เครือข่ายอัจฉริยะที่กำหนดค่าได้เองและปรับเปลี่ยนได้อย่างเต็มที่ ซึ่งเชื่อมต่อผู้ผลิตไฟฟ้ากับผู้บริโภค ถือเป็นหัวใจสำคัญของโครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะ โครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะสร้างแพลตฟอร์มเครือข่ายข้อมูลที่แข็งแกร่ง ซึ่งช่วยให้สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบสองทิศทางสำหรับแหล่งจ่ายไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้าทุกชนิดที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจสอบการทำงานและสภาวะผิดปกติของโครงข่ายไฟฟ้าจากระยะไกลและแบบแอคทีฟ จึงมอบประโยชน์จากโครงข่ายไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงที่ควบคุมและควบคุมการจ่ายไฟฟ้าและการใช้ไฟฟ้าโดยอัตโนมัติ โดยไม่เกิดความล้มเหลวหรือไฟฟ้าดับ

การใช้การสื่อสารผ่านสายไฟฟ้า (PLC) และคลื่นความถี่วิทยุกำลังต่ำ (RF) เป็นสื่อกลางการสื่อสารสำหรับโครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะมีข้อได้เปรียบหลายประการเหนือเครือข่าย RS-485 แบบคู่บิดเกลียว เนื่องจากไม่มีสายเคเบิลข้อมูลระหว่างโหนด PLC และ RF จึงติดตั้งง่ายกว่าและประหยัดกว่า อีกทั้งยังให้ความปลอดภัยในการสื่อสารที่ดีกว่า RS-485

เทคโนโลยีเครือข่าย RF พลังงานต่ำ

เครือข่าย RF กำลังต่ำ หมายถึงการใช้ความถี่ 315 MHz/433 MHz/780 MHz/2.4 GHz ที่มีกำลังส่งเท่ากับหรือน้อยกว่า 50 มิลลิวัตต์ โมดูล RF กำลังต่ำอาจฝังอยู่ภายในมิเตอร์ไฟฟ้า เพื่อให้สามารถใช้การสื่อสารข้อมูลไร้สายในการอ่านค่ามิเตอร์อัตโนมัติ (AMR) สำหรับการตรวจสอบการใช้พลังงานและการรวบรวมข้อมูล โมดูลเหล่านี้สามารถฝังลงในมิเตอร์โดยตรงในระหว่างการผลิต และติดตั้ง ณ สถานที่ได้โดยไม่ต้องวางสายเคเบิลเมื่อใช้งาน

เทคโนโลยีเครือข่ายไร้สายแบบเมชที่ได้รับการพัฒนาให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ช่วยให้คอนเซนเตรเตอร์สามารถสื่อสารกับมิเตอร์ทั้งหมดภายในเครือข่ายที่ควบคุมได้ เครือข่าย RF กำลังต่ำประเภทนี้เหมาะที่สุดสำหรับการใช้งานภายในช่วงจำกัดที่มีโมดูลการสื่อสารกำลังต่ำจำนวนมาก (เช่น ภายในชั้นเดียวของอาคารหรือห้องที่มีมิเตอร์ไฟฟ้าเชื่อมต่ออยู่ในเครือข่าย)

เครือข่าย RF ใช้พลังงานต่ำยังมาพร้อมกับคุณสมบัติการใช้พลังงานต่ำ เครือข่ายกำหนดเส้นทางอัตโนมัติ การสื่อสารแบบเรียลไทม์สองทาง และความคล่องตัว โมดูล RF สามารถฝังลงในมิเตอร์ไฟฟ้า หน่วยรวมข้อมูล (DCU) และเครื่องใช้ไฟฟ้าได้อย่างง่ายดาย

เนื่องจากการสื่อสาร RF กำลังต่ำใช้คลื่นความถี่วิทยุที่เผยแพร่สู่สาธารณะ อุปกรณ์อื่นๆ ที่ใช้คลื่นความถี่เดียวกันจึงอาจก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกจากนี้ สัญญาณ RF ยังเสี่ยงต่อการถูกกีดขวาง เช่น กำแพง ซึ่งทำให้สัญญาณไม่เสถียรและระยะการสื่อสารที่มีประสิทธิภาพสั้นลง 

การกระโดดความถี่สามารถช่วยลดสัญญาณรบกวนได้ อย่างไรก็ตาม เมื่ออุปกรณ์อื่นใช้การกระโดดความถี่เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนด้วย การทำเช่นนี้จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนมากขึ้น ดังนั้นจึงเป็นการยากที่จะแก้ไขปัญหาสัญญาณรบกวนซึ่งกันและกัน

ความจริงที่ว่าสัญญาณ RF มีความเสี่ยงต่อการถูกขัดขวางเป็นข้อจำกัดในการใช้งานในสมาร์ทกริดด้วยเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ผนังหนามักเป็นอุปสรรคต่อการสื่อสารไร้สายระหว่างชั้นต่างๆ (เช่น ระหว่างชั้นใต้ดินและชั้นล่าง) ส่งผลให้การสื่อสารไม่เสถียรหรือไม่มีเลย เครือข่าย PLC สามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้อย่างง่ายดาย

เทคโนโลยีเครือข่าย PLC

PLC นำเสนอช่องทางการสื่อสารที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับระบบจ่ายไฟฟ้า ซึ่งใช้ประโยชน์จากการติดตั้งสายไฟฟ้าที่ครอบคลุมพื้นที่กว้างได้อย่างเต็มที่ โดยไม่ต้องวางสายเคเบิลเฉพาะ เทคโนโลยีนี้ดึงดูดความสนใจจากทั้งผู้ผลิตไฟฟ้าและผู้ใช้งาน เช่นเดียวกับโมดูลไร้สาย RF การฝังโมดูล PLC ลงในมิเตอร์ไฟฟ้าทำได้ง่าย

ด้วยเครือข่ายแบบตาข่าย DCU สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลกับมิเตอร์ไฟฟ้าทั้งหมดภายในเครือข่ายควบคุมได้ สายไฟฟ้าจะวิ่งผ่านพื้นและผนังภายในอาคาร ดังนั้น ในทางทฤษฎี ตราบใดที่ยังมีสายไฟฟ้าอยู่ ก็เป็นไปได้ที่จะสื่อสารกันผ่านสายไฟฟ้าเหล่านั้น 

อย่างไรก็ตาม สายส่งไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อส่งกระแสไฟฟ้า เครือข่ายการจ่ายไฟฟ้าที่ซับซ้อนและสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวนอาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในรูปแบบต่างๆ ต่อ PLC ส่งผลให้การสื่อสารไม่เสถียร ปัจจัยที่ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนประกอบด้วย:

• การเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ของโหลดอย่างมาก: การเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ของโหลดจะส่งผลกระทบต่อแรงดันสัญญาณ PLC ที่เชื่อมต่อกับสายไฟ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อระยะการส่งสัญญาณ การเปลี่ยนแปลงของค่าตัวประกอบกำลังและตำแหน่งของโหลดกำลังจะทำให้อิมพีแดนซ์ของโหลดเปลี่ยนแปลงไปแบบไดนามิกเมื่อเวลาผ่านไป
• การลดทอนความถี่พาหะ PLC แบบเลือก: การสลับอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบสุ่มบนเครือข่ายจ่ายไฟฟ้าอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์กำลังไฟฟ้า ส่งผลให้สัญญาณ PLC บนความถี่เลือกมีการลดทอน ในสถานที่และสถานการณ์เดียวกัน ผลกระทบนี้อาจแตกต่างกันไปในแต่ละความถี่พาหะของ PLC เมื่อความถี่บางความถี่ไม่เหมาะสมสำหรับ PLC การเปลี่ยนไปใช้ความถี่อื่นเพื่อการสื่อสารอาจให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า
• สัญญาณรบกวนที่รุนแรง: อุปกรณ์ไฟฟ้าบนโครงข่ายไฟฟ้า เช่น แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดและอินเวอร์เตอร์ อาจสร้างสัญญาณรบกวนจำนวนมากบนความถี่หลายความถี่ที่เปลี่ยนแปลงโดยสุ่ม

อุปกรณ์ PLC เช่นเดียวกับอุปกรณ์ RF สามารถเชื่อมต่อเครือข่ายได้ ซึ่งช่วยเพิ่มระยะทางการสื่อสารที่มีประสิทธิภาพระหว่าง DCU และมิเตอร์ อย่างไรก็ตาม การสร้างการสื่อสารระยะไกลที่เชื่อถือได้ระหว่างสองจุดควรเป็นพื้นฐานของเครือข่าย PLC ซึ่งแตกต่างจาก RF กำลังต่ำ PLC มักจะใช้คลื่นความถี่การสื่อสารผ่านสายไฟทั้งหมดตั้งแต่ 50 ถึง 500 kHz เพียงอย่างเดียว จึงก่อให้เกิดปัญหาสามประการข้างต้น และส่งผลกระทบต่อความสามารถในการจัดการความน่าเชื่อถือของ PLC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

มีสองวิธีในการแก้ไขปัญหาข้างต้น วิธีแรก กำลังส่งของเครื่องส่งสัญญาณจะต้องถูกปรับโดยอัตโนมัติ ขึ้นอยู่กับสถานการณ์โหลดอิมพีแดนซ์ที่แตกต่างกัน วิธีนี้จะเพิ่มสัญญาณที่เชื่อมต่อกับสายไฟเมื่อจำเป็น และเพิ่มระยะการส่งสัญญาณให้ได้มากที่สุด

วิธีที่สองเกี่ยวข้องกับการใช้การกระโดดความถี่เดียว เทคโนโลยีการแบ่งความถี่แบบออร์โธกอนอล (OFDM) ของ PLC ซึ่งใช้ความถี่พาหะหลายความถี่ สามารถแก้ปัญหาการลดทอนความถี่พาหะแบบเลือกสรรได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ปัญหาอัตราส่วนกำลังไฟฟ้าสูงสุดต่อค่าเฉลี่ยโดยธรรมชาติของเทคโนโลยีนี้ก่อให้เกิดปัญหาอีกชุดหนึ่ง ส่งผลให้กำลังไฟฟ้าของสัญญาณเฉลี่ยลดลงเมื่อเทียบกับการใช้ความถี่พาหะเดียว 

อีกวิธีหนึ่งที่คล้ายกับการกระโดดความถี่ใน OFDM คือการใช้ความถี่พาหะเดียวเพื่อเปลี่ยนไปใช้ความถี่พาหะถัดไปที่ดีกว่าโดยอัตโนมัติเมื่อความถี่พาหะปัจจุบันเกิดสัญญาณรบกวน ข้อดีของการกระโดดความถี่เดียวประเภทนี้คือทำให้มั่นใจได้ว่ามีพลังงานเพียงพอเชื่อมต่อกับสายไฟ ขณะเดียวกันก็ช่วยแก้ไขปัญหาสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของโหลดอิมพีแดนซ์และการลดทอนความถี่พาหะแบบเลือกได้

การเปลี่ยนแปลงกำลังส่งและความถี่พาหะระหว่างสองโหนดในการสื่อสารแบบจุดต่อจุด ช่วยแก้ปัญหาความต้านทานโหลด การลดทอนสัญญาณ และสัญญาณรบกวน ในทางกลับกัน การปรับปรุงความน่าเชื่อถือและระยะทางในการสื่อสารแบบจุดต่อจุด ช่วยเพิ่มความทนทานให้กับเครือข่ายแบบเมช

สิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลก

แม้ว่ามาตรการเหล่านี้จะมีประสิทธิภาพ แต่ก็ยังไม่สามารถรับประกันได้ว่าเครือข่าย PLC จะปลอดภัยในทุกสถานการณ์และทุกเวลา เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ควรผสานรวมเทคโนโลยีเครือข่ายไร้สาย RF พลังงานต่ำและเทคโนโลยี PLC เข้าด้วยกัน 

วิธีแก้ปัญหาที่ได้รับการพิสูจน์แล้วอย่างหนึ่งคือการใช้ PLC เป็นแกนหลักของเครือข่าย เสริมด้วยเทคโนโลยี RF กำลังต่ำ PLC ทำหน้าที่เป็นแกนหลักในการทำงานระหว่างห้องต่างๆ หรือระหว่างชั้นต่างๆ ได้อย่างง่ายดาย จากนั้น RF กำลังต่ำจะทำหน้าที่เป็นแกนหลักในจุดที่มีสัญญาณรบกวนแรงเกินไป หรือในบริเวณที่มีการแยกสายไฟฟ้า หรือในเฟสที่ต่างกัน นอกจากนี้ RF ที่มีกำลังไฟฟ้าต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนซึ่งกันและกัน ยังสามารถนำไปใช้ในพื้นที่โล่งกว้างที่มีอุปกรณ์ไฟฟ้าหนาแน่น