پروتکل های انتقال داده روی پاور لاین ها

انتقال داده روی خطوط قدرت چگونه است؟

پروتکل ارتباطات خطوط قدرت (PLC-power line communication ) داده ها را روی هادی که به طور همزمان

برای انتقال انرژی الکتریکی AC یا توزیع برق بر روی مصرف کنندگان نیز استفاده می شود ، حمل می کند.

همچنین به عنوان حامل خط برق ، خط مشترک برق دیجیتال  (PDSL) ، برقراری ارتباط ، ارتباط از

راه دور (PLT)  یا شبکه خطی ( PLN) شناخته می شود.

طیف گسترده ای از فن آوری های ارتباطی خطوط برق برای کاربردهای مختلف مورد نیاز است ،

از اتوماسیون خانگی گرفته تا دسترسی به اینترنت که اغلب به آن خط باند پهن گفته می شو (BPL) .

اکثر فن آوری های PLC خود را به یک نوع سیم (مانند سیم کشی ساختمان در یک ساختمان واحد)

محدود می کنند ، اما برخی از آنها می توانند از دو سطح عبور کنند (به عنوان مثال ، شبکه توزیع و سیم کشی محل).

به طور معمول ترانسفورماتورها از پخش سیگنال جلوگیری می کنند ، که برای ایجاد شبکه های بسیار بزرگ ، به چندین فن آوری نیاز دارد.

نرخ ها و فرکانس های مختلف داده ها در موقعیت های مختلف استفاده می شوند.

تعدادی از مشکلات فنی بین ارتباط بی سیم و خط برق مشترک است ، به ویژه آنهایی

که سیگنال های رادیویی طیف گسترده ای دارند که در یک محیط شلوغ کار می کنند.

به عنوان مثال ، تداخل رادیویی مدت هاست که مورد توجه گروه های رادیویی آماتور قرار گرفته است.

مشکل نویز:

اگرچه این مشکل از زمان شروع ارتباطات رادیویی وجود داشت ،

اما مسائل مربوط نویز خطوط قدرت در حال افزایش است.

گسترش وسایل برقی ، الکترونیکی ، موبایل و بی سیم – که مستعد نویز

خط هستند – در این افزایش نقش داشته اند.

این قانون برای اصلاح تداخل خط برق نیاز به ابزارهای اقتصادی دارد ،

اما این لزوماً نباید تجربه ای برای شکستن بودجه باشد.

با استفاده از رویکردهای مناسب ، برنامه های کاربردی دریافتند که برخورد

با مشکلات نویزخط به ندرت وقت گیر یا گران است.

سیستم های PLC ، در پاسخ به یک ضربه (impulse) با دامنه بزرگ ، یک ویژگی غیرخطی

را نشان می دهند و ممکن است زمان غیرقابل تصور باشد.

در ترمیم سیگنال ، هدف جدا کردن نویز از سیگنال است ، و حوزه نمایندگی باید

یکی از مواردی باشد که بر تمایز تأکید می کند.

ویژگی های سیگنال و نویز. نویز تکانشی معمولاً در حوزه زمان نسبت به دامنه فرکانس

مشخص تر و قابل تشخیص است و مناسب است از پردازش سیگنال دامنه زمانی برای تشخیص و حذف نویز استفاده شود.

در انتهای این قسمت باید بیان کنیم که برای از بین بردن نویز

از فیلتر ها استفاده میکنیم که در این باره بحث نمیکنیم.

به منظور فهم ، PLC را می توان به طور گسترده ای مشاهده کرد:

•  Narrowband PLC * –

در فرکانس های پایین تر ، سرعت داده های پایین تر کار می کند و برد بیشتری دارد (تا چند کیلومتر) ، که با استفاده از تکرار کننده ها قابل افزایش است.

• BroadBand PLC * –

در فرکانس های بالاتر ، نرخ داده های بالا کار می کند و در برنامه های با برد کوتاهتر مورد استفاده قرار می گیرد.

روش دیگری برای طبقه بندی ارتباطات Power Line وجود دارد:

• PLC * بر روی خطوط – AC تمرکز اصلی بیشتر شرکتها

• PLC * روی خطوط – DC تولید انرژی توزیع شده و PLC در حمل و نقل (کنترل الکترونیکی در هواپیما ، اتومبیل و قطار)

در حالی که اکثر شرکت ها در حال حاضر به دنبال ارائه راه حل های AC-PLC هستند ،

PLC در خطوط DC کاربردهایی نیز دارد.

دو برنامه کاربردی عبارتند از PLC بر روی اتوبوس DC در تولید انرژی توزیع شده

و PLC در حمل و نقل (کنترل الکترونیکی در هواپیما ، اتومبیل و قطار).

این استفاده پیچیدگی ، وزن و در نهایت هزینه ارتباطات داخل وسایل نقلیه را کاهش می دهد

. با این حال ، در این مقاله ، ما بیشتر با باریک PLC از خطوط AC سر و کار خواهیم داشت.

بازار narrowband PLC شاهد رقابت های زیادی است و تعداد

زیادی از تامین کنندگان PLC به این رقابت پیوسته اند ، از جمله:

1.  Cypress Semiconductor

2.  Echelon

3.  ST Microelectronics

4.  Yitran

5.  Texas Instruments

6.  Maxim

پروتکل انتقال داده (چگونه کار میکند؟)

PLC مانند هر فناوری ارتباطی دیگری است که به وسیله آن یک فرستنده داده های ارسال شده

را مدوله(modulate) می کند ، آن را به رسانه تزریق می کند ، و گیرنده داده ها را برای خواندن آن مدوله معکوس (de-modulate) می کند.

تفاوت عمده این است که PLC نیازی به کابل کشی اضافی ندارد ، از سیم کشی موجود

دوباره ( هم ارسال اطلاعات و هم انتقال برق )استفاده می کند.

هنگام بحث در مورد فناوری ارتباطات ، مراجعه به مدل 7 لایه OSI

(مدل پایه ای در شبکه های کامپیوتری لایه ای)اغلب مفید است.

برخی تراشه های PLC فقط می توانند از Physical Layer (لایه اول از هفت لایه) مدل OSI پیاده سازی کنند ،

در حالی که برخی دیگر هر هفت لایه را ادغام می کنند.

می توان از یک پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP)  با یک نرم افزار منطق خالص از MAC

و یک مدار PHY خارجی یا یک راه حل بهینه سازی شده سیستم بر روی تراشه( SoC)

استفاده کرد که شامل PLC کامل – MAC و PHY است.

سری Cypress CY8CPLCXX نمونه ای از دومی است که دارای یک لایه آماده برای

استفاده فیزیکی و شبکه و یک لایه برنامه قابل برنامه ریزی برای کاربر است.

قبل از حرکت به برنامه های کاربردی PLC ، اجازه دهید ابتدا با مشاهده آن به عنوان سه

بخش بر اساس نرخ داده ، جنبه های مختلف لایه فیزیکی را درک کنیم.

طرح های مدولاسیون:

انواع طرح های مدولاسیون را می توان در PLC استفاده کرد.

برخی از این طرح ها OFDM) ) مالتی پلکس تقسیم فرکانس متعامد ، تغییر فاز دودویی

( BPSK- binary phase shift keying )، کلید کشی فرکانس

(FSK- Frequency Shift Keying) ، Spread-FSK (S-FSK) و طرح های اختصاصی نیز می باشد

(به عنوان مثال کلید افتراقی کد افتراقی (DCSK) از ییتران).

در جدول زیر ، BPSK ، FSK ، SFSK و OFDM بر اساس دو معیار مهم – بازده پهنای باند و پیچیدگی (هزینه) مقایسه شده اند.

OFDM بطور خاص نرخ داده های بالایی را ارائه می دهد ، اما به اسب بخار محاسباتی نیاز دارد

تا Transforms Fast Fourier (FFT) و Inverse-FFT (IFFT) را تولید کند ، همانطور که در این طرح مورد نیاز است.

از طرف دیگر ، BPSK ، FSK قوی و ساده هستند اما نرخ داده پایین تری دارند.

روند فعلا حرکت به سمت OFDM با مدولاسیون PSK است ، در حالی که FSK ،

PSK و SFSK را می توان با یک میکروکنترلر انجام داد.

استاندارد ها:

استانداردهای مختلفی به منظور حصول اطمینان از ارتباطات مطمئن و بین عملکرد ،

بویژه برای شبکه هوشمند و شبکه خانگی ایجاد شده است. نمونه هایی از چنین استاندارد هایی عبارتند از:

اینها ، به همراه سازمانهایی که بر آنها نظارت دارند مانند CENELEC ،

FCC ، ARIB ، Homeplug Power Alliance ، محدوده های عملکرد PLC را مشخص می کنند.

اگر یک استاندارد جهانی برای PLC برقرار شود ، این امر تأثیر مثبتی در تصویب PLC خواهد داشت.

تاکنون استاندارد G3-PLC به عنوان قوی ترین طرح موجود مورد حمایت قرار گرفته است

و کارگروه IEEE 1901.2 متعهد به تدوین استانداردی قابل قبول جهانی است.

فرکانس های کار:

مناطق مختلف جهان باندهای فرکانس متفاوتی دارند که به PLC باریک(narrowband PLC)

اختصاص داده شده اند. جدول زیر فرکانس های مختلف موجود برای ارتباط باریک PLC در منطقه مربوطه را خلاصه می کند.

فرکانس های کار از قبل قرارداد میشوند و به یک پروتکل اختصاص می یابند.

که در آن:

• CENELEC کمیته استاندارد سازی الکتروتکنیک اروپا.

• ARIB انجمن صنایع رادیو و تجارت

• EPRI موسسه تحقیقات برق

• FCC کمیسیون ارتباطات فدرال

کاربردها:

PLC در Smart Grid و میکرو اینورترها (inverters) بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.

از آنجا که بازار با این فناوری آشنا می شود ، PLC باید در برنامه های دیگر مانند

روشنایی (مانند کنترل چراغ راهنمایی ، کم نور) ، صنعتی (به عنوان مثال UPS در

ارتباط با یک دستگاه شبکه ، کنترل آبیاری) ، دستگاه به دستگاه دیگر (مانند مثال دستگاه

های فروش ، ارتباطات پذیرش به اتاق هتل) ، تله متری (به عنوان مثال سکوهای نفت

فلات قاره) ، حمل و نقل (به عنوان مثال الکترونیک در اتومبیل ، قطار و هواپیما) و در

واقع ، برنامه های PLC فقط با خلاقیت شخصی محدود می شوند. در این مقاله ، کمی

بیشتر در مورد PLC در بازارهای تولید و حفاظت از انرژی اطلاعاتی کسب خواهیم کرد.

پروتکل های ارتباطی Powerline با سرعت کم:

استفاده از خط برق برای ارسال اطلاعات ایده جدیدی نیست. سوئد سالهاست از شبکه برق

elecic خود برای ارتباطات تلفنی استفاده می کند.

علاوه بر این ، خطوط برق در سراسر جهان برای ارتباطات کم فرکانس توسط استفاده از برق الکتریکی ،

برای مانیتورهای کودک یا عملکردهای ساده کنترل در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفته است.

LONWorks یا Intelogis PLUG-IN این پروتکل های اختصاصی دارای سرعت پایین هستند و صرفاً

برای کنترل سیستم های مصرفی ، مانند چراغ ها ، لوازم خانگی یا الکترونیک های ساده استفاده می شوند.

علاوه بر این پروتکل های مشتری مدار ، صنعت برق دارای پروتکل جداگانه ای برای استفاده از

خطوط برق برای برقراری ارتباط داده های کنترل سیستم SCADA) )است.

در گذشته ، سیگنالهایی که توسط ابزارهای برقی برای کنترل ارتباطات خط سیگنال مورد استفاده

قرار می گرفت ، آنالوگ بوده اند.

داده ها با استفاده از مدولاسیون دامنه (یا باند دو طرفه یا باند یک طرفه) یا کلید فرکانس–تغییر مکان

( ON-OFF) بر روی فرکانس های حامل از 30 کیلوهرتز تا 500 کیلوهرتز در ایالات متحده

و از 10 کیلوهرتز تا 490 کیلوهرتز در کانادا انتقال می یابند.

Xl0 پدر پروتکل های Powerline ، از مدولاسیون دامنه برای ارسال اطلاعات باینری دوتایی

از یک کنترلر / فرستنده به ماژول های XlO که به یک پریز برق معمولی متصل شده اند

، استفاده می کند. پالسهای کنترلی پشت سر هم با فرکانس 120 کیلوهرتز درون یک پاکت lms تشکیل شده اند:

وجود پشت سر هم علامتی منطقی “1” را نشان می دهد در حالی که عدم وجود پشت سر هم ” 0″ منطقی است. 8 بیت هر واحد دو بار منتقل می شود

(برای اطمینان) در هر چرخه از موج سینوسی برق 60 هرتزی AC استفاده میشود.

سرعت انتقال داده در این حالت محدود به 60 بیت بر ثانیه است.

پروتکل های ارتباطی Powerline با سرعت بالا:

در استفاده از خطوط برق برای ارتباطات برق با سرعت بالا

(HSPLC – High Speed Powerline Communications) مشکلات زیادی

وجود دارد ، از جمله تغییرات گسترده در امپدانس خط به عنوان تابعی از فرکانس ،

مشکلات ضعف زیاد و تداخل ، و بازتاب سیگنال ناشی از عدم تطابق سیگنال

(عدم تطابق توان در فرستنده و گیرنده که موجب بازتاب بخشی از سیگنال ارسالی میشود.).

هرتوسعه دهنده محصولات HSPLC سعی کرده است با ارائه پروتکل های متفاوت ، این

مشکلات را برطرف کند. در حالی که بسیاری از شرکت ها و ارگان ها مفاهیم خود را تحمیل میکنند .

اتحاد HomePlug (Powerline) شامل بیش از چهل عضو است که سازنده اصلی

رایانه ها و تجهیزات ارتباط داده ای از جمله 3Com ، CISCO ، Compaq

، Intel ، Motorola ، Panasonic ، Radio Shack و Texas Instrument هستند. در 5 ژوئن سال 2000

، PowerPacket توسط HomePlug Alliance انتخاب شد تا مبنای مشخصات صنعتی در شبکه برق خانگی قرار بگیرد .

در نتیجه ، بیشتر تولید کننده هایی که در حال تهیه پروتکل های دیگر بودند (به استثناء شبکه های Adaptive )

از تحولات اصلی خود دور می شوند و توجه خود را به ایجاد محصولاتی که مطابق با استاندارد جدید HomePlug باشد ، جلب می کنند.

PowerPacket ، که اکنون به عنوان 1.0HomePlug از آن یاد می شود ، از فناوری

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) برای انتقال داده تا حداکثر 5 مگابیت بر ثانیه (Mbps)

در باند 4 به 20 مگاهرتز آزاد با استفاده از خط قدرت استفاده می کند.

OFDMیک تکنیک انتقال چند حامل است ، شبیه به

Frequency Division Multiple Access (FDMA) است.

هر دوی این تکنیک ها طیف موجود را در بسیاری از حامل ها تقسیم می کنند و هر شرکت مخابراتی

را با یک جریان داده کم نرخ جداگانه مدوله کنید.

با این حال ، در جایی که FDMA هر زیر کانال(subchannel) (که بطور معمول 10 کیلوهرتز تا 30 کیلوهرتز پهن است)

را برای کاربران جداگانه اختصاص می دهد ،

OFDM از تمام زیر کاناله ها استفاده می کند ((OFDM معمولاً دارای 100-1000 کانال فرعی است ،)

هر یک در حدود 1 کیلوهرتز) برای پخش یک پیام واحد. بنابراین ، این امکان را می دهد تا

داده های بیشتری با سرعت نماد پایین تر از FDMA سریعتر منتقل شوند.