التيارات الحاملة (منظومات -)

                                                                                أديب بطح

منظومة التيارالحامل Carrier Current System (CCS) هي نظام مصمَّم ليرسل طاقة إشارة التردد الراديوي بالتوصيل عن طريق خطوط نقل الطاقة الكهربائية، على أن يجري استقبال الإشارات المرسلة بالتوصيل عن طريق الربط المباشر بخطوط نقل الطاقة الكهربائية (حالة المشع غير المُتعمد)، أو باستقبال الإشارات المبثوثة عبر الهواء نتيجة إشعاع التردد الراديوي المحمولة عبر خطوط نقل الطاقة الكهربائية (حالة المشع المُتعمد).

وظائف منظومة التيارات الحاملة

أحد أهم وظائف منظومة CCS استخدامها لتوصيل بيانات الصوت والاتصالات ذات الحزمة العريضة broadband للعملاء، أو لتحسين إدارة شبكة توزيع الطاقة الكهربائية من خلال تسهيل أنشطة قراءة العدادات الآلية وعمليات الرصد. ومنذ أن وصلت خطوط الكهرباء تقريباً إلى كل بيت تمكن هذا النظام من توفير خدمات نقل البيانات بسرعة عالية إلى المناطق الريفية والحَضَرية، وحَسَّن المنافسة بعد أن قَدَّمت تقنيات أخرى خدمات مماثلة، مثل خطوط المشترك الرقمي DSL، أو المودِم والولوج اللاسلكي.

المفاهيم

ليس استعمال خطوط الكهرباء وسطَ اتصالٍ فكرة جديدة؛ إذ يعود تاريخ الاتصالات عن طريق خطوط نقل الطاقة إلى عام 1950 عندما استعملت هذه الخطوط وسطاً لإرسال رسائل التحكم، وكانت هذه الطريقة -التي دُعيت أيضاً بالتحكم التموجي- تتميز باستخدام الترددات المنخفضة (Hz 900-100) التي تعطي معدل سرعة نقل بت  bit rateمنخفضة. وقد وفَّر هذا النظام اتصالاً وحيد الاتجاه استُعمل للتحكم بالأحمال وإدارة إضاءة الشوارع، ثم طوِّر الاتصال الثنائي الاتجاه في نهاية الثمانينيات وبداية التسعينيات، ومنذ ذلك الحين أصبح ممكناً استعمال الترددات الأعلى بكثير من سابقاتها إلى جانب تخفيض استطاعة الإشارة المرسلة.

تاريخياً استخدمت المرافق العامة للتيار المتناوب AC مرافق توزيع خطوط نقل الطاقة الحالية لنقل المعلومات عن طريق مزاوجة طاقة التردد الراديوي RF بالأسلاك الكهربائية الموجودة في المنازل أو المباني، عملت هذه الأجهزة في الماضي على ترددات أقل من 2MHz مع إمكانات محدودة للاتصالات بسبب خصائص خطوط نقل الطاقة التي كان من الصعب الاعتماد عليها لتحقيق اتصالات عالية السرعة. ومع ذلك أدى التقدم التقني في تطوير منظومات جديدة إلى التغلب على هذه العقبات التقنية؛ فقد واصلت عِدّة مرافق وشركاتٍ تطويرَ التقانة اللازمة لتوفير عرض حزمة أعلى في الشبكات الكهربائية الموزعة في أوربا وأمريكا، إلى أن قادت تقانة الاتصالات بوساطة  خطوط نقل الطاقة الكهربائية Power Line Communication (PLC) إلى السماح بنقل البيانات العالية السرعة GHzباستخدام خطوط نقل الطاقة الكهربائية عريضة المجال Broadband over Power Line (BPL) . وقد أثبتت التجارب أن خدمات البيانات والاتصالات الصوتية العالية السرعة يمكن أن تتحقق باستخدام خطوط نقل الجهود المتوسطة MV، والجهود المنخفضة LVلشبكة توزيع الطاقة الكهربائية.

المعايير الدولية

تبنت لجنة الاتصالات الاتحادية Federal Communications Commission (FCC)  في 23 نيسان/إبريل 2003 إعلان النوايا Notice Of Inquiry (NOI) الذي يبحث عن معلومات التداخل الكهرطيسي المحتمل في منظومات BPL، والتغييرات المرتبطة التي تكون ضرورية لتوطين منظومات BPL في الجزء الخامس عشر من القواعد التي وضعتها اللجنة. ووُصفت في NOI على أنها نظام "الولوج access"، حيث ترسل منظومات BPL الإنترنت والبيانات الأخرى في ترددات راديوية على خطوط كهرباء الحيِّ، ويستخدم مستثمرو BPL المآخذ الكهربائية في المباني بوابات بيانات للحواسيب والتجهيزات الأخرى. تستفيد منظومات BPL" في البيت in-house" من شبكة توزيع الأسلاك الداخلية لربط الشبكات ضمن مباني المستثمرين.

المعايير الأساسية لنقل البيانات بوساطة  خطوط نقل الطاقة الكهربائية

1.     جودة الإشارة وثباتها:

• تقليل التذبذب: استخدام مقومات ومُرشحات Filters ووحدات تحكم لإنتاج خرج مستقر للبيانات، بدلاً من المنظومات القديمة التي كانت تعاني من تذبذب عالٍ، كما في تقنية PLC الحديثة.
• الاستقرار: ضمان إشارات خرج جيدة وذات تقلبات منخفضة لتوصيل البيانات بدقة أكبر.

2.     الخصائص الفيزيائية لخطوط الطاقة:

• المقاومة R والحثية : L المقاومة التسلسلية الناجمة عن الموصل، والحثية التسلسلية للمجال المغنطيسي للموصلات، يؤثران في الإشارة.
• الناقلية G والسعة C : الناقلية التفرعية (تيارات التسرب)، والسعة التفرعية (المجال الكهربائي بين الأطوار والأرض)، تؤثران في جودة النقل.

3.     معايير البروتوكول والتشغيل:

•  معايير الاتصال القياسية:  مثل TS EN 61334-4-61 لبروتوكولات الاتصال وتكوين الشبكة للمنظومات الذكية.
• البروتوكولات: استخدام بروتوكولات قائمة على الاتصال Connection-oriented أو من دون اتصال  Connectionless  لتنظيم تدفق البيانات.

4.     الترددات:

 تستخدم نطاقات ترددية محددة لنقل البيانات عبر خطوط الكهرباء، ويكون التردد المستخدم في المناطق المختلفة عاملاً حاسماً.

5.     الحماية من التشويش والتداخل:

 تُستخدم تقنيات متقدمة لتعديل البيانات وإزالة الضجيج noise لضمان وصول البيانات بشكل صحيح عبر الشبكة الكهربائية، كما هي الحال في المنظومات الذكية.

6.     التكامل مع الشبكة الذكية:

يتم تقييم تقنية  PLC بناءً على قدرتها على إدارة الشبكة، والتحكم في تدفق الطاقة، والاستجابة للطوارئ؛ مما يجعلها مناسبة للشبكات الذكية والعدادات الذكية .smart grids 

 بروتوكولات منظومات التيارات الحاملة

تستخدم منظومات التيارات الحاملة  CCSفي تعاملها مع خطوط الطاقة الكهربائية البروتوكولات التالية:

1-  البروتوكول X-10 ذو المواصفات الرئيسة التالية:

·      هو الأقدم ويستخدم تعديل إزاحة السعة Amplitude Shift Keying (ASK).

·      وحيد الاتجاه – المُتحكم إلى الجهاز.

·      بعض المنتجات ثنائية الاتجاه.

·      قياسياً تتحكم الإشارات على خط الطاقة بالتشغيل والتطبيقات.

·      عرض المجال الترددي المستخدم (bps 60).

·      وثوقية خاصة في البيئة المشوشة.

·      تطبيق محدود.

2-  بروتوكولConsumer Electronics Bus (CEBus)  ذو المواصفات الرئيسة التالية:

·      اتصال من نظير إلى نظير.

·      تجنب التصادم عن طريق بروتوكول التخاطب Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution & Collision Detection CSMA/CRCD)).

·      على المستوى الفيزيائي: براءة اختراع بتقانة الطيف المنثور ملك شركة Intellon Corp.

·      المسح الترددي بدلاً من القفز الترددي:

- من 100 إلى 400  kHz.

- يدعى المسح بالسقسقة chirp، ويستخدم للتزامن، ودقة التصادم، ونقل البيانات.

·      معدل نقل البيانات 10  kb/s.

3-  البروتوكول (LonWorks)  Local Operating Networkذو المواصفات الرئيسة التالية:

·      اتصال من نظير إلى نظير.

·      طورته شركة Echelon Corp.

·      يستخدم بروتوكول التخاطب CSMA.

·      تعديل بالطيف المنثور الضيق الحزمة .(kHz 125 - 140 )

·      تقنية حذف الضجيج، وصون البيانات بوجود الضجيج.

4-  البروتوكول  Home Plug 1.0ذو المواصفات الرئيسة التالية:

·      معيار شائع للشبكات المنزلية LAN، وله إصدارات متعددة، مثل HomePlug AV  وHomePlug AV2، ويوفر سرعات عالية عبر الأسلاك الكهربائية الداخلية للمنازل.

·      تنفيذ الإثرنت Ethernet من صنف شبكة في الموقع باستخدام الأسلاك الكهربائية الموجودة.

·      تخفيف الضجيج غير المتوقع.

·      تقسيم عرض المجال الترددي إلى قنوات فرعية صغيرة ومتعددة.

·      معدل نقل البيانات من 1 إلى14  Mbps .

·      يستخدم طريقة DSL، أو الكبول للإنترنت داخل المنزل.

·      تجنب التصادم عن طريق بروتوكول التخاطب CSMA/CRCD

5-  بروتوكول قناة الحماية لمنظومات CCS ذات المواصفات الرئيسة التالية:

·      CCS هي قناة تشاركية تشبه (WI-Fi).

·      الحماية الصلدة.

·      ضرورة التشفير: الحماية مقابل التعقيد.

·      تطفل وتداخل من الشبكات الفرعية المجاورة:

- مثلاً: شقق سكنية.

– تنافس، انهيار.

- مرشحات لفك الترابط وعزل الدارات.

- فصل خط الطاقة عن المُسيِّر router.

6-  بروتوكول G.hn :

·      معيار عالمي يغطي تقنيات  PLC، وEthernet، و(( Wi-Fi. يهدف إلى توحيد توصيل الأجهزة المنزلية عبر خطوط الطاقة.

7-  بروتوكول Broadband over Power Lines BPL :

·      تقنية لتوفير الإنترنت واسع النطاق عبر خطوط نقل الطاقة وتوزيعها (خطوط الجهد العالي والمتوسط)،  وتعتمد على معايير دولية، مثل ITU-T G.hn) ) لضمان توافقها مع شبكات الطاقة. 

أشكال التعديل الترددي المستخدمة في منظومات التيارات الحاملة

تعدّ طريقة التجميع بتقسيم الترددات المتعامد Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) إحدى طرائق التعديل الترددي التي تستخدمها منظومات التيارات الحاملة، والتي يتم التغلب بوساطتها على معظم صعوبات قناة الاتصال لتحقيق معدل سرعة عالية لنقل البيانات مع الحفاظ على مستويات منخفضة لنقل الطاقة الكهربائية، وتوفير أعلى مستوى من الكفاءة الطيفية والأداء.

تستند هذه الطريقة إلى تعامد الحوامل فيما بينها؛ مما يقلل من تقاطع الكلام والإسهام في رفع الكفاءة الطيفية التي تكون قريبة من معدل سرعة نايكويست Nyquist. إلى جانب ذلك يكون لدى طريقة التعديل OFDM طيف أبيض عائد إلى خصائصه الكهرطيسية؛ مما يفرض عليها التزامن الدقيق جداً بين المرسل والمستقبل؛ لأن أي انحراف في الحامل الفرعي من شأنه التأثير في التعامد الترددي. ويُعرف هذا النوع من التعديل أيضاً باسمDirect Sequence Code Division Multiple Access (DSCDMA)  الذي تم توصيفه من معهد المهندسين الكهربائيين والإلكترونيين الأمريكي   IEEEوفق المعيار 802.11 للشبكات اللاسلكية المحلية. يستخدم هذا التعديل كوداً شبه عشوائي لتعديل الحامل؛ مما يزيد من عرض النطاق الترددي للنقل ويخفض من كثافة الطاقة الطيفية، عندها يماثل طيف الإشارة الناتجة الطيف الترددي للضجيج، بحيث يعدّه جهاز المستقبل ضجيجاً باستثناء الإشارة المفيدة التي يجري التوليف عليها.

أمثلة وتطبيقات على منظومات التيارات الحاملة

1-  تقنية الاتصالات المحمولة على خطوط الطاقة الكهربائيةPower Line Carrier Communication (PLCC) : 

تسمح تقنية الاتصالات هذه بإرسال البيانات بالكبول الكهربائية الموجودة، وهذ ايعني أنه فقط مع الكبول الكهربائية الواصلة للجهاز الإلكتروني يمكن للمرء على حد سواء أن يُشغِّل الجهاز، وأن يتحكم/ويسترد البيانات في الوقت نفسه بطريقة أحادية الاتجاه. طوّرت خلال السنوات الأخيرة تقنيات اتصال على خطوط الطاقةPLC على نطاق واسع، ويعود ذلك أساساً إلىتقنيات تعديل الإشارة الجديدة المستخدمة في منظومات الاتصالات اللاسلكية التي يمكنأن تطبق أيضاً على هذه المنظومات. تقدم الاتصالات عن طريق خطوط نقل الطاقة الحديثة العديد من الإمكانات والفرص المتاحة للمرافق العامة، إضافة إلى تكامل موارد الطاقة الموزعة على شبكة التوزيع من قبل هذه التقنية فيشبكة ذكية.

أ‌-  تقانة PLCC المستخدمة:

تحمل الاتصالات باستخدام خطوط الطاقة الكهربائية PLC البيانات على النواقل التي تُستخدم أيضاً في وقت واحد لنقل الطاقة الكهربائية المتناوبة AC، أوتوزيع الطاقة الكهربائية على المستهلكين (الشكل 1). يعرف هذا العمل أيضاً باسم الحامل على خطوط الطاقة الكهربائية power line carrier، وخط المشترك الرقمي على خطوط الطاقة الكهربائيةPower line Digital Subscriber Line  (PDSL) ، والاتصالات على خطوط الطاقة الكهربائية (PLT)Power Line Telecommunication ، والشبكات على خطوط الطاقة الكهربائية Power line Networking (PLN)، ونقل البيانات بسرعة عالية باستخدام خطوط الطاقة (BPL). في حين أن فكرة إرسال إشارات الاتصالات على زوج الأسلاك ذاته - المستخدم لتوزيع الطاقة - هي فكرة قديمة قدم التلغراف نفسه، بحيث إن عدد أجهزة الاتصالات المركبة على الأسلاك المخصصة لذلك يفوق بكثير عدد مآخذ التيار الكهربائي المتناوب المركبة على هذه الأسلاك؛ ويعود السبب في ذلك إلى وجود بعض الإغفال لإمكان تنفيذ الاتصالات عن طريق حوامل التيار الكهربائي المتناوب حتى العقود الأخيرة.

في عام  1920 صدرت براءتا اختراع تحملان الأرقام 1607668 و1672940 تخص شركة الهاتف والبرق الأمريكية في مجال "انتقال الحامل عبر دارات الطاقة الكهربائية". وفي عام 1924 ظهر نظام لإرسال إشارات الاتصالات واستقبالها عبر خطوط الطاقة الكهربائية المتناوبة الثلاثية الطور. واقترح آخرون أن ماكان مطلوباً في حالة الاتصالات عبر خطوط الطاقة الكهربائية للانتقال ضمن تدفق التيار الرئيسيكان النسخة التجارية لتقانة الطيف المنثور العسكرية، كذلك قيل إن هذا العمل كان مطلوباً للتغلب على الخصائص القاسية وغير المتوقعة لوسط خطوط الطاقة الكهربائية. كانت الاتصالات التجارية بالطيف المنثور عن طريق خطوط الطاقة الكهربائية محط اهتمام تطوير البحوث والإنتاج في عدد من الشركات منذ أوائل الثمانينيات، وبعد ما يقرب من عقدين من التطوير بقيت تقانة الطيف المنثور على وعدها في توفير المنتجات اللازمة لانتشار الاتصالات عن طريق خطوط الطاقة.

الشكل (1) تقانة PLCC لنقل البيانات بسرعة منخفضة وعالية.

ب‌-     الاتصالات عن طريق خطوط الطاقة الكهربائية لنقل البيانات بحزمة ضيقة أو بحزمة عريضة  PLC Narrowband and Broadband

تستعمل تقنية الاتصالات عن طريق خطوط الطاقة الكهربائية البنية التحتية لمرافق توزيع الطاقة لتسليم محتوى البيانات. ويعد حامل البيانات بحزمة عريضة على خطوط الطاقة الكهربائية PLC تطوراً حديثاً نسبياً لتقانة الحامل على خطوط الطاقة الكهربائية التي استخدمت في المرافق العامة منذ الأربعينيات لتحقيق نظام بسيط للقياسات عن بعد، ونظام تحكم بدائي لمراقبة المعدات الكهربائية. وفي حين يعمل حامل البيانات بحزمة ضيقة على خطوط الطاقة الكهربائية NPLC على ترددات في المجال الترددي 200-500 كيلو هرتز، ومعدل سرعة في نقل البيانات تكون بوحدات الكيلوبت في الثانية يعمل حامل البيانات بسرعة عالية على خطوط الطاقة الكهربائية BPL في المجال الترددي 2-30 ميغا هرتز، ويكون قادراً من الناحية النظرية على دعم نقل البيانات بمعدل سرعة تكون بوحدات الميغابت و الغيغابت في الثانية، ويتوقف هذا على نسبة الإشارة إلى الضجيج، ويبين الجدول (1) أهم مواصفات هذه التقنية.

جـ- البنية الكهربائية لمنظومات الاتصالات المحمولة على خطوط الطاقة الكهربائية:

تستخدم منظومات  PLCCأيضاً خطوط الجهد العالي ذاتها الواصلة بين المحطات الفرعية لغرض الاتصالات. كما تستفيد منظومات  PLCCمن مرافق الطاقة الكهربائية لاستعمالها خدمة اتصالات أولية لنقل الكلام، والقياس عن بعد، وحماية الأوامر السريعة.

يعدّ هذا النظام اقتصادياً وموثوقاً لنقل الرسائل عن طريق الشبكة الكهربائية الداخلية كإشارات بمعدل بت منخفض، ويجري مزج الصوت/البيانات على حاملتردد راديو بالمجال(40-500 كيلو هرتز)، ومن ثم تضخيم الإشارات الناتجة لتصل إلى مستوى 10-80W، وبعد ذلك يجري حقنها في خطوط الجهد العالي باستخدام مكثف ربط مناسب قيمته 4000 إلى 10000 pF، ويوضح الشكل (2) مثالاً على ذلك.

الشكل (2) البنية الكهربائية المختصرة لمنظومات PLCC.

يبين الشكل (3) التطبيق العملي لمنظومات PLCC لتحميل البيانات على النواقل التي تستخدم أيضاً في وقت واحد لنقل الطاقة الكهربائية المتناوبة AC، أوتوزيع الطاقة الكهربائية للمستهلكين.

الشكل (3) التطبيق العملي لنظام PLCC.

د- وحدة الموافقة مع خطوط الطاقة الكهربائية Line Matching Unit (LMU):

وظيفتها تحقيق توافق الممانعة بين الخطوط والأكبال المحورية، وتشمل دارة طنين LC مولفة على تردد الحامل HF لمنعه من الدخول إلى الدارة التفرعية (L=0.5 to 2mH)، وعناصر الحماية من الجهد العالي، مثل الملف الخانق (20 mH)، ومانع النبضات(V 500)، وملف عزل الأرض.

2- تطبيقات PLC:

تُستخدم تجهيزات خطوط الطاقة الكهربائية للتطبيقات التالية:

أ‌-  الاتصالات باستخدام التيارات الحاملة :Carrier Communication

وسيلة تُمكن الأشخاص في محطات الطاقة الكهربائية، وفي محطات الاستقبال من اتصال بعضهم  ببعض.

ب‌- القياسات عن بعد باستخدام التيارات الحاملة Carrier Telemetering:

القياسات عن بعد هي عملية تقدم بيان الدلالات، أو تقوم بتسجيل الكميات الفيزيائية في موقع بعيد من نقطة القياس. وتُعبّر الكميات الفيزيائية في منظومات الطاقة المَقيسة عن بعدعن الكميات الكهربائية - مثل الكيلو واط، الكيلو فارس، الجهد والعديد من الكميات الأخرى - في حوامل القياس عن بعد من خلال نظام قياس سرعة النبضات، والتردد أو نظام قياس معدل التغير النبضي تبعاً لسعة مطال الكمية المَقيسة عن بعد. تكون مدة النبضات في نظام قياس دوام مدة النبضة متناسبة مع سعة مطال الكمية المَقيسة عن بعد، ونظام القياس النبضي عن بعد يكون مقيساً عن بعد من قبل قنوات الحوامل المناسبة.

جـ- خدمات الاتصالات Telecommunication Services:

تتميز شبكات   PLCالحالية بالقدرة على الوصول إلى السرعة (Mbps, Gbps)، ومن ثم يمكن أن يتم تسليم الخدمات الهاتفية والإنترنت بسرعة عالية من خلال شبكات PLC  ذات السرعة العالية.

د- منظومات الأتمتة الصناعية Industrial Automation

يمكن لشبكات الاتصالات PLCفي البيئة الصناعية أن تستعمل لإعطاء الطاقة الكهربائية للخدمات ذات الصلة، مثل قراءة العدادات، وإدارة الطلبات والفواتير من بعد، وكذلك أيضاً لإعطاء الخدمات قيمةً مضافة، مثل التحكم من بعد والأمن والتشغيل الآلي والتعليم والمعلومات وفرص الأعمال التجارية الإلكترونية. من ناحية أخرى فإنه من الممكن أيضاً تقديم خدمات الاتصالات السلكية واللاسلكية، مثل الاتصالات الهاتفية التقليدية والإنترنت.

هـ- طرق النفاذ من نهاية إلى نهاية لمنظومات خطوط الطاقة الكهربائية العريضة المجال  -End-to-End Access BPL

تستخدم منظومات من نهاية إلى نهاية النفاذ لخطوط الطاقة الكهربائية العريضة المجال BPL مزيجاً من خطوط نقل الطاقة الكهربائية المنخفضة الجهد LV ومتوسطة الجهد MV، أو خطوط نقل الطاقة الكهربائية المنخفضة الجهد LV فقط، بحيث تمثل هذه المنظومات بنية النفاذ التقليدية BPL. في هذه الحالة يجري حقن إشارة BPL وتحميلها باستخدام خطوط نقل الطاقة الكهربائية المتوسطة الجهد، ثم تحول الإشارة إلى خطوط نقل الطاقة الكهربائية المنخفضة الجهد عن طريق وصلات ربط، أو عبر محولات قبل تسليمها مباشرة إلى المستخدم النهائي (الشكل 4).

الشكل(4) نظرة عامة لنظام نفاذ BLP من نهاية إلى نهاية.

و‌-     النفاذ الهجين لنظام BPL:

تستعمل المنظومات الهجينة مزيجاً من خطوط نقل الطاقة الكهربائية ومنظومات البث اللاسلكي. على سبيل المثال: جرى في المدة الأخيرة تطوير نظام هجين آخر متمثل بالتقاط الإشارات اللاسلكية المرسلة في الهواء وضخها مباشرة على خطوط نقل الطاقة الكهربائية المنخفضة الجهد LV، ومن ثم تسليمها إلى المستخدم النهائي (الشكل 5).

الشكل (5) نظرة عامة لنظام نفاذ BLP هجين.

الآفاق المستقبلية لمنظومات التيارات الحاملة

تستعمل النظم الجديدة استخدام تقنيات الطيف المنثور أو الحوامل المتعددة مع خوارزميات مُدمجة لإبطال الضجيج في خطوط نقل الطاقة، فعلى سبيل المثال يتم استخدام التقسيم المضاعف للتردد المتعامد  OFDMلتوزيع إشارة BPL بوساطة نطاق ترددي عريض باستخدام العديد من الحوامل الفرعية ذات النطاق الترددي الضيق.