Технологии PLC
Технологии PLC (Power Line Communication) обеспечивает передачу данных по силовым линиям электропитания. Существует несколько разных технологий PLC: для передачи данных по высоковольтным ЛЭП, для передачи данных телеметрии и широкополосной передачи данных по низковольтным сетям.
Для построения систем АСКУЭ используются технологии PLC, обеспечивающие узкополосную передачу данных в диапазоне частот CENELEC A (35-91 кГц, Россия и Европа), CENELEC B (98-122 кГц, некоторые страны Европы), FCC (155-487 кГц, США).
На настоящий момент на рынке существуют стандартизованные технологии передачи данных PLC PRIME, G3PLC, обеспечивающие сравнимые характеристики, а также ряд проприетарных технологий, часть из которых не соответствует нормам излучения по частоте или мощности, на что следует обращать особое внимание при выборе PLC-технологии.
Варианты реализаций технологии PLC от компании Инкотекс:
PLC II: Проприетарная, проверенная годами технология PLC, работающая в стандартном диапазоне CENELEC A. Технология представляет собой mesh-сеть с автоматическим перестроением маршрутов и автоматической ретрансляцией для увеличения дальности связи от концентратора до счетчиков электроэнергии. Технология обладает относительно небольшой скоростью передачи данных, но высокой надежностью, подтвержденной несколькими сотнями тысяч приборов учета, включенными в АСКУЭ на базе PLC II. Технология оптимальна для развертывания локальных систем, не предъявляющих повышенных требований к объемам собираемых данных и достаточна для построения АСКУЭ с функциями сбора суточных показаний, журналов событий и функциями управления нагрузкой.
PRIME: Технология является международным стандартом и используется огромным количеством производителей систем и приборов учета. Хорошо адаптирована к параметрам физической среды передачи данных, обеспечивает высокую скорость передачи данных (до 1 Мбит/c) и возможность мониторинга PLC сети в режиме реального времени.
В технологии используется древовидная топология сети, в которой есть базовый узел (контроллер/роутер/УСПД) и служебные узлы (счетчики). Передача данных между служебным и базовым узлами допускает до 1024 ретрансляций. Построение маршрутов и регистрация узлов выполняется автоматически.
Для взаимозаменяемости счетчиков разных производителей должна быть обеспечена совместимость на уровне протоколов обмена. Счетчики торговой марки «Меркурий», использующие технологию PRIME, поддерживают стандартный протокол обмена СПОДЭС на основе DLMS/COSEM.
Стандарт PRIME 1.4 обеспечивает наилучшее качество связи по сравнению с другими технологиями PLC.
G3PLC: Технология также является международным открытым стандартом, ориентированным на глобальное применение. Используется топология mesh-сети. По сравнению с PRIME скорость передачи данных существенно ниже до 35 Кбит/c (CENELEC)/128 Кбит/c (ARIB).
Достоинством стандарта является передача IPv6-пакетов в сеть Интернет, работа с различными типами оборудования, не только со счетчиками электроэнергии.
Типовая дальность связи при использовании PLC (без ретрансляции) составляет порядка 100 м, максимальная – 400 м. Дальность связи зависит от качества электрической сети (наличие скруток, множественных отпаек и т.п.) и наличия помех. Дальность связи практически не зависит от используемой технологии связи. Меньшую дальность обеспечивают старые системы, большую – только системы, работающих в нестандартном (запрещенном) частотном диапазоне или с превышением разрешенной мощности.
Преимущества технологий PLC
Особенности PLC
PLC? Учет в любой системе!
Учесть всю электроэнергию, не потеряв ни киловатта? Забыть о многомиллионных убытках? Мечта? Реальность! С автоматизированными системами учета электроэнергии «Энергомера» PLC-связи.
Главное – надежность!
Концерн «Энергомера» – отечественный производитель современных приборов, вот уже много лет успешно разрабатывающий системы дистанционного сбора информации Благодаря широкому диапазону технических средств, производимых Концерном, возможны многочисленные варианты построения АСКУЭ с различными каналами связи. Зачастую под каждый конкретный проект предлагается структура построения связи со своими особенностями. Не можете решить, какая система станет оптимальным решением именно для Вас? Попробуйте автоматизированную систему на основе PLC-технологий!
Надежная связь, или что такое PLC
PLC-связь (или связь по низковольтной сети) осуществляется непосредственно по сетевым проводам 0,4 кВ. Это своеобразная трасса для передачи данных от счетчика к пульту контролера. В России использование PLC-технологий при построении АИИС КУЭ особенно актуально и перспективно – ведь именно в нашей стране самая высокая в мире протяженность низковольтных линий энергоснабжения. Система передачи информации позволяет в режиме реального времени считывать показания счетчиков так и с многоквартирных домов, включенных в АИИС КУЭ. При этом контролеру вовсе не требуется доступ в помещение – необходимая информация автоматически или передается на необходимый уровень АИИС КУЭ, размещенный в энергосбытовой компании. Кроме того, использование PLC-технологий дает возможность выявлять факты хищений электроэнергии, сообщать о них и при необходимости дистанционно отключать неплательщиков.
PLC-связь применима для построения АСКУЭ разного типа…
Счетчики с PLC-модемом: преимущества и недостатки
Приборы учета электроэнергии становятся все более удобными и совершенными. Сегодня потребители могут купить электрический счетчик однофазный и трехфазный, одно- и многотарифный, соответствующие требованиям о высокой точности сбора показаний. А с недавнего времени в эксплуатацию начали вводить устройства с интегрированным PLC-модемом. Какими характеристиками и преимуществами обладает новое оборудование?
Плюсы счетчиков с PLC-модемом
В европейских странах технология PLC (Power Line Communication Modem), позволяющая передавать данные по электрической сети, известна уже давно. В России применять ее начали порядка 10 лет назад, а на сегодняшний день в Санкт-Петербурге купить счетчик электроэнергии с PLC-модемом можно практически в любом специализированном магазине. Суть заключается в том, что информация о потреблении электроэнергии автоматически передается в центральный пункт сбора данных. Среди других преимуществ этих устройств стоит выделить следующие.
Преимущества PLC-модемов очевидны, поэтому все больше потребителей предпочитает покупать электрические счетчики однофазные или трехфазные с поддержкой этой новой технологии. А есть ли у приборов учета с PLC-недостатки?
Минусы счетчиков с PLC модемом
В нашей стране электрические сети – одна из самых распространенных и разветвленных структур. С этой точки зрения передача данных по силовым линиям является наиболее удобной и доступной. Однако изначально сети не были предназначены для подобных операций, поэтому на практике встречаются определенные препятствия.
Несмотря на особенности наших электросетей, многие коммерческие организации, единичные потребители, дома и даже целые улицы делают выбор в пользу технологии PLC. Где сегодня можно купить счетчик электроэнергии в Санкт-Петербурге с такими характеристиками?
Счетчики с PLC-модемом от «НПК ЛЭМЗ»
Ленинградский Электромеханический завод производит счетчики уже более 60 лет. Наше предприятие всегда уделяло особое внимание внедрению современных технологических решений, сохраняя традиционно высокое качество и надежность продукции. В каталоге представлен широкий ассортимент приборов учета – потребители могут купить электрические счетчики однофазные, трехфазные, однотарифные и многотарифные.
Часть приборов учета производства «НПК ЛЭМЗ» доступна в модификации с PLC-модемом, благодаря чему потребители могут оценить удобство и функциональность новых технологий. Подробнее узнать о характеристиках и стоимости можно у наших специалистов по телефону 8 (812) 332-36-82.
Гетерогенные PLC/RF модемы для систем сбора данных
Умные счетчики стали реальностью в нашей жизни и главная их особенность – автоматический сбор данных. Как организовать сбор данных в многоквартирных домах и причем здесь гетерогенный PLC/RF модем? Как за 8 лет пройти путь от идеи до серийного производства, столкнуться с общими для области техническими ограничениями и разработать для их обхода собственное решение? Что лучше, передавать информацию по линиям питания (PLC) или использовать беспроводной радио канал (RF). На эти и другие вопросы постараюсь ответить в данной публикации!
Предыстория
Восемь лет назад (в 2013 году) мы вышли на рынок приборов учета, запустив в серийное производство счетчик электрической энергии Милур-104.
Первая версия счетчика электроэнергии
Со временем стало ясно, что общий тренд направлен не на отдельные приборы учета, а на создание автоматизированных систем учета энергоресурсов. Многие производители начали закладывать в свои приборы учета различные интерфейсы для снятия показаний и удаленного управления. В качестве интерфейсов можно было встретить различные решения, начиная от классического для промышленности RS-485, до различных реализаций радиочастотных и PLC трансиверов, были даже экзотические варианты вроде Ethernet.
В основу наших следующих счетчиков (Милур 105/305) легла модульная конструкция, позволяющая добавлять интерфейс передачи данных в виде отдельной печатной платы на этапе производства, что позволило унифицировать конструкцию модельного ряда приборов учета.
Гетерогенная система
В результате анализа ситуации было принято решение делать гетерогенную систему, использующую в качестве среды передачи данных совместно, как силовую линию (PLC), так и радиоканал.
Поскольку проводка является все-таки более изолированной средой передачи данных, чем радиоканал, в качестве основного интерфейса был выбран PLC.
В 2014 году Международным Союзом Электросвязи был выпущена новая версия стандарта ITU-T G.9903, более известного под названием PLC-G3, который и лег в основу PLC части гетерогенного модема.
PLC интерфейс
PLC сигнал в диапазоне CENELEC-B
Сам стандарт PLC-G3 разрабатывался с учетом ненадежности проводки, используемой в качестве передачи данных и поэтому содержит широкий диапазон средств для снижения вероятности возникновения ошибок, уменьшения их влияния на передаваемые данные и коррекции в случае повреждения.
Для передачи данных используется фазовая модуляция (BPSK/QPSK/8PSK), что накладывает меньшие требования к мощности передатчика по сравнению с решениями на основе частотной модуляции и позволяет работать при более низком соотношении сигнал/шум за счет увеличения вычислительных затрат на устройстве. Данные передаются одновременно по нескольким поднесущим посредством ортогонального мультиплексирования (OFDM).
Структура физического уровня PLC
За счет использования скремблера и перемежителя данные распределяются по поднесущим, что помогает избежать полной потери связи в случае возникновения помех, попадающих на часть поднесущих.
Стандарт использует одновременно линейное блочное и сверточное кодирование для увеличения надежности доставки данных.
Радиоканал
В качестве дополнительного интерфейса, а также для связи с устройствами, подключенными к изолированным электросетям или не подключенными к ним вообще, используется радиоканал в диапазоне 868МГц. Поскольку короткие волны диапазона 2.4ГГц хуже распространяются внутри помещений, а также еще на этапе начала разработки в нем уже было «довольно тесно» (а сейчас в городской черте там стало совсем печально) то выбор стоял в основном между 433 и 868МГц. Оба диапазона позволяли использование устройств общего назначения, так что делить эфир с китайской продукцией всевозможного назначения пришлось бы в любом случае, но 868МГц казался на тот момент более перспективным и в результате мы выбрали его, и как со временем оказалось — не ошиблись.
В отличии от PLC части, радиоканал на данный момент у нас реализован на готовом трансивере CC1200, производства Texas Instruments, но в будущем предполагается разработка собственной радиочастотной ИС в том числе и для данного применения.
Спектр радиосигнала PLC/RF модема
После принятия соответствующего решения ГКРЧ в ПО модемов была добавлена поддержка десятка низкоскоростных (1.2-9.6 Кб/c) каналов в диапазоне 868,7-869,2МГц для передачи данных и двух высокоскоростных (125 Кб/c) канала в диапазоне 866-868МГц для настройки и обновления самих устройств.
Для передачи данных на физическом уровне в радиоинтерфейсе используется модуляция 2GFSK, для уменьшения ширины спектра и снижения внеполосных излучений. На физическом уровне используется FEC из стандарта IEEE 802.15.4 для повышения надежности работы канала связи. Систему каналов можно использовать как для сосуществования различных сетей на одном объекте, так и для локального разделения подсетей для снижения утилизации эфира и повышения общей пропускной способности сети.
Развертывание и проблемы
Все описанное выше разрабатывалось и тестировалось с положительными результатами на территории компании Миландр, но все самое интересное началось после установки пробных партий на реальные объекты.
В конце 2017 года была собрана первая опытная партия из нескольких PLC/RF модемов для установки в 17-этажный многоквартирный жилой дом в г. Томск. На момент отправки были некоторые опасения, касательно совместной работы с модемами квартирных радиомодулей, но реальность показала, что сложностей может оказаться больше, чем изначально предполагалось.
Теоретическая модель импеданса сети, предсказуемо не соответствует реальному сопротивлению электрической сети и степень этого несоответствия может достигать нескольких порядков на отдельных частотах.
Любой реальный объект — он «живой», на нем присутствуют люди, которые могут включать и выключать различное оборудование, и состояние среды передачи данных может значительно меняться в течении суток.
Наибольшую проблему для PLC сигнала представляют не помехи от использования бытовых приборов, а поглощение сигнала за счет входных емкостей импульсных блоков питания. В электрической сети с большим количеством ИИП уровень PLC сигнала довольно быстро опускается до отрицательных значений SNR, в таких условиях полезный сигнал еще можно вытащить (за счет использования PSK) и восстановить (за счет кодов коррекции), но даже при этом доля поврежденных пакетов начинает довольно быстро составлять более 50%.
Электрическая сеть имеет распределенную структуру и сигнал отлично без искажений проходящий бухту кабеля 300м может легко не пройти по стояку из подвала до 10 этажа обычного многоквартирного дома.
В электрической сети объекта уже могут быть PLC устройства, использующие различные диапазоны спектра и типы модуляции (например S-FSK).
Спектры PLC сигнала и помех на различных объектах (можно открыть в новой вкладке для увеличения)
Существующие модели могут с неплохим приближением описать поведение радиосигнала на открытой местности, но не в закрытых помещениях со сложной геометрией. В них основную роль начинают играть переотражения сигнала от стен и перекрытий и сложение прямых и отраженных сигналов и от фаз каждой из компонент сигнала зависит степень ослабления в каждой конкретной точке пространства. Теоретически хорошую точность должна показать многолучевая модель, но для таких расчетов необходимо иметь подробные планы каждого объекта, чем маловероятно что будут заниматься перед установкой приборов учета. Физически эффект замирания проявляется в том, что в помещении образуются области, в которых стабильный радиообмен затруднен или вообще невозможен.
Счетчики электроэнергии часто устанавливаются в этажные щиты учета на лестничных площадках, которые представляют из себя, наверное, худшие условия, в которые можно поместить оборудование, использующее радиоканал — железная дверь с передней стороны и железобетон конструкций или металлические стенки ящика с трех других сторон — идеальные условия, если не для экранирования сигнала, то как минимум для его множественных переотражений.
Состояние эфира в диапазоне 868МГц на одном из объектов
В целом мы столкнулись с теми проблемами, с которыми сталкивались большинство производителей приборов учета при начале промышленного производства и для которых не существует стандартного решения. Косвенно подтверждением наличия сходных проблем можно считать отзывы о наличии проблем с качеством связи у систем АСКУЭ других производителей.
Решения
Одним из лучших решений в плане радиоканала считалось решение на основе LoRa. Для наших устройств дальность стабильной связи на открытом пространстве достигала 5-7 км, максимальная была около 10 км, для LoRa заявлялись сходные характеристики. Но поскольку специфика систем АСКУЭ в большинстве случаев предполагает установку приемопередающих устройств в помещениях, то было проведено сравнение работы радиоканала для нашей системы, состоящей из УСПД Milan IC 02 и квартирного радиомодуля и системы на основе LoRa+LoraWAN, где в качестве шлюза использовался Tektelic KONA Micro, с датчиком Tektelic KONA Home Sensor. Мощность шлюза и УСПД была установлена на +25dBm, а обоих датчиков на +14dBm, трансиверы LoRa были настроены на режим SF7/125кГц, в нашей сети использовался канал 9.6Кб/c шириной 25кГц.
Сравнение качества сигнала RF части модема и LoRa
Результаты измерений показали, что в условиях внутри помещений LoRa, несмотря на более надежную CSS модуляцию и большую ширину канала, фактически сталкивается с теми же проблемами переотражения и затенения, что и наше решение. Фактически не удалось получить какого-то значимого преимущества в работе какой-то из систем в тестовых условиях.
Многие производители систем учета предлагают следующие способы в качестве решения проблем качества каналов:
Установка дополнительных шлюзов и базовых станций.
Установка ретрансляторов PLC или RF сигнала.
Использование датчиков или приборов учета в качестве ретрансляторов.
Конечно, с точки зрения покупателя системы первый способ является наихудшим решением, так как ведет к дополнительным затратам. Классическая ретрансляция, реализуемая повторной отправкой принятых пакетов, проста в настройке, но значительно увеличивает нагрузку на сеть, снижает полезную утилизацию канала (при повышении общей), и при неправильной настройке может приводит к широковещательным штормам.
В качестве альтернативны было выбрано решение с честной маршрутизацией пакетов через модемы, установленные в приборы учета. Это позволяло аккуратно и надежно настроить маршруты пакетов до устройств, прямая связь с которыми была недостаточно стабильна или полностью отсутствовала. Для 17-этажного одноподъездного дома, служившего тестовым объектом, максимальная цепочка составила три промежуточных устройства между УСПД и опрашиваемым прибором. Добавление маршрутизации позволило почти полностью решить проблемы со связью с дальними от УСПД устройствами. Конфигурация модемов проводилась при помощи УСПД удаленно, постепенно записывая дерево маршрутов от ближних устройств к дальним.
Окно конфигурации дерева маршрутов PLC/RF сети
Несмотря на то, что использование статической маршрутизации помогло повысить надежность каналов связи, оно было все равно промежуточным решением, так как требовало от операторов управляющих компаний знания или анализа структуры настраиваемых объектов. Помимо этого иногда приходилось сталкиваться с ситуациями, когда жильцы, уезжая на отдых, полностью отключали приборы учета установленными перед ними рубильниками/автоматами. В случае, когда такой прибор был промежуточной точкой в маршрутах для устройств, установленных выше, это приводило к потере связи сразу с целыми сегментами сети.
Поэтому параллельно с испытаниями в компании Миландр, совместно с компанией Астрософт велась разработка обновленной версии системы, основанной на отечественной ОСРВ и использующей динамическую маршрутизацию. В качестве алгоритма маршрутизации стандартом 6LoWPAN (который мы в том числе начали реализовать) предлагалось использовать алгоритм реактивной маршрутизации LOADng. Классические алгоритмы проактивной маршрутизации, применяемые в компьютерных сетях требуют регулярного обмена пакетами между каждой парой связанных устройств в сети. Поскольку сейчас реализация компьютерных сетей связи в домах уже почти однозначно ассоциируется с технологией Ethernet и витой парой, а также типом связи устройств точка-точка (порт-порт), то кажется что что проблем с поддержкой регулярного обмена пакетами не будет. Но если вспомнить, что оба используемых нами интерфейса представляют из себя общую среду передачи данных, разделяемую между всему устройствами в зоне видимости (в том числе и не принадлежащими к нашей системе), то возникает закономерный вопрос — не превысит ли трафик накладных расходов на поддержание сети трафик полезных пакетов с опросом приборов учета.
Одной из дополнительных задач для автоматизации было добавление приборов учета и датчиков в УСПД для периодического опроса. В большинстве систем АСКУЭ это возможно сделать только вручную, занеся в базу данных информацию о приборе, месте его установке, параметрах, и т. д. В нашей системе была добавлена возможность для автоматической регистрации и обнаружения устройств в сети. После включения модем запрашивает у связанного с ним прибора учета его параметры (название, тип, серийный номер) и начинает активное сканирование эфира, отправляя на выбранном канале (или каналах) запросы поиска соседних устройств. После чего происходит попытка подключения к каждой из обнаруженных сетей. При совпадении ключей и прохождении фильтрации по белым/черным спискам устройств на УСПД устройство получает логический адрес в сети и привязывается к УСПД как к координатору. При этом на УСПД появится вся информация о приборе учета и оператору будет нужно только привязать его в ручном режиме к реальному месту установки и потребителю при необходимости.
Информация о приборах учета в УСПД
В гетерогенной сети помимо устройств с PLC/RF модемами могут также присутствовать устройства только с RF интерфейсом и с автономным или низковольтным питанием, как например квартирные радиомодули (счетчики импульсов, подключаемые к счетчикам воды, газа и тепла с импульсным выходом), датчики температуры и влажности, газосигнализаторы и т. д.
Пример построения дерева алгоритмом MTP
Сетевой стек PLC/RF модема
Поскольку разработка системы и ее развертывание на объектах происходили параллельно, то был реализован механизм обновления модемов устройств без физического доступа к прибору и повреждения пломбировки. Так как модем является отдельным модулем, взаимодействующим с прибором учета, то его ПО не относится к метрологической части и изменение его версии (с изменением контрольной суммы) не требует повторной поверки прибора учета. Обновить ПО можно двумя способами: или используя протокол удаленной настройки и управления самого модема, посредством отправки маршрутизируемых IPv6 пакетов по гетерогенной PLC/RF сети или с использованием протокола управления канального уровня и отправки прошивки по одному из широких радиоканалов, что значительно быстрее, но требует физического нахождения рядом с обновляемым модемом.
Небольшой оффтоп об обновлении
На самом первом объекте мы столкнулись с ситуацией, когда после установки нашей системы учета управляющей компанией поставщиком электроэнергии были установлены вводные приборы учета, также использующие PLC в диапазоне CENELEC A, но с другой модуляцией (S-FSK) и с высокой утилизаций канала (более 50%). На тот момент ПО модемов не поддерживало изменение диапазона работы PLC, поэтому единственным решением было обновление прошивки всех приборов учета на объекте по каналам со скоростью в 1-10 Кб/с. Дополнительной сложностью было то, что при смене частотного диапазона PLC терялась совместимость с предыдущей версией, поэтому обновление было необходимо устанавливать, двигаясь от самых дальних приборов (с точки зрения маршрутов) к ближним. В целом процесс прошел успешно, но для сотни с небольшим приборов занял чуть более месяца.
Со стороны УСПД модем на уровне драйвера интегрирован в ОС Linux. Для обращения к устройствам на используются IPv6 адреса, включающие в себя серийный номер прибора. В УСПД модем представляется как сетевой адаптер, на который можно открыть обычный UDP сокет для обмена данными с устройствами. Для анализа сети можно использовать стандартные утилиты вроде traceroute, tcpdump, а настройки самого модема вынесены в sysfs.
Работа с модемом в системе УСПД
Поскольку в ПО модемов также используется модульный подход, то их можно легко переконфигурировать под нужды заказчика и для применения в других системах, кроме АСКУЭ, например в качестве одной из ветвей является версия для управления светофорами на перекрестках, где полностью отключены алгоритмы маршрутизации и подтверждения сообщений и изменены настройки алгоритма множественного доступа к среде для достижения гарантированного времени доставки пакетов.
