В статье дан обзор международных и региональных стандартов для узкополосной технологии передачи данных по электросетям. Рассмотрены также спецификации, продвигаемые разными промышленными группами, альянсами и ассоциациями. Возросшая в последнее время до 128 кбит/с и более скорость передачи данных позволяет использовать эту технологию при создании разветвленных автоматизированных сетей сбора данных, работающих в режиме, близком к реальному времени.
В. Охрименко
ВВЕДЕНИЕ
Реструктуризация электроэнергетических сетей, ужесточение контроля энергопотребления, необходимость точного учета расхода электроэнергии со стороны производителей и потребителей, риск возникновения кризисных явлений в сбыте электроэнергии, увеличение пиковых нагрузок, возрастающая конкуренция с учетом возможного снижения тарифов послужили мощным толчком для развития принципиально новых технологий взаимодействия с потребителями. К ним, несомненно, относятся автоматизированные системы учета и контроля/управления энергоресурсами. Преимущества организации учета и контроля с использованием автоматизированных систем общеизвестны. Эти системы уже многие годы широко функционируют за рубежом на средних и крупных промышленных предприятиях, а экономический эффект их применения ощущают как энергетические компании, так и потребители [1-7].
Рост конкуренции на энергорынке способствовал эволюции автоматизированных систем типа AMR (Automatic Meter Reading — автоматического считывания показаний счетчиков) или, иными словами, систем АСКУЭ (Автоматизированных Систем Коммерческого Учета Энергии). Вначале в развитие AMR появились усовершенствованные системы AMI (Advanced Metering Infrastructure), а позже возникли комплексные автоматизированные распределенные системы управления/контро- ля AMM (Automated Meter Management). Их принципиальное отличие — наличие обратной связи с потребителем, что помимо возможности простого удаленного считывания показаний разного рода счетчиков расхода, характерного для традиционных систем класса AMR/AMI, предоставляет, например энергогенерирующим компаниям, и другие дополнительные возможности дистанционного управления (включения/отключения, ограничения мощности, изменения тарифа, ведения индивидуального профиля потребителей услуг и др.).
Для создания комплексных автоматизированных систем класса AMM/AMI/AMR можно использовать как проводные, так и беспроводные технологии передачи данных и уже существующие развитые сетевые инфраструктуры. К ним относятся телефонные PSTN (Public Switched Telephone Network) и локальные вычислительные сети, а также сети GSM/GPRS, Интернет и др. В последние годы все более широкое распространение во многих приложениях находит технология передачи данных по электрическим сетям (Power Line Communication — PLC). Неполный перечень существующих и активно применяемых на практике технологий передачи данных, в том числе используемых в автоматизированных системах уп- равления/контроля, а также стандартов, регламентирующих протоколы обмена и физическую среду передачи данных, приведен в таблице 1 [1].
Таблица 1. Технологии и стандарты, используемые в автоматизированных системах управления/контроля
PLC-технологию разделяют на широкополосную (с шириной спектра 2-30 МГц) со скоростью передачи данных от 2 до 200 Мбит/с и выше и узкополосную (3-500 кГц) со скоростью до 128 кбит/с и более [1-6]. В свою очередь, узкополосная PLC-технология подразделяется на низкоскоростную (до 10 кбит/с) и высокоскоростную (более 50 кбит/с).
Основные области применения узкополосной технологии передачи данных по электросети:
- автоматизированные системы управления технологическими процессами (SCADA)
- автоматизированные системы контроля и учета энергоресурсов (AMM/AMI/AMR)
- системы контроля и управления доступом
- системы видеонаблюдения, безопасности, охранной, пожарной и иной сигнализации
- системы «умный дом»
- домашняя автоматизация.
При создании сетей сбора показаний электросчетчиков, разного рода датчиков и измерительных устройств, особенно в сложных условиях подземных коммуникаций, когда отсутствует возможность беспроводной связи (ZigBee, GPRS и т.п.), существующая электропроводка, использующаяся в PLC-технологии, — наиболее естественная среда для передачи данных. Пример применения узкополосной PLC- технологии для управления простейшими устройствами автоматизации здания показан на рис. 1.
Рис. 1. Пример использования технологии PLC
СТАНДАРТЫ
Стандартизацией в сфере электроники и электротехники, включая проблемы безопасности электрического оборудования, занимается Международная электротехническая комиссия — МЭК (International Electrotechnical Commission — IEC). Эта организация продвигает, координирует работу и согласовывает решение возникающих проблем стандартизации в области электротехники, электроники и связанных с ними технологий. Комиссия IEC включает более чем 200 комитетов и подкомитетов, занимающихся разработкой нормативных документов и спецификаций в различных областях электротехники. Из них примерно 50 комитетов занимаются проблемами электромагнитной совместимости (Electromagnetic Compatibility — EMC) электротехнического оборудования и соответствующих технологий. Структура IEC приведена на рис. 2 [2].
Рис. 2. Структура комиссии IEC
Одним из первых комитетов был CISPR (Comitte International Sptecial des Perturbations Radio Electriques — международный комитет по радиопомехам). Этот комитет был создан еще в 1934 году в Париже. К тому времени радиопомехи (Radio Frequency Interference — RFI) стали оказывать существенное влияние на надежность работы радиотехнического оборудования. CISPR был первой международной координирующей организацией по разработке стандартов, обеспечивающих защиту от электромагнитных излучений. Уже в первых рекомендациях этого комитета CISPR 22 были определены допустимые уровни электромагнитных излучений. В дальнейшем они послужили основанием для выработки большинства национальных стандартов. Один из влиятельных подкомитетов международной электротехнической комиссии носит название TC 77 (Technical Committee — технический комитет). Этот комитет был создан в 1973 году. Совместно с другими комитет TC 77 принимает активное участие в классификации электромагнитных явлений и выработке основных рекомендаций и базовых нормативных документов [2].
Стандарт IEC 61334, принятый в конце девяностых годов прошлого столетия, описывает общие требования к системам автоматики с распределенными каналами связи, в которых в качестве физической среды передачи данных используются электросети среднего (4-30 кВ) и низкого напряжения (0.2-0.4 кВ). Спецификации физического уровня (Physical Layer Protocol — PHY), а также канального подуровня MAC (Media Access Control) для систем с использованием для передачи данных модуляции вида S-FSK (Spread Frequency Shift Keying — частотной манипуляции с расширением спектра) регламентируются стандартом IEC 61334-5-1, требования к канальному подуровню LLC (Logical Link Control) — техническими спецификациями раздела IEC 61334-4-32. Требования к системам, в которых используется модуляция вида FSK (Frequency Shift Keying — частотная манипуляция), описаны в спецификациях IEC 61334-5-2, для систем с модуляцией SS-FFH (Spread Spectrum Fast Frequency Hopping) — в IEC 61334-5-5. Основные преимущества модуляции SS-FFH — высокая надежность и пониженный уровень электромагнитных излучений (Electromagnetic Interference — EMI) в сравнении с классическими методами модуляции с расширением спектра (Spread Spectrum — SS), к недостаткам которых можно отнести чрезмерное расширение полосы частот и проблемы физической реализации. В спецификациях IEC 61334-5-5 определены требования к PHY- и MAC-уровню. Кроме перечисленных стандартов МЭК имеется и масса других, регламентирующих требования к сетям передачи данных на базе PLC-технологии. Например, стандарты IEC 61000-3-8 (Передача сигналов по низковольтным электрическим сетям. Полоса частот и предельные уровни электромагнитных излучений), IEC 61334-4-1 (Протоколы передачи данных. Эталонная модель системы связи) и IEC 61334-4-33 (Протоколы передачи данных. Канальный уровень. Протоколы связи) и многие другие. Полный список стандартов можно найти на web-сайте комиссии IEC (http://webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/my- searchajax?Openform&key=61334&sorting= & start=1).
Спецификации, предложенные альянсом OPERA (Open PLC European Research Alliance) и продвигаемые европейской ассоциацией UPA (Universal Powerline Association), а также спецификации альянса HomePlug (HomePlug 1.0 и HomePlug AV) обеспечивают высокую пропускную способность канала связи (от 14 до 200 Мбит/с) и ориентированы на широкополосные системы передачи данных: компьютерные сети (главным образом, домашние), Интернет («последняя миля»), а также такие приложения, как VoIP, IPTV, HDTV и другие высокоскоростные приложения. Требования к узкополосной PLC-технологии, ориентированной на применение в автоматизированных распределенных системах управле- ния/контроля, описаны в стандарте IEC 61334, в спецификациях альянса HomePlug (HomePlug C&C), а также в спецификациях, продвигаемых европейским альянсом PRIME (Powerline Related Intelligent Metering Evolution). Отличительная особенность последних — увеличенная до 128 кбит/с скорость передачи данных за счет применения модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов). Как правило, к полному объему спецификаций, продвигаемых альянсами и ассоциациями, имеют доступ только их члены.
Из более ранних разработанных, внедренных и стандартизированных протоколов передачи данных по электросети можно отметить протоколы LonWorks (www.lonworks.echelon.com) и Konnex (www.knx.org).
Протокол LonWorks представляет набор протоколов для передачи данных, внедренных компанией Echelon Corp еще в начале 90 годов прошлого столетия. Впоследствии на его базе были разработаны европейский (EN 14908), американский (ANSI/CEA 709) и китайский (GB/Z 20177) стандарты. В протоколе Lon- Works оговаривается возможность использования в качестве физической среды передачи данных витой пары, линии электропередач и оптоволоконного кабеля. Для PLC-связи требования к PHY-уровню приведены в стандарте CEA 709.2. Для модуляции сигнала выбрана модуляция вида BPSK (Binary Phase Shift Keying — двухпозиционная фазовая манипуляция), частота несущей 131.579 кГц, скорость передачи около 5482 бит/с. Передача данных осуществляется в полосе частот стандарта CENELEC C.
Konnex (KNX) — коммуникационный протокол для автоматизации зданий и домашней автоматики, продвигаемый ассоциацией производителей комплексных систем автоматизации с одноименным названием (KNX Association). В настоящее время в ассоциацию входит 176 фирм из 29 стран мира. Ввиду широкого распространения как в Европе, так и за ее пределами, а также востребованности на рынке изделий, созданных на базе технологии KNX, на основе спецификаций KNX были разработаны международный (ISO/IEC 14543-3) и европейские (CENELEC EN 50090, EN 13321-1) стандарты. В Китае действует созданный также на основе KNX-спецификаций стандарт GB/Z 20965. В протоколе Konnex оговаривается возможность использования в качестве физической среды передачи данных линии электропередач, витой пары, оптоволоконного кабеля и беспроводной связи. Для PLC-связи предусмотрено использование двух профилей стандарта, основанных на спецификациях EIB (European Installation Bus — Европейская инсталляционная шина) или EHS (European Home Systems Protocol). Профиль PL110 (EIB) регламентирует использование модуляции вида S-FSK (частота несущей 110 кГц, максимальная скорость передачи 1.2 кбит/с). В профиле PL132 (EHS) используется модуляция FSK, частота несущей 132 кГц, а скорость передачи увеличена в два раза (до 2.4 кбит/с).
Для узкополосной PLC-технологии со сравнительно небольшой пропускной способностью, ориентированной на использование в системах контроля и автоматики с распределенными каналами связи (устройствах управления уличным освещением, системах сигнализации, вентиляции/кондиционирования, системах регистрации расхода энергоносителей и т.п.) не требуется очень высокая скорость передачи и соответственно широкая полоса частот. Одна из ключевых проблем при разработке PLC-технологии — выбор рабочей полосы частот для передачи данных по электросетям. Диапазон частот, в котором осуществляется передача данных, выбирается в соответствии с действующими региональными стандартами. В США принят стандарт FCC (Federal Communication Commission — Федеральной комиссии США по средствам связи), в Европе — CENELEC (Commission Europeenne de Normalisation Electrique — Европейского комитета по электротехническим стандартам). В этих стандартах для передачи сигналов по электросети выделен диапазон частот в полосе 3-148.5 кГц (CENELEC EN 50065-1) или 3-500 кГц (FCC). Чтобы обеспечить электромагнитную совместимость оборудования, регламентируется также мощность сигнала в соответствии с нормативными документами (FCC Part15 subpart B/C, EN/IEC 61131-2, EN 55011, EN/IEC 61000-6-4 и др.). Распределение частот и региональные стандарты приведены на рис. 3.
Рис. 3. Распределение частот и региональные стандарты
Чтобы не создавать проблем с электромагнитной совместимостью оборудования для передачи данных с использованием узкополосной PLC- технологии, был выбран диапазон частот ниже 500 кГц. В стандарте CENELEC EN 50065-1 (Передача сигналов по низковольтным электросетям в диапазоне частот 3-148.5 кГц) кроме полосы частот регламентируется также максимальная амплитуда сигналов с учетом допустимого уровня излучений (таблица 2). В американском стандарте FCC разрешается использовать более широкий диапазон частот (до 500 кГц). Это обусловлено тем, что в Северной Америке не используется радиовещание в длинноволновом диапазоне, а полоса частот 525-1.71 МГц выделена для средневолнового радиовещания. Скорость передачи и вид модуляции сигнала стандартом CENELEC EN 50065 не нормируются.
Таблица 2. Распределение частот в стандарте CENELEC EN 50065
АЛЬЯНСЫ И СТАНДАРТЫ
Большой вклад в разработку технических спецификаций передачи данных по электросети и их продвижению на рынок вносят компании-производители электротехнического оборудования, которые для более успешного продвижения на рынок зачастую объединяются в разного рода ассоциации, альянсы и промышленные группы. Во многих случаях вначале осуществляется захват рынка, а затем на базе спецификаций, которым уже соответствует масса выпущенного оборудования, создаются полноценные международные стандарты. Таким образом формируются стандарты де-факто. В настоящее время наиболее активную роль в разработке и продвижении спецификаций для узкополосной PLC-технологии на европейском континенте играют консорциум OPEN Meter (Open Public Extended Network Metering), альянс PRIME (Powerline Related Intelligent Metering Evolution), испанские компании IBERDROLA, ENDESA и итальянская энергораспределяющая корпорация ENEL. Следует также отметить альянс HomePlug. Основным производителем компонентов на базе спецификаций HomePlug С&С являются израильская компания Yitran и компания Renesas. Существенный вклад в решение проблем передачи данных по электросети и выработку принципов организации распределенных сетей управления/контроля внесли участники европейского проекта REMPLI (Realtime Energy Management via Powerlines and Internet). Этот проект, основанный и профинансированный Европейским Экономическим Сообществом, проходил под девизом: «Энергия, Окружающая среда и Экология».
OPEN METER
Большой вклад в стандартизацию автоматизированных систем контроля и учета вносит консорциум OPEN Meter, созданный под эгидой Европейского Союза. В консорциум входит 19 крупных европейских компаний-производителей электротехнического оборудования и университетов (www.openmeter.com). Среди них IBERDROLA (Испания), CURRENT Technologies International GmbH (Швейцария), University of Karlsruhe (Германия), DLMS User Association (Швейцария), ENDESA (Испания), ELSTER (Германия), ENEL (Италия), EdF (Франция), STMicroelectronics (Швейцария) и другие. Координация работ в рамках этого проекта осуществляется корпорацией IBERDROLA. Цель одноименного открытого проекта, стартовавшего в январе 2009 года, — произвести выбор открытых и общедоступных стандартов для создания комплексных AMI/AMM-систем, поддерживающих автоматизированное измерение расхода газа, воды, тепла, электроэнергии и т.п. Чтобы обеспечить выполнение стандартов и рекомендаций при их разработке принимаются во внимание реальные условия работы существующих сервисных автоматизированных сетей. Предполагается, что данный проект позволит устранить существующие барьеры широкого распространения автоматизированных систем в Европе на базе открытых стандартов, что будет гарантировать совместимость оборудования разных производителей. Проект согласуется с требованиями европейских организаций стандартизации CENELEC, ETSI (European Telecommunications Standards Institute — Европейского института стандартизации электросвязи) и другими. Планируется, что финансируемый Европейской комиссией проект OPEN Meter продлится до июня 2011 года [1, 4]. После завершения работ предполагается представить ряд проектов стандартов как базирующихся на уже принятых стандартах, так и новых, основанных на инновационных решениях, выработанных в процессе осуществления проекта. Это стандарты семейств IEC 61334 (системы автоматики с распределенными каналами связи) и IEC 62056 (электрические измерения), а также ряд стандартов семейства EN 13757 (измерения с использованием шины М-bus и др.).
PRIME
Альянс PRIME (www.prime-alliance.org), в который входят, главным образом, ведущие европейские производители электротехнического и PLC-оборудования, среди которых Advanced Digital Design Semiconductor (ADD), CURRENT Group, IBERDROLA, ITRON, LAN- DIS+GYR, STM, ZIV GROUP, а также компания Texas Instruments, фокусирует свою деятельность на разработке открытых спецификаций для узкополосной PLC-технологии с пропускной способностью до 128 кбит/с. Инициатором разработки спецификаций выступила крупнейшая испанская энергетическая компания IBERDROLA со штаб-квартирой в Бильбао. Предполагается, что такая скорость передачи обеспечит создание разветвленных интеллектуальных AMM-сетей. Поскольку для полноценного обмена данными в автоматизированных системах требуется повышенная скорость, а использование модуляции вида FSK, S-FSK, BPSK, DCSK не позволяло это осуществить, в предложенных в настоящее время PRIME-спецификациях регламентируется модуляция типа OFDM, что и обеспечило возможность увеличения скорости передачи до 128 кбит/с. Кроме того, в спецификациях описан способ кодирования данных и варианты выбора скорости передачи в зависимости от вида модуляции поднесущих. Для передачи данных используется полоса частот стандарта CENELEC A (41.9-88.8 кГц). Кроме спецификаций физического уровня (PHY) имеются также спецификации MAC-уровня. От одного из участников альянса — компании STMicroelectronics (ведущего европейского производителя интегральных схем) — ожидается поддержка производства электронных компонентов, удовлетворяющих требованиям PRIME-спецификаций.
HOMEPLUG
Образованный в 2000 году альянс HomePlug (www.homeplug.org/home) для стандартизации низкоскоростной передачи данных по электрическим сетям в 2007 году предложил использовать спецификации HomePlug Command and Control (HomePlug C&C), обеспечивающие скорость передачи данных до 7.5 кбит/с. В основу спецификаций HomePlug C&C положена предложенная израильской компанией Yitran узкополосная технология передачи данных по электросети. Использование этих спецификаций позволит обеспечить низкую стоимость PLC-оборудования. Спецификации HomePlug C&C включают три уровня сетевой модели: OSI — PHY, MAC и NL (Network Layer). На физическом уровне (PHY) используется предложенная компанией Yitran модуляция сигнала типа DCSK (Differential Code Shift Keying — дифференциальная кодовая манипуляция) с расширением спектра. Этот вид модуляции был запатентован (US Patent No.6,064,695) компанией Yi- tran в 2000 году. В зависимости от используемого рабочего диапазона частот в соответствии с действующими региональными стандартами предусмотрены следующие скорости передачи данных: 7.5/5.0/1.25 (FCC) и 2.5/0.625 кбит/с (CENELEC).
REMPLI
Главная цель проекта REMPLI (www.rem- pli.org) — проектирование и внедрение сетевой распределенной инфраструктуры для сбора показаний разного рода счетчиков и дистанционного управления в реальном времени с использованием в качестве физической среды передачи данных электросети среднего и низкого напряжения. Среди участников проекта венский институт ICT (Institute of Computer Technology), а также компании iAd (Германия), ISEP/IPP (Португалия), TOP (Болгария), ADE- NE (Португалия) и другие. В результате выполнения проекта были созданы и протестированы в Португалии и Болгарии две сетевые инфраструктуры. В части оборудования были использованы микросхемы PLC-модемов DLC-2C производства iAd. С топологией сети, результатами выполнения проекта и другими материалами можно ознакомиться в [6].
ENDESA, ENEL И ДРУГИЕ
В середине 2009 года испанская компания ENDESA объявила о намерении заменить в период с 2010 по 2015 год на новые счетчики типа Enel Smart, являющиеся ключевым звеном в концепции удаленного управления энергопотреблением (примерно 13 млн электрических счетчиков). Счетчики будут поставляться итальянской корпорацией ENEL — основным акционером компании ENDESA, являющейся и автором открытого протокола обмена данными по силовым электросетям, названного SITRED. На физическом уровне в протоколе SITRED используется модуляция вида FSK (спецификации IEC 61334-5-2) [4]. Поставщиком компонентов для проекта выбрана компания STMicroelectronics, разработавшая новую серию микросхем PLC-модемов ST75xx. Кроме того, в оборудовании предполагается использовать 32- разрядный микроконтроллер STM32, высококачественные MOSFET-транзисторы и другие компоненты, производимые этой компанией. Корпорация ENEL объявила о том, что протокол обмена по линиям электропередач SITRED будет открытым. Это по-настоящему серьезный шаг в процессе стандартизации, начатом Европейским Сообществом и нацеленном на развитие интеллектуальных систем и сетей (Smart Grid) управления/контроля энергоснабжения.
Ранее, в 2001-2006 гг. в рамках проекта «Telegestore» корпорацией ENEL уже были установлены в Италии почти 32 млн интеллектуальных электронных электросчетчиков. Связь с центральным диспетчерским пунктом в системе «Telegestore» осуществляется с использованием открытых телекоммуникационных сетей (GSM/ GPRS, PSTN), а также спутниковой связи. Концентраторы, установленные на подстанциях среднего напряжения (один концентратор на один трансформатор), используются для связи между центральным диспетчерским пунктом и электронными электросчетчиками. Концентраторы являются ключевым звеном развернутой AMM-сети. При связи с диспетчерским пунктом используется протокол TCP/IP. В PLC-сети для связи используется полоса частот стандарта CENELEC A, скорость передачи данных 2400 бит/с. Концентратор в низковольтной PLC-сети работает в режиме «мастер». Если концентратору не удается установить непосредственную связь со счетчиком (из-за наличия помех или большого затухания сигнала), специально встроенные процедуры позволяют использовать для этого другие счетчики сети, которые выступают в этом случае как ретрансляторы сигнала. Иными словами, концентратор может выполнять логические функции сервера.
Можно ожидать, что развертывание в Европе широкомасштабной автоматизированной сети, включающей почти 50 млн интеллектуальных устройств, ускорит завершение затянувшихся дебатов по выбору общих открытых европейских стандартов для автоматизированных измерительных систем.
Тем временем, французская энергетическая компания EdF (Electricite de France) готовит к реализации во Франции собственный широкомасштабный проект развертывания автоматизированной сети контроля и учета электроэнергии, который предусматривает установку 35 млн интеллектуальных электросчетчиков на территории Франции. В настоящее время осуществляется тестирование одной из систем, развернутой в Лионе. Установку счетчиков предполагается завершить в 2016 году. Битва стандартов продолжается…
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время в производимом множеством фирм электротехническом оборудовании для автоматизированных систем управления/ контроля в большинстве случаев используются PLC-модемы, в которых для передачи данных применяются системы модуляции сигнала типа S-FSK (стандарт IEC 61334-5-1), FSK, BPSK или DCSK. Всевозрастающие требования к автоматизированным системам, большая разветвленность сетей, а также насущная потребность в обмене данными в реальном времени послужили мощным стимулом разработки новых спецификаций узкополосной технологии передачи данных по электросетям. В предложенных альянсом PRIME спецификациях обеспечено увеличение скорости передачи до 128 кбит/с.
Более полную информацию об узкополосной PLC-технологии, существующих стандартах и PLC-оборудовании можно найти в [1-7].
ЛИТЕРАТУРА
State-of-the-art Technologies & Protocols. — OPEN Meter, 2009 (www.openmeter.com).
Hrasnica H., Haidine A., Lehnert R. Broadband Power-line Communications Networks. — John Willey & Sons, 2004.
PRIME. Technology Whitepaper. PHY, MAC and Convergence layers, 2008 (www.prime- alliance.org).
Description of the state-of-the-art PLCbased access technology. — OPEN Meter, 2009 (www. openmeter.com).
HomePlug Command & Control (C&C). Overview. White Paper. — HomePlug Powerline Alliance, 2008 (www.homeplug.org).
REMPLI. Publishable Final Project Report. — REMPLI, 2006 (www.rempli.org).
Jones Kevin & Aslanidis Christos. DCSK Technology vs. OFDM Concepts for PLC Smart Metering. — Renesas, March 2009.