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Power Line Communication – das schwächste Glied?
Stromleitungen sind zweifelsohne Teil der kritischen Infrastruktur. Die Energietechnik befindet sich jetzt in ihrer dramatischsten Entwicklungsphase. Leider wird die Entwicklung durch den technischen Fortschritt und politische Entscheidungen erschwert.
Nach der Verwirklichung des EU-Strategieplans 20-20-20 werden wir wahrscheinlich mit dem Paradoxon konfrontiert sein, dass eine zuverlässige Energieversorgung immer noch nicht gewährleistet ist. Glücklicherweise bringen jedoch selbst leere Schlagworte wie „smart grid“ rationale Überlegungen und Entscheidungen in den Bereich der Stabilität und Sicherheit der Stromversorgung.
Der Weg zur Steuerung von Endgeräten, einschließlich E-Zählern in Privathaushalten, ist ganz klar… trotz aller Vorbehalte wird sich die PLC-Technologie durchsetzen. Sie ist die einzige Technologie mit einer Zuverlässigkeit, die der der Stromversorgung gleichkommt.
Das obige Schema zeigt die Struktur sowohl des Modems als auch der Umgebung, die die Gesamteffizienz der übertragenen Informationen beeinflussen. Ein reales Kommunikationssystem ist natürlich wesentlich komplizierter, aber dieses vereinfachte Modell reicht aus, um die wichtigsten Auswirkungen zu erkennen.
Herausforderungen des Übertragungskanals
Daraus ergibt sich, dass die Übertragungskapazität nicht davon abhängt, wie wir sie uns wünschen, sondern von den Eigenschaften des Übertragungskanals. Im Falle der PLC-Technologie bedeutet dieser Kanal Stromleitungen.
Die Verteilung kann auf seriell-parallele Strukturen mit relativ hoher Dämpfung verallgemeinert werden (wegen der erheblichen parallelen Kapazität und der seriellen Induktivität). Die parallele Anordnung einzelner Verbrauchsstellen mit hochdynamischer Zu- und Abschaltung führt zu einer starken und sehr dynamischen Änderung der Impedanz.
Die Elemente ZG (Quellenimpedanz), ZL und Z1,2,3 (Lastimpedanz)beschreiben sowohl den Quellen- als auch den Geräteteil des Stromnetzes (Impedanzmerkmale definieren, dass die Elemente frequenzabhängig sind).
Leider steht am Ende immer der Verbrauch des Kunden. Die Kunden können durch ihr Verhalten das Vertriebsnetz und damit den Kommunikationskanal beeinflussen.
Wie kann man die Schwachstelle in der Kommunikation beheben?
Der Kommunikationskanal ist immer das schwächste Glied in der Übertragungskette. Man könnte meinen, dass es aufgrund der Schwächen dieses Kanals (Störungen, dynamische Änderungen der Topologie) günstiger wäre, diesen Kanal zu verlassen. Das genaue Gegenteil ist jedoch der Fall.
Der Grund dafür sind die einzigartigen Eigenschaften der SPS, wie die Möglichkeit der Stromversorgung und die sofortige Verfügbarkeit des Kommunikationskanals. Es reicht aus, die Eigenschaften dieses Kanals zu akzeptieren und keine Erwartungen an unrealistische Kommunikationsraten zu knüpfen.
Wo liegen die Grenzen der geltenden Normen?
Neue „Interoperabilitäts“-Standards (z. B. PRIME oder G3-PLC) zeigen, „wie man nicht vorankommt“. Die Verwendung dieser trendigen OFDM-Systeme (PRIME, G3-PLC), die eine hohe Übertragungskapazität auf anderen Übertragungskanälen in der Stromleitungsumgebung erreichen, bedeutet, dass wir die Saat für ein ernsthaftes Problem legen.
Wenn wir außerdem ineffektive Übertragungsprotokolle (DLMS) hinzufügen und die Verarbeitungskapazität reduzieren, um eine kostengünstige Lösung zu ermöglichen, werden wir nur auf dem Papier zufriedenstellende Ergebnisse erzielen, nicht aber in der Praxis. Wir können die Sendeleistung aufgrund der Gesetzgebung nicht erhöhen. Auch eine Erhöhung des Frequenzbereichs kann nicht in Betracht gezogen werden.
Hierfür gibt es zwei Gründe:
- wir sind durch die zugewiesene Frequenz begrenzt, und
- Die Kanaleigenschaften bei höheren Frequenzen erlauben physikalisch keine größere Reichweite (nicht mehr als einige hundert Meter).
Auch die Anforderungen an die Ausgangsstufe müssen berücksichtigt werden. Die Endstufe und die Modulationsmethode müssen so ausgelegt sein, dass erhebliche Impedanzänderungen die Stabilität dieser Stufe nicht beeinflussen.
Auf dem Weg zu zuverlässigen und effizienten PLC-Lösungen
Deshalb muss diese Stufe eine niedrige innere Impedanz haben, eine Anforderung, die bei OFDM, das einen linearen Ausgangsverstärker benötigt, um Verzerrungen zu vermeiden und gleichzeitig die Orthogonalität der Unterträger zu stören, kaum erfüllt wird. Der Eingangsschaltkreis des empfangenden Modems muss in der Lage sein, seine Verstärkung sehr dynamisch zu verändern, um den Pegel des verarbeiteten Signals nicht zu verändern.
Heutzutage gibt es zwei mögliche Optionen. Die erste wird bereits in realisierten Projekten eingesetzt. Sie setzt eine deutliche Reduzierung der übertragenen Datenmenge voraus. Diese proprietären Lösungen müssen keine Ballastinformationen übertragen. Sie erreichen damit eine hohe Zuverlässigkeit bei der Datenübertragung und sind zudem preislich konkurrenzfähig.
Das zweite Szenario trägt den vorherrschenden Anforderungen an die Übertragung größerer Mengen echter Informationen Rechnung. In diesem Fall ist es notwendig, die Komplexität sowohl der sendenden als auch der empfangenden Modemteile erheblich zu erhöhen.
Der Weg nach vorn für die PLC-Entwicklung
Die zunehmende Integration von Elementen in Silizium-Chipsätzen könnte dabei helfen. Sie ermöglicht die Implementierung von Turbocodes (zur Erneuerung der übertragenen Informationen) und die effiziente Nutzung des Soft-Decision-Ansatzes (Entscheidung durch Codewörter).
Wenn diese Methoden zusammen mit einer geeigneten Modulationsform erweitert werden, ist dies der einzige Weg, um die Entwicklung der SPS-Kommunikation voranzutreiben. Sie gewährleistet die Übertragung eines höheren Datenvolumens, und in einem solchen Fall könnte selbst die Übertragung mit dem DLMS-Protokoll keine unerfüllte Utopie sein.
Schlussfolgerung: Die Zukunft von PLC gestalten
Wir sind davon überzeugt, dass sich der Fortschritt in nächster Zukunft in einem parallelen Prozess fortsetzen wird. Einerseits glauben wir, dass es ein öffentliches, rationales, interoperables Protokoll geben wird, und andererseits, dass es technologische Fortschritte im Bereich der Leistung eines einzelnen Kommunikationskanals geben wird – alles ausgerichtet auf erhöhte Robustheit und definierte Latenzzeitkonformität – was die Schlüsselanforderung für das ordnungsgemäße Funktionieren eines intelligenten Netzes ist.