P35-02

ТРЕТО СОВЕТУВАЊЕ Охрид 3–6 октомври 2001

Dimitar Ko~ovski, dipl.el.in`. Dimov Darko, dipl.el.in`. JP "Elektrostopanstvo na Makedonija" Podru`nica "Elektrodistribucija" - Skopje

Energetskata mre`a kako medium za prenos na podatoci

ABSTRACT Safe, economical and reliable energy supply nowadays requires the backing of powerful

communication system. The same careful planning and organizing of communication networks are as necessary in the power industry as for the generation and distribution of energy itself. Using the power grid as communication medium is convenient and cost-effective way to build those communication systems.

The transmission of information via the high-voltage network is nothing new. Carrier-frequency technology has been used for many years. Modern PLC systems comprise standardized digital interfaces and enable digital transmission up to 64 kbit/s per channel.

Medium and low-voltage distribution network has become convenient telecommunication medium as a result of implementation of OFDM modulation. The DCS 3000 system based on OFDM modulation process enables fast and reliable communication via the distribution network, for example. Its data transmission rate which is suitable for energy-relevant services, provides efficient distribution network operations in highly automated networks. As a consequence of developing those systems, power supply corporations can expand their data networks right into their secondary unit substations, so allowing the medium and low-voltage system to be automated with a high degree of transparency.

Koristeweto na energetskata mre`a kako medium za prenos na informacii

otsekoga{ bila atraktivna ideja vo oblasta na telekomunikaciite. Nejzinata atraktivnost se dol`i pred se na {irokata razgranetost i disperziranost na energetskata mre`a, ovozmo`uvaj}i telekomunikaciski pristap do korisnicite, bez dopolnitelno investirawe vo mediumi za prenos. Internet pristapot preku energetskata mre`a, odnosno fuzioniraweto na prenosot na energijata i podatocite vo edna ista mre`a, spa|aat me|u najzna~ajnite vizii vo modernite telekomunikaciski trendovi.

Sepak specifi~nite karakteristiki na ovoj medium za prenos, kako i postoe~kite tehniki za obrabotka i modulacija na signalite, seu{te ne ovozmo`uvaat postignuvawe na pogolem prenosen kapacitet, odnosno pogolemi bitski brzini. Zaradi toa seu{te ne postoi mo`nost za ponuda na {iroki komercijalni telekomunikaciski uslugi preku energetskata mre`a.

Postoe~kite sistemi nudat transmisioni brzini koi se dovolni za izvr{uvawe na telekomunikaciski uslugi direktno povrzani so funkcioniraweto na energetskiot sistem (energy-relevant services). So ogled na toa deka denes sigurnoto, doverlivoto i ekonomi~no energetsko napojuvawe pred se zavisi od brziot, doverliv i efikasen prenos na informacii, razvojot na telekomunikaciite vo energetskiot sistem e mo{ne zna~aen.

P35-02 2/8

Sistemite koi kako medium za prenos ja koristat energetskata mre`a, o~igledno mo`ebi se najpogodnite za aplikacija na telekomunikaciite vo energetskiot sektor. Niv, spored specifi~nite karakteristiki na poedine~nite delovi na mre`ata gledano od telekomunaciski aspekt, grubo mo`e da gi podelime na dva dela:

- sistemi koi kako medium za prenos ja koristat visokonaponskata transmisiona

mre`a ( 110 kV, 220kV, ...). - sistemi koi kako medium za prenos ja koristat srednonaponskata i

niskonaponskata distributivna mre`a ( 35kV, 10kV, 6kV, 0.4kV). Telekomunikaciski sistemi koi kako medium za prenos ja koristat visokonaponskata transmisiona mre`a

Ovie sistemi poznati se pod imeto PLC (Power Line Carrier) sistemi, odnosno sistemi

so visokofrekfentni nositeli. Za razlika od sistemite koi kako medium za prenos ja koristat distributivnata srednonaponska i niskonaponska mre`a, a koi seu{te se vo za~etok, PLC sistemite ve}e podolgo vreme se implementirani vo praksata. Toa se dol`i pred se na specifi~nite karakteristiki na visokonaponskata mre`a, koja gledano od telekomunikaciski aspekt e mnogu poednostavna od distributivnata mre`a. Imeno, transmisionata mre`a se karakterizira so stati~nost vo konfiguracijata, relativno prosti (nerazgraneti) transmisioni pati{ta i mala dinamika vo manipulaciite (koi se izvor na impulsen {um). Toa ovozmo`ilo pri obrabotkata na signalite da se koristat klasi~nite i dobro poznati modulacioni tehniki, koi ne se mnogu otporni na impulsniot {um i na interferencijata na signalite. Takva e na primer amplitudnata modulacija.

Edinstveno poseriozen problem pretstavuva interfejsot na telekomunikaciskata oprema kon liniite pod visok napon. PLC terminalite se povrzuvaat kon energetskata linija preku spre`ni kondenzatori ili kapacitivni naponski transformatori i t.n. edinica za povrzuvawe (coupling unit). Pritoa vozmo`no e povrzuvawe i kon visokonaponski dalekuvodi i kon energetski kabli. Edinicata za povrzuvawe i visokonaponskiot spre`en kondenzator formiraat filter propusnik na visoki frekfencii. Dolnata grani~na frekfencija na ovoj VF filter zavisi od induktivnosta na vodot i kapacitivnosta na kondenzatorot. Taa se izbira taka da filterot ne gi popre~uva odnosno slabee frekfentnite nositeli na PLC sistemot.

Modernite PLC sistemi gi zemaat vpredvid specifi~nite karakteristiki na visokonaponskata linija, no i garantiraat deka }e bidat tehni~ki i ekonomski upotreblivi vo idnite digitalni mre`i. Ovie barawa modernite PLC sistemi gi ispolnuvaat so:

• koristewe na moderna tehnologija za digitalno procesirawe na signalite (DSP). • korisni~ki orientirani servisni karakteristiki:

- avtomatska liniska ekvalizacija - avtomatska frekfentna kontrola (AFC) - dale~insko nadgleduvawe i odr`uvawe - programirawe na parametrite so personalen kompjuter

• standardizirani digitalni interfejsi za transmisioni brzini do 64 kbit/s

P35-02 3/8

Na sl.1 prika`an e tipi~niot pretstavnik na modernite PLC sistemi ESB 2000i od proizvoditelot SIEMENS. O~igledni se {irokite mo`nosti za aplikacija na modernite PLC sistemi, blagodarej}i na nivnata fleksibilnost i standardiziranite interfejsi {to gi nudat.

sl. 1

sl. 2 ESB 2000i PLC sistemot dozvoluva prenos na govor, faks, podatoci, signali za

telekontrola i za{tita, koristej}i frekfenten multipleks vo dodelenoto podra~je za PLC prenos (od 24kHz do 500 kHz.). Prenosot se vr{i preku dalekuvodi i energetski kabli vo visokonaponskite i srednonaponskite sistemi. Se koristi klasi~na modulaciona

Na sl. 2 prika`ana e blok-{emata na eden ESB 2000i PLC terminal so negovite najva`ni sostavni komponenti.

P35-02 4/8

tehnika koja gi zadovoluva potrebite na vakviot prenos. Toa e ednostranata amplitudna modulacija so potisnat nositel. (SSB- single sideband with suppressed carrier). Ovaa modulacija ovozmo`uva:

• Golemi prenosni rastojanija zaradi maksimalnoto iskoristuvawe na energijata na predavatelot za transmisija na samiot signal, so nezna~itelna zaguba koja otpa|a na energijata na potisnatiot nositel.

• Minimalna mo`na {irina na spektarot potrebna za prenos na signalite, a so toa i optimalno iskoristuvawe na spektralniot prostor dodelen za PLC prenos.

• Podobrena privatnost na komunikaciite, zaradi potisnuvaweto na nositelot.

sl. 3 Telekomunikaciski sistemi koi kako medium za prenos ja koristat srednonaponskata i niskonaponskata distributivna mre`a

Gledaj}i gi modernite trendovi vo energetikata, razvojot na ovie sistemi e mo{ne

zna~aen. Osnoven trend e se pogolemata avtomatizacija na distributivnata mre`a, {to ovozmo`uva brzo otstranuvawe na defektite i obezbeduvawe visoka raspolo`livost na mre`ata. Efikasnite operacii vo visokoavtomatiziranite distributivni mre`i baraat poddr{ka od mo}en komunikaciski sistem. So ogled na trendovite za deregulacija, prenosot na podatocite za merewata dobiva se pogolema va`nost. Obemot na merewata {to treba da se prenesuvaat e zna~itelno zgolemen, za da se definiraat profilite na potro{uva~ite vo novite kompleksni naplatni proceduri. Zada~ite vo distributivnata mre`a za kontrola na tovarot doplnitelno baraat svoi komunikaciski kanali.

Generalno gledano postoi potreba distributerite na elektri~na energija da gi pro{irat svoite podato~ni mre`i vo srednonaponskata i niskonaponskata distributivna mre`a. Na visokonaponsko nivo ovie mre`i se ve}e rasprostraneti preku {iroko primenetite SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition ) sistemi. Poto~no re~eno postoi potreba DMS (Distribution Management System) sistemite da imaat mo`nost za ot~ituvawa vo realno vreme na podatocite za merewata i sostojbite vo distributivnata mre`a i mo`nost za dale~inska kontrola na istite.

Edno od najva`nite barawa odmodernite PLC sistemi e da ovozmo`uvaatprenos na digitalni signali. ESB 2000i PLCsistemot na primer, koristi ITU-Tstandardizirani digitalni interfejsi zaprenos na digitalni signali so bitskibrzini do 64 kbit/s. Na sl. 3 dadena e blok-{emata koja principielno go prika`uvadigitalniot prenos kaj ESB 2000i sistemot.Isto taka prika`ana e {irinata naspektarot na SSB moduliraniot signal zarazni bitski brzini na vlezniot digitalensignal.

Kako {to se gleda od slikata, postoimo`nost za dale~insko nadgleduvawe iparametrirawe na PLC terminalot sopersonalen kompjuter, preku posebenservisen kanal.

P35-02 5/8

Za da se ostvarat site ovie celi neophoden e mo}en komunikaciski sistem koj kako medium za prenos bi ja koristel samata distributivna mre`a. Vo sprotivno neophodni bi bile mnogu investicioni tro{oci za telekomunikacisko povrzuvawe na site potrebni to~ki vo distributivnata mre`a so nekoj drug medium za prenos. I dodeka sistemite koi kako prenosen medium ja koristat visokonaponskata transmisiona mre`a t.e. PLC sistemite, ve}e dolgo vreme se vo upotreba, ovie sistemi seu{te se vo za~etok. Pri~inata e {to gledano od telekomunikaciski aspekt distributivnata mre`a e pokompleksen medium za prenos od visokonaponskata transmisiona mre`a. Nejzinata kompleksnost proizleguva od golemata razgranetost, dinami~nite promeni vo konfiguracijata i tipi~nite izvori na {irokopojasen, tesnopojasen i impulsen {um. Za da se ostvari efikasno i doverlivo telekomunikacisko povrzuvawe niz medium so vakvi karakteristiki, potreben e grub modulacionen proces koj }e go napravi signalot neosetliv na ovie uslovi. Modulacioniot proces treba da e sposoben avtomatski da se adaptira na ~estite varijacii na svojstvata na transmisionite pati{ta. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)

Modulacionata tehnika koja {to gi zadovoluva ovie barawa i za koja ekspertite za

komunikacii preku energetski linii smetaat deka e apsolutno neophodno re{enie za doverliv prenos e OFDM.

Ovaa tehnika i nejzinite mo`nosti se vo centarot na vnimanieto vo telekomunikaciskata javnost. Nejzinata primena se predviduva vo fiksnite {irokopojasni bez`i~ni mre`i, vo bez`i~nite LAN mre`i, vo mobilnite telefonski mre`i itn. So eden zbor postoi konsenzus vo istra`uva~kiot svet deka OFDM e tehnologija na idninata.

Se raboti za modulacija so pove}e nositeli (multicarrier modulation). Digitalniot signal {to treba da se modulira i koj ima odredena bitska brzina x se razdeluva na pove}e individualni bitski protoci t.e. kanali so brzini x/N, kade {to N e brojot na frekfentni nositeli. Potoa sekoj poedine~en kanal se modulira so po eden nositel. So toa transmisijata na digitalniot signal se odviva simultano preku N modulirani nositeli. Seta ovaa obrabotka na signalot, vaka simplificirano objasneta, se odviva so procedurite na IFFT- inverzna brza Furieva transformacija na stranata na predavatelot i FFT - brza Furieva transformacija na stranata na priemnikot, so pomo{ na digitalni signalni procesori.

Od gorenavedenoto se nasetuva robusnosta na ovaa modulacija i nejzinata imunost na lo{i prenosni uslovi. Imeno, dokolku na raspolagawe imame nekvaliteten medium za prenos so varijabilni svojstva, toj }e predizvikuva gre{ki i izobli~uvawa na poodelni pojasi od spektarot na OFDM signalot, odnosno }e stradaat poedini negovi nositeli. No, bidej}i tie nosat samo del od vkupnata informacija, vakvite izobli~uvawa nema potpolno da go naru{at prenosot, tuku samo }e go zgolemat brojot na pogre{no preneseni biti t.e. paketi. Osoznaeno e deka OFDM e posebno otporen na izobli~uvawata zaradi multipat, kade {to kako posledica na interferencijata na signalite dojdeni vo edna to~ka (priemnikot) od razli~ni pati{ta, se javuvaat efekti na antifazni poni{tuvawa i kreirawe na pogre{ni signali. Otpornosta na ovie izobli~uvawa e mo{ne va`na dokolku prenosniot medium e distributivnata energetska mre`a, zemaj}i ja vpredvid razgranetosta na mre`ata.

OFDM ovozmo`uva prenos na golemi bitski brzini vo relativno tesen frekfenten opseg zaradi gustoto pakuvawe na nositelite, {to zna~i deka e spektralno efikasna modulacija. Osobeno e otporna na tesnopojasniot i impulsniot {um, karakteristi~ni za distributivnata mre`a.

DCS 3000

P35-02 6/8

sl. 4

Vo ovaa faza razvojot na komunikaciskite sistemi ~ij medium za prenos e distributivnata mre`a, povrzan e so razvojot na OFDM. Bidej}i specijalizirani kola za ovaa modulacija po~nale da se pojavuvaat od neodamna, jasno e za{to ovie sistemi se vo za~etok. Proizvoditelot SIEMENS, na primer, ja integriral ovaa kompleksna transmisiona tehnologija vo specijalizirano integrirano kolo ASIC (applications-specific integrated circuit) i so toa otvoril mo`nost za ekonomski isplatlivo proizvodsvo na vakva oprema. Sega{nite mo`nosti i funkcionalnosta na komunikaciskite sistemi ~ij medium za prenos e distributivnata mre`a mo`e da se voo~at analiziraj}i go konkretniot sistem DCS 3000, koj e baziran na gorespomenatoto integrirano kolo.

Kapacitetot odnosno transmisionata brzina na ovoj sistem mo`e da iznesuva: 4 800, 9600, 19200, 28800 bit/s, {to e dovolno za izvr{uvawe na energetski-relevantni telekomunikaciski zada~i, kakvi {to se telekontrolata i monitoringot. Sistemot e sposoben da gi pokriva rastojanijata koi se tipi~ni za distributivnite mre`i. Kako {to rekovme koristi OFDM modulacija so {irina na spektarot na moduliraniot signal od 4 kHz do 24 kHz, zavisno od bitskata brzina na digitalniot signal. Pokraj metodot na modulacija, dopolnitelno osiguruvawe za siguren i doverliv prenos e protokolot za komunikacija koj vr{i retransmisija na telegramite vo koi se pojavuva gre{ka. Prenosot se odviva vo standardizirani CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) opsezi:

A Band (9 - 95 kHz) ; B Band (95 - 125 kHz) ; C Band (125 - 140 kHz) . Frekfenciite pod 20 kHz retko se koristat zaradi intenzivniot {um.

Srceto na sistemot e t.n. bazi~na edinica (BU-basic unit), prika`ana na sl. 4

Elektronikata e smestena vo ~eli~no ku}i{te i sodr`i: edinica za napoju-vawe, ~etiri inter-fejsi za povrzuvawe kon srednonapon-skite i niskonapon-skite linii, visoko-integriran modul koj go vr{i trans-misioniot proces odnosno modulaci-jata, mikrokont-roler i nekolku standardizirani lo-kalni interfejsi. Povrzuvaweto kon

energetskata instalacija mo`e da bide kapacitivno ili induktivno, zavisno od karakteristikite na mre`ata, poto~no dali se raboti za podzemni kabli ili vozdu{ni vodovi.

Induktivnoto povrzuvawe so metalnata obvivka na kabelot e najednostavno i najeftino re{enie. Prstenesto feritno jadro, so navivki koi slu`at kako primarna namotka, se pozicionira okolu celiot dijametar na srednonaponskiot kabel. Feritnoto jadro se sostoi od dva dela me|usebno povrzani so lenta za zategawe, {to ovozmo`uva lesna instalacija bez da se diskonektira napojuvaweto za vreme na instalacijata. Induktivnata konekcija e vozmo`na kaj kablite so nezazemjena metalna obvivka (plasti~no-izolirani kabli), zatoa {to signalot vsu{nost se prenesuva preku taa obvivka.

Kaj postarite tipovi na kabli i kaj vozdu{nite vodovi se upotrebuva kapacitivno povrzuvawe. Vo ovoj slu~aj signalot se prenesuva preku fazniot provodnik. Se povrzuva

P35-02 7/8

spre`en kondenzator pome|u fazniot provodnik i zemjata i t.n. edinica za povrzuvawe. Edinicata sodr`i za{tita od povratni efekti vo energetskata instalacija vo slu~aj na defekt.

BU edinicata vo pogled na telekomunikaciskata funkcija mo`e da raboti vo master, slave ili repeater mod, {to se setira softverski. Na sl. 5 prika`ana e blok-{ema na kompletniot DCS 3000 sistem so negovata topolo{ka raspredelenost i funkcionalni mo`nosti.

sl. 5

so site drugi BU edinici koi rabotat vo slave mod i se raspredeleni niz distributivnata mre`a. Ovie slave edinici sobiraat informacii od lokalniot hardver (ot~ituvaat merewa i sostojbi vo realno vreme preku lokalnata krajna stanica RTU-remote terminal unit) i gi ispra}aat kon master edinicata. Vo sprotivna nasoka, gi prosleduvaat signalite za komanduvawe od telekontrolniot sistem, od master edinicata kon lokalnata krajna stanica- RTU.

Od sl. 5 se voo~uvaat {irokite funkcionalni mo`nosti na ovoj sistem. Pred se interesna e monitoring funkcijata, odnosno dale~inskoto ot~ituvawe na merewata kaj potro{uva~ite do nivo na doma}instvo i presmetkata na profilot na potro{uva~ite. Postoi mo`nost za dale~inska kontrola i upravuvawe na distributivnite trafostanici preku sistem za telekontrola. Sistemot gi ovozmo`uva i klasi~nite funkcii na mre`nata tonfrekfentna kontrola, kako {to se kontrolata na opteretuvaweto (Load management) , tarifnata kontrola i kontrolata na uli~noto osvetluvawe.

Bidej}i lokalnite interfejsi na bazi~nata edinica se standardizirani vo soglasnost so IEC standardite, lokalniot hardver kako {to se uredite za merewe i krajnite stanici mo`e da bide od razli~ni proizvoditeli, dokolku se zadovoleni IEC komunikaciskite standardi i protokoli.

Setiraweto na komunikaciskite parametri na bazi~nata edinica, servisnite funkcii i funkciite za testirawe se realiziraat so specijalna softverska alatka za parametrirawe nare~ena DCSTOOL.

Fleksibilnosta na sistemot ovozmo`uva formirawe na razli~ni telekomunikaciski mre`ni strukturi, soodvetni na topologijata na distributivnata mre`a. Mo`ni se slednive tri tipa na mre`ni strukturi:

- linijska struktura - razgraneta struktura

Glavata na sistemot e BU edinica konfigurirana vo master mod. Taa e povrzana kon povisokoto sistemsko nivo (kontrolniot centar, presmetkovniot korisni~ki centar, nadvore{niot servisen centar i centarot za mre`na-tonfrekfentna kontrola) preku standardizirani interfejsi i protokoli, so posredstvo na javnata telefonska mre`a. Vo isto vreme master edinicata komunicira

P35-02 8/8

- prstenesta struktura Kaj linijskata struktura master BU edinicata komunicira so slave BU edinicite,

pri {to site edinici se aran`irani vo linija. Ovaa struktura mo`e da ima maksimum 31 slave BU edinici.

Kaj razgranetite distributivni mre`i mo`no e formirawe na razgraneta struktura, koristej}i gi ~etirite transmisioni interfejsi od sekoja BU edinica. I kaj ovaa kompleksna struktura eden master BU mo`e da komunicira so maksimum 31 slave BU edinici.

Dostapnosta i raspolo`livosta na DCS 3000 komunikaciskata mre`a se zgolemuva ako se kreira prstenesta struktura. Vo toj slu~aj kon sekoja slave BU edinica, master edinicata mo`e da pristapi preku dva razli~ni pata. Ako komunikaciskiot pat se prekine vo bilo koja to~ka, na primer zaradi defekten energetski kabel, master BU edinicata pristapuva kon nedostapnite slave BU edinici preku vtoriot del od prstenestata struktura. So ogled na toa {to srednonaponskata distributivna mre`a ~esto e dizajnirana vo prstenesti strukturi, telekomunikaciskata prstenesta struktura e najlogi~no re{enie.

Blagodarej}i na modemskiot interfejs koj e na raspolagawe kaj bazi~nata edinica, linijskite strukturi lesno mo`e da se modificiraat vo prstenesti, modemski povrzuvaj}i ja master BU edinicata so poslednata slave BU edinica vo linijata.

sl. 6

Treba da se naglasi dekapovrzuvaweto natelekomunikaciskata oprema kondistributivnata mre`a se vr{i nana~in {to ovozmo`uvatelekomunikacisko premostuvawena prekinuva~kite to~ki vomre`ata (takvi se distributivnitetrafostanici), so {to seobezbeduva neprekinatoprenesuvawe na podatoci nezavisnood polo`bata na prekinuva~ite irastavuva~ite vo mre`ata.