انتقال اطلاعات از طریق سیم برق

PLC چیست ؟
فناوری PowerLine Communications یا اصطلاحاً PLC به کلیه ارتباطاتی که از طریق خطوط انتقال نیرو – برق صورت پذیرد اطلاق می گردد . صورت دیگر این فناوری را که در سطح ایجاد زیرساخت باند پهن مورد استفاده قرار می گیرد

مقدمه
یکی از مهمترین ویژگی های استفاده از سیستم PLC، عدم نیاز به ایجاد شبکه جدید برای تبادل اطلاعات و استفاده از شبکه الکتریکی موجود می باشد. این تکنولوژی به خاطر برخورداری از مزایایی همچون عدم اتلاف هزینه و زمان برای ساخت کانال مخابراتی جدید، می تواند انتخابی مناسب در بازار سرویس های با پهنای باند وسیع باشد. از طرفی با توجه به اینکه بخش بزرگی از یک شبکه الکتریکی را قسمت فشار ضعیف تشکیل می دهد، این فناوری یکی از بهترین روش ها از لحاظ پوشش جغرافیایی می باشد.
در این فصل با توجه به مطالب فصل یک، ابتدا به ذکر برخی از پارامترهایی که می¬تواند معیارهایی برای بررسی مزایا و معایب یک سیستم مخابراتی باشد، پرداخته شده و سپس بر اساس آنها مزایای و معایب مهم سیستم PLC ذکر می شود. در ادامه نیز کاربردهای متنوع فناوری PLC‌ در سطوح مختلف شبکه برق بیان می گردد.
بررسی مزایا و معایب سیستم مخابراتی PLC
برای بررسی محیط‌های مخابراتی سیستم اتوماسیون توزیع، پارامترهای متعددی درنظر گرفته می‌شود که هر یک از لحاظ فنی، اقتصادی، کاربردی و مدیریتی حائز اهمیت می ‌باشند. این معیارها عبارتند از:
مستقل بودن از شبکه و تغییرات آن
عدم تأثیرپذیری از شرائط جغرافیائی
نرخ خطا در ارسال داده‌ها
سرعت کانال در ارسال داده‌ها
قابلیت ارتباط با فواصل دور
امکانات توسعه با توجه به گسترش شبکه MV
هزینه‌های نصب اولیه
هزینه‌های بهره برداری و نگهداری
هزینه های توسعه
مدیریت و کنترل مستقل
محدودیتهای اعمال شده از طرف سایر سازمانها
سهولت تعمیر و نگهداری
ایمنی اطلاعات

مزایای سیستم PLC
مزایای سیستم PLC‌ به عنوان یک روش ارسال اطلاعات در شبکه برق با توجه به معیارهای ذکر شده در بند قبل شامل موارد زیر می باشد[۱].
به دلیل استفاده از خطوط برق، نیاز به نصب مسیر ارتباطی نبوده که این به معنای عدم اتلاف هزینه و زمان برای ساخت کانال ارتباطی جدید می باشد.
سیستم PLC از جمله محیط‌های مخابراتی در صنعت برق می‌باشد که کاملاً مستقل بوده و مدیریت و کنترل آن در دست شرکتهای برق می‌باشد.
محیط مخابراتی PLC از نوع کابلی یا سیم هوایی بوده و در صورت بروز خطا محل آن براحتی قابل ردیابی و شناسایی است.
دسترسی به هر نقطه شبکه توزیع در هر زمان میسر بوده و شبکه مخابراتی به موازات آن قابل گسترش است. بنابراین توسعه شبکه PLC دارای پیچیدگی نمی باشد.
سیستم PLC سرعت قابل قبولی در بخش ولتاژ ضعیف و سیستم خانگی دارد (با توجه به انتخاب پهنای باند زیاد در این سطوح). در کاربردهایی که از PLC در بخش ولتاژ ضعیف استفاده می شود، با توجه به اینکه فواصل ارسال سیگنال کم می باشد، می توان به سرعت بالایی برای تبادل اطلاعات دست یافت.
هزینه تعمیر و نگهداری PLC نسبتاً پایین بوده، به گونه ای که معمولاً پس از نصب آنها نیازی به سرویس های دوره ای خاصی نمی باشد.

معایب سیستم PLC
با وجود مزیت های ذکر شده برای سیستم PLC‌، این روش دارای معایبی است که می تواند باعث محدود کردن کاربرد این فناوری شود. بر اساس بخش¬های قبلی، که در آنها مشکلات مهم این سیستم توضیح داده شد، برخی از مهمترین معایب استفاده از این روش شامل موارد زیر می باشد[۲]:
تغییرات امپدانس
تضعیف زیاد در مسیر ارتباطی و ایجاد امواج ساکن در طول مسیر
وجود نویز ایمپالس تصادفی و یکنواخت
تداخل از منابع خارجی مجاور خطوط فشارقوی
وجود کلیدهای مجزا کننده
تعداد شاخه‌های زیاد
سرعت کم انتقال اطلاعات در سطح ولتاژ متوسط (با توجه به انتخاب پهنای باند کم در آن سطح)
هزینه بالای مبدل و مودم های PLC
کاربردهای مختلف سیستم PLC
با توجه به توضیحاتی که در مورد مسائل فنی، اجزای تشکیل دهنده، مزایا و معایب  سیستم PLC در بخش¬های قبلی ارائه شد، در این بخش کاربردهای مختلف این سیستم در سطوح مختلف شبکه برق بیان می¬شود[۳].

کنترل تجهیزات خانگی
در این روش کانال مخابراتی PLC ، همان سیم کشی برق داخل خانه است. این تکنیک در اتوماسیون سیستم های خانگی به منظور کنترل از راه دور لوازم منزل و نیز روشنایی بدون نیاز به نصب هیچگونه سیم های کنترلی اضافی به کار می رود.
به طور کلی این دستگاه ها با یک موج حامل با فرکانسی بین ۲۰ تا ۲۰۰  کیلوهرتز کار می¬کنند، موج حامل به وسیله سیگنال های دیجیتال مدوله می شود. هر گیرنده در این سیستم یک آدرس دارد که می توان به وسیله سیگنال¬های منتقل شده روی سیم کشی خانه به طور مشخص به آن فرمان داد و در گیرنده این سیگنال ها را کد گشایی  کرد. از آن جا که سیگنال حامل ممکن است برای خانه-های مجاور و یا آپارتمانهایی با یک سیستم توزیع مشابه استفاده شود، نقشه های کنترلی آن¬ها یک آدرس خانه نیز خواهند داشت.
شبکه سازی خانگی
کاربرد دیگر تکنولوژی ارتباطات از طریق خطوط برق، استفاده از آن برای وصل کردن کامپیوترهای خانگی و دستگاه‌های جانبی است. در حال حاضر هیچ استاندارد جهانی برای ارتباطات از طریق خطوط برق وجود ندارد. با این حال استاندارد¬هایی  برای شبکه‌ کردن لوازم خانگی، بوسیله تعدادی از شرکت‌ها و کارخانجات در این زمینه گسترش یافته است و تحقیقات بر روی این زمینه همچنان ادامه دارد[۴].

دسترسی به اینترنت
همان طور که قبلاً گفته شد، کاربرد تکنولوژی PLC، اینترنت پر سرعت از طریق خطوط برق(BPL ) می¬باشد که دسترسی به اینترنت با پهنای باند وسیع روی خطوط معمولی برق را مهیا می¬کند. کاربر لازم است تنها یک کامپیوتر و یا هر وسیله دیگری که یک مودم BPL دارد را در پریز برق وارد کند تا اینترنت پر سرعت بدست آورد.
BPL مزایای زیادی نسبت به ارتباط از طریق کابل معمولی یا DSL دارد. زیرساخت گسترش یافته موجود اجازه دسترسی به اینترنت به مردم در جاهای بیشتری می‌دهد با این وجود گوناگونی در مشخصه فیزیکی شبکه الکتریکی و نبود استاندارد IEEE  نمایانگر این است که از مهیا شدن تکنولوژی تا استاندارد و فراگیر شدن آن فاصله زیادی وجود دارد و مقدار پهنای باندی که یک سیستم BPL در مقایسه با ارتباط از طریق کابل و ارتباط بی سیم می‌تواند مهیا کند مورد سؤال است. انتقال سریع اطلاعات نیازمند سیگنال¬هائی با فرکانس بالا و پهنای باند وسیع است. مودم¬های PLC اطلاعات  را در محدوده  فرکانس های متوسط و بالا (۶/۱ تا ۳۰ مگاهرتز ) انتقال می دهند، به طور کلی سرعت این مودم ها از ۲۵۶ کیلوبایت بر ثانیه تا ۷/۲ مگابایت بر ثانیه متغیر است. توسط تکرار کننده واقع در اتاق اندازه گیری این سرعت تا بالای ۴۵ مگابایت بر ثانیه می رسد و می تواند به ۲۵۶ مودم PLC متصل شود. در ایستگاه¬های ولتاژ متوسط سرعت اینترنت تا ۱۳۵ مگابایت بر ثانیه افزایش می یابد (اخیراً سرعت ۲۰۰ مگابایت بر ثانیه نیز ایجاد شده است). برای اتصال به اینترنت می توان از ارتباطات بی سیم و یا مسیر (شبکه) های فیبر نوری استفاده کرد.
البته این سیستم مشکلاتی نیز دارد. مشکل اصلی این است که خطوط برق ذاتاً محیطی بسیار نویزدار است. هر زمان که وسیله‌ای روشن یا خاموش شود، سیگنال ضربه‌ای در خطوط برق القا می‌شود. این وسایل نویزهای هارمونیک‌داری را در خطوط برق القا می‌کنند و در نتیجه سیستم باید طوری طراحی شود که با این مشکل واقعی کنار بیاید و بتواند در این محیط کار کند.  پهنای باند وسیع روی خطوط برق در اروپا نسبت به آمریکا با سرعت بیشتری گسترش یافته است  و پیاده سازی این تکنولوژی در اروپا با موفقیت به انجام رسیده است چون ولتاژ اصلی ترانسفورماتور-ها برای مناطق مسکونی در آنجا بین ۲۲۰ تا ۳۰۰ ولت می باشد. از آنجا که ترانسفورماتور¬های ۱۱۰ ولت در آمریکای شمالی به کار گرفته شده اند، در نتیجه استفاده از تکنولوژی پهنای باند روی خطوط قدرت به شکل کندتر و تنها برای تعداد معدودی از مصرف کنندگان در حال شکل گیری است.
تقریباً همه شبکه‌های بزرگ قدرت، برق را در ولتاژ بالا منتقل می‌کنند تا اتلاف توان انتقالی کم شود سپس نزدیک مصرف‌کننده از ترانسفورماتورهای کاهنده استفاده می‌کنند. از آنجایی که سیگنال‌های BPL نمی‌تواند به آسانی از ترانسفورماتور رد شود (به دلیل ماهیت سلفی و ایجاد فیلتر پائین گذر در برابر سیگنال)، مؤلفه‌های فرکانس بالای آن حذف می‌شود و جبران‌کننده  یا تکرار کننده در ترانسفورماتورها مورد نیاز است. تفاوت سیستم های برق‌رسانی، در آمریکای شمالی و اروپا در به کارگیری موثر BPL است. در آمریکای شمالی تعداد کمی از مشترکین به یک ترانسفورماتور توزیع متصل شده اند در حالی که در اروپا ممکن است  ده ها تا صد¬ها خانه به یک ایستگاه جزء متصل شده باشند . از آنجا که سیگنال های BPL از طریق ترانسفورماتور¬های توزیع قابل انتشار نیستند به تکرار کننده های بیشتری در آمریکای شمالی نیاز است. از طرفی چون تعداد خانه‌های کمتری از یک خط استفاده می‌کنند و پهنای باند ثابت است سرعت وصل شدن خانه‌ها به اینترنت در آمریکا نسبت به اروپا بیشتر است.
مشکل عمده دیگر قدرت سیگنال و فرکانس عملیاتی آن است. معمولاً سیستم از فرکانس ۱۰ تا ۳۰ مگاهرتز استفاده می‌کند که بوسیله اپراتورهای رادیویی، فرستنده‌های موج کوتاه بین‌المللی و بسیاری از سیستم‌های ارتباطی (مانند نظامی، هوایی و …) استفاده می‌شود. از آنجا که خطوط قدرت بدون محافظ الکتریکی می باشند می توانند باعث انتشار امواج و در نتیجه تداخل با سایر سیگنال های بی سیم در اتمسفر ( سیگنال های رادیویی پلیس و آمبولانس ها) شود. این مساله در صورت نزدیک بودن آنتن های مخابراتی به خطوط قدرت  شدت می یابد. در شکل (۲-۱)، نحوه ایجاد تداخل توسط خطوط قدرت نشان داده شده است.

نحوه ایجاد تداخل توسط خطوط قدرت

سیستم‌های BPL جدید از مدلاسیون OFDM استفاده می‌کنند که با حذف کردن فرکانس‌هایی مشخص، موجب می‌شود کمتر با سرویس‌های رادیویی تداخل کنند.
پخش برنامه‌های رادیویی
گاهی PLC برای انتقال برنامه‌های رادیو بوسیله خطوط برق یا تلفن بکار می‌رود. این کاربرد در آلمان و سوئیس آزمایش شده است. در این موارد برنامه‌های رادیو بوسیله ترانسفورماتورهای مخصوصی روی خطوط برق سوار می‌شوند و برای جلوگیری از تداخل‌های غیرقابل کنترل، فیلترهایی برای فرکانس‌های حامل سیستم‌های دارای PLC در ایستگاه‌های توزیع نصب شده ‌اند.

تلفن
با فراهم شدن سرویس¬های تلفن از طریق VOIP (پروتکل H.323 و SP)، موقعیت PLC به عنوان شبکه ارتباطی جایگزین برای مکمل کردن شبکه دسترسی اپراتورهای ارتباطی، پررنگ¬تر شده است.
تکنولوژی VOIP در حال رسیدن به کیفیت سرویس¬های سنتی سوئیچ تلفن می‌باشد. انتظار می¬رود که VOIP جایگزین سرویس¬های معمول تلفن گردد. و هم اکنون نیز در اروپا و امریکا بعضی از اپراتورها سرویس¬های تجاری VOIP ارائه می دهند و مقبولیت خوبی نیز بین مشترکین پیدا کرده است.
یکی از فواید PLC این است که برای تماس های تلفنی بین مصرف کننده های نهایی که در شبکه محلی توزیع یکسانی قرار گرفته اند نیاز به سوئیچ به اپراتورهای شبکه ارتباطی PSTN نمی باشد.
به طور مشابه برای اینکه از خطوط تلفن موجود بتوان استفاده هایی به جز کاربرد عادی تلفن (POTS ) داشت، باید به نوعی از تداخل سیگنال های متفاوت ارسالی در خط تلفن جلوگیری شود. بدین منظور از روش FDM  استفاده می شود (همانند PLC خطوط قدرت). در این روش برای هر کاربرد یک فرکانس مشخص در نظر گرفته می شود. در شکل (۲-۲) این مطلب برای سه کاربرد POTS، xDSL (برای دسترسی به اینترنت) و شبکه کردن تجهیزات خانگی (شکل ۲-۳) و اداری نشان داده شده است.

نحوه تخصیص فرکانس برای کاربردهای همزمان از خط تلفن

نمونه ای از شبکه شدن تجهیزات اداری و خانگی

کاربردهای دیگر PLC
علاوه بر موارد ذکر شده این فناوری کاربردهای دیگری نیز دارد که در ادامه بصورت فهرست ¬وار بیان شده¬اند:

اندازه گیری خودکار :
تعریف چند تعرفه برای مصرف برق، اندازه گیری توان راکتیو مصرفی، شناسایی دقیق مدل مصرف و امکان پیاده سازی فرایندهای مدیریت مصرف و مدیریت بار، تشخیص سوء استفاده از برق (برق دزدی) از جمله کاربردهای آن می باشد[۵].
مدیریت تقاضا :
امروزه با به وجود آمدن بازارهای رقابتی برق، لزوم مشارکت مصرف کننده در بازار برق (از قبیل کنترل مصرف، مدیریت مصرف یا DSM ، اندازه گیری مصرف به صورت Real Time برای اهدافی مانند پیش بینی بار و … ) احساس شده است. لازمه مشارکت مصرف کننده در این بازار وجود تجهیزات مخابراتی موثر بین مصرف کننده های صنعتی، تجاری و حتی مسکونی در شبکه های توزیع برق است. PLC یکی از گزینه های موجود است که امکان پیاده سازی آن نسبتا ساده است و دلیل این امر آن است که حداقل یکی از اجزای آن (هادیهای الکتریکی) بدون نیاز به نصب مجدد، از قبل در دسترس است.
پیش¬بینی و مدیریت بار
کنترل از راه دور ایستگاه¬های مبدل¬های توزیع
تحلیل اضافه بار  مبدل¬های توزیع
سنجش از راه دور (پارامترهای الکتریکی مختلفی همچون؛ ولتاژ، جریان، توان و …)
برطرف کردن عدم تعادل فازهای شبکه با فرمان مستقیم به کلیدهای مربوطه
تشخیص خرابی¬ها و مشکلات شبکه از راه دور
مشخص سازی علت خرابی
تشخیص سرقت دسترسی¬های غیر مجاز به شبکه
ارائه صورت حساب واقعی (نه تخمینی) از مصرف برق مشترکان: با توجه به این که در یک سیستم اتوماسیون اطلاعات مصرف مشترکین به صورت Real Time به شرکت های برق منتقل می شود، صورت حساب مصرف انرژی آنها به صورت دقیق خواهد بود که علت آن متفاوت بودن قیمت برق مصرفی در ساعات مختلف روز است.
تعرفه انعطاف پذیر و متغیر
در شکل زیر برخی از کاربردها و مزایای سیستم PLC‌ نشان داده شده است. از جمله این کاربردها می توان به ارائه انواع سرویس ها مانند آموزش از طریق اینترنت و تلویزیون های کابلی اشاره کرد. برخی از مزایایی که در شکل مشخص شده اند شامل دسترسی آسان به اینترنت بدون نیاز به سیم کشی جدید، اتصال مناطق دور افتاده به شبکه اینترنت و استفاده از وسعت شبکه برق به منظور ایجاد یک شبکه مخابراتی وسیع می باشد…..