اقرأ في هذا المقال
- أساسيات نظام التحكم في الحمل الرقمي الطاقة والاتصالات عبر أسلاك الطاقة
- مبدأ نظام التحكم في الحمل الرقمي الطاقة والاتصالات عبر أسلاك الطاقة
- تطور نظام التحكم في الحمل الرقمي الطاقة والاتصالات عبر أسلاك الطاقة
تتألف وحدة التحكم من جهاز موصل يمكن التحكم فيه ومكيف ليتم إقرانه في توصيلات كهربائية متسلسلة بين مصدر طاقة التيار المتردد وجهاز التحكم في الحمل، كما تشتمل وحدة التحكم أيضاً على دائرة تحكم مقترنة بجهاز موصل يمكن التحكم فيه لجعل الجهاز الموصل، والذي يمكن التحكم فيه موصلاً لكل نصف دورة لمصدر طاقة التيار المتردد لتوليد جهد التحكم في الطور.
أساسيات نظام التحكم في الحمل الرقمي الطاقة والاتصالات عبر أسلاك الطاقة
تكون دائرة التحكم قابلة للتشغيل لجعل الجهاز الموصل الذي يمكن التحكم فيه موصلاً لجزء من كل نصف دورة لمصدر طاقة التيار المتردد، ودائرة التحكم قابلة للتشغيل لإرسال رسالة رقمية إلى جهاز التحكم في الحمل للتحكم في الطاقة المسلمة للحمل عن طريق تشفير المعلومات الرقمية، في حواف التوقيت لجهد التحكم في الطور، حيث يكون لجهد التحكم في الطور حافة توقيت واحدة على الأقل في كل نصف دورة لمصدر طاقة التيار المتردد عندما ترسل دائرة التحكم الرسالة الرقمية إلى جهاز التحكم في الحمل.
تنقل (PLC) بيانات عن موصل يتم استخدامه أيضًا في وقت واحد لنقل الطاقة الكهربائية (AC) أو توزيع الطاقة الكهربائية للمستهلكين، ويُعرف أيضاً باسم ناقل خط الطاقة أو خط المشترك الرقمي لخط الطاقة (PDSL) أو الاتصالات الرئيسية أو اتصالات خطوط الطاقة أو شبكات خطوط الطاقة (PLN)، وتم تصميم خطوط الطاقة في الأصل لنقل الطاقة الكهربائية في نطاق التردد من (50 هرتز) – (60 هرتز)، كما تم إجراء عمليات إرسال البيانات الأولى عبر خطوط الطاقة فقط لحماية أقسام نظام توزيع الطاقة في حالة حدوث أعطال.
كانت (PLC) أفضل طريقة للتبادل السريع للمعلومات بين محطات الطاقة والمحطات الفرعية ومراكز التوزيع، وتضمن المنطق حقيقة أن أبراج نقل الطاقة هي من أقوى الهياكل التي تم بناؤها على الإطلاق ومن ثم يمكن إرسال إشارات الحماية بشكل موثوق باستخدام شبكة الإشارات هذه، وعلاوة على ذلك لم يتم توصيل العديد من المواقع البعيدة بشبكات الهاتف وبالتالي فقد تقرر أنّ إرسال الإشارات وتبادل المعلومات لأغراض حماية نظام الطاقة، والقياس عن بُعد عبر خطوط الطاقة الحالية هو الحل الأمثل.
لم يتم تصميم ناقل خط الطاقة خصيصاً لنقل البيانات ويوفر بيئة قاسية له، وتُعد المعاوقة المتغيرة والضوضاء الكبيرة والمستويات العالية من التوهين المعتمد على التردد هي القضايا الرئيسية، وعبر شبكة خط معقدة كهذه قد تختلف استجابة الاتساع والطور بشكل كبير مع التردد، وعلاوة على ذلك فإنّ وظيفة نقل القناة نفسها تتغير بمرور الوقت؛ لأنّ سحب أو إيقاف تشغيل الأجهزة المتصلة بالشبكة من شأنه أن يغير هيكل الشبكة.
- “PLC” هي اختصار لـ “Power-Line-Communication”.
- “PDSL” هي اختصار لـ “power-line-digital-subscriber-line”.
- “PLN” هي اختصار لـ “power-line-networks”.
- “AC” هي اختصار لـ “Alternating-Current”.
مبدأ نظام التحكم في الحمل الرقمي الطاقة والاتصالات عبر أسلاك الطاقة
غالباً ما تعمل الأجهزة المنزلية كمصادر للضوضاء ممّا يؤثر على الإشارة إلى نسبة الضوضاء في أجهزة الاستقبال، ومثل القناة اللاسلكية لا يحدث انتشار الإشارة بين المرسل والمستقبل على طول مسار خط البصر، ونتيجةً لذلك يجب النظر في أصداء إضافية ويحدث هذا الصدى بسبب وجود عدد من مسارات الانتشار بين المرسل والمستقبل.
غالباً ما يحدث انعكاس الإشارة بسبب عدم تطابق المعاوقة المختلفة في الشبكة الكهربائية وسيكون لكل مسار متعدد عامل وزن معين يُنسب إليه لمراعاة الانعكاس وخسائر الإرسال، وكما أنّ الترددات العالية يزيد توهين القناة ومن ثم يمكن وصف القناة بأنها عشوائية ومتغيرة للوقت مع نسبة إشارة إلى ضوضاء تعتمد على التردد (SNR) عبر عرض نطاق الإرسال، كما يمكن أن تكون الضوضاء في خطوط الكهرباء نبضية أو انتقائية بطبيعتها ويمكن تصنيف الضوضاء في خطوط الكهرباء إلى أربع فئات:
- الضوضاء الملونة، كثافة طيفية منخفضة القدرة نسبيًا تتناقص مع التردد ويعتبر مجموع كل مصادر ضوضاء منخفضة الطاقة وقد يكون متغيراً بمرور الوقت.
- ضوضاء الخلفية ذات النطاق الضيق، يرجع ذلك إلى الإشارات الجيبية المشكَّلة بالسعة من محطات البث I نطاقي الموجات المتوسطة والقصيرة.
- ضوضاء النبضة، وهي ضوضاء متزامنة مع تردد الإمداد الفعلي للمولد والتي تتكرر عادةً بمضاعفات (50/60 هرتز)، وإنّه قصير المدة وله كثافة طيفية للقدرة تتناقص مع التردد وإنّه ناتج عن إمدادات الطاقة.
- ضوضاء النبضة غير المتزامنة، وهذا هو أكثر أنواع الضوضاء ضرراً لنقل البيانات وتتراوح مدته من بضع ثوانٍ دقيقة إلى أجزاء من الثانية، وقد تصل الكثافة الطيفية للقدرة لضوضاء النبضة هذه إلى (50 dB) فوق طيف ضوضاء الخلفية، ومن ثم فهي قادرة على محو كتل من رموز البيانات أثناء نقل البيانات العالي على ترددات معينة، وهو ناتج عن تبديل العابرين في شبكة النظام.
ملاحظة:“SNR” هي اختصار لـ “signal-to-noise ratio”.
تطور نظام التحكم في الحمل الرقمي الطاقة والاتصالات عبر أسلاك الطاقة
تعتبر تقنيات التشكيل مثل مفتاح إزاحة التردد (FSK) والنفاذ المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA) وتعدد الإرسال المتعامد بتقسيم التردد (OFDM) مخططات تشكيل مناسبة لنظام التحكم (PLC)، وبالنسبة للتطبيقات منخفضة التكلفة ومنخفضة معدل البيانات مثل حماية خطوط الطاقة والقياس عن بُعد، يُنظر إلى الخدمة الثابتة على أنها حل جيد.
يؤدي الخبو الانتقائي للتردد كما حدث في قناة خط الطاقة إلى إضعاف قدرة (FSK) لمعدلات البيانات التي تتجاوز بضعة كيلوبايت في الثانية، وستكون هناك حاجة إلى درجة عالية من ترميز التحكم في الخطأ وإلى جانب الكفاءة الطيفية المنخفضة لـ (FSK)، فإنّه سيحد من معدل البيانات المحقق.
بالنسبة لمعدلات البيانات التي تصل إلى (1 ميجابت في الثانية)، قد توفر تقنية (CDMA) حلاً فعالاً بحيث تنتشر إشارة كل مستخدم باستخدام شفرة الانتشار في جهاز الإرسال، ويقوم المستلم بإلغاء نشر الرسالة باستخدام نفس الرمز، ويوفر (CDMA) متانة ضد ضوضاء النطاق الضيق وأشكال التداخل الأخرى.
ومع ذلك يجب أن يكون كسب المعالجة مرتفعًا لمواجهة التداخل من المستخدمين الآخرين بشكل فعال وأثناء الإرسال عبر خطوط الطاقة بمعدلات بيانات عالية، تكون مدة الرمز صغيرة جداً بحيث يتم تغيير الإصدارات المتأخرة من رمز واحد على عدد كبير من الرموز الأخرى، وهذا يجعل عملية الكشف معقدة لأنها تتطلب تقنيات معادلة معقدة لمواجهة التداخل بين الرموز.
ومع ذلك بالنسبة لتطبيقات البيانات العالية التي تتجاوز ذلك فإنّ (OFDM) هي التكنولوجيا المفضلة لـ (PLC)، ويتم تمرير البيانات التسلسلية من خلال محول تسلسلي إلى متوازي ويقوم بتقسيم البيانات إلى عدد من القنوات المتوازية مع مُعدِّلات فردية، ولكل مشكل تردد موجة حاملة مختلف ويحمل جزءًا صغيرًا من معدل البيانات الأصلي، ويؤدي هذا إلى زيادة طول الرمز بحيث يصبح أطول من أطول مسار تأخير.
وهذا يحل مشكلة التداخل بين الرموز إلى حد كبير ويتجنب (OFDM) أيضاً الإرسال على ترددات في حالة الخبو العميق، ويتعين على جميع المُعدِّلات المتوازية الوصول إلى حد أدنى من نسبة الإشارة إلى الضوضاء وإلّا يتم إيقاف تشغيلها، صُنعت المُعدِّلات ذات النسبة العالية للإشارة إلى الضوضاء لتحمل المزيد من البتات باستخدام تقنية تحميل البتات التكيفية.
- “FSK” هي اختصار لـ “Frequency-shift-keying”.
- “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal-frequency-division-multiplexing”.
- “CDMA” هي اختصار لـ “Code-Division-Multiple-Access”.
