Ochrona systemów komunikacji liniami zasilającymi (PLC): dwie technologie, które trzeba poznać

Projektanci inteligentnej infrastruktury energetycznej, takiej jak sieci inteligentne, liczniki inteligentne i uliczne oświetlenie inteligentne, potrzebują niezawodnej, ekonomicznej i bezpiecznej komunikacji. Chociaż technologie bezprzewodowe mają do odegrania pewną rolę, ich słabe punkty, koszty i ograniczenia zasięgu stanowią poważne wyzwania. Technologia komunikacji liniami zasilającymi (PLC), która umożliwia przesyłanie danych za pośrednictwem istniejących linii zasilających, stanowi dobry fundament technologiczny, na którym można oprzeć obsługę komunikacji o znaczeniu krytycznym.

Komunikacja liniami zasilającymi (PLC) jest dobrze zdefiniowana i szeroko stosowana, jednak istnieją pewne kwestie, o których powinni wiedzieć projektanci, a które mogą ją pogarszać, takie jak tłumienie sygnału, szumy i stany nieustalone napięcia. Wyeliminowanie tych problemów wymaga praktycznych i skutecznych rozwiązań zapewniających optymalne działanie. Dwa takie rozwiązania to transformatory PLC i ochronniki nadnapięciowe GMOV.

Transformatory PLC są zoptymalizowane pod kątem minimalnej tłumienności wtrąceniowej w zastosowaniach wąskopasmowych (NB). Zmniejszają one również izolację galwaniczną i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), poprawiając jakość sygnału i niezawodność. Urządzenie GMOV jest hybrydowym komponentem zabezpieczenia nadnapięciowego, który zawiera iskiernik gazowy (GDT) i warystor metalowo-tlenkowy (MOV). Został on zaprojektowany w celu przezwyciężenia ograniczeń i problemów z usterkami standardowych warystorów metalowo-tlenkowych (MOV), które są podatne na degradację i niekontrolowany wzrost temperatury w trudnych i niekontrolowanych środowiskach.

W niniejszym artykule omówiono pokrótce sposób działania komunikacji liniami zasilającymi (PLC) i dlaczego można ją stosować w infrastrukturze inteligentnej. Następnie przedstawiono transformatory PLC i ochronniki GMOV firmy Bourns, sposób ich działania oraz czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy doborze i stosowaniu.

Komunikacja liniami zasilającymi (PLC), jej zastosowania i związane z nią wyzwania

W systemie komunikacji liniami zasilającymi (PLC) przesyłane dane są modulowane na sygnale nośnym i wprowadzane do linii zasilającej. Szczegóły różnią się znacznie w zależności od zastosowania, ale globalną normą dla sieci energetycznych jest norma IEEE 1901.2. Definiuje ona komunikację wąskopasmową (NB) niskiej częstotliwości (≤500kHz) o prędkościach do 500kbit/s i jest odpowiednia do takich zastosowań, jak sieci inteligentne, liczniki inteligentne i uliczne oświetlenie inteligentne.

Chociaż technologia komunikacji liniami zasilającymi (PLC) okazała się przydatnym rozwiązaniem dla projektantów inteligentnej infrastruktury energetycznej, nie jest ona wolna od wyzwań. Przeszkody projektowe obejmują tłumienie sygnałów, szumy i stany nieustalone napięcia. Wszystkie one mogą znacznie pogorszyć jakość i niezawodność komunikacji. A konkretniej:

• Tłumienie sygnału jest problemem, ponieważ sygnały w komunikacji liniami zasilającymi (PLC) wykorzystują linie, które zostały zaprojektowane pod kątem przesyłu zasilania, a nie danych. Linie te mają taką charakterystykę impedancyjną, która może powodować znaczne tłumienie, szczególnie na dużych odległościach. Wynikający z tego spadek siły sygnału może zmniejszyć efektywny zasięg i potencjalnie prowadzić do utraty danych lub błędów.
• Szumy mogą pochodzić z różnych źródeł, takich jak urządzenia elektroniczne podłączone do linii zasilających, różnego rodzaju zmienność parametrów zasilania i zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Stosunkowo wysoka częstotliwość typowa dla sygnałów danych w komunikacji liniami zasilającymi (PLC) sprawia, że są one szczególnie podatne na wspomniane źródła szumów w nieekranowanej sieci energetycznej.
• Stany nieustalone napięcia mogą wystąpić w wyniku uderzenia pioruna lub przełączania obciążeń indukcyjnych. Takie stany nieustalone mogą indukować wysokie napięcia w linii zasilającej, potencjalnie uszkadzając modemy komunikacji liniami zasilającymi (PLC).

W obliczu wyzwań stojących przed systemami komunikacji liniami zasilającymi (PLC) projektanci mają do dyspozycji dwie kluczowe technologie, które mogą zastosować: transformatory PLC i ochronniki GMOV. Obydwa komponenty pełnią kluczową rolę w zapewnieniu niezawodności, odpowiednich parametrów działania i bezpieczeństwa systemów komunikacji liniami zasilającymi (PLC).

Omówienie projektu: transformatory PLC i ochronniki GMOV w obwodzie sprzęgającym

Aby zilustrować problemy, które mogą zostać rozwiązane za pomocą transformatorów PLC i ochronników GMOV, rozważmy obwód sprzęgający przedstawiony na ilustracji 1. Obwód ten musi izolować modem komunikacji liniami zasilającymi (PLC) (Z_Module) od linii sieciowej (Z_Line), zapewniając jednocześnie ścieżkę dla sygnału danych. Obwód sprzęgający musi przy tym obsługiwać zarówno komunikację wysokiej częstotliwości i niskiej mocy, jak i prąd zmienny o niskiej częstotliwości i wysokiej mocy.

Ilustracja 1: uproszczony obwód sprzęgający z ochroną przeciwprzepięciową, który izoluje modem komunikacji liniami zasilającymi (PLC) (Z_Module) od linii zasilającej (Z_Line), zapewniając jednocześnie ścieżkę dla sygnału danych. (Źródło ilustracji: Bourns)

Transformator PLC (T1) zapewnia izolację galwaniczną pomiędzy modemem komunikacji liniami zasilającymi (PLC) i linią zasilającą, co pozwala na oddzielenie komunikacji liniami zasilającymi (PLC) od sieci prądu zmiennego. Kluczową cechą tych transformatorów jest ich minimalna tłumienność wtrąceniowa, która zmniejsza zniekształcenia sygnału i tłumienie. Na przykład ilustracja 2 ukazuje działanie transformatorów komunikacji liniami zasilającymi (PLC) z serii PFB firmy Bourns, zoptymalizowanych pod kątem zastosowań wąskopasmowych (NB) o częstotliwościach poniżej 500kHz. Ponadto zdolność transformatorów komunikacji liniami zasilającymi (PLC) do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) pomaga zredukować szumy, przyczyniając się do zwiększenia niezawodności i sprawności komunikacji.

Ilustracja 2: wykres tłumienności wtrąceniowej w funkcji częstotliwości dla transformatorów komunikacji liniami zasilającymi (PLC) z serii PFB, które są przystosowane do zastosowań wąskopasmowych (NB) o częstotliwościach poniżej 500kHz. (Źródło ilustracji: Bourns)

Przedstawionym na ilustracji 1 stanom nieustalonym napięcia przeciwdziała również ochronnik GMOV (ilustracja 3). To nowatorskie urządzenie jest hybrydowym zabezpieczeniem nadnapięciowym, które łączy w sobie szybką odpowiedź warystora metalowo-tlenkowego (MOV) oraz wysoką wytrzymałość na prądy udarowe iskiernika gazowego (GDT). Takie połączenie zapewnia solidną ochronę przed stanami nieustalonymi napięcia spowodowanymi przez uderzenia pioruna lub zdarzenia łączeniowe, które mogą uszkadzać obwody elektroniczne w systemach komunikacji liniami zasilającymi (PLC).

W ochronniku GMOV warystor metalowo-tlenkowy (MOV) i iskiernik gazowy (GDT) są sprzężone pojemnościowo w konfiguracji szeregowej. W warunkach niskiej częstotliwości napięcie graniczne ochronnika GMOV jest równe sumie napięcia granicznego warystora metalowo-tlenkowego (MOV) i iskiernika gazowego (GDT).

Ilustracja 3: ochronnik GMOV łączy w sobie szybką odpowiedź warystora metalowo-tlenkowego (MOV) z wysoką wytrzymałością na prądy udarowe iskiernika gazowego (GDT). (Źródło ilustracji: Bourns)

W przeciwieństwie do standardowych warystorów metalowo-tlenkowych (MOV), które są podatne na degradację i niekontrolowany wzrost temperatury, ochronnik GMOV jest zaprojektowany do pracy w trudnych i niekontrolowanych środowiskach. Warystor metalowo-tlenkowy (MOV) ogranicza nadmierne napięcia do bezpiecznego poziomu, podczas gdy iskiernik gazowy (GDT) działa jako zabezpieczenie w razie wystąpienia ekstremalnych udarów. Funkcja ta przekierowuje nadmierną energię od warystora metalowo-tlenkowego (MOV), wydłużając w ten sposób jego żywotność i zmniejszając prawdopodobieństwo awarii systemu.

Zagadnienia projektowe dotyczące transformatorów komunikacji liniami zasilającymi (PLC) i ochronników GMOV

Projektowanie obwodu sprzęgającego linii dla systemu komunikacji liniami zasilającymi (PLC) wymaga starannego rozważenia kluczowych komponentów i interakcji między nimi. Oto niektóre z kwestii wymagających uwzględnienia podczas projektowania.

Wymagania systemu komunikacji liniami zasilającymi (PLC): przed rozpoczęciem procesu projektowania należy dokładnie zrozumieć wymagania systemu komunikacji liniami zasilającymi (PLC). Między innymi chodzi o wymaganą szybkość transmisji danych, zasięg działania, rodzaj linii zasilających oraz warunki środowiskowe, na które będzie narażony.

Bezpieczeństwo i zgodność z przepisami: szczególne znaczenie ma bezpieczeństwo w przypadku konstrukcji, do których dostęp mogą mieć użytkownicy lub pracownicy zajmujący się konserwacją. W zależności od zastosowania, projekt może wymagać zgodności z normą EN 62368-1 (sprzęt informatyczny i audiowizualny) lub EN 61885 (sieci komunikacyjne i automatyka energetyczna).

Z punktu widzenia komunikacji, projekty zazwyczaj muszą być zgodne z europejską normą Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego Elektrotechniki (CENELEC) EN 50065-1, która określa maksymalne poziomy sygnału, a także dopuszczalne pasma częstotliwości nośnych.

Dobór transformatora komunikacji liniami zasilającymi (PLC): należy sprawdzić, czy transformator spełnia wymagania dotyczące częstotliwości roboczej, napięcia i impedancji. Na przykład wspomniana wcześniej seria PFB firmy Bourns została zoptymalizowana pod kątem zastosowań wąskopasmowych w komunikacji liniami zasilającymi (PLC) (NB-PLC), dzięki czemu nadaje się do wykorzystania na dużych odległościach. Dzięki obsłudze niskich i średnich zakresów napięć, seria PFB może być używana zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz.

Należy pamiętać, aby wybrać transformator o przekładni zwojowej, która umożliwia dopasowanie impedancji modemu komunikacji liniami zasilającymi (PLC) do impedancji linii zasilającej. W wielu przypadkach impedancji modemu nie można zmienić, dlatego transformator musi być starannie dobrany, aby uzyskać dopasowanie impedancji zapewniające sprawną transmisję sygnału.

Należy również wziąć pod uwagę środowisko danego zastosowania. Na przykład seria PFB jest dostępna zarówno w wersji standardowej, jak i wydłużonej. Model standardowy PFBR45-ST13150S jest przeznaczony do użytku w obudowach zabezpieczonych, natomiast model wydłużony PFB45-SP13150S posiada dodatkowe funkcje bezpieczeństwa na potrzeby użycia w miejscach, do których dostęp mogą mieć konserwatorzy lub użytkownicy. Wzmocniona izolacja tego ostatniego modelu chroni przed porażeniem prądem elektrycznym i izoluje użytkownika końcowego od niebezpiecznych napięć wejściowych. Ilustracja 4 przedstawia kluczowe cechy obu modeli.

Ilustracja 4. Wydłużony transformator komunikacji liniami zasilającymi (PLC) PFB45-SP13150S posiada solidniejsze funkcje bezpieczeństwa w porównaniu z transformatorem PFBR45-ST13150S. (Źródło ilustracji: Bourns)

Dobór ochronnika GMOV: podczas dobierania odpowiedniego ochronnika należy wziąć pod uwagę rodzaje udarów mocy i stanów nieustalonych napięcia, jakie mogą występować w systemie. Na przykład firma Bourns oferuje ochronniki GMOV 14mm, takie jak GMOV-14D301K chroniące przed prądami udarowymi 6kA, a także warianty 20mm, takie jak GMOV-20D151K które chronią przed prądami udarowymi 10kA. Warto zauważyć, że zarówno warianty 14, jak i 20mm są kompatybilne ze standardowymi warystorami metalowo-tlenkowymi (MOV) pod względem rozmiarów i zajmowanej powierzchni. Ilustracja 5 przedstawia pełną listę dostępnych konfiguracji tych urządzeń.

Ilustracja 5: ochronniki GMOV są dostępne w wariantach 14 i 20mm, przy czym te ostatnie chronią przed wyższymi prądami udarowymi. (Źródło ilustracji: Bourns)

Ważne jest również, aby pamiętać o pojemności i prądzie upływu. Wysoka pojemność może utrudniać transmisję danych w komunikacji liniami zasilającymi (PLC). Niska pojemność poniżej 2pF w ochronniku GMOV firmy Bourns minimalizuje zniekształcenia sygnału, co oznacza, że nie wpływa znacząco na transmisję danych liniami zasilającymi.

Ochronniki GMOV firmy Bourns charakteryzują się również prądem upływu poniżej 1µA. Upływ może wydawać się nieistotny, jednak w zastosowaniach w skali całego miasta zyskuje znaczenie. Na przykład zastosowanie do oświetlenia ulicznego o prądzie upływu 10µA, po pomnożeniu przez milion, czyli liczbę lamp ulicznych w typowym obszarze miejskim, straty energii spowodowane upływem stają się znaczne.

Podsumowanie

Pojawienie się inteligentnej infrastruktury energetycznej, charakteryzującej się sieciami inteligentnymi, licznikami inteligentnymi oraz ulicznym oświetleniem inteligentnym, wysunęło na pierwszy plan zapotrzebowanie na niezawodne, ekonomiczne i wydajne systemy komunikacji. Komunikacja liniami zasilającymi (PLC) jest odpowiednią opcją, szczególnie w połączeniu z wyspecjalizowanymi transformatorami komunikacji liniami zasilającymi (PLC) i ochronnikami GMOV, zapewniającą jakość sygnału i niezawodność oraz chroniącą przed stanami nieustalonymi i udarami, przy jednoczesnej minimalizacji prądu upływu.