P – 325

Širokopojasni prijenos podataka elektroenergetskim vodovima

Toni Karabatić

Sveučilište u Splitu, Sveučilišni odjel za stručne studije, Split, Hrvatska

toni.karabatic@gmail.com

Slobodanka Jelena Cvjetković

Sveučilište u Splitu, Sveučilišni odjel za stručne studije, Split, Hrvatska

sjcvjet@oss.unist.hr

Silvano Jenčić

Sveučilište u Splitu, Sveučilišni odjel za stručne studije, Split, Hrvatska

sjencic@oss.unist.hr

Sažetak. U radu se razmatra širokopojasna telekomunikacijska tehnologija za prijenos podataka

elektroenergetskom infrastrukturom. Objašnjava se princip komunikacije elektroenergetskim

vodovima (Power Line Communications, PLC) i navode se prednosti uporabe ove tehnologije.

Naglasak je na odabiru modulacijske sheme za projektiranje PLC sustava i na rješenju problema

elektromagnetske usklađenosti (electromagnetic compability, EMC) u skladu s europskim normama.

Shema multipleksiranja s višestrukim podnosiocima u frekvencijskoj domeni (Orthogonal Frequency

Division Multiplexing, OFDM) optimalna je za prijenos širokopojasnih podataka velikim brzinama po

vodovima elektroenergetske mreže koristeći frekvencije ispod 100 MHz. Daje se pregled

zastupljenosti PLC-a u elektroprivredama te komercijalizacija ove tehnologije u svijetu. Opisuju se

prednosti PLC-a u odnosu na druge tehnologije i predviđa se smjer razvoja ove tehnologije.

Ključne riječi: komunikacije elektroenergetskim vodovima (PLC), elektromagnetska usklađenost,

modulacije.

1. Uvod

Širokopojasna komunikacija elektroenergetskim vodovima (Broadband over Power Lines,

BPL) je novija tehnologija koja osigurava prijenosni kapacitet veći od 2 Mbit/s. Postoji niz

pilotskih, ali i komercijalnih instalacija BPL-a, kojima se primarno pruža pristup internetu.

Neki od implementiranih sustava koriste se i za davanje usluga podrške elektroenergetskoj

djelatnosti.

Osim brzog pristupa internetu, razmatra se i govorna komunikacija preko interneta (voice over

IP). Implementirani BPL sustav omogućava: stalni pristup internetu, pristup postavljanju i

skidanju podataka pomoću HomePlug modema, uspostavu lokalne mreže brzine veće od 3

Mbit/s po nižim mjesečnim cijenama nego što su za druge širokopojasne usluge. Jednostavna

je instalacija opreme i aktivacija usluge. Uz to, nije potrebno dodatno ožičenje u kućanstvu.

Postoji automatsko otkrivanje pada i potvrda povratka napajanja, daljinski nadzor i operacije s

mogućnošću daljinskog isključenja i uključenja kupaca, učinkovitiji programi upravljanja

opterećenjem na mjernom mjestu te automatsko očitanje brojila.

Izlazak na energetsko tržište s telekomunikacijskom uslugom, predstavlja velik izazov za

elektroprivrede jer traži poboljšanje financijskih rezultata, pouzdanosti i sigurnosti, kao i

pružanja što boljih usluga korisnicima. Širokopojasni PLC stvara novi izvor prihoda time što

nudi širokopojasni pristup internetu, telefoniji i drugim uslugama, postojećim korisnicima

električne energije.

P – 326

Mnogi PLC pokušaji uspješno su dovršeni u Europi, što dokazuje održivost rješenja

alternativnih telekomunikacijskih mreža, koristeći već postojeću infrastrukturu.

2. Europske norme i standardi

U komunikacijskim sustavima postoje propisani pravilnici i norme za preciziranje tehničkih

svojstva komunikacijskih jedinica, bez obzira na proizvođača. Jedna od prepreka

implementaciji i upotrebi PLC tehnologije je spor i dugotrajan razvoj međunarodnih normi i

standarda te razlika u standardizaciji. Parametri koji su najvažniji u standardizaciji su najveća

dozvoljena snaga prijenosa i dozvoljeni frekvencijski pojas kako bi se ograničila interferencija

s drugim telekomunikacijskim uslugama i spriječilo gušenje ovog malog signala unutar

elektroenergetske mreže. Europska zajednica za elektrotehničku standardizaciju (CENELEC)

izdala je regulative koje su usko vezane uz komunikaciju na niskonaponskim električnim

instalacijama. [1] Prema istim određene su sljedeće norme:

- EN50065-1 norma regulira osnovne zahtjeve, frekvencijske pojaseve i

elektromagnetske smetnje

- EN50065-4-2 norma regulira niskonaponski filter i zaštitne mjere

- EN50065-7 - regulira impedancije uređaja.

Pri projektiranju PLC modema važno je definirati frekvencijski opseg za prijenos signala.

Primjerice, u Sjevernoj Americi se ne koristi radio frekvencijski pojas od 150 do 350 kHz te

je prema tome FCC razvio standard koji dozvoljava frekvencijski pojas u rasponu od 100 do

450 kHz. Istovremeno, u Japanu se koriste frekvencije od 10 kHz do 450 kHz. Prema

CENELEC-u na europskom tržištu definiran je EN50065-1 standard koji dozvoljava uže

područje, od 3 do 148.5 kHz (tablica 2.1.).

Tablica 2.1 Podjela frekvencija prema CENELEC EN50065-1 [1]

Pojas Frekvencije Namjena

(3 - 9) kHz Aplikacije distributera

A (9 - 95) kHz Aplikacije distributera i njihovih suradnika

B (95 - 125) kHz Privatne aplikacije (unutar objekta) bez ograničenja

C (125 - 140) kHz Privatne aplikacije (unutar objekta) uz korištenje protokola

D (140 – 148.5) kHz Privatne aplikacije (unutar objekta) bez ograničenja

Maksimalni izlazni nivoi (naponi) u rasponu od 9 kHz do 150 kHz za jednofazne uređaje

prikazani su u tablici 2.2. Mjerenje mora biti učinjeno u skladu sa CISPR 16 publikacijom,

koja uključuje detektor kvazi vrhunca te mjerenje u trajanju jedne minute na određenim

točkama na CISPR umjetnoj mreži.

Tablica 2.2 Raspodjela frekvencija i maksimalnog prijenosnog nivoa prema CENELEC EN50065-1 [1]

Frekvencijski pojas Maksimalni prijenosni nivo Način primjene

(9 - 95) kHz 134 dB [µV]

(95 – 148.5) kHz 116 dB [µV] uređaji opće namjene

(95 – 148.5) kHz 134 dB [µV] posebni uređaji (industrijske aplikacije)

CENELEC norma (slika 2.1.) ne definira modulacijsku shemu ni brzinu prijenosa, ali uski

frekventni pojas može rezultirati smanjenjem kapaciteta komunikacijskog kanala i brzine

prijenosa podatka. Također, veća je vjerojatnost da se uslijed šumova i slabljenjem signala

dodatno smanji brzina ili u potpunosti prekine prijenos podatka.

P – 327

Slika 2.1 Frekvencijski pojas i razina signala po EN50065

Izvor: http://blog.bioelectrica.es/nuevos-contadores-de-la-luz-analisis-de-electrosmog/(10.02.2016.)

3. Obrada signala i multipleksni sustavi

Pod pojmom modulacije ili moduliranja smatra se proces mijenjanja električnog signala koji

sadrži informaciju prijenosa. Kod moduliranja mijenja se jedan ili više parametara pomoćnog

signala ovisno o signalu koji prenosi informaciju. Pomoćni signal zove se prijenosni signal ili

nositelj. Veliki je broj modulacijskih tehnika koje se koriste ili su se koristile u PLC

tehnologijama. Među njima prevladavaju amplitudna digitalna (Amplitude Shift Keying, ASK)

i frekvencijska digitalna modulacija (Frequency Shift Keying, FSK).

Korištenje navedenih modulacija rezultira brzinom prijenosa signala do 19.2 kbps (kilobita po

sekundi), ali zbog prigušenja i smetnji na energetskoj mreži postiže se brzina prijenosa od

svega nekoliko kbps. Važno je napomenuti da navedene modulacije u potpunosti

zadovoljavaju sve CENELEC norme. Maksimalne brzine prijenosa koje se mogu ostvariti

iznose 200 kbps. Dakle, izbor modulacije nije jednostavan i prvenstveno ovisi o konkretnoj

aplikaciji. Najčešće korištene modulacije su ortogonalno frekvencijsko multipleksiranje

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) i raspršeni spektar s izravnim nizom

(Direct-Sequence Spread Spectrum, DSSS).

Frekvencijska modulacija s ortogonalnim multipleksiranjem (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing, OFDM) omogućava veliku brzinu prijenosa podataka zadržavajući pri tome

složenost i točnost prenesenih podataka. Kod prijenosa podataka velikim brzinama problem

za prijenos predstavljaju propadi u kanalu te zbog toga nije moguće obnoviti podatke

upotrebom običnog, jednostavnog prijemnika. [10]

Nadalje, ta činjenica rezultira potrebom da se koriste složeni prijemnici koji se koriste

složenim računskim postupcima u svrhu procjene prijenosnog kanala, tj. Ujednačavanja, da bi

se uz pomoć procjene obnovile informacije. OFDM modulacija pojednostavljuje problem

ujednačavanja na način da pretvara frekvencijski selektivni kanal u „ravni“ kanal. [6]

Prednost OFDM modulacije je činjenica da umjesto jednog istodobno koristi više nositelja

(slika 3.1.).

Serijski slijed podataka velike brzine prijenosa razdijeli se na nekoliko paralelnih sljedova i

svaki od tih paralelnih sljedova manje je brzine i zasebno modulira jednog od više nosilaca.

Nastali modulirani signali zauzimaju manju širinu pojasa i svaki od nastalih moduliranih

signala smješta se u zasebni pojas. Podaci se prenose na paralelni način uz pomoć više

nosilaca. Zbog relativno male širine pojasa svakog od više moduliranih signala, promjene

frekvencijske prijenosne karakteristike komunikacijskog kanala unutar pojasa svakoga

P – 328

moduliranog signala male su, što rezultira zanemarivim smetnjama između simbola. OFDM

modulacija se također koristi u sustavima za brzi prijenos podataka telefonskom linijom

(Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL), a predviđena je i za digitalnu televiziju.

Slika 3.1 Prikaz OFDM modulacije - korištenje više nosioca umjesto jednog [4]

Dakle, možemo reći da OFDM modulacija kojom se više signala različitih kompleksnih

frekvencija (međusobno sinkronih i ortogonalnih) kombinira u jedan i tako povećava

propusnost podataka uz suženje frekvencijskog spektra kao što je vidljivo na slici 3.2.

Slika 3.2 OFDM presjek

Izvor: http://www.informatics.buzdo.com/extras/dvb.htm (01.06.2015.)

Tehnika raspršenog spektra (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) predstavlja

modulaciju signala koji nosi informaciju na način da koristi pseudo slučajni niz koji je

nezavisan od signala informacije. Rezultat je raspršivanje spektra signala na šire

frekvencijsko područje od početne širine spektra signala. Prije prijenosa spektar signala se

„raspršuje“ dok se na prijemnoj strani sažima (skuplja). Raspršivanje signala uz pomoć

pseudo slučajnog niza omogućuje korištenje medija za prijenos elektromagnetskih valova od

strane većeg broja korisnika zbog male snage signala.

Zanimljiva je i spoznaja da zbog velikog broja mogućih različitih pseudo slučajnih kodova,

prisluškivanje nije moguće, što je interesantno u mnogim sektorima, a posebice za vojne

primjene. Prednost DSSS tehnike činjenica je da je raspršeni spektar otporniji na uskopojasni

šum i ometanje signala te da je takav spektar slabije primjetan od uskopojasnog. DSSS

metoda izvediva je u analognoj i digitalnoj domeni.

3.1. Odabir modulacijske sheme za projektiranje PLC sustava

Prigušenje kanala i šum određuju kapacitet koji se koristi za komunikacije. Procjena

kapaciteta kanala za elektroenergetske linkove ukazuje isplativim prijenos podataka puno

većim brzinama od dosadašnjih. Da bi se razvili sustavi s velikim kapacitetom kanala

potrebno je pažljivo odabrati modulacijsku shemu i prilagoditi je za optimalni PLC sustav jer

se povećanje brzine podataka ne može ostvariti povećanjem pojasne širine ili dodjeljivanjem

novih frekvencijskih područja. To znači da se samo uporabom sofisticiranijih modulacijskih

shema može poboljšati iskoristivost spektra ili odgovarajućom adaptacijskom strategijom

povećati otpornost na impulsni šum i povećati brzina prijenosa podataka. Prvo je potrebno

P – 329

usporediti parametre modulacijskih shema koje dolaze u obzir za pronalaženje optimalnog

rješenja za PLC sustav. To su:

- tehnike raspršenog spektra (Spead Spectrum Techniques, SST)

- shema s jednim širokopojasnim nosiocem, bez ujednačivača (ekvalizatora)

- shema s jednim širokopojasnim nosiocem i ujednačivačem

- shema s više širokopojasnih nosioca i s ujednačivačem

- shema višestrukog prijenosa s frekvencijskom raspodjelom (kanala) i ortogonalnim

nosiocima (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM).

Kriteriji odabira najpogodnije modulacijske sheme su:

- iskoristivost spektra - izražena brojem bitova u sekundi koji se mogu ubaciti u 1 Hz

pojasne širine primjenom određene modulacije, tj. )/( Hzsbit

- maksimalna brzina prijenosa podataka sMbit /

- otpornost na kanalna izobličenja

- otpornost na impulsni šum

- svojstva fleksibilnosti i prilagodbe

- cijena sustava

- elektromagnetska kompatibilnost (EMC).

Tehnike raspršenog spektra odlikuju se imunošću na selektivno prigušenje i na sve vrste

uskopojasnih smetnji (interferencija) uzrokovanih djelovanjem neželjenih signala u

komunikacijskom sustavu, malom iskoristivošću spektra (što je nepovoljno zbog ograničenih

spektralnih resursa, pa je u PLC tehnologiji cilj postići maksimalnu iskoristivost spektra) i

niskom spektralnom gustoćom snage što je pogodno s gledišta elektromagnetske

kompatibilnosti (tablica 3.1.). Osim toga, višestruki pristup mediju može se ostvariti s

kodiranom raspodjelom po vremenu i frekvenciji, CDMA (Code Division Multiple Access),

bez globalne koordinacije ili sinkronizacije.

Tablica 3.1 Usporedba različitih metoda prijenosa za komunikaciju elektroenergetskim vodovima [9]

Modulacijske sheme

spektralna učinkovitost

[b/(sHz)]

maksimalna brzina prijenosa podataka [Mb/s]

otoprnost na kanalna

izobličenja

otpornost na impulsni

šum

svojstva fleksibilnosti i prilagodljivosti

troškovi sustava

EMC

SST < 0.1 ~ 0.5 - 0 - - - - +

shema s 1 širokopojasnim nos. bez ekv.

1 - 2 < 1 - - + - - + + - -

shema s 1 širokopojasnim nos. s ekv.

1 - 2 ~ 2 + + 0 - -

shema s više širokopojasnih nos.s ekv.

1 - 4 ~ 3 + 0 0 - 0

OFDM >> 1 > 10 + + 0 + + - +

4. Širokopojasna komunikacija elektroenergetskim vodovima

Komunikacije vodovima elektroenergetske mreže su zanimljive operatorima

elektroenergetske mreže jer je osnovna ideja da se širokopojasni podaci optičkim nitima

prenose iz mreže do transformatorskih stanica odakle se dalje razvode vodovima

elektroenergetske mreže do krajnjih korisnika, kao što je prikazano na slici 4.1.

PLC mreža između transformatorske stanice i PLC modema na području korisnika naziva se

vanjska (outdoor) PLC mreža dok se ona u kući krajnjeg korisnika naziva unutarnja (indoor).

Komunikacija preko elektroenergetske mreže zahtijeva velike brzine i domet prijenosa

(Broadband Power-line, BPL). BPL radi na principu slanja podataka pomoću radiovalova

preko elektroenergetskih vodova.

Signal se pretvara u bežični signal i s električnog stupa usmjeren je prema modemu koji se

nalazi u korisnikovom domu. BPL daje umreženi dom bez potrebe za novim ožičavanjem.

P – 330

temeljna mreža

PLC-operatera

optičke

niti

usmjerivač

transformatorska

stanica

vanjska

PLC-mreža kućna

PLC-mreža

PLC-modem

Visokobrzinski pristup internetu elektroenergetskim vodovima, kako je pokazalo istraživanje

FCC-a, pruža korisnicima usluge poput e-pošte, inernet telefoniranja i drugih usluga. [3]

Slika 4.1 Topologija pristupne mreže realizirana PLC-om

Razlikujemo dvije vrste BPL tehnologija: pristupni BPL (Access BPL) implementiran nad

vanjskom PLC mrežom i BPL unutar zgrade (In-building BPL) implementiran nad kućnom

PLC mrežom.

Danas pristupni BPL podržava prijenos podataka brzinom do 45 Mbita/s u oba smjera.

Pristupni BPL, slično kao i mreža kabelske televizije, predstavlja dijeljeni medij te je

potrebno ograničiti broj korisnika pristupnog BPL-a po svakoj transformatorskoj stanici kako

bi se agregatna brzina dijelila s manjim brojem. Osnovna mana pristupnog BPL-a je

nedostatak standarda i normi na svjetskoj razini. [3]

Širokopojasni PLC (Broadband over Power Lines, BPL) u realizaciji nailazi na probleme

premoštenja transformatora, interferenciju, neprilagođenost električnih vodova za prijenos

visokofrekvetnih signala, sigurnost itd. Elektroenergetski transformatori namijenjeni su

trasnformaciji napona frekvencije 50/60 Hz, uz funkciju frekvencijskog filtra. Prema tome,

transformatori ne propuštaju signale koji su frekvencije od nekoliko desetaka MHz što je

ključni razlog zašto transformatore treba premostiti za visokofrekventne signale. Taj postupak

zahtijeva značajna financijska sredstva. Npr., u Europi se s jednog transformatora napaja i do

nekoliko stotina domaćinstava, u SAD-u se s jednog transformatora napaja od jednog do deset

domaćinstava, dok Japan koristi jedan transformator za 30 kućanstava. Dakle, jasno je da bi u

Europi prijenos sa srednjenaponske mreže na niskonaponsku mrežu do krajnjeg korisnika

ekonomski gledano bio najisplativiji.

Nadalje, pojavljuje se problem atenuacije (pojava slabljenja jakosti zvučnih ili

elektromagnetskih signala zbog pretvaranja dijela njihove energije u druge oblike energije)

visokofrekventnih signala i izrazitih šumova. Činjenica je da vodovi nisu oklopljeni i iz tog

razloga se ponašaju kao antene. BPL koristi frekvencije na kojima je pozicioniran kratkovalni

radio i niži dio visokofrekvencijskog područja (Very High Frequency, VHF) što je razlog

zbog kojeg bi BPL potencijalno mogao stvarati smetnje radioamaterima, vojsci i

aviokompanijama. [4] Ta činjenica je razlog odustajanju od uvođenja BPL tehnologije. Jedan

od načina da se riješi radio interferencija je upotreba mikrovalnih frekvencija u rasponu od 2

do 20 GHz i brzine od 216 Mbit/s. To je rezultiralo izbjegavanjem interferencije s

frekvencijama radioamatera, ali može se dogoditi interferencija s frekvencijama radio

astronoma od 13 MHz do 275 GHz i brojnim industrijskim i medicinskim uređajima

(Industrial Scientic and Medical, ISM). [4]

Napon visokonaponskih vodova kreće se između 155 i 765 kV što je neprikladno za prijenos

podataka jer je previše „bučan“, tj. rezultira šumovima. Struje koje teku vodovima ne

vibriraju na konstantnoj frekvenciji i direktno uzrokuju pojavu interferencije, šumovi će se

pojavljivati na istoj frekvenciji koju koristi signal što će oštetiti ili u potpunosti uništiti signal

koji je prvobitno poslan.

P – 331

BPL topologija zaobilazi ovaj problem na način da u potpunosti izbjegava visokonaponske

vodove. Sustav šalje podatke i signale optičkim kabelima na prihvatljivije srednjenaponske

vodove vrijednosti 7200 V. Nakon što se signal prebaci na srednjenaponske vodove podaci

mogu putovati daleko, sve do faze degradacije. Kako bi se to spriječilo ugrađuju se posebni

uređaji na vodove koji su služe kao „repetitori“. Repetitori uzimaju signal i ponavljaju ga u

novoj seriji prijenosa, pojačavajući ga za sljedeću etapu prijenosnog puta. Uređaj na slici 4.2.

(coupler) omogućuje signalu prijenos vodom izbjegavajući transformator koji transformira

naponsku razinu s 7200 V na 240 V, uobičajen za kućanstva. Jednostavno ne postoji način da

signali male snage prođu kroz transformator i zato se koristi navedena spojnica (coupler) koja

šalje signal izbjegavajući transformator.

Slika 4.2 BPL topologija mreže

Izvor: http://spvp.zesoi.fer.hr/seminari/2006/DokmanicIvan_BroadbandOverPowerlines.pdf

(25.02.2016.)

Zahvaljujući spojnici signali i podaci se mogu prebacivati između srednjenaponskih (SN) i

visokonaponskih (VN) vodova do krajnjeg korisnika. Međutim, potrebno je prikazati na koji

način se signal implementira unutar domaćinstva.

Tu ulogu preuzima dalekovodni modem (Powerline modem, BPL modem), uređaj koji se

priključi u utičnicu i ima zadatak da primi signal s niskonaponskih vodova. BPL modemi

koriste silikonske čipove koji su posebno dizajnirani da uspješno obrađuju radno opterećenje

električne struje i iz nje izvuku „čisti“ signal i podatke koji su poslani.

Upotrebom novih tehnika modulacije i prilagodljivih algoritama realizacije, BPL modemi su

sposobni kontrolirati signal i upravljati šumom elektroenergetskog voda na širokom spektru.

BPL modemi (slika 4.3.) su približno veličine običnog mrežnog adaptera. Priključeni su na

kućnu utičnicu, a klasičan Ethernet kabel povezan sa stolnim računalom ili laptopom završava

konekciju do krajnjeg korisnika. Naravno, podržana je i bežična konekcija s modemom.

Slika 4.3 Prikaz BPL modema i njegove konekcije

Izvor: http://spvp.zesoi.fer.hr/seminari/2006/DokmanicIvan_BroadbandOverPowerlines.pdf

(25.02.2016.)

Ispituje se širokopojasni pristup internetu putem postojeće niskonaponske mreže,

širokopojasni prijenos elektroenergetskim vodovima (broadband power lines, BPL). To je

sustav koji korisnicima pruža pristup internetu velikom brzinom preko NN utičnice, što je

P – 332

pokazao pilot-projekt u rezidencijalnoj četvrti Greenway Plaza. Sustav nudi jedan i po put

brži pristup internetu od onog kojeg pružaju kabelski modemi.

Najnovija istaživanja pokazuju da su električni vodovi sposobni prenijeti digitalne podatke

približno istim brzinama kao i DSL (digital subscriber line), koji koristi već postojeće

telefonske linije.

DSL tehnologija zahtijeva sustav preklopnika, posebnu vrstu uređaja koji se ugrađuju kao

poveznica ADSL modema i ostatka sustava telekomunikacijskog operatera – tzv. DSLAM,

koju telekomunikacijski operater mora ugraditi u svoju mrežu da bi se omogućio protok veće

količine podataka preko bakrenih parica, a udaljenost kućnog priključka znatno utječe na

kvalitetu prijenosa (s većom udaljenošću brzina prijenosa pada). Međutim, u odnosu prema

klasičnim bakrenim paricama, električne instalacije za opskrbu kućanstava električnom

energijom prisutna je u kućama pa se komunikacijska infrastruktura, tzv. „strujni internet“

brzo razvija, posebice u rurarnim sredinama gdje nema širokopojasnog pristupa.

PLC tehnologiju možemo podijeliti s obzirom na razinu napona elektroenergetske mreže na:

niskonaponski PLC (do 400 V), srednjenaponski (do 35 kV), visokonaponski (iznad 35 kV) i

na PLC na električnim instalacijama zgrade.

Tablica 4.1 Klasifikacija PLC-a prema načinu primjene [5]

Kriterij Klasifikacija PLC-a

Naponski nivo EE voda na kojem se primjenjuje

Niskonaponski (NN) PLC (na vodovima napona do 400 V)

Srednjenaponski (SN) PLC (na vodovima napona do 50 kV)

Viskonaponski (VN) PLC (na vodovima napona od 50 kVdo 400 kV)

PLC na električnim instalacijama zgrade

Područje primjene Za energetske PLC usluge (TK usluge za potrebe elektroprivredne djelatnosti)

Za pristupne PLC usluge (TK usluge u pristupnim mrežama)

Za kućne PLC usluge

Brzina komunikacije Uskopojasni PLC (brzina prijenosa informacija reda veličine do stotinjak kbit/s)

Širokopojasni PLC (brzina prijenosa informacija reda veličine do Mbit/s)

Što se tiče podjele s obzirom na komunikacijske brzine razlikujemo uskopojasni PLC (brzina

prijenosa informacija i podataka reda veličine do stotinjak kbit/s) i širokopojasni PLC (brzina

prijenosa informacija i podataka reda veličine izraženih u Mbit/s).

Uskopojasni PLC radi u frekvencijskom opsegu do 140 kHz. Frekvencijski opsezi 9 - 95 kHz,

125 - 140 kHz dodijeljeni su za uskopojasni PLC od strane CENELEC-a. Koristi se za:

daljinsko očitanje brojila (Automatic meter reading, AMR) električnih, plinskih, vodovodnih;

kontrolu udaljenih uređaja (ulične rasvjete); nadzor i kontrolu proizvodnje i potrošnje

električne energije; dinamičko tarifiranje; automatizaciju domova i poslovnih zgrada

(automatizaciju regulacije grijanja i klima uređaja, regulaciju osvjetljenja u sobama,

osiguranje i alarmiranje i dr.). Koristi se u sustavima s jednostavnim upravljanjem pomoću

kratkih naredbi pa se time umanjuje važnost brzine prijenosa modema kao najvažnijeg

parametra. [2]

Danas je na tržištu prisutan veliki broj različitih modema s dva različita pristupa za

obavljanje procesa modulacije i demodulacije. Jedni za modulaciju i demodulaciju koriste

specijalni integrirani krug prikazan na slici 4.5.

Komunikacija s

nadređenim

sustavom 220 V / 50 Hz

µP PLM AFE

Slika 4.5 Shema PLC modema

P – 333

Mikroprocesor (µP) ima funkciju komunikacije prema nadređenom sustavu (npr. upravljačko

računalo) i upravljanje modemom (Power Line Modem, PLM) koji pretvara digitalni signal u

analogni i obratno definiranim modulacijskim/demodulacijskim postupkom.

Slika 4.6 Uskopojasni PLC modem

Izvor: TG_1_2_2009_Sumiga_Hudjek_Koristenje_energetskih_vodova_u_svrhu_komunikacije.pdf

Analogni start (Analog Front End, AFE) je sklop koji se nalazi između PLM i energetske

mreže i služi za galvansko odvajanje signala od visokog napona. Dakle, odlazni signal

injektira se na elektroenergetski da bi se, što je više moguće, očistio (isfiltrirao) dolazni signal

za točniju pretvorbu u digitalni oblik.

Drugi način realizacije modulacije i demodulacije je da modemi koriste digitalne signale

(Digital Signal Procesore, DSP) tako da softver obavlja proces modulacije i demodulacije.

Razlika u ova dva pristupa je u tome što DSP zamjenjuje mikroprocesor dok programski

algoritmi obrade signala povećavaju fleksibilnost modema.

Uskopojasni modemi koriste se u SAD-u i Europi dugi niz godina. Glavne prednosti su im

jednostavnost u realizaciji te činjenica što su usklađeni sa zakonskim regulativama i

normama. Najveći nedostatak je relativno uzak frekvencijski pojas i mala brzina

komunikacije.

Širokopojasni PLC još uvijek je u fazi ispitivanja i nije potpuno standardiziran. Radi u

frekvencijskom opsegu od 1.6 do 30 MHz i predstavlja dijeljeni medij što znači da smanjuje

brzinu po korisniku. Širokopojasni PLC treba omogućiti: pristup internetu i prijenos podataka

jako velikim brzinama, video za zahtjev (VoD), govornu komunikaciju preko IP protokola

(VoIP) i kućne PLC usluge (štednja energije, alarmni sustavi, upravljanje kućanskim

aparatima).

IPTV (Internet Protocol Television) služi za distribuciju TV programa u stvarnom vremenu

korištenjem širokopojasnih IP mreža. VoD (Video on Demand) koristi se za distribuciju video

sadržaja preko širokopojasnih IP mreža na zahtjev korisnika i u vrijeme koje korisnik postavi.

VoIP predstavlja integraciju konvencionalnih telefonskih servisa s različitim (Internet

Protocol) aplikacijama zasnovanim na IP protokolu.

Potražnja za širokopojasnim modemima raste i zbog razloga što se na ovaj način mogu

ponuditi raznolike usluge za korisnike. Sklopovski i programski su složeniji od uskopojasnih

modema i omogućavaju puno veće brzine rada. Tradicionalna telekomunikacijska pristupna

mreža sastoji se, uglavnom, od kabela s neoklopljenim upredenim paricama (Unshielded

Twisted Pair, UTP). Više od 95 % takvih lokalnih petlji, u Hrvatskoj i u svijetu, sastoji se od

jedne upredene parice koja podržava tradicionalnu fiksnu analognu govornu telefonsku uslugu

(Plain Old Telephone Service, POTS) [8].

Paralelno s razvojem interneta tijekom devedesetih godina prošlog stoljeća razvijen je i

koncept širokopojasne digitalne mreže integriranih usluga (Broadband Integrated Services

Digital Network, B-ISDN).[7] Granica između uskopojasne (narrowband) i širokopojasne

P – 334

komunikacije postavljena je na 2 Mbit/s (u SAD-u na 1,5 Mbit/s), tj. na brzinu veću od

brzine primarnog pristupa ISDN-u (ISDN Primary Rate Access, ISDN PRA).

Međutim, naknadno je ta granica pomaknuta prema nižim brzinama, tj. na 144 kbit/s koliko

iznosi podatkovna brzina osnovnog pristupa ISDN-u (ISDN Basic Rate Access, ISDN BRA).

Na početku 21. stoljeća širokopojasni pristup internetu (engl. broadband Internet access)

postao je jedna od ključnih smjernica suvremenih telekomunikacija. Širokopojasni pristup

internetu nije više isključivo mjera tehnološke razvijenosti nekog društva, već govori i o

njegovom razvoju u cjelini.

4.1. Širokopojasni pristup vodovima elektroenergetske mreže

Komunikacije vodovima elektroenergetske mreže su posebno zanimljive operatorima

distribucijske elektroenergetske mreže poput, npr., Hrvatske elektroprivrede (HEP). Osnovna

ideja PLC-a je da se širokopojasni podaci optičkim nitima prenose iz jezgrene mreže do

transformatorskih stanica, od kojih se razvode vodovima elektroenergetske mreže do

krajnjih korisnika (slika 4.1.1).

Slika 4.1.1 Prikaz integriranih širokopojasnih PLC modema [5]

Već dulje vrijeme postoje standardi za uskopojasni prijenos podataka PLC-om.

Prijenosni PLC sustavi, kreirani sukladno tim standardima, uglavnom služe za upravljanje

elektroenergetskim postrojenjima na daljinu i rade u niskom području frekvencija (spektar

signala seže do 500 kHz). Prijenosne brzine u tim sustavima kreću se do nekoliko desetaka

kbit/s.

5. ZAKLJUČAK

Ideja komunikacije preko elektroenergetske mreže nije nova. Prednost korištenja

elektroenergetske mreže u komunikacijske svrhe je njena rasprostranjenost. Za razliku od

telekomunikacijske mreže koja je dobro rasprostranjena u razvijenim državama,

elektroenergetska mreža pokriva gotovo sva naseljena područja i u razvijenim državama, ali i

u državama u razvoju. Međutim, nedostatak je što je elektroenergetska mreža projektirana

primarno za prijenos električne energije. Za razliku od vodova predviđenih za prijenos

informacija nije zaštićena od elektromagnetskog zračenja. Do ozbiljnijeg prijenosa podataka

preko elektroenergetskih vodova prihvatljivim brzinama trebalo je pričekati tehnološki razvoj

brzih mikroprocesora, digitalnih procesora i specijalnih mikročipova za primjenu

modulacijskih tehnika. Oni u stvarnom vremenu ostvaruju složene modulacijske postupke za

pouzdan prijenos signala. Dakle, proizvodi se sve više uređaja koji koriste PLC tehnologiju i

shodno tome organiziraju se međunarodni skupovi u cilju promoviranja i bržeg širenja i

prihvaćanja PLC tehnologije.

Prepreka u razvoju PLC-a je sam medij. Elektroenergetski vodovi su, osim što posjeduju jake

smetnje generirane od svih priključenih potrošača, predviđeni za prijenos energije, ali ne i za

prijenos telekomunikacijskih signala. Suvremene modulacijske tehnike i protokoli uspješno

P – 335

rješavaju probleme brzine komunikacije. Modemi kojima se realizira PLC mogu se svrstati u

dvije osnovne grupe: jednostavnije uskopojasne (Narrowband) koje imaju manje brzine

prijenosa uglavnom za upravljačke podatke i širokopojasne (Broadband) koje velikim

brzinama prenose različite vrste upravljačkih i korisničkih informacija.

U ovom se radu analizira i procjenjuje pogodnost četiri modulacijske sheme (tehnike

raspršenog spektra, sheme s jednim širokopojasnim nosiocem bez ujednačivača, sheme s

jednim širokopojasnim nosiocem sa ujednačivačem, sheme s više širokopojasnih nosilaca s

ujednačivačem za uporabu u PLC sustavima. Usporedbena analiza tih shema obavljena je na

osnovi sljedećih kriterija: spektralne iskoristivosti, maksimalne brzine prijenosa podataka,

otpornosti na kanalna izobličenja, otpornosti na impulsni šum, svojstva fleksibilnosti i

adaptivnosti, cijene sustava i elektromagnetske kompatibilnosti. Rezultati ove analize

pokazuju da shema OFDM ispunjava ključne zahtjeve koji se postavljaju na PLC sustav

(velika spektralna iskoristivost, velike brzine prijenosa i otpornost na kanalna izobličenja).

Stoga predloženo PLC rješenje sadrži dvije transmisijske tehnike temeljene na dva različita

fizička sloja: jedna se temelji na wavelet – OFDM PHY, a druga na Fast Furier Transform –

OFDM PHY.

Projektiranje PLC komunikacijskog sustava za veće podatkovne brzine zahtijeva u prvom

redu poznavanje karakteristika kanala kao što su prijenosna funkcija, otpornost na

interferenciju i kapacitet kanala. Drugim riječima, pri projektiranju treba prvo

postaviti/odabrati odgovarajući model kanala elektroenergetskog voda. Međutim,

projektiranje komunikacijskog kanala za prijenos po elektroenergetskom vodu na visokim

frekvencijama veoma je zahtjevno (takvi kanali nikad prije nisu bili projektirani).

Reference

1. CENELEC EN 50065-1: “Signalling on low-voltage electrical installations in the frequency range

3 kHz to 148,5 kHz – Part 1: General requirements, frequency bands and electromagnetic

disturbances”, 2012.

2. Cvjetković, S. J: Širenje upravljačkog signalaelektroenergetskom mrežom s različitim naponskim

nivoima, magistarski rad, FESB Split, 2007.

3. Dalby, A.: Signal Transmission on Power Lines-Analysis of Power Line Circuits. Proceedings of

the 1997 International Symposium on Power Line Communications and its Applications, Essen

2.-4.April 1998, pp. 37-44.

4. Galli, S.; Logvinov O.: Recent Developments in the Standardization of Power Line

Communications within the IEEE, IEEE Comunications Magazine, July 2008.

5. IEEE Communications magazine, April 2004, Vol. 42 No.4 (www.comsoc.org)

6. Karabatić, T: Širenje komunikacijskog signala elektroenergetskim vodovima , Sveučilište u Splitu

– Sveučilišni odjel za stručne studije: Završni rad, 2015.

7. Lampe, L. H.; Huber, J: B.: Bandwith efficeint power line communications based on OFDM,

AEÜ Vol. 54/Heft 1, Feb. 2000.

8. Nižetić M.,Vrdoljak M.: Lokalne i pristupne mreže – Skripta. Sveučilišni Centar za stručne

studije – Web izdanje, 2010.

9. Schwartz, M.: Carrier–Wave Telephony over Power Lines: Early History, Comunications

Magazine, January 2009.

10. Zimmerman M., Dostert K.: A Multi-Path Signal Propagation Model for the Power Line Channel

in the High Frequency Range. Proceedings of the International Symposium on Power Line

Communications and its Applications, Lancaster, United Kingdom 1999, pp. 45-51.

P – 336

Broadband data transmission through power lines

Toni Karabatić

University of Split, University Department of Professional Studies, Split, Croatia

toni.karabatic@gmail.com

Slobodanka Jelena Cvjetković

University of Split, University Department of Professional Studies, Split, Croatia

sjcvjet@oss.unist.hr

Silvano Jenčić

University of Split, University Department of Professional Studies, Split, Croatia

sjencic@oss.unist.hr

Abstract. This paper considers the broadband telecommunications technology used to transfer data

via existing electrical power infrastructure. The paper explains the principle of communication via

power lines (Power Line Communications, PLC) and closely examines the benefits of using this

technology. The emphasis is on selecting a modulation scheme for the design of PLC systems and

finding the solution for problems with electromagnetic compatibility (electromagnetic compability,

EMC) in accordance with European standards. The paper concludes with the scheme of multiplexing

multiple applicants in the frequency domain (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM),

optimized for broadband transmission of high-speed data lines on the electricity network using

frequencies below 100 MHz. The representation of the PLC in power systems and companies is shown

in a practical overview alongside with an insight into the commercialization of technology in the

world. The paper also points out the advantages of PLC in relation to other technology, and considers

the direction of its future development..

Key words: communication power lines (PLC), electromagnetic compatibility, modulation