Protéger les systèmes de communications par courants porteurs en ligne (CPL) : deux technologies à connaître

Les concepteurs d'infrastructures énergétiques intelligentes, telles que les réseaux intelligents, les compteurs intelligents et l'éclairage public intelligent, ont besoin de communications fiables, rentables et sécurisées. Bien que les technologies sans fil aient un rôle à jouer, leurs vulnérabilités, leurs coûts et leurs limites de couverture présentent des défis importants. La technologie de courant porteur en ligne (CPL), qui permet le transfert de données sur les lignes électriques existantes, constitue une bonne technologie de base pour les communications critiques.

Bien que le CPL soit bien défini et largement utilisé, les concepteurs doivent être conscients de certains problèmes qui peuvent perturber les communications, tels que l'atténuation des signaux, le bruit et les transitoires de tension. La résolution de ces problèmes requiert des solutions pratiques et efficaces pour garantir des performances optimales. Deux de ces solutions sont les transformateurs CPL et les protecteurs de surtension GMOV.

Les transformateurs CPL sont optimisés pour une perte d'insertion minimale dans les applications à bande étroite (NB). Ils réduisent également l'isolation galvanique et les interférences électromagnétiques (EMI), améliorant ainsi la qualité et la fiabilité des signaux. Un GMOV est un composant de protection contre les surtensions hybride qui combine un tube à décharge gazeuse (GDT) et une varistance à oxyde métallique (MOV). Il est conçu pour surmonter les limitations et les problèmes de défaillance des MOV standard, qui sont sensibles à la dégradation et à l'emballement thermique dans les environnements difficiles et incontrôlés.

Cet article décrit brièvement le fonctionnement d'un CPL et pourquoi il est adapté à une infrastructure intelligente. Il présente ensuite des exemples de transformateur CPL et de protecteur GMOV de Bourns, montre leur fonctionnement et présente certains facteurs à prendre en compte lors de leur choix et de leur application.

Fonctionnement, applications et défis du CPL

Dans un système CPL, les données à transmettre sont modulées sur un signal porteur et injectées dans la ligne électrique. Les détails varient considérablement d'une application à l'autre, mais la norme IEEE 1901.2 est la norme mondiale pour les réseaux électriques. Elle spécifie les communications NB basse fréquence (≤ 500 kilohertz (kHz)) jusqu'à 500 kilobits par seconde (Kb/s), et s'applique aux applications telles que les réseaux intelligents, les compteurs intelligents et l'éclairage public intelligent.

Même si la technologie CPL est une solution utile pour les concepteurs d'infrastructures énergétiques intelligentes, elle n'est pas sans défis. Les obstacles de conception incluent l'atténuation des signaux, le bruit et les transitoires de tension, qui peuvent tous dégrader considérablement la qualité et la fiabilité des communications. Plus précisément :

• L'atténuation des signaux est un problème car les signaux CPL utilisent des lignes conçues pour l'alimentation, et non pour les données. Ces lignes ont des caractéristiques d'impédance qui peuvent imposer une atténuation considérable, en particulier sur de longues distances. La baisse de puissance du signal qui en résulte peut réduire la portée effective et entraîner potentiellement une perte de données ou une erreur.
• Du bruit peut être introduit depuis diverses sources, telles que des appareils électroniques connectés aux lignes électriques, des variations d'alimentation et des EMI externes. La nature relativement haute fréquence des signaux de données CPL les rend particulièrement sensibles à ces sources de bruit dans le réseau électrique non blindé.
• Des transitoires de tension peuvent se produire en raison de la foudre ou de la commutation de charges inductives. De tels transitoires peuvent induire des tensions élevées sur la ligne électrique, endommageant potentiellement les modems CPL.

Pour relever les défis auxquels sont confrontés les systèmes CPL, les concepteurs disposent de deux technologies clés qu'ils peuvent appliquer : les transformateurs CPL et les protecteurs GMOV. Les deux composants jouent un rôle crucial pour garantir la fiabilité, les performances et la sécurité des systèmes CPL.

Examen de conception : transformateurs CPL et GMOV dans le circuit de couplage

Pour illustrer les problèmes que les transformateurs CPL et les GMOV peuvent résoudre, prenons l'exemple du circuit de couplage illustré à la Figure 1. Ce circuit doit isoler le modem CPL (Z_Module) de la ligne secteur (Z_Line) tout en fournissant un chemin pour le signal de données. Ce faisant, le circuit de couplage doit gérer à la fois les communications haute fréquence et basse puissance, et le courant alternatif basse fréquence et haute puissance.

Figure 1 : Circuit de couplage simplifié avec protection contre les surtensions qui isole le modem CPL (Z_Module) de la ligne secteur (Z_Line), tout en fournissant un chemin pour le signal de données. (Source de l'image : Bourns)

Le transformateur CPL (T1) fournit une isolation galvanique entre le modem CPL et la ligne d'alimentation, contribuant à séparer le CPL du secteur CA. Une caractéristique clé de ces transformateurs est leur perte d'insertion minimale, qui réduit la distorsion et l'atténuation des signaux. Par exemple, la Figure 2 montre les performances des transformateurs CPL série PFB de Bourns, optimisés pour les applications à bande étroite inférieures à 500 kHz. De plus, la capacité d'un transformateur CPL à supprimer les EMI aide à réduire le bruit, contribuant ainsi à une communication plus fiable et plus efficace.

Figure 2 : Graphique de la perte d'insertion par rapport à la fréquence pour les transformateurs CPL série PFB, qui sont adaptés aux applications à bande étroite inférieures à 500 kHz. (Source de l'image : Bourns)

Dans la Figure 1, à nouveau, les transitoires de tension sont gérés par le protecteur GMOV (Figure 3). Ce nouveau dispositif est un composant de protection contre les surtensions hybride qui intègre la réponse rapide d'un MOV et la haute tenue en courant de pointe d'un GDT. Cette combinaison offre une protection robuste contre les transitoires de tension causés par la foudre ou les événements de commutation qui peuvent endommager les circuits électroniques des systèmes CPL.

Dans un GMOV, les composants MOV et GDT sont couplés de manière capacitive dans une configuration en série. En conditions de basse fréquence, la limitation de tension du composant GMOV est égale à la somme de la limitation de tension des composants MOV et GDT.

Figure 3 : Le GMOV combine la réponse rapide d'un MOV avec la haute tenue en courant de pointe d'un GDT. (Source de l'image : Bourns)

Contrairement aux MOV standard, qui sont sujets à la dégradation et à l'emballement thermique, le protecteur GMOV est conçu pour résister aux environnements difficiles et incontrôlés. Le composant MOV bloque les tensions excessives à des niveaux sûrs, tandis que le GDT agit comme une sécurité intégrée dans des conditions de surtension extrêmes. Cette fonction redirige l'énergie excessive loin du MOV, prolongeant ainsi sa durée de vie et réduisant la probabilité de défaillance du système.

Considérations de conception pour les transformateurs CPL et les protecteurs GMOV

La conception d'un circuit de couplage de ligne pour un système CPL nécessite une attention particulière aux composants clés et à leurs interactions. Voici quelques-uns des problèmes à prendre en compte dans la conception.

Exigences du système CPL : Avant de commencer le processus de conception, assurez-vous de bien comprendre les exigences du système CPL. Cela inclut le débit de données requis, la plage de fonctionnement, le type de lignes électriques sur lesquelles il fonctionnera et les conditions environnementales auxquelles il sera exposé.

Sécurité et conformité : La sécurité est une préoccupation importante pour les conceptions auxquelles les utilisateurs ou les agents de maintenance peuvent avoir accès. Selon l'application, la conception peut exiger la conformité à la norme EN 62368-1 (équipements informatiques et audiovisuels) ou à la norme EN 61885 (réseaux de communication et automatisation des réseaux électriques).

Du point de vue des communications, les conceptions doivent généralement être conformes à la norme européenne CENELEC EN 50065-1, qui définit les niveaux de signaux maximum ainsi que les bandes de fréquences porteuses autorisées.

Sélection d'un transformateur CPL : Assurez-vous que le transformateur répond aux exigences de fréquence de fonctionnement, de tension et d'impédance. Par exemple, la série PFB de Bourns, mentionnée précédemment, est optimisée pour les applications CPL à bande étroite (NB-PLC), ce qui la rend adaptée aux opérations longue distance. Prenant en charge les plages basse et moyenne tension, la série PFB peut être utilisée à la fois pour les environnements intérieurs et extérieurs.

Assurez-vous de choisir un transformateur avec un rapport de transformation permettant à l'impédance du modem CPL de correspondre à l'impédance de la ligne électrique. Souvent, l'impédance du modem ne peut pas être modifiée, et le transformateur doit donc être soigneusement sélectionné pour obtenir une correspondance d'impédance pour une transmission efficace des signaux.

Tenez également compte de l'environnement d'application. Par exemple, la série PFB est disponible en version standard et étendue. Le modèle standard PFBR45-ST13150S est conçu pour être utilisé dans des logements sécurisés, tandis que le modèle étendu PFB45-SP13150S ajoute des fonctionnalités de sécurité pour une utilisation dans les zones auxquelles les agents de maintenance ou les utilisateurs ont accès. L'isolation renforcée de ce dernier modèle protège contre les chocs électriques et isole l'utilisateur final des tensions d'entrée dangereuses. La Figure 4 illustre les principales caractéristiques des deux modèles.

Figure 4 : Le transformateur PLC étendu PFB45-SP13150S présente des caractéristiques de sécurité plus robustes que le PFBR45-ST13150S. (Source de l'image : Bourns)

Sélection d'un protecteur GMOV : Tenez compte des types de pointes de puissance et de transitoires de tension auxquels le système peut être exposé lors de la sélection d'un protecteur approprié. Par exemple, Bourns propose des protecteurs GMOV de 14 millimètres (mm) tels que le GMOV-14D301K supportant des courants de pointe de 6 kiloampères (kA), ainsi que des variantes de 20 mm comme le GMOV-20D151K supportant des courants de pointe de 10 kA. Les variantes de 14 mm et 20 mm sont notamment compatibles avec les MOV standard en termes de taille et d'empreinte. La Figure 5 fournit la liste complète des configurations disponibles pour ces dispositifs.

Figure 5 : Les protecteurs GMOV sont disponibles en variantes de 14 mm et 20 mm, ces dernières prenant en charge des courants de pointe plus élevés. (Source de l'image : Bourns)

Il est également important de tenir compte de la capacité et du courant de fuite. Une capacité élevée peut entraver la transmission des données dans les systèmes CPL. La faible capacité des protecteurs GMOV de Bourns, inférieure à 2 picofarads (pF), minimise la distorsion des signaux, ce qui signifie qu'elle n'affecte pas de manière significative la transmission des données sur les lignes électriques.

Les protecteurs GMOV de Bourns se caractérisent également par un courant de fuite inférieur à 1 microampère (µA). Bien que les fuites puissent sembler anodines, elles s'accumulent dans les applications à l'échelle d'une ville. Par exemple, dans une application d'éclairage public avec un courant de fuite de 10 microampères, si l'on multiplie ce chiffre par le million de lampadaires d'une zone urbaine typique, la perte d'énergie due aux fuites devient considérable.

Conclusion

L'avènement des infrastructures énergétiques intelligentes, caractérisées par des réseaux intelligents, des compteurs intelligents et un éclairage public intelligent, a mis en évidence la nécessité de disposer de systèmes de communications fiables, rentables et efficaces. Comme illustré, le CPL est une option appropriée, en particulier lorsqu'il est soutenu par des transformateurs CPL et des protecteurs GMOV spécialisés pour garantir la qualité et la fiabilité des signaux, et pour offrir une protection contre les transitoires ou les pointes d'énergie, tout en minimisant le courant de fuite.