Durante la transizione tra i due secoli Enel, l'ente di distribuzione energetica italiana, introdusse la comunicazione dati sulle linee di potenza della sua rete elettrica. Tale coraggiosa iniziativa portò nelle case degli Italiani i cosiddetti “contatori intelligenti”, che nel tempo hanno sostituito i contatori elettrici, fornendo una serie di nuovi ed impensati servizi. Nei passati 10 anni i nuovi contatori elettronici sono stati installati con successo in 31 milioni di case definendo per il mondo un modello di misura e comunicazione dati tra contatore e concentratore. A quei tempi, la comunicazione avveniva usando la modulazione Fsk e, dalla via indicata dal visionario gigante italiano e grazie all'evoluzione tecnologica, oggigiorno ogni nazione nel mondo insegue tale innovazione con progetti simili ma con visione che va oltre gli orizzonti conosciuti per soddisfare le nuove esigenze della rete Smart Grid. Le attuali applicazioni devono provvedere funzioni sempre più evolute e i progettisti di sistema si trovano a fronteggiare una sfida che è oggi affrontabile sfruttando le caratteristiche della modulazione Ofdm che, congiuntamente alla tecnologia G3-Plc, è in grado di ampliare la larghezza di banda per trasmettere una maggior quantità di dati fornendo al contempo una più elevata affidabilità. La specifica G3-Plc rappresenta lo stato dell'arte nella Comunicazione su Linee di Potenza e definisce il protocollo per le reti di media e bassa tensione. In origine essa è stata sviluppata per consentire lo sviluppo e installazione dei contatori elettronici in Francia e i risultati del processo di validazione sperimentale sulla rete francese, condotto nel 2009, sono stati resi pubblici dall'ente di distribuzione energetica Electricité Réseau Distribution France. G3-Plc è stato testato sul campo con successo anche in altri paesi ove l'ambiente applicativo risultava più differenziato (architettura di rete, bande di frequenze, aree di installazione, ecc.) in quanto conforme alle normative nazionali del paese in oggetto.
Uno standard aperto per implementazioni Smart Grid
Fin dall'inizio G3-Plc è stato pensato e sviluppato come standard aperto per applicazioni a livello mondiale in infrastrutture di rete intelligente; oggi esso rappresenta la tecnologia di base per congiunti sforzi internazionali volti allo sviluppo di standard quali l'Ieee P1901.2 e il G.hnem/G.9955 ITU. Sin dalla introduzione dei dispositivi MAX2990 e MAX2991 (antesignani del prossimo IC totalmente conforme alla specifica G3-Plc: MAX2992), gli ingegneri Maxim hanno collaborato con i servizi pubblici e operatori di rete in tutto il mondo - tra cui Cina, Francia, Giappone, Portogallo, Spagna, Taiwan e Stati Uniti - in modo da testare la tecnologia G3-Plc in un'ampia e variegata topologia di reti distributive di potenza e relative bande di frequenza (Cenelec, Arib, Fcc, da 10 a 490 kHz). Tale collaborazione ha permesso di identificare e risolvere, attraverso svariate prove sul campo, una serie di sfide tecniche quali la gestione delle fonti di interferenza relative alla specifica area e le diverse esigenze di comunicazione.
I vantaggi della modulazione Ofdm
G3-Plc utilizza la modulazione Ofdm (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) che è una forma di trasmissione numerica multiportante dove il flusso informativo da trasmettere è, diversamente da quanto avviene nei multiplex classici a divisione di frequenza (Fdm), ripartito su un numero N di portanti tra loro ortogonali. Tale modalità ricetrasmissiva permette di superare le limitazioni di larghezza di banda e gestire i problemi relativi alle interferenze tipici della modulazione Fsk. La modulazione Ofdm massimizza l'utilizzo della banda a disposizione permettendo, in questo modo, di adottare avanzate tecniche di codifica del dato e ottenere più elevate velocità di trasferimento e più robuste comunicazioni. Per trasmettere i dati, essa utilizza un numero maggiore di vettori così da limitare l'effetto delle interferenze o qualsiasi attenuazione del segnale a una specifica frequenza aumentando la funzionalità ed affidabilità del sistema. Contemporaneamente, l'efficienza spettrale della Ofdm permette l'uso di tecniche di codifica dei dati e correzione di errore (Convoluzionale e Reed-Solomon) che rendono la trasmissione dei dati ancor più robusta. Inoltre, ulteriori schemi operativi vengono implementati, sia nel dominio del tempo che in quello delle frequenze, per ridurre la sensibilità al rumore ed assicurare un elevato successo ricetrasmissivo.
La specifica G3-Plc integra un livello fisico Ofdm per garantire un affidabile funzionamento in ambienti severi, un livello di controllo d'accesso conforme allo standard Ieee 802.15.4 che ben si adatta alla trasmissione dati a bassa velocità e un livello di adattamento 6LoWpan per la trasmissione di pacchetti IPv6 su canali powerline. La specifica include anche innovative funzioni, quali:
- elevato livello di sicurezza tramite una Mac che usa un processore di crittografia AES-128;
- compatibilità con i precedenti standard utilizzanti la modulazione S-Fsk (Iec 61.334);
- compatibilità con sistemi a banda larga (Ieee P1901 e Itu G.hn);
- conformità con le modalità trasmissive internazionali (Cenelec, Arib e Fcc, da 10 a 490 kHz);
- supporto modalità trasmissiva IPv6 per consentire la gestione dei sistemi d'energia via internet;
- mappatura adattativa dei toni al fine di ottimizzare l'uso della banda a disposizione;
- due livelli di correzione errori (Forward Error Correction) per migliorare la comunicazione dei dati in ambienti rumorosi;
- analisi del singolo canale per selezionare il regime ottimale di modulazione tra i nodi adiacenti;
- gestione protocollo di indirizzamento Mesh per determinare il miglior percorso trasmissivo tra i nodi remoti della rete.
Notevoli risparmi con la tecnologia G3-Plc
La tecnologia G3-Plc migliora le prestazioni e determina un notevole risparmio. L'avanzato schema di correzione errori implementato nell'IC Maxim permette di estendere la connessione della comunicazione attraversando i trasformatori di media tensione e bassa tensione (MT-BT). Unico nel suo genere, esso permette la comunicazione tra una linea MT e svariate linee di BT tramite l'uso di un solo modem così da ridurre il numero di concentratori richiesto (rete più semplice = risparmio / riduzione costo architettura di sistema). La modulazione Ofdm aumenta la quantità di dati che possono essere inviati; nuovamente, un unico modem sarà in grado di gestire il traffico proveniente da svariate unità remote. Ciò ridurrà drasticamente il numero di concentratori richiesto (tempo di risposta più veloce = maggiore interrogazione delle unità remote). Il suo robusto schema trasmissivo estende la distanza di comunicazione tra nodi (i test hanno superato 8 km senza ripetitori). Ciò permette di ridurre il numero di ripetitori, equiparando o migliorando ciò che attualmente risulta necessario con altri Plc o tecniche wireless (numero inferiore di ripetitori = risparmio / riduzione costo in zone remote: e.g. rurali). Infine, e ancor più importante, G3-Plc è stato definito e progettato in modalità “aperta” così da soddisfare le attuali e future esigenze di connessione tra i nodi della rete. A livello mondiale, solo gli standard Plc di Cenelec e di Fcc sono in grado di supportare un vero indirizzamento IPv6 perciò G3-Plc potrà permettere un consistente risparmio economico evitando non necessari adattamenti o aggiornamenti della rete.
I risultati dei test condotti negli Usa
Maxim ha recentemente collaborato con le società elettriche statunitensi per valutare le prestazioni di G3-Plc nelle reti di distribuzione di energia. L'obiettivo di questi test era quello di stabilire un indice di riferimento delle prestazioni in trasmissioni su lunga distanza di linee elettriche MT e attraverso i trasformatori MT-BT nella banda di frequenza Fcc (10 - 490KHz). I test sono stati effettuati utilizzando la scheda Maxim G3-Plc-Lite che comprende i dispositivi attualmente disponibili: la Mac MAX2990 e l'interfaccia analogica MAX2991. Questa scheda fornisce prestazioni simili alla futura e completa soluzione G3-Plc (MAX2992 + MAX2991) che implementerà ulteriori funzioni migliorative quali velocità trasmissive più elevate modulando in Qpsk e 8Psk, la mappatura adattativa dei toni ed il supporto alla modalità IPv6.
Test 1 - Nella prima prova è stata valutata la trasmissione sulle linee MT confermando la capacità del G3-Plc su lunghe distanze oltre 8 km. Questo test ha permesso di comunicare alla velocità di 35 kbps in modalità Bpsk e di 100 kbps in modalità 8Psk identificando anche ulteriori schemi operativi per ottimizzare il sistema trasmissivo in reti di distribuzione rurale. Durante la fase di test l'apparato, avendo misurato elevati livelli di rumore, ha commutato automaticamente in modalità robusta ottenendo una trasmissione a 14 kbps. Al fine di evitare tale riduzione di velocità è stata sperimentata manualmente la funzione di mappatura adattativa implementata nel MAX2992 da cui, spostandosi nella banda in regioni meno rumorose, si tornava ad operare con velocità di 35KHz in BPSK. Inoltre, è stata testata anche la condizione in cui un banco di condensatori fosse posizionato tra le due cabine di MT determinando una significativa attenuazione del segnale trasmesso. In questa “gravosa” situazione, la scheda G3-Plc Lite è stata in grado di trasmettere con velocità di 33 kbps a una distanza di 1 Km. Questo risultato suggerisce, in tali condizioni operative, di inserire dei ripetitori in linea qualora fossero richieste distanze operative maggiori. Inoltre, particolare attenzione andrà posta, in funzione della banda trasmissiva (Cenelec piuttosto che Fcc), nella progettazione degli accoppiatori di linea predisposti sulla scheda; tale accorgimento permetterà di migliorare l'attenuazione sino a 10dB ed estendere la trasmissione, in presenza di condensatori, sino a 5 km.
Test 2 - La seconda prova ha valutato la trasmissione lungo una distanza di 1,5 km su linee MT confermando, in modo significativo, che la tecnologia G3-Plc permette di comunicare attraversando più trasformatori MT-BT senza compromettere la velocità di trasmissione e il contenuto dei dati.
Sulla base delle prove eseguite sul campo, possiamo concludere che la tecnologia G3-Plc è in grado di comunicare a distanze superiori di un chilometro su linee MT, attraversando un trasformatore, così come sulla linea BT (spesso sotterranea) ad una velocità superiore a 50 kbps in banda Fcc e modalità 8PSK. Quando non è richiesto l'attraversamento di un trasformatore sulle linee MT, G3-Plc permetterà di comunicare a distanze di svariati chilometri e velocità superiori a 100 kbps. In termini pratici, ciò significa che un concentratore potrà asservire centinaia di contatori elettrici.
