Узкополосная технология передачи данных по электросетям, часть 2

В статье дан обзор стандартов узкополосной технологии пере­дачи данных по электросетям, а также рассмотрены особенности некоторых технологий. В настоя­щее время во многих приложениях, в том числе в автоматизирован­ных системах контроля и учета энергоресур­сов передача данных осуществляется по про­водам силовой электросети. Для передачи данных используется полоса частот от 9 до 500 кГц, а скорость передачи составляет 0.3-100 кбит/с. В последние годы благодаря применению эффективных видов модуляции сигнала скорость передачи превысила 100 кбит/с.

В. Охрименко

ВВЕДЕНИЕ

Европейская Комиссия (исполнительный орган Европейского Союза) приняла декрет о том, что к 2020 году 80% потребителей элект­ричества в Европе должны быть снабжены ин­теллектуальными электронными электро­счетчиками. Изобретенные более ста лет назад традиционные электромеханические счетчи­ки исчерпали потенциал своих возможностей. По сравнению с ними электронные счетчики имеют много неоспоримых преимуществ, вы­годных как для энергетических компаний, так и для потребителей. К ним можно отнести повышение точности измерений, снижение затрат на производство, калибровку и техни­ческое обслуживание счетчиков и, что не ме­нее важно, возможность предоставлять потре­бителю и производителю подробную информа­цию об уровне расходуемой мощности в зда­нии, доме или квартире. В итоге выигрывают все. Потребители могут более точно отслежи­вать и контролировать расход электроэнергии (например, включать стиральную машину в тот период суток, когда ее стоимость мини­мальна), а поставщики могут генерировать и распределять электроэнергию более эффек­тивно [1-8].

Для удаленного сбора показаний разного рода счетчиков расхода (воды, газа, тепла, электричества и т.п.), управления потреблени­ем энергоресурсов, а также для оказания услуг потребителям служат автоматизированные системы управления/контроля. На рис. 1. по­казаны стандарты и протоколы, применяемые в автоматизированных системах считывания показаний датчиков, в том числе в сетях с ис­пользованием линий электропередач в качест­ве физической среды. Наиболее естественная среда передачи данных в таких системах – ли­нии электропередач среднего и низкого напря­жения. Во многом благодаря необходимости повсеместного внедрения и широкому распро­странению автоматизированных систем одно­временно с их развитием усовершенствовались узкополосная технология передачи данных по электросети (Power Line Communication – PLC), а также активные и пассивные PLC-ком­поненты. Кроме того, узкополосная PLC-тех­нология ориентирована на использование в устройствах управления уличным освещени­ем, системах сигнализации, вентиляции и кондиционирования, ее применение позволяет достаточно просто решать задачи объединения приборов и устройств в рамках концепции “умного дома” с возможностью централизо­ванного управления ими. Широкое примене­ние PLC-технологии, особенно в последние го­ды, обусловлено еще и тем, что “щупальца” ав­томатизированных сетей управления/контро- ля должны доходить до каждого счетчика на предприятии, в доме или квартире. Во многих случаях единственная и наиболее естественная среда связи, удовлетворяющая этому требова­нию, – электрический сетевой провод. Пример структуры электросети и сети сбора показаний счетчиков (датчиков), построенной на ее базе, приведен на рис. 2. Сравнительные характе­ристики технологий передачи данных по электросетям даны в таблице 1 [2, 3].

Таблица 1. Сравнительные характеристики технологий передачи данных по электросети

Рис. 1. Стандарты и протоколы, используемые в автоматизированных системах считывания показаний датчиков

Рис. 2. Пример структуры электросети и сети сбора показаний счетчиков

СТАНДАРТЫ

В PLC-технологии для передачи информа­ционного сигнала используется та же элект­ропроводка, по которой осуществляется энер­госнабжение. Как правило, частота информа­ционного сигнала значительно выше частоты промышленных электросетей переменного то­ка (50/60 Гц), а напряжение сигнала во много раз ниже, чем 110/200/220/380 В. Упрощенно принцип передачи PLC-сигнала по силовым линиям электросетей частотой 50 Гц показан на рис. 3. Выделение информационного сигна­ла обычно осуществляется с помощью ВЧ- фильтров, а устройства, созданные на их базе, в общем случае являются согласующим аппа­ратным интерфейсом (Coupling Interface).

Рис. 3. Принцип передачи PLC-сигнала по силовым линиям (50 Гц)

Поскольку провода электросети одновре­менно являются физической средой передачи информационного сигнала, при выборе рабо­чей полосы частот необходимо принимать во внимание следующие факторы.

Во-первых, необходимо учитывать затуха­ние сигнала при его распространении по элект­ропроводке. Затухание имеет ярко выражен­ную зависимость от частоты сигнала и расстоя­ния (рис. 4) [2], что приводит, в конечном сче­те, к существенному ухудшению отношения сигнал/помеха.

Рис. 4. Зависимость затухания сигнала от частоты и длина провода

Во-вторых, при выборе частотного диапазо­на для обеспечения электромагнитной совмес­тимости оборудования следует также учиты­вать требования существующих нормативных документов. В США действует стандарт FCC (Federal Communication Commission – Феде­ральной комиссии США по средствам связи), в Европе – CENELEC (Commission Europsenne de Normalisation Electrique — Европейского коми­тета по электротехническим стандартам). В этих стандартах для обеспечения передачи данных по электросетям определены уровни напряжений PLC-сигнала и разрешенные диа­пазоны частот в полосе 3-500 кГц (FCC) или (рис. 5) 3-148.5 кГц (CENELEC). Нормы на до­пустимые уровни высокочастотных электро­магнитных излучений приведены в соответ­ствующих стандартах – FCC Part15 subpart B/C, EN/IEC 61131-2, EN 55011 и других.

Рис. 5. Распределение частот в стандарте CENELEC

В стандарте IEC 61334, который был утвер­жден в конце 90 годов прошлого столетия, да­ны общие требования к системам автоматики с распределенными каналами связи, в которых в качестве физической среды для передачи данных используются электросети среднего и низкого напряжения. В настоящее время име­ют силу следующие технические специфика ции и стандарты МЭК (IEC – International Elec­trotechnical Commission) для узкополосной PLC-технологии [1]:

• IEC 61334-5-1: The spread frequency shift keying (S-FSK) profile (частотная манипу­ляция с расширением спектра)
• IEC 61334-5-2: Frequency shift keying (FSK) profile (частотная манипуляция)
• IEC 61334-5-3: Spread spectrum adaptive wideband (SS-AW) profile (адаптивный ши­рокополосной профиль с расширенным спектром)
• IEC 61334-5-4: Multi-carrier modulation (MCM) profile (модуляция с несколькими несущими)
• IEC 61334-5-5: Spread spectrum-fast fre­quency hopping (SS-FFH) profile (профиль быстрого скачкообразного изменения частоты).

При частотной манипуляции (FSK) значе­ниям “0” и “1” информационной последова­тельности соответствуют определенные часто­ты синусоидального сигнала c постоянной амплитудой. По сравнению с амплитудной манипуляцией (Amplitude Shift Keying – ASK) модуляция типа FSK обеспечивает лучшую по­мехоустойчивость, поскольку помехи, как правило, вносят искажения амплитуды, а не частоты сигнала. Спецификации физического уровня (Physical Layer Protocol – PHY), а так­же канального подуровня MAC (Media Access Control) для PLC-систем, в которых для пере­дачи данных используется модуляция вида S-FSK (Spread Frequency Shift Keying – частот­ная манипуляция с расширением спектра), регламентируются стандартом IEC 61334-5-1. Основное отличие между FSK и S-FSK заклю­чается в том, что при модуляции типа S-FSK разнос частот F (“0”) и F (“1”), кодирующих “0” и “1” информационной последовательнос­ти, существенно больше, чем при модуляции FSK. В общем случае при частотной манипу­ляции FSK [6]

F (“0”) = F несущей+(ΔF)/2;

F (“1”) = F несущей несущей — (Δ F )/2,

где ΔF – частотная девиация, равная Іхскорость передачи или 0.5хскорость передачи. Таким об­разом, при скорости передачи 2400 бит/с час­тотная девиация может составлять 2400 или 1200 Гц. В системах с использованием модуля­ции с расширением спектра вида S-FSK разнос частот (частотная девиация) составляет 10 кГц или более и не зависит от скорости передачи [1, 4]. В системах S-FSK, по сути, на физичес­ком уровне используется та же бинарная час­тотная манипуляция, что и в FSK-системах. При этом больший разнос частот позволяет увеличить помехоустойчивость при наличии узкополосных помех и вместе с тем сохранить простоту реализации метода. В стандарте IEC 61334-5-1 не регламентируются значения частот F (“0”) и F (“1”), они должны выбирать­ся в соответствии с рекомендациями CENE- LEC. Предусматривается две скорости переда­чи данных: 600 или 1200 бит/с, допускается также скорость передачи 2400 бит/с.

В технических спецификациях IEC 61334-5-4 описаны требования к системам, в которых для передачи данных применяется модуляция с несколькими несущими (Multicarrier Modu­lation — MCM). На физическом уровне предус­матривается использование одного из видов MCM-модуляции, а именно, модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex – мультиплексирования с ортогональным час­тотным разделением). Частоты поднесущих и их количество выбираются в соответствии с ре­комендациями спецификаций IEC 61334-5-4, причем разнос частот поднесущих составляет 4.5 кГц. Для модуляции поднесущих рекомен­дуется применять относительную фазовую ма­нипуляцию (Differential Phase-shift Keying – DPSK). Чтобы увеличить надежность передачи при ухудшении параметров канала связи в спецификациях IEC61334-5-4 предусматрива­ется возможность использования сверточного кодирования, что приводит соответственно к снижению в два раза скорости передачи дан­ных. Для сохранения целостности данных ре­комендуется применять CRC-коды, а исполь­зование специальной преамбулы гарантирует надежную синхронизацию даже в случае рез­кого ухудшения условий приема/передачи. Количество поднесущих (i) выбирается из со­отношения 1 < i < (N/2)-1, где N=64. Макси­мальная частота поднесущей 139.5 кГц. Сле­дует отметить, что в отличие от стандарта IEC 61334-5-1, MCM-спецификации не являют­ся международным стандартом в полном смысле слова, а относятся к классу технических специ фикаций. В этих спецификациях отсутствует множество требований и поэтому они нуждают­ся в существенной доработке и уточнениях.

В части PLC-оборудования (например, ком­пании ZIV Medida или Echelon Corp.) для пере­дачи данных используется модуляция типа BPSK (Binary Phase Shift Keying – двоичная фазовая манипуляция). Структурная схема модулятора приведена на рис. 6. Системы, построенные на базе BPSK, в сравнении с сис­темами с модуляцией типа ASK или FSK обес­печивают более низкую вероятность ошибки при приеме/передаче данных [1].

Рис. 6. Структурная схема фазового модулятора

ПРОИЗВОДИТЕЛИ

Ниже приведена информация о компонен­тах, разработанных для передачи данных в уз­кополосных PLC-сетях с использованием час­тотной манипуляции типа FSK или S-FSK. Ве­дущая роль в производстве однокристальных PLC-модемов принадлежит компаниям STMi­croelectronics и ON Semiconductor.

Компания STMicroelectronics (www.st.com) начала производство первых микросхем PLC- приемопередатчиков еще в 90 годах прошлого столетия. Для кодирования данных в них ис­пользовался метод частотной манипуляции (FSK) и они имели скорость передачи данных 1200/2400 бит/с. В последние годы компания предлагает пользователям микросхему PLC-мо­дема ST7538Q и усовершенствованную модель ST7540 со скоростью передачи до 4800 бит/с. ST7538Q и ST7540 – полудуплексные синхрон­но-асинхронные FSK-приемопере датчики, разработанные для передачи данных через си­ловые линии электропередачи. Эти микросхе­мы предназначены для использования в систе­мах управления средствами автоматизации зданий, в том числе в системах безопасности и контроля температуры и освещенности, систе­мах дистанционного управления уличным ос­вещением, автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии [6]. В моде­мах ST7538Q/ST7540 предусмотрено исполь зование следующих несущих частот: 60/66/ 72/76/82.05/86/110/132.5 кГц. Выбор частот осуществляется на программном уровне. Мик­росхема ST7538Q функционально совместима с выпущенной ИМС ST7537 и изготавливается в корпусе TQFP-44, ST7540 – в корпусе HTSSOP-28.

В конце 2009 года компания STMicroelec­tronics расширила семейство микросхем (ST7538Q/ST7540), ориентированных на ис­пользование в узкополосных PLC-сетях, вы­пустив новую микросхему PLC-модема ST7570, изготовленную по технологии 0.18 мкм. Микросхема ST7570 представляет собой полудуплексный модем, в котором для передачи данных используется модуляция с расширением спектра S-FSK. PLC-модем ST7570 предназначен для передачи данных по электрическим сетям низкого напряжения и соответствует требованиям стандартов EN50065 (CENELEC) и FCC, часть 15 [6]. Мо­дем ST7570 содержит процессорное ядро 8051 и, кроме того, DSP-ядро. Связь с хост-контроллером поддерживается через интерфейс UART или SPI. Основные параметры микросхем ST7540/ST7570 даны в таблице 2. Структур­ная схема PLC-модема ST7570 приведена на рис. 7.

Таблица 2. Основные параметры микросхем ST7540/ST7570

Одна из ведущих компаний по производ­ству интегральных микросхем – компания ON Semiconductor (www.onsemi.com) после приоб­ретения компании AMI Semiconductor (www.amis.com), прежде хорошо известной как разработчик компонентов для узкополосной PLC-технологии, приступила к широкомасш­табному выпуску однокристальных PLC-моде­мов. Микросхему PLC-модема AMIS-30585 компания AMI Semiconductor анонсировала еще в 2005 году. В настоящее время компания ON Semiconductor для организации низкоско­ростных PLC-сетей предлагает полудуплекс­ные модемы AMIS-30585/49587, предназна­ченные для передачи данных по линиям элект­ропередач с низким и средним напряжением.

Области применения модемов AMIS-30585/ 49587: автоматизированные системы удален­ного считывания показаний датчиков, систе­мы управления уличным освещением, устрой­ства домашней автоматизации, а также систе­мы охранной/пожарной и иной сигнализации.

Рис. 7. Структурная схема PLC-модема ST7570

Основные параметры PLC-модемов AMIS- 30585/49587 приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные параметры PLC-модемов AMIS-30585/49587

Предназначенный для работы в расширен­ном диапазоне температур новый модем AMIS- 49587 был анонсирован в конце 2009 года [7]. Этот модем обеспечивает скорость передачи данных до 2400 или 2880 бит/с соответственно при частоте сети 50 или 60 Гц. Кроме того, пре­дусмотрена возможность работы со скоростью 300/600/1200 бит/с. Для кодирования данных используется модуляция вида S-FSK (IEC 61334-5-1). Значения частот F (“0”) и F (“1”), выбираются из диапазона частот 9-95 кГц (полоса CENELEC А), разнос частот F (“0”) и F (“1”) составляет 10 кГц. В новом модеме AMIS-49587 реализованы также требования спецификаций раздела IEC 61334-4-32 (Logical Link Control – LLC). Встроенная система ФАПЧ синхронизирована с частотой электросети (50/60 Гц) и используется для синхронизации передачи данных на скоростях 300/600/1200/ 2400 бит/с. В качестве вычислительного ядра используется 16-разрядное процессорное ядро ARM7 TDMI. Для связи с хост-контроллером ре­ализован асинхронный двухпроводный интер­фейс (TxD, RxD). Микросхемы AMIS-30585/ 49587 выпускаются в корпусе PLCC-28 и совмес­тимы между собой по расположению выводов.

Испанская компания Advanced Digital De­sign S.A. (ADD) со штаб-квартирой в Сараго­се – одна из ведущих компаний по разработке IP-ядер, заказных микросхем ASIC (Applica­tion-Specific Integrated Circuit) и систем на кристалле (System-on-a-Chip – SoC) для PLC- коммуникаций (www.addsemi.com), предлагает для использования в автоматизированных сис­темах управления/контроля AMM (Automated Meter Management) и системах удаленного считывания показаний датчиков типа AMR (Automatic Meter Reading) ряд законченных решений для создания интеллектуальных уз­лов сети. Среди них система на кристалле ADD1000B (с поддержкой протокола KNX), а также функционально-законченный PLC-мо­дем ADD1010, содержащий стандартное про­цессорное ядро 8051, контроллер MAC-уровня ADD1210 и собственно PLC-модем ADD1310. Структурная схема ADD1010 приведена на рис. 8. Для передачи данных в модеме исполь­зуется модуляция FSK или S-FSK в соответ­ствии с требованиями спецификаций IEC61334-5-2 и IEC61334-5-1. На MAC-уровне ADD1010 поддерживает протоколы EHS, KNX и IEC61334-4-32. Скорость передачи данных от 0.6 до 4.8 кбит/с, частота несущей 60-132.5 кГц. В модеме предусмотрено также использование CRC- и FEC-кодов. Напряжение питания моде ма 3.3 В. Кроме того, компания ADD разрабо­тала и предлагает ряд других решений на базе программируемой логики Xilinx – XC4000XLA и Virtex E.

Рис. 8. Структурная схема PLC-модема ADD1010

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные стандарты и спецификации далеко не исчерпывают всех существующих. На практике кроме перечисленных наиболь­шее распространение получили спецификации HomePlug C&C [5, 8], продвигаемые альянсом HomePlug, а также спецификации, предло­женные европейским альянсом PRIME. В спе­цификациях HomePlug C&C предусмотрено использование модуляции типа DCSK (Differ­ential Code Shift Keying – дифференциальной кодовой манипуляции) с расширением спект­ра, обеспечивающей скорость передачи дан­ных до 7.5 кбит/с. Альянсом PRIME для узко­полосной PLC-технологии разработаны требо­вания к системам, в которых используется OFDM-модуляция с возможностью адаптации к параметрам физической среды передачи. Применение этого метода позволило в полосе частот CENELEC A (42-89 кГц) поднять ско­рость передачи до 128 кбит/с [8].

Более полную информацию об узкополосной PLC-технологии, существующих стандар­тах и PLC-оборудовании можно найти в [1-8].

ЛИТЕРАТУРА

1. State-of-the-art Technologies & – OPEN Meter, 2009 (www.openmeter.com).
2. OFDM-Based High-Speed Narrowband PLC Approved for Smart Metering and Smart Grids. – arivus-iAd, 2009 (arivus.eu).
3. Publishable Final Project Re­port. – REMPLI, 2006 (www.rempli.org).
4. Description of the state-of-the-art PLC­based access technology. – OPEN Meter, 2009 (openmeter.com).
5. HomePlug Command & Control (C&C). Overview. White Paper. – HomePlug Powerline Alliance, 2008 (homeplug.org).
6. FSK power line transceiver. – STM, 2006 (www.st.com).
7. AMIS-49587. Power Line Carrier Modem. Product Preview. – ON Semiconductor, 2009 (onsemi.com).
8. Kevin Jones & Christos Aslanidis. DCSK Technology vs. OFDM Concepts for PLC Smart Metering. – Renesas, March 2009.