Standardizace širokopásmových systémů přenosu po energetickém vedení
Autor: P. Vančata <vancatp(at)feld.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: PLC, Vydáno dne: 05. 12. 2005Standardization of Powerline Communication technology
Abstract
This paper summarizes problems, which is current status of standardization of Powerline Communication (PLC) technology, or Broadband over PowerLine (BPL), which for transfer of broadband signal as a medium use existing distribution power grid.Historicky se vznik technologie PLC datuje už do počátku 20. století, kdy se v Evropě začaly používat první systémy sloužící především k hromadnému dálkovému ovládání. Ve 30. a 40. letech byl v USA nasazen první systém umožňující přenos telefonního signálu na vzdálenost okolo 20 mil a v následujících letech 20. století se vývoj PLC technologie soustředil zejména do oblasti automatického distribuovaného řízení. Teprve na konci 80. let započal vývoj technologií, které byly schopny poskytnout širokopásmový datový přenos po energetickém vedení a v roce 1997 bylo provedeno první rozsáhlé testování takovéhoto systému na území Velké Británie. Od té doby vývoj v oblasti širokopásmových systémů pokračuje rychle vpřed, o čemž svědčí například skutečnost, že zatímco první systémy nabízely přenosovou rychlost v řádu jednotek Mbit/s, začátkem roku 2004 byl prezentován čip pracující s přenosovou rychlostí až 200 Mbit/s a koncem téhož roku začaly být komerčně nabízeny první systémy s touto rychlostí.
Problematika EMC
V případě systémů PLC je potřeba problematiku rušení rozdělit stejně jako u jiných technologií na dvě části. Zařízení PLC může buď být objektem rušení produkovaného jinými zařízeními nebo naopak může samo být zdrojem rušení pro ostatní zařízení ve své blízkosti. Problematikou rušení systémů PLC okolím se detailně zabývá řada prací, naopak o rušení produkované zařízeními PLC se zajímají zejména různé radioamatérské asociace, ale i profesionální rozhlasové stanice jako např. britský rozhlas BBC.
Obr. 1 Zobecněné schéma PLC přenosové cesty a možných zdrojů rušení.
Blokové schéma na obr. 1 znázorňuje možné zdroje rušení, které mohou ovlivnit přenosový kanál zařízení PLC:
Šum na pozadí – je přítomen v síti vždy, vzniká skládáním velkého počtu zdrojů rušení o nízké intenzitě a jeho parametry jsou proměnné v čase. Je možné ho popsat spektrální výkonovou hustotou (PSD - Power Spectral Density), která s rostoucím kmitočtem klesá. Hodnoty PSD jsou vysoké v rozsahu řádově od desítek Hz do 20 kHz. Na 150 kHz je úroveň PSD řádově tisíckrát nižší než na frekvenci 20 kHz. Na vyšších frekvencích se pak již objevují pouze nízké hodnoty PSD tzv. bílého šumu.
Úzkopásmové rušení – jeho průběh má tvar úzkých špiček s vysokou PSD. Na frekvencích do 150 kHz ho způsobují zejména spínané procesy, měniče frekvence, zářivky, televize a počítačové monitory. Na vyšších frekvencích toto rušení pak pochází od rozhlasových stanic vysílajících ve středovlnném a krátkovlnném pásmu. Amplituda rušení se může měnit během dne, neboť jak je známo u středovlnného vysílání dochází v noci k zlepšení pokrytí díky odrazům ve stratosféře.
Impulzní rušení – způsobují ho spínané zdroje, tyristorové regulátory či kolektorové elektromotory. Vyskytuje se v energetických sítích proto velmi často a je charakteristické krátkými napěťovými špičkami o délce trvání od jednotek do stovek µs, někdy až do jednotek ms, které běžně dosahují úrovně PSD o 10 dB, někdy až o 50 dB, více než šum na pozadí. Impulzní rušení se dále dělí na:
Asynchronní – způsobují ho spínací prvky v distribuční síti
Synchronní – nejčastěji je způsobováno napěťovými konvertory, stmívači. Shluky rušivých špiček se opakují s periodou:
 | (1) |
Obr. 2 ilustruje zaplnění frekvenčního pásma, které nás z pohledu PLC zajímá, tedy v oblasti 0 až 30 MHz, nejrůznějšími radiovými službami. Na první pohled je patrné, že díky obsazenosti pásma zde snadno vzniká možnost vzájemného rušení mezi jednotlivými službami.
Obr. 2 Využití přenosového pásma 0 až 30 MHz.
Standaridzace PLC
Otázka standardizace širokopásmových systémů PLC na mezinárodní a celosvětovénové úrovni se řeší již několik let na nejrůznějších úrovní a zabývá se jí nezávisle na sobě řada institucí, organizací a sdružení.
Jeden z prvních detailních výzkumů provedl v roce 2001 britský rozhlas BBC, když se zabýval vlivem vyzařování přenosových systémů xDSL a PLC na rozhlasové AM vysílání. Tento projekt byl zaměřen na porovnání limitů tehdy existujících návrhů standardů pro technologii PLC s minimální plánovanou úrovní vysílání v HF oblasti. Hodnoceny byly následující rozpracované návrhy standardů:
Nutzungsbesttimmung 30 (NB 30) - Německo
Definuje měření úrovně magnetického pole ve vzdálenosti 3 metry od kabelu použitého pro datový přenos při použití špičkového detektoru. Limity intenzity elektrického pole E jsou definovány rovnicemi pro dva frekvenční rozsahy.
 | (2) |
MPT 1570 – Velká Británie
Limity jsou definovány rovnicí pouze pro frekvence do 1,6 MHz a platí pro měření intenzity elektromagnetického pole E ve vzdálenosti 1 metru špičkovým detektorem.
 | (3) |
NEDAP - Nizozemí
Tento návrh nespecifikuje vzdálenost pro měření, avšak z dřívějších diskusí této problematiky lze vyvodit, že i zde bude použita vzdálenost 1 metr pro oblast LF/MF 3 metry pro oblast HF. Limity intenzity elektromagnetického pole E měřené špičkovým detektorem udává rovnice.
 | (4) |
IARU – Mezinárodní radioamatérská unie
Návrh standardu Mezinárodní radioamatérské unie předpokládá jednotný limit 0dBµV/m ve vzdálenosti 10 metrů bez omezení frekvenčního pásma.
Na obr. 3 jsou vyneseny limity výše uvedených standardů přepočtené na dB a jednotnou vzdálenost 1 metr. Zelená křivka s konstatní hodnotou odstupu signál/šum (SNR) = 34 dB pak představuje minimální úroveň SNR pro radiové vysílání stanovenou v doporučení ITU-R BS 560. Z grafu je patrné, že nejblíže k optimální hodnotě SNR má limit navrhovaný IARU.
Obr. 3 Hodnoty SNR ve vzdálenosti 1 metr u jednotlivých návrhů standardů.
V současné době mezi nejvýznamnější instituce a sdružení, které pracují na rozvoji technologie PLC a některé z nich i na standardizaci, lze zařadit následující:
Homeplug Powerline Alliance (HPA) - USA
Tato společnost již vypracovala specifikaci HomePlug 1.0 (14 Mbit/s) a v roce 2005 schválila rovněž specifikaci HomePlug AV (200 Mbit/s).
Federal Communications Commision (FCC)
Předpis FCC - část 15 – Radio frequency devices byl upraven a aktualizován, aby pokryl i oblast PLC, resp. BPL systémů.
Podle tohoto předpisu se systémy BPL určené pro vnitřní aplikace nazývají „Carrier Current Systems“ a pracují jako neúmyslné zářiče. Předpisy FCC část 15 se tedy týkají zařízení nasazovaných do provozu bez potřeby udělení licence, které současně sdílejí frekvenční pásmo s licencovanými systémy. Podle tohoto předpisu BPL systémy jako nelicencované nesmí rušit licencované systémy a naopak musí akceptovat rušení od těchto systémů.
Open PLC European Research Aliance (OPERA)
Evropský projekt na podporu technologie PLC zahájený v lednu 2004 se čtyřletou působností. Je součástí projektu Broadband for All. Náplní projektu OPERA je vyvinout novou generaci zařízení technologie PLC, která by se stala rovnocennou alternativou k ostatním technologiím „poslední míle“ přístupové sítě. Tato standardizovaná a jednotná technologie by měla poskytovat nízkonákladový širokopásmový přístup jak k datovým, tak i hlasovým službám, prostřednictvím energetické distribuční sítě vysokého a nízkého napětí.
V průběhu prvních dvou let projektu OPERA byly vytvořeny následující dva dokumenty:
D51 – Specifikace požadavků na zařízení PLC
D52 – Specifikace EMC měření
Dokument D-51 se věnuje zejména technickým specifikacím vlastních komponent širokopásmových systémů PLC a vychází z následujících stávajících norem: EN 60950, EN 50178, EN 55022, EN 55024, EN 61000-3-2, EN 61000-3-3.
Naopak dokument D-52 se zaměřuje na definici obecných měřicích metod a měření, které je potřeba realizovat jako podklady pro budoucí EMC standardy širokopásmových systémů PLC a vychází z následujících stávajících norem: EN 55022, EN 55024, CISPR 16, CISPR 22, ITU-T G.117.
Dne 22. září 2005 OPERA vydala tiskovou zprávu, že na konci roku 2005 vydá dokument Specification for Powerline Communications, který bude obsahovat nové technické podmínky zahrnující realizaci fyzické a MAC vrstvy a dalších součástí ěirokopásmového systému PLC. Tento veřejný standard by pak měl zajistit plnou vzájemnou spolupráci veškerých PLC nebo BPL systémů.
European Telecommunications Standards Institute (ETSI)
Za první skutečný návrh na evropské úrovni tak je možné zatím považovat pouze technickou zprávu ETSI 102 324 V.1.1.1 (2004-2005) z roku 2004 s názvem „PowerLine Telecommunications (PLT), Radiated Emissions’ Characterictics and Measurement Metod of State of Art Powerline Communication Network“. Ta rovněž vychází z definic CISPR 16, obsahuje však detailnější popis měřicí metody, popis zpracování naměřených hodnot i následující konkrétní limitní hodnoty vyzařování:
100% naměřených hodnot vyzařování od systémů a sítí PLC musí být pod hodnotou uvedenou v tabulce 1.
| Frekvenční rozsah [MHz] | Kvazišpičková hodnota intenzity pole [dB(μA/m)] | Referenční měřicí vzdálenost [m] | Měřicí šířka pásma [kHz] | 1,605 až 30 | 14 | 3 | 9 |
Tab. 1 Limity vyzařování z PLC sítí pracujících do 30 MHZ.
80% naměřených hodnot vyzařování od systémů a sítí PLC musí být pod hodnotou uvedenou v tabulce 2.
| Frekvenční rozsah [MHz] | Kvazišpičková hodnota intenzity pole [dB(μA/m)] | Referenční měřicí vzdálenost [m] | Měřicí šířka pásma [kHz] | 1,605 až 30 | 4 | 3 | 9 |
Tab. 2 Limity vyzařování z PLC sítí pracujících do 30 MHZ.
V dubnu 2005 Evropská komise (EC) vydala doporučení adresované členským státům týkající se technologie PLC, ve kterém je vyzývá, aby zrušily neopodstatněná omezení bránící rozvoji a nasazování této technologie a dává provozování systémů PLC relativně volnou ruku. Případné konflikty by až do harmonizace systémů PLC v direktivě 89/336/EEC z roku 1992, resp. The Electromagnetic Compatibility Regulations 2005 platné od března 2005, měly řešit příslušné orgány dané země a měly by podle doporučení EC k problematice přistupovat transparentně, přiměřeně a nediskriminujícím způsobem. Současně by měly pravidelně podávat zprávy o aktuálním stavu nasazení technologie PLC ve svém regionu.
Závěr
Snahu Evropské komise o vytvoření jednotné a celoevropské standardizované PLC sítě je třeba ocenit, i když tento impulz měl přijít již o několik let dříve a ne až nyní, když již celá řada výrobců nabízí své komerční produkty, které však jsou navzájem zcela nekompatibilní. Otázkou však zůstává, zda projekty na podporu masového nasazení PLC technologie a tím i zvýšení její konkurenceschopnosti, nepřicházejí již pozdě. Jiné technologie, například DSL přípojky, jen v zemích evropské unie v prvním čtvrtletí roku 2005 překročily hranici 35 milionů přípojek a prudký rozmach zaznamenávají také bezdrátové technologie. V globálním měřítku tak technologie PLC bude jen stěží dohánět konkureční technologie, avšak v určitých oblastech světa by mohla najít širokosáhlé uplatnění.
Pracovní skupina PLC Katedry telekomunikační techniky se aktivně zabývá technologií PLC již od roku 2002. Do konce roku 2005 bylo realizováno několik samostatných projektů z nichž část byla zaměřena právě na problematiku standardizace a kompatibility EMC a počítá se s dalšími návaznými projekty.
Se systém první generace se mohou studenti setkat při praktické výuce v laboratorních úlohách v předmětech Prostředky datové komunikace (PDK) a Základy komunikační techniky (ZKT). Téma PLC se rovněž pravidelě objevuje ve vypisovaných zadáních kvalifikačních prací. Technologie PLC v současné době také předmětem dvojice disertačních prácí.
Příspěvek vznikl za podpory grantu GAČR č. 102/03/0434.
Literatura
[1] DOSTERT, K. Powerline Communication. Upper Saddle River, USA : Prentice Hall PTR, 2001.
[2] HRASNICA, H. – HAIDINE, A. – LEHNERT R. Broadband Powerline Communications. Chichester, UK: John Wiley & Sons Ltd., 2004.
[3] VANČATA, P. Evropský projekt na rozvoj technologie Powerline Communication. Telekomunikace, 2004, č. 7-8, s. 13-17. ISSN 0040-2591.
[4] VANČATA, P. Problematic of Powerline Communication Standardization. In RTT 2004 [CD-ROM]. Prague: CTU. Faculty of Electrical Engineering. Department of Telecommunications Engineering, 2004, s. 0115_0095. ISBN 80-01-03063-6.
[5] VANČATA, P. Vyzařování a rušení způsobované systémy komunikace po energetickém rozvodu - Standardizace a měření EMC. Praha : ČVUT v Praze. Fakulta elektrotechnická. Katedra telekomunikační techniky, 2004. Závěrečná zpráva projektu FRVŠ 2004 č. 2069/G1.