Fakulta informatiky a statistiky Katedra informačních technologií
Studijní program: Aplikovaná informatika Obor: Informační systémy a technologie
Diplomant: Bc. David Páter
Vedoucí diplomové práce: prof. Ing. Jaroslav Jandoš, CSc.
Recenzent: Ing. Milan Čech
TÉMA DIPLOMOVÉ PRÁCE
PLC – datové p ř enosy v elektrorozvodné síti
Školní rok 2006/2007
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval samostatně a že jsem uvedl všechny použité prameny a literaturu, ze kterých jsem čerpal.
V Praze dne 10. srpna 2007.
…….……….
Podpis
Abstrakt
Cílem této diplomové práce je seznámit čtenáře s konceptem datových přenosů v elektrorozvodné síti – PLC (Powerline Communication), provést analýzu současného stavu v PLC oblasti ve světě a v České republice, vyzkoušet možnosti PLC v praxi, identifikovat přednosti a omezení PLC a srovnat PLC s konkurenčními komunikačními technologiemi v České republice.
Za účelem dosažení stanovených cílů je diplomová práce členěna na dvě hlavní části – teoretickou a praktickou. Teoretická část je založena především na analýze dostupných zahraničních a českých informačních zdrojů, týkajících se oblasti PLC, a na následném zpracování takto získaných poznatků. Praktická část diplomové práce pak spočívá v řešení případové studie z českého podnikatelského prostředí.
Mezi hlavní přínosy této diplomové práce patří provedená analýza, která přináší ucelený a přehledný soubor informací a poznatků o oblasti PLC, které jsou jinak obsaženy roztříštěně a nestrukturovaně v mnoha desítkách informačních zdrojů. Analýza nejenže odráží aktuální stav oblasti PLC ve světě i v České republice, ale rovněž identifikuje budoucí trendy využití těchto technologií. Dalším přínosem je pak praktické ověření možností PLC v rámci případové studie, změření efektivních přenosových rychlostí a výběr vhodné technologie pro místní síť dané firmy. Přínosem pro všechny uživatele, kteří uvažují o možném využití PLC, je rovněž pojmenování hlavních předností a omezení PLC a provedené srovnání PLC s konkurenčními technologiemi v České republice zahrnující též nákladové srovnání.
Abstract
The objective of this thesis is to introduce the concept of data transfer over powerline network – PLC (Powerline Communication), to analyze the current situation in the PLC field worldwide and in the Czech Republic, to test the PLC possibilities in praxis, to identify the advantages and constraints of the PLC and to compare PLC to the competitive communication technologies in the Czech Republic.
In order to reach the defined objective, the thesis is divided into two major parts – theoretical and practical. The theoretical part is based mainly on the analysis of available foreign and Czech sources of information concerning the PLC field, and on the following processing of the gained knowledge. The practical part of the thesis consists in the study case from the Czech corporate sector.
The main contribution of this thesis lies in the performed analysis that brings coherent and clearly organized set of information on the PLC field, which is contained in dozens of sources of information. The analysis not only reflects the current state of the PLC field worldwide and in the Czech Republic, but identifies the future trends as well. The next contribution of this thesis lies in the practical verification of the PLC possibilities within the case study, in the measurement of the effective transfer rates, and in the selection of suitable technology for the corporate local area network. All potential users, who think about utilizing PLC, will certainly appreciate the list of advantages and constraints, as well as the performed comparison of PLC and competitive communication technologies in the Czech Republic, including the cost comparison.
Obsah
1 Úvod ... 7
2 Koncept PLC... 9
2.1 Základní pojmy... 9
2.2 Historie ... 10
3 Klasifikace PLC technologií a přístupů... 13
3.1 Možnosti klasifikace PLC technologií... 13
3.2 Access PLC... 14
3.2.1 Obecná charakteristika ... 14
3.2.2 Technické řešení... 16
3.3 In-Home PLC ... 22
3.3.1 Obecná charakteristika ... 22
3.3.2 Místní počítačové sítě (LAN)... 23
3.3.3 Digitální domácnost ... 26
3.3.4 Technické prostředky In-Home PLC sítí... 27
3.4 Control PLC... 32
4 Komplexní PLC řešení ... 36
5 Technologický pohled na fungování PLC ... 38
6 Standardizace PLC... 40
6.1 Úvod do standardizace PLC ... 40
6.2 Existující PLC specifikace... 41
6.2.1 HomePlug Powerline Alliance ... 41
6.2.2 CEPCA ... 42
6.2.3 OPERA Consortium ... 42
6.2.4 UPA... 44
6.3 Standardizační projekty PLC ... 45
6.3.1 IEEE ... 45
6.3.2 ETSI a CENELEC... 46
7 PLC a elektromagnetická kompatibilita (EMC) ... 47
8 Access PLC ve světě a v České republice – analýza současného stavu... 49
8.1 Access PLC ve světě... 49
8.1.1 Evropa ... 49
8.1.2 USA... 50
8.1.3 Ostatní země... 51
8.2 Access PLC v České republice ... 52
8.2.1 Pilotní projekty Access PLC v ČR ... 52
8.2.2 ElectraStar ... 53
8.2.3 Digitline... 54
9 Případová studie – možnosti aplikace In-Home PLC v malé firmě... 56
9.1 Cíle případové studie ... 56
9.2 Představení firmy Delta a specifikace jejího počítačového vybavení ... 56
9.3 Způsob testování přenosových rychlostí... 58
9.4 In-Home PLC test ve firmě Delta ... 59
9.4.1 Typy použitých PLC adapterů a jejich instalace ... 59
9.4.2 Vlastní In-Home PLC test a jeho výsledky ... 61
9.5 Wi-Fi a Ethernet test ve firmě Delta... 63
9.5.1 Úvod k Wi-Fi a Ethernet testu... 63
9.5.2 Typ použitých Wi-Fi adapterů a jejich instalace ... 64
9.5.3 Wi-Fi test a jeho výsledky... 65
9.5.4 Typy použitých Ethernet adapterů a kabelu ... 66
9.5.5 Ethernet test a jeho výsledky... 66
9.6 Celkové srovnání naměřených přenosových rychlostí ve firmě Delta ... 67
9.7 Výběr vhodné technologie pro místní síť firmy Delta... 69
9.7.1 Stanovení kritérií hodnocení ... 69
9.7.2 Stanovení vah kritérií hodnocení... 70
9.7.3 Stanovení důsledků variant ... 72
9.7.4 Vícekriteriální hodnocení variant ... 72
9.8 Závěry případové studie ... 74
10 Přednosti a omezení PLC, srovnání s konkurenčními technologiemi v ČR .... 76
10.1 Přednosti PLC... 76
10.2 Omezení PLC ... 77
10.3 Srovnání PLC s konkurenčními technologiemi v ČR... 78
11 Závěr ... 81
Seznam použitých zdrojů... 85
Seznam obrázků... 91
Seznam tabulek ... 92
Terminologický slovník ... 93
Přílohy... 96
Příloha 1: Přehled o cenách In-Home PLC zařízení (nejen) na českém trhu ... 96
Příloha 2: Zpráva z pilotního projektu PLC v Českých Budějovicích (lokalita Pohůrka) ... 98
1 Úvod
V této diplomové práci se zabývám konceptem datových přenosů v elektrorozvodné síti, který je všeobecně označován zkratkou PLC (Powerline Communication).
Ambiciózní myšlenka využití elektrického vedení ještě k jinému účelu, než k jakému bylo původně vybudováno, vznikla již na začátku 20. století a od té doby zaznamenala zajímavý vývoj. V prvopočátcích šlo především o přenos hlasu a jednoduché dálkové ovládání elektrických zařízení, tedy o funkce využitelné především energetickými a distribučními společnostmi při jejich každodenní operativní činnosti. Rychlý rozvoj informačních a komunikačních technologií na konci 20. století spojený s nástupem nového celosvětového fenoménu, Internetu, však do oblasti PLC přinesl nový impuls, který spustil snahy o využití elektrorozvodné sítě pro vysokorychlostní datové přenosy.
V případě úspěchu této myšlenky se rýsovala velmi slibná představa, že elektrorozvodná síť, jakožto nejhustší infrastruktura na světě, se stane zároveň infrastrukturou pro síť Internet a umožní milionům domácností se k této „síti sítí“
snadno připojit. Do jaké míry se dodnes podařilo naplnit tyto představy a zda mají vůbec šanci na úspěch, jsem se rozhodl zjistit ve svojí diplomové práci.
Při zpracování této diplomové práce si kladu za cíl:
• Seznámit čtenáře s konceptem PLC. Nastínit, odkud se myšlenka PLC vzala, na jakých principech PLC funguje a jaké jsou možnosti využití.
• Provést analýzu současného stavu v PLC oblasti. Informovat o aktuálním stavu v oblasti PLC standardizace a o současném stavu využívání možností PLC ve světě a v České republice.
• Vyzkoušet možnosti PLC v praxi. Provést testování přenosových rychlostí a bezproblémovosti fungování PLC při nasazení v podmínkách konkrétní malé firmy v České republice a zjistit, zda je vhodné v daném prostředí PLC nasadit či nikoliv.
• Identifikovat přednosti a omezení PLC a srovnat PLC s konkurenčními komunikačními technologiemi v České republice.
Za účelem dosažení stanovených cílů je diplomová práce členěna na dvě hlavní části – teoretickou a praktickou. Teoretická část je založena především na analýze dostupných zahraničních a českých informačních zdrojů, týkajících se oblasti PLC, a na následném
zpracování takto získaných poznatků. Praktická část diplomové práce pak spočívá v řešení případové studie z českého podnikatelského prostředí.
Problematikou PLC se mnoho českých autorů ve svých pracích nezabývá a situace na českém trhu PLC technologií a služeb tedy není příliš podrobně zmapována. V této diplomové práci se proto rovněž snažím přiblížit oblast PLC ve vztahu k českému prostředí a k možnostem nasazení v České republice.
Cílem této diplomové práce není příliš detailní specifikace technického řešení PLC (např. podrobnější vysvětlení fungování použitých komunikačních protokolů), spíše se zaměřuji na praktické možnosti využití PLC technologií, na přednosti a omezení PLC především z uživatelského hlediska. Přesto práce dle mého názoru přináší i solidní základ pro případné další studium čistě technických záležitostí s PLC souvisejících.
Chtěl bych poděkovat všem, kteří se zasloužili o vznik této diplomové práce, především panu prof. Ing. Jaroslavu Jandošovi, CSc., za odborné vedení práce, cenné připomínky a náměty. Dále bych chtěl poděkovat panu Ing. Jiřímu Malechovi ze společnosti Terms, a. s., za poskytnuté informace. Nejvíce však děkuji všem svým blízkým za jejich trpělivost a podporu.
2 Koncept PLC
2.1 Základní pojmy
PLC je zkratka anglického pojmu Powerline Communication, jenž zahrnuje technologie, zařízení, aplikace a služby, které umožňují využití stávající elektrorozvodné sítě jako komunikačního kanálu, tj. umožňují přenos dat po stávajícím elektrickém vedení.
Charakter tohoto datového přenosu závisí na povaze problémové situace, kterou řešíme.
Obecně lze rozlišit dvě hlavní problémové situace (viz [11]):
• problém překlenutí „poslední míle“,
• problém překlenutí „posledního metru“.
V prvním případě hledáme odpověď na otázku, jak propojit místo, kde se vyskytuje zákazník (koncový uživatel), s nejbližším místem, kde své služby nabízí poskytovatel Internetu či jiných IP služeb (např. IP telefonie), kterého si zákazník vybral. Vzdálenost datových přenosů se zde měří typicky ve stovkách metrů až kilometrech.
Problém překlenutí „posledního metru“ pak znamená vyřešit rozšíření sítě ještě o malý kus (několik metrů) dál, přímo k místu, kde se nachází zákazníkovo zařízení (počítač, směrovač, přepínač, ale také telefon, televize, lednička, pračka atd.).
Z naznačených problémových oblastí vychází i zaměření jednotlivých PLC technologií.
Problém překlenutí „poslední míle“ je řešen pomocí tzv. Access PLC („přístupových“) technologií, též nazývaných jako Outdoor PLC či Access BPL, které umožňují přenos dat po elektrickém vedení na poměrně velké vzdálenosti. Dosah tohoto přenosu je přitom teoreticky omezen pouze fyzickým dosahem elektrorozvodné sítě.
Problém překlenutí „posledního metru“ je pak řešen pomocí tzv. In-Home PLC („vnitřních“) technologií, též nazývaných jako Indoor PLC, In-Building PLC či In- House BPL. Přenos dat se v tomto případě uskutečňuje pouze na malé vzdálenosti, např. v rámci jednoho bytu, kanceláře nebo budovy.
PLC zahrnuje ještě jednu poměrně specifickou oblast tzv. Control PLC („řídících“) technologií, které se zaměřují na vzdálené řízení, kontrolu, měření a regulaci elektrických zařízení, jako je např. automatický odečet elektroměru, vzdálená detekce
poruch, různé formy monitoringu apod. Tyto technologie nacházejí své využití především u distributorů elektrické energie.
Kromě nejčastěji používaného označení PLC se někdy můžeme setkat také se zkratkou PLT (z anglického spojení Powerline Telecommunications), která však označuje tentýž koncept.
Dalším důležitým pojmem, se kterým se v oblasti PLC setkáváme, je Broadband over Powerlines (BPL) označující širokopásmový (vysokorychlostní) přenos dat v elektrorozvodné síti. BPL je následovníkem historicky staršího úzkopásmového (nízkorychlostního) datového přenosu.
Z výše nastíněné terminologie je zřejmé, že v oblasti PLC existuje téměř vždy několik možných označení pro tentýž koncept, přístup či technologii. Terminologie není zcela ustálená, největší rozdíly najdeme mezi pojmy používanými v Evropě a v USA. Pojmy, se kterými jsem se rozhodl pracovat v této diplomové práci, by proto neměly být chápány jako nejlepší nebo univerzální, nýbrž pouze jako vybrané z množiny možných pojmů.
2.2 Historie
Mohlo by se zdát, že koncept PLC je novinkou posledních několika desetiletí, nicméně tomu tak není. Pouze se o něm stále více mluví, neboť dnes se jeho možnosti vyrovnaly možnostem jiných běžně používaných komunikačních technologií. První nasazení PLC technologií se podle [8] a [14] datuje již do začátku minulého století. Kolem roku 1922 energetické společnosti po celém světě začaly používat první PLC systémy pracující v kmitočtovém pásmu 15 – 500 kHz (viz [51]), které sloužily především k hromadnému dálkovému ovládání zařízení v elektrorozvodné síti.
Ve 30. a 40. letech 20. století byl v USA nasazen první systém umožňující přenos telefonního signálu (na vzdálenost okolo 30 km) a v následujících letech se vývoj PLC technologií soustředil zejména do oblasti automatického distribuovaného řízení (viz [8]). V 70. letech japonská energetická společnost Tokyo Electric Power úspěšně otestovala systém dálkového odečtu elektroměrů (viz [51]).
Na konci 80. let zaznamenala oblast PLC důležitý skok vpřed, neboť právě v této době započal vývoj technologií, které umožňují širokopásmový datový přenos po
elektrických rozvodech a které jsou dnes označované jako BPL – Broadband over Powerlines (viz [8]).
Za významného průkopníka širokopásmových technologií (BPL) je podle [10]
považována americká společnost Nortel, která se v Evropě spojila s britskou energetickou společností United Utilities PLC, resp. s její dceřinou společností Norweb Communications zabývající se komunikacemi. Jejich společný podnik Nor.Web vyvinul technologii Digital PowerLine (DPL), jejíž první rozsáhlé testování bylo provedeno v roce 1997 ve městě Manchester ve Velké Británii. V roce 1998 byla na CeBITu představena nejnovější verze této technologie s názvem DPL 1000, která slavila velký úspěch a přinesla očekávání masového nasazení a dalšího rychlého vývoje. Do testování možností BPL se pustily také další společnosti, např. RWE, Aliatel, Siemens či Ascom (viz [8] a [10]).
V červenci 1999 však Nor.Web předčasně ukončil svůj pilotní projekt v Manchesteru a zastavil svůj vývoj technologií pro přenos dat po elektrických rozvodech. Příčiny nebyly podle [10] ani tak technické povahy, jako spíše povahy ekonomické a organizační. Praktické nasazení technologie DPL se ukázalo jako příliš drahé, a tedy málo konkurenceschopné. Masovější rozšíření s sebou totiž nese nutnost přizpůsobit se specifickým technologickým podmínkám různých států, které řeší své elektrické rozvody často dosti odlišným způsobem. Toto přizpůsobení vyžaduje značné finanční zdroje, které Nor.Web vyhodnotil jako příliš vysoké. Stejně skončil také podobně zaměřený projekt německého koncernu Siemens, který byl ukončen v březnu 2001.
Jakési vzkříšení myšlenky datových přenosů v elektrorozvodné síti přinesla výstava CeBIT v roce 2000, kde byla představena společná expozice PLC technologií s názvem PowerLine Center. Tato výstava přispěla k zásadnímu posunu v chápání PLC technologií, které přestaly být zaměřeny pouze na řešení problému „poslední míle“.
Oblast zájmu PLC se nově přesunula do sektoru tzv. „domácího síťování“ (anglicky Home Networking), tj. k řešení problému „posledního metru“ (viz [10]). Technologie PLC měly odteď umožnit kromě přístupu k Internetu také snadné budování místních počítačových sítí (LAN) v bytech, kancelářích, učebnách apod., to vše bez nutnosti pokládání nových datových kabelů.
Dnes (v roce 2007) si PLC technologie již našly své místo na trhu ICT a staly se alternativou nebo konkurencí tradičním komunikačním technologiím. Maximální
přenosová rychlost dosahující 200 Mbit/s umožňuje poskytování nejmodernějších telekomunikačních služeb, jako je vysokorychlostní Internet, IP telefonie, přenos multimédií v reálném čase a mnoho dalších. Aby si však PLC technologie udržely své současné postavení nebo jej ještě upevnily, nesmí se ani na okamžik zastavit jejich další vývoj a zdokonalování.
3 Klasifikace PLC technologií a p ř ístup ů
3.1 Možnosti klasifikace PLC technologií
PLC technologie je možné rozčlenit do skupin podle více možných hledisek. Jedním z takových hledisek je šířka pásma, která následně určuje přenosovou rychlost. Podle šířky pásma členíme PLC technologie na:
• úzkopásmové = Narrowband over Powerlines (NPL),
◦ nízkorychlostní,
◦ přenosová rychlost maximálně v kbit/s,
◦ použití: vzdálené řízení, kontrola, měření a regulace elektrických zařízení, automatický odečet elektroměrů (AMR), služební telefonie, Smart Grid, dálkové ovládání a regulace domácích spotřebičů, osvětlení, topení, klimatizace atd. (více v kapitolách o In-Home PLC a Control PLC),
• širokopásmové = Broadband over Powerlines (BPL),
◦ vysokorychlostní,
◦ přenosová rychlost typicky v Mbit/s (dnes až 200 Mbit/s),
◦ použití: vysokorychlostní přístup k Internetu, IP telefonie, místní počítačové sítě (LAN), „digitální domácnost“, přenos multimédií, vzdálené monitorování atd. (více v kapitolách o Access PLC, In-Home PLC a Control PLC).
V praxi častěji používaným přístupem je však členění PLC technologií nikoli podle šířky pásma, nýbrž podle účelu. Z hlediska účelu pak mluvíme o těchto třech skupinách PLC technologií:
• přístupové = Access PLC,
◦ řeší problém překlenutí „poslední míle“,
◦ účelem je přivést Internet či jiné IP služby od poskytovatele těchto služeb k místu, kde se nachází uživatel, tj. do jeho domu, bytu či kanceláře,
◦ není řešeno rozvedení sítě k jednotlivým uživatelovým zařízením, jako jsou počítače a další zařízení (přepínače, směrovače, tiskárny, telefony
atd.), toto může být zajištěno rovněž pomocí PLC (pomocí In-Home PLC), nebo jinými technologiemi (např. pomocí Ethernetu, Wi-Fi atd.),
• vnitřní = In-Home PLC,
◦ řeší problém překlenutí „posledního metru“,
◦ účelem je vytvořit místní počítačovou síť (LAN) vzájemným propojením počítačů a dalších zařízení (přepínačů, směrovačů, tiskáren atd.); a dále vzájemně propojit domácí elektrická zařízení a spotřebiče v tzv. „digitální domácnost“,
◦ primárně není řešen přístup k Internetu, ten může být zajištěn rovněž pomocí PLC (pomocí Access PLC), nebo jinými technologiemi (např. pomocí ADSL, Wi-Fi, CATV atd.),
• řídící = Control PLC,
◦ účelem je vzdáleněřídit, kontrolovat, měřit a regulovat elektrická zařízení v elektrorozvodné síti, využití je také např. v oblasti průmyslu nebo dopravy.
V následujících kapitolách se budu podrobněji věnovat právě těmto třem skupinám PLC technologií, tj. Access PLC, In-Home PLC a Control PLC, jejich charakteristikám, technickému řešení a možnostem využití.
3.2 Access PLC
3.2.1 Obecná charakteristika
Technologie Access PLC („přístupové“), někdy nazývané též Outdoor PLC či Access BPL, představují technologie pro širokopásmový přenos dat po stávajících elektrických rozvodech na větší vzdálenosti. Jak už samotné pojmenování „přístupové“ naznačuje, jedná se o technologie umožňující především vysokorychlostní přístup k Internetu a dalším IP službám, jako je např. IP telefonie. Úkolem Access PLC je tedy přivést tyto IP služby od jejich poskytovatele k místu, kde se nachází uživatel, tj. do jeho domu, bytu či kanceláře.
Na počátku byla ambiciózní myšlenka využít nejhustší síť, která na světě existuje, tedy elektrorozvodnou síť, a přivést po ní Internet přímo z elektrárny do zásuvek miliónů uživatelů. Provozovatelé elektráren (energetické společnosti) by se tak zároveň stali
poskytovateli internetových služeb (ISP) a dodávali by přístup k Internetu spolu s elektřinou. Tato odvážná idea však záhy narazila na problémy, které vyvstaly především v souvislosti s přenesením vysokofrekvenčního datového signálu přes transformátory1, nacházející se po cestě z elektrárny ke koncovému uživateli.
Technologie, které přenos dat i přes tato zařízení umožňují, byly sice postupně vyvinuty, problémem však zůstává finanční náročnost jejich nasazení.
Proto se zatím ve větší míře uplatňují taková řešení, kdy poskytovatel internetových a jiných IP služeb přivede datový signál ze své páteřní sítě až za poslední (případně předposlední) transformátor směrem k uživateli (topologie elektrorozvodné sítě je podrobněji přiblížena v následující kapitole) jinou cestou než po elektrickém vedení, typicky pomocí optického kabelu, metalického kabelu, satelitu, bezdrátově apod. V tom případě pak PLC slouží pouze k překlenutí „poslední míle“.
Přestože nápad přenášet takovýmto způsobem data na větší vzdálenosti se ukázal být po technické stránce životaschopným, narazil na problémy ekonomického a organizačního rázu. Jak již bylo zmíněno, v různých zemích a různých částech světa mohou být elektrické rozvody řešeny dosti odlišně. Například někde je na jeden transformátor napojeno 200 budov, zatímco jinde mohou být tyto počty podstatně menší (viz [10]).
Stejně tak se mohou výrazně lišit i další aspekty, včetně způsobu jištění, zemnění, vedení fází či legislativní opatření upravující pravidla pro napojení se do elektrorozvodné sítě atd.
Představa, že jediné technické řešení dokáže vyhovět podmínkám v různých částech světa, se ukázala jako nereálná a individuální přizpůsobení by bylo příliš drahé. Právě z tohoto důvodu byly podle [10] ukončeny pilotní projekty sdružení Nor.Web a později také konsorcia Siemens.
Access PLC může být vhodným řešením např. v oblastech, kde neexistuje jiný způsob vysokorychlostního připojení k Internetu (ADSL, Wi-Fi, CATV atd.), protože i do těchto oblastí směřují většinou elektrické rozvody. Jiným typickým případem využití Access PLC je naopak v hustě osídlených oblastech (ve městech), kde se s výhodou využívá úspora z velkého počtu připojených uživatelů.
1 Transformátor je elektrický netočivý stroj, který umožňuje přenášet elektrickou energii z jednoho obvodu do jiného pomocí vzájemné elektromagnetické indukce. Používá se většinou pro přeměnu střídavého napětí (např. z vysokého napětí na nízké) nebo pro galvanické oddělení obvodů (viz [50]).
3.2.2 Technické řešení
Pro lepší pochopení technického řešení Access PLC je vhodné nejprve ozřejmit topologii elektrorozvodné sítě a následně přiblížit technologie, které ji přeměňují na síť komunikační.
Elektrorozvodná síť začíná v elektrárně a končí v zásuvkách koncových uživatelů (zákazníků). Po cestě dochází k postupnému větvení sítě a současně ke skokovému snižování napětí řádově ze stovek tisíc voltů na stovky voltů. Způsob tohoto větvení se však v různých zemích světa může lišit, stejně jako se může lišit i velikost napětí v různých úsecích sítě. Největší rozdíl je pak zřetelný mezi topologií sítě v Evropě a v USA. Obrázky 3.1 a 3.2 zachycují pro porovnání zjednodušené modely elektrorozvodných sítí v Evropě (konkrétně v ČR) a v USA.
Obr. 3.1: Zjednodušený model elektrorozvodné sítě v ČR (upraveno dle [45], [49] a [52])
Z obrázku 3.1 je patrné, že elektrorozvodná síť v České republice se skládá (zjednodušeněřečeno) z přenosové a distribuční soustavy. Přenosová soustava je systém zařízení, která zajišťují přenos elektrické energie od výrobců k odběratelům, čímž se míní přenos ve velkých měřítkách, od velkých zdrojů (elektráren) k velkým rozvodnám.
Část od rozvoden k jednotlivým uživatelům, například domácnostem, se pak nazývá distribuční soustava (viz [49]). Právě distribuční soustava, zahrnující nadzemní a podzemní vedení vysokého (vn) a nízkého (nn) napětí, je tou částí elektrorozvodné sítě, která je využívaná pro datové přenosy typu Access PLC.
Obr. 3.2: Zjednodušený model elektrorozvodné sítě v USA (upraveno dle [45])
Na obrázku 3.2 na první pohled nejsou patrné větší rozdíly topologie elektrorozvodné sítě v USA oproti evropskému modelu z obrázku 3.1, kromě jiného pojmenování a velikostí napětí v jednotlivých segmentech sítě. I zde je distribuční soustava zahrnující vedení středního (MV) a nízkého (LV) napětí tou částí elektrorozvodné sítě, která je využívaná pro datové přenosy typu Access PLC. Přesto zde však existuje několik podstatných rozdílů, a právě tyto rozdíly dle mého názoru patří mezi důvody, proč USA zaostává za Evropou v počtu připojených PLC uživatelů2.
Tím prvním je skutečnost, že v USA je podíl nadzemního vedení vůči podzemnímu mnohem větší než v Evropě, a to hlavně v oblastech středního a nízkého napětí, což v souvislosti s Access PLC představuje nutnost řešit mnohem svědomitěji problémy s elektromagnetickou kompatibilitou – EMC (problematice EMC je věnována samostatná kapitola této práce).
Dalším rozdílem je počet uživatelů (domů, bytů, kanceláří) připojených k poslednímu transformátoru, tj. k transformátoru vn/nn v evropském pojetí, resp. ML/LV v pojetí americkém. Zatímco v Evropě jsou k tomuto transformátoru běžně připojeny desítky až stovky domů, v USA je to typicky pouze několik málo domů (viz např. [2]). To
2 Podle [9] bylo na konci roku 2006 v Evropě přibližně 30 tisíc aktivních PLC uživatelů, zatímco v USA jen přibližně 12 tisíc uživatelů.
v konečném důsledku vede k prodražení celého Access PLC řešení v USA, neboť se vzrůstajícím množstvím uživatelů roste také počet transformátorů a potřebných PLC zařízení, která jsou schopná tyto transformátory překlenout (tzv. bridge – viz dále).
Jakým způsobem se elektrorozvodná síť, jejíž zjednodušený model byl představen výše, změní na síť komunikační, která je schopna přenášet data?
Elektrorozvodná síť není primárně konstruována jako víceúčelové přenosové médium.
Její parametry jsou přizpůsobeny pro síťový kmitočet 50 Hz (v USA 60 Hz). Testy však prokázaly schopnost této sítě přenášet i mnohonásobně vyšší frekvence (řádově v MHz), které je možné využít právě pro datové přenosy technologiemi PLC. Tyto vysoké frekvence pak mohou být přenášeny současně se síťovou frekvencí (50 Hz, resp.
60 Hz) po společném vedení, aniž by se vzájemně ovlivňovaly.
Celý princip PLC spočívá v injektování datového signálu namodulovaného (o modulaci bude pojednáno dále) na nosnou vyšší frekvence (většinou jde o jednotky až desítky MHz) do elektrického vedení na vysílající straně, a v následném galvanickém oddělení (extrakci) tohoto datového signálu na přijímací straně (viz [4]).
Pro správné fungování Access PLC jsou zapotřebí čtyři základní druhy PLC zařízení3, z nichž mohou být v konkrétních podmínkách použity buď všechny, nebo pouze některé z nich (viz [5], [13], [24] a [45]):
• head-end (injector),
• repeater (opakovač),
• bridge (extractor),
• PLC adapter (modem, CPE).
Head-end (injector) je zařízení propojující sítě typu WAN se sítí Access PLC realizovanou na elektrických rozvodech nízkého, popř. vysokého (v USA středního) napětí. Toto zařízení je zpravidla umístěno hned za transformátorem vn/nn (v USA MV/LV) nebo vvn/vn (v USA HV/MV) a převádí datový signál, který je přiveden z páteřní sítě poskytovatele IP služeb např. pomocí optiky, satelitu, bezdrátové komunikace atd., na elektrické rozvody v podobě namodulovaného vysokofrekvenčního signálu.
3 Terminologie pro tato zařízení se v různých zdrojích liší, proto je uvedeno více možných označení.
Vzhledem k fyzikálním vlastnostem elektrického vedení, které zapříčiňují značný útlum vysokofrekvenčního (vf) signálu, je dosah tohoto signálu v elektrorozvodné síti pouze kolem 400 – 800 m. Proto musí být podle potřeby použito jedno či více zařízení na zesílení (opakování) vf signálu, které se nazývá repeater (opakovač),
Bridge (extractor) je PLC zařízení, které umožňuje přenesení vf signálu přes transformátor. Toto zařízení extrahuje datový vf signál z rozvodů vysokého (v USA středního) napětí a následně jej injektuje na rozvody nízkého napětí. Tím dojde k „přemostění“ transformátoru, který jinak představuje pro vf signál nepřekonatelnou překážku. Každý bridge zároveň zastává funkci repeateru (opakovače). Chtěl bych podotknout, že PLC zařízení bridge (extractor), o kterém je řeč, pracuje na fyzické vrstvě referenčního modelu OSI4 a nemá, kromě názvu, nic společného se síťovým prvkem LAN sítí – bridgem (mostem), který pracuje na spojové vrstvě OSI modelu.
Pro představu, jak vypadá bridge nainstalovaný na sloupu nadzemního MV/LV vedení v USA, slouží obrázek 3.3.
Obr. 3.3: Bridge na sloupu MV/LV vedení v USA (zdroj: [5])
Po vedení nízkého napětí se datový signál dostává až do elektrické zásuvky koncového uživatele, který jej odtud získá pomocí PLC adapteru (modemu, CPE), připojeného zároveň k jeho počítači či jinému zařízení (o PLC adapteru bude podrobněji pojednáno v kapitole o In-Home PLC). Rozsah popsané Access PLC sítě může být desítky až tisíce koncových zařízení, podle typu použitého head-endu a topologie sítě.
4 Referenční model OSI (Open Systems Interconnection) je model propojení otevřených systémů vypracovaný organizací ISO v roce 1984. Je výsledkem snahy o standardizaci počítačových sítí a protokolů. Představuje model sedmivrstvé síťové architektury (vrstvy:
1-fyzická,2- spojová,3- síťová,4- transportní,5- relační,6- prezentační,7- aplikační). Schéma OSI modelu je zachyceno v kapitole týkající se technologického pohledu na fungování PLC.
Podstatnou součástí všech zmíněných PLC zařízení (head-end, repeater, bridge a PLC adapter) jsou tzv. vazební členy (anglicky couplers, coupling units), které mají na starost samotnou injekci, resp. extrakci vysokofrekvenčního signálu na elektrický rozvod, resp. z elektrického rozvodu. Tyto vazební členy se dle [13] dělí z hlediska fyzikálního principu na indukční (dělená feromagnetická či železná jádra tvořící vf transformátor) a kapacitní (malý vazební vysokonapěťový vf kondenzátor). Zatímco vazební členy pro vedení vn (v USA MV) jsou externí zařízení (MV coupler je zachycen na obrázku 3.3), vazební členy pro vedení nn (v USA LV) jsou většinou umístěny uvnitř bridge nebo PLC adapteru.
Doplňkem celého Access PLC řešení je také systém pro konfiguraci, správu a sledování sítě, tzv. Network Management System (NMS), který umožňuje vzdáleně se připojit ke každému PLC zařízení, sledovat jej a konfigurovat (viz [45]).
Na obrázcích 3.4 a 3.5 je zobrazen ucelený model Access PLC sítě, jejíž princip fungování byl pospán výše. Obrázky ilustrují model zvlášť pro Evropu (konkrétně pro ČR) a pro USA.
Obr. 3.4: Model Access PLC pro ČR (upraveno dle [5], [13], [24], [45], [49] a [52])
Obrázek 3.4 zachycuje model Access PLC, kdy poskytovatel IP služeb připojí svou páteřní síť pomocí head-endu k vedení vysokého napětí (vn). V cestě datového signálu ke koncovému uživateli pak brání transformátor vn/nn, který musí být překonán pomocí
bridge. Výhodou tohoto modelu je připojení velkého množství uživatelů pouze jedním head-endem. Nevýhodou je naopak z toho vyplývající potřeba více bridgů.
V Evropě velmi často se vyskytujícím případem je také model, kdy poskytovatel IP služeb připojí svou páteřní síť až za poslední transformátor, tj. k vedení nízkého napětí (nn). Tím zcela odpadá potřeba bridgů, naopak logicky musí růst počet nutných head- endů. Zda je pro poskytovatele vhodnější ten či onen model, záleží na konkrétní topologii elektrorozvodné sítě v dané oblasti a souvisí také s hustotou osídlení.
Obr. 3.5: Model Access PLC pro USA (upraveno dle [5], [13], [24] a [45])
V modelu Access PLC pro USA zachyceném na obrázku 3.5 bych chtěl upozornit především na případ, který se v USA vyskytuje častěji než jinde na světě. Jedná se o situaci, kdy datový signál poskytovatele IP služeb je přiveden až k transformátoru MV/LV technologií PLC, tedy po elektrickém vedení, avšak úsek od tohoto transformátoru ke koncovým uživatelům je již překonáván pomocí jiné technologie – bezdrátové Wi-Fi. V takovém případě plní bridge, umístěný na sloupu nadzemního MV/LV vedení, zároveň funkci Wi-Fi přístupového bodu (viz Wi-Fi Access Point na obrázku 3.5). Detail bridge s funkcí Wi-Fi Access Pointu je zachycen na obrázku 3.6 (Wi-Fi anténa se blýská odrazem světla). Výše popsané řešení je někdy označováno jako hybridní Access PLC.
Obr. 3.6: Bridge s funkcí Wi-Fi Access Pointu (zdroj: [20])
3.3 In-Home PLC
3.3.1 Obecná charakteristika
Technologie In-Home PLC („vnitřní“), někdy nazývané též Indoor PLC, In-Building PLC či In-House BPL, jsou vedle Access PLC další důležitou skupinou PLC technologií. In-Home PLC slouží pro přenos dat po stávajících elektrických rozvodech na kratší vzdálenosti, typicky v rámci jednoho bytu, kanceláře nebo budovy.
Jak bylo popsáno v kapitole o historii PLC, vývoj Access PLC technologií, které byly zaměřeny na řešení problému překlenutí „poslední míle“, se kolem roku 2000 poněkud zpomalil a do popředí se dostaly nové In-Home PLC technologie směřující do rychle se rozvíjející oblasti tzv. „domácího síťování“ (anglicky Home Networking)5. Tím se ohnisko zájmu PLC odvětví přesunulo směrem k řešení problému překlenutí
„posledního metru“.
Koncept In-Home PLC zahrnuje nejen budování místních počítačových sítí (LAN) v domácnostech a ve firmách, ale zároveň přináší možnost vzájemného propojení nejrůznějších elektrických spotřebičů v tzv. „digitální domácnost“ (anglicky Digital Home), to vše pomocí stávající elektrorozvodné sítě. V následujících kapitolách podrobněji přiblížím možnosti, které síťování pomocí In-Home PLC nabízí.
5 „Domácí síťování“ (anglicky Home Networking) je pojem, který označuje snahu o vzájemné propojení nejrůznějších elektrických spotřebičů, nejen počítačů, ale také dalších zařízení, jako jsou inteligentní ledničky, trouby, různá čidla, měřící a zabezpečovací systémy atd. (viz [10])
3.3.2 Místní počítačové sítě (LAN)
Místní počítačové sítě (LAN) jsou bezesporu nejrozšířenější aplikací technologií In- Home PLC. Hlavní myšlenkou síťování pomocí In-Home PLC je vyhnout se nutnosti budování další infrastruktury, tj. pokládání nových datových kabelů, když se přímo nabízí využít již vybudovanou a zároveň zdaleka nejhustší a nejrozvětvenější infrastrukturu v bytě/kanceláři/domě tvořenou stávajícími elektrickými rozvody.
Právě absence potřeby budování nové infrastruktury představuje stěžejní konkurenční výhodu In-Home PLC technologií oproti nejčastěji používaným „drátovým“ LAN technologiím ze skupiny standardů IEEE 802.3 (Ethernet). Počítače, popř. jiná zařízení, která mají spolu komunikovat, stačí v případě In-Home PLC pouze připojit přes speciální PLC adapter do elektrické zásuvky (nachází se v každé místnosti) a o vlastní přenos dat se postarají stávající elektrické rozvody. Výhodou In-Home PLC oproti konkurenčním bezdrátovým technologiím ze skupiny standardů IEEE 802.11 (Wi-Fi) je nezávislost na počtu zdí mezi komunikujícími zařízeními.
Síťování pomocí In-Home PLC lze s výhodou využít v budovách, kde je složité či dokonce nemožné vést nové datové kabely, typickým příkladem mohou být panelové domy, historické budovy, hotely, nemocnice a nakonec všechny budovy, ve kterých se na propojení počítačů nemyslelo v době jejich stavby.
Na obrázku 3.7 je zachycen zjednodušený model místní sítě (LAN) vytvořené pomocí In-Home PLC technologií.
Obr. 3.7: Model místní sítě In-Home PLC (upraveno dle [21] až [23])
Co se týče připojení místní In-Home PLC sítě k Internetu, nabízí se v zásadě dvě možnosti. Nejelegantnějším řešením je samozřejmě využití výše popsaných technologií Access PLC, pokud jsou dostupné. Pokud ne, existuje ještě druhý, rovněž velmi jednoduchý způsob, který využívá ostatních technologií pro přístup k Internetu (ať už se jedná o ADSL, Wi-Fi, CATV, satelit nebo jiné). Stačí ke stávajícímu zařízení s přístupem k Internetu, kterým může být např. modem či router, připojit PLC adapter a vsunout jej do elektrické zásuvky. Ke stejnému účelu lze také použít speciální PLC router (viz dále). V tentýž okamžik mohou všechna zařízení v dané In-Home PLC síti sdílet tento přístup k Internetu. Zjednodušený model místní sítě In-Home PLC s možnými způsoby připojení k Internetu zachycuje obrázek 3.8.
Obr. 3.8: Model místní sítě In-Home PLC s připojením k Internetu (upraveno dle [21] až [23])
Technologie In-Home PLC lze v místních sítích rovněž libovolně zkombinovat s ostatními LAN technologiemi, jako je např. Ethernet či Wi-Fi, a tím vytvořit tzv.
hybridní In-Home PLC síť přesně podle potřeb koncového uživatele. Možností takových kombinací se nabízí opravdu mnoho. Například na obrázku 3.9 je znázorněna místní In-Home PLC síť, která je pomocí speciálního PLC zařízení (PLC Wi-Fi Access Point) rozšířena o bezdrátovou síť Wi-Fi a zároveň je pomocí PLC routeru/switche rozšířena o síť Ethernet.
Obr. 3.9: Model hybridní In-Home PLC sítě s připojením k Internetu (upraveno dle [21] až [23])
3.3.3 Digitální domácnost
„Digitální domácnost“ (anglicky Digital Home) je termín, kterým je označována myšlenka vzájemného propojení počítačů a nejrůznějších domácích elektrických spotřebičů do jednotné komunikační sítě za účelem jednoduššího chodu domácnosti a zvýšení komfortu (viz [48]). Do této domácí sítě je možné připojit kromě počítačů a jejich příslušenství také další zařízení, jako jsou IP telefony, bezpečnostní kamery, čidla a alarmy, klimatizace, osvětlení, herní konzole, televize, set-top boxy, audio a video systémy, pračky, myčky a mnoho jiných „inteligentních“ (anglicky smart) spotřebičů, které nabízejí možnost připojení do takovéto komunikační sítě. Koncept „digitální domácnosti“ přináší možnost dálkového ovládání a správy všech takto propojených zařízení z jednoho místa – centrálního domácího počítače.
Existuje sice více způsobů, jak realizovat myšlenku „digitální domácnosti“, nicméně právě In-Home PLC poskytuje velmi elegantní a jednoduché řešení založené na vizi, že elektrické spotřebiče, které podporují In-Home PLC, nepotřebují další komunikační rozhraní, aby mohly být vzájemně propojeny, nýbrž jim stačí jediné rozhraní pro napájení i komunikaci – elektrická zástrčka.
Při troše fantazie by pak skutečná „digitální domácnost“ mohla fungovat třeba takto:
uživatel si koupí novou televizi, přinese si ji domů, vybalí z krabice a zapojí do elektrické zásuvky. To je vše, co potřebuje udělat, neboť televize se pomocí In-Home PLC sama automaticky připojí k set-top boxu, DVD rekordéru, systému domácího kina a k Internetu. Samozřejmě, že tento příklad je teprve hudbou budoucnosti, nicméně podle mého názoru budoucnosti ne příliš vzdálené.
Na obrázku 3.10 je znázorněn model „digitální domácnosti“, která vznikla rozšířením hybridní In-Home PLC sítě z obrázku 3.9 o další elektrické spotřebiče a zařízení.
Obr. 3.10: „Digitální domácnost“ realizovaná pomocí hybridní In-Home PLC sítě (upraveno dle [19], [21] až [23])
3.3.4 Technické prostředky In-Home PLC sítí
Tato kapitola by měla odpovědět na otázku, jaké technické prostředky jsou zapotřebí ke vzniku fungující In-Home PLC sítě, jaké jsou jejich typy a charakteristiky. Zároveň bude nastíněn princip fungování těchto technických prostředků.
Pro vybudování In-Home PLC sítě jsou k dispozici následující PLC zařízení, která bývají použita v nejrůznějších vzájemných kombinacích, vždy podle konkrétních potřeb a zamýšlené topologie sítě:
• PLC adapter (modem, CPE),
• PLC router (směrovač),
• PLC Ethernet switch (přepínač),
• PLC Wi-Fi Access Point (bezdrátový přístupový bod, WAP).
Nejdůležitějším PLC zařízením, které je potřeba pro připojení počítače či jiného elektrického spotřebiče do In-Home PLC sítě, je PLC adapter (někdy též označovaný jako PLC modem nebo CPE). Toto zařízení pracuje na fyzické vrstvě OSI modelu a má buď podobu malé krabičky, která se vsune přímo do elektrické zásuvky (viz obr. 3.11), nebo tzv. desktop (stolního) modelu, který se k elektrické zásuvce připojí pomocí napájecího kabelu (viz obr. 3.12). Vzácně se lze setkat také s PCI verzí adapteru, která se montuje přímo do počítače.
Obr. 3.11: PLC adaptery do elektrické zásuvky s rozhraním RJ-45 nebo USB
Obr. 3.12: Desktop PLC adaptery s rozhraním RJ-45 nebo USB
Pro komunikaci s počítačem (popř. jiným zařízením v In-Home PLC síti) obsahuje PLC adapter nejčastěji ethernetové rozhraní RJ-45, ale existují také adaptery s USB rozhraním, příp. s možností bezdrátové Wi-Fi komunikace (viz obr. 3.13). Pro připojení audio/video přístrojů do In-Home PLC sítě slouží PLC adaptery vybavené příslušnými CINCH konektory. Jeden z takových adapterů je zachycen na obrázku 3.14.
Obr. 3.13: PLC adaptery s možností bezdrátové Wi-Fi komunikace
Obr. 3.14: PLC adapter s CINCH konektory pro připojení audio/video zařízení
Důležitou charakteristikou PLC adapteru je jeho přenosová rychlost (udávaná pro fyzickou vrstvu OSI modelu). V současné době jsou na trhu PLC adaptery s přenosovými rychlostmi 14 Mbit/s, 85 Mbit/s a 200 Mbit/s. Na tomto místě je však třeba podotknout, že skutečné (efektivní) přenosové rychlosti dosahované na nejvyšší aplikační vrstvě OSI modelu jsou podstatně nižší (podrobnější informace o skutečně naměřených přenosových rychlostech jsou uvedeny v případové studii níže). Důvodem pro nižší efektivní rychlosti je jednak režie použitých komunikačních protokolů, jednak nehostinnost prostředí, v němž samotná komunikace probíhá.
Nehostinnost prostředí souvisí s faktem, že běžné elektrické rozvody nepočítají s vysokofrekvenčními datovými přenosy. Nejsou proto nijak stíněné a datové přenosy na nich probíhající mohou být snadno rušeny jiným elektromagnetickým zářením.
Dalším významným zdrojem rušení datového přenosu je přítomnost mnoha spotřebičů a
zařízení v elektrorozvodné síti, které do sítě vracejí nejrůznější ruchy a nepříjemně tím zkreslují datový signál. Tyto zdroje rušení můžeme rozdělit do tří kategorií (viz [18]):
• Spínané zdroje, které se dnes zejména pro svou prostorovou nenáročnost často používají ve většině výrobků spotřební elektroniky (sítové adaptéry, televize, audio systémy, osobní počítače). Rušení vznikající jejich činností má širokopásmový charakter (asi od 15 kHz až do 1 MHz).
• Tyristorové regulátory, které se používají zejména k regulaci otáček, či ve stmívačích. Produkují velké impulsy s frekvencí 100 Hz nebo 120 Hz (podle frekvence v rozvodné síti 50 Hz nebo 60 Hz).
• Univerzální sériové elektromotory, připojené k rozvodné síti, které rovněž produkují rušení. Používají se například ve vysavačích, vrtačkách, kuchyňských mixérech apod. Frekvence rušících pulsů je závislá na otáčkách, ale v podstatě tato zařízení ruší v celém spektru.
Je tedy potřeba najít způsob, jak datový signál bezpečně a bez jakéhokoliv zkreslení přenést po ne příliš kvalitním, silně rušeném médiu, kterým je elektrorozvodná síť. Řešení této složité úlohy nabízí modulace OFDM (viz dále).
Dalším problémem PLC je kromě rušení datového vf signálu také jeho útlum, který je podle [16] nejvíce patrný při průchodu přes proudové chrániče, elektroměry a jističe, ale částečně je zapříčiněn také vlastní kabeláží (hliníkové vodiče způsobují větší útlum než měděné). Útlum ve svém důsledku zkracuje maximální přenosovou vzdálenost mezi dvěma In-Home PLC zařízeními přibližně na 200 – 300 m (vzdálenost závisí na kvalitě a topologii elektrorozvodné sítě).
Cena PLC adapterů se na českém trhu pohybuje zhruba v rozmezí 900 – 3000 Kč s DPH a odvíjí se především od maximální přenosové rychlosti (14 Mbit/s, 85 Mbit/s, 200 Mbit/s) příslušného adaptéru (podrobnější přehled o cenách PLC adapterů na českém trhu je uveden v příloze 1).
Obvyklým prvkem In-Home PLC sítě s připojením k Internetu bývá PLC router (směrovač). Je to zařízení pracující na síťové vrstvě OSI modelu, které obsahuje několik rozhraní RJ-45 pro vytvoření malé místní sítě pomocí běžného „drátového“ Fast Ethernetu (IEEE 802.3u) s rychlostí 100 Mbit/s. K PLC routeru lze připojit např. server a počítače náročné na rychlou vzájemnou komunikaci. Další rozhraní PLC routeru pak slouží pro připojení k síti WAN (tj. k Internetu) některou z běžných přístupových
technologií (např. ADSL, CATV, Wi-Fi, satelit atd.). Zapojením PLC routeru do elektrické zásuvky se zařízení stává součástí celé In-Home PLC sítě a umožňuje ostatním zařízením v této síti sdílet přístup k Internetu. Touto cestou vznikne tzv.
hybridní místní In-Home PLC síť, jejíž model byl zachycen výše na obrázku 3.9. PLC router obvykle funguje i jako firewall pro ochranu sítě před vnějším světem a umožňuje vzdálenou správu a konfiguraci.
Pro představu, jak může vypadat PLC router, slouží obrázek 3.15.
Obr. 3.15: Příklady PLC routerů
Na českém trhu zatím mnoho PLC routerů k dostání není. V českých internetových obchodech jsem našel pouze několik málo exemplářů, které navíc podporují pouze přenosovou rychlost 14 Mbit/s. Cena těchto PLC routerů se pohybuje v rozmezí 3400 – 7000 Kč s DPH (podrobnější přehled o cenách PLC routerů na českém trhu je uveden v příloze 1).
V hybridní In-Home PLC síti můžeme nalézt také další síťové prvky, jako je PLC Ethernet switch nebo PLC Wi-Fi Access Point.
PLC Ethernet switch (přepínač) je zařízení pracující na spojové vrstvě OSI modelu, které obsahuje několik ethernetových rozhraní RJ-45 a které je možné přímo připojit k PLC síti přes elektrickou zásuvku. Pomocí tohoto PLC zařízení lze rozšířit stávající místní In-Home PLC síť o síť typu Ethernet. Příklady různých provedení PLC Ethernet switchů jsou zachyceny na obrázku 3.16.
Obr. 3.16: Příklady PLC Ethernet switchů
PLC Wi-Fi Access Point (bezdrátový přístupový bod, WAP) je označení pro zařízení, které je pomocí elektrické zásuvky připojeno ke stávající místní In-Home PLC síti a rozšiřuje ji o bezdrátovou Wi-Fi síť. V praxi se většinou jedná o speciální případ PLC routeru (viz zařízení s anténkami na obrázku 3.15).
Co se týče dostupnosti PLC Ethernet switchů a PLC Wi-Fi Access Pointů na českém trhu, i zde je situace podobná jako u PLC routerů, tj. k dostání je pouze několik málo modelů s nižšími přenosovými rychlostmi (14Mbit/s nebo 85 Mbit/s). Cena PLC Ethernet switchů se pohybuje v rozmezí 1900 – 3000 Kč s DPH, cena PLC WAP pak v rozmezí 3400 – 7000 Kč s DPH (podrobnější přehled o cenách těchto PLC zařízení na českém trhu je uveden v příloze 1).
3.4 Control PLC
Control PLC je označení pro úzkopásmové i širokopásmové datové přenosy v elektrorozvodné síti, určené ke vzdálenému řízení, měření, kontrole a regulaci elektrických zařízení.
Control PLC nabízí největší možnosti využití především energetickým a distribučním společnostem (dále je budu pro zjednodušení nazývat „operátory“), kterým přináší poměrně jednoduchou cestu k podstatnému snížení nákladů, zvýšení spolehlivosti a celkové efektivity jejich sítě, včetně zvýšení komfortu pro koncového zákazníka.
V posledních letech se stále častěji setkáváme s pojmem Smart Grid (český překlad by mohl znít „inteligentní elektrorozvodná síť“), jenž označuje novou generaci sítě, která
nabízí operátorům a zákazníkům moderní služby na kvalitativně vyšší úrovni. O těchto službách, které byly v tradičních elektrorozvodných sítích nemyslitelné, bude pojednáno dále.
Koncept Smart Grid je jednou z perspektivních oblastí využití technologií PLC. Přináší operátorům novou motivaci k budování Access PLC sítí, neboť kromě poplatků za poskytované IP služby získají nové moderní možnosti pro svou síť, z kterých mimo jiné plynou nemalé úspory. PLC technologie umožňují vznik obousměrného komunikačního spoje mezi operátorem a každým zákazníkem, stejně jako mezi operátorem a každým zařízením v elektrorozvodné síti. Z tohoto propojení pak přímo vyplývají nadstandardní možnosti využití sítě, mezi které například patří (viz [44]):
• automatický odečet elektroměrů (AMR – Automated Meter Reading),
◦ přináší podstatnou úsporu lidských zdrojů, potřebných pro pravidelný odečet stavu elektroměrů u jednotlivých zákazníků,
◦ data jsou získávána v reálném čase, nedochází k žádnému zpoždění a z něho plynoucím nepřesnostem ve vyhodnocování,
◦ data mohou být odečítána mnohem častěji, zároveň s údaji o čase měření získá operátor lepší přehled o spotřebním chování jednotlivých zákazníků a může flexibilněji reagovat na jejich potřeby,
◦ jednou získaná digitální data je možné opakovaně využít pro další analýzy a potřeby operátora,
• vzdálená detekce poruch,
◦ znamená úsporu času a lidských zdrojů při detekci a následném odstraňování poruch na elektrických zařízení v síti,
◦ není třeba čekat, až poruchu oznámí zákazník, je zjištěna okamžitě, a tím je umožněna rychlá reakce operátora,
• monitorování rozvoden a trafostanic,
◦ pokud jsou nainstalovány bezpečnostní kamery v rozvodnách a trafostanicích, odpadá nutnost zabezpečení těchto míst lidskými zdroji, což významně šetří náklady,
◦ umožňuje monitoring více míst z jedné centrály v reálném čase,
• vzdálené odpojení a připojení elektroměru,
◦ přináší úsporu času a lidských zdrojů při těchto činnostech, které operátorům nepřinášejí žádný zisk,
• služební telefonie,
◦ využívá elektrorozvodnou síť pro přenos hlasu při každodenních činnostech operátora,
◦ vyznačuje se nízkými náklady, a spolehlivostí srovnatelnou s běžnými drátovými telefony,
• stanovení ceny v reálném čase,
◦ umožňuje stanovit účtovanou cenu elektřiny na základě momentální poptávky zákazníka nebo vytíženosti systému,
• inteligentní řízení spotřeby (IDSM – Intelligent Demand Side Management),
◦ úzce souvisí s předchozím bodem,
◦ zákazník se na základě znalosti aktuální ceny může rozhodnout o spotřebovávaném objemu elektřiny,
• přímá kontrola zátěže (DLC – Direct Load Control),
◦ umožňuje efektivně rozkládat zátěž za účelem udržení stability v elektrické síti v období energetických špiček,
◦ umožňuje omezit používání některých spotřebičů (např. klimatizací, boilerů, sušiček atd.) v období energetických špiček.
Mezi průkopníky konceptu Smart Grid patří americká společnost Current Communications Group. Ta v únoru 2006 zahájila spolupráci s pěti dalšími společnostmi6 s cílem pomoci operátorům v zavedení jejich Smart Grid řešení. Vzniklé uskupení společností nese název Smart Grid Development Network (viz [27]). Dalšími významnými hráči v této oblasti jsou také společnosti Ambient Corporation či BPL Global.
6 Společnosti spolupracující s Current Communications Group na zavádění Smart Grid řešení jsou Badger Meter, Comverge, Corporate Systems Engineering, Landis+Gyr a Sensus Metering Systems.
První skutečnou síť typu Smart Grid na světě zřejmě momentálně buduje Current Communications Group společně s energetickou společností TXU Electric Delivery v Texasu v USA. Tato síť podle [28] nejenže připojí dva miliony zákazníků k vysokorychlostnímu Internetu, ale zároveň umožní operátorovi automatický odečet elektroměrů, sledování kvality elektřiny 24 hodin denně a vzdálený monitoring sloužící k zabezpečení objektů a zařízení ve vlastnictví operátora.
Control PLC nachází využití také v mnoha dalších odvětvích lidské činnosti, např. v průmyslu nebo v dopravě. V oblasti podnikového zabezpečení umožňuje Control PLC nejen ovládání jednoduchých zařízení pro vzdálené monitorování, jako jsou různé alarmy, čidla a další signalizační zařízení, ale zároveň představuje ideální platformu pro vysokorychlostní přenosy audio a video signálu z moderních bezpečnostních kamer v reálném čase. Další možnosti využití Control PLC se pak nacházejí v oblasti sledování silničního provozu nebo bezpečnostní situace ve městech (pomocí nainstalovaných kamer), ovládání veřejného osvětlení apod.
4 Komplexní PLC ř ešení
Spojením všech tří PLC přístupů (In-Home PLC, Access PLC a Control PLC) lze dosáhnout komplexního systémového PLC řešení, naznačeného na obrázku 4.17. Je zde zachycena široká paleta služeb, které dnes technologie PLC nabízí, ať už v oblasti domácího síťování, přístupu k širokopásmovým IP službám, či vzdálené správy.
Obr. 4.1: Komplexní PLC řešení společnosti DS2 (zdroj: [19])
7 Tento obrázek nebyl záměrně přeložen do češtiny s ohledem na jeho složitost a dostatečnou názornost. Jedná se o jediný cizojazyčný obrázek v diplomové práci.
Komplexní PLC řešení na obrázku 4.1 pochází od španělské společnosti DS2 (Design of Systems on Silicon S. A.), která patří mezi světové lídry v oblasti výroby čipů8 a softwaru pro PLC zařízení. Právě čipy DS2 se staly základním stavebním kamenem pro vznik univerzální PLC specifikace vyvíjené sdruženími UPA (Universal Powerline Association) a OPERA (Open PLC European Research Alliance), o kterých bude podrobněji pojednáno dále.
Naznačené komplexní PLC řešení společnosti DS2 podporuje následující ucelené aplikační oblasti PLC (viz [19]):
• transportní PLC sítě realizované na vedení vysokého (středního) napětí,
• přístupové Access PLC sítě („poslední míle“) realizované na vedení nízkého napětí,
• distribuční In-Building PLC sítě v rámci budovy,
• domácí In-Home PLC multimediální sítě,
• sítě typu Smart Grid.
Může se zdát, že komplexní PLC řešení, tak jak ho propracovala např. společnost DS2, je zatím pouze ambiciózní vizí do více či méně vzdálené budoucnosti. Na druhou stranu je třeba podotknout, že technologie, které by takovéto řešení zajišťovaly, skutečně existují a v jejich reálném nasazení momentálně brání jiné než technologické faktory, především finanční a organizační. Nezbývá než doufat v postupné odstraňování těchto překážek a s tím související širší nasazení komplexnějších PLC řešení.
8 Dalším důležitým výrobcem čipů pro PLC zařízení jsou např. společnosti Intellon,Conexant, Arkados nebo Maxim, jejichž čipy jsou používány v PLC zařízeních specifikace HomePlug.
