วิธีป้องกันระบบสื่อสารสายไฟ (PLC): สองเทคโนโลยีที่ต้องรู้
Contributed By DigiKey's North American Editors
2023-08-09
ผู้ออกแบบโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานอัจฉริยะ เช่น โครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะ มิเตอร์อัจฉริยะ และไฟถนนอัจฉริยะ ต้องการการสื่อสารที่เชื่อถือได้ คุ้มค่า และปลอดภัย แม้ว่าเทคโนโลยีไร้สายจะมีบทบาท แต่ความเปราะบาง ต้นทุน และข้อจำกัดด้านการครอบคลุมทำให้เกิดความท้าทายที่สำคัญ เทคโนโลยีการสื่อสารด้วยสายไฟ (PLC) ซึ่งช่วยให้สามารถถ่ายโอนข้อมูลผ่านสายไฟที่มีอยู่ได้ นำเสนอเทคโนโลยีพื้นฐานที่ดีในการสื่อสารพื้นฐานที่สำคัญ
แม้ว่า PLC จะถูกกำหนดไว้อย่างดีและใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ก็มีบางประเด็นที่นักออกแบบจำเป็นต้องตระหนักว่าสามารถขัดขวางการสื่อสารได้ เช่น การลดทอนของสัญญาณ สัญญาณรบกวน และแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ การแก้ไขปัญหาเหล่านี้ต้องการโซลูชันที่ใช้งานได้จริงและมีประสิทธิภาพเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพสูงสุด สองโซลูชันดังกล่าว ได้แก่ หม้อแปลง PLC และตัวป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน GMOV
หม้อแปลง PLC ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการสูญเสียการแทรกน้อยที่สุดภายในแอปพลิเคชันแถบความถี่แคบ (NB) นอกจากนี้ยังลดการแยกสัญญาณไฟฟ้าและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ซึ่งช่วยเพิ่มคุณภาพสัญญาณและความน่าเชื่อถือ GMOV เป็นส่วนประกอบป้องกันแรงดันเกินแบบไฮบริดที่รวมท่อปล่อยก๊าซ (GDT) และวาริสเตอร์ออกไซด์ของโลหะ (MOV) ได้รับการออกแบบมาเพื่อเอาชนะข้อจำกัดและปัญหาความล้มเหลวของ MOV มาตรฐาน ซึ่งมีความอ่อนไหวต่อการเสื่อมสภาพและการหนีความร้อนในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและไม่มีการควบคุม
บทความนี้ทบทวนสั้นๆ ว่า PLC ทำงานอย่างไร และเหตุใดจึงเหมาะกับโครงสร้างพื้นฐานอัจฉริยะ จากนั้นจะแนะนำตัวอย่างหม้อแปลง PLC และตัวป้องกัน GMOV จากเบิร์นส์ แสดงวิธีการทำงาน และนำเสนอปัจจัยบางประการที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกและนำไปใช้
การทำงานของ PLC แอปพลิเคชัน และความท้าทาย
ในระบบ PLC ข้อมูลที่จะส่งจะถูกมอดูเลตไปยังสัญญาณพาหะและฉีดเข้าไปในสายไฟ รายละเอียดแตกต่างกันอย่างมากระหว่างแอปพลิเคชัน แต่ IEEE 1901.2 เป็นมาตรฐานสากลสำหรับกริดพลังงาน โดยระบุความถี่ต่ำ (≤ 500 กิโลเฮิรตซ์ (kHz)) การสื่อสาร NB สูงสุด 500 กิโลบิตต่อวินาที (Kbits/s) และเหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น สมาร์ทกริด มิเตอร์อัจฉริยะ และไฟถนนอัจฉริยะ
แม้ว่าเทคโนโลยี PLC ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นโซลูชันที่มีประโยชน์สำหรับนักออกแบบโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานอัจฉริยะ แต่ก็ไม่ได้ปราศจากความท้าทาย อุปสรรคในการออกแบบรวมถึงการลดทอนสัญญาณ สัญญาณรบกวน และแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถลดคุณภาพและความน่าเชื่อถือในการสื่อสารได้อย่างมาก โดยเฉพาะ:
- การลดทอนสัญญาณ เป็นปัญหาเนื่องจากสัญญาณ PLC ใช้สายที่ออกแบบมาสำหรับจ่ายไฟ ไม่ใช่ข้อมูล เส้นเหล่านี้มีลักษณะอิมพีแดนซ์ที่สามารถกำหนดการลดทอนได้มาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระยะทางไกล ความแรงของสัญญาณที่ลดลงส่งผลให้ช่วงที่มีประสิทธิภาพลดลงและอาจทำให้ข้อมูลสูญหายหรือเกิดข้อผิดพลาดได้
- เสียงรบกวน สามารถแนะนำได้จากแหล่งต่างๆ เช่น เครื่องใช้ไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับสายไฟ รูปแบบของแหล่งจ่ายไฟ และ EMI ภายนอก ลักษณะความถี่ที่ค่อนข้างสูงของสัญญาณข้อมูล PLC ทำให้สัญญาณรบกวนเหล่านี้ไวต่อแหล่งสัญญาณรบกวนภายในกริดไฟฟ้าที่ไม่มีฉนวนป้องกันเป็นพิเศษ
- แรงดันไฟฟ้าชั่วคราว อาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากฟ้าผ่าหรือการเปลี่ยนโหลดอุปนัย สภาวะชั่วคราวดังกล่าวสามารถทำให้เกิดไฟฟ้าแรงสูงบนสายไฟ ซึ่งอาจทำให้โมเด็มของ PLC เสียหายได้
เมื่อจัดการกับความท้าทายที่ระบบ PLC เผชิญ นักออกแบบมีเทคโนโลยีหลักสองอย่างที่สามารถนำไปใช้ได้: หม้อแปลง PLC และตัวป้องกัน GMOV ส่วนประกอบทั้งสองมีบทบาทสำคัญในการรับรองความน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพ และความปลอดภัยของระบบ PLC
การตรวจสอบการออกแบบ: หม้อแปลง PLC และ GMOV ในวงจรคัปปลิ้ง
เพื่อแสดงให้เห็นถึงปัญหาที่หม้อแปลง PLC และ GMOV สามารถระบุได้ ให้พิจารณาวงจรการต่อพ่วงที่แสดงในรูปที่ 1 วงจรนี้ต้องแยกโมเด็ม PLC (Zโมดูล ) จากสายหลัก (Zเส้น ) พร้อมทั้งระบุเส้นทางสำหรับสัญญาณข้อมูล ในขณะที่ทำเช่นนั้น วงจรคัปปลิ้งต้องจัดการทั้งการสื่อสารความถี่สูง พลังงานต่ำ และไฟฟ้ากระแสสลับความถี่ต่ำ พลังงานสูง
รูปที่ 1: แสดงเป็นวงจรเชื่อมต่ออย่างง่ายพร้อมระบบป้องกันไฟกระชากที่แยกโมเด็ม PLC (Zโมดูล ) จากสายหลัก (Zเส้น ) พร้อมทั้งระบุเส้นทางสำหรับสัญญาณข้อมูล (แหล่งรูปภาพ: Bourns)
หม้อแปลง PLC (T1) ให้การแยกสัญญาณไฟฟ้าระหว่างโมเด็ม PLC และสายไฟ ช่วยแยก PLC ออกจากแหล่งจ่ายไฟหลัก คุณลักษณะสำคัญของหม้อแปลงเหล่านี้คือการสูญเสียการแทรกน้อยที่สุด ซึ่งช่วยลดการบิดเบือนสัญญาณและการลดทอน ตัวอย่างเช่น รูปที่ 2 แสดงประสิทธิภาพของ Bourns'ซีรีส์ PFB ของหม้อแปลง PLC ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งาน NB ที่ต่ำกว่า 500 kHz ยิ่งไปกว่านั้น ความสามารถของหม้อแปลง PLC ในการยับยั้ง EMI ช่วยลดสัญญาณรบกวน ทำให้การสื่อสารมีความน่าเชื่อถือและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
รูปที่ 2: แสดงเป็นกราฟของการสูญเสียการแทรกเทียบกับความถี่สำหรับหม้อแปลง PLC ซีรีส์ PFB ที่ได้รับการปรับแต่งสำหรับการใช้งาน NB ที่ต่ำกว่า 500 kHz (ที่มาของภาพ: Bourns)
ในรูปที่ 1 อีกครั้ง แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวจะถูกจัดการโดยตัวป้องกัน GMOV (รูปที่ 3) อุปกรณ์ใหม่นี้เป็นส่วนประกอบการป้องกันแรงดันไฟเกินแบบไฮบริดที่รวมการตอบสนองอย่างรวดเร็วของ MOV และความสามารถในการจัดการกระแสไฟกระชากสูงของ GDT การรวมกันนี้ให้การป้องกันที่แข็งแกร่งต่อแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่เกิดจากฟ้าผ่าหรือเหตุการณ์การสลับที่อาจทำให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ในระบบ PLC เสียหาย
ใน GMOV คอมโพเนนต์ MOV และ GDT จะเชื่อมต่อกันแบบ capacitive ในการกำหนดค่าชุด ภายใต้สภาวะความถี่ต่ำ แรงดันไฟฟ้าที่จำกัดของส่วนประกอบ GMOV จะเท่ากับผลรวมของแรงดันไฟฟ้าที่จำกัดของส่วนประกอบ MOV และ GDT
รูปที่ 3: GMOV รวมการตอบสนองที่รวดเร็วของ MOV เข้ากับความสามารถในการจัดการกระแสไฟกระชากที่สูงของ GDT (แหล่งรูปภาพ: Bourns)
อุปกรณ์ป้องกัน GMOV ได้รับการออกแบบมาให้ทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและควบคุมไม่ได้ ซึ่งแตกต่างจาก MOV มาตรฐานซึ่งมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพและหนีความร้อนได้ง่าย ส่วนประกอบ MOV จะหนีบแรงดันไฟฟ้าที่มากเกินไปให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัย ในขณะที่ GDT ทำหน้าที่เป็นตัวป้องกันไฟตกในสภาวะไฟกระชากที่รุนแรง ฟังก์ชันนี้เปลี่ยนทิศทางพลังงานส่วนเกินออกจาก MOV ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานและลดโอกาสที่ระบบจะล้มเหลว
ข้อควรพิจารณาในการออกแบบสำหรับหม้อแปลง PLC และตัวป้องกัน GMOV
การออกแบบวงจรไลน์คัปลิงสำหรับระบบ PLC จำเป็นต้องพิจารณาส่วนประกอบหลักและการโต้ตอบอย่างรอบคอบ ต่อไปนี้คือประเด็นบางประการที่ต้องพิจารณาในการออกแบบ
ข้อกำหนดของระบบ PLC : ก่อนเริ่มกระบวนการออกแบบ ทำความเข้าใจข้อกำหนดของระบบ PLC ให้ชัดเจน ซึ่งรวมถึงอัตราข้อมูลที่ต้องการ ช่วงของการทำงาน ประเภทของสายไฟฟ้าที่จะใช้งาน และสภาพแวดล้อมที่จะสัมผัส
ความปลอดภัยและการปฏิบัติตามข้อกำหนด : ความปลอดภัยเป็นข้อกังวลเป็นพิเศษสำหรับการออกแบบที่ผู้ใช้หรือเจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุงสามารถเข้าถึงได้ การออกแบบอาจต้องเป็นไปตาม EN 62368-1 (อุปกรณ์ไอทีและภาพและเสียง) หรือ EN 61885 (เครือข่ายการสื่อสารและระบบอัตโนมัติของสาธารณูปโภคไฟฟ้า) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน
จากมุมมองของการสื่อสาร การออกแบบโดยทั่วไปจะต้องเป็นไปตามมาตรฐาน CENELEC EN 50065-1 ของยุโรป ซึ่งกำหนดระดับสัญญาณสูงสุดรวมถึงแถบความถี่ของผู้ให้บริการที่อนุญาต
การเลือกหม้อแปลง PLC : ตรวจสอบว่าหม้อแปลงเป็นไปตามข้อกำหนดความถี่ แรงดันไฟฟ้า และอิมพีแดนซ์ในการทำงาน ตัวอย่างเช่น Bourns PFB Series ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับแอพพลิเคชั่น NB PLC (NB-PLC) ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานระยะไกล ด้วยการรองรับช่วงแรงดันไฟฟ้าต่ำและปานกลาง ซีรีส์ PFB สามารถใช้งานได้ทั้งในร่มและกลางแจ้ง
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้เลือกหม้อแปลงที่มีอัตราส่วนรอบที่ช่วยให้อิมพีแดนซ์ของโมเด็ม PLC ตรงกับอิมพีแดนซ์ของสายไฟ หลายครั้งไม่สามารถเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ของโมเด็มได้ ดังนั้นต้องเลือกหม้อแปลงอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้อิมพีแดนซ์ที่ตรงกันสำหรับการส่งสัญญาณที่มีประสิทธิภาพ
พิจารณาสภาพแวดล้อมของแอปพลิเคชันด้วย ตัวอย่างเช่น ซีรีส์ PFB มีทั้งแบบมาตรฐานและแบบยาว รุ่นมาตรฐานPFBR45-ST13150S ได้รับการออกแบบสำหรับใช้ภายในตัวเรือนที่มีความปลอดภัย ในขณะที่รุ่นยาวPFB45-SP13150S เพิ่มคุณลักษณะด้านความปลอดภัยสำหรับการใช้งานในพื้นที่ที่เจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุงหรือผู้ใช้อาจเข้าถึงได้ ฉนวนเสริมของรุ่นหลังนี้ป้องกันไฟฟ้าช็อตและแยกผู้ใช้จากแรงดันไฟฟ้าเข้าที่เป็นอันตราย รูปที่ 4 แสดงลักษณะสำคัญของทั้งสองรุ่น
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
รูปที่ 4 หม้อแปลง PLC PFB45-SP13150S แบบยาวมีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่แข็งแกร่งกว่าเมื่อเทียบกับ PFBR45-ST13150S (ที่มาของภาพ: เบิร์นส์)
การเลือกตัวป้องกัน GMOV : พิจารณาประเภทของไฟกระชากและแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่ระบบอาจเผชิญเมื่อเลือกตัวป้องกันที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่น Bourns มีแผ่นป้องกัน GMOV ขนาด 14 มิลลิเมตร (มม.) เช่นGMOV-14D301K ที่รองรับกระแสไฟกระชาก 6 กิโลแอมแปร์ (kA) รวมถึงรุ่น 20 มม. เช่นGMOV-20D151K ที่รองรับกระแสไฟกระชาก 10 kA. โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทั้งรุ่น 14 และ 20 มม. เข้ากันได้กับ MOV มาตรฐานในด้านขนาดและรอยเท้า รูปที่ 5 แสดงรายการการกำหนดค่าทั้งหมดสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
รูปที่ 5: ตัวป้องกัน GMOV มาในขนาด 14 และ 20 มม. โดยตัวหลังรองรับกระแสไฟกระชากที่สูงขึ้น (ที่มาของภาพ: เบิร์นส์)
สิ่งสำคัญคือต้องคำนึงถึงความจุและการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้า ความจุสูงอาจขัดขวางการส่งข้อมูลในระบบ PLC ความจุต่ำของตัวป้องกัน Bourns GMOV ที่น้อยกว่า 2 picofarads (pF) ช่วยลดความผิดเพี้ยนของสัญญาณ ซึ่งหมายความว่าจะไม่ส่งผลกระทบต่อการรับส่งข้อมูลผ่านสายไฟอย่างมีนัยสำคัญ
ตัวป้องกัน GMOV ของ Bourns ยังมีกระแสไฟรั่วน้อยกว่า 1 ไมโครแอมแปร์ (µA) แม้ว่าการรั่วไหลอาจดูเหมือนเป็นเรื่องเล็กน้อย แต่ก็รวมอยู่ในการใช้งานระดับเมือง ตัวอย่างเช่น ในการใช้งานไฟถนนที่มีกระแสไฟรั่ว 10 ไมโครแอมป์ เมื่อคูณด้วยไฟถนนหนึ่งล้านดวงในเขตเมืองทั่วไป การสูญเสียพลังงานเนื่องจากการรั่วไหลจะมีความสำคัญ
สรุป
การถือกำเนิดของโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานอัจฉริยะ—โดดเด่นด้วยกริดอัจฉริยะ มิเตอร์อัจฉริยะ และไฟถนนอัจฉริยะ—ได้นำความต้องการระบบการสื่อสารที่เชื่อถือได้ คุ้มค่า และมีประสิทธิภาพมาสู่ระดับแนวหน้า ดังที่แสดงไว้ PLC เป็นตัวเลือกที่เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อรองรับโดยหม้อแปลง PLC เฉพาะทางและตัวป้องกัน GMOV เพื่อให้มั่นใจถึงคุณภาพของสัญญาณและความน่าเชื่อถือ และเพื่อป้องกันไฟกระชากหรือไฟกระชากในขณะเดียวกันก็ลดกระแสรั่วไหลให้น้อยที่สุด
Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.


