatibil CENELEC, FCC-1, FCC-2,ARIB
- Dezvoltat de ITU-T SG15 Q4 şi ISO/IEC, SAE în conformitate cu IEEE P1901.2
- Protocoale de referinţă G3-PLC şi PRIME
- G.9955 – specificaţii nivel fizic
- G.9956 – specificaţii nivel legătură de date
16
5. Tehnologia PLC
Blocurile constructive
Fig. 1 – Schemă bloc transceiver PLC [12]
Analiza tehnicilor de acces la mediu
Pe parcursul investigării stadiului actual al comunicaţiei prin reţeaua electrică pentru citirea
contoarelor electrice s-au identificat mai multe tehnici de acces la mediul fizic propuse pentru a fi
utilizate. În acest scop a fost realizată o analiză a tuturor tehnicilor de acces la mediu folosite la
comunicaţia prin mediu cablat şi s-a comparat rezultatul cu propunerile făcute, în vederea realizării
17
standardului PLC. Astfel s-au identificat următoarele criterii, ce pot face o diferenţiere clară între
tehnicile propuse:
+ foarte bun
0 0 bun
- - rău
Eficienţă
trafic mic
Eficienţă
trafic
mare
Prioritate Robusteţe Flexibilitate
nivel fizic
Cost
scăzut/nod
Connection 0 - 0 + - 0
Pooling - 0 - - + 0
TDMA - + - - + -
Token Ring + + + 0 0 0
Token Bus 0 + 0 0 + 0
Binary
Countdown + + 0 + - +
CSMA/CD + - 0 + + 0
CSMA/CA + + + + + +
Tabel 3 – Studiu comparativ tehnici de acces la spectru [13]
Descrierea tehnicilor de acces la mediu menţionate:
Connection – tehnică bazată pe conexiune, suportă doar două noduri în mediul de
transmisie, conectare tip prin modem-uri cu interfaţă serială.
Pooling – tehnică bazată pe comunicaţia la cerere; masterul hotărăşte cine şi în ce interval de
timp are voie să comunice slave-rii şi furnizează această informaţie doar când acest lucru
(transmisia de date) este necesar.
TDMA (Time Division Multiple Access) – tehnică bazată pe divizarea în timp. Staţiile
transmit către master după ce au primit frame-ul de sincronizare, doar in intervalul de timp ce le
este alocat anterior.
Token Ring – tehnică bazată pe prioritizare, staţiile sunt conectate în structură tip inel, un
jeton circulă în permanenţă în cercul de staţii; dacă o staţie vrea să transmită, reţine jetonul, face
transmisia, după care eliberează jetonul.
Token Bus – tehnică bazată pe prioritizare, la fel ca Token Ring, dar în acest caz staţiile sunt
conectate în serie , circulaţia jetonului făcându-se într-un inel virtual.
Binary Countdown – tehnică bazată pe prioritizare binară, cunoscut şi ca protocolul „Bit
Dominance”; toate staţiile aşteaptă înainte de a transmite eliberarea canalului de comunicaţie.
Nodurile ce doresc să transmită (simultan) rezolvă coliziunea prin transmiterea unui semnal bazat
18
pe valoarea unică de identificare a nodului. Mediul de comunicaţie trebuie să aibă următoarea
caracteristică: o valoare să o poată suprascrie pe cealaltă ( ex. 1 peste 0). În timpul acestei transmisii
un nod opreşte transmisia dacă detectează un semnal dominant opus faşă de al său. Dacă prima cifră
din codul (11000010) trimis coincide ca fiind 1 se compară următoarele până ce diferă, astfel încât
cel cu 1 câştigă accesul la canal, iar celălalt (11000001) amână transmisia.
CSMA/CD – tehnică bazată pe controlul accesului la mediu, nodurile aşteaptă până ce
canalul este liber, apoi încep transmisia; dacă mai multe staţii transmit în acelaşi timp mesajele se
vor perturba reciproc (coliziune), nodurile ar trebui să poată detecta această coliziune şi să întrerupă
transmisia ce va fi reluată după un timp aleatoriu. Pentru ca nodurile să ‚intre’ în reţea nu este
necesară iniţializarea reţelei.
CSMA/CA - tehnică bazată pe controlul accesului la mediu, ca şi în CSMA/CD nodurile
transmit după ce detectează că şi canalul este liber. Totuşi, dacă datele de la doua sau mai multe
staţii se ciocnesc, un semnal de eroare (jam) este transmis in reţea de către staţia receptoare (nod)
pentru a anunţa toate nodurile despre existenţa ciocnirii, sincronizarea timpului (clock) şi pornirea
sloturilor de timp contextuale. Fiecare slot este asociat cate unei staţii în parte. Staţiile celelalte care
nu efectuau transmitere de date înaintea acelui moment, nu transmit. Staţiile care au suferit în urma
ciocnirii reiau transmisia conform ordinii jetoanelor, în slotul de timp alocat, urmând ca ultima sa
transmită un mesaj de încetare a procesării jetonului. Se reia procesul de transmitere conform CA.
Deoarece nu se cunoaşte care staţii au intrat în coliziune, se alocă câte un slot de timp pentru toate
staţiile din reţea, urmând să se ocupe doar sloturile de timp ale staţiilor ce s-au ciocnit deoarece,
celelalte la momentul generării tabelei de sloturi nu se aflau în starea de transmisie aşadar sloturile
de timp alocate lor rămân libere. Primirea mesajelor se confirmă cu un semnal ACK.
În urma acestei analize comparative s-a identificat utilizarea tehnicii CSMA/CA ca fiind cea
mai bună alegere pentru comunicaţiile prin mediu cablat şi cea mai fiabilă în cazul expunerii la
perturbaţii electromagnetice şi la pierderi de pachete. Deoarece CSMA/CA are proprietăţi
asemănătoare CSMA/CD am punctat elemente definitorii care să concluzioneze alegerea primei
variante de CSMA.
CSMA/CD
• Detectarea coliziunilor este dificilă şi nesigură datorită variaţiei semnalului recepţionat.
datorat nivelului variabil de zgomot ce apare în reţeaua electrică.
• Permite un număr nelimitat de noduri fără alocarea în prealabil a sloturilor de timp.
• Face faţă în caz de trafic redus.
• Nu face faţă în caz de trafic intens, datorită probabilităţii mari de coliziuni repetate.
• Nivel scăzut de determinare şi eficienţă.
19
• Creşte valoarea echipamentelor datorită necesităţii realizării detecţiei coliziunilor.
• Dacă mediul este foarte zgomotos, iar cablurile sunt foarte lungi şi de calitate slabă este
posibil ca detectarea coliziunilor să nu se poată face.
• O alegere slabă în cazul sistemelor de timp real cu trafic intens.
• Necesită prezenţa conexiunii Full Duplex.
CSMA/CA
o Alternativă mai fiabilă în cazul PLC ce reduce probabilitatea coliziunilor.
o Algoritm rezultat din combinarea CSMA/CD cu cei bazaţi pe jeton (token ring, token bus).
o Sloturile contextuale de timp ajută la evitarea coliziunilor.
o RCSMA (Reservation CSMA) -> numărul de staţii = numărul de sloturi de timp, lucrează
bine în orice condiţii de trafic, neeficient în cazul unui număr mare de staţii.
o Se pot trimite mesaje de rezervare a sloturilor următoare dacă la acel moment nu se doreşte
transmiterea dar aceasta va fi necesară ulterior.
o CA este mai scump la implementare decât CD, deoarece necesită integrarea de module
logice programate în fiecare echipament, dar oferă avantajul îmbunătăţirii controlului accesului la
mediu datorat reducerii coliziunilor, deci îmbunătăţeşte comunicaţia la nivel total de performanţă a
reţelei.
o Recomandat deoarece comunicaţia se face pe un singur fir (cablu – fază) ce permite doar
comunicaţie Half Duplex (HDX).
o Propus pentru standardul IEEE P1901.2 pentru bandă îngustă la comunicaţia PLC de către
PRIME Alliance şi eRDF.
20
6. Comunicaţia PLC
Mediul utilizat la transferul datelor oferit de liniile electrice ridică multe probleme atunci
când se doreşte realizarea comunicaţiei la distanţe mari, mai mari de câţiva metrii, deoarece acestea
nu au fost concepute pentru a asigura un flux de date. Structura liniilor electrice nu oferă o ecranare
la perturbaţii electromagnetice, astfel la comunicaţia prin liniile electrice se pot observa următoarele
probleme:
• Zgomot electromagnetic variabil şi imprevizibil indus de echipamentele electrocasnice şi de
consumatorii industriali. Acesta mai poate apărea şi datorită cutremurelor, comunicaţiilor
submarinelor, transmisiilor radio folosind modulaţia în amplitudine sau a sistemelor radar.
• Rată de transfer de până la 10 kbps pentru echipamentele disponibile pe piaţă până la
sfârşitul anului 2010.
• Transformatoarele electrice îngreunează transmiterea directă a semnalului PLC de pe linia
de JT pe linia de MT datorită izolaţiei galvanice, semnalul suferind o atenuare cu până la 40 dB.
• Detecţia coliziunilor nu poate fi realizată în condiţii de trafic mare de date.
• Impedanţa reţelei electrice poate suferi variaţii cu valori cuprinse între 5 şi 10 Ω.
Datorită problemelor identificate la transferul datelor prin reţeaua de alimentare cu energie
electrică în scopul citirii contoarelor electrice şi lipsei unui standard care să reglementeze acest tip
de comunicaţie, până în 2011, producătorii au dezvoltat soluţii care utilizează următoarele căi de
legătură dintre contoare şi o bază de date centrală, comunicaţia efectuându-se [14]:
• De la contor direct la baza de date folosind medii fără fir (GSM, GPRS, WiFi, radio) şi
invers.
• De la contor la un concentrator amplasat pe linia de JT înaintea transformatorului folosind
PLC iar apoi prin tehnici fără fir la baza de date. În acest caz s-a observat o utilizare predominantă a
GPRS-ului.
• De la contor până la un concentrator amplasat pe linia de JT, traversarea transformatorului
utilizând un echipament dedicat ce preia datele de pe linia de JT şi le injectează pe linia de MT, de
la acest echipament la un concentrator amplasat pe linia de MT apoi de la acesta prin conexiune
cablată la baza de date sau folosind tehnici fără fir.
• De la contor direct la un concentrator amplasat pe linia de MT, fără utilizarea unui
echipament de traversare a transformatorului, conform ultimelor cercetări în domeniu.
21
După cum s-a menţionat anterior, comunicaţia PLC utilizează o anumită bandă de frecvenţe
alocată prin intermediul standardelor emise de diferite organizaţii. Cele mai importante benzi de
frecvenţe utilizate sunt:
Europa: CENELEC (3 kHz – 148,5 kHz)
o A (3 kHz - 95 kHz)
o B (95 kHz - 125 kHz)
o C (125 kHz - 140 kHz)
o D (140 kHz - 148.5 kHz)
USA: FCC (10 kHz – 490 kHz)
Japonia: ARIB (10 kHz – 450 kHz)
China: EPRI (3 kHz – 90 kHz)
Pe parcursul dezvoltării echipamentelor utilizate la citirea contoarelor au fost utilizate
diferite modulaţii care au adus avantaje de-a lungul timpului. Acestea sunt:
FSK (Frequency Shift Keying)
BPSK (Binary Phase Shift Keying)
DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying)
Comunicaţia PLC este posibilă doar în cazul contoarelor echipate cu modem-uri compatibile
PLC şi pentru contoare ce permit un transfer de date digital, astfel odată cu implementarea acestui
sistem de contorizare automată a fost necesară înlocuirea contoarelor mecanice cu unele electronice.
Deoarece spectrul benzii de frecvenţe este limitat, comunicaţia a abordat diferite tehnici de
împrăştiere a spectrului în vederea eficientizării transmisiilor de date pe distanţe cât mai mari şi cu o
probabilitate cât mai mică de distorsionare a semnalului. În acest sens s-au propus de producători şi
implementat următoarele tehnici:
S-FSK (Spread Frequency Shift Keying)
DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum)
DCSK (Differential Code Shift Keying) patentat de Yitran
OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)
În prezent sunt utilizate tehnicile S-FSK şi OFDM deoarece acestea asigură cea mai mică
rată de perturbare a semnalului, lucru ce se traduce printr-o necesitate scăzută de retransmitere a
pachetelor şi o viteză acceptabilă de transfer. Astfel de sisteme au fost implementate în multe ţări
din lumea întreagă, unele dintre ele fiind: Statele Unite ale Americii, Brazilia, Germania, Spania,
Danemarca, Franţa, Rusia, Ungaria, Nigeria, Algeria, Egipt, Africa de Sud, China, Japonia, India,
22
Korea, Anglia, Portugalia şi Suedia. Tehnica DCSK este şi ea utilizată datorită performanţelor
acesteia prezentate de dezvoltatorii ei în ultima perioadă.
Standarde
Comunicaţia PLC este reglementată de următoarele standarde:
EN 50065 - Transmisia semnalelor prin reţelele electrice de joasă tensiune în banda de
frecvenţe de la 3 kHz până la 148,5 kHz. Partea 1: Cerinţe generale, benzi de frecvenţe şi perturbaţii
electromagnetice.
IEC 60870 - Echipamente şi sisteme de teleconducere. Partea 5-104: Protocoale de
transmisie. Acces la reţele pentru CEI 60870-5-101 prin utilizarea de profile de transport
standardizate.
EN 62056-62 - Echipamente de măsurare a energiei electrice. Schimb de date pentru citirea
contoarelor, controlul tarifului şi al sarcinii.
EN 1434-3 - Contoare de energie termică. Partea 3: Schimb de date şi interfeţe.
ISO/IEC 17020 - Criterii generale pentru funcţionarea diferitelor tipuri de organisme care
efectuează inspecţii.
IEC/TS 61334-5-4 - Automatizarea distribuţiei electrice folosind liniile purtătoare de
tensiune.
IEEE (P)1901 - Comunicaţie în bandă largă în reţelele electrice: controlul accesului la
mediu şi specificaţii ale nivelului fizic.
IEEE 1901.2 (în lucru) – standard pentru comunicaţia în bandă îngustă pentru aplicaţiile de
reţea electrică „inteligentă”. Standard pentru frecvenţe joase (mai mici de 500 kHz) pentru
dispozitive de bandă îngustă ce comunică prin linii electrice de curent continuu sau alternativ. Acest
standard se adresează atât comunicaţiilor de exterior, cât şi de interior, pentru linii de joasă tensiune
(dintre transformator şi contor electric cu tensiuni sub 1kV), prin transformatoare de medie/joasă
tensiune (cu valori de la 1kV la 72 kV) situate în zone urbane şi rurale, pe o lungime a cablurilor de
mai mulţi km. Viteza de comunicaţie va fi de până la 500 kbps. Acest standard se adresează
reţelelor de contoare electrice, autovehiculelor electrice şi aplicaţiilor de comunicaţie din interiorul
locuinţelor.
ITU-T G.9955 - această recomandare conţine caietul de sarcini pentru nivelul fizic electric
cu utilizarea OFDM în bandă îngustă pentru comunicaţii prin liniile electrice alternative şi continue
cu frecvenţe mai mici de 500 kHz. Această recomandare face referire la comunicaţiile de interior şi
exterior pe liniile de joasă tensiune şi medie tensiune, prin transformatorul de medie/joasă tensiune,
atât în mediul urban şi cât şi în cel rural pe distanţe lungi.
23
7. DCSK VS OFDM
DCSK
DCSK este cunoscut pentru robusteţea sa extremă şi aparţine familiei de tehnologii de
modulare a spectrului împrăştiat. Acesta poate fi oferit în prezent ca o soluţie la nivelul Fizic şi
Legătură de Date de două companii: Yitran Communications Ltd. şi Renesas Technology. DCSK
este o tehnică disponibilă precum prevăd HomePlug şi Echonet (Japonia) şi are ca scop atingerea de
viteze de comunicaţie cât mai mari. În octombrie 2008, Renesas a folosit tehnologia PLC de mare
viteză dezvoltată de Yitran în extinderea familiei sale de dispozitive de bandă îngustă PLC, cu
viteze de comunicaţii de până la 150 kbps în banda FCC şi de până la 60 kbps pentru CENELEC A.
Tehnologia este conformă cu reglementările diferitelor benzi de frecvenţă, cum ar fi CENELEC,
FCC şi ARIB cu compatibilitate pentru a asigura interoperabilitatea cu instalaţii electrice. În prezent
Renesas oferă echipamente ce utilizează standardul propriu 4GPLC, ce are la bază această
tehnologie, ce poate oferi viteze de transfer de până la 1 Mbps.
Semnalul este transmis astfel: un semnal ciripit (chirp) (semnal ce utilizează întreaga bandă
de frecvenţe), începe şi se termină la frecvenţe diferite, pentru CENELEC A, de obicei între 20-80
kHz, în funcţie de simbolul transmis. DCSK suportă mai multe moduri de transport, care corespund
cu numărul de biţi, aceştia fiind transmişi în cursul fiecărei perioade de simbol în modul standard
(un simbol este scris pe 6 biţi). De exemplu, dacă avem în vedere un pachet de biţi 000000'b, apoi
pe o perioadă de timp determinată frecvenţa de transmisie s-ar putea extinde de la 20kHz la 40kHz,
în timp ce pachetul de biţi 100000'b ar putea fi mutat în funcţie de un indice de schimbare şi încep
de la 30 kHz şi Sweep de până la 40kHz şi de la 20kHz revenind la 30kHz. O combinaţie de 6 biţi
ar împărţi apoi transmisia în 64 forme de undă diferite toate începând de la frecvenţe diferite, dar
toate transmise în aceeaşi bandă de frecvenţe. Acesta este un avantaj major al DCSK. PLC este
renumit pentru nivelul său ridicate de zgomot, sarcini şi impedanţă ce se pot schimba în perioade
scurte de timp şi de zgomote de impuls. Pentru transmisiile în cadrul benzii CENELEC A, forma de
undă este repetată în trei benzi, acestea fiind 18-44 kHz, 38-63 kHz şi 58-89 kHz, ceea ce face ca
DCSK să fie o modulare extrem de robustă [15].
Modularea spectrului împrăştiat este o tehnică în care un semnal este transmis pe o lăţime de
bandă considerabil mai mare decât conţinutul de frecvenţe al informaţiilor originale. Modularea
spectrului împrăştiat oferă mai multe avantaje, ele sunt mai puţin sensibile la zgomote de bandă
îngustă şi de impuls, capabil de a lucra atunci când nivelul de semnal este mai mic decât nivelul de
24
zgomot (SNR negativ). Aceasta este mai puţin sensibilă la zgomotul colorat provenit din mai multe
surse şi la variaţia impedanţei mediului de comunicaţie. Aceste proprietăţi explică de ce armata a
folosit spectrul împrăştiat pentru mai mulţi ani şi de ce DCSK este considerată o tehnică de
modulare mai robustă pentru PLC. Utilizarea acestei tehnici duce la producerea de o soluţii mai
ieftine, cu consum redus de energie ce radiază mai puţină căldură.
Un transmiţător DCSK conţine următoarele blocuri [16]:
Encoder, responsabil pentru generarea de cod de eroare de corecţie.
Interleaver, utilizat în tehnologia digitală de transmitere a datelor pentru a proteja împotriva
erorilor de transmisie. Aceste erori în cazul unui număr mare de biţi dintr-un pachet de date,
astfel încât un sistem tipic de corecţie a erorii, care se aşteaptă ca erorile să fie mai uniform
distribuite, ar putea întâmpina greutăţi majore în corectarea acestora. Intercalarea este
folosită pentru a ajuta la oprirea acestui fenomen.
Preambul (secvenţa de sincronizare), un semnal folosit pentru realizarea sincronizării
transmisiei prin asigurarea corectitudinii ceasului intern la ambii interlocutori. Un ceas
intern sincronizat garantează că toate sistemele interpretează începutul de transfer de
informaţii în mod corect. Acesta poate conţine informaţii despre tipul de pachete folosit în
special de transport, de exemplu, în DCSK modul de transmitere, numărul de biţi pe simbol
transmişi.
Filtru digital, intern modemului DCSK este utilizat pentru a îmbunătăţi caracteristicile
spectrale ale semnalului de ieşire, pentru a reprima orice semnale generate în afara benzii de
transmisie.
Conversie digital analogic (DAC).
Amplificator de putere, semnalul generat de DAC este alimentat într-un amplificator de
putere
Cuplajul la linie, injectează semnalul în linia electrică.
OFDM
OFDM este o tehnică de modulare cu un număr mare de sub-purtătoare distribuite astfel că
fiecare dintre ele este independentă şi nu interferează cu celelalte învecinate. Fiecare purtătoare este
caracterizată de un flux de date sau un canal de comunicaţie modulat după o schemă de modulare,
cum ar fi BPSK, QPSK sau QAM, permiţând astfel pentru mai multe fluxuri de date să se realizeze
în paralel. Unul dintre principalele avantaje ale OFDM este faptul că se poate adapta la condiţiile de
zgomot din mediul de comunicaţie prin identificarea purtătoarelor libere, neafectate de perturbaţii
sau de alte semnale şi neutilizarea purtătoarelor afectate de zgomot unde comunicaţia nu poate fi
realizată pentru o perioadă de timp, până starea acesteia se îmbunătăţeşte. Astfel, o rată de transfer
25
scăzută asigurată de transmisia pe întreg spectrul poate fi crescută prin împărţirea spectrului şi
utilizarea doar a unor părţi a acestuia, unde comunicaţia poate avea loc. Capacitatea de adaptare la
perturbaţiile apărute la un moment dat în mediul de comunicaţie prin schimbarea purtătoarelor
folosite duce la viteze de transfer de până la 128 kbps, în cazul folosirii protocolului PRIME [16].
Principiile de funcţionare sunt oarecum diferite de DCSK şi un transmiţător tipic OFDM
conţine următoarele blocuri:
• Scrambler, efectuează reorganizarea biţilor în pachetul de date pentru evitarea secvenţelor
repetitive de 1 şi 0. Acest lucru are un efect pozitiv asupra corectării erorilor la recepţie.
• Encoder Convolutional, un sistem de precorecţie a erorilor prin introducerea de biţi suplimentari
în datele transmise, pentru ca receptorul să poată detecta şi corecta erorile în modele de biţi
primite.
• Interleaver, ca la DCSK.
• Mapper, fiecare sub-purtătoare este alocată unei constelaţii corespunzătoare unei scheme de
modulare ca BPSK, QPSK etc.
• Transformata Fourier rapidă inversă.
• Interpolare, o metodă de a construi noi puncte de date în intervalul discret de puncte cunoscute de
date.
• Conversie digital analogic (DAC).
• Amplificator de putere, la fel ca la DCSK.
• Cuplajul la linie, injectează semnalul în linia electrică.
26
8. Zgomotul ca factor perturbator
Prin zgomot electromagnetic se înţelege un semnal electromagnetic, nedorit, care
propagându-se pe diferite căi, se suprapune peste semnalul electromagnetic purtător de informaţii,
provocând degradarea acestuia din urmă. În mod obişnuit semnalul purtător de informaţii (semnalul
dorit sau semnalul util) se numeşte simplu semnal, iar semnalul nedorit se numeşte zgomot. În
terminologia Comitetului Electrotehnic Internaţional zgomotul electromagnetic este un fenomen
electromagnetic variabil care aparent nu este purtător de informaţii, dar este susceptibil şi se
suprapune sau se combină cu semnalul util [17].
Sursele de zgomot se grupează în două mari categorii: surse de zgomot natural şi surse
provocate de activitatea umană.
Sursele de zgomot natural trebuie considerate ca fenomene secundare care se produc în
mediul înconjurător. Dintre acestea sursa principală de zgomot natural o reprezintă descărcările
atmosferice pe timp de furtună. În alte surse de zgomot natural se încadrează: furtunile magnetice,
radiaţia solară, zgomotul cosmic etc.
Activităţile umane, dar în mod special activitatea industrială, dau naştere la numeroase
forme de poluare a mediului înconjurător. Utilizarea energiei electrice în activităţile umane (casnice
sau industriale) este asociată inerent cu variaţii ale curenţilor sau tensiunilor electrice, care fie prin
conducţie, fie prin radiaţie, produc zgomote în echipamentele electronice învecinate. Emiţătoarele
în radio-frecvenţă (emisiuni radio şi TV, radare, radiotelefoane etc.) pot crea interferenţa reciprocă a
semnalelor, când acestea lucrează în benzi de frecvenţă care se suprapun. Aceleaşi emiţătoare,
datorită puterilor mari radiate, pot deranja buna funcţionare a echipamentelor electronice sau a
echipamentelor de calcul, dacă acestea din urmă nu sunt protejate în mod corespunzător din punct
de vedere al compatibilităţii electromagnetice.
Sursele de zgomot şi de interferenţă în radio-frecvenţă se clasifică în două mari categorii:
• emisiuni intenţionate produse de către radio-emiţătoare,
• emisiuni (prin conducţie sau prin radiaţie) neintenţionate produse de către
echipamentele electrice sau electronice.
În urma unei campanii [18] de măsurători realizate în oraşul Amsterdam, în cadrul căreia s-
au realizat măsurători în reţelele electrice rezidenţiale de joasă tensiune în banda de frecvenţe
CENELEC A, s-au analizat sursele de zgomot ce apar în reţea şi pot afecta calitatea comunicaţiilor.
Astfel s-a constatat prezenţa: zgomotului de fundal ce scade cu creşterea frecvenţei, cu o medie de
35 dB/decadă, şi variază mai tare în timpul zilei comparativ cu cel al nopţii cu o medie sesizată de
27
15-20 dB zgomot indus în reţea; zgomotul de impuls datorită proprietăţii de a fi variabil şi de scurtă
durată nu poate fi prevăzut, deoarece timpul în care acesta este prezent în reţea este sub 12.5 ms şi
afectează doar o singură frecvenţă; zgomotul pulsator a fost detectat la interval de 0.02 s (50 Hz) şi
0.015 s (66.7 Hz); zgomotul de bandă îngustă s-a făcut simţit cu precădere în jurul frecvenţei de 78
kHz dar valori ridicate au fost observate şi la frecvenţele 25, 30, 32, 46, 49, 55, 62, 78, 92 KHz,
sursa lor fiind necunoscută. Măsurătorile au concluzionat că banda CENELEC A (>50 kHz) este
favorabilă comunicaţiei deoarece SNR-ul este mare. Un modem PLC rezidenţial ar trebui să aibă o
impedanţă de ieşire foarte mică (< 1 Ohm) şi să furnizeze o putere cu un număr mare de Waţi (>25
W).
Zgomotul de fundal este zgomotul ambiental, ce depinde foarte mult de variaţia stării
vremii, a arealului geografic, a locului unde este amplasat mediul de comunicaţie: îngropat sau la
suprafaţă. Măsurătorile [19] nivelului zgomotului de fundal într-o linie de medie tensiune indică
prezenţa unui nivel mai mare în acestea faţă de liniile electrice de joasă tensiune (măsurătorile fiind
realizate în banda de frecvenţă 1 MHz – 20 MHz utilizată în special pentru comunicaţia în bandă
largă).
O cauză majoră a zgomotului de fundal în liniile de medie tensiune o reprezintă descărcările
apărute în reţea, mai ales datorită umidităţii şi a condiţiilor meteorologice severe. Când o linie de
medie tensiune este operaţională, un câmp electromagnetic este creat în imediata vecinătate a
cablurilor. Acest câmp accelerează electronii liberi din aer şi produce electroni liberi şi ioni pozitivi.
Acest proces creează o avalanşă denumită descărcare în linie (corona discharge). Aceste descărcări
induc impulsuri de curent în conductori, variabile în timp şi amplitudine. Curentul indus poate fi
modelat cu surse de curent amplasate în reţeaua de linii electrice. Descărcările în cele 3 faze ale
conductorului apar la intervale de timp diferite. De fiecare dată când pe o fază tensiunea este
suficient de mare, o descărcare în linie apare şi este generat zgomot în cablu.
Zgomotul produs de descărcare este stabil, cu o amplitudine ce depinde de nivelul tensiunii
de alimentare, configuraţia geometrică, a caracteristicilor conductorului şi a condiţiilor
meteorologice. În banda de frecvenţe purtătoare, zgomotul de coroană este cvasi constant cu o mică
variaţie. În benzile înguste de frecvenţe, acesta poate fi considerat ca fiind zgomot alb.
Zgomot şi perturbaţii
Unul dintre cele mai ciudate caracteristici a liniilor electrice folosite ca mediu de
comunicaţie este prezenţa zgomotului puternic, variabil în timp, colorat şi uneori Gaussian. Această
secţiune prezintă caracteristicile zgomotului în sistemele PLC de nadă îngustă şi de bandă largă.
28
Zgomotul PLC în domeniul timp
În sistemele radio de telecomunicaţii convenţionale, sursa dominantă de zgomot receptat,
cunoscută sub numele de zgomot termic, este amplificatorul de intrare-ieşire a receptorului. Diferit
de acest lucru zgomotul din linia electrică la un terminal este suma zgomotelor formelor de undă
produse şi emise către linii de către echipamentele conectate la reţeaua de alimentare cu energie
electrică. Zgomotul din linia electrică poate fi caracterizat într-un mod brutal în mai multe clase,
după cum urmează:
Zgomot continuu.
Zgomotul continuu nevariabil în timp are o anvelopă constantă pentru o perioadă lungă de
timp. Acest zgomot este cunoscut şi ca Zgomot de fundal şi poate include zgomotul termic cauzat
de amplificatoarele receptoarelor.
Zgomotul continuu variabil în timp are o anvelopă care se schimbă în mod sincron după o
sursă de tensiune principală absolută. Deşi perioada de zgomot este de jumătate din ciclul a duratei
curentului alternativ, în sistemele de bandă îngustă, acest zgomot de cele mai multe ori domină
performanţele sistemului. O sursă tipică a acestui tip de zgomot este un dispozitiv cu oscilator a
cărui sursă de energie este ajustată, dar nu are o tensiune atenuată. Radiatoarele electrice şi sursele
de iluminat cu lampă fluorescente sunt exemple de astfel de surse de zgomot. În plus faţă de
comportamentul echipamentelor, caracteristicile canalului dintre sursa de zgomot şi receptor pot
varia sincron cu sursa de tensiune principală [20]. Aceasta este o altă cauză a fluctuaţiei formei de
undă a zgomotului sincron cu tensiunea sursei principale.
Zgomot de impuls
Sistemele PLC deseori sunt afectate de zgomote puternice dar de scurtă durată, cu
amplitudine mare şi o durată de câteva microsecunde, şi se clasifică astfel:
- Zgomot de impuls ciclic sincron de sursă AC (curent alternativ), este o clasă de
zgomot compusă dintr-un tren de impulsuri cu frecvenţa sursei principale de AC sau cu dublul
acesteia. O cauză ce favorizează apariţia zgomotului de acest tip este întreruperea unei surse de
iluminat pe bază de tiristor. Acest dispozitiv reglează intensitatea luminoasă a unei surse de lumină
prin varierea nivelului de curent la intrare şi astfel zgomotul este sincron cu tensiunea principală.
Zgomotele [90] de la unele circuite electronice sunt de asemenea clasificate în această clasă.
- Zgomot de impuls ciclic asincron de sursă AC, este clasa de forme de unde de
zgomot compusă din trenuri de impulsuri cu o frecvenţă mult mai mare decât cea sursei principale
AC. O cauză tipică a zgomotului de acest tip este întreruperea unui regulator.
- Zgomot de impuls izolat este alcătuit din impulsuri ce apar la intervale de timp
aleatorii, de multe ori la intervale de câteva secunde. Acest zgomot apare atunci când un
29
întrerupător de lumină sau echipament de încălzire instant al apei este pus în funcţiune sau închis
[21].
Zgomot de bandă îngustă
Sistemele PLC ce comunică în bandă largă folosesc frecvenţe folosite şi de echipamentele
ce comunică fără fir sau de radioemisie, iar semnalul radio al acestor sisteme poate afecta canalele
PLC sub formă de zgomot de bandă îngustă. Totuşi acest zgomot poate fi interpretat ca şi zgomot
de interferenţă de la wireless la PLC şi poate fi denumit şi ton de bruiaj.
Zgomot general a formei de undă
Când un receptor PLC este situat în apropierea unei surse de zgomot şi nu există altă sursă
perturbatoare decât aceasta, sursa de zgomot domină forma de undă a receptorului. În acest caz
zgomotul poate fi clasificat într-unul din clasele anterioare. În general, există foarte multe
echipamente care sunt conectate la reţeaua electrică şi emit zgomot, deci zgomotul rezultat în
comunicaţia PLC este suma acestor zgomote care poate fi din toate clasele [22].
Zgomotul PLC în domeniul frecvenţă
Zgomotul PLC este colorat şi are o intensitate mai mare în benzile de frecvenţă mai mici.
Acest lucru se întâmplă deoarece propagarea dintre o sursă de zgomot şi un receptor este atenuată în
mare parte la frecvenţe mari. În plus, multe surse de zgomot sunt concentrate în zona frecvenţelor
joase. În banda îngustă a sistemelor PLC care folosesc benzile de frecvenţe de mărime kHz,
intensitatea zgomotului scade aproape exponenţial cu frecvenţa. În comunicaţia PLC în bandă largă
în benzile înguste această tendinţă se păstrează dar spectrul de zgomot este mult mai complicat.
Acest lucru se întâmplă datorită frecvenţelor de vârf cauzate de propagarea pe mai multe căi în
canalul PLC şi a zgomotului de bandă îngustă din exterior.
30
9. Protocoale de comunicaţie PLC
Încă de la începuturile comunicaţiei prin reţeaua electrică s-a încercat implementarea
potenţialului acestei tehnologii la rezolvarea problemelor legate de implementarea unei reţele, fără
necesitatea instalării de noi medii fizice de comunicaţie sau de utilizare a soluţiilor fără fir. Astfel
au fost dezvoltate protocoale de comunicaţie, independent de fiecare producător, având ca suport
standardele ce făceau referire la PLC la acea vreme. Specificaţiile celor mai importante protocoale
utilizate sunt:
1. X-10
• Modulaţie ASK
• Frecvenţă 120 kHz
• Putere 0,5 W
• Viteză de transfer 50 bps
• Durata transmitere mesaj 0,8 s
• Durata transmisiei 48 cicli
• Utilizare: la interior, pentru semnalizare
• Structură pachet date: 2 x 12b + (1b ~ 5b)
2. Intellon CEBus (EIA-600) [23]
• Tehnica acces la mediu CSMA/CDCR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection
and Collision Resolution)
• Viteză de transfer 10 kbps
• Tehnică de împrăştiere a spectrului: salt în frecvenţă – 200 kHz ->400 kHz ->100 kHz ->
200 kHz
• Câştig în SNR de 15 dB
• Durată transmitere mesaj 25 ms
• Lungime mesaj 50 b – 300 b
• Modalitate acces punct la punct
• Utilizare: indoor
• Nu este necesară existenţa unei unităţi centrale
31
3. Lontalk (EIA-709/LonWorks)
• Tehnica de acces la mediu CSMA/CA
• Bandă de frecvenţe 125 kHz – 140 kHz
• Modulaţie BPSK
• Viteză de transfer 5,5 kbps
• Topologii reţea: magistrală, inel, stea, arbore
• Nivele:1-fizic, 2-MAC+Link, 3-Reţea, 4-Controlul tranzacţiei +Autentificare+Transport, 5-
Sesiune, 6&7-Aplicaţie+Prezentare
• Dezvoltat de Echelon Corp.
• Modalitate transmitere date – frame-uri
4. IEC 61334
• Medii fizice utilizate: MT, JT
• Tehnici de acces la mediu
o FSK (frequency shift keying)
o OFDM (orthogonal frequency division multiple access)
o SS-AW (spread spectrum adaptive wideband)
o SS-FFH (spread spectrum-fast frequency hopping)
• Format mesaje: DLMS
• Standarde: IEC 61334-5, IEC 62056
5. G3-PLC / PRIME – propuse pentru IEEE 1901.2
• Multiplexare: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
• Modulaţie: DB/Q/8/PSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)
• Comunicaţie bidirecţională
• Tehnică de acces la mediu: CSMA/CA
• Asigură comunicaţia dintre contoare şi BD doar prin mediul electric (PLC)
• Specificaţii pentru nivelul fizic şi nivelul legătură de date.
Ultimele protocoale (PRIME, G3-PLC, 4GPLC)
Propunere specificaţii eRDF
Denumire specificaţii standard: PLC G3 [24]
Colaborator pentru producerea echipamentelor: Maxim Integrated Products (www.maxim-ic.com)
şi partener al Maxim: Sagem Communications
32
Tehnica de Multiplexare: OFDM.
Tehnică acces mediu: CSMA\CA.
Mediu comunicaţie : JT, MT.
Banda de comunicaţie : CENELEC A (35,9 kHz – 90,6 kHz) cu posibilitatea de extindere până la
180 kHz.
Frecvenţa de sampling (eşantionare): 400 kHz.
Număr purtătoare: 36.
Modulaţii :
• DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying)
• DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)
• Robust (codul este repetat de 4 ori de „Interleaver”, în modul Super Robust codul este
repetat de 6 ori)
Viteza transfer: 34,1 kbps pe fază, în modul normal (D*PSK)
Număr puncte IFFT: 256
Transmisia datelor:
1. Date.
2. Scrambler: şirului de biţi i se alocă o distribuţie polinomială prin aplicarea unui XOR.
3. Reed – Solomon: - codare pentru detecţia viitoarelor posibile erori.
4. FCH (frame control header): conţine datele de identificare ale pachetului de date curent,
conţine CRC (cyclic redundancy check).
5. Convoluţie: codare din biţi în simboluri.
6. Interleaver: reorganizează simbolurile.
7. Modulare: DBPSK, DQPSK, D8PSK.
8. IFFT: domeniul frecvenţă - > domeniul timp.
9. Prefix ciclu: nX.
10. Windowing: funcţie ce împarte şirul după un şablon cu pasul 8.
11. Modul analogic: se realizează transmisia.
Recepţia datelor:
1. Modul analogic.
2. Detecţie sincronizare.
33
- Prefix ciclu.
3. FFT: dom. Timp – dom. Frecvenţă.
4. Estimarea canalelor.
5. Demodulare: DBPSK, DQPSK, D8PSK.
6. DeInterleaver.
7. Combinator: pentru modul Robust.
8. Decodare Viterbi: decodare coduri convoluţie.
- FCH.
9. Decodare Reed-Solomon.
10. DeScrambler.
11. Date.
PLC-G3 va face posibilă comunicaţia în ambele sensuri între liniile de JT şi MT fără
necesitatea instalării echipamentelor de trecere peste transformator. Astfel echipamentele trebuie să
detecteze semnalele sever atenuate de prezenţa transformatorului. Emiţătorul va trebui să poată
ajusta nivelul semnalului precum şi forma lui în spectrul de putere în timp ce receptorul va avea
AGC (Automatic Gain Control), atât analog cât şi digital, pentru a putea compensa atenuarea. Când
se va folosi un echipament repetor, acesta se va instala pe partea de JT a transformatorului.
Echipamentul amplasat pe linia de MT va avea ca şi componentă un filtru trece sus, ce va face
posibilă trecerea semnalului PLC dar ignorarea celorlalte frecvenţe din mediul cablat, care apar
datorită perturbaţiilor.
Nivel ieşire transmiţător este realizat conform cu EN 60065-1. Permite coexistenţa cu
sistemele ce folosesc S-FSK (Spread Frequnecy Shift Keying), în conformitate cu IEC 61334-5-1.
În cazul coexistenţei cu S-FSK se pierd 11 subpurtătoare ( 60,9375 – 76,5625 kHz), rezultând doar
25 purtătoare pentru transmisia de date, rezultând un număr de 19 simboluri OFDM.
Propunere specificaţii PRIME Alliance
Denumire specificaţii standard: PoweRline Intelligent Metering Evolution ( PRIME) [25]
Bandă utilizată: CENELEC A: 3 – 95 kHz ( definit de EN 50065-1)
Modelul propus are la bază specificaţiile stivei din protocolul IEEE Std. 802.16
Multiplexare: OFDM
Tehnica acces la mediu: CSMA\CA
Prin implementarea acestor specificaţii se urmăresc: adaptarea nativă în prezenţa canalelor
cu frecvenţă selectivă, rezistenţă din punct de vedere al zgomotului de impuls, capacitatea de a avea
eficienţă mare spectrală (evitarea interferenţelor datorită ortogonalităţii).
34
Banda de frecvenţe folosită: 41,992 – 88,867 kHz (deoarece frecvenţele sub 40 kHz prezintă
probleme severe în reţelele electrice europene datorită zgomotului).
Număr frecvenţe purtătoare: 97 (96 + 1 pilot) payload
Modulaţii:
• DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying)
• DQPSK (Differential Quaternary Phase Shift Keying)
• D8PSK (Differential Eight-Phase Shift Keying)
Viteze de transfer: 47, 94 şi 141 kbps pe fază (dacă nu se consideră prefixul ciclic)
Diagramă bloc transceiver
Distanţa între frecvenţele purtătoare: 0,488 kHz
Număr purtătoare date: 84
Număr purtătoare pilot: 13
CRC = Preamble + Header + Payload
Modulaţia: 96, 192, 288 biţi pe simbol
Algoritm criptare: AES (Advanced Encryption Standard)
Tehnologii de comunicaţie PLC implementate până în prezent [26]:
G1 - S-FSK (IEC 61334)
PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution) - OFDM
G3-PLC - OFDM
4GPLC™ (EnVerv) - OFDM
EnVerv este una dintre companiile ce utilizează soluţii proprii standard precum G3-PLC,
PRIME, S-FSK şi TurboPLC EnVerv, integrate în modemurile PLC de bandă îngustă. Soluţia PLC
EnVerv permite dezvoltarea de aplicaţii în sistemele de contorizare automatizate (AMI), invertoare
solare, iluminat activ, control industrial şi monitorizare de la distanţă în reţelele în care comunicaţia
este critică,iar mediul de comunicaţie utilizat sunt liniile de alimentare cu energie electrică [27].
Soluţia Yitran, integrată şi în generaţia proprie IT700, utilizează tehnica DCSK pentru
comunucaţia PLC în sistemele AMR (Automatic Meter Reading) cu o viteză de transfer de 2,5
Kbps. Ultima generaţie de soluţii oferită de Yitran este modemul IT900 care utilizează tehnica
DCSK Turbo ce îi permite să ofere viteze de transfer de până la 500 Kbps. Generaţia viitoare
IT1000 va folosi tehnica OFDM Flex şi va implementa diferite standarde bazate pe OFDM, cum
sunt PRIME, G3-PLC, G.hnem şi IEEE 1901.2.
35
Tehnologia Yitran integrată în modemul PLC IT700 este utilizată în peste 1000 de sisteme
AMR/AMI, sisteme de control al sarcinii electrice, sisteme de iluminat public, sisteme de control al
panourilor solare, sisteme de administrare a consumului de energie în clădiri, aplicaţii pentru case
inteligente, monitorizarea liniilor electrice de înaltă şi medie tensiune, precum şi alte aplicaţii de
control. Acest fapt evidenţiază nivelul de dezvoltare a tehnicii de comunicaţie realizat de cei de la
Yitran, fiind o soluţie inovatoare pentru comunicaţiile PLC, cu un grad înalt de încredere, reuşind
totodată să fie o soluţie ieftină [28].
36
10. Sisteme de contorizare
Comunicaţiile PLC utilizează linii electrice de curent alternativ ca mediu de transmisie.
Unele sisteme, cum ar fi cel propus de Maxim, poate fi implementat şi în reţelele electrice de curent
continuu. Există mai multe protocoale PLC disponibile pe piaţă în prezent. Aceste protocoale pot fi
împărţite în două categorii, în funcţie de schema de multiplexare folosită: cu schimbarea frecvenţei
(FSK – Frequency Shift Keing) şi divizarea ortogonală în frecvenţă (OFDM - Orthogonal
frequency-division multiplexing). FSK este o schemă de modulare mai veche, fiind folosită de
industria de utilităţi în trecut în scopuri rudimentare, cum ar fi comunicaţia unidirecţională dintre un
contor şi un concentrator.
Tehnica FSK utilizează doar două frecvenţe pentru comunicaţie. Astfel lăţimea de bandă nu
este folosită eficient fapt ce duce la viteze mici de transfer şi pierderi de pachete datorate
perturbaţiilor apărute pe cele 2 frecvenţe de lucru. Această rată de transfer scăzută este insuficientă
pentru aplicaţiile de reţea inteligente, care cer un control bidirecţional. Sistemele de monitorizare ce
utilizează PLC au nevoie de conectivitatea dintre câteva sute de contoare şi un concentrator pentru a
se face trecerea pe linia de medie tensiune. Acest lucru necesită realizarea transferului de date de pe
linia de joasă tensiune pe cea de medie tensiune, peste sau prin transformatorul de MT/JT.
Deoarece aceste transformatoare pot provoca atenuarea semnalului cu zeci de dB tehnica FSK nu
face faţă acestei solicitări, fiind necesară o tehnică mai robustă. OFDM a fost utilizat în multe
sisteme moderne de comunicaţie, cum ar fi radio, TV, Wi-Fi, WiMAX şi în generaţiile incipiente de
protocoale PLC în bandă îngustă cum este PRIME. Astăzi, OFDM permite funcţii şi capabilităţi
noi, interesante pentru reţele PLC. În prezent tehnologia OFDM face posibilă dezvoltarea de noi
capabilităţi în reţelele PLC, oferind o utilizare mai eficientă a lăţimii de bandă de frecvenţă, precum
şi realizarea comunicaţiei în condiţii de zgomot puternic prezent în reţeaua electrică [29].
1. Soluţia de contorizare inteligentă Echelon
Soluţia pentru contorizarea inteligentă folosind tehnologia PLC de la Echelon permite
utilităţilor colectarea de date în scopul facturării exacte şi de statistici de conectare la reţeaua de JT,
cu o fiabilitate demonstrată de aproape 100%. Construit de Echelon pe platforma de control în
reţelele de energie electrică, interconectează aproape 35 de milioane de contoare domestice în
sistemele implementate în întreaga lume.
Toate contoarele inteligente Echelon oferă statistici în ceea ce priveşte posibilităţile de plată,
profiluri de încărcare, timpul de utilizare, de afişare a consumului de energie în timp real şi de
37
contorizare a alimentării cu energie electrică în sistem de preplată. Sistemul oferă control deplin
asupra terminalelor conectate la acesta, permiţând conectarea şi deconectarea de la distanţă la
acestea, efectuarea de actualizări de software de la distanţă şi preluarea parametrilor înregistraţi de
contoarele electrice, fără necesitatea deplasării fizice la acestea.
Nodul de control într-un sistem Echelon este situat lângă transformatorul de medie tensiune
– joasă tensiune, în secundarul acestuia, iar comunicaţia cu contoarele se realizează utilizând
protocolul OSGP (Open Smart Grid protocol). Concentratoarele Echelon pot efectua colectarea
exactă a datelor de la contoarele electrice cu o fiabilitate ridicată, chiar şi atunci când colectarea
datelor se realizează la intervale scurte de timp, de ordinul minutelor. Sistemul de control de la
distanţă prin mediul electric implementat de Echelon are la bază standardul de comunicaţie
LonWorks pentru reţelele inteligente de control.
Specificaţiile LonWorks [30]:
tehnica de acces la mediu CSMA / CA
banda de frecvenţă 125 kHz - 140 kHz
modulaţie BPSK
rata de transfer 5,5 kbps
topologii de reţea: magistrală, inel, stea, arbore
Soluţia dezvoltată de contorizare inteligentă Echelon se bazează pe sistemul NES. Software-
ul sistemului NES oferă acces la previziuni, configuraţii, audit, diagnostice şi preluarea datelor de la
dispozitive care funcţionează în sistemul de contorizare inteligentă [31].
Sistemul are următoarele beneficii majore:
dovedit funcţional pe un număr de până la 5 milioane de contoare pe reţea;
foloseşte orice reţea IP standard, pentru a comunica cu concentratoarele de date NES,
nodurile de control Edge şi alte utilităţi;
SOA cu SOAP / XML permite integrarea uşoară cu middleware-ul de utilitate, de date de
gestionare a sistemelor de contoare, şi de servicii bazate pe aplicaţii web şi a infrastructurii
de la furnizorii de top;
comunicaţie bidirecţională pentru o stabilitate sporită a reţelei;
vizibilitate pentru reducerea costurilor de infrastructură a reţelei pe întreg ciclul de viaţă;
arhitectură compatibilă şi extensibilă;
suportă comunicaţia cu un număr mare de contoare la scară largă, controlul sarcinii,
colectarea automată a datelor datorate diferitelor evenimente, alarme, profilurile de sarcină,
şi facturare automată sau la cerere, diagnosticare instantanee, identificarea întreruperilor în
alimentarea cu energie electrică, realizarea în siguranţă de la distanţă a conectării şi
deconectării diferitelor echipamente de la reţea.
38
Fig. 2 – Structura sistemului Echelon [31]
2. Y-NET+ (Wireless)
Y-NET + este platforma Yitran duală RF-PLC, soluţia ideală pentru sistemele care combină
dispozitive cu alimentare electrică, cu baterie şi / sau dispozitive fără fir. Aceste dispozitive includ
contoare de gaz, contoare de apă, contoare electrice, senzori şi multe altele. Platforma Y-NET +
îmbunătăţeşte aplicabilitatea gestionării energetice a Smart Grid prin extinderea conectivităţii la
contoarele de utilităţi şi necesită doar un concentrator de AMR.
Soluţia Y-NET [32] este o extensie a protocolului Y-Net la nivelul reţea, în cazul în care
modemul RF este operaţional într-o bandă de frecvenţe sub 1 GHz. Soluţia poate fi extinsă şi la alte
transceivere RF şi extinde durata de viaţă a bateriei dispozitivului cu până la 10 de ani.
Principalele caracteristici
Platformă de comunicaţie duală compusă din tehnologii fără fir, cum este ZigBee, şi cu fir
precum PLC;
39
Funcţionează atât în medii RF cât şi în mediul fizic oferit de reţelele electrice;
Adaptat la protocolul HomePlug de comandă şi control;
Nu necesită instalarea de medii fizice noi, automatizat, optimizat pentru configurare rapidă
şi mentenanţă facilă ;
Nivelul reţea creează o structură arborescentă a segmentului terminal al reţelei electrice
folosind PLC, acesta fiind extins în restul sistemului prin tehnologii fără fir prin intermediul
echipamentelor de legătură PLC-RF;
Ideal pentru AMR / MMA / AMI, Home / automatizarea clădirilor, senzori şi comandă şi
alte aplicaţii de control;
Durata de viaţă a bateriei de până la 10 ani.
Fig. 3 – Schema reţelei Smart Grid Yitran [32]
Cele mai importante caracteristici şi beneficii ale nivelului MAC: optimizat PLC, tehnică de
acces la mediu CSMA / CA, controlul adaptiv al ratei de transfer în funcţie de calitatea canalului de
comunicaţie, suport pentru până la 1023 reţele logice cu până la 2047 de noduri de reţea, mecanism
de retransmisie, diagnostice de reţea şi de analiză a variaţiei anumitor parametrii, suport pentru toate
modurile de transport PHY cu modul de control automat al ratei de transfer, algoritm de back-off
bazat pe IEEE 802.11 şi optimizat pentru mediul oferit de linia de alimentare cu energie electrică.
Caracteristici şi beneficii ale nivelului PHY: PLC optimizat pentru imunitate la zgomot şi
perturbaţii, modularea impedanţei şi a distorsiunilor fază-frecvenţă; conectivitate chiar şi în condiţii
de SNR negativ, cod corector al erorilor foarte eficient, algoritm de recuperare a timpului de ceas
40
pentru a permite utilizarea unui cristal cu precizie scăzută; tehnica Yitran de modulare DCSK oferă
fiabilitate extrem de mare, fiabilitate mare la lucru în fază şi între faze, mecanismul de decodare,
corectarea erorilor şi a CRC-16, respectă reglementările din întreaga lume (FCC, ARIB, EN50065-
1, CENELEC).
3. Argus
Sistemul de management ARGUS este soluţia SC AEM SA Timişoara la liberalizarea pieţei
de energie electrică. ARGUS este sistemul de colectare de informaţii de energie electrică de
facturare, puncte de monitorizare, de transport şi distribuţie de energie electrică şi consumul privat
al companiilor. Prin utilizarea bazelor de date, arhitectura sistemului şi noii interfeţe grafice
dezvoltate, sistemul dispune de funcţiile de valorificare a facilităţilor oferite de noua generaţie de
contoare inteligente. Structura modulară se adaptează complet, cerinţele de sistem ale ARGUS sunt
configurabile după dorinţă de la o staţie de monitorizare unică pentru întreaga structură şi de
companiile de distribuţie de încărcare de la marii consumatori industriali pentru consumatorii
casnici de facturare de energie electrică [33].
Fig. 4 – Sistemul AEM Argus [33]
41
În termeni de comunicare pot fi utilizate:
fibră optică
GSM, generaţia 2G
GPRS, generaţia 2.5G
canale de radio dedicate
comunicaţia prin reţeaua electrică
4. Elster LINExpert 2w
Arhitectura LINExpert 2w se bazează pe tehnologia LonWorks. Contoarele de energie
electrică Elster instalate în reţeaua de joasă tensiune sunt dispozitive LonWorks. Punctul de intrare
de reţea este realizat utilizând tehnicile de comunicaţie IEC62056 şi IEC62056-61-21 şi punctul
central, şi anume ANSI / CEA 709.1 cu contoarele de energie electrică. Echipamentul de interfaţare
se comportă, în anumite cazuri, ca un tampon, pentru a reduce timpul de comunicaţie, păstrând
datele mai recente de la contoarele de energie electrică. Acesta se comportă, în alte cazuri, ca un
router pentru comenzi urgente care urmează să ajungă la contoare. Un concentrator poate administra
până la 500 de contoare instalate pe aceeaşi linie electrică. Orice contor poate acţiona ca şi repetor
pentru alte contoare. Un maxim de 7 repetoare pot fi inserate între concentrator şi contor pentru a
facilita comunicaţia dintre acestea [34].
Fiabilitatea comunicaţiei în linia electrică a PLC când în linie apar perturbaţii este asigurată
de utilizarea benzii înguste cu modulaţia BPSK şi utilizarea a două frecvenţe de 72 kHz şi 85 kHz.
Sistemul asigură un nivel de zgomot redus ca urmare a respingerii zgomotului de impuls şi
corectarea erorilor folosind resursele reduse.
Funcţiile sistemului permit utilizatorilor să automatizeze achiziţia de date, salvarea,
validarea, analiză şi prezentarea datelor, în scopul de a simplifica procesele, asigurând coerenţă, cu
reducerea costurilor şi îmbunătăţirea productivităţii. Datele obţinute de la contoare pot fi analizate
folosind funcţiile de analiza datelor furnizate de către sistem sau pot fi exportate în alte sisteme de
analiză sau de utilizare. Prin citirea la momente programate, sunt citite contoarele lunar, săptămânal
sau zilnic. Contoarele pot fi citite de la distanţă folosind reţeaua de telefonie fixa sau reţelele
mobile, conexiune directă (RS-232, RS-485) sau de date TCP / IP sau GPRS.
EnergyAxis este suita cea mai avansată şi mai completă de soluţii de reţea inteligentă.
Dezvoltat de Elster, arhitectura sistemului Energy Axis este cea mai interoperabilă soluţie de
comunicaţii Smart Grid, cu aplicaţii verificate pentru răspuns la cerere, automatizare de distribuţie,
de detectare a declanşări / restaurare, protecţia veniturilor, poate fi integrat în orice sistem.
42
5. ADDAX IMS
IMS este produsul ADD GRUP, proiectat pentru a fi implementat şi utilizat pentru soluţii de
contorizare avansate. Addax IMS include dispozitive de înaltă precizie de contorizare, fiind susţinut
de o reţea de comunicaţii fiabilă, care utilizează standarde deschise de comunicaţie şi un set de
soluţii software, oferind un control complet asupra sistemului. Soluţia permite, de asemenea,
integrarea de contoare de la alţi furnizori, care desfăşoară astfel de măsurare de mai multe tipuri de
resurse simultan [35].
Fig. 5 – Sistemul de contorizare ADDgrup [35]
Addax IMS este o suită de module hardware şi software concepute pentru o gestionare
avansată a infrastructurii de măsurare electrice. Addax IMS are o structură tipică pe trei nivele:
Nivelul de management al datelor (SIMS software);
Nivelul de comunicaţie (echipamente de reţea);
Echipamente terminale instalate la consumator (contoare, unităţi de interfaţă a contoarelor,
afişor independent RTU – remote terminal unit).
Caracteristici principale:
Addax AMI are o orientare strategică privind eficienţa energetică. Acesta sprijină o gamă
largă de servicii;
43
Contorizarea timpului de utilizare, profil de sarcină, sarcina de control, managementul
cererii, detectarea fraudelor, dezechilibru de control, funcţionarea în modurile de plată în
avans şi de credit. Aceste caracteristici, împreună, oferă o mare varietate de soluţii de
economisire a energiei;
Addax AMI integrează soluţii standard şi deschis, în structura sa. Toate modulele din cadrul
AMI Addax de portofoliu sunt conforme cu cerinţele DLMS / COSEM (model de date,
protocoale, interfeţe), permiţând astfel interoperabilitatea cu produse standardizate de la
producători externi;
Addax AMI oferă soluţii fiabile şi eficiente de comunicaţie. Împreună cu mediile
recomandate fizice - tensiune joasă şi medie tensiune PLC, care reduce considerabil
costurile de implementare şi operare, Addax AMI poate folosi şi medii ca RF, GSM / GPRS,
Ethernet;
Addax AMI oferă un transfer de date utilizând PLC de mare viteză, folosind S-FSK şi
tehnica OFDM. Ratele ridicate de transfer de date permite upgrade de firmware de la
distanţă, care asigură o dezvoltare continuă a sistemului şi de adaptare până la data curentă.
6. Linky
Nouă generaţie de contorizare a ERDF, Linky are beneficii multiple pentru clienţi. Începând
cu facturarea, care poate fi calculată pe baza consumului real, intervenţii realizate la distanţă, şi în
timp mult mai scurt [36].
Sistemul de informare şi infrastructura de comunicaţie este conceput pentru a controla de la
distanţă contoarele inteligente. Mai mult de 40 de servicii sunt disponibile, oferind:
achiziţia automată a datelor
funcţii de control la distanţă
gestionarea datelor provenite de la contor
salvarea şi gestionarea datelor
supraveghere IT
monitorizarea comunicaţiei în reţea.
Caracteristici tehnice:
Servicii orientate pe arhitectură
Monitorizarea proceselor în afaceri
servicii de interfeţe web
44
securitate punct la punct
disponibilitate foarte mare, cu cluster-e de servere şi site-uri redundante
scalabilitate mare
încărcare echilibrată
Protocol PLC securizat cu tehnica S-FSK (2,4 kbps)
operator GPRS M2M Virtual compatibil cu toţi operatorii de telefonie mobilă din Franţa
laborator de teste PLC.
Fig. 6 – Sistemul eRDF Linky [36]
7. AMIS
Sistemul Siemens AMIS (măsurare automată şi Sistemul informaţional), oferă posibilităţi
ideale combinând funcţia de măsurare şi de gestionare a reţelelor de distribuţie într-un sistem şi a
fost dezvoltat în mod explicit pentru cerinţele speciale ale pieţei de energie liberalizată. Ca o soluţie
completă, AMIS recepţionează datele şi informaţiile contoarelor instalate în gospodării, clienţilor şi
a reţelei de infrastructură de distribuţie şi le transmite la un centru de control [37].
Ca o soluţie completă, AMIS cuprinde toate componentele hardware şi software necesare
pentru următoarele aplicaţii:
achiziţionarea de date privind consumul de energie electrică pentru clienţii cu tarif special şi
clienţii cu contract;
controlul fluxului electric în staţiile de transformare şi a reţelei de distribuţie;
45
deconectarea de la distanţă a clienţilor (servicii de plată în avans, limitarea consumului de
putere maximă);
posibilitatea schimbării planului tarifar pentru clienţii cu contract;
înregistrarea şi analiza calităţii energiei electrice (fluctuaţia tensiunii, şocurile electrice din
reţea, avarii apărute pe termen lung şi calitatea alimentării cu energie electrică analizând
datele furnizate de concentratoarele din staţiile de transformare);
crearea unei platforme de comunicare deschise pentru integrarea de contoare, pentru
operatorii de transport de energie / de alte utilităţi (gaz, termoficare, apă) şi de servicii
suplimentare (automatizarea casei);
înregistrarea furturilor de energie din reţea şi a manipulării dispozitivele neautorizate.
Fig. 7 – Sistemul de contorizare Siemens [37]
8. NationPower AMI
Soluţia NationPower este una completă, sistemul fiind compus din următoarele elemente:
contoare inteligente (ca electricitate, apă, încălzire şi gaz), concentrator, afişor de interior casnic,
unitate de control şi software de tip server. Acesta oferă o soluţie completă la orice formă de
infrastructură, fie că este vorba de energie electrică, apă, sau gaz.
Sistemul suportă administrarea mai multor utilităţi în acelaşi timp, oferind informaţii
transparente în condiţii de securitate ridicată. Arhitectura concepută de NationPower are incluse
toate elementele unui sistem de administrare a unei reţele de contoare completă, cuprinzând
contoare, concentratoare şi software dedicat de monitorizare. Acesta oferă o soluţie de comunicare
46
dublă în cazul în care toate concentratoarele sunt conectate la un centru de date prin GPRS sau
LAN. Fiecare concentrator suportă până la 1024 de contoare de energie electrica inteligente, prin
intermediul unei conexiuni bazate pe PLC. Transmiterea este în timp real şi ajunge la o distanţă de
până la 2 km de linie electrică. Contoarele inteligente NationPower includ module PLC şi RF. RF
este utilizat pentru a comunica cu toate celelalte contoare inteligente din locaţia respectivă,
echipamente de măsură, de control, stocare şi transmitere a informaţiilor către sediul central [38].
NationPower oferă o soluţie robustă şi simplă pentru utilităţi şi consumatorii de platforme de
gestionare a energiei. Combinaţia dintre un contor inteligent şi un sistem de administrare în timp
real face ca această soluţie să fie recunoscută la nivel mondial în sistemele Smart Grid.
9. Enel
Enel are în derulare în prezent un program de investiţii în valoare de 800 de milioane de
euro, de peste cinci ani, pentru modernizarea infrastructurii, în Banat, Dobrogea şi Muntenia Sud,
care va îmbunătăţi vizibil calitatea serviciului de distribuţie. În perioada 2010 - 2012, cel mai mare
volum de muncă în planul de investiţii se va concentra pe modernizarea în Bucureşti, acolo unde
scopul este introducerea unei tehnologii de teleconducere, modernizarea staţiilor de transformare şi
de putere şi înlocuirea liniilor electrice. Din 2005, când compania a intrat pe piaţa din România şi
până la sfârşitul anului 2009, Enel a investit 328 de milioane de euro în România, suma direcţionată
în principal la îmbunătăţire şi modernizare.
Sistemul de teleconducere este o tehnologie revoluţionară care permite controlul de la
distanţă a dispozitivelor de manipulare şi de întrerupere a reţelei de energie electrică. Acest lucru
reduce considerabil durata întreruperilor în furnizarea de energie electrică şi de timp pentru a
remedia prejudiciul, deoarece nu este nevoie de echipe de intervenţie pentru a se deplasa la faţa
locului. În plus, măsurătorile electrice sunt mai uşor de monitorizat. Enel în România pune în
aplicare un sistem de telecontrol în trei regiuni de operare: Banat, Dobrogea şi Muntenia Sud, bazat
pe experienţa acumulată în Italia şi în alte ţări în care grupul este prezent [39].
Utilizarea contoarelor electronice este o inovaţie în sistemele de administrare a
consumatorilor, acestea aducând beneficii precum îmbunătăţirea timpului de acces la contorul
clientului şi eficacitatea furnizorului de energie electrică. Sistemul permite controlul de la distanţă a
întregului proces de distribuţie a energiei electrice, sistemul informatic Telegestore ce stă la baza lui
asigurând colectarea automată a datelor de la contoare.
47
Fig. 8 – Sistem contorizare Enel [39]
Astfel, contorizarea electronică furnizează informaţii cu privire la facturare, energia
consumată profil tarif de zi cu zi, sarcina, calitatea serviciului de distribuţie şi ş.a. Enel testează în
prezent punerea în aplicare a contoarelor electronice din România, printr-un proiect pilot în zona
Ţara Românească. Tehnologia a fost instalată şi funcţionează cu succes în Italia.
Sistemul administrativ automatizat al contoarelor utilizează ca soluţii de comunicaţie tehnologiile
fără fir precum GSM, GPRS, PSTN, cu concentratori instalaţi la fiecare transformator de MT-JT în
secundarul acestuia, aceştia putând asigura comunicaţia bidirecţională în regim semi-duplex cu o
rată de transfer de 2,4 kbps.
În 2008, împreună cu Endesa, Enel a lansat proiectul de contorizare inteligentă adaptând
soluţia Telegestore la nevoile de pe piaţa spaniolă. În acest scop, Endesa a instalat peste 13 milioane
de contoare electrice electronice, în toate locaţiile în care cele vechi au fost utilizate [40].
10. G3-PLC
G3-PLC este soluţia bazată pe comunicaţia prin liniile electrice dezvoltată de compania
Maxim Inovation Delivired în colaborare cu ERDF (Electricite Reseau Distribution France), aceasta
permiţând dezvoltarea reţelelor inteligente în întreaga lume. Aceste sistem este implementat în
Franţa şi va deservi 35 milioane de clienţi. Fiind o soluţie de ultimă generaţie, este luată în
48
considerare pentru dezvoltarea standardelor internaţionale pentru comunicaţii în bandă îngustă prin
medii electrice cum sunt ITU G.hnem/G.9955 şi IEEE P1901.2 [41].
Tehnologia G3-PLC oferă posibilitatea conectării şi administrării echipamentelor electrice
în timp real, cu întârzieri reduse, precum şi utilizarea eficientă a spectrului alocat fapt ce o face un
bun candidat pentru viitoarele aplicaţii din reţelele inteligente. Performanţele acestui protocol se
datorează utilizării tehnicii de împrăştiere a spectrului OFDM, a metodei folosite pentru corectarea
erorilor şi a mecanismelor de robusteţe, permiţând semnalului PLC să interconecteze echipamente
situate la mare distanţă, de ordinul km, cu reducerea numărului de concentratoare şi repetoare.
Rezultatul este o economie de sute de milioane de dolari.
Utilizarea OFDM ajută la optimizarea utilizării lăţimii de bandă. Deoarece OFDM utilizează
mai multe frecvenţe purtătoare, interferenţele pe anumite frecvenţe sau atenuarea semnalului într-o
anumită zonă a spectrului pot fi ocolite mai uşor prin nefolosirea frecvenţelor respective pentru o
perioadă de timp. În plus această fiabilitate sporită permite transferul unui număr mai mare de date,
de ordinul a zeci de kbps. Această fiabilitate este asigurată de cele două coduri corectoare de eroare
utilizate, Convoluţional şi Reed-Solomon.
Generaţia G3-PLC are şi următoarele proprietăţi:
motorul criptografic AES-128 folosit la nivelul MAC;
protocol de rutare tip mesh pentru a determina cea mai bună cale de comunicaţie dintre
nodurile de reţea ;
cartografiere tonală adaptivă pentru utilizarea optimă a lăţimii de bandă;
un mod de operare robust pentru a îmbunătăţi comunicarea în condiţii de zgomot;
estimarea caracteristicilor canalului de comunicaţie pentru a selecta sistemul de modulare
optim între nodurile vecine;
coexistenţa cu sistemul ce utilizează S-FSK.
G3-PLC este atât de robust încât permite realizarea comunicaţiei prin corpul
transformatoarelor doar cu utilizarea unei unităţi de cuplaj ieftine. Acest lucru reduce numărul de
concentratoare necesare în instalaţiile electrice inteligente, reduce costurile de implementare a
sistemului bazat pe PLC făcându-l competitiv cu soluţiile fără fir utilizate în sistemele de
contorizare AMI. Cu această tehnologie se poate realiza comunicaţia prin linia electrică pe o
distanţă de 6 km pe liniile de joasă şi medie tensiune, fapt ce permite administrarea de la distanţă a
contoarelor electrice sau a echipamentelor electronice conectate la reţea. Maxim utilizează în soluţia
sa comunicaţia în bandă îngustă conform reglementărilor internaţionale utilizând frecvenţe
purtătoare mai mici de 500 kHz, după cum prevăd CENELC, FCC şi ARIB. G3 oferă viteză de
transfer ridicată, rază mare de acoperire, capacitatea de traversare a transformatorului fără
49
echipamente dedicate şi compatibilitatea cu IPv6, fiind astfel o soluţie bună pentru viitoarele reţele
de contorizare.
Fig. 9 – Sistem contorizare automat Maxim [24]
G3-PLC utilizează banda de frecvenţe 35.9 kHz - 90.6 kHz în Europa conform CELENEC-
A. Foloseşte tehnica de multiplexare OFDM şi modulaţiile DBPSK şi DQPSK ce îi permit atingerea
unei viteze de transfer de 33,4 kbps în modul normal. Numărul maxim de purtătoare este 128
rezultând într-o dimensiune a IFFT de 256. Acest lucru duce la o distanţă de frecvenţă între
purtătoare egală cu 1.5625 kHz * (FS / N), unde FS este frecvenţa de eşantionare şi N este
dimensiunea IFFT [24].
11. PRIME
Alianţa PRIME se axează pe dezvoltarea unei soluţii deschise, publice şi nonproprietar de
telecomunicaţii pentru sprijinirea dezvoltării sistemelor de contorizare inteligente şi a sistemelor tip
Smart Grid. Tehnologia utilizată pentru dezvoltarea protocolului PRIME (PoweRline Intelligent
Metering Evolution) este comunicaţia prin liniile de alimentare cu energie electrică, aceasta fiind
aleasă pentru performanţele oferite şi aplicabilitatea facilă în reţelele electrice complexe aeriene sau
subterane [25].
50
Tehnologia PRIME foloseşte tehnica de împrăştiere a spectrului OFDM şi banda de
frecvenţe pentru Europa CENELEC A (3 kHz – 95 kHz) conform standardului EN50065-1. PRIME
nu utilizează întreg spectrul sub-benzii A deoarece frecvenţe mai mici de 40 kHz prezintă mai multe
probleme in linii tipice energetice europene decât frecvenţele mai mari de 40 kHz. Semnalul OFDM
foloseşte 97 de frecvenţe situate la distanţe egale între ele de 0,488 kHz, cu un prefix ciclic scurt,
banda de frecvenţe utilizată fiind 41,9 kHz - 88,8 kHz. Modulaţiile folosite sunt diferenţiale în fază
şi cuprind trei constelaţii posibile: DBPSK, DQPSK şi D8PSK. Cu utilizarea acestor modulaţii se
pot atinge viteze de comunicaţie de 47 kbps, 94 kbps si 141 kbps (în cazul în care prefixul ciclic nu
a fost considerat) [25].
51
11. Trecerea de transformator
Citirea contoarelor utilizând mediul electric a suferit încă de la început de prezenţa unui
obstacol de netrecut până în prezent şi anume transformatorul. Transformatorul face trecerea dintre
liniile de JT, MT, ÎT şi FÎT, sub diferite structuri, fiind necesar în reţeaua de distribuţie şi furnizare
a energiei electrice în orice reţea electrică din lume. Fiind o componentă a reţelei electrice ce nu
poate fi evitată la comunicaţia directă, s-au căutat variante de ocolire a acestuia, fie prin soluţii ce
implică utilizarea de reţele fără fir, fie de utilizarea unui echipament ce traversează fizic
transformatorul, acesta preluând datele de pe linia de JT şi injectându-le în linia de MT şi invers.
Schema unui sistem ce utilizează un echipament de ocolire a transformatorului
Un exemplu de echipament de ocolire a transformatorului utilizând soluţii fără fir este
SagemCom XP3000, care utilizează o conexiune PLC pe linia de JT şi una GPRS pentru
conexiunea cu baza de date.
Un exemplu de echipament de ocolire a transformatorului utilizând traversarea fizică a
acestuia prin preluarea datelor de pe linia de JT şi injectarea acestora pe cea de MT este ADDAX
RTR 7. Acesta este singurul echipament de traversare a transformatorului disponibil pe piaţă, oferă
comunicaţie bidirecţională, ceas intern, detecţia automată a echipamentelor periferice. Modul de
cuplare a echipamentului la liniile electrice este capacitiv. Asigură comunicaţia cu până la 1000 de
echipamente periferice. Suportă canale de comunicaţie: PLC (JT-MT), GSM/GPRS, CDMA 2000,
UMTS, Ethernet. Poate comunica utilizând cele mai utilizate modulaţii, şi anume S-FSK şi OFDM,
asigurând viteze de până la 2,4 kbps (JT S-FSK), 128 kbps (JT OFDM), conform specificaţiilor
PRIME şi 4,8 kbps (MT).
Generaţiile modulaţiilor în comunicaţia PLC:
I. FSK, S-FSK, BPSK
II. DCSK
III. DBPSK, DQPSK, D8PSK
Deoarece se dorea eliminarea obstacolului reprezentat de prezenţa transformatorului şi
utilizarea reţelei electrice ca un tot unitar propunerile PLC-G3 şi PRIME evidenţiază posibilitatea
comunicaţiei PLC prin transformator fără existenţa unui echipament dedicat de traversare. În acest
sens s-au efectuat teste care au fost prezentate în cadrul simpozionului internaţional „International
52
Symposium on Power Line Communications and Its Applications (ISPLC)”, dedicat comunicaţiilor
prin reţeaua electrică [43] susţinute de inginerii de la Maxim Integrated Products.
În acest articol [44] se prezintă date referitoare la comunicaţia pe liniile de joasă şi medie
tensiune fără echipamente de traversare a transformatorului. Astfel, folosind specificaţiile PLC-G3,
s-au construit echipamente ce au făcut posibilă comunicaţia dintre un echipament „slave” aflat pe
linia de joasă tensiune la 0,9 km de transformator, şi un „master”, aflat pe linia de medie tensiune la
distanţa de 1,1 km de transformator. Transferul de date s-a putut realiza astfel între cele 2
echipamente în ambele sensuri, dar de multe ori a fost nevoie a se folosi tehnica Robust pentru a se
comunica între mediul de MT şi cel de JT, iar în sens invers, această metodă a fost singura care a
putut asigurat o comunicaţie de încredere.
Cu echipamente construite după aceleaşi specificaţii s-a putut realiza comunicaţia între două
puncte aflate pe linia de MT, la distanţa de 6,4 km de cablu neîntrerupt.
În urma acestor teste s-a concluzionat că transformatoarele introduc distorsiuni
semnificative precum şi atenuare severă a frecvenţelor, de peste 40 dB în cazul semnalului transmis
folosind OFDM.
Într-un alt articol [45], aceeaşi echipă la acelaşi simpozion, dar la ediţia din 2011, au
prezentat teste practice la comunicaţia PLC pe şi între liniile de JT şi MT într-o reţea electrică din
Statele Unite ale Americii conform specificaţiilor FCC. Specificaţiile utilizate pentru aceste teste au
fost cele furnizate de Maxim [46] ca o extensie a G3-PLC. Conform acestor noi specificaţii se pot
atinge viteze de transfer de până la 208 kbps utilizând modulaţia D8PSK. La transferul pe linia de
MT s-a obţinut o rată de transfer de 35 kbps pe o distanţă de 8 km la utilizarea BPSK, iar la
utilizarea 8PSK rata de transfer a crescut la 100 kbps.
La transferul de pe linia de MT pe o distanţă de 1,5 km pe cea de JT prin transformator nu a
fost observată scăderea ratei de transfer. S-a mai observat că în locurile unde sunt puţine ramificaţii
ale reţelei şi nivelul zgomotului este scăzut comunicaţia PLC poate fi realizată şi prin două
transformatoare, fără ca rata de transfer să fie afectată major. În urma analizării măsurătorilor s-a
observat un fenomen de distorsionare a semnalului pe linia de JT a semnalului OFDM. Cauzele
acestui aspect se află încă în stadiul de investigaţie. Ca o concluzie a celor prezentate se subliniază
confirmarea utilizării modului Robust a specificaţiilor G3-PLC, care oferă o scădere considerabilă a
costurilor datorată posibilităţii comunicaţiei prin transformator precum şi a capabilităţii de
comunicaţie pe distanţe mari. Comunicaţia prin liniile de MT şi trecerea prin transformatoare este
esenţială în construcţia unui sistem eficient de administrare de la distanţă a unei reţele de contoare
„inteligente”.
53
12. Unitatea de cuplaj
Deoarece comunicaţia PLC necesită utilizarea de echipamente dedicate acestui scop care
trebuie instalate (ataşate) în reţeaua electrică, acestea trebuie să includă o modalitate de injectare a
datelor sau de preluare a acestora. Pentru acest lucru sunt disponibile două soluţii: conectare
capacitivă şi conectare inductivă. Cele două tipuri de cuplaj funcţionează după principii diferite şi
sunt utilizate de multe ori doar pentru anumite situaţii [43].
Cuplajul inductiv presupune prezenţa unei bobine care se ataşează ca un inel pe cablul
electric şi prin care sunt transmise şi recepţionate semnalele PLC în banda de frecvenţe dorită.
Datorită modului constructiv şi al principiului de funcţionare, se poate deduce uşor că această
soluţie este una care nu necesită întreruperea cablului electric sau amplasarea lui lângă un punct al
reţelei unde să fie disponibilă o zonă neizolată pentru preluarea datelor. Acest cuplaj se alimentează
prin câmpul electromagnetic generat de linia electrică, pe care este ataşat şi de pe care preia sau
trimite date.
Exemple de cuplaj inductiv:
o ADDAX CUI-45D.1-15-75, pentru linii MT aeriene
o Arteche UNIC, pentru linii MT subterane
Cuplajul capacitiv presupune prezenţa unei perechi de condensatoare care se conectează
direct la liniile electrice şi care, prin intermediul unui transformator, fac adaptarea de tensiune la
echipamentul conectat către care se face adaptarea. Cuplajul capacitiv este alcătuit dintr-un
transformator şi două condensatoare. Acesta are 4 terminale, 2 pentru conectarea la modem şi 2
pentru conectarea la linia electrică, câte unul pe fază şi pe nul. Datorită faptului că acest tip de
cuplaj necesită o conectare directă la linia electrică acesta trebuie amplasat într-o zonă unde cablul
electric este neizolat. Cuplajul capacitiv este cel mai utilizat în comunicaţia PLC, mai ales în JT din
motive de reducere a costurilor. Soluţia este utilizată deoarece alimentarea modemului care
funcţionează în c.c. (curent continuu) se face direct prin cuplaj, nemaifiind nevoie de o alimentare
suplimentară [43].
54
Exemple de cuplaj capacitiv:
o YITRAN IT800 AFE, pentru linii JT aeriene;
o ADDAX CU7.C2-2, pentru linii MT aeriene;
o Arteche OVERCAP-X, pentru linii MT aeriene;
o Arteche UNDERCAP S-24, pentru linii MT subterane;
o Siemens AKE 100, pentru linii ÎT aeriene.
În practică cele două soluţii sunt utilizate astfel:
• Linii subterane: cuplaj capacitiv şi inductiv;
• Linii aeriene: cuplaj capacitiv.
55
13. Concluzii, contribuţii şi direcţii viitoare de cercetare
Comunicaţiile prin reţeaua electrică reprezintă o soluţie adiacentă pentru sistemele de citire
a contoarelor electrice, apă, gaz şi administrare a reţelelor electrice tip Smart. Soluţiile găsite în
ultimii ani pentru comunicaţia în bandă îngustă prin liniile electrice permit interconectarea unui
număr mare de contoare şi un centru de control. Deşi soluţiile fără fir au fost o soluţie utilizată în
majoritatea sistemelor de contorizare automată, noile tehnologii PLC pot oferi performanţe
asemănătoare, în unele cazuri chiar superioare, cu costuri de instalare şi întreţinere echivalente sau
mai reduse.
În Europa sunt multe sisteme de contorizare automată care utilizează deja soluţii PLC, la
acestea adăugându-se un număr mare de proiecte implementate pe plan mondial de schimbare a
contoarelor mecanice cu cele electronice, care permit realizarea comunicaţiei de la distanţă.
Tehnologia PLC se bucură de marele avantaj al mediului fizic utilizat pentru transmiterea datelor,
iar implementarea tehnicii OFDM, adiacentă DCSK, rezolvă o parte din problemele ridicate de
atenuarea semnalului în linia electrică sau la traversarea transformatoarelor de MT/JT.
În această lucrare este prezentat stadiul actual al sistemelor de citire automată a contoarelor
care utilizează tehnologia PLC. Comunicaţia PLC este reglementată de standarde publicate sau în
curs de creare, evoluând în ultimii ani ca performanţă cu viteză de transfer de la 10 kbps la 1Mbps
şi ca distanţă de comunicaţie de la câţiva metri la câţiva km.
În această lucrare au fost aduse următoarele contribuţii:
- identificarea şi analiza tehnicilor folosite în dezvoltarea comunicaţiei PLC de la prima sa
utilizare şi până în prezent;
- studiu comparativ al tehnicilor de acces la mediu utilizate în mediile cablate şi identificarea
celei ce se pretează cel mai bine pentru PLC;
- identificarea şi prezentarea sistemelor de citire automată a contoarelor electrice utilizate de
majoritatea distribuitorilor de energie electrică;
- identificarea soluţiilor oferite de producătorii de sisteme PLC pentru sistemele de
contorizare;
- identificarea ultimelor tehnologii utilizate sau propuse spre implementare în sistemele AMR;
- identificarea problemelor majore cu care se confruntă comunicaţia PLC şi analiza
rezultatelor practice a protocoalelor ce intenţionează să le rezolve;
- prezentarea protocoalelor PLC dezvoltate de companii în lipsa existenţei unui standard
dedicat comunicaţiei prin linia electrică în bandă îngustă.
56
Direcţii viitoare de cercetare:
- realizarea de teste practice atunci când comunicaţia PLC este realizată prin corpul unui
transformator de MT/JT cu varierea distanţei din secundare;
- propunerea unei arhitecturi PLC ce utilizează un număr minim de echipamente intermediare
(repetor, concentrator) şi utilizează ca medii de comunicaţie liniile electrice de MT şi JT;
- identificarea posibilităţii varierii raportului de ½ la valori subunitare ale codului
convoluţional în vederea creşterii vitezei de transfer prin implementarea codului
convoluţional punctual (Punctured convolutional codes);
- analiza şi identificarea posibilităţilor scăderii ratei de eroare în cazul comunicaţiei prin
corpul unui transformator de MT/JT;
- realizarea unei aplicaţii proprii de citire a unui contor electric prin corpul unui transformator.
Diseminarea rezultatelor:
C. Maleş, V. Popa, „Analiza evoluţiei comunicaţiei prin liniile electrice de exterior”, seminarul
ştiinţific naţional „Sisteme Distribuite”, Suceava, 2010
C. Males, V. Popa, A. Lavric, „An original AMR architecture using a PLC protocol”,
International Conference of Scientific Paper AFASES, 2012, p. 561-564, indexat EBSCO
Codrin Males, Valentin Popa, Alexandru Lavric, Ilie Finis, Mihai Ursuleanu, „Contributions to
automatic meter reading using power line communications”, The Doctoral Summer School on
Evolutionary Computing in Optimisation and Data Mining (ECODAM), Iasi, 2012
C. Males, V. Popa, A. Lavric, I. Finis, „PLC performance evaluation through a power
transformer using PRIME”, 9th WORLD ENERGY SYSTEM CONFERENCEWESC (WESC)
2012, idexat în buletinul AGIR nr.3/2012, p. 257-262
57
14. Referinţe generale
[1] www.eurox10.com/contect/x10signalTheory.htm
[2] S. Galli, A. Scaglione, and Z. Wang, “For the grid and through the grid: The role of power
line communications in the smart grid,” Proceedings of the IEEE, vol. 99, no. 6, pp. 998 –
1027, june 2011.
[3] CENELEC, “Signaling on low-voltage electrical installations in the frequency range 3kHz
to 148.5kHz Tech. Rep. EN 50 065-1”, 1991.
[4] Federal Communications Commission, “Inquiry Regarding Carrier Current Systems,
including Broadband over Power Line Systems,” ITU-T, Tech. Rep. FCC 03-100, 2003.
[5] S. Galli, A. Scaglione, and Z. Wang, “Power Line Communications and the Smart Grid”,
First IEEE International Conference in Smart Grid Communications (SmartGridComm),
2010, pp. 303 –308.
[6] “IEEE Draft Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control
and Physical Layer Specifications,” IEEE P1901/D4.01, July 2010, 2010.
[7] “IEEE Draft Standard for Low Frequency (less than 500 kHz) Narrow Band Power Line
Communications for Smart Grid Applications Recommendation ITU-T G.9972 (2010),
Coexistence mechanism for wireline home networking transceivers.” IEEE P1901/D4.01,
July 2010, 2011.
[8] International Telecommunication Union, “Coexistence mechanism for wireline home
networking transceivers,” 2010.
[9] V. Oksman, “New ITU-T Recommendations for Smart Grid in-home and access
communications.” Presented at ETSI Smart Grid Workshops Sophia Antipolis, France,
2011.
[10] M. Hoch, “Comparison of PLC G3 and PRIME”, IEEE International Symposium on
Power Line Communications and Its Applications (ISPLC), 2011, pp. 165 –169.
[11] http://cms.comsoc.org/SiteGen/Uploads/Public/Docs_ISPLC_2009_/keynotes/2009-
03-30_ISPLC-Keynote_V1d.pdf
[12] Electricite Reseau Distribution France, PLC G3 Physical Layer Specification,
Project PLC G3 OFDM, 2009.
[13] B. P. Upender, P. J. Koopman, Communication protocols for embedded systems,
Embedded Systems Programming, 1994, p. 46-58.
[14] K. Razazin, M. Umari, G3-PLC Specification for Powerline Communications:
Overview, System Simulation and Field Trial Results, Internation Symposium on Power
Line Communications, 2010.
58
[15] Dan Raphaeli, Itran communications Ltd., United States Patent, part number
6,064,695; “Spread spectrum communication system utilizing differential code shift keying”
, 16 may 2000
[16] Kevin Jones, Christos Aslanidis, “DCSK Technology vs. OFDM Concepts for PLC
Smart Metering”, Renesas, DCSK OFDM White paper R1.0, martie, 2009
[17] http://xa.yimg.com/kq/groups/22170270/1127767793/name/CE+cap+2.PDF
[18] Olaf G. Hooijen, “A channel model for the low-voltage power-line channel;
Measurement and simulation results”,IEEE International Symposium on Power Line
Communications and Its Applications (ISPLC), 1997
[19] D. Ayyagari, C. Chan, “A coordination and bandwidth sharing method for multiple
interfering nieghbor networks”, IEEE Consum. Commun. Netw. Conf., Las Vegas, USA,
2005
[20] Newbury J., “Broadband power line communications for the electricity supply
industry,” Proc. IEEE/PES Transmission distribution conf. Expo., Chicago, USA, 2008, pp.
1-8
[21] A. Tookey, J. Whalley, “Broadband diffusion in remote and rural Scotland”,
Telecommun. Policy, 30 (8-9), 431-95, 2006
[22] A. Cunha, P. Biggs ad H. Quintella, “The challenges of integrating BPL into existing
telecom business models: Market visions from Brazilian research”, Proc. Int. Symp. Power
Line Commun. And its Applic., Vancouver, Canada, 2005, pp. 395-9.
[23] Luis F. Montoya, “Performance Overview of the Physical Layer of Available
protocols”, Donetsk National Technical University, 2006.
[24] Electricite Reseau Distribution France, PLC G3 Physical Layer Specification,
Project PLC G3 OFDM, 2009.
[25] PRIME Alliance, Draft Standard for PoweRline Intelligent Metering Evolution,
Version 1.3E, 2010.
[26] http://www.enverv.com/standards.php
[27] http://www.privatesemi.com/2011/12/enverv-raises-12m-round-of-financing.html
[28] http://www.yitran.com/index.aspx?id=3330&itemID=3188
[29] MAXIM, Smart grid solution guide, 2011, Maxim Integrated Products
[30] LonTalk Protocol Specification, v3, Echelon Corporation, 1994
[31] http://www.echelon.com/products/systems-software/smart-metering-system-
sw/default.htm
[32] http://www.yitran.com/index.aspx?id=3353
[33] http://www.aem.ro/products/products.php?id=1&sub=21&prod=19&lang=ro
59
[34] http://www.elstermetering.com/en/metering_systems_amr_ami.html
[35] http://www.addgrup.com/addax/
[36] http://www.erdfdistribution.fr/Linky
[37] http://www.energy.siemens.com/co/en/energy-topics/smart-grid/smart-
consumption/smart-metering-infrastructure.htm#content=Description
[38] http://www.nationpower.com/index.php?dir=site&page=content&cs=3111&mitm=3
012&sitm=3192
[39] http://www.enel.ro/ro/distributie/distributie/alte_tehnologii.htm
[40] http://www.enel.com/en-GB/innovation/smart_grids/smart_metering/spain/
[41] MAXIM, Smart grid solution guide, 2011, Maxim Integrated Products
[42] http://www.prime-alliance.org/
[43] H. C. Ferreira, L. Lampe, “Power Line communications – Theory and Applications
for Narrowband and Broadband Communications over Power Lines”, Ed. Wiley, 2010.
[44] K. Razazin, M. Umari, “G3-PLC Specification for Powerline Communications:
Overview, System Simulation and Field Trial Results”, Internation Symposium on Power
Line Communications, 2010.
[45] Kaveh Razazian, Amir Kamalizad, “G3-PLC Field Trials in U.S. Distribution Grid:
Initial Results and Requirements”, ISPLC, 2011.
[46] Maxim Integrated Products, “Supplement to PLC G3 physical layer specifications
for operation in the FCC frequency band”, 2010.