Machen drahtlose Verbindungen Power Line Communication zunichte?
IoT, Sub-GHz, LPWAN… Jeder, der die aktuellen Trends in der Telekommunikationstechnologie und ihre Entwicklung kennt, kann diese „magischen“ Abkürzungen nicht übersehen haben. Alle namhaften Hersteller von Mikrocontrollern, Sensoren, Kommunikations-Chipsätzen und deren Komponenten bieten einige „IoT ready“-Komponenten an. Auf den ersten Blick mag es so aussehen, als ob die Glocken für PLC (Power Line Communication) geläutet haben und die Zukunft der drahtlosen Verbindung gehört. Aber ist das wirklich der Fall?
LPWAN
Große Reichweite, niedriger Preis, einfache Implementierung, vernachlässigbarer Verbrauch – das versprechen uns diese Netze. Wir können zwischen zwei Haupttypen unterscheiden:
Unlizenzierte Frequenzbänder
Meistens handelt es sich um das 868-MHz-Band für europäische Anwendungen und das 900-915-MHz-Band für die USA. Einige Netze nutzen auch das 433-MHz-Band (2,4 GHz) oder das ursprünglich für den Fernsehrundfunk eingerichtete Spektrum.
Typische Mitglieder dieser Familie sind Sigfox, LoRa, Weightless, Nwave und andere. Die Arbeit in den unlizenzierten Frequenzbändern erfordert die Einhaltung einer Reihe von strengen Regeln, die von der lokalen Regulierungsbehörde vorgegeben werden.
Um ein Beispiel zu nennen: Für das 868,8-MHz-Spektrum ist die Sendeleistung auf 25 mW ≈ 14dbm und das Sendetastverhältnis auf 0,1 % (ohne LBT – Listen before Talk) beschränkt. Diese Beschränkung ist der Grund dafür, dass der Endpunkt des Sigfox-Netzwerks beispielsweise maximal 140 gesendete Nachrichten pro Tag und nur 4 empfangene Nachrichten zulässt.
Zugelassene Frequenzbänder
Dazu gehören die Standards LTE-M oder NB-IoT. Dabei handelt es sich meist um Anbieter von Mobilfunknetzen, die bereits über GSM- und LTE-Infrastruktur verfügen und eine Lizenz dafür besitzen. Mit diesen „alt-neuen“ Technologien und dieser Art von Netzen wird in den nächsten Jahren ein massiver Rollout erwartet.
Verteilung von Elektrizität und Netzsteuerung
Die am häufigsten verwendete PLC-Kommunikationsanwendung ist die Fernablesung von Stromzählern. Mit dem massiven Aufschwung der Nutzung erneuerbarer Energien stehen die Verteiler vor ernsten Problemen.
Das Hauptziel besteht darin, das unmittelbare Volumen der erzeugten und verbrauchten Energie ins Gleichgewicht zu bringen. Die einfache Zählerablesung wird dann zu einem komplexeren Problem, da das Energienetz entsprechend reguliert werden muss. Diese Art der Regulierung stellt hohe Anforderungen an die Kommunikationsinfrastruktur im gesamten Stromnetz – vom Stromzähler über das Umspannwerk bis hin zum Verteilerkopfsystem.
Die Aufgabe besteht darin, die definierte Verfügbarkeit, den Durchsatz und die Latenz über die gesamte Strecke einzuhalten. Die Erfahrung zeigt, dass dies für die derzeit eingesetzte Technologie (GPRS-, 3g- oder LTE-Netz) ein unlösbares Problem darstellt.
Daten aus dem Feld
Der Einsatz von LPWAN für die Fernablesung von Stromzählern und die Steuerung und Regelung des Verteilungsnetzes mag auf den ersten Blick praktisch sein. Die Verfolgung von Fahrzeugen und Sendungen, die Überwachung von Systemen, die Steuerung der öffentlichen Beleuchtung und viele andere Anwendungen könnten folgen.
Können wir das alles im unlizenzierten Spektrum unterbringen? Was wird bei einer Überlastung des LPWAN-Netzes passieren? Was wird insbesondere in Großstädten mit dem Durchsatz und der Latenzzeit passieren, die für die Regulierung des Stromnetzes entscheidend sind?
Stromzähler können (und werden häufig) im Keller des Hauses oder in einem Hauswirtschaftsraum ohne Fenster untergebracht sein, was bedeutet, dass kein drahtloser Dienst möglich ist. Wenn keine externe Antenne installiert ist, ist LPWAN in nicht lizenzierten Frequenzbändern praktisch nutzlos.
Ein weiterer Faktor, der die Auswahl einer geeigneten Technologie für die strategische Rolle der Stromnetzsteuerung beeinflussen kann, ist die Abhängigkeit von anderen Themen. Es ist üblich, dass ein Anbieter ein Monopol für einen bestimmten drahtlosen Standard in einem Land hat. Viele Standards erfordern die Verwendung eines vom Netzbetreiber betriebenen Cloud-Backends, um die Datenerfassung von den Endpunkten sicherzustellen, oder die Verwendung eines Chipsets, das nur von einem lizenzierten Hersteller geliefert wird.
Es gibt Fälle, in denen es unmöglich ist, PLC zu verwenden. Zum Beispiel bei Zählern an abgelegenen Orten, die außerhalb der Reichweite des PLC-Mesh-Netzwerks liegen. In diesen Fällen wird trotz der höheren Kosten eine GSM-Verbindung verwendet. Aber das sind die Fälle, in denen das LPWAN eine interessantere Alternative sein könnte.
Kommunikation zwischen Umspannwerken
Nachdem die Daten über das PLC-Netzwerk vom Feld zum Datenkonzentrator in der sekundären (MV-LV) Unterstation übertragen wurden, ist der Datenweg noch lange nicht zu Ende. Es ist notwendig, eine Verbindung zwischen dem Datenkonzentrator und der primären/zentralen Unterstation (genauer gesagt der primären Umspannstation MVHV) herzustellen. Die Erfahrung zeigt, dass mehr als 12 % der sekundären Unterstationen außerhalb des Mobilfunknetzes liegen.
Neben den Messdaten und Befehlen für den Stromzähler wird dieser Kanal auch für die Telemetrie der Unterstation und die Fernsteuerung (RTU) verwendet. Um nicht zum Flaschenhals zu werden, sollte er bessere Eigenschaften haben als die untergeordnete Niederspannungs-SPS-Kommunikation. Moderne interoperable Standards wie PRIME Version 1.4 oder G3-PLC arbeiten unter optimalen Bedingungen mit Geschwindigkeiten um 1Mbps, daher sollte die Verbindung zwischen DC und dem Head-End-System niemals langsamer sein. Das schließt leider die meisten LPWAN-Standards aus.
Die Standard-WIMAX-Technologie kann als geeignet angesehen werden, da sie eine ausreichend stabile Verbindung bietet. Sie arbeitet im lizenzierten Frequenzband, in dem die Kanäle von der nationalen Regulierungsbehörde zugewiesen werden. Das Ergebnis ist ein Zustand, in dem das Frequenzband in perspektivischen Gebieten im Grunde „ausverkauft“ ist (z. B. von lokalen Internetanbietern genutzt). Ein weiterer Faktor ist der hohe Preis der WIMAX-Zugangspunkte (AP).
Hochspannungsleitungen sind in einem Transformator immer vorhanden, und im Vergleich zu Niederspannungsleitungen werden Hochspannungsleitungen kaum durch unerwünschte Störungen beeinflusst. Sie erlauben den Einsatz von Modulation und Kodierung höherer Ordnung, um eine ausreichende Übertragungsgeschwindigkeit zu erreichen. Auch in diesem Bereich ist die PLC zumindest eine wettbewerbsfähige Alternative und ihr Betrieb ist nicht von einem privaten Anbieter abhängig
In-Home-Anwendungen
PLC betrifft nicht nur die Industrie oder die Energietechnik. Die wohl bekannteste PLC-Anwendung ist die „Powerline-Vernetzung„, die in der Regel die auf dem IEEE1901 (BPL)-Standard basierende Home-Plug-Technologie nutzt. Die Nutzung dieser Methode der LAN/WAN-Übertragung ist aufgrund der heutigen Preise, der Einfachheit und der Zugänglichkeit von WI-FI-Verbindungen marginal. Sie wird nur in Gebieten verwendet, in denen die WI-FI-Versorgung problematisch ist.
Multi-Utility-Systeme und die Hausautomatisierung (Messwerte, Steuerung von Geräten, Alarmsysteme) sind ein weiterer Bereich, in dem die Verwendung einfacher und preiswerter PLC-Modems vorteilhaft ist, da sie in der Regel in den CENELEC-B- und -C-Bändern arbeiten, die durch relativ geringe Störungen gekennzeichnet sind.
Im Vergleich zur drahtlosen Kommunikation in lizenzfreien Frequenzbändern (434 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz) bieten sie eine höhere Reichweite ohne Einschränkungen durch Hindernisse, wie z. B. Stahlbetonwände. Es ist eine einfache Möglichkeit, die Reichweite von Wireless M-Bus, Zigbee und anderen drahtlosen Verbindungen in problematischen Bereichen, wie z. B. Wohnblocks, zu erhöhen.
Schlussfolgerung: Die Zukunft der PLC-Technologie
Anhand der dargestellten Informationen können wir sehen, dass die PLC-Technologie auch in Zeiten des Booms der drahtlosen Technologien nicht nur im Bereich des Smart Grid noch viel zu bieten hat.