Связь по ЛЭП

Для различных областей, от домашней автоматизации до доступа в Интернет (см. широкополосный доступ по линиям электропередачи), используется широкий спектр технологий связи по ЛЭП. Большинство решений рассчитаны на работу внутри одного здания, однако некоторые системы позволяют преодолевать границы между сегментами энергосети (например, работать и на распределительной сети, и на внутренней проводке). Электрические трансформаторы обычно мешают прохождению сигнала, что требует применения различных технологий для построения больших сетей. Применяются различные частоты и скорости передачи данных.

Связь по ЛЭП и беспроводная связь имеют схожие технические проблемы, в частности — функционирование в условиях загруженного частотного диапазона и защита от радиопомех. Вопросы электромагнитных помех вызывают опасения у радиолюбителей^[1].

Первые системы связи по ЛЭП появились уже в 1925 году, когда энергетические компании стали применять специальное оборудование для передачи информации между центрами управления и подстанциями, удалёнными на сотни километров от линий связи^[2]. Вместо строительства новых телефонных линий применялось оборудование для передачи телефонных сигналов по высоковольтным линиям (до 220 000 вольт). Монтаж оборудования высокой и низкой стороны выполняли электромонтёры и связисты соответственно^[3].

Система M1 была одной из ранних разработок AT&T для дальней связи. Оборудование рассчитано на работу с сельскими линиями напряжением 7 200 В и могло монтироваться без отключения электроснабжения. К 1953 году в системе Bell использовалось почти 10 000 таких станций^[4].

Системы связи по ЛЭП работают путём наложения модулированного несущего сигнала на электрическую линию. Для передачи информации используются разные диапазоны частот. Поскольку электросеть изначально предназначена для передачи переменного тока с частотой 50 или 60 Гц, её возможности по передаче данных в высокочастотном диапазоне весьма ограниченны.

Частоты, применяемые в связи по ЛЭП, определяются законодательством по защите радиосвязи. Электрические кабели обычно не экранируются и могут создавать радиопомехи при передаче ВЧ-сигналов (электромагнитное экранирование).

Во многих странах неэкранированные провода приравниваются к радиопередатчикам и подвергаются ограничениям: обычно для нелицензированных устройств разрешённые частоты — ниже 500 кГц или выделенные ISM-диапазоны. В некоторых странах (например, в ЕС) существуют дополнительные ограничения. В США разрешается вводить слабомощные широкополосные сигналы в неэкранированные провода, если последние не предназначены для излучения радиоволн через воздух.

Скорость передачи данных и радиус действия сильно зависят от стандарта. Низкочастотные несущие (100–200 кГц), передаваемые по высоковольтным ЛЭП, обеспечивают один-два аналоговых голосовых канала или каналы телеуправления с эффективной скоростью порядка сотен бит/сек. Однако такая линия может иметь большую длину. Более высокие скорости передачи данных обычно обеспечиваются только на коротких расстояниях: локальная вычислительная сеть на базе ЛЭП с пропускной способностью в несколько мегабит/сек может охватывать только этаж здания, но при этом избавляет от необходимости прокладывать отдельную кабельную сеть.

В мире различают два основных типа связи по ЛЭП: внутридомовая и внешняя коммуникация по электросетям^[5].

• Внутридомовая ЛЭП-связь используется для создания домашних сетей и систем автоматизации управления, использующих силовую проводку для передачи данных.
• Внешняя связь применяется на магистральных линиях электропередачи — например, для телеуправления, телеметрии и передачи данных через широкополосный доступ по ЛЭП. Оборудование для этого варианта отличается повышенной помехоустойчивостью и рассчитано на работу с высокими напряжениями.

Импульсное управление основано на наложении сигнала звуковой частоты (100–2400 Гц) на линию переменного тока. Частота сигнала подбирается индивидуально для каждого района, чтобы избежать помех между соседними зонами. Кодировка реализуется путём включения и выключения тона. Устройства у абонента принимают эти коды и включают/отключают подключённое оборудование; декодер может быть интегрирован в электросчётчик и управлять реле. Также передаются управляющие команды.

Благодаря подобному управлению энергокомпания может снизить до 20% капиталовложений в генерацию электроэнергии и сократить расходы на топливо. Это позволяет уменьшить вероятность технических отключений. В сетях с когенерацией возможно подключение дополнительного оборудования во время работы электростанций.

К недочётам для пользователя относятся возможные сбои управления или неудобства при аварийных отключениях, например, во время торжеств, жары или использования жизненно важного оборудования. Для критических случаев часть устройств оснащается переключателями, обходящими ограничительные сигналы; при этом счётчик может автоматически перейти на повышенный тариф.

Энергетические компании используют специальные соединительные конденсаторы для подключения радиопередатчиков к высоковольтным линиям. В измерительных устройствах часто применяются маломощные трансформаторы и усилители. Основная стоимость систем ЛЭП-связи приходится на энергетическую часть, в то время как схемы модуляции/демодуляции относительно недороги.

В диапазоне 24–500 кГц с мощностью передатчика до сотен ватт сигналы могут подаваться на один или сразу на несколько проводников ЛЭП. Для разделения частот и ограничения прохождения сигнала устанавливаются фильтры и волновые ловушки, предотвращающие потерю сигнала на подстанциях и ограничивающие эффект аварий. Такие схемы используются для релейной защиты, мониторинга и управления.

Хотя для связи между центрами управления постепенно переходят к волоконно-оптическим линиям и радиорелейным системам, ЛЭП-каналы остаются в эксплуатации как резервные и для бюджетных проектов.

Для секционирования сети и защиты используется волновая ловушка — симметричная резонансная схема, пропускающая ток основной частоты (50–60 Гц) и блокирующая ВЧ-сигналы. Волновые ловушки снабжаются разрядниками для защиты от перенапряжения.

Соединительный конденсатор обеспечивает ВЧ-соединение передатчиков/приёмников с ЛЭП при одновременном гашении промышленной частоты. Конденсатор может быть частью конденсаторного трансформатора напряжения.

Системы связи по ЛЭП ценятся энергетиками за возможность передачи информации по собственной инфраструктуре.

Репитер ЛЭП — это станция, усиливающая и передающая сигнал на следующем участке длинной линии.

Коммуникация по ЛЭП (PLCC) используется для телемеханики, релейной защиты и мониторинга между электрическими подстанциями по ЛЭП высокого напряжения (110, 220, 400 кВ)^[6].

Обычно используется амплитудная модуляция; несущие частоты служат для передачи речи, сигналов защиты и пилот-сигнала (для проверки связи). Голосовой сигнал сжимается в диапазон 300–4000 Гц, смешивается с несущей, проходит фильтрацию/усиление и транслируется. Мощность передачи ВЧ-сигналов выбирается исходя из расстояния между станциями.

PLCC применяется и для соединения АТС.

Связь по ЛЭП применяется в системах автоматического сбора данных со счётчиков. Используются как однонаправленные (только съём показаний), так и двунаправленные решения. Рост интереса связан не с автоматизацией работы персонала, сколько с возможностью получения оперативных данных с широкого круга объектов для более эффективного управления.

В однонаправленной системе данные от приборов попадают на мастер-станцию. Такая конфигурация дешевле, но сложнее при изменении топологии. В двунаправленной системе возможна удалённая перепрограммировка, получение сообщений и управление устройствами. Широковещательные сообщения позволяют одновременно воздействовать на множество устройств, подключённых к сети.

Связь по ЛЭП обычно входит в состав инфраструктуры «умных» сетей.

Подобные системы применяются в странах, где запрещены помехи традиционной радиосвязи. Частоты столь низки, что не возбуждают излучение радиоволн через энергетическую проводку.

Связь по ЛЭП может использоваться для домашней автоматизации, когда управление освещением и приборами реализуется по силовой проводке без прокладки отдельного кабеля.

Обычно передача команд осуществляется посредством несущей 20–200 кГц, внедряемой в электросеть; приёмники реагируют на свои адреса. Для предотвращения помех между квартирами/домами каждый комплект получает уникальный адрес.

Распространённый стандарт — X10, с 1970-х годов^[7].

Universal Powerline Bus, представленный в 1999 году, использует модуляция с позиционной импульсной модуляцией (PPM)^[8]. На базе LonTalk реализованы отраслевые стандарты домашней автоматизации^[9].

Становление узкополосной связи по ЛЭП началось с внедрением электроснабжения: первые системы для телеметрии на ВЛ— с 15 до 500 кГц — появились к 1922 году^[10]. К потребительским продуктам относятся, например, радионяни (с 1940-х)^[11].

В 1930-х на средних (10–20 кВ) и низких (240/415 В) напряжениях применялась импульсная сигнализация для передачи управляющих сигналов.

Одной из первых доступных двусторонних технологий стала французская S-FSK (расширенное смещение частоты, см. IEC 61334): дешёвая, но медленная система, массово используемая в Европе и Японии^[12]. Скорость передачи 200–1200 бит/сек, обычно применяется для многоуровневой передачи данных в интегрированных системах учёта и управления.

С середины 1980-х разрабатывались новые цифровые стандарты узкополосной ЛЭП-связи на базе современных алгоритмов обработки сигнала^[13].

Типичные сферы применения — автоматизированное управление оборудованием, телеметрия, съём показаний, контроль нагрузки, тарификация, борьба с хищениями энергии^[14]. Внедряются решения для интеллектуального управления нагрузкой.

OSGP (Open Smart Grid Protocol) — современный отраслевой стандарт, по которому во всём мире установлено более 5 млн устройств для «умных» сетей. На физическом уровне применяется ETSI 103 908 — двоичная модуляция в диапазоне 86,2 кГц^[15]. Протокол верхнего уровня (ETSI TS 104 001) совместим с международными стандартами ANSI/IEEE для таблиц данных конечных устройств. OSGP подходит как для счётчиков, так и для других элементов «умных» сетей^[16].

В Европе и Японии ЛЭП-связь также используется в специализированных нишах, например, для мониторинга телесмотрения.

Среднескоростные узкополосные решения — DLC (Distribution Line Carrier), до 576 кбит/с, диапазон 9–500 кГц^[17].

Современные системы используют OFDM с кучей низкоскоростных каналов и автоматическим отключением помехоустойчивых каналов, чтобы улучшить передачу данных и уменьшить помехи.

В 2009 году сформирован альянс PRIME для развития соответствующего стандарта передачи данных (128,6 кбит/с; 42–89 кГц)^[18].^[19] Ещё один альянс — G3-PLC, организованный в 2011 году^[20]. G3-PLC поддерживает диапазоны CENELEC, ARIB, FCC, использует OFDM, адаптивную модуляцию и корректирующие коды (свёрточный и Рида—Соломона). Применяет протоколы на базе IEEE 802.15.4 и 6loWPAN (IPv6 для ограниченных сред), поддерживает mesh-сети. В 2011 году технология признана международным стандартом ITU-T G.9903^[21].

В ряде случаев ЛЭП использовались для передачи радиопрограмм методом несущей, в том числе в диапазоне AM.

Коммуникации в высокочастотном диапазоне могут занимать широкий или выделенный участок радиоспектра.

Связь по ЛЭП применяется для объединения бытовых устройств с Ethernet-портами — адаптеры подключаются к розеткам, а данные передаются по электропроводке (сетевые фильтры могут препятствовать прохождению сигнала). Это позволяет избежать прокладки отдельного кабеля.

Массово распространены стандарты Nessum и HomePlug. В 2016 году HomePlug Powerline Alliance прекратил деятельность. Nessum (HD-PLC) и HomePlug AV вошли в стандарт IEEE 1901 (2010 год). По оценке HomePlug, по всему миру развернуто более 45 млн устройств на этом стандарте. Существуют также альтернативные спецификации (Universal Powerline Association, SiConnect, Xsilon), а также стандарт G.hn (ITU-T HomeGrid).

С ростом IoT растёт спрос на высокоскоростные каналы для видеоданных, сенсорных сетей и управления умными зданиями/фабриками/городами. Связь по ЛЭП в таких случаях позволяет использовать уже проложенные коммуникации.

Nessum развил многохоповую технологию для масштабируемых сетей; новые реализации (4-е поколение HD-PLC) поддерживают множественные каналы для одновременной высокой скорости и дальности.

Широкополосная связь по линиям электропередачи (BPL) — это система передачи двусторонних данных через низковольтную и средневольтную силовую сеть (100–240 В и выше). Это снижает затраты на прокладку выделенных сетей и антенн.

BPL использует те же частоты, что и часть радиосвязи. Современные реализации используют Wavelet-OFDM, FFT-OFDM и частотная модуляция с расширенным спектром, чтобы избегать занятых каналов, в отличие от ранних стандартов.

Стандарт OPERA используется в Европе; в Северной Америке широкополосная связь по ЛЭП применяется локально, чаще энергетиками для смарт-метров и управления нагрузкой.

С внедрением IEEE 1901 (Nessum, HomePlug) устройства BPL для домашних сетей в основном уступили этим решениям.

При ещё более высоких частотах ЛЭП-коммуникация возможна на СВЧ (2–20 ГГц) через поверхностно-волновую передачу по одному проводнику (например, E-Line). Это обеспечивает скорость до 1 Гбит/с и выше по одному средневолтовому проводу, включая Wi-Fi и аналоговое телевидение в свободных диапазонах^[22]. Преимуществом выступает конкуренция со скоростями оптических линий без необходимости прокладывать новое волокно^[23].^[24]

К началу 2010-х в отрасли существовало два набора стандартов.

• Внутридомовые: IEEE 1901 (Nessum, HomePlug AV), все совместимы между собой. Более простые устройства (например, X10) менее стандартизированы. Для электросетей IEEE в 2013 году утвердил стандарт IEEE 1901.2 (≤ 500 кГц)^[25].
• Конкурирующие организации: HomePlug Powerline Alliance (устарел), Universal Powerline Association (устарел), Nessum Alliance (действует). В 2009 году ITU-T принял стандарт G.hn (G.9960) для высокоскоростной связи по ЛЭП, коаксиалу и телефонному кабелю^[26]. Национальная ассоциация энергетических маркетологов (США) также участвовала в продвижении стандартов^[27].

IEEE 1901 опубликован в декабре 2010 года, объединил особенности HomePlug и Nessum^[25]. Сертификация устройств осуществляется по программе nVoy. NIST включил IEEE 1901 (Nessum, HomePlug) и ITU-T G.hn в дополнительные стандарты для развития умных сетей в США^[28]. Для длинных сетей в 2013 принят стандарт IEEE 1901.2.

Технологии связи по ЛЭП применяются для оптимизации затрат на сетевую инфраструктуру в следующих сферах:^[29]

• АСУЭ
• Микроинверторы
• Системы HVAC
• Лифты
• Аккумуляторные накопители
• Уличное освещение
• Системы управления освещением
• Домофоны
• Видеонаблюдение и охранные системы

Главное ограничение связи по ЛЭП — неизолированные, неэкранированные провода, излучающие радиопомехи и подверженные влиянию сигнальных шумов на тех же частотах^[5]. Для домашних сетей проблема — электромагнитные помехи от бытовых приборов при включении/выключении. Стандарт HomePlug 1.0 предусматривает защиту от таких помех^[30].