Однопроводный канал телеметрии по PLC

Введение

PLC (Power Line Communication) – коммуникационная сеть, транспортом которой является обычная электропроводка квартиры, офиса или предприятия. Каналы PLC можно использовать для передачи данных и голоса, но основная ниша использования данной технологии, по мнению автора, – построение низкоскоростных сетей АСКУЭ, систем промышленной телеметрии и систем домашней автоматизации, так называемый «Умный дом» (IoT-устройства). 

Организация протоколов обмена данными посредством PLC при построении подобных систем и сетей выгодно отличается от традиционных проводных и беспроводных способов, таких как RS-485, CAN, GSM, ZigBee, тем, что не требует дополнительных финан-сово-временны́х затрат как на прокладку линий связи, так и на содержание оборудования сетей.

Вместе с тем развитие PLC-технологий в России сдерживается рядом факторов, таких как низкое качество электропроводки, наличие скруток (приводит к полному пропаданию сигнала), присутствие мощных импульсных помех, наводимых включёнными в электросеть потребителями – электроинструментом, станками, электролюминесцентными лампами и т.д. 

Наличие этих факторов фактически поставило крест на идее организации «Интернета из розетки» и распространении широкополосных PLC-модемов в нашей стране.

Наиболее популярный в США и странах Западной Европы протокол связи по электропроводке Х10 в России нашёл очень ограниченное применение. Примером могут служить счётчики АСКУЭ «Меркурий» московской фирмы «Инкотекс». Но, в отличие от своего исходного прототипа Х10, этот протокол передачи данных является закрытым, поскольку использует фирменный алгоритм кодирования данных для достижения высокой помехоустойчивости.

Вместе с тем существует способ существенно повысить помехоустойчивость низкоскоростных каналов по PLC. Для этого нужно вернуться к популярной в 80-х и 90-х годах прошлого века идее однопроводной передачи энергии. 

В рамках этой идеи было предложено 2 технических решения: система SWER и резонансная система передачи электроэнергии [1].

Cистема SWER (Single Wire Earth Return) – однопроводная передача энергии с землёй в качестве возвратного провода. В данной системе энергия передаётся переменным током по единственному проводу, соединяющему одноимённые выводы выходной и входной обмоток передающего и приёмного трансформаторов. Противоположные выводы заземлены через сопротивление 5...10 Ом. Поскольку сопротивление Земли составляет менее 1 Ом, характеристики системы будут определяться главным образом сопротивлением заземления, что ограничивает передаваемую мощность.

Основным недостатком системы SWER для передачи энергии является требование безопасности – шаговое напряжение не должно превышать безопасного порога 20 В/м, что ограничивает величину передаваемой мощности.

Несмотря на указанный недостаток, система SWER получила наибольшее распространение в Австралии. По данным на 2008 г., там эксплуатировалось порядка 150 000 км линий SWER. Причина – низкая плотность населения этой страны, значительная часть которой покрыта пустынями, где требование безопасности не так существенно.

В СССР велись разработки по резонансным однопроводным системам передачи электроэнергии. На передающей и приёмной стороне стояли трансформаторы Тесла, которые соединялись однопроводной линией. Однопроводная линия, как и любой провод, имеет некоторую собственную резонансную частоту, на которую настраивались данные трансформаторы.

В резонансных однопроводных системах частоты могут меняться в пределах 1,5...20 кГц. Основной недостаток этого принципа – существенная зависимость резонансной рабочей частоты от постоянно изменяющихся внешних условий – температуры, влажности и т.д.

Тем не менее с развитием современных алгоритмов самонастройки каналов передачи информации однопроводные резонансные системы могут найти применение для электропитания устройств с небольшой потребляемой мощностью, порядка единиц ватт, – уличные камеры видеонаблюдения, дат-чики пожароохранной сигнализации, точки доступа Wi-Fi.

 В 2013 г. в г. Дубне вдоль набережной Волги длиной 1250 м была развёрнута непрерывная зона доступа сети Wi-Fi. Электропитание точек доступа в ней осуществляется через стальной трос волоконно-оптического кабеля резонансным методом.
Проведя анализ данных методов, автор пришёл к выводу о возможности построения на их основе однопроводных каналов передачи информации в системах PLC, где в качестве информационного проводника может выступать провод «нейтраль», априори имеющий заземление.
В качестве прототипа, очевидно, должен использоваться метод SWER, поскольку использование резонансного принципа в силовой электросети крайне проблематично из-за электромагнитной совместимости с ней. 
Выбор «нулевого» проводника обуслов-лен тем, что его электрические характеристики практически не зависят от реактивных характеристик нагрузок, а также его минимальной подверженностью импульсным помехам и наводкам. 

Методы организации каналов телеметрии ­­­по электросети

Прежде чем рассматривать перспективные однопроводные способы передачи информации по силовым линиям электропитания, необходимо провести обзор основных современных схем обеспечения электроснабжением зданий городской и загородной застройки. 
В настоящее время в России наиболее распространены следующие виды организации электроснабжения в городских условиях и сельской (загородной) местности: TN-S, TN-C-S, TT. Данные виды отличаются конфигурацией систем заземления.

Основным документом, регламентирующим использование различных систем заземления в России, является ПУЭ (пункт 1.7) [2], разработанный в соответствии с принципами, классификацией и способами устройства заземляющих систем, утверждённых специальным протоколом Международной электротехнической комиссии (МЭК). Сокращённые названия систем заземления принято обозначать сочетанием первых букв французских слов: «Terre» – земля, «Neuter» – нейтраль, «Isole» – изолировать, а также английских: «combi-ned» и «separated» – комбинированный и раздельный.

• T – заземление.
• N – подключение к нейтрали.
• I – изолирование.
• C – объединение функций, соединение функционального и защитного нулевых проводов.
• S – раздельное использование во всей сети функционального и защитного нулевых проводов.

В настоящее время в жилых и производственных зданиях используются в основном TN-S и TN-C-S системы.

Достаточно прогрессивная TN-S система с разделёнными рабочим и защитным проводниками была разработана и внедрена в 30-е годы прошлого века. При высоком уровне электробезопасности людей и оборудования это решение имеет один, но очень существенный недостаток – высокую стоимость. Так как разделение рабочего (N) и защитного (PE) провода реализовано сразу на подстанции, подача трёхфазного напряжения производится по пяти проводам, однофазного – по трём. Для подключения обоих нулевых проводников на стороне источника используется глухозаземлённая нейтраль генератора или трансформатора.

В ГОСТ Р50571 и обновлённой редакции ПУЭ содержится предписание о применении на всех ответственных объектах, а также строящихся и капитально ремонтируемых зданиях системы TN-S, обеспечивающей высокий уровень электробезопасности. Тем не менее широкому распространению и внедрению системы TN-S препятствует высокий уровень затрат и ориентированность российской энергетики на четырёхпроводные схемы трёхфазного электроснабжения.
Конфигурация TN-S схемы трёхфазного электроснабжения показана на рис. 1.

С целью удешевления системы TN-S с разделёнными проводниками N и PE было создано решение, позволяющее использовать её преимущества с точки зрения электробезопасности, но с меньшим бюджетом. Данный способ подключения состоит в том, что с подстанции осуществляется подача электроэнергии с использованием комбинированного нуля «PEN», подключённого к глухозаземлённой нейтрали. Проводник «PEN» при входе в здание разветвляется на «PE» – защитный ноль и на проводник, исполняющий на стороне потребителя функцию рабочего ноля «N».

Вместе с тем данная система имеет существенный недостаток – в случае повреждения или отгорания провода PEN на участке подстанция – здание на проводнике PE, а следовательно, и на всех связанных с ним корпусных деталях электроприборов появится опасное напряжение. Поэтому при использовании системы TN-C-S нормативные документы требуют обеспечения специальных мер защиты проводника PEN от повреждения.

Тем не менее в современных схемах электроснабжения жилых и промышленных зданий система TN-C-S получила широкое распространение.

Конфигурация TN-С-S схемы трёхфазного электроснабжения показана на рис. 2.

В сельской и загородной местности при подаче электроэнергии используется, как правило, воздушная линия электропередачи. В этом случае используется система TT, которая предполагает «глухое» заземление нейтрали источника и передачу трёхфазного напряжения по четырём проводам. Четвёртый является функциональным нулём «N». На стороне потребителя выполняется местный, как правило, модульно-штыревой заземлитель, к которому подключаются все проводники защитной земли PE, связанные с корпусными деталями.

Данная схема активно используется и для энергоснабжения частных домовладений. В городской местности TT часто используется при электрификации точек временной торговли и оказания услуг. При таком способе устройства заземления обязательным условием является наличие приборов защитного отключения, а также осуществление технических мер грозозащиты.

Конфигурация TТ схемы трёхфазного электроснабжения показана на рис. 3.

Описание метода

Основная идея предлагаемого метода передачи телеметрической информации заключается в следующем: в качестве сигнального проводника используется провод «N» рабочего нуля схемы электропроводки, а в качестве возвратного проводника – труба тепло- или водоснабжения здания, металлический заземлённый пол в производственных помещениях (для схемы TN-C-S) или заземлитель, соединённый с шиной РЕ (для схемы TТ). 

Информация передаётся модулированным потоком токовых импульсов, который регистрируется на приёмном конце бесконтактным способом с помощью магнитной рамки или интегрального магнитного сенсора, закреплённых непосредственно или вблизи проводника «N». Приёмная система может располагаться в любом месте по всей длине провода до точки заземления проводника «PEN» или «N».

Предлагаемый способ передачи телеметрической информации потенциально обеспечивает высокую помехозащищённость по сравнению с существующими PLC-стандартами HomePlug, PDSL и др., благодаря наличию следующих факторов:

• отсутствие влияния подключённых в электросеть нагрузок благодаря режи-му однопроводной передачи;
• регистрация магнитной компоненты передаваемой несущей;
• гальванически развязанное со средой передачи регистрирующее устройство – магнитная рамка или магнитный сенсор.

Предлагаемая технология нацелена прежде всего на построение низкоскоростных, 10…20 Кбит/с, каналов передачи цифровых данных для промышленной и домашней автоматизации (АИИС КУЭ, АСУ ТП(SCADA), СКУД). При её реализации могут быть использованы любые низкоскоростные протоколы связи стандартной сетевой 7-уровневой модели OSI. 

В частности, на физическом уровне возможно использовать популярные методы модуляции сигнала, используемые в PLC-модемах. К ним относятся: частотная манипуляция (FSK – Frequency Shift Keying), частотная манипуляция с разнесёнными частотами (S-FSK – Spread Frequency Shift Keying), различные виды фазовой манипуляции – двоичная (BPSK – Binary Phase Shift Keying), квадратурная (QPSK – Quadra-ture Phase Shift Keying) и ортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multi-plexing).
С учётом использования данных технологий, поддержанных современной элементной базой, разработка модема значительно упрощается. Остаётся наиболее сложный технический вопрос – проектирование выходного каскада с согласующим устройством – каплером.

С учётом особенностей вышеприведённых схем электроснабжения объектов однопроводная PLC система передачи информации может выглядеть следующим образом. 

Для схемы электроснабжения с системой заземления TN-C-S структурная схема однопроводной PLC системы представлена на рис. 4.

Узлы абонентов (выделены пунктиром) состоят из аппаратуры передатчика и блока питания. Выходной каскад передатчика через согласующее уст-ройство (каплер) подключён сигнальным проводом N к сетевому проводнику N, при этом общий провод G передатчика должен быть подключён к массивной заземлённой металлической конструкции, например трубе центрального отопления или водоснабжения.

Узел передатчика может выступать центральным узлом сбора данных с различных датчиков, находящихся в данном помещении. Сетевой блок питания подключается к любой из фаз, входящих в данное помещение.

Цифровой поток с выхода передатчика должен быть закодирован токовыми импульсами с несущей частотой в диапазоне 100…1000 кГц.

Для схемы электроснабжения с системой заземления TT структурная схема аналогичной PLC системы представлена на рис. 5. В схеме, представленной на рисунке, информационная шина передатчика подключена к сетевому проводнику N воздушной линии электропередачи, а общий провод к цепи местного заземления РЕ.

Регистрация сигнала производится также бесконтактным способом с помощью магнитной рамки или интегрального магнитного сенсора.

Экспериментальная проверка метода

Экспериментальная проверка принципа организации канала телеметрии по однопроводной PLC проводилась в зданиях городской застройки с системой заземления TN-C-S и загородной местности с системой заземления TT. 

Упрощённая физическая модель канала телеметрии для этих условий может быть представлена следующим образом.

Шина «N» является одним из проводников симметричной длинной линии. Вторым виртуальным проводником длинной линии является заземление на трубу центрального отопления или на грунт. Проводники подключаются к передающему устройству. Ввод токового сигнала осуществляется через инжектор (каплер) индуктивно-ёмкостного типа.

Поскольку, в отличие от классической длинной линии, погонные параметры индуктивности L0 и ёмкости C0 носят случайный характер, рассматриваемая линия будет несогласованной, т.е. оптимальное сопротивление нагрузки не будет равно волновому сопротивлению
ρ = (L0 × C0)^0,5.

Поскольку при входе в здание и/или в трансформаторную подстанцию шина «N» («РЕ») имеет заземление, то, как показано в работах [3], в этом случае схема замещения короткозамкнутой длинной линии представляет собой последовательную цепь, состоящую из сопротивления потерь R^p и реактивной нагрузки Z^p. Тогда ток I(t) в линии будет определяться как:
I(t) = U_c(t)/ (Z_p² + R_p²)^0,5,
где U_c(t) – напряжение сигнала на выходе передатчика;
Z_p = –j × ρ × tg(2π × f_c(L₀ × C₀)0,5 × l),
f_c – несущая частота сигнала;
l – длина линии.

С целью проведения экспериментальных исследований были созданы макеты каналов телеметрии для схем подключения TN-C-S (рис. 4) и ТТ (рис. 5).

Передающее устройство генерировало последовательность токовых импульсов длительностью 200 мкс и периодом следования 1 мс. Была предусмотрена возможность дискретной перестройки частоты заполнения импульсов в диапазоне 50…500 кГц с шагом 10 кГц. Выбор частотного диапазона обусловлен следующими факторами:

• в соответствии с FCC для PLC-технологии выделяется диапазон частот от 10 до 490 кГц. В России, согласно требованиям ГОСТ Р 51317.3.8-99, передача данных по электрическим сетям в диапазоне частот от 3 до 95 кГц мо-жет осуществляться только энергоснабжающими организациями, а диапазон от 95 до 490 кГц предназначен для использования потребителями электроэнергии;
• минимизацией потерь на излучение при распространении сигнала в линии;
• законом электромагнитной индукции – ЭДС приёмной магнитной рамки пропорциональна скорости изменения (частоте) магнитного потока.

Сигнал с выходного каскада передатчика через согласующее устройство вводился в шину «N» электропроводки, а общий провод подключался к трубе центрального отопления здания (для схемы TN-C-S) или к металлической пластине заземления, помещённой непосредственно в грунт (для схемы TТ).

Амплитуда огибающей вводимого в линию сигнала составляла 24 В при инжектируемом токе 3 А.

Регистрация сигнала на приёмном конце производилась на многовитковую магнитную рамку диаметром 150 мм, содержащую 50 витков провода сечением 0,12 мм². Рамка размещалась на минимально возможном расстоянии от шины «N» и устанавливалась с учётом поляризации вектора индукции магнитного поля, порождаемого токовым сигналом в шине. С целью повышения действующей высоты магнитной антенны приём осуществлялся резонансным способом на каждой дискретной частоте.

При регистрации магнитного потока на магнитную рамку амплитуда напряжения выходного сигнала Uвых(t) может быть оценена как:
U_вых(t)  = μ₀ × 2π × f_c × Q × n × S_пр × H_m × cos(2πf_ct), (1)
где μ₀  – универсальная магнитная постоянная; 
Q – добротность приёмного колебательного контура, состоящего из индуктивности плоской рамки и параллельно подключённого конденсатора; n – количество витков;
S_пр – площадь рамки;
H_m – амплитуда напряжённости магнитного поля в точке регистрации;
H_m = I_m/(2π × r),
где I_m – амплитуда тока в линии;
r – расстояние до плоскости рамки.

С учётом выражения (1) и минимизации величин возможных помех в электросети при работе передатчика были выбраны следующие энергетические характеристики несущей: амплитуда огибающей вводимого в линию сигнала составляла 12 В при инжектируемом токе 3 А.
Экспериментальная проверка принципа организации канала телеметрии по однопроводной PLC схеме состояла из нескольких этапов.

1 этап – определение АЧХ канала 

Частота передающего устройства перестраивалась в диапазоне 50…500 кГц с шагом 10 кГц. В точке регистрации, удалённой от передающего устройства, сигнал фиксировался широкополосной магнитной рамкой, расположенной непосредственно на шине «N». 
Результат измерения АЧХ представлен на графике (рис. 6).

Исследования АЧХ проводились как на зданиях городской застройки (кривая коричневого цвета на рис. 6), так и в загородной местности на воздушной линии (кривая синего цвета на рис. 6).

Из представленных графиков следует, что однопроводную линию передачи можно рассматривать как фильтр нижних частот 1 порядка с частотой среза 350…450 кГц.

Для проведения дальнейших исследований в качестве несущей был выбран сигнал с частотой 100 кГц.

2 этап – определение коэффициента передачи канала 

Для проведения этого исследования передающее устройство было настроено на генерацию последовательности токовых импульсов длительностью 200 мкс, периодом следования 2 мс и частотой заполнения 100 кГц. 

Регистрация сигнала производилась настроенной в резонанс магнитной рамкой с представленными выше характеристиками. Измерения проводились в контрольных точках вдоль шины «N».

Для линий электроснабжения, выполненных по схеме TN-C-S (городские условия), измерения осуществлялись на дистанции до 100 м, а для линий, выполненных по схеме TТ (загородные условия), на дистанции до 300 м, в пределах трансформаторной подстанции.
Графики зависимости коэффициента передачи сигнала представлены на рис. 7 и 8 соответственно.


График, представленный на рис. 7, показывает зависимость коэффициента передачи от расстояния до точки регистрации для TN-C-S сетей, график на рис. 8 – аналогичную зависимость для TТ сетей.

Величина отношения сигнал – шум на приёмном конце находилась в диапазоне 18…22 дБ.

Спад коэффициента передачи, вероятно, можно объяснить наличием паразитных ёмкостей между шиной «N» и другими проводниками в кабеле. Из представленных графиков видно, что на воздушных линиях электроснабжения спад коэффициента передачи более существенный, чем в сетях TN-C-S.

Был проведён также цикл измерений при временном масштабировании сигнала – одновременном снижении в 4 раза длительности и периода передаваемого сигнала.

Проведённые исследования показа-ли следующее:

• возможность передачи низкоскоростных (порядка 10 Кбит/с) цифровых потоков по однопроводной PLC линии;
• высокую помехозащищённость от внешних помех канала телеметрии, основанного на данном принципе;
• отсутствие влияния подключённых в электросеть нагрузок на процесс распространения сигнала;
• отсутствие влияния информационных сигналов, распространяющихся в проводнике «нейтраль», на работу слаботочной аппаратуры, питающейся от данной электросети.

В рамках проведённых исследований были созданы прототипы приёмника и передатчика для однопроводной PLC линии. Ведётся подготовка к развёртыванию пилотной зоны на полигоне МГРИ.

Дальнейшие исследования направлены на разработку двустороннего канала низкоскоростной телеметрии для однопроводной PLC линии.

Выводы

Цикл проведённых исследований позволил сделать следующие выводы.

• Возможна реализация одностороннего низкоскоростного канала телеметрии по силовой электросети по проводу «нейтраль», где в качестве общего провода используются трубы центрального отопления или тепло-водоснабжения здания, а также металлические пластины заземления, помещённые непосредственно в грунт.
• Канал телеметрии, основанный на данном принципе, имеет высокую защищённость от внешних помех.
• В данном канале телеметрии отсутствует взаимовлияние подключённых в электросеть нагрузок и распространяющихся информационных сигналов.
• Данная технология не противоречит требованиям действующих в России ГОСТ и ПУЭ.
• Предложенная технология передачи информации может быть использована при построении низкоскоростных промышленных каналов телеметрии в производственных зданиях, в системах домашней автоматизации, как в зданиях городской застройки, так и в сельской местности.

Необходимо продолжать работы по разработке двустороннего канала низкоскоростной телеметрии для одно-проводной PLC линии. ● 

Литература

1. Васильев А. Беспроводное управление светом в помещениях: ZigBee и альтернативные системы // Электротехнический рынок. 2015. № 4(64).
2. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. Глава 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности», изменение 2023 г.
3. Панфилов И.И., Дырда В.Е. Теория электрической связи. М.: Радио и связь, 1991. С. 146–149.

© СТА-ПРЕСС, 2023