Подробное объяснение принципов работы измерителей параметров ЛЭП (PLC): Интеллект, заставляющий провода "говорить"

Проще говоря, основной принцип работы PLC-счетчиков заключается в использовании существующих линий электропередач в качестве канала связи, накладывая высокочастотные сигналы данных при передаче электроэнергии с частотой 50 Гц. Это позволяет автоматически собирать и дистанционно передавать информацию об использовании электроэнергии без необходимости прокладки дополнительных линий связи.

I. Основная концепция: Провод двойного назначения

Традиционные счетчики измеряют только расход электроэнергии и требуют ручного считывания. Счетчики PLC, напротив, выходят за рамки учета, добавляя коммуникационный модуль, который может как отправлять, так и принимать данные по линиям электропередачи, обеспечивая "провод двойного назначения" - как для передачи электроэнергии, так и для передачи данных.

(Линия электропередачи)

II. Конфигурация системы

Типичная система считывания показаний счетчиков с ПЛК состоит из трех основных компонентов:

1. Счетчик ПЛК (терминал): Устанавливается на стороне пользователя. Он служит одновременно счетчиком электроэнергии и терминальным узлом в коммуникационной сети. Он собирает данные об использовании электроэнергии и передает их по линиям электропередачи. 2. Сеть ЛЭП (канал связи): Это все низковольтные распределительные линии (220В/380В) между подстанцией и счетчиком пользователя. Это физическая среда для передачи данных.

3. Концентратор (точка агрегации данных): Обычно устанавливается рядом с бытовым трансформатором (в районе подстанции). Он собирает данные со всех счетчиков-носителей в зоне подстанции, а затем передает их в центр обработки данных энергокомпании по восходящим каналам связи, таким как 4G и оптоволокно.

III. Принцип работы, шаг за шагом

Технический процесс передачи данных по ЛЭП можно кратко описать как "модуляция-передача-демодуляция".

Шаг 1: модуляция данных - "перенос цифрового сигнала на высокочастотную несущую".

Внутренний микропроцессор счетчика преобразует передаваемые данные о потреблении электроэнергии (такие как потребление электроэнергии, напряжение и ток) в цифровой сигнал (последовательность 0 и 1).

Этот необработанный цифровой сигнал не может быть передан напрямую на большие расстояния по зашумленным линиям электропередачи. Поэтому в качестве "несущей" требуется высокочастотный синусоидальный сигнал (так называемая поднесущая, обычно с частотой от десятков до сотен кГц). Модулятор изменяет определенные характеристики несущей (например, амплитуду, частоту или фазу) в зависимости от изменений цифрового сигнала (0 и 1). Этот процесс называется модуляцией. К распространенным методам модуляции относятся FSK (частотно-сдвиговая модуляция), PSK (фазово-сдвиговая модуляция) и OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением).

Результирующий сигнал - это высокочастотный сигнал, который представляет собой исходные данные. Например, в FSK 120 кГц могут представлять "1", а 132 кГц - "0".

Шаг 2: объединение сигналов - "подача высокочастотного сигнала в линию электропередачи".

Модулированный высокочастотный сигнал очень слаб и требует усиления мощности.

Усиленный высокочастотный сигнал затем безопасно подается в линию электропередачи 50 Гц через компонент, называемый схемой связи. Основными функциями схемы связи являются:

 Обеспечение беспрепятственного прохождения высокочастотного сигнала в линию электропередачи.

 Блокировка сильного тока 50 Гц, предотвращающая его попадание в модуль связи и причинение вреда.

В этот момент по линии электропередачи одновременно протекает сильный низкочастотный ток 50 Гц и слабый высокочастотный сигнал в десятки кГц. Эти сигналы распространяются по проводу, не мешая друг другу.

Этап 3: Передача сигнала - "путешествие по шумному каналу"

Это самая сложная часть технологии ПЛК. Низковольтные линии электропередачи не являются идеальным средством связи; их окружающая среда чрезвычайно сурова:

 Сильные шумовые помехи: Запуск и остановка бытовых приборов (таких как стиральные машины, зарядные устройства и инверторные кондиционеры) создают значительные импульсные помехи и фоновый шум.

 Сильное затухание: Чем больше расстояние передачи сигнала, тем больше затухание. Разветвления и изменения нагрузки на линии также могут вызвать несоответствие импеданса, что приводит к отражению и затуханию сигнала.

 Временные колебания: Нагрузка на сеть постоянно колеблется, и характеристики канала также динамически меняются.

Чтобы преодолеть эти трудности, современные счетчики PLC используют передовые технологии защиты от помех, такие как OFDM (которая разделяет высокоскоростной поток данных на несколько низкоскоростных подпотоков для параллельной передачи, эффективно борясь с частотно-селективным затуханием) и мощное кодирование с коррекцией ошибок для обеспечения надежности данных.

Шаг 4: Прием и демодуляция сигнала - "Восстановление данных из высокочастотных сигналов"

Концентратор постоянно контролирует сигнал линии электропередачи. С помощью схемы сопряжения он отфильтровывает из сложного сигнала ЛЭП составляющую с частотой 50 Гц и извлекает высокочастотный несущий сигнал. Полученный сигнал очень слабый и зашумленный, поэтому требуется его усиление и фильтрация.

Далее демодулятор выполняет обратный процесс модуляции. Он обнаруживает изменения в характеристиках высокочастотной несущей (таких как частота и фаза), чтобы восстановить исходные цифровые сигналы "0" и "1".

Наконец, концентратор декодирует эти цифровые сигналы, в результате чего счетчик загружает данные об использовании электроэнергии.

IV. Технические преимущества и недостатки

Преимущества:

Не требуется прокладка дополнительных проводов: Самым большим преимуществом является использование существующей электросети, что приводит к низкой стоимости строительства и быстрому развертыванию.

Широкий охват: Теоретически связь возможна везде, где есть электричество.

Недостатки:

Жесткие условия эксплуатации канала: Восприимчивость к помехам, что приводит к относительно низкому качеству и стабильности связи.

Сложность связи через трансформаторы: высокочастотные сигналы с трудом проходят через трансформаторы, поэтому обычно требуется концентратор на каждый трансформатор.

Относительно низкая скорость передачи данных: По сравнению с беспроводной связью, скорость передачи данных ограничена.

Резюме: Принцип работы счетчиков несущей линии электропередачи - это, по сути, классическое применение методов модуляции и демодуляции в коммуникационных технологиях к энергетическому сектору. Они ловко "накладывают" сигналы данных на линии электропередачи, обеспечивая недорогую и широкомасштабную передачу данных. Несмотря на проблему помех в канале, с развитием современных коммуникационных технологий, таких как OFDM, стабильность и надежность передачи данных значительно повысились, что делает ее по-прежнему экономически эффективным и практичным коммуникационным решением при строительстве интеллектуальных сетей, особенно в густонаселенных районах, таких как жилые кварталы.