Ćw. 4. Badanie transmisji danych w technologii PLC 1. Wprowadzenie

Ćw. 4. Badanie transmisji danych w technologii PLC 1. Wprowadzenie Właściwy wybór medium transmisyjnego oraz zastosowanej technologii komunikacyjnej zależy od wymagań, jakie stawiane są danemu systemowi, (w tym od zakładanego standardowego cyklu odczytowego jak również od zakładanego, maksymalnego czasu od momentu wysłania rozkazu sterującego do jego dotarcia do danego licznika). Przesyłanie danych odbywa się z wykorzystaniem różnych technologii i mediów. Jedną z metod transmisji jest komunikacja po liniach energetycznych (Power Line Communications). Wykorzystuje ona linie sieci elektroenergetycznej, jako kanał komunikacyjny. Zastosowanie technologii PLC redukuje koszty z powodu wyeliminowania konieczności wykonania dodatkowego okablowania. Podstawową zasadą działania komunikacji PLC jest modulacja i demodulacja. Modulowany sygnał wysokiej częstotliwości jest dodawany do przebiegu napięcia zasilania w linii zasilającej. Sygnał ten rozchodzi się po przewodach zasilających. Moduł odbiorczy oddziela ten sygnał w paśmie nadawczym od napięcia zasilającego. Odseparowanie sygnału z pasma nadawczego odbywa się za pomocą filtrów wąskopasmowych o ostrych zboczach oraz szybkiej transformacji Fouriera. Demodulacja sygnału pozwala na odtworzenie oryginalnych danych. Sygnał przesyłany linią zasilającą podlega różnym interferencjom, zatem niezbędne jest dokonanie weryfikacji poprawności odebranych danych. Jest ona dokonywana za pomocą sumy kontrolnej tzn. wartość sumy kontrolnej musi się zgadzać z wartością sumy kontrolnej obliczonej podczas nadawania i przesyłania wraz z danymi. Wykorzystywanie urządzeń korzystające z różnych protokołów przesyłania danych po sieciach energetycznych nie zawsze można stosować, ponieważ sygnał wysłany w jednej technologii do jednego licznika może spowodować restart innych liczników wykorzystujących drugą technologię PLC. Wyróżnia się, między innymi, przedstawione na rys 1.1 technologie transmisji danych po sieciach energetycznych: PRIME Alliance (Intelligent Metering Evolution Powerline), G3-PLC Alliance, OSGP (Open Smart Grid Protocol), Meters And More Open Technologies, BPL (Broadband over Power Lines). 1

Rys. 1.1 Częstotliwości poszczególnych standardów[10] Można wyróżnić następujące modulacje transmisji PLC: OFDM (PRIME, G3-PLC,BPL), DCSK (PRIME, G3-PLC, METERS & MORE), BPSK (OSGP, METERS & MORE,G3-PLC, PRIME), QPSK(OSGP, METERS & MORE,G3-PLC, PRIME), 8-PSK(OSGP,G3-PLC, PRIME). W Europie, z godnie z normą EN 50065, transmisja sygnałów po sieciach energetycznych niskiego napięcia jest w zakresie częstotliwości od 3kHz do 148,5 khz i jest podzielona na następujące obszary: obszar A (3-95kHz) przeznaczony jest dla dostawców energii elektrycznej, obszary B, C i D przeznaczone są dla komunikacji publicznej, z tym, że: obszar B (95-125kHz) przeznaczony dla dowolnych protokołów, obszar C (125-140 khz) wymagane są standardowe protokoły z CSMA (Carrier Sense Multiple Access), obszar D przeznaczone dla dowolnych protokołów. 1.1. Modulacja OFDM Modulacja OFDM (Orthogonal Freqency Division Multiplexing) jest używana w wielu najnowszych standardach bezprzewodowych i telekomunikacyjnych. Polega na jednoczesnej transmisji wielu strumieni danych na ortogonalnych częstotliwościach nośnych, poprzez rozłożenie transmisji o dużej przepływowości na kilka wolniejszych strumieni, w których 2

występuje zjawisko wielodrogowości. Zjawisko to polega na tym, że sygnał dociera do odbiornika w kilku kopiach, które są wzajemnie przesunięte w czasie. Jeżeli opóźnienia te są rzędu czasu trwania pojedynczego impulsu lub dłuższe, to odbiornik demoduluje jednocześnie kilka różnych bitów, zamiast oczekiwanego pojedynczego, co uniemożliwia poprawne odtworzenie danych. Modulacja OFDM rozwiązuje ten problem tym, że zamiast jednej szybkiej transmisji przesyła wiele wolnych strumieni danych, które są mniej narażone na uszkodzenie w wyniku wielodrogowości. Każdy strumień danych ma określoną częstotliwość nośną i jest to niezbędne, aby odbiornik mógł prawidłowo odbierać cały sygnał. Częstotliwość nośna sygnałów musi być dobrana tak, aby odbiornik mógł je oddzielić za pomocą filtra. OFDM jest często stosowana w technice szerokopasmowego dostępu do Internetu (ADSL), telewizji cyfrowej DVB-T i DVB-T2 oraz w technice przesyłania danych po liniach elektroenergetycznych (PLC).Chociaż modulacja OFDM jest dość skomplikowana, zapewnia dużą szybkość transmisji danych przy stosunkowo szerokich pasmach. 1.2. Modulacja DCSK DCSK (Differential Code Shift Keying) jest bardzo solidną technologią modulacji opatentowaną przez Yitran, która umożliwia komunikację po liniach elektroenergetycznych (PLC). Staje się ona coraz bardziej powszechna, co jest spowodowane jej wysoką efektywnością podczas pracy w słabo zabezpieczonych liniach energetycznych przed zakłóceniami. Technologia ta posiada wiele zalet. Pierwszą z nich jest możliwość wyodrębnienia sygnału nawet przy negatywnym stosunku sygnału do szumu tzn., wtedy, gdy poziom szumu jest wyższy niż poziom sygnału. Drugą zaletą, jaką charakteryzuję DCSK jest mniejsza podatność na szumy wąskopasmowe i zakłócenia impulsowe, spowodowane zmianą impedancji obciążenia. Ze względu na swoje zalety modulacja DCSK jest stosowana w transmisji danych w urządzeniach kosmicznych i sprzętu wojskowego. Modulacja DCSK, jako podstawowa specyfikacja HomePlug C&C jest wykorzystywana przez technologię Yitran. W zależności od częstotliwości pracy, zgodnie z obowiązującymi normami w specyfikacji HomePlug C&C zapewnia różne szybkości transmisji danych. Oprócz naturalnej odporności na zakłócenia dostarczonych przez modulację DCSK technologia Yitran wykorzystuje kilka algorytmów do zwiększenia niezawodności komunikacji. Należą do tego algorytm korekcji błędów oraz unikalne algorytmy synchronizacji. 3

1.3. Modulacja BPSK Modulacja BPSK (Binary Phase Shift Keying), jest to odmiana modulacji PSK, w której system przekazuje dane poprzez zmianę, w fazie w stosunku do fali nośnej. W modulacji BPSK faza przyjmuje wartości logiczne 0 lub 1, które są przesunięte względem siebie o 180. Modulacja BPSK ma najwyższy poziom szumów i zniekształceń, dlatego jest najbardziej wytrzymała ze wszystkich modulacji PSK. BPSK moduluje tylko jeden bit, więc nie nadaje się do szybkiej transmisji danych. W obecności niepożądanego przesunięcia fazowego wprowadzonego przez kanał komunikacyjny, demodulator jest w stanie stwierdzić, który jest punktem konstelacji. 1.4. Modulacja QPSK QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) często jest zwana, jako 4-PSK lub 4-QAM. W modulacji QPSK, są modulowane dwa bity jednocześnie, wybierając jeden z czterech możliwych zmian fali nośnej (0, 90, 180 lub 270), aby zminimalizować ilość błędów transmisji. QPSK używa czterech punktów na diagramie konstelacji, równo rozmieszczonych na okręgu. QPSK umożliwia przesyłanie dwa razy więcej informacji, w porównaniu ze zwykłym PSK przy użyciu tego samego pasma. Modulacja ta wykorzystywana jest m.in. do transmisji satelitarnej wideo MPEG2, wideokonferencji, komórkowych systemów telefonicznych oraz w technologiach PLC tj. Prime Alliance, OSGP, Meters&More czy G3- PLC. 1.5. Modulacja 8PSK 8PSK (8-Phase Shift Keying) jest to modulacja fali elektromagnetycznej, która wysyła sygnał sinusoidalny o zmieniającej się fazie od, 0 do 360 co 45 stopni. Dzięki temu dostępne jest osiem różnych przebiegów sinusoidalnych, czyli osiem punktów na diagramie konstelacji, równo rozmieszczonych na okręgu, umożliwiających wysłanie trzech bitów informacji. 8PSK zapewnia większą pojemność danych w porównaniu do modulacji QPSK. Modulacja 8PSK wykorzystywana jest w technologiach PLC tj.osgp,g3-plc, Prime Alliance oraz w technologii EDGE, zwiększającej przepustowość sieci GSM oraz w telefonii trzeciej generacji UMTS. 1.6. Technologia PRIME Alliance W czasach współczesnych liczba inteligentnych liczników osiąga miliony, co powoduje trudności w osiągnięciu bezpiecznej i niezawodnej komunikacji. Jeszcze trudniej jest zapewnienie możliwości rzeczywistego czasu, który wymagany jest przez inteligentną sieć. Stawia to wielkie wyzwanie dla prawidłowego wprowadzenia inteligentnych systemów 4

pomiarowych. Technologia PRIME Alliance (Inteligent Metering Evolution Powerline) symbolizuje architekturę komunikacyjną publicznie otwartą, która umożliwia budowę inteligentnych sieci elektroenergetycznych. Celem PRIME jest stworzenie zestawu standardów międzynarodowych, co umożliwi pełną funkcjonalną zgodność pomiędzy urządzeniami i systemami pochodzącymi od różnych dostawców. Technologia PRIME początkowo określała niższe warstwy OSI systemów wąskopasmowych transmisji danych PLC na sieciach energetycznych. Cała architektura została zaprojektowana tak, aby utrzymać niskie koszty przy wysokiej wydajności. PRIME korzysta w sumie z ponad 96 ODFM częstotliwości w zakresie 42-89 khz, co pozwala na maksymalną szybkość transmisji danych o prędkości dochodzącej do 1 Mb/s. Głównym wyzwaniem dla PRIME Alliance jest zapewnienie bezpieczeństwa danych i prywatności, dodatkowo może być stosowany do zastąpienia starzejących się PHY i warstwy MAC pojedynczej nośnej linii zasilania S-FSK. Architektura PRIME składa się z podsieci, gdzie każda podsieć ma jeden węzeł bazowy i kilka węzłów serwisowych. Węzeł podstawowy pełni funkcję decydującej i zarządza zasobami i połączeniem podsieci za pomocą okresowo wysłanych sygnałów informacyjnych. Węzeł bazowy jest odpowiedzialny za dostęp kanału PLC. Technologia PRIME jest stosowana w różnych krajach Europy, a ostatnio nawet w Brazylii i Australii. PRIME pozwala poprawić wykrywanie awarii oraz usuwanie bez konieczności interwencji techników. Zapewnia to bardziej niezawodne dostawy energii elektrycznej do odbiorców. 1.7. Technologia G3-PLC Alliance Technologia G3-PLC Alliance została stworzona, aby spełnić zapotrzebowanie przemysłu do wszechobecnego standardu PLC. Technologia ta umożliwia szybką, niezawodną komunikację istniejącej sieci PLC. Dzięki zdolności do przekraczania transformatorów, zmniejsza koszty infrastruktury. Połączenia dwukierunkowe w sieci oparte na technologii G3-PLC zapewnia dystrybutorom możliwość nadzoru i kontroli. Operatorzy będą mieli możliwość monitorowania zużycia energii elektrycznej w całej sieci w czasie rzeczywistym oraz możliwość zmiany taryfy, a także zmiany ustawienia limitów zużycia energii w celu lepszego zarządzania energią podczas występowania szczytowych obciążeń. Konsumenci będą mieli wgląd w czasie rzeczywistym w ich zużycie energii elektrycznej, a tym samym możliwość kontroli zużycia, w celu dostosowania do ich możliwości finansowych. Występowanie różnych taryf umożliwi klientom zmniejszenie kosztów zużycia energii elektrycznej. 5

Technologia G3-PLC obniża koszty infrastruktury w porównaniu do innych komunikacji przewodowych i bezprzewodowych. Eliminuje ona konieczność tworzenia nowych dróg komunikacyjnych przez przeszkody takie jak budynki, wzgórza, które blokują komunikację bezprzewodową. Technologia G3-PLC charakteryzuje się następującymi cechami: zapewnia wydajność i efektywność sieci elektroenergetycznych niskiego i średniego napięcia. Dzięki komunikacji po liniach elektroenergetycznych minimalizuje koszty infrastruktury i konserwacji, obsługuje pasma częstotliwości 10kHz-490kHz, zapewnia komunikację dalekiego zasięgu i sygnał skutecznie przechodzi przez transformatory, co pozwoli na zmniejszenie liczby koncentratorów i wzmacniaczy sygnału, może działać w trudnych, hałaśliwych warunkach środowiskowych, współpracuje ze starszymi technologiami takimi jak S-FSK i BPL. Funkcje i możliwości G3-PLC zostały opracowane w celu rozwiązania trudnych wyzwań stawianych PLC. 1.8. Technologia OSGP Otwarty protokół komunikacyjny (Open Smart Grid Protocol) został opublikowany przez Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (ETSI). OSGP polega na możliwości niezawodnej współpracy elementów systemu, pochodzących od różnych producentów z wykorzystaniem jednoznacznie zdefiniowanego protokołu. OSGP zapewnia bezpieczne, efektywne i niezawodne dostarczanie informacji, umożliwia rozwój inteligentnych liczników i innych inteligentnych urządzeń sieciowych. Dostarcza on także informacje o stanie samej linii rozdzielczej, co dodatkowo poprawia niezawodność i zmniejsza koszty eksploatacji. Otwarty protokół komunikacyjny posiada następujące cechy: zapewnia wysoką wydajność i niskie koszty przy użyciu ograniczonej przepustowości, automatyczne zarządzanie topologią sieci, tzn., że systemy oparte na OSGP automatycznie są w stanie wykryć topologię linii zasilania oraz automatyczne wykrywanie urządzeń podłączonych do sieci zasilającej, zapewnia wysoką i efektywną przepustowość na wąskopasmowych Power Line Communications (PLC), możliwość dodawania nowych sieci bez przerywania pracy istniejących, dobra odtwarzalność po awarii, 6

umożliwia niezależne wdrożenia inteligentnych liczników i innych urządzeń sieciowych różnych producentów w tej samej sieci, co zmniejsza koszty i zwiększy funkcjonalność poprzez umożliwienie inteligentnym urządzeniom i aplikacji do dzielenia wspólnej infrastruktury unikając jednego dostawcy. 1.9. Technologia Meters And More Open Technologies Technologia Meters And More Open Technologies stanowi kompletne rozwiązania w dziedzinie inteligentnego pomiaru. Ogólna architektura przedstawiona na rys. 1.2 składa się z następujących elementów: systemu centralnego zarządzającego całą siecią inteligentnego pomiaru, koncentratora danych zbierającego dane od inteligentnych liczników, inteligentnych liczników, które odpowiadają za inteligentny pomiar, lokalnych urządzeń O&M, pełniących funkcję lokalnego zarządzania inteligentnych liczników. Rys. 1.2. Składniki i interfejsy systemu AMI Technologia Meters And More pracuje w nowym interfejsie umożliwiającym łączenie się z inteligentnymi licznikami i końcowymi odbiornikami klienta. Technologia ta spełnia wszystkie wymagania określone przez European OPEN Meter project and Smart Meters Coordination Group (SMCG). Głównymi kryteriami, jakimi kierowali się twórcy technologii 7

Meters And More jest wydajność, solidność i bezpieczeństwo komunikacji. Kryteria te zapewnione są przez następujące cechy: szybka wymiana informacji zoptymalizowana dla wąskopasmowych sieci elektroenergetycznych i łączności bezprzewodowej, optymalizacja ścieżek komunikacyjnych, wysoki poziom szyfrowania i uwierzytelnienia danych, za pomocą klucza symetrycznego w oparciu o 128 bitowe algorytmy AES, automatyczna konfiguracja i zarządzanie sieci. 1.10. Technologia BPL BPL (Broadband over Power Lines) obejmuje wszystkie technologie wykorzystujące linie energetyczne do prowadzenia sygnałów szerokopasmowych dla sieci komputerowych i użytkowych aplikacji Smart Grid. Dzięki Technologii BPL możliwy jest szerokopasmowy dostęp do Internetu przez gniazdka elektryczne w domu, z maksymalną prędkością ok 2Mb/s. Technologia ta wykorzystuje fale krótkie i średnie niskiego pasma VHF częstotliwości. Działa przy prędkościach zbliżonych do cyfrowej abonenckiej linii (DSL). Ponieważ technologia BPL korzysta z istniejącej infrastruktury sieci elektroenergetycznej, może być wykorzystywana w tych obszarach gdzie nie ma dostępu do komunikacji DSL. Nawet gospodarstwa domowe w odległych obszarach mogą uzyskać szerokopasmowy dostęp. Kolejnym przykładem wykorzystania BPL jest możliwość zastosowania jej dla inteligentnych urządzeń.[9] Zalety, jakimi charakteryzuje się BPL są następujące: mały koszt wdrożenia, który jest porównywalny z kosztami wdrożenia technologii wąskopasmowego PLC, duża szybkość transmisji, łatwość instalacji, dobry sposób do rozszerzenia sieci szkieletowej TPC/IP na stacje SN/nn, pozwala na współistnienie wielu systemów, nie tylko Smart Metering czy Smart Grid, System nadzoru nad siecią elektroenergetyczną, Kontrola oświetlenia ulicznego i sygnalizacji świetlnej, Kontrola systemów dostępu, monitoring CCTV, technologia BPL na liniach Sn jest alternatywą dla połączeń światłowodowych Tańszy do wdrożenia, Szybszy do wdrożenia, Często jest jedyną możliwością w mocno zurbanizowanym terenie. 8

2. STANOWISKO DO BADANIA SKUTECZNOŚCI TRANSMISJI PLC W WARUNKACH ZAKŁÓCENIOWYCH 2.1. Projekt stanowiska Skuteczność transmisji PLC w warunkach zakłóceniowych należy zbadać zgodnie z zaproponowanymi schematami pomiarowymi. Układy pomiarowe do badania skuteczności transmisji PLC: bez włączonego silnika indukcyjnego (rys. 2.1), z włączonym silnikiem indukcyjnym zasilanym poprzez przemiennik częstotliwości lub też z innymi odbiorami wskazanymi przez prowadzącego (rys.2.2). Rys. 2.1 Układ pomiarowy skuteczności transmisji PLC bez źródła zakłóceń Rys. 2.2 Układ pomiarowy skuteczności transmisji PLC z załączonym odbiorem energii el. 9

Stanowisko laboratoryjne składa się, z dwóch komputerów firmy Lenovo, silnika indukcyjnego trójfazowego, stycznika trójfazowego, przemiennika częstotliwości, dwóch inteligentnych liczników energii elektrycznej firmy Landis oraz koncentratora. Specyfikacje techniczne poszczególnych elementów oraz wykaz użytego oprogramowania zestawiono w Tab. 2.1. Na stanowisku laboratoryjnym należy zbadać skuteczność transmisji w technologii PLC, w warunkach zakłóceniowych oraz bez żadnych zakłóceń. Źródłem zakłóceń będzie silnik indukcyjny trójfazowy sterowany przemiennikiem częstotliwości Nord Vector SK3000-3CT lub też inny odbiór, wskazany przez prowadzącego. Do sprawdzenia skuteczności transmisji PLC należy wykorzystać koncentrator SmartGrid 200 Gateway Koncentrator będzie komunikował się z licznikami energii elektrycznej poprzez technologię BPL. Główną cechą SmartGrid 200 Gateway jest wysoka przepustowość BPL oraz pełna zdolność do komunikacji dwukierunkowej. Efektywność transmisji sygnału BPL należy rejestrować po stronie odbiornika (licznik nr.2), na ThinkTab X61 z wykorzystaniem programu SNR SCOPE 2.2. Program ten umożliwia rejestrację każdego licznika, z którym się połączy. Rys.2.3. Licznik energii elektrycznej Landis+Gyr E350 10

Rys. 2.4. Koncentrator SmartGrid 200 Gateway Tab. 1.1 Parametry techniczne urządzeń wykorzystanych na stanowisku laboratoryjnym Koncentrator SmartGrid 200 Gateway Kod produktu CXP-SG200-GWYC Numer seryjny 8164124435 Przepustowość BPL < 40 Mbps dla rozwiązań AMI Zakres częstotliwości 2-12 MHz Zasilanie 90-260 VAC 50/60 Hz lub 12 VDC Numer seryjny PN-88/E-06701 Silnik trójfazowy indukcyjny klatkowy Sg90L2 Napięcie zasilające 380VAC 3-50 Hz Prąd znamionowy 4,8A Moc znamionowa 2,2 KW cos 0.85 Numer seryjny 76030035/98026 Przemiennik częstotliwości Nord Vector SK3000-3CT Napięcie zasilające Moc Zakres częstotliwości 380/460 VAC 50/60Hz 4,9 kva 0-1000 Hz Liczniki energii elektrycznej Landis+Gyr E350 Numery seryjne 12859994 oraz 12964850 Napięcie zasilające 3x230/400 VAC 50Hz Prąd znamionowy 5-100 A 11

2.2. Wyniki badań Sygnał BPL będzie rejestrowany za pomocą oprogramowania SNR SCOPE 2.2. Program ten umożliwia pomiar SNR (signal-to-noise-ratio), którego wartość powinna być jak najwyższa oraz parametru CFR. SNR jest to stosunek użytecznego sygnału do szumu dla elektronicznych urządzeń. Wartość SNR jest określana w db (decybele), która oznacza moc użytecznego sygnału w danym paśmie częstotliwości do mocy szumów w tym samym paśmie częstotliwościowym. CFR oznacza poziom zakłóceń (szumu). Komunikację z licznikami należy zbadać z wykorzystaniem programu TeleneX v2.3.49, który umożliwia pomiar danych wysłanych, odbieranych, straconych oraz opóźnienie średnie, minimalne i maksymalne wyrażone w sekundach. Rys. 2.5 Przykład zarejestrowanego sygnału BPL (wynik pozytywny) 12

Rys. 2.6 Przykład zarejestrowanej komunikacji z licznikami (wynik pozytywny) Rys. 2.7 Przykład zarejestrowanego sygnału BPL (wynik negatywny brak łączności z licznikiem) Rys. 2.8 Przykład zarejestrowanej komunikacji z licznikami (wynik negatywny brak łączności z licznikiem) 13