Makel Elektrik Sayaçları “AC” Elektrik Hatları Üzerine Haberleşme (PLC)

10.12.2023

Ali Türkmen - ali.turkmen@makel.com.tr

Makel Elektrik A.Ş. / R&D - Hardware Engineer

Otomatik Sayaç Okuma Sistemi (OSOS)

Sayaçlar, elektrik tüketimi ve durumu gibi verileri otomatik olarak toplayıp, merkezi veri tabanına aktarılmasını sağlayan teknolojiyi temsil etmektedir. Ayrıca sayaçlar, verilerin daha kolay, pratik ve az maliyetle faturalanmasına imkân sağlamaktadır. Bu teknoloji elektrik dağıtım birimlerinin, bir sayacı okumak için fiziksel konumunun periyodik olarak okunmasını ve masraflarından kurtulmasını sağlayarak en önemli avantajlarından birini sunmaktadır.

Diğer bir avantajı ise faturalandırmanın gerçek zamanlıya yakın tüketime dayalı olabilmesidir. Bu zamanında bilgi analizi ile birleştiğinde hem hizmet sağlayıcısının hem de müşterinin, elektrik enerjisini kullanımının ve üretiminin daha iyi kontrol edilmesine yardımcı olmaktadır. OSOS teknolojileri, telefon platformlarını (kablolu ve kablosuz), radyo frekansını (RF) veya elektrik AC hattı üzerinde haberleşmeyi (PLC), mobil ve ağ teknolojilerini içerir.

PLC – Power Line Communication -

PLC; Elektrik AC hatları üzerine haberleşme aynı zamanda güç hattı taşıyıcısı olarak da tanımlanmaktadır. Verileri aynı zamanda AC(50 veya 60 Hz frekansında) elektrik enerjisi iletimi, iletişim (PLC) sistemleri, güç hatları üzerinden veri iletimini sağlamak için bir iletişim aracı olarak kullanmaktadır.

Geçmişte elektrik hatları yalnızca elektrik iletimi için kullanılıyordu. Ancak geniş bant dâhil olmak üzere gelişmiş ağ teknolojilerinin ortaya çıkışıyla birlikte kamu hizmetleri ve hizmet sağlayıcıları uygun maliyetle beraber yüksek performanslı çözümler üretti. Böylece elektrik veya kontrol sinyallerini değil aynı zamanda yüksek hızlı veri iletmek için enerji hatları evrensel bir araç olarak kullanmaya başlanıldı.

PLC sistemleri son yirmi yılda daha popüler hale gelse de bu fikir 1800'lü yıllara dayanmaktadır. İlk PLC uygulamaları uzaktan sayaç okuma ve uzaktan yük yönetimi ile ilgiliydi.

 PLC'nin bu uygulamalara ilişkin ilk iki patenti 1898 ve 1901 yıllarında mevcuttur. Patentlerden sonra enerji hatları üzerinden ölçüm, kontrol ve koruma ile ilgili çeşitli uygulamalar ortaya çıkmış ve araştırmacılar yaygın olarak orta gerilim (OG) ve yüksek gerilim (YG) enerji hatları üzerindeki uygulamalara odaklanmıştır.

1.PLC Teknolojisi – Nasıl Çalışır?

Şekil 1. Enerji Hattı ve Veri aktarım görseli

Enerji Hattı İletişiminin temel prensibi şudur;

İki cihaz arasında veri iletilirken ve alınırken, veriler verici üzerinde modüle edilir ve modüle edilen sinyal, AC veya DC güç kaynağı voltajının üzerine bindirilir. Alıcıda, güç kaynağı voltajı ve modüle edilmiş sinyal bir filtre ile ayrılarak ve modüle edilmiş sinyalin demodüle edilmesiyle veriler çıkarılır.

1.1.PLC Teknolojisi Çeşitleri

• Düşük Frekans: 24kHz - 500 kHz
• Orta Frekans: 100 kHz ila 1 MHz
• Yüksek Frekans: 1 MHz'den yüksek

Frekans Bandı	Teknoloji Adı	Frekans Aralığı	İletim Mesafesi	Hızı	Uluslararası Standart
Dar bant	G3-PLC	24kHz – 500 kHz	Uzun	< 280 kbps	ITU-T / G.9901 ITU-T / G.9903 IEEE 1901.2
Dar bant	Prime		Uzun	< 1,0Mb/sn	ITU-T / G.9901 ITU-T / G.9904 IEEE 1901.2
Orta bant	HPLC	100 kHz -1 MH	Orta	150kbps'den 10 Mbps'ye	IEEE 1901.1
Geniş bant	HomePlug	1 MHz'den yüksek	Kısa	< 1,3 Gb/sn	IEEE 1901
Geniş bant	G.hn	1 MHz'den yüksek	Kısa	< 4,0 Gb/sn	ITU-T / G.9960 ITU-T / G.9961 ITU-T / G.9962 ITU-T /  G.9963 ITU-T / G.9964

Tablo 1.  Şebekedeki Veri Grafiği

Sayaç okuması hangi frekans aralığı çalışır;

24kHz - 500 kHz frekans aralığı genellikle otomatik sayaç okuma, arıza önleme, izleme ve koruma alanlarında kullanılabilir. Bu sistemler yeni olmasa da, akıllı şebekelerin ortaya çıkmasıyla düşük frekans uygulamaları giderek daha fazla ilgi görmektedir.

PLC Modem

PLC modem 3 ayrı kart ile tasarlanmıştır;

• DCU (data concentrator unit G3-PLC) Şekil 2.
• PLC modem (Service Node) Şekil 1.
• Data tekrarlayıcı

Şekil 2. PLC Modem (Service Node)                                  Şekli 3. DCU

DCU:

Modem ile OSOS sisteminin arayüzüdür. OSOS sisteminden internet üzerinde DCU ile haberleşir daha sonra DCU ile modem arası elektrik hat üzerinde haberleşirler.

PLC modem:

DCU’den gelen Data, elektrik hat üzerinde PLC modemden(Service Node) iletilir, sonra RS485 üzerinden sayaç ile haberleşir, sayaçtan alınan veri tekrardan DCU üzerinden OSOS’a gönderilir.

Data tekrarlayıcı:

PLC modem ve DCU aradaki mesafe çok uzak ise, modem ve DCU arasına takılır, DCU’den gelen veri tekrarlayıcı cihazına gelir ve tekrar PLC modeme(Service Node) gönderilir.

1.2.PLC Sistem Yapısı:

Şekil 4. PLC Sistem Yapısı

1 Adet DCU'ya 500 adet servis node bağlanabilir Servis node sayaçları RS485 hattı üzerinde okuyor ve her servis node cihazına 30 adet sayaç bağlanabiliyor.

1.3.PLC Modem tektik olarak nasıl çalışır;

Mikroişlemciye gönderilen sayaç verisi haberleşme pinleri (RX ve TX) basitleştirilmiş AC şebeke hattına bağlanır.

RX sinyal bağlantısı için önerilen bağlantılar Şekil 2'de gösterildiği gibidir. Dördüncü dereceden pasif geçiş bandı filtresi tasarlaması isteğe bağlıdır, ancak aşağıdaki uygulamalar için önerilir. Yüksek performans elde etmemiz için pasif filtresi eklenmesi gerekmektedir. Bu pasif geçiş bandı filtresi istenmeyen bant dışı sinyalleri ortadan kaldırır ve istenmeyen sinyal işlemci kurur.

Şekil 5.  Rx dördüncü dereceden pasif geçiş bandı filtresi

Şekil 2’de bulunan dördüncü dereceden pasif geçiş bandı filtresi hesaplama formüllüleri:

-C61= 1 / 2.π.f.Rin1-  şeklinde hesaplanır.

-C62= 1 / 2.π.f1.Zc şeklinde hesaplanır.

-C63= 1 / 2.π.f2.Zc

-L3= Zc / 2.π.f2.

-L3= Zc / 2.π.f1

Zc=R39=R40 / Rin1: Rx (Linef)'nin giriş direncidir.

• Tx Şekil 5 ‘teki gibi bağlantı yapılır.

Şekil 6. Tx bağlantısı

• AC şebeke hattına (220V AC veya 230V AC) Bağlantı Devresi:

Veriyi şebekeye birleştirme devresi, bir enerji hattı modemindeki en kritik devrelerden biridir.

Veriyi şebekeye birleştirme devresinin iki temel işlevi vardır:

1: AC şebeke hattına düşük frekanslı sinyalinin (genellikle 50 Hz veya 60 Hz) düşük voltajlı modem devresine zarar vermesini engellemektir.

2: Modemde çıkan sinyalini AC şebekesine izoleli şekilde aktarmaktadır.

Şekil 7. AC şebeke hattına birleştirme devresi gösterilmiştir.

Şekil 7. verileri AC şebekeye aktarım devresi

1.4.PLC Modem Sistemi Testi

Şekil 8. PLC modem deneme sahası

Bu teste bir adet PLC modem (Service Node) 30 adet sayaca bağlanmıştır. İlk izlenim olarak 5 gün içinde 1 saat arayla OSOS sisteminde okuma yapılarak, 1 saat arayla 30 adet sayacın veri analizi gerçekleştirildi. Elde edilen sonuçlar şu şekildedir;

30 adet sayaçtan 26 adeti %100 başarılı ve 4 adet okuma başarısız olmuştur. Başarısız olarak elde edilen sonuçlar da denemeler sonucunda sayaç iyileştirmeleri üzerine çalışmalar yapılmıştır.

Şekil 9 – detaylı bir şekilde raporlanmıştır.

Şekil 9. OSOS sisteminde görünen sayaç başları ve başarısız veri okuması.

1.5.Uygulamalar – Enerji Hattı Haberleşmesi Nerede Kullanılır?

PLC teknolojisi, Akıllı Bina, Akıllı Fabrika, Akıllı Şebeke, Akıllı Şehir vb. sistemleri güçlendirmek için aşağıdaki sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

• Akıllı sayaç okuma sistemlerinde.
• Gelişmiş Ölçüm Altyapısı (AMI) sistemleri.
• HVAC sistemleri.
• Asansörler.
• Depolama pilleri
• Akıllı sokak lambaları
• Aydınlatma kontrol sistemleri
• Akıllı Ev Sistemleri
• Güvenlik kamera sistemler

1.6.PLC'nin Avantajları ve Dezavantajları

Avantajları:

• Düşük Uygulama Maliyeti: PLC herhangi bir yeni kablo kurulumu gerektirmez, bu da dağıtım maliyetlerini önemli ölçüde azaltır.
• Geniş Erişim: PLC, RF kablosuz sinyalinin yüksek düzeyde zayıflamaya maruz kaldığı yer altı yapıları, engelli veya metal duvarlı binalar gibi ulaşılması zor düğümlere gerek kalmadan sadece kablosuz sinyal istenmediği yerlerde iletişimi sağlayabilir. Örnek olarak hastane sistemini verebiliriz.  
• Daha Düşük Çalıştırma Maliyeti: PLC, RF kablosuz veya görünür ışıklı iletişim (VLC) sistemleri gibi mevcut diğer teknolojilerle karşılaştırıldığında düşük maliyetli bir çözüm sunar.

Dezavantajları:

• Azalan aktarım hızı: Güç genellikle düşük frekanslarda (50/60 Hz) iletildiğinden, güç hatları hızlı aktarım için optimize edilmemiştir.
• Bozulmalara karşı yüksek duyarlılık: Güç hatları parazite neden olan birden fazla cihazla paylaşıldığından.
•  Maksimum frekans bazı ülkelerde sıkı bir şekilde düzenlenmektedir: Korumasız hatlar üzerinden iletim radyo iletişim sistemlerine eşdeğer kabul edildiğinden.

Referans

[1] Specifications & User Guidelines

[2] Specification for PoweRline Intelligent Metering Evolution v1.4

[3] What Is PLC-IoT? How Does PLC-IoT Work? – Huawei

[4] HomePlug – Wikipedia

[5] White Paper G.hn Industrial IoT Use Cases Version 8.0

[6] Nessum Technical Overview Sagar, Nishant. "Powerline Communications Systems: Overview and Analysis". Rutgers. University

"G3-PLC Official Web Site". Official web site. Retrieved 6 March 2013.

IEEE P1901.2. "IEEE 1901.2-2013 - IEEE Standard for Low-Frequency (less than 500 kHz) Narrowband Power Line Communications for Smart Grid Applications". Retrieved 23 December