Анализ возможности применения электросетей общего назначения в системах охраннойсигнализации

11 Сентябрь 2019

Колосков Алексей Анатольевич, начальник сектора отдела развития объектовых систем охраны ФКУ «НИЦ «Охрана» Росгвардии

Юрин Константин Александрович, старший научный сотрудник отдела развития объектовых систем охраны ФКУ «НИЦ «Охрана» Росгвардии
Вихирев Анатолий Александрович, старший научный сотрудник отдела развития объектовых систем охраныФКУ «НИЦ «Охрана» Росгвардии

В настоящее время в качестве каналов связи технических средств охраны (ТСО) системы централизованного наблюдения (СЦН) наиболее широко применяются выделенные проводные, радиоканальные и оптоволоконные линии. При выборе каналов связи ТСО, относящихся к подсистеме объектовой, самыми надежными и экономически выгодными в использовании и обслуживании являются выделенные проводные линии. В силу объективных причин, радиоканальные и оптоволоконные линии получили меньшее распространение. Так, объектовые ТСО, использующие радиоканальные линии связи, сравнительно более трудозатратны в обслуживании и нуждаются в дорогостоящих автономных источниках электропитания, а применение оптоволоконных линий экономически обосновано только для организации охраны средних и крупных объектов, подсистемы объектовые которых требовательны к скорости и пропускной способности каналов связи. Совершенно противоположная ситуация складывается при организации каналов связи для передачи информации между подсистемами объектовой и пультовой. В подавляющем большинстве случаев в данной подсистеме в качестве каналов связи применяются именно радиоканальные и оптоволоконные линии, а выделенных проводные продолжают эксплуатироваться исключительно для совместимости с устаревшим оборудованием подсистемы пультовой.

На всем протяжении развития СЦН неоднократно предпринимались (и предпринимаются по сей день) попытки нахождения оптимального, с точки зрения технико-экономических параметров, канала связи. К сожалению, в силу многокритериальности поставленной задачи, это невозможно.

Учитывая то обстоятельство, что абсолютное большинство охраняемых объектов оснащено штатной сетью системы электроснабжения общего назначения (электросеть), представляет интерес анализ возможности ее использования СЦН в качестве канала связи как подсистемы объектовой, так и подсистемы передачи информации.

Как и у любого другого, у канала связи, основанного на использовании для передачи данных электросети, имеются как достоинства, так и недостатки. Основными достоинствами данного канала связи, как упоминалось ранее, являются «повсеместная распространенность» и отсутствие затрат на его прокладку. Помимо основных существует ряд других, менее весомых достоинств, например, «двойное назначение» линии электросети — непосредственно электропитание ТСО и возможность передачи данных. Как всегда, достоинства неразрывно связаны с недостатками, главным из которых является его «общедоступность». Режим коллективного использования линий электросети создает предпосылки для оказания как преднамеренного, так и непреднамеренного негативного воздействия. Так, нарушение правил использования электросети, или электропитание от нее несертифицированных устройств, способно приводить к возникновению помех, оказывающих негативное влияние на передачу данных. Кроме того, существует ряд других проблем техническогои организационного характера.

Перед проведением анализа достоинств и недостатков применения линий электросети в качестве канала связи при организации охраны объектов уместно вкратце пояснить принцип и особенности передачи данных по такому каналу.

Технология передачи данных по линиям электросети получила общепринятое название PLC — Power Line Communication, т.е. связь через силовые линии электропитания, а устройства, обеспечивающие обмен данными по электросети, — PLC-модемы.

Рис. 1. Функциональная схема PLC-модема

В общем случае схема PLC-модема (рис. 1) включает в себя пять основных элементов:

1. Источник электропитания, обеспечивающий электропитание всех устройств, входящих в состав PLC-модема, в соответствии с требуемыми режимами по току и напряжению.

2. Микроконтроллер, осуществляющий:
а) двухсторонний обмен данными между внешними устройствами, работающими совместно с PLC-модемом и приемо-передатчиком, входящим в состав PLC-модема;
б) буферизацию получаемых данных;
в) проверку получаемых данных на наличие ошибок;
г) двухстороннее преобразование параллельного или последовательного интерфейса, используемого устройствами, работающими совместно с PLC-модемом, для передачи и приема данных по линиям электросети и обратно;
д) иные прикладные функции.

3. Приемо-передатчик, осуществляющий двустороннее преобразование уровней напряжения из уровня, используемого микроконтроллером, в уровень, необходимый для управления силовыми радиоэлементами выходного преобразователя.

4. Преобразователь, осуществляющий:
а) формирование и передачу электрического сигнала с необходимыми электрическими характеристиками, посредством которого производится передача данных по линиям электросети;
б) прием сигнала, поступающего по линиям, и приведение его электрических характеристик к значениям, пригодным для дальнейшей подачи на приемо-передатчик.

5. Устройство гальванической и частотной развязки, обеспечивающее:
а) гальваническую развязку устройств и цепей PLC-модема от цепи линий электросети;
б) отделение области полосы высших частот, используемой для передачи и приема данных.

Для технической реализации передачи данных разработаны несколько методов формирования сигнала, передаваемого по линии электросети, посредством которого и осуществляется обмен данными.

В зависимости от ширины используемой полосы частот, различают узкополосные и широкополосные технологии передачи данных. Наиболее ранний метод передачи данных для устройств телемеханики (дистанционно управляемые устройства коммутации электросети, телеграфные аппараты и др.) основывался на узкополосной технологии RCS (Ripple Carrier Signaling — передача сигнала на несущей с «качающейся» частотой), в которой использовалась ASK-модуляция передаваемого сигнала (Amplitude Shift Keying — амплитудная манипуляция). При этом передача сигналов осуществлялась в полосе частот от 125 до 3000 Гц, а скорость передачи данных не превышала несколько бит в секунду.

Более поздние методы реализации узкополосной технологии PLC позволили обеспечить скорость передачи данных до 128 кбит/с при работе в полосе частот от 42 до 89 кГц или до 576 кбит/с при работе в полосе частот от 9 до 500 кГц, в соответствии со спецификациями, действующими в государствах, где данная технология использовалась.

Очевидно, что передача данных по линиям электросети сопряжена с внесением в них дополнительного электрического сигнала. При этом мгновенное значение его напряжения складывается с мгновенным значением напряжения электросети, вызывая некоторое искажение его синусоидальной формы.

На рисунке 2 приведен допустимый уровень напряжения информационного сигнала, передаваемого по линиям электросети, в зависимости от используемойполосы частот.

Рис. 2. Допустимый уровень напряжения информационного сигнала, передаваемого по линиям электросети, в зависимости от используемойполосы частот

На подавляющее большинство электропотребителей столь незначительное искажение формы напряжения электросети не окажет никакого отрицательного воздействия. Вместе с тем, в некоторых специализированных устройствах (часы, таймеры и т.п.) синусоидальный сигнал напряжения электросети применяется в качестве источника опорной частоты, при котором схемотехнически может производиться подсчет количества переходов сигнала напряжения через отметку 0 В. Систематическое искажение формы напряжения в данном случае может стать причиной увеличения числа подобных переходов через отметку 0 В и, как следствие, некорректного отсчета временных интервалов. Кроме того, существует вероятность использования общей линии электросети для передачи данных несколькими пользователями одновременно. Хорошо, если применяются функционально схожие устройства (например, бытовые счетчики электроэнергии, оснащенные PLC-модемом), в протоколе которых заложен алгоритм антиколлизии, позволяющий обеспечить распределение временных ресурсов канала связи. В противном случае взаимное наложение информационных сигналов приведет к невозможности передачи данных всемиподключенными устройствами.

Негативное воздействие самих PLC-модемов на качество электроэнергии электросети является только частью проблем, возникающих при организации передачи данных по линиям электросети. Качество электроэнергии самой электросети имеет решающее значение в обеспечении основных параметров канала связи — егонадежности и пропускной способности.

В соответствии с решением МЭК, номинальные напряжения для электрических систем, сетей, цепей и оборудования переменного и постоянного тока регламентируются требованиями ГОСТ 29322-2014 «Напряжения стандартные». В указанном стандарте задано номинальное напряжение трехфазных четырехпроводных или трехпроводных систем переменного тока в диапазоне от 100 до 1000 В. Из всех перечисленных наибольшее распространение в Российской Федерации получила четырехпроводная система переменного тока 230/400 В (электросеть 0,4 кВ), являющаяся результатом эволюции четырехпроводной системы переменного тока 220/380 В, применяемой ранее. Нормы качества электрической энергии электросети установлены требованиями ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Имеется несколько причин, вызывающих негативное влияние на показатели качества электроэнергии. Так, например, на отдельные участки линий электропередач могут оказывать воздействие атмосферные электрические разряды (молнии) или короткое замыкание проводников, вызванное нарушением изоляции, дефектами в кабелях. Со стороны потребителей причиной могут стать ошибочные действия при подключении и эксплуатации электротехнических устройств. Превышение потребляемой мощности расчетного значения приводит к колебанию напряжения в электросети. Электротехнические устройства с индуктивным или емкостным характером нагрузки — электродвигатели, трансформаторы, преобразователи напряжения с гасящими конденсаторами и др. — являются наиболее распространенным источником колебаний напряжения в электросети в силу преобладания в нагрузке реактивной составляющей, рассогласовывающей фазы напряжения электросети и потребляемого от нее электротехническим средством тока. При подключении нескольких подобных электротехнических устройств к одной линии электросети их совместное влияние на порядок увеличивает амплитуду колебаний напряжения. Происходит усиление высших гармонических составляющих напряжения электросети — сигналов с частотами, кратными основной частоте электросети (50 Гц). Взаимное сложение их амплитуд до значений, сопоставимых с амплитудой информационного сигнала, значительно снижает соотношение сигнал/помеха.

Гармонические искажения напряжений и токов возникают из-за наличия в электросетях устройств или оборудования с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Так, к источникам искажения синусоидального напряжения могутбыть отнесены:

- силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания, выпрямители, конвертеры, тиристорные системы с фазоимпульсной регулировкой, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты;

- сварочные машины, дуговые печи, системы управления токами наложенной частоты, дуговые плавильные печи, сварочные автоматы; сварочные машины и дуговые сталеплавильные печи генерируют широкий и непрерывный спектр гармоник;

- трансформаторы с нелинейными характеристиками, особенно работающие в режиме с насыщением сердечника силового трансформатора;

- статические преобразователи частоты, циклоконверторы, выпрямительные установки;

- индукционные двигатели (индукционные двигатели могут генерировать гармоники из-за наличия зазора между статором и ротором, особенно в сочетании с насыщением стали; при нормальной скорости вращения ротора частоты гармоник находятся в диапазоне от 500 до 2000 Гц, но при запуске двигателя происходит генерация помех во всем диапазоне частот вплоть до установившегося значения; помехи, создаваемые двигателями, могут быть значительными при подключении их в конце длинной проводной линии (более 1 км) низкого напряжения);

- бытовая техника (компьютеры, телевизоры, СВЧ-печи);

- вращающиеся машины (электрогенераторы и электродвигатели, вращающееся поле которых не идеально синусоидально);

- насыщенные магнитные цепи (трансформаторы, в которых отношение между индукцией и магнитным полем нелинейно; для намагничивающего тока в первом приближении можно принять, что основная гармоника преобладает, а другие гармоники незначительны, однако при этом магнитный поток, а следовательно, и напряжение на зажимах не могут рассматриваться как синусоидальные);

- элементы систем освещения (газоразрядные лампы, электронные балласты; осветительные системы обладают рядом свойств, отрицательно влияющих на электросеть и подключаемые к ней устройства; наиболее важными из этих свойств являются гармонические искажения потребляемого из сети тока и низкий коэффициент мощности).

Приведя краткий обзор основных проблем, возникающих при организации передачи данных по линиям электросети, рассмотрим схемы подключения PLC-модемов, применяемые на практике.

В зависимости от структуры построения информационной сети и типа используемого участка электросети, возможны четыре схемы подключения PLC-модемовк электросети (рис. 3).

Рис. 3. Варианты схем подключения PLC-модемов к линиям электросети

Выбор конкретной схемы подключения определяется стремлением получения минимального затухания полезного сигнала при максимальной длине линии связи. С точки зрения адаптации электросетей для приемлемой передачи высокочастотной несущей полезного сигнала оптимально использование одной фазы линии электросети (схема «фаза-земля»). Для повышения надежности передачи высокочастотного сигнала следует применять схему «три фазы-земля», так как одновременный обрыв двух или трех фазменее вероятен, чем одной.

При небольшом количестве подключений электропотребителей к линиям электросети затухание сигналов в них невелико, что сказывается на дальности передачи. При увеличении числа подключений электропотребителей дальность передачи данных сокращается. В таких линиях уровень сигнала уменьшается из-за распределенного километрического коэффициента затухания, возрастающего с ростом частоты передаваемого полезного сигнала, а также из-за утечек тока высокой частоты через различные подключения (ответвления, электропотребители и т.п.) электросети.

При выборе схемы присоединения важно обеспечить минимальные потери в линии электросети. Так, например, если в линии между фазными и нулевыми проводами включены осветительные приборы, то схема присоединения должна быть «фаза-фаза» во избежание дополнительных потерь в этих приборах. При малом числе неоднородностей в линиях электросети и большой их протяженности также целесообразна схема «фаза-фаза», имеющая значительно меньший распределенный километрический коэффициент затухания, чем схема«фаза-земля».

Для обеспечения работы канала по всем направлениям электрической сети на разъединителях в местах разрыва цепи необходима установка обходных устройств (высокочастотных перемычек). Устройство, в зависимости от рабочего напряжения электросети и ее конструктивных особенностей, может выполняться в нескольких вариантах. Широкое применение находит гальванический способ присоединения через специальные устройства гальванической и частотной развязки. Такое присоединение обеспечивает минимум потерь для сигналов при высокой надежности и стабильности устройства. Подключение PCL-модемов в этом случае может выполняться по схемам «фаза-земля», «фаза-фаза», «две фазы-фаза» и «три фазы-земля».

Таким образом, анализ параметров электросети и требований к качествуэлектрической энергии выявил следующее:

- оценка параметров электросети и качества электрической энергии проводится в соответствии с требованиями нескольких национальных и межгосударственных стандартов, в соответствии с которыми допустимые отклонения параметров ограничены сравнительно жестким диапазоном;

- привнесение любого сигнала, в том числе и информационного, к исходному синусоидальному напряжению электросети неизбежно приводит к искажению его параметров;

- на устройства, предназначенные для передачи данных по линиям электросети, накладывается ограничение по уровню информационного сигнала — отклонение параметров электросети и качества электрической энергии, вызванное его внесением, не должно превышать допустимых стандартами международной энергетической комиссии значений.

Анализ физических особенностей построения и функционирования электрических сетей и возможности их использования в качестве канала связи ТСО посредством использования PLC-модемов позволяет выделить ряд достоинстви недостатков технологии PLC.

К достоинствам технологии PLC относятся:

- отсутствие необходимости прокладки отдельных информационных проводных линий;

- низкие требования к физическим параметрам проводов линий электросети, проложенных на объектах;

- сравнительно малое время и низкие трудозатраты при развертывании на объекте PLC-оборудования, использующего в качестве каналов связи линии электросети;

- отсутствие необходимости получения разрешения на использование радиочастот и регистрации приемо-передающего оборудования, как это требуется для организации радиочастотного канала связи;

- возможность применения алгоритма подавления шумовых сигналов, возникающих в отдельных диапазонах частот, используемых PLC-оборудованием для передачи данных по электросетям линий электропередач системы общего назначения.

К недостаткам технологии PLC относятся:

- кондуктивные и индуктивные помехи в линиях электропередач и окружающем пространстве, создаваемые в процессе передачи данных по электросети, оказывают отрицательное влияние при совместном использовании PLC-оборудования и аппаратуры цифрового телевидения и коротковолнового радиовещания;

- низкая скорость обмена данными в информационной сети, использующей линии электросети, ввиду разделения ресурсов канала связи между всеми устройствами, входящими в состав информационной сети, с учетом физических ограничений скорости обмена данными;

- наличие в электросети вспомогательного оборудования, такого как сетевые фильтры, источники бесперебойного электропитания и др., приводитк дополнительному ослаблению полезного сигнала;

- качество связи находится в прямой зависимости от количества и типов включенных в электросеть бытовых электроприборов (энергосберегающие лампы, импульсные блоки питания, зарядные устройства, выключатели освещения и др.).

Оценивая целесообразность применения линий электросети в качестве каналов связи ТСО подсистемы объектовой,можно констатировать следующее:

- Электрооборудование, входящее в состав линий электропередач и электроустановок систем электроснабжения, включает устройства, функционирование которых оказывает отрицательное влияние или полностью препятствует передаче информационного сигнала.

- Электрооборудование потребителей при работе неизбежно вносит помехи в линии электросети систем электроснабжения общего назначения в широком частотном диапазоне. Уровень и интенсивность вносимых помех не постоянны и изменяются с течением времени, в зависимости от количества включенного электрооборудования, характера его нагрузки и плотности его распределения на отдельных участках линий. Указанные факторы не позволяют эффективно применять методы компенсации подобного рода помех и обеспечивать устойчивость и надежность канала связи по всей протяженности линий электросети. Кроме того, значительная часть электрооборудования бытового назначения не сертифицирована либо имеет сертификат, не подтверждающий соответствие требованиям действующих нормативных документов по электромагнитной совместимости.

- ТСО, предназначенные для передачи данных по линиям электросети систем электроснабжения общего назначения относятся к потенциально опасному оборудованию и требуют обеспечение защиты от поражения электрическим током, что усложняет их конструкцию и приводит к значительному удорожанию, по сравнению с ТСО, использующими традиционные каналы связи.

- Некоторые типы объектовых ТСО критичны к электромагнитному воздействию элементов линий электросети, находящихся в непосредственнойблизости от них.

- Использование линий электросети для передачи информационного сигнала, уровень которого соответствует требованиям действующих стандартов, не позволяет обеспечивать связь с удаленными объектами, что обусловлено высоким значением распределенного километрического коэффициента затухания.

С учетом указанных ограничений, применение канала связи, использующего линии электросети в качестве интерфейса объектового подсистемы объектовой целесообразно на объектах, не представляющих общественной значимости (отсутствует сосредоточение материальных ценностей), а также на которых преступные посягательства не могут привести к крупному или значительному ущербу собственнику имущества. При этом следует учитывать, что обязательным условием применения канала связи с использованием линии электросети на данных объектах является их электропитание от одной трансформаторной подстанции. Указанное условие выполнимо в случае, если объектом охраны является, например, отдельное здание или жилые и хозяйственные постройки в составекоттеджных, дачных или иных поселков.

Отдельные категории объектовых ТСО (например, извещатели охранные объемные оптико-электронные, извещатели охранные объемные радиоволновые) имеют повышенную чувствительность к воздействию внешних электромагнитных полей, что, при наличии близкорасположенных линий электросети, может привести к сбоям в их работе.

Используя линии электросети в качестве канала связи ТСО, представляется целесообразным использовать ее и для электропитания ТСО. Однако, в данном случае возникает проблема при организации резервирования электропитания ТСО на случай отключения напряжения электросети. И, если обычно резервирование осуществляется за счет общего для группы ТСО источника электропитания вторичного с резервом, питающего ТСО по слаботочным проводным линиям, то для каждого ТСО, питающегося непосредственного от электросети, потребуется установка индивидуального автономного источника электропитания.

Использование в качестве автономного источника электропитания ТСО свинцово-кислотных аккумуляторных батарей или гальванических элементов значительно удорожит затраты на эксплуатацию и обслуживание системы охранной сигнализации, а применение общего источника электропитания вторичного с резервом потребует прокладки дополнительных слаботочных проводных линий в объеме, сопоставимом с объемом линий систем, использующих в качестве канала связи выделенные проводные линии. Данное обстоятельство лишает систему передачи данных с использованием линий электросети основного преимущества перед системами, использующими традиционные каналы передачи данных, в силу чего решение о целесообразности оснащения различных типов ТСО данной технологией передачи данных должно приниматься исходя из их функционального назначения и требуемых материальных затрат наэксплуатацию и обслуживание.

Несмотря на указанные недостатки, ТСО подсистемы объектовой СЦН с использованием электросети в качестве канала могут быть востребованы при организации охраны нестационарных объектов временного размещения (например, выставочные экспозиции, объекты, задействованные при проведении массовых мероприятий, и др.), когда использование ТСО с традиционными каналами связи технически невозможно илиэкономически нецелесообразно.

Также, при необходимости, возможным применением передачи данных по линиям электросети является организация на его основе резервного канала связи подсистемы объектовой.

Рассматривая возможность применения линий электросети в качестве канала связи подсистемы передачи информации СЦН, нельзя не упомянуть присущие ей особенности. Спецификой функционирования подсистемы передачи информации является необходимость обеспечения протяженного канала связи между подсистемой объектовой и подсистемой пультовой. На практике расстояния между пунктом централизованной охраны (далее — ПЦО) и охраняемыми объектами варьируется от сотенметров до десятков километров, при этом охраняемые объекты распределены на большой территории в различных направленияхот ПЦО. В крупных или территориально рассредоточенных населенных пунктах в составсистемы энергоснабжения могут входить несколько распределительных подстанций.Прохождение информационного сигналана практике реализуемо только на участкеот потребителя (охраняемого объекта) дотрансформаторной подстанции, причем нарасстояния, не превышающие несколькихсотен метров. При необходимости передачиданных на большие расстояния потребуетсявведение дополнительного оборудования —ретрансляторов, что создаст трудности организационно-технического характера и значительно увеличит затраты на эксплуатациюи обслуживание СЦН. Кроме того, увеличение протяженности линий электросетиотрицательно сказывается на надежности передачи информационного сигнала. В случае электропитания охраняемыхобъектов и ПЦО от разных трансформаторных подстанций, передача информационного сигнала между ними технически невозможна. Принимая во вниманиеизложенное, считаем, что применение в качестве канала связи подсистемы передачи информации СЦН линий электросетивозможно в крайне ограниченном числеслучаев, когда выполняются условия малого взаимного удаления и электропитания от общей трансформаторной подстанции охраняемого объекта и ПЦО.

Кроме того, линии электропередач, проложенные на участке между охраняемыми объектами и ПЦО, являются собственностью предприятия, осуществляющего энергоснабжение, для которого пригодность линий для передачи информационных сигналов не имеет никакого значения. Более того, информационный сигнал в данном случае является помехой, снижающей качество электроэнергии электросети. Высокая надежность передачи данных по линиям электропередач в подобных условиях не может быть гарантирована, так как надежность работы СЦН определяется, в том числе, и качеством используемого ею канала связи.

Итогом рассмотрения возможности использования линий электросети в качестве каналов связи СЦН можно считать следующее утверждение: технология PLC, несмотря на все свои недостатки, заслуживает всестороннего изучения и имеет перспективы внедрения в деятельность вневедомственной охраны Росгвардии.

Информация и фото с https://algoritm.org/arch/arch.php?id=93&a=2263