Prąd, gaz i woda + transmisja danych. Czyli wszystko o sieciach komunikacyjnych w instalacjach dostawców mediów użytkowych

Na niezawodność, bezpieczeństwo oraz koszt wdrożenia systemu łączności duży wpływ ma zastosowane medium transmisyjne. W przypadku sieci kablowych wybierać można między światłowodami, okablowaniem miedzianym oraz liniami energetycznymi. W łączności bezprzewodowej korzysta się z kolei m.in. z sieci komórkowych lub radiomodemów. W artykule przedstawiamy charakterystykę, wady, zalety oraz przykłady zastosowań tych mediów.

CZĘŚĆ 1 - SIECI KABLOWE

ŚWIATŁOWODY POZWALAJĄ NA BUDOWĘ ROZLEGŁYCH SIECI

W światłowodach dane są transmitowane w postaci impulsów świetlnych, co w porównaniu z kablami miedzianymi ma wiele zalet - przede wszystkim dużą przepustowość. Ponadto występują w nich małe straty mocy przesyłanego sygnału, dzięki czemu można je wykorzystać do budowy rozległych sieci.

Światłowody są odporne na zaburzenia elektromagnetyczne pochodzące z otoczenia, same ich też nie emitują. Brak sygnałów elektrycznych sprawia, że można ich używać w miejscach zagrożonych wybuchem lub pożarem. Zapewniają także izolację galwaniczną między węzłami sieci. Kable światłowodowe są ponadto odporne na trudne warunki otoczenia (temperaturę, wilgotność) oraz lekkie.

Praktycznie niemożliwe jest też podłączenie się do takiego łącza z zewnątrz, dzięki czemu gwarantowane jest bezpieczeństwo i poufność transmisji. Wadą tego medium jest cena. Światłowody używane są m.in. na etapie produkcji energii elektrycznej. Przykładem są farmy wiatrowe. W instalacjach tych zapewnić należy komunikację między urządzeniami w gondoli turbiny zamontowanej na szczycie wieży a skrzynką kontrolną u jej podnóża.

Tą drogą przesyłane są wyniki pomiarów z czujników temperatury, wibracji, prędkości i kierunku wiatru oraz kąta nachylenia gondoli i łopatek wirnika. Z powrotem transmitowane są sygnały sterujące m.in. mechanizmami regulującymi ustawienie gondoli i łopatek. Skrzynki kolejnych wież łączy się zwykle z jedną z nich, która zbiorczo przesyła takie dane z i do centrum sterowania.

ŚWIATŁOWODY W ENERGETYCE

Fot. 1. Światłowody są popularnym medium transmisyjnym w przypadku elektrowni wiatrowych - na zdjęciu farma wiatrowa Lipniki

Realizacja takiej sieci jak wymieniona nie jest prosta. Elektrownie wiatrowe składają się z od kilkunastu do kilkudziesięciu wież o wysokości nawet 100 metrów rozmieszczonych w znacznych odległościach od siebie. Na przykład farma wiatrowa Lipniki w województwie opolskim należąca do Tauronu - ma piętnaście wież o wysokości ponad 80 m (fot. 1).

Ponadto instalacje takie często budowane są na wzniesieniach lub na morzu. Z tych powodów segmenty sieci mają znaczne długości. Wieże wiatrowe są zwykle stawiane na terenach rolniczych, gdzie są najwyższymi obiektami w okolicy. Dlatego są narażone na częste, także bezpośrednie wyładowania atmosferyczne.

Izolacja galwaniczna urządzeń w sieci pozwala w takim wypadku uniknąć ich uszkodzenia w wyniku przepięć. Ograniczona przestrzeń sprawia ponadto, że kable sygnałowe są w wieży prowadzone obok tych z zasilaniem. Źródłem zaburzeń elektromagnetycznych są również elementy turbiny, przede wszystkim generator oraz silniki.

Okablowanie, które jest gęsto prowadzone na małej powierzchni gondoli, nie powinno jej zbytnio obciążać. Ze względu na utrudniony dostęp, zwłaszcza w wypadku elektrowni morskich, ważne jest również, by sieć nie wymagała częstej konserwacji i działała bezawaryjnie.

TECHNOLOGIE POWER LINE COMMUNICATION

Terminem PLC (Power Line Communication) określa się zbiór technologii transmisji, w których jako medium wykorzystywane są linie sieci energetycznej. Dane są w tym wypadku przesyłane zmodulowanym sygnałem nośnej równocześnie z napięciem zasilającym. Często jako metodę modulacji stosuje się OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Polega ona na podziale danych na kilka strumieni, które są transmitowane równocześnie, ale oddzielnie, tzn. z wykorzystaniem wielu nośnych. Do modulacji tych ostatnich stosuje się m.in. technikę PSK. Sieci PLC dzieli się na wąskopasmowe oraz szerokopasmowe.

Częstotliwość sygnałów informacyjnych w wypadku tych drugich zawiera się w przedziale od 1,8 MHz do 250 MHz, a dane mogą być transmitowane z szybkością do kilkuset Mb/s, niestety wyłącznie na krótkich odległościach. W sieciach wąskopasmowych wykorzystywane są sygnały o częstotliwości z zakresu od 3 kHz do 500 kHz.

Maksymalna prędkość transmisji to kilkaset kb/s, ale dane za ich pośrednictwem można przesyłać na duże odległości, rzędu kilku kilometrów. Technologia PLC, zwłaszcza sieci wąskopasmowe, ma wiele zalet istotnych z punktu widzenia dostawców mediów użytkowych. Niestety ma także wady wpływające na jakość transmisji.

ZALETY I WADY PLC

Największą zaletą technologii PLC jest możliwość skorzystania z już istniejącej infrastruktury sieciowej, dzięki czemu nie trzeba ponosić kosztów związanych z zakupem, instalacją, a później konserwacją dodatkowego okablowania. W przypadku dostawców energii elektrycznej będących właścicielami linii transmisyjnych ważny jest również brak opłat za korzystanie z tego medium.

Bez problemu można też uzyskać duży zasięg sieci PLC. Linie energetyczne są bowiem prowadzone nawet na terenach słabo zagospodarowanych, na przykład wiejskich, gdzie nieopłacalne lub niemożliwe jest skorzystanie z innego medium kablowego.

Na jakość transmisji w sieciach PLC największy wpływ ma to, że linie energetyczne, których podstawowym zastosowaniem jest jednokierunkowy przesył energii elektrycznej, nie są przystosowane do transmisji danych. Z tego powodu właściwości przewodów, urządzeń sieciowych (na przykład transformatorów) oraz tych zasilanych z sieci energetycznej są przyczyną szumów, tłumienia oraz odbić sygnału informacyjnego.

Przykładowo te ostatnie są powodowane przez zmianę impedancji obciążenia sieci w wyniku załączania / odłączania odbiorników energii elektrycznej. Z kolei jednym z głównych źródeł szumów są takie urządzenia jak zasilacze, prostowniki oraz silniki.

Brak ekranowania linii energetycznych oraz możliwość podłączenia się do tego medium z zewnątrz wpływają natomiast na bezpieczeństwo oraz poufność przesyłanych informacji. To ostatnie sprawia, że w sieciach PLC wymagane jest szyfrowanie danych.