Permettre les communications de réseaux électriques intelligents dans les zones rurales

Dans un réseau électrique intelligent, il est essentiel de disposer d'une structure de communication fiable pour échanger les données nécessaires afin d'optimiser la consommation énergétique et la rentabilité. Dans les zones rurales, où la combinaison de faible densité de population, de distance et de terrain constitue souvent un frein pour les autres méthodes de communications, les solutions de communication par courants porteurs en ligne (CPL) représentent un moyen pratique pour communiquer des données. Les ingénieurs désireux d'intégrer les communications dans les compteurs intelligents ou dans les systèmes de récupération de l'énergie liés à un réseau électrique pourront tirer parti des dispositifs proposés par certains fabricants comme Atmel, Cypress Semiconductor, STMicroelectronics et Texas Instruments dans leurs conceptions CPL.

Dans les zones rurales, les lignes électriques constituent souvent la meilleure option pour garantir des communications de réseaux électriques intelligents fiables et rentables. Dans ces zones, les points de terminaison utilisateurs sont typiquement largement dispersés géographiquement, et des alternatives telles que les technologies sans fil offrent une portée insuffisante, tandis que les liaisons câblées ou cellulaires large bande ne sont pas disponibles ou pas suffisamment fiables. En réponse à ces alternatives, le CPL offre un mécanisme fiable et rentable pour l'échange de données entre les compteurs intelligents du fournisseur et du consommateur.

Conception CPL

Dans une conception de modem CPL typique, la fonctionnalité clé est assurée par un circuit d'entrée analogique (AFE) et par un processeur (Figure 1). Tandis que le circuit AFE gère les opérations analogiques, notamment la transmission et la réception des signaux, le processeur exécute la pile logicielle de communications associée à un protocole CPL particulier.

Figure 1 : En plus du couplage, du filtre passe-bande et de la protection du circuit, les modems CPL associent un circuit d'entrée analogique (AFE) pour la transmission et la réception de signaux à un microcontrôleur pour le traitement de la pile de communications (avec l'autorisation de Texas Instruments).

Pour créer une solution CPL, les concepteurs peuvent combiner des circuits AFE autonomes, tels que les modèles AFE030 et AFE031 de Texas Instruments, avec des microcontrôleurs externes, tels que les microcontrôleurs Piccolo C2000 C28x de Texas Instruments. Avec cette approche, les concepteurs peuvent adapter les performances des modems CPL en sélectionnant des microcontrôleurs à plus hautes performances, tels que les microcontrôleurs multicœurs Concerto de Texas Instruments, qui combinent un cœur C2000 C28x et un cœur ARM Cortex-M3. En réalité, pour des schémas de modulation plus avancés, tels que le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) mentionné ci-dessous, des processeurs multicœurs à plus hautes performances peuvent être requis pour gérer des piles logicielles de communications plus complexes.

Les concepteurs peuvent également faire leur choix parmi un large éventail de solutions CPL qui intègrent des parties de plus en plus importantes de la pile de communications CPL sur une seule puce. Par exemple, le modèle CY8CPLC10 de Cypress Semiconductor intègre une couche PHY et des couches inférieures de la pile de protocole réseau, tandis que le modèle CY8CPLC20 va plus loin, en intégrant la fonctionnalité du modèle CY8CPLC10 avec un cœur Cypress PSoC capable d'exécuter des piles CPL plus complexes (Figure 2).

Figure 2 : Les fabricants offrent des solutions CPL qui fournissent des niveaux croissants d'intégration. Par exemple, le modèle CY8CPLC10 de Cypress Semiconductor intègre une couche PHY et une pile de protocole réseau, tandis que le Cypress CY8CPLC20 intègre la fonctionnalité du CY8CPLC10 avec un cœur PSoC pour le traitement d'une pile entière (avec l'autorisation de Cypress Semiconductor).

Bandes de fréquences

Les fréquences de fonctionnement CPL sont limitées par les réglementations régionales à des bandes spécifiques. En Amérique du Nord et au Canada, le CPL fonctionne sur une bande de fréquences allant de 10 kHz à 490 kHz comme spécifié par la section 15 de la FCC (Federal Communications Commission). En Asie et au Japon, elle fonctionne sur une bande de fréquences allant de 10 kHz à 450 kHz comme spécifié par l'ARIB (Association of Radio Industries & Businesses). En Europe, la norme EN50065 du CENELEC (Comité européen de normalisation électrotechnique) définit différentes bandes basse fréquence, notamment la bande A (3 kHz à 95 kHz) et la bande B (95 kHz à 125 kHz) pour les communications CPL, ainsi que la bande C (125 kHz à 140 kHz) et la bande D (140 kHz à 148,5 kHz) pour les applications associées. En Chine, l'EPRI (Electric Power Research Institute) spécifie une bande de 3 kHz à 500 kHz.

À l'aide de circuits AFE autonomes ou de dispositifs CPL intégrés, les fabricants prennent en charge des bandes de fréquences et des schémas de modulation spécifiques dans différentes gammes de dispositifs. Par exemple, les modèles AFE030 et AFE031 de TI prennent en charge les bandes A, B, C et D de la norme EN50065 du CENELEC, tandis que les modèles CY8CPLC10 et CY8CPLC20 de Cypress prennent en charge un fonctionnement selon les normes CENELEC EN50065 et FCC partie 15. De la même façon, la série de dispositifs CPL de STMicroelectronics prend en charge des bandes de fréquences régionales spécifiques : par exemple, les modèles ST7538Q et ST7540 de STMicroelectronics sont conçus pour prendre en charge la norme CENELEC EN50065, tandis que le modèle ST7580 de ST prend en charge les normes ARIB, CENELEC EN50065 et FCC partie 15.

Bruit de ligne électrique

Dans les bandes de fréquences attribuées, les systèmes CPL doivent faire face à un environnement électrique très bruyant. Les lignes électriques sont bombardées de sources de bruit évoluant constamment, notamment le bruit impulsif, le bruit provenant des moteurs et les harmoniques provenant des alimentations et d'autres sources lorsque les usagers allument et éteignent leurs différents appareils, outils et équipements (Figure 3).

Figure 3 : Les lignes électriques basse tension sont remplies de sources de bruit qui varient selon l'utilisation des usagers, avec notamment du bruit impulsif (A) et du bruit large bande, même de petits appareils électroménagers, tels que le support de recharge d'une brosse à dents électrique (B). (A : avec l'autorisation de Texas Instruments ; B : avec l'autorisation d'Echelon Corporation)

Le bruit de la ligne électrique est effectivement hautement variable : une bande spécifique peut offrir un canal de communication clair pendant un certain temps, avant d'être envahie par des bruits intermittents provenant de sources situées dans la maison, le bureau ou l'exploitation de l'utilisateur. En conséquence, les récepteurs CPL doivent extraire des signaux provenant de sources présentant des caractéristiques signal/bruit hautement défavorables.

Les dispositifs CPL disponibles, notamment les modèles ST7538Q, ST7540 et ST7580 de ST, fournissent une modulation par déplacement binaire de fréquence (B-FSK), qui offre une immunité aux fluctuations d'amplitude et aux interférences de bande proche. Bien que les schémas de modulation FSK constituent une bonne solution dans des environnements où les caractéristiques signal/bruit sont médiocres, le bruit large bande affectant la plupart des lignes électriques nécessite des schémas de communications plus robustes.

Modulation résistant aux bruits

Pour atténuer les effets des sources de bruit de ligne électrique variant énormément lors de la transmission de signaux CPL, les émetteurs-récepteurs CPL, tels que le modèle ST7570 de STMicroelectronics, offrent une modulation par déplacement de fréquence étalée (S-FSK) spécifiée dans la norme CEI 61334, régissant l'utilisation du CPL dans les compteurs. Pour les applications encore plus exigeantes, les concepteurs peuvent tirer parti de la prise en charge de la technologie OFDM dans les dispositifs CPL, tels que le modèle ST7590 de ST et le modèle AFE030/31 de TI. Étant donné que la technologie OFDM utilise plusieurs canaux, elle est particulièrement bien adaptée à une utilisation dans des applications bruyantes comme les communications par courants porteurs en ligne.

Deux normes reconnues en matière de CPL, la PRIME (Power line Intelligent Metering Evolution) et la G3, spécifient la technologie OFDM pour atténuer les bruits sur les lignes électriques trop bruyantes pour les communications. En réalité, la norme G3 intègre une méthode adaptative qui permet aux dispositifs CPL conformes de désactiver les communications dans les sous-bandes présentant des interférences de bruit importantes. Grâce à ses performances élevées dans des environnements bruyants, cette norme est adaptée non seulement aux lignes basse tension qui fournissent une alimentation aux usagers, mais également pour fournir des communications à travers des transformateurs vers les concentrateurs de données généralement installés sur des lignes à moyenne tension reliant les transformateurs aux sous-stations d'alimentation du fournisseur d'énergie électrique.

En raison de la complexité de ces protocoles, les modems CPL compatibles nécessitent des dispositifs CPL tout aussi complexes. Par exemple, le circuit intégré CPL AFE031 de TI prend en charge les normes PRIME et G3. Cependant, pour le processeur associé nécessaire pour exécuter les piles logicielles de communications respectives, TI recommande d'utiliser des microcontrôleurs hautes performances tels que ceux de sa gamme Concerto à double cœur.

Parmi les dispositifs CPL intégrés disponibles, les modèles ATPL230A et ATPL250A d'Atmel sont des circuits intégrés de modem CPL conformes aux normes PRIME et G3, respectivement. Ces deux dispositifs sont conçus pour fonctionner avec des microcontrôleurs hautes performances, tels que ceux de la gamme SAM4C d'Atmel. Pour les concepteurs cherchant une solution monopuce, le microcontrôleur CPL ARM Cortex-M4 SAM4CP16B double cœur d'Atmel prend en charge les normes PRIME et G3 dans une seule puce, qui intègre la couche PHY et la pile de communications CPL fournie par Atmel (Figure 4).

Figure 4 : Pour les conceptions CPL conformes aux normes PRIME et G3, les ingénieurs peuvent se baser sur un ensemble double puce comprenant le dispositif CPL ATPL2x et le microcontrôleur SAM4C d'Atmel ou sur le modèle SAM4CP16B, une solution monopuce offrant des fonctionnalités équivalentes à l'ensemble double puce (avec l'autorisation d'Atmel).

Kits de développement

Pour essayer de mieux gérer la complexité de la conception CPL, les concepteurs ont le choix entre plusieurs kits de développement combinant des circuits intégrés, des processeurs et des logiciels essentiels en matière de CPL. Le kit de développement CY3274 de Cypress Semiconductor Corp permet aux développeurs souhaitant utiliser le dispositif CPL intégré CY8CPLC20 de Cypress de démarrer rapidement (voir Figure 2).

Le kit de développement STEVAL-IPP004V1 de STMicroelectronics fournit un module entièrement compatible avec la norme PRIME et conçu autour du dispositif CPL ST7590 et du microcontrôleur STM32F103 de ST, un produit de la gamme de microcontrôleurs ARM Cortex-M STM32 F1 hautes performances.

Enfin, le kit de développement de modem de ligne électrique C2000 TMDSPLCKIT-V3 de TI combine le circuit AFE031 et le microcontrôleur C28x Piccolo TMS320F28069 avec une suite logicielle CPL qui prend en charge les technologies S-FSK et OFDM pour le développement de solutions CPL conformes aux normes PRIME ou G3.

Conclusion

Dans les zones rurales, le CPL peut constituer une solution efficace pour relier les compteurs intelligents, les appareils électroménagers et les équipements au réseau électrique intelligent. Toutefois, la combinaison des contraintes réglementaires, des normes internationales et des caractéristiques des lignes électriques peuvent représenter des difficultés importantes pour les concepteurs. En tirant parti des microcontrôleurs et circuits intégrés CPL disponibles, les concepteurs peuvent mettre en œuvre plus facilement des solutions CPL capables de fonctionner sur des lignes à basse tension et, à travers des transformateurs, vers des réseaux de distribution d'énergie à moyenne tension.

Pour plus d'informations sur les composants abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages des produits sur le site Web de DigiKey.