الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة (PLC)

ما هي تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية؟

تُعرف (Power Line Communication (PLC)) بأنّها تقنيّة تُرسل البيانات عبر كابلات الكهرباء، ممّا يسمح بتشغيل الأجهزة الإلكترونيّة وفي الوقت نفسه التحكّم فيها واسترداد البيانات منها بطريقةٍ أحاديّة الاتّجاه من خلال وصل كابلات الطاقة بالأجهزة.

أنواع تقنيّات الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة:

يمكن تصنيفها على النحو التالي:

1. تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة ذات الحزمة الضيّقة.
2. تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة ذات الحزمة الواسعة.

أولاً: تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة ذات الحزمة الضيّقة

تعمل هذه التقنيّة بتردداتٍ منخفضة (3-500 كيلوهرتز) ومعدّلات نقل بياناتٍ أقل تصل إلى 100 كيلوبت في الثانية، وتمتلك مدى أطول يصل إلى كيلومتراتٍ عدة ويمكن تمديده باستخدام أجهزة إعادة الإرسال، بينما تعمل ذات الحزمة الواسعة بتردّدات أعلى (1.8-250 ميجاهرتز) ومعدّلات نقلِ بياناتٍ عالية تصل إلى 100 ميجا بت في الثانية وتُستخدم في التطبيقات ذات المدى الأقصر.

لاقت التقنيّة ذات الحزمة الضيّقة اهتماماً واسع النطاق مؤخراً بسبب تطبيقاتها في الشبكة الذكيّة، كما استُخدمَتْ في تطبيقات توليد الطاقة الذكيّة لا سيّما في المحولات الصغيرة (micro-inverters) لألواح الطاقة الشمسيّة.

ثانياً: تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية ذات الحزمة الواسعة

تُستخدم في توزيع الإنترنت والشبكات المنزليّة، وتُعَدّ تقنيّةً فعّالةً لتوزيع الوسائط المتعددة داخل المنازل نظراً لمعدلات البيانات العالية وعدم وجود أسلاك إضافيّة، وينعكس هذا الأمر في السوق من خلال عمليّات الاستحواذ على شركات قطاع الشبكات المنزلية مثل Intellon من قبل Atheros، وCoppergate من قبل Sigma، وDS2 من قبل Marvell، وGigle من قبل  .Broadcom

هناك طريقة أخرى لتصنيف تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية وهي:

1. تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة ذات التيار المتناوب.
2. تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة ذات التيار المستمر.

تُركّز معظم الشركات حالياً على استخدام تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطّاقة ذات التيار المتناوب، إلّا أنّه يوجد تطبيقات لها في خطوط التيار المستمر، وتتضمّن الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة من خلال ناقل التيار المستمرّ لتوليد الطاقة الموزعة، وفي وسائل النقل كالتحكُّم الإلكترونيّ في الطائرات والسيارات والقطارات. يقلّل هذا الاستخدام من الأسلاك المعقّدة والوزن والتكلفة النهائيّة للاتصالات داخل السيارات.

حصّة السوق والمنافسة في تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة:

يشهد سوق  تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة ذات الحزمة الضيقة منافسةً واسعةً مع ازدياد عدد الموردين الملحوظ، بما في ذلك:

1.  Cypress Semiconductor

2.  Echelon

3.  ST Microelectronics

4.  Yitran

5.  Texas Instruments

6.  Maxim

7.  Semitech Semiconductor

8.  Ariane Controls

9.  ADD Semiconductor

10.  Microchip

تشمل الشركات في قطّاع تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة ذات الحزمة الواسعة ما يلي:

1.  Atheros

2.  Sigma

3.  Marvell

4.  Broadcom

5.  Lantiq

6.  Maxim

7.  Plugtek

آلية عمل تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية

تعمل هذه التقنيّة مثل أيّ تقنيّة اتّصال أخرى؛ إذ يُعدِّل المرسل البيانات المرسلة، ويدخلها إلى وسط الاتّصال، ثم يفكّ جهاز الاستقبال تعديل البيانات لقراءتها، والاختلاف الرئيسي أنّ هذه التقنيّة لا تستخدم كابلات إضافيّة؛ بل تُعيد استخدام الأسلاك الموجودة. ونجد أنّه باستخدام تقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة يمكن التحكّم في جميع الأجهزة المتصلة بالخطوط الكهربائية أو مراقبتها نظراً لانتشار هذه الخطوط.

عند مناقشة تكنولوجيا الاتّصال من المفيد الإشارة إلى نموذج (OSI) (نموذج الربط البيني للأنظمة المفتوحة أو النموذج المرجعي للاتّصال) المكوّن من 7 طبقات. يمكن لبعض شرائح تقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة تنفيذ الطبقة الفيزيائيّة فقط لنموذج OSI، بينما تدمج شرائح أخرى جميع الطبقات السبع. يمكن استخدام معالج إشارة رقميّة (DSP) مع تحقيقٍ برمجي نقي لـ MAC)) ودائرة PHY)) خارجيّة، أو حلّ متكامل للنظام على شريحة (SoC)، والذي يتضمّن تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة  وMAC وPHY. تُعَدّ سلسلة Cypress CY8CPLCXX مثالاً على الأخير مع طبقة فيزيائيّة وشبكة جاهزة للاستخدام وطبقة تطبيق قابلة للبرمجة من قِبل المستخدم.

 سنقسّم الطبقة الفيزيائيّة إلى ثلاثة أجزاء بناءً على معدّل البيانات من أجل فهم الجوانب المختلفة لها.

مخططات التعديل:

يمكن استخدام مجموعة متنوّعة من مخططات التعديل في تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائيّة، بعض هذه العناصر تعتمد على تعدّد الإرسال بتقسيم التردّد المتعامد (OFDM)، ومفتاح تحويل الطور الثنائي (BPSK)، ومفتاح تغيير التردّد (FSK)، ومفتاح تغيير التردّد المنتشر (S-FSK) وأنظمة الملكيّة أيضاً مثل مفتاح التحول في الكود التفاضلي (DCSK).

يقارن الجدول التالي بين BPSK وFSK وSFSK وOFDM بناءً على كفاءة عرض الحزمة وتعقيده (التكلفة).

يوفّر الإرسال بتقسيم التردّد المتعامد OFDM معدّلات بيانات عالية ولكنه يتطلّب قدرة حسابية عالية لإجراء تحويلات فورييه السريعة (FFT) وتحويلات فورييه العكسيّة (IFFT) على النحو الذي يتطلّبه المخطط. وتُعَدّ BPSK وFSK قوية وبسيطة ولكنّها تقدّم معدلات بيانات أقل. ويُتجه حالياً نحو OFDM مع تعديل PSK (G3 وربما P1901.2)، ويتطلّب مثل هذا الحساب الثقيل قدرة DSP، في حين يمكن إنجاز FSK وPSK وSFSK بوساطة متحكّمٍ دقيق.

معايير تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية:

طُوّرت معايير مختلفة لضمان الاتّصالات الموثوقة والمتوافقة، خاصة للشبكة الذكية وشبكات المنازل، ومن الأمثلة على هذه المعايير:

تُحدّد هذه المعايير إلى جانب المنظمات التي تديرها مثل CENELEC وFCC وARIB وHomeplug Power Alliance نطاقات التشغيل، وسينعكس وضع معيار عالمي لتقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة بإيجابيّة على اعتماد هذه التقنية، ويُعدّ حالياً معيار G3-PLC أقوى مخطّط متاح وتلتزم مجموعة العمل IEEE 1901.2 بتطوير معيار مقبول عالمياً.

ترددات تقنية الاتصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية:

تختلف تردّدات الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية ذات الحزمة الضيقة حول العالم، وهي ملخصَة في الجدول التالي:

CENELEC – اللجنة الأوروبية للقياس الكهروتقني.

ARIB – اتّحاد الصناعات والأعمال الإذاعية.

EPRI – معهد بحوث الطاقة الكهربائية.

FCC – لجنة الاتصالات الفيدرالية.

تطبيقات تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية:

تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في الشبكة الذكية والمحولات الدقيقة، ويجب أن تشهد انتشاراً أوسع في تطبيقات أُخرى، مثل الإضاءة كالتحكّم في إشارات المرور وتعتيم الإضاءة بتقنيّة ليد (LED)، والصناعة مثل اتصال أنظمة الطاقة الاحتياطيّة بأجهزة الشبكة وتحكُّم الري، ومن آلة إلى آلة مثل آلات البيع والاتّصال من الفندق إلى الغرفة، ونظم القياس عن بعد مثل منصات النفط البحرية، والنقل مثل الإلكترونيات في السيارات والقطارات والطائرات.

توليد الطاقة واستخدامها:

تلعب تقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية دوراً فعالاً في جعل تطبيقات الطاقة ذكية، وهي كلمة منتشرة على نطاقٍ واسعٍ تصف أي خطوة من إنتاج الطاقة إلى الاستخدام الفعّال لها.

استخدام تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية في توليد الطاقة:

تنمو الطاقات المتجددة بمعدّل سريع؛ إذ بلغت نسبة النمو 35.2٪ في عام 2010، ونتج الجزء الأكبر من هذا النمو من تضاعف استخدام الخلايا الكهروضوئية حول العالم إضافةً إلى زيادة قدرة طاقة الرياح المثبتة، فعلى سبيل المثال زادت الصين قدرتها بنسبة 64٪ في عام 2010.

يجب تحويل خرج نظام توليد الطاقة الموزّع (DG) إلى طاقة تيار متناوب نظيفة وموثوقة باستخدام محوِّل لتزويد الشبكة بالطاقة، وبالتالي يتكوَّن النظام المثالي من جهاز إنتاج الطاقة مثل الألواح الشمسية، أو توربينات الرياح أو السيارة الكهربائية، والمحول، والكابلات ووسائل الاتّصال. استخدمت معظم التركيبات الكهروضوئيّة سابقاً محوّلات مركزيّة أو محولات سلسلة، وفي هذه الحالة يمكن مراقبة أداء النظام من خلال اتصال إيثرنت بالمحولات.

هناك اتجاه متزايد نحو المحوّلات الصغيرة ومحسّنات الطاقة التي تعمل على مستوى الألواح الشمسية الفرديّة ويوفّر معظم المورّدين إمكانيّة المراقبة لكلٍّ من هذه الوحدات. يوفِّر ذلك إحصائيات الأداء الأساسية على مدى عمر اللوح الشمسي ويمكن استخدام ذلك لاكتشاف مشكلات الأداء وتحديدها. يمكن استخدم الاتّصالات اللاسلكية من أجل المراقبة مثل بروتوكول زيجبي وواي فاي والاتصالات اللاسلكية المترددة (RF) وبلوتوث، أو السلكية مثل تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية وRS-485 وRS-232 وإيثرنت وغيرها.

يمكن أن يكون الاتصال اللاسلكي أمراً صعباً عند استخدام المحوّلات الصغيرة بسبب:

• متطلبات خط الرؤية الخاص بها؛ إذ توجد المحولات الصغيرة عادةً خلف اللوح الشمسي.
• تعقيد التركيب.
• مشاكل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

عوضاً عن ذلك، تتضمّن التقنيّات السلكيّة الأخرى كابلاتٍ إضافيّة وبالتالي تكاليف تركيب وصيانة أعلى، لذلك يمكن أن تكون تقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية أبسط وأقلّ كلفة.

نرى في الشكل السابق المكونات النموذجيّة للمحول الصغير، تحتوي شريحة CY8CPLCxx مع PHY وبروتوكول الشبكة وطبقة التطبيق القابلة للبرمجة على موارد إضافيّة تسمح بتوصيل حساسات خارجية، وبالتالي يمكن مراقبة البارامترات الأساسية مثل درجة الحرارة في كلّ وحدة، ونقطة الطاقة القصوى، والأعطال المحتملة والطاقة المُوَلَّدة. تُعرض هذه الإحصائيات محلياً على شاشة LCD، أو عن بُعد عبر الويب من خلال خط الطاقة. يمكن إيقاف تشغيل كلّ محول صغير على حِدَة في حالة حدوث أعطال، كما يمكن إصلاح أو استبدال الوحدات ذات الأداء الضعيف. والأهم من ذلك يكون التركيب والصيانة باستخدام تقنيّة الاتّصال عبر الخطوط الكهربائية بسيطَين واقتصادييَن نظراً لعدم الحاجة إلى مآخذ وأسلاك إضافيّة؛ إذ يكفي أن نوصلها ونستخدمها.

يُعدّ تصميم هذه التقنيّة في النظام أمراً سهلاً بسبب التصميمات المرجعيّة المعتمدة والمختبرة وذلك من وجهة نظر الشركة المصنِّعة للمعدات من Cypress.

تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية في أسواق استهلاك الطاقة:

كان من المتوقّع أن تتمتّع أوروبا بحلول عام 2020 بتغطية 80٪ من العدادات الذكية ومن بعدها بقية العالم. تُعَدّ تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الطريقة الرئيسية للاتصال في البنية التحتيّة للقياس التلقائي (AMI) وتُعتمَد أيضاً بسرعة في التطبيقات الأخرى مثل:

• الواجهة الإضافيّة.
• الشبكة الذكية – البنية التحتية للقياس التلقائي والأجهزة الذكية وتقنية اتّصال السيارات بشبكات الطاقة (V2G).
• توزيع الطاقة في مركز البيانات والتحكم في الإضاءة.

أولاً: الشبكة الذكية

تُعدّ الشبكة الذكية في الأساس تحديثاً لجوانب نقل وتوزيع الشبكة الكهربائيّة؛ إذ تتيح هذه البنية التحتيّة الذكيّة لتوزيع الطاقة اتصالاً ثنائيّ الاتّجاه بين المستهلكين وشركة الكهرباء. يستخدم المستهلكون الشبكات المنزليّة للتواصل مع العداد الذكي الخاص بهم، والذي يتواصل مع الشركة من خلال البنية التحتية للقياس التلقائي. ولا يتوقف تعريف الشبكة الذكية عند استخدام الطاقة؛ بل يشمل أيضاً إمدادات الطاقة للشبكة من مصادر التوليد الموزعة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، ويشمل النظام أيضاً تقنيّة اتصال السيارات بشبكات الطاقة وهي مشاركة ثنائيّة الاتجاه للكهرباء بين السيارات الكهربائيّة (EVs) والسيارات الكهربائيّة الهجينة (PHEVs) وشبكة الطاقة الكهربائيّة.

إذ يستطيع رجل في المطار أن يتفقّد الألواح الشمسية الخاصة به بمجرّد لمسةٍ على هاتفه الذكي عندما يتلقى بريداً إلكترونياً من مزوّد الطاقة المحلي يبلّغه عن ذروة الأسعار التي ستدخل حيّز التنفيذ في الساعات الأربع القادمة والتي ستسبب توقُّف مكيف الهواء الخاص به.

ثانياً: البنية التحتية للقياس التلقائي (Advanced Metering Infrastructure-AMI).

يُعرَف بأنّه نظام القياس والتجميع الكامل الذي يتضمّن عدادات في موقع العميل وشبكات اتصال بين العميل ومزوِّد الخدمة مثل مرافق الكهرباء أو الغاز أو المياه، وأنظمة استقبال البيانات وإدارتها التي تجعل المعلومات متاحة للخدمة المزود، ويشار إليه باسم AMI)). تَنقل العدادات الذكية البيانات التي جُمعت من خلال الشبكات الثابتة المتاحة مثل تقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة وشبكات التردّد اللاسلكي الثابت (RF) والشبكات العامة مثل الخطوط الأرضية والخلوية والترحيل التي تُجمع بوساطةِ مركّزات وتُرسل إلى المرافق العامة ومنها إلى نظام إدارة بيانات العداد لتخزين البيانات وتحليلها وإعداد الفواتير.

تشيرُ الدراسات إلى أنّ تقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة ذات النطاق الضيق هي الأنسب للبنية التحتية للقياس التلقائي؛ إذ ثُبت أكثر من 100 مليون جهاز حتى الآن. تستثمر الشركات مليارات الدولارات في أنظمة البنية التحتية للقياس التلقائي، ولا يحتاج استخدام تقنية الاتصال عبر خطوط الطاقة إلى بنية تحتية جديدة لنقل البيانات على عكس التقنية اللاسلكية لأنه يستخدم كابلات الطاقة الحالية.

تُفضّل المرافق العامة أنظمة نقل خط الطاقة لأنها تتيح نقل البيانات بطريقةٍ موثوقة عبر بنية تحتيّة يتحكمون بها، وقد تستخدم أيضاً شبكة الهاتف الخلوي العام كخط اتصال لبيانات القراءة التلقائية نظراً لتواجدها وعدم وجود تكلفة تنفيذيّة والرسوم الشهريّة المنخفضة، ولكنها لن توفر في العديد من الحالات من تغطية بنسبة 100% لقاعدة العملاء بالكامل ولذلك سيؤدي نقل البيانات باستخدام الشبكات اللاسلكيّة، أو التردد اللاسلكي، أو تقنية الاتصال عبر خطوط الطاقة إلى حل هذه المشكلة.

ستواجه المرافق الريفية أو الموجودة في المواقع الصعبة مثل التضاريس الجبلية التي لا تخدمها الشبكات اللاسلكية صعوبةً في التواصل مع المستهلكين. إضافةً إلى ذلك، تعاني البدائل اللاسلكية وشبكات التردد اللاسلكي من انخفاض معدلات البيانات في حالة وجود تداخل مثل أجهزة البلوتوث والهواتف اللاسلكية والأشياء الخرسانية والتلال وحتى الأشجار، بينما يمكن لتقنية الاتصال عبر خطوط الطاقة التواصل مع أي موقع متصل عبر خط الكهرباء.

يُعَدّ تخفيف ضغط نقل البيانات من أهم الاعتبارات نظراً لحجم حركة المرور عبر الشبكة الذكية. بالمقارنة مع الخيارات اللاسلكية المستندة إلى زيجبي أو واي فاي، تتمتّع البنية التحتيّة للقياس القائمة على تقنية الاتصال عبر خطوط الكهرباء بسجل حافل بأنّه الأفضل لتجنّب ازدحام الشبكة في حالات الطوارئ. هناك مطلب آخر وهو التكرار في قناة الاتصال ومع وجود خطوط الطاقة في كلّ مكان يصبح نشر قناة مكررة أكثر اقتصادية.

تشمل التطبيقات المختلفة المراقبة عن بعد، وإدارة الانقطاع التي تشمل الكشف عن أعطال معدات الجهد المتوسط، والاستجابة للطلب أي إدارة استهلاك العميل للكهرباء استجابةً لظروف إمداد الشبكة، وضمان عدم تشغيل الشبكات المحلية بوساطة نظام توليد الطاقة الموزّع عند عدم وجود طاقة من الشبكة الكهربائية (island detection)، وكشف الاحتيال والسرقة.

الأجهزة الذكية:

تتألف الشبكة المنزلية (HAN) من منزل يدعم الاتصالات؛ إذ توصل جميع الأجهزة الكهربائية في شبكة من خلال شبكة لاسلكيّة أو شبكات التردد اللاسلكي الثابت أو تقنية الاتصال عبر خطوط الطاقة. تتصل الأجهزة الكهربائية اليوم في شبكة مع تأمين الاتصال ثنائي الاتجاه سواء مع بعضها أو مع محطة فرعيّة، وتتيح هذه الأجهزة الذكيّة الأتمتة والتحكُّم من خلال نقاط وصولٍ فردية أو متعددة.

ستلاحظ في الرسم البياني السابق الإيرادات المقدرة مليون دولار أمريكي في عام 2011 من قبل الأجهزة الذكية.

جعلت تقنية الاتصال عبر الخطوط التحكم في الأحمال واقعاً في عديدٍ من الدول الأوروبية؛ إذ تتصل الأجهزة المنزليّة مثل الغسالة، والمجفّف، وغسالة الصحون، والفرن، والموقد، والثلاجة، والفريزر ومكيّف الهواء وسخّان المياه مع العداد الذكي الذي يجمع معلومات عن ساعات ذروة التسعير من الشركة الموردة من خلال هذه التقنية، يمكن للأجهزة بعد ذلك التبديل بين الإيقاف والتشغيل وفقاً لتغيرات الأسعار. هذا وضع مربح للمستهلك الذي يوفر في فاتورة الكهرباء والشركة التي يمكنها إدارة طلبات الذروة بطريقةٍ أفضل. كما تتيح هذه التقنية مراقبة الأجهزة والتحكم في نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) ممّا يؤدي إلى مزيدٍ من الوعي وتوفير الطاقة.

تركز أتمتة المنزل على التطبيقات التالية:

• الإضاءة.
• تشخيص ومراقبة الأجهزة والتجهيزات.
• وصول الأمن.
• البنية التحتية للقياس التلقائي.
• مراقبة صحة المنزل.

في الشكل السابق، تتّصل الحساسات الموجودة على جانب الجهاز بالشاشة عبر خط الطاقة، وتنعكس أي تغييرات في طرف الجهاز على شاشة LCD، والتي يمكن عرضها وتغييرها حسب الحاجة.

يُعَدّ استخدام تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الكهرباء أكثرَ فاعليّة في شبكات المنزل. تحتاج الشبكة المنزلية التي تعتمدُ على اللاسلكي والزيجبي إلى بنيةٍ تحتية جديدة لتثبيتها. وعلاوةً على ذلك يشكّل اختراق الحواجز المادية مثل الجدران في الطابق نفسه أو الوصول إلى طوابق مختلفة تحديّاً للتقنية اللاسلكية، وتواجه هذه الشبكات غالباً مشكلات في الأداء بسبب تداخل التردّد اللاسلكي الناجم عن أجهزة مثل فرن الميكروويف والهواتف اللاسلكية وحتى أجهزة البلوتوث في المنزل. من ناحية أخرى يمكن لتقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية الوصول إلى كلّ جهاز متصل عبر خط الكهرباء، فهي تحوِّل كلّ مقبس في المنزل إلى نقطة وصول وتجمع بين أفضل ما في الاتصالات السلكية واللاسلكية.

الاتّصال بين السيارة والشبكة:

توصل السيارات الكهربائية (BEVو PHEV) مع الشبكة الكهربائية سواء لشحن نفسها أو لتوفير الكهرباء إلى الشبكة. تشمل الإصدارات المختلفة من السيارات الكهربائيّة سياراتٍ تعمل بخلايا الوقود، وسياراتٍ تعمل بالبطارية، وسياراتٍ تعمل بالطاقة الشمسية. في الحالات جميعها ، توفّرُ السيارة الطاقة للشبكة في حالات الحمل الأقصى وتشحن نفسها في الليل عندما يكون الطلب منخفضاً. يجب تبادل مجموعة متنوعة من البيانات مثل تعريف السيارة، وحالة البطارية الحالية، والحد الأقصى المسموح به لتيار الشحن، وعدد المراحل، وأوقات الشحن مثل بدء الشحن المتأخر وإجمالي كمية الكهرباء المشحونة مع التكاليف المرتبطة مع معدات توفير الطاقة للسيارة الكهربائية (EVSE).

تتمتّع تقنية الاتصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية بميزة إمكانية إنشاء ارتباط مادي بين السيارة ومعدات توفير الطاقة الكهربائية وهذا يساعد في التوثيق والأمان، ولا يمكن تحقيق هذا الشيء بالحلول اللاسلكية حتى لو كانت قصيرة المدى. إضافةً إلى ذلك تربط هذه التقنية معدات توفير الطاقة الكهربائية بالعداد والشبكة الذكية.

تطبيقات أخرى

سنناقش تطبيقَين لتقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة، وهما استخدام التقنية في شبكات توزيع الطاقة في مركز البيانات وفي الإضاءة.

الطاقة الذكية في مراكز البيانات:

المشكلة: تستمرّ مراكز البيانات ومرافق التجميع مع ظهور الحوسبة السحابية وخدمات الإنترنت في تحقيق نمو مستمر بنسبة مزدوجة. يعدّ توقف مراكز البيانات غير مقبول بسبب الخسائر في الإيرادات والسمعة التي تسببها. يحدث هذا التوقف أساساً بسبب عطلٍ في مصدر الطاقة الاحتياطية (UPS)، وزيادة الحمل عليها، وفشل القواطع الكهربائية. تُعدّ كفاءة استهلاك الطاقة للأجهزة أمر مقلق آخر بسبب ارتفاع تكاليف الكهرباء وتكاليف التبريد الإضافية. في الوقت نفسه، ترغب الشركات التي تستعين بخدمات الحوسبة الخارجية في الوصول إلى جميع مقاييس أداء أنظمتها بما في ذلك الطاقة على مستويات مختلفة. وتعدّ إضافة الاتصال بين الأجهزة تحدياً، لأنه لا يمكن للاتصال اللاسلكي أن يعمل بطريقةٍ موثوقة في بيئة مركز البيانات بينما يزيد الاتصال السلكي من مشكلة فوضى الكابلات.

يمثّل الشكل التالي مخططاً مبسطاً للغاية لبنيةِ توزيع الطاقة التقليدية في مركز البيانات:

تزوّد الطاقة المترددة الشبكة أولاًمن خلال مصدر الطاقة الاحتياطية، ثم وحدة توزيع الطاقة (PDU)، ثم تحوّل إلى طاقة التيار المستمر في وحدة إمداد الطاقة (PSU) وأخيراً إلى الخادم والمحول وجهاز تخزين الشبكة، أو عموماً جهاز الشبكة. نادراً ما يتجاوز حمل مصدر الطاقة الاحتياطيّة 30٪ من سعته المُقدّرة في مثل هذه الترتيبات مع توفير الطاقة الزائدة عن الحاجة، ويرجع ذلك إلى حدٍّ كبيرٍ إلى أنّ التدفّق المنخفض للطاقة من المصدر الاحتياطي غير واضح فمن الصعب تتبُّع عدد أجهزة الشبكة المتصلة بهذا المصدر.

يُفضّل مركز البيانات تصميم النظام بزيادةٍ، وتشغيل مصدر الطاقة الاحتياطيّة بأحمال منخفضة على حساب كفاءة الطاقة لتجنُّب فترات التوقف المكلفة بسبب التحميل الزائد. يتضح من الشكل السابق أنّ مصدر الطاقة الاحتياطي لا يعمل في نطاقه الأكثر كفاءة.

الحل: لننظر في نظامٍ يعتمد على تقنيّة الاتّصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية. يمكن لمصدر الطاقة الاحتياطيّة، ووحدة توزيع الطاقة، ووحدة إمداد الطاقة، والشبكة أن تتّصل بعضهَا ببعض عبر هذه التقنيّة. وبالتالي في كلّ مرحلةٍ من مراحل توزيع الطاقة سيكون للجهاز خريطة واضحة لمخطط الطاقة في اتّجاه التيار والمنبع منه. على سبيل المثال: يُعرف UPS1 أنّه يوفّر الطاقة لـ PSU 1 لجهاز الشبكة 1 و2. بالتالي يمكن زيادة حمل مصدر الطاقة الاحتياطي بأمان إلى المستوى الأمثل لأنّ الأجهزة المتصلة به مرئية فتكون متطلبات الطاقة الخاصة بها معروفة بدقة.

سيقلّل استخدام تقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة احتماليّة حدوث حملٍ زائدٍ على مصدر الطاقة الاحتياطية وفشل القاطع والدارة كما سيمكن تشخيصها قبل حدوث التوقف، وبالتالي ستوفر العديد من الفوائد بما في ذلك زيادة كفاءة النظام وسهولة التشخيص والتواصل الاحتياطي لمراكز البيانات دونَ أسلاك.

تحكم LED (الإنارة)

تُستبدل المصابيح المتوهجة في قطاع الطاقة بمصابيح ليد (LED)التي توفر ميزة في كونها قابلة للتعتيم تماماً، ولها عمر أطول، وخالية من الزئبق، وتوفر خيارات لدرجة حرارة اللون القابلة للتعديل.

المشكلة:

تنفق المدينة على إنارة شوارعها 30-40٪ من ميزانيتها، ولا يوفر النظام القديم إمكانية تعتيم الأضواء أو التحكّم في درجة حرارة اللون أو التبديل الذكي. إضافةً إلى ذلك يعين عمال لدوريات الصيانة من أجل الكشف على أضواء الشوارع المعطلة والإبلاغ عنها وإصلاحها بعد تقديم الشكاوى. يمكن توفير ملايين الدولارات وتقليل ملايين الأطنان من انبعاثات الكربون مع التكيف البسيط في نمط استخدام إنارة الشوارع.

الحل:

لنفترض أنّ نظام إضاءة الشارع يدعم تقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة، على سبيل المثال: سيتيح اعتماد كلّ مصباح ليد في الشارع على هذه التقنية مراقبة كلّ مصباح من مصابيح الشوارع والتحكم فيها.

يمكن تعتيم أضواء الشوارع وفقاً للوقت وحركة المرور والطقس وعوامل أخرى، مما يؤدي إلى توفير الطاقة والتكاليف بما يزيد عن 40%. وينتج عن ذلك انخفاض في انبعاثات الكربون وبالتالي مساعدة المدن على الامتثال لإرشادات بروتوكول كيوتو، إضافةً إلى ذلك سيزيد التعتيم من عمر المصابيح وبالتالي توفير فائدة أخرى.

• يمكن استبدال المصابيح قبل أن تتعطل عندما تصل إلى نهاية عمرها الافتراضي ممّا يقلل من تكاليف الصيانة.
• يمكن إرسال معلومات دورة الحياة واستهلاك الطاقة وعوامل أخرى إلى موقع المراقبة عن بعد وهذا يستخدم لتشخيص المشاكل.
• باستخدام الحل المناسب، يمكن ضبط درجة حرارة لون إنارة الشوارع ديناميكياً ممّا يوفّر جمالية وأمان أفضل.

إضافةً إلى ذلك، يحدثُ كلّ هذا دونَ أسلاك إضافية، ولا حاجة لحفر الطرق أو بناء الأبراج، فنجد أن تقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة هي الحل الأمثل لهذا التطبيق.

نرى في المخطط السابق مخططاً لمثل هذا الحل مُصمّم خصيصاً للتحكّم في إضاءة ليد عالية السطوع (HB). توفّر تقنيّة الاتصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية من Cypress بروتوكول شبكة مُحسن للشبكة الكهربائية، والذي يتيح التحكم في مصابيح الإضاءة الفردية أو مجموعات منها باستخدام البنية التحتية الحالية لخط الطاقة. يمكن استخدام Cypressبالاشتراك مع EZ-Color للتعتيم الذكي والإيقاف المؤقت لمصابيح ليد عالية السطوع.

تحديات تقنية الاتصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية:

يوجد العديد من التحديات التي تواجه هذه التقنية، أولاً لم تكن خطوط الكهرباء مصممة لنقل البيانات بل إنها تعمل مثل مرشحات تمرير منخفضة، إذ يعدّ نمذجة قناة خطوط الطاقة أمراً صعباً فهي وسيلة إرسال غير مرنة، وصاخبة، وانتقائيّة للتردد، ومتغيرة مع الزمن وتتأثر بالضوضاء الخلفية الملونة والضوضاء النابضة. وبالتالي يتطلب الحفاظ على سلامة الإشارة عبر خطوط الطاقة تقنيات وأجهزة قوية للإشارة. ثانياً، تختلف بنية الشبكة بين البلدان وداخلها وينطبق الشيء نفسه على الأسلاك الداخلية؛ إذ لا يوجد معيار عالمي سواء بالنسبة لتقنية الاتصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية أو الشبكة، لذلك يجب اتّخاذ خطوات لضمان التوافق بين الأجهزة. ثالثًا، تُطرح أسئلة اليوم حول أمان المعلومات الشخصية التي تُرسل عبر خطوط الكهرباء لأنه من الممكن الوصول إليها. وبالتالي، فإنّ إنشاء ضمانات للخصوصية والإقناع بأهميتها هو موضوع آخر كبير يتعامل معه. أخيراً، تواجه هذه التقنية منافسة من وسائل الاتصال الأخرى سواء السلكية أواللاسلكية، وفي النهاية سيُحدّد الاختيار التكنولوجي بناءً على التكلفة والتعقيد والجدوى، وتُنافس تقنية الاتصال عبر خطوط الكهرباء كل من تقنية زيجبي وواي فاي وGPRS وRS-232.

الخاتمة:

تحدثنا في هذا المقال عن الاتصال عبر خطوط الطاقة الكهربائية كتقنية وسوق، وناقشنا الأنواع المختلفة منها، وخطط التعديل والمعايير والتردّدات المستخدمة، وتحدثنا عن التطبيقات المختلفة لها في توليد الطاقة، والشبكة الذكية، وشبكات توزيع الطاقة في مراكز البيانات، وفي إضاءة ليد (LED)، كما أكدنا على التحديات التي يمكن أن تواجه هذه التقنية، ورأينا كيف أضافت في تطبيقاتها الحالية الذكاء إلى الشبكات الكهربائية. وفي النهاية يمكننا أن نكون على ثقة بأنّ زيادة التركيز على تطوير تقنيّة الاتصال عبر خطوط الكهرباء ستؤدي إلى الاستمرار في إضافة الذكاء إلى شبكاتنا في المستقبل.

---