Широкополосная передача данных по электросетям открывает путь для интеллектуальных сетей.

Для обеспечения безопасной передачи электроэнергии и для стабильной эксплуатации сетей и оборудования необходимо достижение оптимального баланса между предложением электроэнергии и её потреблением. Таким образом, крайне важно обладать точными, оперативными данными, о производстве энергии, а также иметь возможность контролировать и автоматически управлять ее последующим использованием. Чтобы интеллектуальные сети (Smart Grid) и интеллектуальный учет (Smart Metering) стали реальностью, необходимо иметь мощную коммуникационную платформу, которая способна передавать информацию о состоянии энергосистемы в режиме реального времени. Эта платформа должна:

- иметь IP-основу,

- быть высокоскоростной,

- обеспечивать безопасную передачу данных.

Системы передачи информации с использованием технологий широкополосной передачи данных по электрическим проводам (BPL технологии) отвечают всем вышеперечисленным требованиям и являются наиболее экономичными и эффективными. Система BPL Aranuka – оптимальное, недорогое решение для интеллектуальных сетей без абонентской платы и зависимости от сторонних организаций.

Сравнение PLC и BPL технологий

Идея использования линий электроснабжения для передачи информации не нова. Давно известна так называемая Narrowband Power Line Communication (PLC) технология. Недостатки PLC заключаются в низкой скорости передачи данных вследствие узкой полосы пропускания и в невозможности сбора данных в реальном времени для большого количества устройств, так как доступ к устройствам осуществляется по последовательному протоколу.

Рис.1 Сравнение PLC и BPL технологий

Технология BPL устраняет оба этих недостатка. В BPL системах информация передается на частотах до 30 МГц (рис. 1), а для доступа к устройствам используются протоколы TCP/IP, что позволяет осуществлять обмен информацией между устройствами, находящимися в сети, в режиме реального времени.

Система BPL позволяет быстро и легко расширять её, не требуя отключений на низком напряжении. Оптимальная конфигурация сети обеспечивается программным обеспечением - системой управления сетью, которая предоставляет постоянный контроль и централизованное конфигурирование устройств BPL.

Анализ стоимости развертывания и эксплуатации каналов связи

Преимущество BPL Aranuka очевидно — электрические сети подходят к каждому жилому и коммерческому зданию. Данное решение может применяться для передачи любого массива информации, как в сетях низкого напряжения, так и в сетях среднего напряжения с любой топологией (точка-точка, древовидной, звезда, mesh). Технология BPL использует передовые стандарты передачи данных из области телекоммуникаций, тем самым обеспечивая гибкость и надежность. Данное решение позволяет существенно снизить капитальные затраты на создание сетей связи по сравнению со строительством новой оптической линии и избежать эксплуатационных расходов, связанных с арендой кабельных коллекторов, а также абонентской платы за передаваемый трафик (рис. 2).

Рис. 2 Сравнительный анализ стоимости развертывания и эксплуатации каналов связи

Использование технологии BPL позволяет энергетическим компаниям и другим участникам энергетического рынка возможность без существенных затрат с их стороны, задействовав имеющиеся электрические кабели, обмениваться необходимой телеметрической информацией, иметь актуальную информацию с устройств телемеханики, МП РЗА и различных приборов учета.

Основы технологии и принципы организации BPL сетей.

В простейшем случае (соединение «точка-точка») для организации широкополосной передачи данных по кабельной линии среднего напряжения (6 - 35 кВ) требуется два BPL-модема Aranuka и два высоковольтных соединителя (каплера) для инжекции сигнала в линию. Модем и каплер соединяются коаксиальным кабелем. К модемам могут быть подключены любые Ethernet устройства. Таким образом, между этими устройствами формируется прозрачный для пользователей канал связи (рис. 3) с поддержкой протокола TCP/IP со скоростью до 25 Мб/с.

Рис. 3 Пропускная способность BPL каналов связи

Средой передачи информации служит электромагнитная волна, которая распространяется по кабельной линии (между токопроводящей жилой и броней кабеля) аналогично коаксиальной линии. По воздушной линии распространение сигнала происходит аналогично двухпроводной линии передачи.

Для связи BPL-модемы используют OFDM модуляцию, что позволяет сохранять канал связи в условиях переотражения электромагнитных волн. Переданная в модем информация накладывается на 1000 несущих частот в диапазоне спектра от 2 до 30 МГц, причем каждая несущая может модулироваться по одному из следующих алгоритмов: BPSK, QPSK, QAM16, QAM64, QAM256. Процессор модема анализирует состояние шума по всей ширине спектра 6 раз в секунду (рис.4) и, если уровень шума в какой-либо области спектра слишком велик, процессор подавляет несущие частоты в этой области и перераспределяет информацию по несущим частотам в той области спектра, в которой уровень шума минимален. В результате скорость передачи данных падает, но связь сохраняется. Это обеспечивает надежную передачу данных даже в условиях зашумления линии электропередач.

Рис. 4 Анализ соединений и несущих частот

В случае организации более сложной сети, где необходима связь между несколькими устройствами, каждый BPL модем Aranuka помимо своей основной функции осуществляет еще и ретрансляцию сигнала между другими BPL модемами Aranuka, причем система управления сетью анализирует состояние каналов связи между модемами и автоматически выбирает наилучший маршрут доставки сигнала. В случае, если возникает необходимость покрыть расстояния, не досягаемые BPL модемами, могут использоваться BPL репитеры, единственная функция которых – ретрансляция и усиление сигнала. Таким образом, формируется mesh сеть с динамической маршрутизацией, образуемая всеми устройствами системы Aranuka, что обеспечивает стабильную передачу данных, качество соединения и, соответственно, высокую готовность сети BPL – даже во время процессов коммутации в распределительной сети. Скорость передачи информации в режиме mesh сети – до 25 Мб/c.

Для доставки (приема) сигнала к конечному абоненту требуется перейти с линий среднего напряжения на линию низкого напряжения, а это значит, что возникает необходимость обойти понижающий трансформатор на трансформаторной подстанции (ТП) и выключатель. Для этого в ТП устанавливается два BPL модема Aranuka: один со стороны среднего напряжения, другой со стороны низкого. Эти модемы соединяются Ethernet кабелем. Для модема, подключенного к линии низкого напряжения, не требуется каплер. Модем, установленный в помещении конечного абонента, называется клиентским и включается в электропроводку здания, который питается от данного ТП. Скорость передачи данных по линиям низкого напряжения – до 5 Мб/с.

Разные типы линий электропередач требуют разного типа инжекции сигнала в линии среднего напряжения.

1. В кабельных линиях ёмкостной каплер присоединяется к токопроводящей жиле и броне кабеля. В этом случае электромагнитная волна распространяется между жилой и экраном кабеля.

Рис. 5 Схема монтажа оборудования на кабельной линии 6/10/20кВ

1. В воздушных линиях для инжекции сигнала используется два каплера – они подсоединяются к разным фазам, а с модемом соединяются с помощью коаксиального разветвителя – сплиттера. В этом случае электромагнитная волна распространяется между двумя фазами.

Рис. 6 Схема монтажа оборудования на воздушной линии 6/10/20кВ

Основные области применения BPL систем Aranuka:

• техническое оснащение электрических систем при комплексной автоматизации объектов электроэнергетики;
• удаленный сбор и передача информации о потреблении энергоресурсов со счетчиков (электроэнергии, воды, тепла, газа и пр.);
• удаленное управление подачей энергоресурсов потребителю;
• включения в состав автоматизированных систем телемеханики;
• создания цифровых каналов связи на основе силовых линий электропередач для доступа в Интернет, IP-телефонии, видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализации.

Каналообразующая аппаратура широкополосной передачи данных дает возможность комбинировать каналы связи с использованием радиоканала, GPRS/GSM, Ethernet, выделенной телефонной линии. Такой способ организации каналов связи позволяет создавать единую информационную сеть (рис. 7) и позволяет получить доступ к контрольному пункту по различным маршрутам.

Рис. 7 Пример использования BPL в системе учета

В документах, отражающих техническую политику ФСК, подробно описаны основные принципы создания и развития единой технологической сети связи электроэнергетики (ЕТССЭ), а также основные требования к услугам ЕТССЭ. Использование технологии BPL соответствует следующим принципам:

• цифровизация сети и внедрение оборудования перспективных технологий мультисервисных сетей связи (IP, MPLS и др.), вывод из эксплуатации аналоговых систем связи;
• широкополосность - возможность гибкого и динамического изменения скорости передачи информации в широком диапазоне в зависимости от текущих потребностей;
• масштабируемость сети - возможность расширения сети без изменения основополагающих технических принципов ее построения;
• организация полного набора традиционных услуг связи и новых информационных услуг с возможностью обеспечения требуемого качества обслуживания;
• мультисервисность - независимость технологических и корпоративных услуг обеспечения связи от транспортных технологий;
• интеллектуальность - возможность управления услугой, вызовом и соединением со стороны пользователя и возможность создания новых сервисов с использованием стандартизированных средств;
• экономическая целесообразность создаваемой сети, снижение капитальных и операционных затрат;
• организации взаимодействия со сформированными и формирующимися корпоративными сетями связи субъектов электроэнергетики;

Системы BPL Aranuka удовлетворяют следующим основным потребительским требованиям к услугам связи:

• Основные параметры услуги (скорость передачи информации, номерная емкость, время установления соединения, географическая доступность);
• Параметры качества оказываемых услуг:
  • доступность;
  • надежность;
  • коэффициент готовности и время восстановления;
  • пропускная способность;
  • качество передачи информации.
  • Защищенность передаваемой информации (информационная безопасность).
  • Функционирование телекоммуникационной инфраструктуры в круглосуточном режиме с резервированием ее элементов, обеспечивающих непрерывность оперативно-диспетчерского и оперативно-технологического управления.

Система BPL Aranuka – идеальное решение для передачи данных в Smart Grids:

• Система BPL может быть использована для построения и эксплуатации полностью контролируемой коммуникационной платформы в энергосистеме.
• Стабильная передача данных: доступность и гибкость системы обеспечивается за счет Mesh-сети с автоматической маршрутизацией, которая образуется всеми устройствами.
• Простота установки: Plug and Play.
• Защита данных и конфиденциальность: с помощью стандартных интернет и телекоммуникационных протоколов:
  • SNMPv3 (система управления)
  • SSL-шифрование с HTTPS
  • Интегрированный FireWall
  • Модульная концепция включает несколько конкретных клиентов и встраиваемых OEM-решений, а также подключаемые модули.
  • Экономичность: лучшие соотношения затрат и выгод для всех Smart Grid коммуникационных технологий.
  • Надежность: метод модуляции OFDM обеспечивает стабильную и надёжную передачу данных.
  • Энергетическая эффективность: Очень низкое потребление энергии благодаря низкому уровню передачи сигнала.
  • С прицелом на будущее: легкое развертывание и конфигурирование системы в реальном времени с использованием мировых стандартов и открытых интерфейсов.
  • Не оказывает влияния на деятельность энергосистемы: система BPL Aranuka автоматически адаптируется к различным условиям коммутаций и эксплуатации сети, не влияя на её работу.
  • Параллельная передача данных: широкополосная передача данных и VPN технологии позволяют осуществлять параллельную передачу данных из различных приложений.

Таким образом, с системой BPL Aranuka каждый силовой кабель становится широкополосным каналом передачи данных, и силовая сеть превращается в высокоэффективную сеть связи для Smart Grid. Благодаря тому, что в системе BPL Aranuka скорость обмена информацией достаточно высока, система может использоваться не только для передачи данных учета и управления энергопотреблением и другой технологической и телеметрической информации, но и для доступа в Интернет, IP-телефонии, видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализации.

BPL системы Aranuka успешно реализованы в Smart Grid проектах многих европейских энергосбытовых компаний и в настоящее время эксплуатируются более чем одним миллионом абонентов во всем мире.

Сравнение современных реализаций широкополосной передачи данных по электросети 0,4/6/10/20кВ (BPL)

В настоящее время широкополосные системы связи по электросети - BPL (broadband over power line) приобретают все большее распространение в мире и связано это, прежде всего, с простотой организации доступа к информационной среде, ведь электросеть имеется в каждом доме, а доступ к сети с точки зрения конечного пользователя обеспечивается простым включением модема BPL в розетку.

Скорость связи по технологии BPL достаточна как для передачи технологической информации в режиме реального времени при построении Smart Grid «умных сетей», так и для современных интернет-сервисов рынка услуг широкополосного доступа: Voice over IP, Video On-Demand и других.

Новая технология BPL продолжает развиваться. Исследования в области широкополосной связи по электросети ведут крупнейшие мировые компании: -IBM cовместно с компанией CenterPoint Energy Houston Electric (специализирующейся на доставке и распределении электроэнергии); - Google, Goldman Sachs и Hearts совместно с Current Communications (BPL системы) и другие.

Системы BPL получили достаточно широкое распространение в Европе, также системы представлены и на российском рынке. Их работа базируется на двух основных технологиях - DS2 и Home Plug 1.0.

Описание принципов организации связи BPL в реализации DS2

В оборудовании для доступа к среде передачи данных – электропроводке, при реализации по технологии DS2 , – используется алгоритм TDMA (Time Division Multiple Access — множественный доступ с разделением по времени).

Суть TDMA состоит в том, что каждому клиентскому устройству, присоединенному к головному устройству, передается маркер на определенный интервал времени. В течение этого интервала времени владения маркером устройство может передавать данные в полосе пропускания, определенной качеством соединения с головным устройством.

Для увеличения площади покрытия и количества устройств в сегменте при реализации по технологии DS2 производителями стандартно предлагается применять репитеры с разделением времени – TD (Time Division) репитеры. Очевидно, что с увеличением числа устройств, присоединенных к одному головному устройству, время владения маркером будет делиться между всеми устройствами, в том числе и между TD репитерами. Следовательно, в какой-то момент устройствам станет не хватать времени, чтобы передавать сколько-нибудь значительные количества данных, несмотря на то, что физическое соединение с головным устройством или с TD репитером будет хорошим. Описанная ситуация проиллюстрирована на рисунке:

Очевидно, что при использовании TD репитеров большое увеличение количества устройств в одном сегменте не представляется возможным, т.е. не получается добиться значительного увеличения длины канала связи.

Также следует отметить возможность возникновения затруднений у оконечных устройств с выбором мастера, к которому следует присоединиться – головное устройство или TD репитер.

Для решения указанных проблем была введена концепция репитера с разделением частоты – FD (Frequency Division) репитера (отсюда – FDMA (Frequency Division Multiple Access) — множественный доступ с разделением каналов по частоте). Данный принцип реализован, например, в стандарте GSM. FD репитер состоит из двух модемов, один из которых настроен как головное устройство ( HE(head end) - головной модем), а второй - как оконечное (CPE(customer premises equipment) — модем клиента). Полоса частот делится на три моды, и каждая пара HE – CPE соединяются в своей части диапазона:

Так строится многослойный канал связи, в каждом звене которого приемо-передача данных происходит в своем частотном диапазоне. Это решение позволяет передавать данные на большие расстояния, однако, стоимость такого канала становится высокой, поскольку количество модемов в каждом звене удваивается.

Количество конечных устройств, присоединенных к одному головному модему BPL, в реализации DS2 не превышает 64шт.

Описание принципов организации связи BPL в реализации Home Plug

В оборудовании связи BPL при реализации по технологии Home Plug применяется другой метод доступа к среде – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance "множественный доступ с контролем несущей и избеганием коллизий"). Этот метод доступа используется в группе стандартов беспроводной связи 802.11, а также в похожем новом европейском стандарте беспроводной связи HiperLAN2.

Поскольку доступ к среде при реализации по технологии Home Plug является случайным (происходит «прослушивание» линии и, если другие CPE не передают, конечное устройство связи начинает передачу), количество устройств, присоединенных к одному головному модему, определяется размером домена коллизий. Количество конечных модемов BPL, работающих за одним головным модемом, по технологии Home Plug может составлять до 252 шт.

Технологию Home Plug для построения сетей использует крупный европейский производитель BPL систем - компания Power Plus Communications (PPC). Официальный представитель PPC в России - ООО «ПроГрид».

При организации сетей компанией PPC применяется концепция самостоятельной ячейки, образуемой головным устройством. Оконечное устройство можно сконфигурировать как принадлежащее к определенной ячейке, и тогда оно не будет пытаться выбрать наилучшего мастера.

Каждое устройство связи PPC является репитером, что позволяет осуществлять маршрутизацию пакетов в линии в зависимости от состояния канала:

Большой размер домена коллизий позволяет построить достаточно протяженную линию связи, чтобы сигнал от предыдущего головного устройства не становился шумом для следующего.

Проблема присоединения пограничных CPE решается посредством конфигурирования ячеек с помощью специализированного программного обеспечения.

Такой подход не позволяет организовать локальную сеть между клиентами, присоединенными к CPE и находящимся за одним HE, но это и не требуется для организации канала связи «точка-точка»:

Выводы по сравнению различных реализаций технологии связи BPL:

1. Организация канала связи между диспетчером (или точкой выхода в опорную сеть) и конечным пользователем с помощью BPL оборудования на основе технологии Home Plug требует в два раза меньшего количества устройств и, следовательно, дешевле канала связи, построенного по технологии DS2;
2. Качество связи в обоих вариантах реализации технологии BPL вполне достаточное для передачи данных в режиме реального времени приложений Smart-Grid, smart-metering, телемеханики, телеметрии, релейной защиты и др.;
3. Несомненными достоинствами технологии BPL являются скорость развертывания IP сетей, их масштабируемость, а также отсутствие затрат на согласования, часто неизбежные при организации альтернативных каналов связи. С системами связи BPL заказчик избавлен от затрат на абонентскую плату, а также не тратит время и средства на строительные работы.