Comunicazioni smart grid in regioni rurali

Nella smart grid è essenziale disporre di un'infrastruttura di comunicazione affidabile per lo scambio dei dati necessari a ottimizzare l'utilizzo dell'energia e l'efficienza dei costi. Nelle zone rurali, dove la combinazione di bassa densità di popolazione, distanza e conformazione geografica spesso limita la disponibilità di metodi alternativi di comunicazione, le soluzioni di comunicazione a onde convogliate (PLC) rappresentano un comodo veicolo per la comunicazione dati. I tecnici interessati a implementare le comunicazioni in smart meter o sistemi di energy harvesting legati alla rete elettrica possono integrare nei propri progetti PLC dispositivi già disponibili presso produttori quali Atmel, Cypress Semiconductor, STMicroelectronics e Texas Instruments.

Nelle zone rurali, una linea di alimentazione elettrica è spesso l'opzione migliore per assicurare comunicazioni smart grid affidabili e convenienti. In queste zone, gli endpoint utente sono in genere molto dispersi geograficamente e le alternative come il wireless forniscono un campo insufficiente mentre i collegamenti cablati o la banda larga cellulare non sono sempre disponibili o sufficientemente affidabili. In contrasto con queste alternative, la tecnologia PLC è in grado di offrire un meccanismo conveniente e affidabile per lo scambio di dati tra le società di gestione e gli smart meter dei consumatori.

Progetto PLC

In un tipico progetto di modem PLC, le funzionalità chiave vengono fornite da un front-end analogico (AFE) e da un processore (Figura 1). Mentre l'AFE gestisce le operazioni analogiche come la trasmissione e la ricezione del segnale, il processore esegue lo stack software di comunicazione associato ad un particolare protocollo PLC.

Figura 1: Oltre a protezione del circuito, passa banda e accoppiamento, i modem PLC combinano un front-end analogico (AFE) per la trasmissione e la ricezione del segnale con un MCU per l'elaborazione dello stack di comunicazione (per gentile concessione di Texas Instruments).

Per realizzare una soluzione PLC, i progettisti possono combinare AFE autonomi come AFE030 e AFE031 di Texas Instruments con MCU esterni come i modelli C2000 C28x Piccolo di Texas Instruments. Con questo approccio, i progettisti possono determinare le prestazioni del modem PLC selezionando gli MCU a più alte prestazioni come i modelli multicore Concerto di Texas Instruments, che combinano un core C2000 C28x e un ARM Cortex-M3. Infatti, per gli schemi di modulazione più avanzati come il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM) menzionato più avanti, potrebbe essere necessario ricorrere a processori multicore a più alte prestazioni per gestire gli stack software di comunicazione più complessi.

In alternativa i progettisti possono valutare un'ampia gamma di soluzioni PLC che integrano porzioni sempre più grandi dello stack di comunicazione PLC su un singolo chip. Ad esempio, CY8CPLC10 di Cypress Semiconductor integra uno strato PHY e strati inferiori dello stack del protocollo di rete, mentre il modello CY8CPLC20 si spinge ancora oltre, integrando le funzionalità del modello CY8CPLC10 con un core PSoC di Cypress in grado di eseguire stack PLC più complessi (Figura 2).

Figura 2: I produttori offrono soluzioni PLC che presentano livelli crescenti di integrazione. Ad esempio, CY8CPLC10 di Cypress Semiconductor integra uno strato PHY e uno stack del protocollo di rete, mentre il modello CY8CPLC20 di Cypress integra le funzionalità di CY8CPLC10 oltre a un core PSoC per l'elaborazione completa degli stack (per gentile concessione di Cypress Semiconductor).

Bande di frequenza

Le frequenze operative PLC sono limitate a specifiche bande dalle normative regionali. In Nord America e Canada la tecnologia PLC opera nella banda di frequenza da 10 a 490 kHz specificata nelle normative FCC (Federal Communications Commission), Parte 15. In Asia e Giappone opera invece nella banda di frequenza da 10 a 450 kHz, come specificato da ARIB (Association of Radio Industries & Businesses). In Europa lo standard EN50065 del Cenelec (Comitato europeo di normazione elettrotecnica) definisce un intervallo di bande a bassa frequenza che comprende le bande A (3 ~ 95 kHz) e B (95 ~ 125 kHz) per le comunicazioni PLC, nonché le bande C (125 ~140 kHz) e D (140 ~ 148,5 kHz) per le applicazioni correlate. In Cina l'EPRI (Electric Power Research Institute) specifica una banda da 3 a 500 kHz.

Con AFE autonomi oppure dispositivi PLC integrati, i produttori supportano le specifiche bande di frequenza e gli schemi di modulazione con varie famiglie di dispositivi. Ad esempio, i modelli AFE030 e AFE031 di TI supportano le bande A, B, C e D in conformità con Cenelec EN50065, mentre i modelli CY8CPLC10 e CY8CPLC20 di Cypress supportano il funzionamento in conformità con Cenelec EN50065 e FCC Parte 15. Analogamente, le serie di dispositivi PLC di STMicroelectronics supportano la specifiche bande di frequenza regionali: ad esempio, i modelli ST7538Q e ST7540 di STMicroelectronics sono progettati per la conformità con Cenelec EN50065, mentre il dispositivo ST7580 di ST è conforme alle normative ARIB, Cenelec EN50065 e FCC Parte 15.

Rumore nelle linee elettriche

All'interno delle bande di frequenza allocate, i sistemi PLC devono operare in un ambiente elettrico caratterizzato da alti livelli di rumore. Le linee elettriche sono bombardate da fonti di rumore che cambiano continuamente (rumore impulsivo, rumore generato da motori, armoniche generate da alimentatori e altre fonti), avvicendandosi nel momento in cui i consumatori accendono o spengono i vari apparecchi o utensili (Figura 3).

Figura 3: Le linee elettriche a bassa tensione presentano numerose fonti di rumore che variano in base all'utilizzo da parte dei consumatori: dal rumore impulsivo (A) al rumore su banda larga, generato anche dai piccoli elettrodomestici, come il supporto di ricarica di uno spazzolino elettrico (B) (per gentile concessione di A: Texas Instruments; B: Echelon Corporation).

Il rumore nelle linee elettriche è caratterizzato da una variabilità davvero elevata: ad esempio, una specifica banda può offrire un ottimo canale di comunicazione per un periodo di tempo, ma essere ad un certo punto inondata di rumore intermittente generato da fonti presenti nella casa, nell'ufficio o nello stabilimento dell'utilizzatore. Per questa ragione i ricevitori PLC devono spesso estrarre i segnali da fonti che presentano un rapporto segnale/rumore altamente sfavorevole.

I dispositivi PLC disponibili come ST7538Q, ST7540 e ST7580 di ST si servono della polarizzazione a variazione di fase binaria (B-FSK), che offre immunità alle fluttuazioni di ampiezza e alle interferenze near-band. Sebbene gli schemi di modulazione FSK rappresentino una buona soluzione negli ambienti caratterizzati da un rapporto segnale/rumore sfavorevole, il rumore su banda larga che interessa la maggior parte delle linee elettriche richiede schemi di comunicazione più robusti.

Modulazione resistente al rumore

Per contenere gli effetti delle fonti di rumore (che possono essere le più varie) nelle linee elettriche, i transceiver PLC come il modello ST7570 di STMicroelectronics offrono la modulazione con polarizzazione a variazione di fase ad ampia variazione di frequenza (S-FSK) specificata nella norma IEC 61334 relativa all'utilizzo della tecnologia PLC nei contatori delle utenze. Per le applicazioni ancora più esigenti, i progettisti possono ricorrere al supporto OFDM nei dispositivi PLC come ST7590 di ST e AFE030/31 di TI. Grazie al suo utilizzo dei canali multipli, la tecnologia OFDM è particolarmente adatta per l'impiego in applicazioni caratterizzate da elevati livelli di rumore come le comunicazioni a onde convogliate.

Due importanti standard PLC, PRIME (Power line Intelligent Metering Evolution) e G3, forniscono alla tecnologia OFDM le specifiche per l'ottimizzazione delle comunicazioni su linee elettriche con alti livelli di rumore. G3 comprende infatti un metodo adattivo che permette ai dispositivi PLC conformi di disattivare le comunicazioni nelle sottobande con pesanti interferenze di rumore. Grazie alle solide prestazioni in ambienti rumorosi, questo standard è ideale non soltanto nelle linee a bassa tensione che erogano energia ai consumatori, ma anche nelle comunicazioni tra i trasformatori che portano ai concentratori di dati generalmente ospitati sulle linee a media tensione che connettono i trasformatori alle centrali elettriche secondarie.

A causa della complessità di questi protocolli, i modem PLC conformi richiedono a loro volta dispositivi PLC più complessi. Ad esempio, il CI PLC AFE031 di TI supporta PRIME e G3, ma come processore associato necessario per l'esecuzione dei rispettivi stack software di comunicazione TI raccomanda l'utilizzo di MCU ad alte prestazioni come i modelli della sua famiglia Concerto dual core.

Tra i dispositivi PLC integrati disponibili, ATPL230A e ATPL250A di Atmel sono CI per modem PLC conformi rispettivamente a PRIME e G3. Entrambi i dispositivi sono progettati per il funzionamento con MCU ad alte prestazioni come la famiglia SAM4C di Atmel. Per i progettisti alla ricerca di una soluzione a chip singolo, l'MCU PLC basato su ARM Cortex-M4 dual core SAM4CP16B di Atmel supporta allo stesso modo entrambi gli standard PRIME e G3 in un singolo CI che integra lo strato PHY e lo stack di comunicazione PLC fornito da Atmel (Figura 4).

Figura 4: Per i progetti PLC PRIME e G3 i progettisti possono sfruttare un chipset doppio composto dal dispositivo PLC ATPL2x di Atmel e dall'MCU SAM4C di SAMTEC, oppure SAM4CP16B, una soluzione a chip singolo che offre funzionalità equivalenti al chipset doppio (per gentile concessione di Atmel).

Kit di sviluppo

Per destreggiarsi nella complessità del progetto PLC, i progettisti possono ricorrere a una serie di kit di sviluppo che combinano i principali CI PLC, processore e software. Il kit di sviluppo CY3274 di Cypress Semiconductor Corp permette un avvio rapido agli sviluppatori che desiderano utilizzare il dispositivo PLC integrato CY8CPLC20 di Cypress (vedere la Figura 2).

Il kit di sviluppo STEVAL-IPP004V1 di STMicroelectronics fornisce un modulo completo compatibile con PRIME realizzato a partire dal dispositivo PLC ST7590 e dall'MCU STM32F103 di ST, un componente della famiglia di MCU ad alte prestazioni basati su ARM Cortex-M STM32 F1.

Infine, il kit di sviluppo per modem a onde convogliate C2000 TMDSPLCKIT-V3 di TI combina il dispositivo AFE031 e l'MCU C28x Piccolo TMS320F28069 con una suite software PLC che supporta le tecnologie S-FSK e OFDM per lo sviluppo di soluzioni PLC conformi agli standard PRIME o G3.

Conclusione

Per le aree rurali la tecnologia PLC può rappresentare una soluzione efficace per il collegamento di smart meter, elettrodomestici e altri apparecchi alla smart grid. Tuttavia, la combinazione di vincoli normativi, standard internazionali e caratteristiche delle linee elettriche può presentare difficoltà significative per i progettisti PLC. Sfruttando i CI PLC e gli MCU disponibili, i progettisti possono implementare più agevolmente soluzioni PLC robuste in grado di funzionare su linee a bassa tensione e tra i trasformatori che portano alle reti elettriche a media tensione.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.