PRZESYŁ INFORMACJI SIECIĄ NISKIEGO NAPIĘCIA

PRZESYŁ INFORMACJI SIECIĄ NISKIEGO NAPIĘCIA Wykonał : Dziuk Rafał Jama Piotr

Spis treści. 1. Wstępne wiadomości na temat przesyłu............... 1 2. Pierwsze układy przesyłowe........................ 1 3. Układ PLC..................................... 3 4. Parametry sieci PLC.............................. 5 5. Zakłócenia w systemie PLC........................ 5 6. Realizacja transmisji............................. 10 7. System dostępowy DPL.......................... 13 8. System pomiarowy z transmisją danych............. 16 9.Podsumowanie.................................. 20 10. Literatura.................................... 20 2

1. Wstępne wiadomości na temat przesyłu. W 2002 roku nastąpił komercyjny debiut nowej usługi informatycznej, polegającej na przesyłaniu danych cyfrowych w oparciu o istniejącą sieć energetyczną. Cały urok wprowadzanej właśnie w Polsce technologii zwanej PLC (Power Line Communication) polega na tym, że wystarczy zmienić obudowę domowego gniazdka elektrycznego, by korzystać z bardzo wydajnego dostępu do internetu. Prawdopodobnie, to samo gniazdko umożliwi prowadzenie rozmów telefonicznych oraz pobieranie programów telewizyjnych. Opisy możliwości, jakie niesie wykorzystanie nowej technologii brzmią może rewolucyjnie, ale prowadzone testy w warunkach naturalnych wykazały, że system działa. Mieszkańcy jednej z krakowskich kamienic, wyposażonej w instalację elektryczną pamiętającą lata 50., od kilku miesięcy cieszą się dostępem do internetu o przepustowości, o jakiej większość internautów może tylko pomarzyć 2. Pierwsze układy przesyłowe. Prace nad przesyłem sygnałów przez sieć energetyczną rozpoczęto ponad 80 lat temu w Stanach Zjednoczonych. Początkowo celem było sterowanie urządzeniami energetycznymi na odległość. Pierwsze próby wypadły pomyślnie, jednakże wysokie koszty nie pozwoliły w owym czasie na komercjalizację tej technologii. W latach 70. i 80. zaczęto wykorzystywać przesył niewielkich pakietów danych za pośrednictwem sieci energetycznej. Szczególną popularność zdobyły urządzenia do monitorowania niemowląt, gdzie nadajnik podłączony do gniazdka elektrycznego w jednym pomieszczeniu (sypialni dziecka) przekazywał sygnał po sieci elektrycznej wewnątrz domu do odbiornika podłączonego do gniazdka w innym pomieszczeniu. Równocześnie wprowadzono rozwiązania służące synchronizowaniu ulicznych zegarów i świateł sygnalizacyjnych. Prawdziwy przełom dla technologii PLC rozpoczął się na świecie w latach 80. i 90 wraz z deregulacją rynków energetyki i telekomunikacji. Postępujący rozwój technologii pozwolił także na większą kompresję danych oraz powiększenie przepustowości istniejących kabli energetycznych. Aby zapewnić odbiorcom niezawodność w dostarczaniu energii elektrycznej, konieczne było monitorowanie sieci elektroenergetycznej pozwalające na natychmiastową reakcję (nawet automatyczną) w przypadku awarii. Korzystano wtedy właśnie z istniejącej już infrastruktury i dzięki niej przesyłano polecenia od dyspozytorów do stacji transformatorowych oraz odbierano komunikaty (potwierdzenia) o stanie łączników, wartościach mocy, napięć itp. Tym sposobem załączano też baterie kondensatorów kompensacyjnych poprawiających cos φ oraz dokonywano odczytu liczników energii elektrycznej 3

i przełączania taryf. Rozwiązanie to jest stosowane do dziś i również w Polsce przez sieci energetyczne, wykorzystuje jednak częstotliwości poniżej 100 khz. Sygnał PLC można niekiedy usłyszeć na falach długich (np. 225 khz), jadąc samochodem pod linią WN lub nad kablem zakopanym w ziemi. 3. Układ PLC. Nowa technologia polega na przesyłaniu danych teleinformatycznych za pomocą kabli światłowodowych lub energetycznych do stacji transformatorowej, w której będą zamontowane odpowiednie urządzenia, a następnie do abonentów siecią niskiego napięcia. Główną zaletą systemu jest istniejące okablowanie, które mają prawie wszyscy, nie trzeba więc ponosić kosztów z nim związanych. W Polsce to właśnie te koszty są jednym z hamulców rozwoju szerokopasmowego dostępu do Internetu Rys.1 Schemat połączeń układu PLC. W stacji transformatorowej lub sąsiadującym pomieszczeniu, do którego jest doprowadzony sygnał informatyczny za pomocą światłowodu, kabla, radiolinii lub drogą satelitarną, umieszczany jest tzw. kontroler zewnętrzny (Outdoor Master). Nakłada on na przyłączoną do niego sieć elektryczną niskiego napięcia o częstotliwości 50 Hz dodatkowy sygnał wielkiej częstotliwości, który jest dalej przesyłany do końcowego abonenta. Jest to tzw. system zewnętrzny. Sygnał ten dochodzi następnie do kontrolera wewnętrznego (OAP/IC) umieszczonego w złączu elektrycznym przy budynku, skąd dalej jest przesyłany do wszystkich gniazd sieciowych zainstalowanych u użytkowników. Ta część instalacji tworzy system wewnętrzny. Oba połączone systemy tworzą komórkę PLC (Power Cell). Końcowy abonent przyłącza się ze swoim komputerem przez adapter (modem) wewnętrzny (Indoor Adapter). W ten sposób może być przyłączonych do 20 abonentów. Dla każdych kolejnych dwudziestu musi być 4

zainstalowany następny kontroler wewnętrzny przy budynku. Ponieważ dla jednego abonenta, np. w wolno stojącym domku czy warsztacie, nie opłaca się instalować drogiego kontrolera wewnętrznego, producent oferuje też tanie adaptery zewnętrzne (Outdoor Adapter), które umożliwiają bezpośredni dostęp do systemu zewnętrznego. Warunkiem koniecznym do przyłączenia użytkownika jest jego odpowiednia lokalizacja w stosunku do stacji transformatorowej, w której będą zamontowane urządzenia. Maksymalna odległość abonenta od stacji nie może być większa niż 250 m. Z kolei jego odległość od kontrolera wewnętrznego przy budynku nie może być większa niż 100m. Podział na sieć zewnętrzną i wewnętrzną ma swoje zalety. Komunikacja wewnętrzna (np. korzystanie z drukarki sieciowej) nie obciąża systemu zewnętrznego i następuje wyraźny podział odpowiedzialności za całą instalację. Od transformatora do punktu dostępu przy budynku sieć jest własnością Zakładu Energetycznego, a w budynku należy do jego właściciela. Wszystkie urządzenia mają zintegrowane zabezpieczenia przesyłanych informacji oparte na sieci wirtualnej i szyfrowanej transmisji danych. Implementacja tych sieci wykorzystuje standard IEE 802.1Q zapewniający odpowiednią separację sygnałów i gwarantujący, że dane informatyczne trafią tylko i wyłącznie do konkretnego adresata. Szyfrowanie danych skutecznie zabezpiecza informacje przed próbą odczytania ich przez innych. Urządzenia PLC są obsługiwane przez protokół SNMP pozwalający na łatwą integrację z istniejącymi systemami zarządzania siecią elektroenergetyczną, co umożliwia monitorowanie i szybką lokalizację uszkodzeń. Nad uruchomieniem transmisji danych poprzez istniejące sieci energetyczne pracują obecnie w Polsce dwie firmy: polsko-amerykańska Pattern Communications (PC) oraz szwajcarska Ascom Poland. Wszystko wskazuje na to, że pierwszy nową usługę zaoferuje Pattern Communication. Spółka ma już za sobą zakończone sukcesem testy w kilku polskich miastach oraz - co bardzo ważne - podpisane umowy z pięcioma zakładami energetycznymi w zakresie wprowadzania usług w oparciu o technologię PLC. Na współpracę z PC zdecydowały się do tej pory: Górnośląski Zakład Elektroenergetyczny SA, Zakład Energetyczny Kraków SA, Zakład Energetyczny Warszawa-Teren SA, Energetyka Poznańska SA i Lubzel SA. Kierownictwo Pattern Communication ocenia, że na terenach obsługiwanych przez pięć wymienionych zakładów mieszka ok. 4 milionów potencjalnych użytkowników nowej technologii. Najprawdopodobniej spółka zaoferuje usługi telekomunikacyjne i internetowe wykorzystujące sieci niskiego napięcia już w tym roku. Według Marcina Bodnara, prezesa Pattern Communication, do końca 2002 roku firma chce pozyskać ok. 3 tysiące klientów. Nasycenie siecią elektryczną w Polsce sięga 99 %, a zatem jest znacznie większe niż np. sieci telefonicznej. Daje to realne szanse na dotarcie technologii PLC także do terenów słabo zurbanizowanych. Praktyczne sprawdzenie takich możliwości było jednym z powodów, dla 5

których specjaliści z Pattern Communication zdecydowali się na prowadzenie pierwszych testów wspólnie z krakowskim zakładem energetycznym. Technologia PLC umożliwia klientom bardzo prosty i komfortowy dostęp do usług telekomunikacyjnych. Urządzenie dostępowe, które posiada wyjście telefoniczne i komputerowe może być podłączone do dowolnego gniazdka w mieszkaniu. Nie jest konieczna żadna ingerencja w systemie, gdyż urządzenia funkcjonują zgodnie z zasadą Plug and Play (włącz i działa), co oznacza, że samoistnie dokonują konfiguracji. Jednak wyposażenie instalowane w mieszkaniach klientów stanowią tylko część systemu PLC. Pozostałe elementy muszą być podłączone do sieci zewnętrznej (szkieletowej). I tutaj czai się problem, który potwierdza zasadę, iż nie ma rozwiązań idealnych. Otóż dostępne obecnie rozwiązania PLC pracują na niskich napięciach. To oznacza, że usługa będzie działała tylko w przypadku, gdy od stacji transformatorowej do gniazdka elektrycznego w mieszkaniu klienta będzie nie więcej niż 300 metrów. Te ograniczenia zostaną zlikwidowane być może jeszcze w tym roku, bowiem technolodzy zapowiadają dostarczenie na rynek rozwiązań PLC działających na średnich napięciach, a wtedy zasięg zwiększy się do co najmniej 1 kilometra. 4. Parametry PLC. Nowa technologia zapewnia (obiecuje) szybkość transmisji danych do 4,5 Mb/s w obrębie jednej komórki PLC, ale są już prowadzone prace nad zwiększeniem przesyłu do 10 Mb/s. Faktyczna szybkość przesyłania danych będzie jednak zależeć od liczby abonentów korzystających w danej chwili z Internetu i może być dużo mniejsza. Także system kontroli błędów transmisji (oprogramowanie) może zmniejszyć tę szybkość do 2,25 Mb/s. Transmisja danych w systemie zewnętrznym jest realizowana w zakresie częstotliwości od ok. 1-10 MHz, a w systemie wewnętrznym od ok. 12-30 MHz. Moc przesyłu nie jest duża i wynosi od 40 nw do 20 mw, w zależności od tłumienia w sieci energetycznej, przy czym w systemie wewnętrzny jest najmniejsza. 5. Zakłócenia w systemie PLC. Przesyłanie danych za pośrednictwem nieosłoniętych (nieekranowanych) linii elektroenergetycznych może powodować zakłócenia transmisji radiowych oraz, zdaniem niektórych ekspertów, potencjalne zagrożenie dla zdrowia. Obrońcy tej technologii uważają z kolei, że poziom promieniowania emitowanego przez linie elektroenergetyczne jest dużo niższy np. od promieniowania emitowanego przez telefony komórkowe. W Polsce zagadnieniem tym bardzo interesuje się Polski Związek Krótkofalowców (PZK). Jego przedstawiciele przedstawiają 6

dużo zarzutów związanych głównie z zakłócaniem elektromagnetycznym. Twierdzą, że sieć elektroenergetyczna nie jest przystosowana do transmisji fal radiowych i w związku z tym działa jak antena promieniująca. Obecnie nie ma jeszcze oficjalnych przepisów na ten temat, ale wkrótce na pewno się pojawią. Może się wtedy okazać, że większość proponowanych systemów PLC nie będzie ich spełniała. Problem polega na tym, że transmisja, która odbywa się w przewodach elektroenergetycznych nie podlega bezpośrednio przepisom o emisji radiowej, tylko o zakłóceniach wywoływanych przez urządzenia elektryczne, takie jak silniki, wyłączniki itp. Nie uwzględniają one niestety promieniowania elektromagnetycznego z nieekranowanych linii przesyłowych. Przygotowywane normy europejskie będą stawiały wyższe wymagania w zakresie zakłóceń niż w przypadku bezpośredniej emisji radiowej. Z częstotliwości wykorzystywanych w PLC korzystają różne służby radiowe, takie jak rozgłośnie radiowe, komunikacja lotnicza i morska, stała i ruchoma służba cywilna, wojskowa, bezpieczeństwa, radioastronomia, a także amatorzy krótkofalowcy. Przedstawiciele PZK twierdzą, że nawet przy ograniczeniu promieniowania do poziomu wymaganego przez dość liberalną niemiecką normę NB 30, dopuszczającą znacznie wyższy poziom interferencji z linii przewodowych (elektroenergetycznych) niż dopuszczalny przy emisjach radiowych, odbiór na falach krótkich i średnich będzie zakłócony, oczy-wiście w bliskiej odległości anteny odbiorczej od sieci energetycznej. Byłoby to naruszeniem art. 10 Europejskiej Konwencji Praw Człowieka pozwalającego na prawo do aktywnej i pasywnej wolności informacji. Kolejny problem to możliwość zakłócania pracy urządzeń elektrycznych przyłączonych do sieci przez sygnały PLC i odwrotnie. Najbardziej czułe na zakłócenia są urządzenia elektroakustyczne, ale także nowoczesna kuchenka elektryczna z programatorem. Istnieje też obawa, że użytkownik systemu PLC będzie mógł łatwo zakłócić transmisję internetową u sąsiada zwykłym urządzeniem AGD. Wysoki poziom zakłóceń z zewnątrz może w istotnym stopniu obniżyć szybkość transmisji, a nawet ją przerwać. Jedno jest pewne. Już w tej chwili pojawiły się problemy prawne związane z nowym systemem, które powinny być jak najszybciej w odpowiedni sposób uregulowane. Firmy oferujące nową usługę twierdzą, że ich urządzenia są należycie zabezpieczone przed zakłóceniami i że zarówno one same, jak i system transmisji nie będą powodować żadnych interferencji. Częstotliwości nośne są wg nich tak dobrane, że nie kolidują z używanymi przez rozgłośnie radiowe i krótkofalowców. W interesie wszystkich jest bowiem, aby się wzajemnie nie zakłócać. Ponieważ praktyka często mija się z teorią i optymistycznymi zapowiedziami, PZK proponuje utworzyć niewielką grupę specjalistów, która zajęłaby się tym zagadnieniem i nawiązała współpracę z firmami oferującymi technologię PLC. Przedstawiciele PZK uważają, że należy przeprowadzić odpowiednie pomiary zakłóceń i że sprawą powinien się zająć Urząd Regulacji Telekomunikacji 7

(URT), Ministerstwo Obrony, Straż Pożarna, Pogotowie, Polskie Linie Lotnicze, Żegluga Morska, Polskie Radio, a także instytuty i uczelnie, które mogłyby się włączyć do badań, a nawet zaproponować prace magisterskie i doktorskie dotyczące tego zagadnienia. Rys.2 Zakres pasm częstotliwości w sieli energetycznej W komunikacji przez sieć energetyczną ważnym zagadnieniem przy analizie sieci jako kanału komunikacyjnego jest znajomość parametrów sieci, ponieważ w istotny sposób oddziałują one na jakość kanału. Jest to zagadnienie skomplikowane i bardzo niekorzystne dla komunikacji, ponieważ w sieci przez cały czas są włączane i wyłączane urządzenia, co zmienia parametry sieci, na w konsekwencji jakość kanału komunikacyjnego. Ponadto, komputery albo przyrządy, które chcą się komunikować, mogą mieć sygnały o różnych fazach, co uniemożliwia komunikację. Innym ważnym zagadnieniem analizowanym przez PLC jest tłumienie sieci. Okazuje się bowiem, że może ono osiągać nawet 60 db i silnie zależy od częstotliwości, a ponadto zmienia się wraz z obciążeniem sieci. W linii pojawia się również wiele sygnałów przypadkowych i szumów pochodzących od pracujących urządzeń, wyładowań czy zwarć. Tą drogą dostają się do linii zasilającej niekorzystne harmoniczne, mogące silnie zniekształcać sygnał danych. W sieci energetycznej występują różne zakłócenia elektromagnetyczne, zalane od źródła pochodzenia. Możemy je podzielić na zewnętrzne i wewnętrzne. Pierwsze wnikają do sieci drogą radiową, a ich źródłami są: stacje radiowe, wyładowania atmosferyczne, iskrowniki, pojazdy samochodowe z niesprawnymi instalacjami zapłonowymi itp. drugi typ powstaje wewnątrz sieci zasilającej. Ich źródłami są urządzenia zasilane z tej sieci. W zależności od typu urządzenia, generuje ono inne rodzaje zakłóceń, jednak generalnie możemy je podzielić na dwa typy: impulsowe i powstające podczas ciągłej pracy 8

urządzenia (o widmie ciągłym). Zakłócenia impulsowe występują w momencie włączania urządzeń, przy iskrzeniu styków i komutatorów silników. Mają one różną energię, która zależy od mocy pobieranej przez urządzenie w momencie powstania zakłócenia. Rys.3 Transmisja sygnału w środowisku z zakłóceniami impulsowymi. Zakłócenia powstające przy pracy ciągłej urządzenia zależą od zjawisk w nim zachodzących. W odbiornikach o charakterystyce rezystancyjnej powstają szumy o charakterze termicznym, które są jednak małe i można je pominąć. Silniki elektryczne wytwarzają zakłócenia o dużej mocy, również telewizory, komputery itp. urządzenia wytwarzają zakłócenia, które mają wpływ na transmisję. Ich charakter jest jednak okresowy i wynika z faktu pobierania przez przetwornice w zasilaczu impulsowym dużej mocy. 9

Rys.4 Transmisja sygnału w środowisku z zakłóceniami ciągłymi. Niejednorodność okablowania sieci zasilającej również ma wpływ na transmisję danych. ponieważ może powodować powstanie odbić i interferencji. Takie niejednorodności biorą się ze stosowania różnych przekrojów przewodów, stosowania przełączników i gniazdek itp. Zjawiskiem niekorzystnym dla transmisji danych przez sieć elektroenergetyczną są powolne i szybkie fluktuacje impedancji odbiorników energii elektrycznej dołączonych do sieci. Fluktuacje powolne są wywołane dołączaniem i odłączaniem od sieci odbiorników rezystancyjnych, takich jak żarówki, grzejniki. Fluktuacje szybkie wynikają zaś z impulsowego poboru prądu przez niektóre typy urządzeń elektrycznych, takie jak np.: odbiorniki TV, komputery osobiste, zasilacze tyrystorowe itp. Jedne i drugie zmieniają impedancje wejściowe odgałęzień sieci energetycznej i tym samym destabilizują warunki propagacyjne (zmiana tłumienności toru transmisyjnego, zmiana współczynnika odbicia) dla przesyłanych w niej sygnałów. Fluktuacje te powodują, że sieć elektroenergetyczna stanowi bardzo niestabilne medium transmisyjne, o zmieniających się losowo parametrach. Ważnym zagadnieniem, mogących w pewnych przypadkach mieć znaczenie, jest długość kanału komunikacyjnego, a zwłaszcza największa odległość miedzy porozumiewającymi się modułami PLC. Ma to miejsce wtedy, gdy odległość ta będzie porównywalna z 1/8 długości fali używanej jako nośnik informacji tj. ok. 375 m dla częstotliwości 100 khz i 200 m dla 150 khz. Są to duże odległości i raczej trudne do osiągnięcia w instalacjach domowych, jednak przy pewnych zastosowaniach należy zwracać na nie uwagę. Należy zwracać również uwagę na miejsce, w którym włączamy komunikujące się urządzenia. Najlepiej jest, gdy znajdują się one w jednym obwodzie (ta sama faza), ponieważ połączenia międzyfazowe drastycznie zmniejszają zasięg transmisji, wprowadzając bardzo duże tłumienie. 6. Realizacja transmisji. Ponieważ kanał transmisyjny zawiera szereg zakłóceń i jego parametry zmieniają się w czasie, muszą być zastosowane specjalne metody zabezpieczenia i korekcji przesyłanej informacji, przez stosowanie metod modulacji, które są podobne do stosowanych w sieciach radiowych. Te zabiegi pozwalają na uodpornienie wiele tych niekorzystnych zjawisk. W systemach PLC możemy używać różnych metod modulacji. Generalnie można je podzielić na modulacje wąskopasmowe i z rozszerzonym widmem. Komercyjne zastosowania znalazły wąskopasmowe modulacje, typu: kluczowanie z przesunięciem amplitudy (ASK) kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (FSK) 10

kluczowanie z przesunięciem fazy (PSK) oraz ich odmiany. Kluczowanie z przesuwem amplitudy ASK polega na zmianie amplitudy harmonicznego sygnału nośnego w zależności od tego, czy nadawany jest symbol binarny 0, czy też binarny 1. Przebieg sygnału zakodowanego modulacją ASK charakteryzuje się tym, że większa amplituda odpowiada wartości binarnej 1, a mniejsza wartości binarnej 0. Ten sposób modulacji jest prosty i niedrogi w realizacji, jednak sygnał ASK jest podatny na zniekształcenia przez zakłócenia lub szumy. W modulacji FSK amplituda modulacji kluczowania pozostaje niezmienna, natomiast zmianie ulega jego częstotliwość. Występuje tutaj para tonów związanych z poziomami logicznymi sygnału modulującego. Występują wiec przebiegi nośne o częstotliwościach f0+ f i f0- f. Przy impulsie logicznym 1 jest włączany jeden z tych przebiegów, a przy impulsie logicznym 0-drugi. Przesunięcie f jest zwykle nazywane przesunięciem częstotliwości i jest małe w stosunku do wartości częstotliwości przebiegu nośnego f 0. Modulacja FSK jest mniej wrażliwa na szumy niż systemy z kluczowaniem amplitudy, kodowanie i dekodowanie jest proste i tanie. Przy modulacji PSK zmianie ulega faza harmonicznego sygnału nośnego. Sygnał sinusoidalny bez przesunięcia fazowego odpowiada symbolowi binarnemu 1,natomiast symbolowi zero przypisano sygnał przesunięty w fazie o 180 o. Kluczowanie PSK jest również odporne na szum, a ponieważ wykorzystuje jedną częstotliwość nośnej, to szerokość zajmowanego pasma częstotliwości jest mniejsza niż w przypadku modulacji FSK. To rozwiązanie jest najdroższe w implementacji z trzech tutaj przedstawionych. Układy pracujące w wąskim paśmie są narażone na to, że tłumienie sieci może uniemożliwić transmisję sygnału z jednego punktu sieci do drugiego co przedstawiono na poniższym rysunku 11

Rys.5 Odporność na zakłócenia modulacji wąskopasmowej. Z powyższych powodów dla bardziej wymagających zastosowań, zwłaszcza jeśli chodzi o odporność na błędy (a tym samym osiąganie transmisji na większe odległości), w najnowszych rozwiązaniach stosuje się modulację Spread Spectrum (rozproszone widmo), której przesyłany sygnał zajmuje pasmo znacznie szersze, niż wymagane dla sygnału zawierającego informację w paśmie podstawowym. S Ze wzoru Shanonna C = W log 2 wynika, że przepływność kanału N telekomunikacyjnego C jest wprost proporcjonalna do szerokości pasma zajmowanego przez transmitowany sygnał W, jednocześnie wzrasta proporcjonalnie do logarytmu ze stosunku sygnału do szumu i zakłóceń w tym kanale S/N. Poszerzenie pasma zajmowanego przez przekazywany sygnał prowadzi więc do polepszenia jego odporności na zakłócenia, czyli do poprawy jakości transmisji oraz zwiększenia zasięgu łączności. Ponadto uzyskuje się możliwość zwiększenia szybkości przekazywania informacji. Zasadę uzyskania lepszych parametrów dzięki tej modulacji przedstawiono w poniższym rysunku 12

Rys.6 Odporność na zakłócenia modulacji szerokopasmowej. Chwilowe zwiększenie tłumienia sieci na częstotliwości pracy systemu wąskopasmowego może spowodować utratę danych. W systemie z rozproszonym widmem sytuacja taka może mieć miejsce, ale nadawane informacje dostępne będą również na innych częstotliwościach nośnych, gdzie tłumienie w danym momencie jest mniejsze i poprawny odbiór danych jest możliwy. Praktyczne rozwiązanie układowe wymaga zastosowania jedynie dodatkowego układu rozpraszania. Najpierw dane wejściowe podawane są jednej z wąskopasmowych modulacji najczęściej jest to modulacja fazy lub częstotliwości. Następnie widmo nadawanego sygnału jest rozpraszane kodem pseudoszumowym, co powoduje przede wszystkim sztuczne rozszerzenie szerokości zajmowanego pasma. Umożliwia również odbieranie sygnału zawierającego większy poziom szumów i zakłóceń oraz efektywne zmniejszanie poziomu mocy sygnału wprowadzanego do sieci. Układ pracujący w takim systemie emituje sygnały o bardzo małej mocy i zajmuje określoną częstotliwość tylko przez bardzo krótki czas FH Freguency hopping. Inna możliwość to metoda DS Direct Sequence lub metoda Chrip. Metoda DS. wykorzystuje pseudolosowe rozciąganie widma połączone z możliwymi modulacjami AM, FM albo PSK. W tym celu stosuje się sztuczne rozszerzenie widma sygnału danych, poprzez pomnożenie użytecznego strumienia danych, przez pseudolosową sekwencję binarną o wartości większej od 1. Powoduje to rozszerzenie pasma sygnału kilkadziesiąt razy względem pierwotnego strumienia danych. Odbiornik rekonstruuje pierwotne dane strumienia rozciągniętego widma sygnału za pomocą korelacji z lokalną kopią symulowanego szumu, którego sekwencja zawarta jest w sygnale. Frequency 13

Hopping (FH) jest specjalną odmianą modulacji FSK, gdzie informacja transmitowana jest wąskokanałowo, ale na szybko zmieniających się częstotliwościach nośnych. Nadajnik zmienia w szybkim tempie częstotliwość nośnej z szerokiego dostępnego pasma. Chrip albo modulacja impulsowaniem częstotliwością z rozpraszaniem widma jest podobna do metody Direct Sequence, gdzie nadajnik przemiata szeroki zakres częstotliwości podczas danego odstępu impulsów. W rzeczywistości emitowane sygnały mogą być tak słabe, że są niemal nie zauważalne na tle szumów. Właściwość ta sprawia, że w łączności wykorzystującej widmo rozproszone podsłuchiwanie jest bardzo utrudnione, co stanowi dodatkową zaletę. W praktyce o tym, że transmisja się właśnie odbywa, wie tylko adresat. 7. System dostępowy DPL Sieci rozdzielcze niskiego napięcia cyfrowe abonenckie sieci dostępowe Opracowany w instytucie łączności system dostępowy DPL będzie oparty na trzech elementach składowych, takich jak : sprzęgacz (S), stacja bazowa (SB) i moduł komunikacji (MK). Elementy będą połączone między sobą w sposób pokazany na rysunku. Rys.7 Architektura abonenckiej sieci dostępowej DPL. Wyposażenie abonenckie będzie stanowić zespół sprzęgacza i moduł komunikacji. Zespół sprzęgacza będzie pełnić funkcje separatora w.cz. od 14

sygnałów energetycznych i będzie instalowany w sieci energetycznej u wszystkich tych odbiorców energii elektrycznej, którzy będą dołączeni do przewodów fazowych, wykorzystywanych jako tor transmisji techniki DPL. W przypadku odbiorców, którzy będą zainteresowani oferowanymi usługami telekomunikacyjnymi, sprzęgacz ten będzie instalowany tuż przed licznikiem energii elektrycznej. U odbiorców energii elektrycznej nie zainteresowanych dołączeniem do systemu dostępowego DPL, zamiast bezpiecznika głównego będzie instalowany bezpieczniko-sprzęgacz. Moduł komunikacji będzie instalowany jedynie u tych odbiorców energii elektrycznej, którzy będą równocześnie odbiorcami usługi transmisji danych oraz innych usług dodanych. Moduł ten będzie instalowany tuz przy liczniku energii elektrycznej. Docelowo zakłada się integrację sprzęgacza i modułu komunikacyjnego z elektronicznym licznikiem energii elektrycznej. Od strony abonenckiej moduł ten będzie wyposażony w złącze interfejsu. Telefonicznego, umożliwiające dołączenie analogowe aparatu telefonicznego, modemu oraz faksu pracującego w podstawowym paśmie telefonicznym. RS 485 pozwalające na podłączenie komputera PC do dupleksowego kanału informacyjnego o maksymalnej przepływności 256 kbit/s w każdym kierunku transmisji. Aplikacyjnego (np. GPIB) w celu podłączenia licznika zużycia energii elektrycznej, gazu oraz wody do centralnego systemu nadzoru. Sygnalizacji alarmowej i sterowania wyposażeniem inteligentnego domu. Stacja bazowa będzie głównym elementem opracowywanego systemu dostępowego DPL i będzie instalowana w pobliżu transformatora rozdzielczego 15 kv/0,4 kv. Do każdego z torów transmisyjnych techniki DPL będzie ona dołączona za pomocą oddzielnych sprzęgaczy dużej mocy (rys.1).w strukturze systemu stacja będzie wykonywała funkcje: Centrali PABX, obsługującej ruch telefoniczny i informatyczny IP abonentów bezpośrednio do niej podłączonych. Konwersja sygnałów i sygnalizacji dla obsługi ruchu telefonicznego wychodzącego do i przychodzącego do publicznej sieci telefonicznej. Węzła pośredniczącego dla obsługi ruchu informatycznego IP wychodzącego dla przychodzącego do rutera brzegowego publicznej i/lub korporacyjnej sieci WAN. W związku z powyższym w stacji bazowej będzie rozróżniane wywołanie wewnętrzne, odnoszące się do grupy abonentów bezpośrednio do niej dołączonych, od wywołań zewnętrznych kierowanych do publicznej sieci 15

telefonicznej lub publicznej sieci teleinformatycznej. Droga połączeniowa dla wywołań wewnętrznych będzie zastosowana przez stacje bazowa, zaś dla wywołań zewnętrznych przez centrale komutacyjną w przypadku ruchu telefonicznego oraz węzeł komutacji pakietów sieci WAN w przypadku ruchu teleinformatycznego IP. Komunikacja stacji bazowej z modułami komunikacyjnymi, rozumiana tu jako przekaz cyfrowy sygnałów mowy, danych oraz sygnałów kontrolna-sterujących, będzie odbywać się z wykorzystaniem specjalnego protokołu komunikacyjnego, który w warstwie fizycznej będzie stosować technikę dostępową FDMA z czasowym rozdziałem kierunków transmisji i adaptacyjna alokacją K grup N kanałowych w paśmie częstotliwości od 1 MHz do 20 MHz. Rys.8 Grupy kanałowe i ich alokacja. (rus.2) Grupy t będą przesuwane w oddzielne pasma częstotliwości o optymalnych warunkach transmisyjnych w każdym z nich. Jak wynika z badań przeprowadzonych na eksperymentalnej sieci rozdzielczej niskiego napięcia, położenie tych pasm zależy od topologii i infrastruktury technicznej energetycznej sieci rozdzielczej i dla każdej sieci będzie określane indywidualnie przed implementacją w niej systemu DPL. W każdym z kanałów grupy kanałowej będzie stosowana modulacja GFSK z czasowym rozdziałem kierunków transmisji na poziomie pakietów. Wynikowa przepływność binarna na każdego z kanałów będzie wynosić 32 kbit/s w obydwu kierunkach transmisji. Funkcje zarządzania elementami sieciowymi NE tzw. Domeny sieciowej będzie realizować rozproszony system zarządzania, osadzone w jednej z wielu zdalnych terminach nadzoru (ZTN). Ponieważ każdy z terminali ZTN i każdy z nadzorowanych elementów sieciowych NE będzie miał przydzielony indywidualny adres IP, więc komunikacja miedzy nimi będzie realizowana za pośrednictwem sieci WAN, z użyciem protokołu TCP/IP. Za pośrednictwem tego systemu będzie możliwe zdalne. Nadzorowanie stanu pracy poszczególnych stacji bazowych i dołączonych do nich modułów komunikacyjnych. 16

Ustawienie parametrów konfiguracyjnych dla modułów komunikacyjnych, specyfikujących: rodzaj usługi i opcji sieciowych, przepływności maksymalne i gwarantowane kanału transmisji danych, priorytet wywołań, adresy alarmowe, kod szyfrujący itd. 8. System pomiarowy z transmisją danych Poniżej przedstawiono system pomiarowy wykorzystujący do transmisji danych wydzieloną sieć zasilającą oraz doświadczalny system pomiarowy oparty na tej koncepcji. Naturalną konsekwencją upowszechnienia technologii PLC jest jej wykorzystywanie do przesyłania danych w rozproszonych systemach pomiarowych. Szczególnie jest to wykorzystywane przez systemy automatyzacji odczytów danych z liczników energii elektrycznej. W takich systemach stosowana jest wąskopasmowa transmisja danych. W dalszej części zostanie system pomiarowy do monitorowania poziomu wody w zbiorniku retencyjnym publicznej sieci wodociągowej. Dane między zbiornikiem a stanowiskiem dyspozytorskim przesyłane są w wydzielonej sieci zasilającej automatyki. Zadaniem prezentowanego systemu pomiarowego jest pomiar poziomu wody w zbiorniku retencyjnym wody pitnej, przesłanie wyniku pomiaru do dyspozytorni oddalonej o 5 kilometrów i wyświetlenie wskazania na panelu operatorskim. Założono przesyłanie wyniku pomiaru co 1 minutę. Zdecydowano się wykorzystać istniejącą sieć kablową zasilającą istniejące urządzenia automatyki łączącą oba punkty. Sygnał z sądy przekazywany jest do sterownika mikroprocesorowego typu A850, będącego własną konstrukcją współautora. Sterownik zainstalowany na zbiorniku pracuje w trybie SLAVE, tzn. może tylko odpowiadać na pytania z zewnątrz. Drugi sterownik A850 pracujący w trybie MASTER zainstalowany jest w dyspozytorni. Inicjuje on transmisję danych. Sterowniki wyposażone są w graficzne wyświetlacze LCD. 17

Rys.9 Schemat blokowy systemu pomiaru poziomu wody w zbiorniku retencyjnym Sterowniki za pomocą modemu PLC podłączone są do sieci 100V prądu stałego, która zasila urządzenia automatyki w obu punktach. Wydzielona sieć zasilająca jest to fragment sieci energetycznej ogólnodostępnej lub samodzielna sieć zasilająca, która jest odseparowana w zakresie widma sygnałów wykorzystywanych do transmisji danych od sieci ogólnodostępnej. Podstawową funkcją takiej sieci jest przesyłanie energii, a transmisja danych jest dodatkowym jej zastosowaniem. Wydzielanie danego obszaru sieci stosuje się w celu zmniejszenia podatności transmisji na zakłócenia. Rozróżniamy dwie kategorie wydzielonej sieci energetycznej: Sieć wydzielona w sposób naturalny Sieć wydzielona w sposób sztuczny W sieci wydzielonej w sposób naturalny do transmisji danych wykorzystujemy całą sieć zasilaną ze źródła energii nie przenoszącego pasma sygnału użytecznego. Takim źródłem jest transformator energetyczne średniego napięcia na niskie napięcie (SN/NN 15/0,4 kv/kv) lub źródło energii niepołączone z siecią energetyczną np.: agregat prądotwórczy lub akumulator. W przypadku zasilania z transformatora SN/NN cały obszar sieci po stronie niskiego napięcia można traktować jako sieć wydzieloną. Aby taka sieć spełniała warunek sieci wydzielonej, pokrycie użytecznym sygnałem transmisji danych musi obejmować cały obszar sieci oraz odbiorniki zasilane z tej sieci nie mogą generować zakłóceń powodujących zerwanie transmisji. Typowym przykładem takiej sieci są sieci pokładowe statków, pociągów itp. 18

Sieć wydzieloną w sposób sztuczny otrzymuje się poprzez zainstalowanie elementów tłumiących sygnały niepożądane w taki sposób, że otrzymuje się obszar wydzielony z ogólnodostępnej sieci rozległej przeznaczony do transmisji danych. Zastosowanie takiego rozwiązania znacznie polepsza jakość transmisji tj. stopę błędów. Dostateczną separację obwodów transmisji danych w paśmie użytecznym można uzyskać przez włączenie szeregowe dławików o wartości 50μH w oba przewody sieciowe L i N lub poprzez zastosowanie transformatorów separujących o przekładni 1:1. Można wtedy uzyskać na jednej sieci ogólnodostępnej kilka obwodów wydzielonych, miedzy którymi nie ma komunikacji. Podobne metody wydzielania stosuje się także przy budowie systemów szerokopasmowej transmisji PLC. Rozwiązanie takie zostało wykorzystane w opisywanym systemie pomiarowym. Jest to sieć zasilana z zasilacza prądu stałego 100V przeznaczona do zasilania urządzeń automatyki na ujęciu wody. Zasilacz znajduje się w budynku dyspozytorni a sieć rozprowadzona jest do zbiornika i innych obiektów ujęcia. Z sieci tej nie są zasilane odbiorniki dużej mocy, nie występują tu zjawiska komutacyjne, ani nie korzystają z niej inni odbiorcy. Modem PLC 192 do transmisji danych w opisywanym systemie wykorzystano modem PLC typu PLC-192. Na podstawie poprzednich badań z dostępnych układów wybrano system transmisji o nazwie własnej Adaptive Spread Spectrum firmy ANI Inc.USA. System ten wykorzystuje opatentowaną odmianę metody modulacji z rozproszonym widmem. Polega on na tym, że nadajnik dokonuje pomiaru poziomu sygnału w sieci podczas nadawania i koryguje selektywne wzmocnienie zależne od poziomu tłumienia sygnału w sieci. w celu zwiększenia efektywności transmisji wykorzystywane są dwa tory transmisyjne: tor na przewodach międzyfazowych lub przewodach fazowym i zerowym oraz tor na przewodach zerowym i ochronnym. Dzięki tym zabiegom jakość transmisji jest porównywalna z połączeniem kablowym, tj. uzyskano stopę błędów <10-9. Modem PLC 192 ma następujące parametry techniczne 1. Efektywna szybkość transmisji: 19,2kBD. 2. Bitowa szybkość transmisji: 134,4kBD. 3. Pasmo częstotliwości: 134,4 403,2kHz. 4. Interfejs: RS 232 lub TTL. 5. Zasilanie: +12V/0,5A. 19

Rys.10 Schemat blokowy modemu typu PLC 192 Modemy skonfigurowane zostały w taki sposób, że pracują w trybie symulacji połączenia kablowego. Tryb ten polega na tym, że użytkownik po prostu wysyła lub odbiera dane i nie musi zajmować się zarządzanie łączem. Modemy symulują połączenie full-duplex poprzez buforowanie danych, natomiast łącze PLC pracuje w trybie half-duplex. Jedyny efekt symulacji łącza widoczny przez użytkownika to niewielkie opóźnienie wprowadzane przez modemy (ok. 0,03s). Protokół transmisji danych W opisywanym systemie pomiarowym wykorzystano uproszczoną wersję protokołu MODBUS, który jest zbudowany wg. struktury MASTER-SLAVE o konfiguracji magistralowej. Oznacza to, że w danym systemie pomiarowym jest tylko jedna jednostka typu MASTER i wiele jednostek typu SLAVE. W opisywanym systemie jednostką typu MASTER jest sterownik zainstalowany w dyspozytorni, a sterownik SLAVE na zbiorniku. Tylko MASTER ma prawo do inicjowania transmisji w sieci, SLAVE odpowiada na zapytania z MASTER-a 20

Znacznik początku 1znak : Adres Rozkaz Dane Suma LRC 2 2 n 2 Znaki znaki znaków znaki Rys.11 Format ramki Znacznik końca 2 znaki CR LF W opisanym systemie zaimplementowano tylko ramki w trybie ASCII. Konstrukcję ramki przedstawiono na powyższym rysunku. Ramka przesyłana jest w kodzie heksadecymalnym, gdzie każda cyfra heksadecymalna przedstawiona jest za pomocą znaku ASCII z zakresu 0-9 i A-F. Każda ramka zaczyna się znakiem początku :. Następnie jednostka MASTER przesyła dwuznakowy adres odbiorcy, a jednostka SLAVE w ramce odpowiedzi umieszcza swój adres. Następnie przesyłany jest kod rozkazu, potem pole danych zawierające dodatkowe dane potrzebne do wykonania rozkazu. Na zakończenie przesyłana jest suma kontrolna LRC i znacznik końca składający się z dwóch znaków CR i LF. Maksymalny czas opóźnienia odpowiedzi przyjęto 5s, jeżeli w tym czasie MASTER nie otrzyma odpowiedzi na swoje zapytanie, powtarza wywołanie 5 razy. Jeżeli 5 prób nawiązania komunikacji zakończy się niepowodzeniem, sygnalizowany jest operatorowi błąd transmisji.komunikacja nawiązywana jest co minutę. 9.Podsumowanie Uzyskane wyniki potwierdzają tezę, że transmisja danych w sieci energetycznej może być skuteczną alternatywą dla innych powszechnie stosowanych sposobów transmisji. W wielu wypadkach wykonanie dodatkowego połączenia może być kosztowne, łączność radiowa niepewna. System PLC jest także konkurencyjny ekonomicznie. Nie wymaga to dodatkowych kosztów, jak np.: instalacji okablowania, anten, ponoszenie opłat dzierżawy pasm radiowych lub abonamentu GSM i opłat za przesył danych. 10. Literatura 1. J. Suchanek, Elektronika, Informatyka, Automatyka. 2. J. Suchanek Transmisja danych w energetycznej sieci zasilającej, materiały konferencji P.W.T. 2003. 3. W. Szydełko, M. Skoczylas Transmisja danych przez sieć niskiego napięcia AC WE 2005 nr 6 21

4. Gut-Mostowy H.: Szerokopasmowe techniki dostępowe wykorzystujące linie energetyczne niskiego napięcia. Przegląd telekomunikacyjny 1996 nr 6 5. Internet: www.elektroinstalator.pl art. A. Perski 6. Miesięcznik: Pracodawca 2002 nr 2 22