Schmalbandige PLC-Kommunikation – ein hervorragendes Werkzeug
Im Smart Grid gehört die PLC-Kommunikation über Hochspannung (230 V) zu den dominierenden Übertragungskanälen. Der Bereich des betriebenen Gebietes beträgt oft bis zu 1 km2 , und es gibt viele Faktoren mit negativen Einflüssen auf die PLC-Signalstärke, einschließlich Topologieänderungen, parasitäre Impedanzen durch das Kundenverhalten oder signifikant hohe Störungen, weil die Kunden die geltenden EMV-Standards nicht einhalten. Glücklicherweise bedeutet die geringe Anzahl von Hochspannungsleitungen, dass es kein Problem mit der eigenen Leitungsimpedanz bei niedrigeren Übertragungsfrequenzen gibt .
Bei Mittelspannungsleitungen (bis 35 kV) ist die Situation für die Übertragung von SPS-Signalen bis zu 500 kHz günstig. Es gibt keine Änderung der Topologie, so dass die Impedanz der Mittelspannungsleitung die einzige dominante Last bleibt. Das Gebiet des MS-Verteilungsnetzes hat einen Radius von bis zu 30 km; diese Entfernungen werden hauptsächlich durch Freileitungen abgedeckt. Erdkabelleitungen können dagegen bis zu 5 km weit reichen.
Betrachten wir die Situation innerhalb des Stromnetzes. Bei der Frequenz von 50 Hz müssen wir den Leitungswiderstand innerhalb der Leitungslänge von mehreren Kilometern berücksichtigen. Die Wellenlänge eines Signals mit einer Frequenz von bis zu 500kHz (verwendet von PLC-Systemen) ist deutlich kürzer als die verwendete Leitung.
In diesem Fall verhält sich das Signal wie eine Welle, und es ist daher notwendig, die Gesamtimpedanz der Leitung zu berücksichtigen. Wir können es mit dem integrierten RLC-Element vergleichen, das durch seine parasitären Eigenschaften gebildet wird, wenn die höheren Frequenzen eine höhere Dämpfung erfahren.
Während die Induktivität bei Freileitungen und Kabel-MV-Leitungen ähnlich ist, gibt es bei der erreichten Kapazität einen erheblichen Unterschied. Die Kapazität von Kabelleitungen erreicht (wegen der sehr engen Verlegung der Kabel oder der Abschirmung von Einzeldrähten) Hunderte von nF auf 1 km, während die Kapazität von Freileitungen um ein Tausendfaches geringer ist, was sich auf die Gesamtimpedanz auswirkt. Daher haben Freileitungen im Vergleich zu Kabelleitungen eine deutlich geringere Dämpfung bei steigender Frequenz.
BPL vs. PLC auf MV-Linien: (nicht) überraschender Sieger
Vergleicht man die Übertragungseigenschaften von Breitband- und Schmalbandkommunikation über Mittelspannungsleitungen, so ergeben sich einige interessante Erkenntnisse. Dieser Vergleich findet auf Kabelleitungen statt, die Kapazitätskopplung wurde in einer phasenübergreifenden Implementierung genutzt.
Eine einphasige Ausführung – bei der ein Pol mit der Leitung verbunden ist und der zweite geerdet ist – wurde wegen der starken Störungen durch die Erdverbindung nicht verwendet). Es wurden mehrere Leitungen (die längste von ihnen erreichte 15 km) in einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung verglichen.
BPL-Modems (lassen wir ihre problematische rechtliche Verankerung einmal beiseite) mit dem Frequenzbereich von 2-30 MHz konnten aufgrund der ungleichen Eigenschaften des Übertragungskanals in seiner gesamten Bandbreite bis zu einer maximalen Entfernung von 500 m mit einer tatsächlichen Übertragungsrate von 100 kbit/s kommunizieren.
Andererseits erreichten Schmalbandmodems mit einer Kommunikationsfrequenz von bis zu 500 kHz, die PRIME– und G3-PLC-Standards verwendeten, vergleichbare Raten, selbst bei einer 30-mal größeren Entfernung im Vergleich zu BPL (die Leitungslänge betrug nur 15 km), und außerdem wurde kein Repeater verwendet, was insbesondere für Freileitungen entscheidend ist.
Es gibt noch eine weitere überraschende Erkenntnis: Die tatsächliche Übertragungsrate übertrifft die der konkurrierenden GPRS-Kanäle. Bei der Prüfung einzelner Leitungen (MV-Kabelleitungen, die einen Lichtbogenofen versorgen) wurde außerdem festgestellt, dass das kurze Paket im Band bis 100 kHz alle Störungen, die durch den Betrieb dieser Last entstehen, mit definierter Latenzzeit zuverlässig überwindet.
Diese Tatsache kann für Energieverteiler entscheidend sein: Die MV-PLC-Kommunikation kann zuverlässig für die Bestellung von Verteilnetzen genutzt werden. Die Aufträge und Steuerbefehle sind von den Daten her nicht groß, aber die definierte Latenzzeit ist gefragt.
Mehrwert der MV PLC-Kommunikation: Leitungsdiagnose
Eine weitere Besonderheit wurde bei der Messung der Leitungsdiagnose (verbunden mit einer Erhöhung der Systemzuverlässigkeit) festgestellt. Man muss sich vergegenwärtigen, dass ein Kommunikations-SPS-Modem ein ständig angeschlossener Empfänger ist, der alle eintreffenden Signale auswertet. Neben der Tatsache, dass es möglich ist, eine Leitungsunterbrechung zu erkennen (z.B. wenn ein Baum auf eine Freileitung gefallen ist), können wir auch andere Arten von Störungen identifizieren.
Die häufigsten Störungen, die zu einer Beeinträchtigung von Leitungen (sowohl Freileitungen als auch Kabel) führen, haben zwei Zustände. Am Anfang steht ein hochohmiger Zustand, der mit der Zeit in einen niederohmigen Zustand übergeht, d. h. in einen Kurzschluss. Eine große Anzahl von Fehlfunktionen bei Mittelspannungsleitungen wird durch Isolationsdegradation sichtbar. Abbildung 1 zeigt, wie die Störung abläuft und was das Ergebnis der Störung ist.
Die Kapazität C1 gibt die Kapazität des Gashohlraums innerhalb der Isolierung an. Die Kapazitäten C2′ und C2“ zeigen die Kapazität der restlichen gesunden Isolierung, und die Kapazität C3′ und C3“ ist die Kapazität des einzelnen Isolators.
In dem Hohlraum entstehen Teilentladungen, die die betroffene Stelle allmählich abbauen. Der Zustand dieser Stelle ändert sich von hochohmig zu niederohmig (siehe Abbildung 2).
UB ist die Durchschlagsspannung einer Teilentladung in der Kavität. Eine kurze Zündung von Teilentladungen führt zu Stromimpulsen. Diese Impulse sind der Grundspannung mit einer deutlich höheren Frequenz überlagert, und diese Frequenz kann mit dem Empfänger eines MV PLC-Modems erfasst werden.
Wenn wir eine relative Methode verwenden, erkennen wir den Anstieg einer Störung im Vergleich zum vorherigen Zustand, was das Diagnosesignal ist. Bei Kabelleitungen ist dies ein eindeutiger Beginn einer Störung im Isolationszustand. Bei Freileitungen kann auch eine Korona auftreten, da sie ähnliche physikalische Eigenschaften hat.
Auf der Mittelspannungsebene gibt es einen Vorteil: das geringe Spannungsgefälle. Das bedeutet, dass die Umstände für die Koronabildung außerordentlich ungünstig sind (die Korona ist hauptsächlich mit Höchstspannungsleitungen verbunden). Auf der Mittelspannungsebene, insbesondere in staubigen Umgebungen, wo sich der Staub zusammen mit hoher Feuchtigkeit auf den Isolatoren niederschlägt, können leitfähige Strecken entstehen, die den Beginn der Degradierung der Isolatoren darstellen.
Schlussfolgerung: Lang lebe die Mittelspannungs-PLC-Kommunikation
Die MV PLC-Kommunikation kann zuverlässig mit Funkübertragungen konkurrieren. WMBus beispielsweise ist in Bezug auf die Kommunikationsrate und das übertragene Datenvolumen ähnlich, hat aber nicht den gleichen Radius. SIGFOX hingegen hat einen ähnlichen Radius, ist aber durch das Volumen der übertragenen Daten begrenzt.
GSM verfügt über die erforderliche Übertragungsrate und Abdeckung, hat aber keine definierte Latenzzeit und ist von Dienstangeboten Dritter abhängig. Verschiedene Richtfunkverbindungen müssen innerhalb des Fernmeldeamtes lizenziert werden, und sie haben nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
Im Vergleich zu Funkübertragungen ist die Übertragung über Mittelspannungsleitungen nicht anfällig für absichtliche Störungen und hat eine 100%ige Abdeckung. Der Einsatz von MV PLC-Modems bringt neue Vorteile für die Zuverlässigkeit der Stromversorgung mit sich.
Die aktuelle Situation ermöglicht die rechtzeitige Anzeige potenzieller Gefahren und vereinfacht die Suche nach Fehlfunktionen. Außerdem ist der Raum für eine wesentlich anspruchsvollere Diagnose mit einem Minimum an zusätzlichen Investitionen offen, da der teuerste Teil des Geräts (d.h. die Koppeleinheit) zusammen mit einem MV PLC Modem verwendet werden kann.