Ćw. 4. Badanie transmisji danych w technologii...
Transcript of Ćw. 4. Badanie transmisji danych w technologii...
1
Ćw. 4. Badanie transmisji danych w technologii PLC
1. Wprowadzenie
Właściwy wybór medium transmisyjnego oraz zastosowanej technologii komunikacyjnej
zależy od wymagań, jakie stawiane są danemu systemowi. Przesyłanie danych odbywa się z
wykorzystaniem różnych technologii i mediów. Jedną z metod transmisji jest komunikacja po
liniach energetycznych (PLC - Power Line Communications). Wykorzystuje ona linie sieci
elektroenergetycznej, jako kanał komunikacyjny. Zastosowanie technologii PLC redukuje
koszty z powodu wyeliminowania konieczności wykonania dodatkowego okablowania.
Podstawową zasadą działania komunikacji PLC jest modulacja i demodulacja. Modulowany
sygnał wysokiej częstotliwości jest dodawany do przebiegu napięcia zasilania w linii
zasilającej. Sygnał ten rozchodzi się po przewodach zasilających. Moduł odbiorczy oddziela
ten sygnał w paśmie nadawczym od napięcia zasilającego. Odseparowanie sygnału z pasma
nadawczego odbywa się za pomocą filtrów wąskopasmowych o ostrych zboczach oraz
szybkiej transformacji Fouriera. Demodulacja sygnału pozwala na odtworzenie oryginalnych
danych. Sygnał przesyłany linią zasilającą podlega różnym interferencjom, zatem niezbędne
jest dokonanie weryfikacji poprawności odebranych danych. Jest ona dokonywana za pomocą
sumy kontrolnej tzn. wartość sumy kontrolnej musi się zgadzać z wartością sumy kontrolnej
obliczonej podczas nadawania i przesyłania wraz z danymi.
Wyróżnia się, między innymi, przedstawione na rys 1.1 technologie transmisji danych po
sieciach energetycznych:
PRIME Alliance (Intelligent Metering Evolution Powerline),
G3-PLC Alliance,
OSGP (Open Smart Grid Protocol),
Meters And More Open Technologies,
BPL (Broadband over Power Lines).
2
Rys. 1.1 Częstotliwości poszczególnych standardów
W technologiach tych można wyróżnić, między innymi, następujące modulacje transmisji
danych:
OFDM (PRIME, G3-PLC,BPL),
DCSK (PRIME, G3-PLC, METERS & MORE),
BPSK (OSGP, METERS & MORE,G3-PLC, PRIME),
QPSK(OSGP, METERS & MORE,G3-PLC, PRIME),
8-PSK(OSGP,G3-PLC, PRIME).
W Europie, z godnie z normą EN 50065, transmisja sygnałów po sieciach energetycznych
niskiego napięcia prowadzona jest w zakresie częstotliwości od 3kHz do 148,5 kHz i jest
podzielona na następujące obszary (rys.1.2):
obszar A (3-95kHz) przeznaczony jest dla dostawców energii elektrycznej,
obszary B, C i D przeznaczone są dla komunikacji publicznej, z tym, że:
obszar B (95-125kHz) przeznaczony dla dowolnych protokołów,
obszar C (125-140 kHz) wymagane są standardowe protokoły z CSMA
(Carrier Sense Multiple Access),
obszar D przeznaczone dla dowolnych protokołów.
Rys.1.2. Obszary zakresów częstotliwości PLC wg normy PLC-EN 50065-2
3
1.1. Modulacja OFDM
Modulacja OFDM (Orthogonal Freqency Division Multiplexing) jest używana w wielu
najnowszych standardach bezprzewodowych i telekomunikacyjnych. Polega na jednoczesnej
transmisji wielu strumieni danych na ortogonalnych częstotliwościach nośnych, poprzez
rozłożenie transmisji o dużej przepływowości na kilka wolniejszych strumieni, w których
występuje zjawisko wielodrogowości. Zjawisko to polega na tym, że sygnał dociera do
odbiornika w kilku kopiach, które są wzajemnie przesunięte w czasie. Jeżeli opóźnienia te są
rzędu czasu trwania pojedynczego impulsu lub dłuższe, to odbiornik demoduluje jednocześnie
kilka różnych bitów, zamiast oczekiwanego pojedynczego, co uniemożliwia poprawne
odtworzenie danych. Modulacja OFDM rozwiązuje ten problem tym, że zamiast jednej
szybkiej transmisji przesyła wiele wolnych strumieni danych, które są mniej narażone na
uszkodzenie w wyniku wielodrogowości. Każdy strumień danych ma określoną częstotliwość
nośną i jest to niezbędne, aby odbiornik mógł prawidłowo odbierać cały sygnał.
Częstotliwość nośna sygnałów musi być dobrana tak, aby odbiornik mógł je oddzielić za
pomocą filtra.
OFDM jest często stosowana w technice szerokopasmowego dostępu do Internetu
(ADSL), telewizji cyfrowej DVB-T i DVB-T2 oraz w technice przesyłania danych po liniach
elektroenergetycznych (PLC).Chociaż modulacja OFDM jest dość skomplikowana, zapewnia
dużą szybkość transmisji danych przy stosunkowo szerokich pasmach.
1.2. Modulacja DCSK
DCSK (Differential Code Shift Keying) jest bardzo solidną technologią modulacji
opatentowaną przez Yitran, która umożliwia komunikację po liniach elektroenergetycznych
(PLC). Staje się ona coraz bardziej powszechna, co jest spowodowane jej wysoką
efektywnością podczas pracy w słabo zabezpieczonych liniach energetycznych przed
zakłóceniami. Technologia ta posiada wiele zalet. Pierwszą z nich jest możliwość
wyodrębnienia sygnału nawet przy negatywnym stosunku sygnału do szumu tzn., wtedy, gdy
poziom szumu jest wyższy niż poziom sygnału. Drugą zaletą, jaką charakteryzuję DCSK jest
mniejsza podatność na szumy wąskopasmowe i zakłócenia impulsowe, spowodowane zmianą
impedancji obciążenia. Ze względu na swoje zalety modulacja DCSK jest stosowana w
transmisji danych w urządzeniach kosmicznych i sprzętu wojskowego.
1.3. Modulacja BPSK
Modulacja BPSK (Binary Phase Shift Keying), jest to odmiana modulacji PSK, w której
system przekazuje dane poprzez zmianę w fazie, w stosunku do fali nośnej. W modulacji
4
BPSK faza przyjmuje wartości logiczne „0” lub „1”, które są przesunięte względem siebie o
180˚. Modulacja BPSK ma najwyższy poziom szumów i zniekształceń, dlatego jest
najbardziej wytrzymała ze wszystkich modulacji PSK. BPSK moduluje tylko jeden bit, więc
nie nadaje się do szybkiej transmisji danych.
1.4. Modulacja QPSK
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) często jest zwana, jako 4-PSK lub 4-QAM. W
modulacji QPSK, są modulowane dwa bity jednocześnie, wybierając jeden z czterech
możliwych zmian fali nośnej (0, 90, 180 lub 270), aby zminimalizować liczbę błędów
transmisji. QPSK używa czterech punktów na diagramie konstelacji, równo rozmieszczonych
na okręgu. QPSK umożliwia przesyłanie dwa razy więcej informacji, w porównaniu ze
zwykłym PSK, przy użyciu tego samego pasma. Modulacja ta wykorzystywana jest m.in. do
transmisji satelitarnej wideo MPEG2, wideokonferencji, komórkowych systemów
telefonicznych oraz w technologiach PLC tj. Prime Alliance, OSGP, Meters&More czy G3-
PLC.
1.5. Modulacja 8PSK
8PSK (8-Phase Shift Keying) jest to modulacja fali elektromagnetycznej, która wysyła
sygnał sinusoidalny o zmieniającej się fazie od, 0 do 360 co 45 stopni. Dzięki temu dostępne
jest osiem różnych przebiegów sinusoidalnych, czyli osiem punktów na diagramie konstelacji,
równo rozmieszczonych na okręgu, umożliwiających wysłanie trzech bitów informacji. 8PSK
zapewnia większą pojemność danych w porównaniu do modulacji QPSK. Modulacja 8PSK
wykorzystywana jest w technologiach PLC tj.OSGP,G3-PLC, Prime Alliance oraz w
technologii EDGE, zwiększającej przepustowość sieci GSM, a także w telefonii trzeciej
generacji - UMTS.
1.6. Technologia PRIME Alliance
W czasach współczesnych liczba inteligentnych liczników osiąga miliony, co powoduje
trudności w osiągnięciu bezpiecznej i niezawodnej komunikacji. Jeszcze trudniej jest
zapewnienie możliwości rzeczywistego czasu, który wymagany jest przez inteligentną sieć.
Stawia to wielkie wyzwanie dla prawidłowego wprowadzenia inteligentnych systemów
pomiarowych. Technologia PRIME Alliance (Inteligent Metering Evolution Powerline)
symbolizuje architekturę komunikacyjną publicznie otwartą, która umożliwia budowę
inteligentnych sieci elektroenergetycznych.
Celem PRIME jest stworzenie zestawu standardów międzynarodowych, co umożliwi
pełną funkcjonalną zgodność pomiędzy urządzeniami i systemami pochodzącymi od różnych
5
dostawców. Cała architektura została zaprojektowana tak, aby utrzymać niskie koszty przy
wysokiej wydajności. PRIME korzysta w sumie z ponad 96 częstotliwości w zakresie 42-89
kHz, co pozwala na maksymalną szybkość transmisji danych o prędkości dochodzącej do 1
Mb/s.
Technologia PRIME jest stosowana w różnych krajach Europy, a ostatnio nawet
w Brazylii i Australii. PRIME pozwala poprawić wykrywanie awarii oraz usuwanie bez
konieczności interwencji techników. Zapewnia to bardziej niezawodne dostawy energii
elektrycznej do odbiorców.
1.7. Technologia G3-PLC Alliance
Technologia G3-PLC Alliance została stworzona, aby spełnić zapotrzebowanie
przemysłu do wszechobecnego standardu PLC. Technologia ta umożliwia szybką,
niezawodną komunikację istniejącej sieci PLC. Połączenie dwukierunkowe w sieci oparte na
technologii G3-PLC, zapewnia dystrybutorom możliwość nadzoru i kontroli.
Technologia G3-PLC obniża koszty infrastruktury w porównaniu do innych komunikacji
przewodowych i bezprzewodowych. Eliminuje ona konieczność tworzenia nowych dróg
komunikacyjnych przez przeszkody takie jak budynki, wzgórza, które blokują komunikację
bezprzewodową. Technologia G3-PLC charakteryzuje się następującymi cechami:
zapewnia wydajność i efektywność sieci elektroenergetycznych niskiego i średniego
napięcia. Dzięki komunikacji po liniach elektroenergetycznych minimalizuje koszty
infrastruktury i konserwacji,
obsługuje pasma częstotliwości 10kHz-490kHz,
zapewnia komunikację dalekiego zasięgu a sygnał skutecznie przechodzi przez
transformatory, co pozwoli na zmniejszenie liczby koncentratorów i wzmacniaczy
sygnału,
może działać w trudnych, hałaśliwych warunkach środowiskowych,
współpracuje ze starszymi technologiami takimi jak S-FSK i BPL.
Funkcje i możliwości G3-PLC zostały opracowane w celu rozwiązania trudnych wyzwań
stawianych PLC.
1.8. Technologia OSGP
Otwarty protokół komunikacyjny (Open Smart Grid Protocol) został opublikowany przez
Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (ETSI). OSGP polega na możliwości
niezawodnej współpracy elementów systemu, pochodzących od różnych producentów z
wykorzystaniem jednoznacznie zdefiniowanego protokołu. OSGP zapewnia bezpieczne,
6
efektywne i niezawodne dostarczanie informacji, umożliwia rozwój inteligentnych liczników
i innych inteligentnych urządzeń sieciowych. Dostarcza on także informacje o stanie samej
linii rozdzielczej, co dodatkowo poprawia niezawodność i zmniejsza koszty eksploatacji.
1.9. Technologia Meters And More Open Technologies
Technologia Meters And More Open Technologies stanowi kompletne rozwiązania w
dziedzinie inteligentnego pomiaru. Ogólna architektura przedstawiona na rys. 1.3 składa się z
następujących elementów:
systemu centralnego zarządzającego całą siecią inteligentnego pomiaru,
koncentratora danych zbierającego dane od inteligentnych liczników,
inteligentnych liczników, które odpowiadają za inteligentny pomiar,
lokalnych urządzeń O&M, pełniących funkcję lokalnego zarządzania inteligentnych
liczników.
Rys. 1.3. Składniki i interfejsy systemu AMI
Technologia Meters And More pracuje w nowym interfejsie umożliwiającym łączenie się
z inteligentnymi licznikami i końcowymi odbiornikami klienta. Technologia ta spełnia
wszystkie wymagania określone przez European OPEN Meter project and Smart Meters Co-
ordination Group (SMCG). Głównymi kryteriami, jakimi kierowali się twórcy technologii
Meters And More jest wydajność, solidność i bezpieczeństwo komunikacji. Kryteria te
zapewnione są przez następujące cechy:
7
szybka wymiana informacji zoptymalizowana dla wąskopasmowych sieci
elektroenergetycznych i łączności bezprzewodowej,
optymalizacja ścieżek komunikacyjnych,
wysoki poziom szyfrowania i uwierzytelnienia danych, za pomocą klucza
symetrycznego w oparciu o 128 bitowe algorytmy AES ,
automatyczna konfiguracja i zarządzanie sieci.
1.10. Technologia BPL
BPL (Broadband over Power Lines) obejmuje wszystkie technologie wykorzystujące
linie energetyczne do prowadzenia sygnałów szerokopasmowych dla sieci komputerowych i
użytkowych aplikacji Smart Grid. Transmisja w tej technologii prowadzona jest w zakresie
częstotliwości 2-32 MHz a teoretyczna prędkość transmisji osiąga wartość 200Mb/s.
Dzięki Technologii BPL możliwy jest szerokopasmowy dostęp do Internetu przez gniazdka
elektryczne w domu. Technologia ta wykorzystuje fale krótkie i średnie niskiego pasma VHF
częstotliwości. Działa przy prędkościach zbliżonych do cyfrowej abonenckiej linii (DSL).
Ponieważ technologia BPL korzysta z istniejącej infrastruktury sieci elektroenergetycznej,
może być wykorzystywana w tych obszarach gdzie nie ma dostępu do komunikacji DSL.
Kolejnym przykładem wykorzystania BPL jest możliwość zastosowania jej dla inteligentnych
urządzeń. Zalety, jakimi charakteryzuje się BPL są następujące:
mały koszt wdrożenia, który jest porównywalny z kosztami wdrożenia technologii
wąskopasmowego PLC,
duża szybkość transmisji,
łatwość instalacji,
dobry sposób do rozszerzenia sieci szkieletowej TPC/IP na stacje SN/nn,
pozwala na współistnienie wielu systemów, nie tylko Smart Metering czy Smart Grid:
Systemu nadzoru nad siecią elektroenergetyczną,
Kontroli oświetlenia ulicznego i sygnalizacji świetlnej,
Kontroli systemów dostępu, monitoring CCTV,
technologia BPL na liniach Sn jest alternatywą dla połączeń światłowodowych i
charakteryzuje się:
mniejszymi kosztami wdrożenia,
łatwością i szybkością wdrożenia,
W wielu przypadkach jest jedyną możliwością w mocno zurbanizowanym
terenie.
8
2. STANOWISKO DO BADANIA SKUTECZNOŚCI TRANSMISJI PLC W
WARUNKACH ZAKŁÓCENIOWYCH
2.1. Projekt stanowiska
Skuteczność transmisji PLC w warunkach zakłóceniowych należy zbadać zgodnie z
zaproponowanymi schematami pomiarowymi.
Układy pomiarowe do badania skuteczności transmisji PLC:
bez włączonego silnika indukcyjnego (rys. 2.1),
z włączonym silnikiem indukcyjnym zasilanym poprzez przemiennik częstotliwości
lub też z innymi odbiorami wskazanymi przez prowadzącego (rys.2.2).
Rys. 2.1 Układ pomiarowy skuteczności transmisji PLC bez źródła zakłóceń
Rys. 2.2 Układ pomiarowy skuteczności transmisji PLC z załączonym odbiorem energii el.
Stanowisko laboratoryjne składa się, z komputera, na którym zainstalowano
oprogramowanie do diagnostyki połączenia, silnika indukcyjnego trójfazowego, przemiennika
9
częstotliwości oraz inteligentnych liczników energii elektrycznej firmy Landis-Gyr (rys.2.3) i
koncentratora (rys.2.4). Specyfikacje techniczne poszczególnych elementów oraz wykaz
użytego oprogramowania zestawiono w Tab. 2.1.
Na stanowisku laboratoryjnym należy zbadać skuteczność transmisji w technologii PLC-
BPL, w warunkach normalnych i zakłóceniowych. Źródłem zakłóceń będzie silnik
indukcyjny trójfazowy sterowany przemiennikiem częstotliwości lub też inny odbiór,
wskazany przez prowadzącego. Do sprawdzenia skuteczności transmisji PLC należy
wykorzystać koncentrator SmartGrid 200 Gateway. Główną cechą SmartGrid 200 Gateway
jest jego wysoka przepustowość oraz pełna zdolność do komunikacji dwukierunkowej.
Efektywność transmisji sygnału BPL należy rejestrować po stronie odbiornika z
wykorzystaniem programu SNR SCOPE.
Rys.2.3. Licznik energii elektrycznej Landis+Gyr E350
Rys. 2.4. Koncentrator SmartGrid 200 Gateway
10
Tab. 2.1 Parametry techniczne urządzeń wykorzystanych na stanowisku laboratoryjnym
Koncentrator SmartGrid 200
Gateway
Kod produktu CXP-SG200-GWYC
Numer seryjny 8164124435
Przepustowość BPL < 40 Mbps dla rozwiązań AMI
Zakres częstotliwości 2-12 MHz
Zasilanie 90 - 260 VAC 50/60 Hz lub 12 VDC
Silnik trójfazowy indukcyjny
klatkowy Sg90L2
Numer seryjny PN-88/E-06701
Napięcie zasilające 380VAC 3-50 Hz
Prąd znamionowy 4,8A
Moc znamionowa 2,2 KW
cos 0.85
Liczniki energii elektrycznej
Landis+Gyr E350
Napięcie zasilające 3x230/400 VAC 50Hz
Prąd znamionowy 5-100 A
2.2. Wyniki badań
Jakość transmisji BPL należy analizować za pomocą oprogramowania SNR SCOPE.
Program ten umożliwia pomiar wartości SNR (signal-to-noise-ratio), którego wartość
powinna być jak najwyższa. SNR jest to stosunek użytecznego sygnału do szumu dla
elektronicznych urządzeń. Wartość SNR jest określana w dB (decybele), która oznacza moc
użytecznego sygnału w danym paśmie częstotliwości do mocy szumów w tym samym paśmie
częstotliwościowym (rys2.5 i 2.7). Komunikację z licznikami należy zbadać z
wykorzystaniem programu TeleneX v2.3.49, który umożliwia pomiar danych wysłanych,
odbieranych, straconych oraz opóźnienie średnie, minimalne i maksymalne wyrażone w
sekundach (rys.2.6 i 2.8).
Rys. 2.5 Przykład zarejestrowanego sygnału BPL (wynik pozytywny)
11
Rys. 2.6 Przykład zarejestrowanej komunikacji z licznikami (wynik pozytywny)
Rys. 2.7 Przykład zarejestrowanego sygnału BPL (wynik negatywny – brak łączności z
licznikiem)
Rys. 2.8 Przykład zarejestrowanej komunikacji z licznikami (wynik negatywny – brak
łączności z licznikiem)
12
Przed przystąpieniem do badań należy odpowiednio zidentyfikować wszystkie urządzenia. W
tym celu należy odczytać numery MAC kryjące się pod danym numerem IP. MAC adresy
poszczególnych urządzeń zestawiono w tab.2.2.
Nazwa urządzenia MAC adres
Koncentrator 00:0B:C2:40:7E:EF
Licznik 3-fazowy (stacjonarny) 00:0B:C2:10:1A:28
Licznik 3-fazowy (mobilny) 00:0B:C2:10:1A:1F
Licznik 1-fazowy 00:0B:C2:10:1B:59