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Eignung von Niederspannungsverteilnetzen für Powerline Communication

Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der

Universität Duisburg-Essen

zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktors der Ingenieurwissenschaften

genehmigte Dissertation

von

Yaser Khadour

aus

Almadabee

Referent: Prof. Dr.-Ing. H. Hirsch

Korreferent: Prof. Dr.-Ing. I. Erlich

Tag der mündlichen Prüfung: 02.12.2003

Übersicht

Bei der PLC "Powerline Communication" werden auf bestehenden Energieleitungssystemen,

deren Eigenschaften nicht für hochfrequente Vorgänge optimiert sind, Daten im

Frequenzbereich von 9kHz bis 30MHz übertragen. Aufgrund der

Energieleitungseigenschaften wird die hochfrequente Signalenergie zum Teil abgestrahlt, so

dass aus informationstechnischer Sicht eine zusätzliche Signaldämpfung auftritt. Aus Sicht

der EMV bedeutet das unter Umständen eine Beeinträchtigung der vorhandenen Funkdienste.

In dieser Arbeit wird systematisch untersucht, mit welchen Abstrahlungen in PLC-Systemen

zu rechnen ist und inwieweit diese tatsächlich problematisch hinsichtlich der EMV werden

können. Ziel ist es, den Entwicklungsprozess für PLC-Systeme ausgehend von den strikten

Randbedingungen der leitungsgeführten und abgestrahlten Störgrößen voranzutreiben. Neben

den technischen Aufgaben, wie z.B. der Entwicklung geeigneter Messverfahren zur

Bewertung der Energienetze, treten dabei zunehmend regulative und normative

Fragestellungen in den Vordergrund.

Die von PLC Systemen heraus abgestrahlte Feldstärke und die dazugehörigen Grenzwerte

bestimmen die maximal erlaubte PLC-Einspeiseleistung, welche zur Abschätzung der

erreichbaren PLC-Kanalkapazität dient. Bei niedriger Abstrahlungsgrenzwerte in den PLC-

Systemen, wie z.B. die in Deutschland von der RegTP (Regulierungsbehörde für

Telekommunikation und Post) vorgeschlagenen Grenzwerte, sind Maßnahmen zur

Abstrahlungsreduzierung unverzichtbar. In dieser Arbeit werden daher entsprechende

Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen entwickelt und untersucht.

PLC bietet darüber hinaus innovative Services im Bereich des elektrischen Netzmanagements.

Das sind die Mehrwertdienste, mit denen praktisch jedes elektrisches Gerät durch PLC

fernüberwacht und ferngesteuert werden kann.

In dieser Arbeit wird eine Versuchsinstallation aufgebaut, mit der die Fernauslesung eines

Energiezählers via PLC demonstriert wird. Prinzipiell werden aus den Daten nachher

Lastprofil-Informationen entsprechend dem Verbraucherzustand (Lastmanagement auch

mittels PLC) gewonnen. Dadurch kann eine dynamische Tarifumschaltung zur Optimierung

der Tageslast erstellt werden.

Inhaltverzeichnis

1 Einleitung .......................................................................................................1

1.1 Stand der Technik..................................................................................... 1

1.2 Ziele der Arbeit......................................................................................... 3

2 Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen....9

2.1 Anpassungsgrad der Verteilnetztopologie zur Datenübertragung ........... 9

2.2 Übertragungseigenschaften des Verteilnetzes........................................ 11

2.2.1 Erdkabel.......................................................................................................... 12

2.2.2 Impedanz......................................................................................................... 13

2.2.3 Übertragungsfunktion ................................................................................... 18

2.2.4 Störsignale und Kanalkapazität des Verteilnetzes...................................... 21

3 Untersuchung der EMV von PLC-Systemen............................................26

3.1 Ermittlung der maximal erlaubten PLC-Einspeiseleistung.................... 30

3.1.1 Untersuchung des Kopplungsfaktors ........................................................... 30

3.1.2 Bestimmung der maximalen spektralen Leistungsdichte........................... 40

3.2 Alternative Verfahren zur Abschätzung der Abstrahlung...................... 41

3.2.1 Mechanismus der Abstrahlungsentstehung in PLC-Systemen.................. 42

3.2.2 Asymmetrisches Dämpfungsmaß LCL ........................................................ 44

3.2.3 Abstrahlungsnahes Unsymmetriemaß RA .................................................. 54

3.3 Äquivalenzen zwischen Kommunikations- und Verteilnetzen.............. 57

3.3.1 Anwendbarkeit von EN 55022 im PLC-Bereich ......................................... 57

3.3.2 Entstehung der Common Mode.................................................................... 60

3.4 Koexistenz von PLC-Systemen.............................................................. 64

3.4.1 SNR-Untersuchung ........................................................................................ 67

3.4.2 Verfahren zur Verbesserung des SNR ......................................................... 77

4 Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen ..................85

4.1 Abstrahlungsverhalten bei hybrider Einspeisung................................... 85

4.2 Einspeise- und Messmethoden ............................................................... 89

4.3 Bewertung der Mess- und Simulationsergebnisse ................................. 91

4.4 Eigenschaft der Verteilnetze bei hybrider Einspeisung ......................... 98

4.4.1 Struktureinfluss auf die Bedingungen der hybriden Einspeisung............. 99

4.4.2 Phasendifferenzeinfluss auf das Abstrahlungsverhalten.......................... 100

4.5 Technische Realisierung des Verfahrens zur Abstrahlungsreduzierung103

5 PLC für Mehrwertdienste ........................................................................106

Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................115

Literaturverzeichnis ........................................................................................120

Einleitung 1

1 Einleitung 1.1 Stand der Technik Die Nutzung der Energieversorgungsnetze zur Informationsübertragung existiert seit Ende

des 19. Jahrhunderts. Im Jahr 1899 wurden in England Maschinen eingesetzt, die Signale mit

bestimmten Frequenzen generierten. Diese Signale wurden dann dem damaligen

Gleichstromnetz überlagert und an den Endanlagen über einfache LC-Schwingkreise

ausgekoppelt [1].

Im Jahr 1920 begannen die Energieversorgungsunternehmen die Freileitung auf der

Hochspannungsebene als unidirektionales Kommunikationsmedium im Frequenzbereich von

15kHz bis 500kHz (Trägerfrequenztechnik auf Hochspannungsleitungen, TFH) zu

Betriebführungszwecken zu verwenden. Dadurch können Nachrichten über den

ekonomischen Einsatz verschiedener Kraftwerke über das Stromnetz untereinander

ausgetauscht und Entscheidungen getroffen werden, in welchem Maße Energie selbst erzeugt

oder von anderen Stellen bezogen werden soll. TFH ermöglicht ebenfalls eine rasche

Beseitigung der im Hochspannungsnetz auftretenden Störungen. [1][2][4]

Für die Nutzung der Mittelspannung- und Niederspannungsebene zur Nachrichtenübertragung

wurde die Tonfrequenzrundsteuertechnik (TRT) seit dem Jahr 1930 in Einsatz gebracht. TRT

dient zur Laststeuerung und -verteilung, d.h. Vermeidung extremer Lastspitzen und das

Glätten der Lastgangkurve. Die Sendefrequenzen von TRT liegen im Bereich zwischen

110Hz und 2000Hz. Diese niedrigen Frequenzen ermöglichen den Informationsfluss über die

Transformatoren zwischen Mittel- und Niederspannungsebene ohne aufwendige Aus- und

Einkopplungsmaßnahmen. Der Informationsfluss ist unidirektional vom

Energieversorgungsunternehmen zu den Kunden. [1][3][4]

Im Jahr 1970 fanden in Texas in den USA die erste Versuche zur bidirektionalen

Datenübertragung über das Niederspannungsnetz statt. Etwa 5 Jahre später wurde in einem

Pilotversuch des texanischen Energieversorgungsunternehmen der Zählerstand in 25 privaten

Haushalten durch das Niederspannungsnetz automatisch fernausgelesen [1]. Diese Technik

wurde als Powerline Communication (PLC) bezeichnet.

Die erste PLC-Anwendung in Deutschland kam im Jahre 1980 mit dem sogenannten

„Babyphone“ in die Haushalte. Das Babyphone ist eine Einrichtung zur Übertragung von

Einleitung 2

Sprachsignalen innerhalb eines geschlossenen Gebäudes über das vorhandene

Gebäudestromnetz.

In den letzten 12 Jahren wurden verschiedene PLC-Systeme entsprechend der europäischen

Norm EN 50065 entwickelt und auf den Markt gebracht [4].

Die europäische Norm EN 50065 wurde festgelegt, um das Verteilnetz als

Kommunikationsnetz im Frequenzbereich von 3kHz bis 148,5kHz, der je nach

Anwendungsbereich (Energieversorgungsunternehmen oder Kunden) in Frequenzbänder

geteilt ist, zu benutzen. Grenzwerte der Ausgangsspannung für jedes einzelne Frequenzband

sind ebenfalls in dieser Norm festgelegt [4][5][6].

Im Sinne der Nachrichtentechniktheorie und mit Berücksichtigung der physikalischen

Verteilnetzeigenschaften und der durch die jeweilige Norm begrenzten Sendeleistung kann im

entsprechenden Frequenzbereich eine Kanalkapazität von höchstens einigen 10 kbit/sec

erreicht werden [5]. Zwar reicht diese Datenrate sowohl für energieversorgungsnahe Dienste

wie z.B. Überwachungsdienste, Laststeuerung, Zählerfernauslesen und Lastprofildarstellung

als auch für Gebäude- und Hausautomatisierung aus. Jedoch ist die Benutzung des

Verteilnetzes z.B. als schneller Internetzugang für zahlreiche Teilnehmer bei der betrachteten

Datenrate ausgeschlossen.

Die Harmonisierung und Liberalisierung der Energieversorgungs- und

Telekommunikationsmärkte haben den Konkurrenzkampf zwischen den herkömmlichen

Übertagungsmedien (wie z.B. die Kabel-TV-Netze und die Telefonanschlussnetze) und dem

Stromverteilnetz, das sich als alternatives breitbandiges Datenübertragungsmedium zur

Überbrückung der „Last Mile“ auszeichnet, legitimiert [4][5].

Die Powerline Kommunikation (PLC) ist in der Lage, ideale Möglichkeiten zur

Informationsübertragung bereitzustellen, da die gesamte Netzinfrastruktur bis zur Steckdose

im Haushalt vorhanden und ohne zusätzlichen Installationsaufwand nutzbar ist. Darüber

hinaus ist der Vernetzungsgrad der Energieverteilnetze im Vergleich mit den herkömmlichen

Kommunikationsnetz sehr gut, so dass jede Steckdose im Haus zum Senden und Empfangen

von Daten genutzt werden kann.

Zahlreiche Studien und messtechnische Untersuchungen haben gezeigt, dass die

Kanalkapazität typischer Niederspannungsnetze Datenraten bis zu mehreren 100 Mbit/s

zulässt, wenn der Frequenzbereich von etwa 1 MHz bis 20 MHz genutzt wird [4].

Einleitung 3

In der Praxis und trotz aller Beschränkungen kann eine Datenrate von mindestens 1 Mbit/s

gewährleistet werden [5]. Diese Datenrate ist für breitbandige Dienste, wie z.B. den

Internetzugang für einige Dutzend Teilnehmer, ausreichend.

Das Niederspannungsnetz ist ein ausgesprochen problematischer Übertragungskanal. Z.B.

kann das Ein- oder Ausschalten eines Haushaltgeräts, Auswirkungen auf die übertragenen

Datenströme durch impulsförmige Störungen verursachen. Doch lassen sich diese Probleme

dank moderner digitaler Verfahren der Nachrichtentechnik lösen.

Für die Nutzung des Verteilnetzes zu Kommunikationszwecken sind trotz dieses enormen

Potentials und moderner Verfahren noch einige Aufgaben zu lösen.

Der für die Breitband-PLC-Technik vorgeschlagene Frequenzbereich liegt zwischen 148,5

kHz und 30 MHz. In diesem Frequenzbereich sind Frequenzen Funkdiensten (Lang- Mittel-

und Kurzwellenrundfunk) zugeteilt worden. Die Verwendung gleicher Frequenzen von PLC-

Systemen und Funkdienste führt zur Überlagerung und möglicherweise zur Störung der

Funkdienste [4][5]. Die Zuteilung von Sonderfrequenzbreichen für die Powerline

Communication und die Festlegung zulässiger Grenzwerte der elektromagnetischen

Abstrahlung sind deshalb von großer Bedeutung für die Umsetzung der PLC-Technik.

Seit dem Jahr 1998 arbeiten verschiedene Arbeitskreise, wie z.B. Powerline

Telecommunication Forum (PTF), Ausschuss technische Regulierung in der

Telekommunikation (ATRT) der Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post

(RegTP), international Powerline Communication Forum (PLCforum), DKE, CENELEC,

ETSI und CISPR an der Zusammenstellung der Grundlagen für eine künftige Normung der

PLC-Technik im höheren Frequenzbereich 150kHz bis 30MHz. In Deutschland wird die

sogenannte Frequenzbereichszuweisungsplanverordnung (FreqBZPV) und dazugehörige

Nutzbestimmung (NB30), die die Grenzwerte und Messvorschrift (MV05) umfasst, zur

Begrenzung der durch PLC hervorgerufenen Feldstärken vorgeschlagen.

1.2 Ziele der Arbeit Während die Beschreibung der Übertragungs- und Störmodelle des Powerline-Kanals

Aufgabe der Nachrichtentechnik ist, beschäftigten sich EMV-Fachkräfte mit der Frage der

Frequenzzuweisung und der Grenzwertfestlegung der von PLC Systemen emittierten

elektrischen Felder. Die erwähnten Arbeitsgebiete können nicht unabhängig voneinander

Einleitung 4

gesehen werden, da die nachrichtentechnisch interessante PLC-Kanalkapazität stark von den

Übertragungseigenschaften des Energieverteilnetzes und der damit verbundenen Abstrahlung

elektrischer Energie verbunden ist. Diese wiederum hängt entscheidend von der eingespeisten

PLC-Einspeiseleistung und dem Einspeiseort ab.

Die Ermittlung der zur Bestimmung der Kanalkapazität erforderlichen Größen und die

Bestimmung der dazugehörigen physikalischen Messgrundlagen sind deshalb das Kernziel

der Untersuchungen.

Zu den Größen gehören unter anderem die Übertragungsfunktion, die leitungsgeführten

Störsignale und die maximal erlaubte Sendeleistung.

Diese Größen und damit die Kanalkapazität für unterschiedliche Netztopologien wurden in

zahlreichen Studien untersucht [4, 5, 37, 39, 40].

Während das PLC-Signal prinzipiell entweder symmetrisch oder asymmetrisch eingespeist

werden kann, breitet sich, wegen der hochfrequenzmäßig unvollständigen Symmetrie des

Verteilnetzes gleichzeitig ein symmetrisches und ein asymmetrisches Signal auf den

Verteilnetzleitungen aus. Dementsprechend entstehen im Netz, unabhängig davon, ob

symmetrisch oder asymmetrisch eingespeist wird, immer beide Moden (symmetrische und

asymmetrische).

In der Literatur wird die symmetrische Mode als „differential mode“ oder „Gegentaktmode“

bezeichnet, während der Ausdruck „common mode“ bzw. „Gleichtaktmode“ für die

asymmetrische Mode gebräuchlich ist.

In der symmetrischen Mode beschränkt sich die Signalausbreitungsweg auf die Hin- (z.B.

eine der Phasen L1, L2 oder L3) und Rückleiter (z.B. der N-Leiter oder ebenfalls eine der

Phasen). Dagegen benutzt das Signal in der asymmetrischen Mode die jeweilige Phase und

den N-Leiter parallel als Hinleiter und die Erde als Rückleiter, wobei eine direkte Verbindung

oder eine hochfrequent wirksame Kopplung zur Erde für die asymmetrische Ausbreitung

verantwortlich ist.

Aus diesem Grund ist es bei der Beschreibung der leitungsgeführten und abgestrahlten

Größen notwendig zu klären, zu welchem Mode (symmetrisch oder asymmetrisch) diese

Größen gehören.

Die Übertragungsfunktion ist ein wichtiges Maß, sowohl im Datenübertragungs- als auch im

EMV-Bereich. Sie wird durch den Kabeltyp bzw. Kabeldämpfung, Entfernung zwischen

Sender und Empfänger, Netztopologie, angeschlossene Verbraucher und Einspeiseleistung

beeinflusst.

Einleitung 5

Die Übertragungsfunktion bestimmt die Höhe der Differenz zwischen Nutzsignal und

leitungsgeführter Störung. Dieses Verhältnis wird üblicherweise als Signal-Stör-Abstand

(engl: Signal-Noise-Ratio, kurz: SNR) an der Empfangseite bezeichnet. Der SNR ist im

zweiten Kapitel systematisch untersucht worden, da er ein wichtiges Maß zur Abschätzung

der Kanalkapazität C eines Kommunikationssystems darstellt.

Durch die Verstärkung der Sendeleistung kann die Leistung des Empfangssignals theoretisch

erhöht werden, solange die mit dieser Sendeleistung verknüpfte Abstrahlung die

dazugehörigen Grenzwerte nicht überschreitet. Demzufolge ist die Ermittlung der maximal

erlaubten Einspeiseleistung in den PLC-Systemen angesichts der EMV und der

Informationstechnik unverzichtbar.

Im dritten Kapital wird deshalb das Abstrahlungsverhalten der PLC-Struktur sowohl im

Außerhausbereich (Access, Strecke vom Ortsnetztransformator zum Hausanschluss) als auch

im Innenhausbereich (Inhouse, Strecke zwischen Hausanschluss und Steckdose) untersucht.

Hierzu wird ein Messaufbau entworfen, der Abstrahlungsmessungen an realen, in Betrieb

befindlichen Niederspannungs-Strukturen ermöglicht. Abstrahlungsmessungen werden für die

Einspeisung an der Ortsnetzstation, am Hausanschluss und im Innenhaus für den

Frequenzbereich 150 kHz bis 30 MHz durchgeführt. Zur Unterstützung der Messergebnisse

wird ein Energieversorgungsnetz eines typischen Wohngebiets modelliert und die von diesem

Netz heraus abgestrahlte Feldstärke simuliert.

Der Zusammenhang zwischen der eingespeisten Leistung und der dazugehörigen

abgestrahlten Feldstärke lässt sich über einen Kopplungsfaktor beschreiben. Durch den

Vergleich dieses Kopplungsfaktors mit den relevanten Grenzwerten für die Störfeldstärke

erfolgt die Abschätzung der maximal erlaubten Sendeleistung, die bei den Design eines PLC-

Modem berücksichtigt werden muss.

Die Zertifizierung von PLC-Modems kann so mit Kenntnis der Symmetrieeigenschaft des

Verteilnetzes erfolgen. Hierfür werden auf die leitungsgeführten Größen bezogene Maße zur

Bewertung der Symmetrieeigenschaften des Verteilnetz simuliert und gemessen. Eines dieser

Maße ist der LCL (engl: Logitudinal Conversion Loss), der ursprünglich aus dem

Telekommunikationsbereich stammt.

LCL und Kopplungsfaktor wurden in zahlreichen Studien untersucht [12, 45, 46, 47, 48]. Als

statistische Unterstützung der veröffentlichten Studien werden jeweilige Größen an

unterschiedlichen Netztopologien in dieser Arbeit untersucht.

Einleitung 6

Mittels eines neu definierten, und auf abgestrahlte Größen basierenden Maßes RA (engl:

Radiation based asymmetry) wird die durch LCL bewertete Symmetrieeigenschaft des

Verteilnetzes gegengeprüft. Zusammen dienen LCL und RA zur Überprüfung der

Anwendbarkeit im PLC-Bereich der in der Europäischen Norm EN55022 bzw. in der

internationalen CISPR22 festgelegten Messverfahren und Grenzwerte für herkömmlichen

Informationseinrichtungen. Dies wird im dritten Kapital systematisch untersucht. Durch die

Untersuchung von LCL und RA an dem Telekommunikations- und Verteilnetz werden

weitere Gemeinsamkeiten (z.B. die Existenz von Störstellen) zwischen diesen Netzen

herausgefunden, was in den veröffentlichen Studien bislang nicht systematisch untersucht

wurde.

Werden von PLC-Systemen in einem Haus oder in unterschiedlichen Häusern die gleichen

Frequenzen genutzt, dann kommt möglicherweise zu Überlagerungen zwischen diesen

Systemen. Die Überlagerungen erfolgen sowohl über galvanische (leitungsgeführte),

kapazitive oder induktive Kopplung als auch über Strahlungskopplung (Abstrahlung und

Einstrahlung von bzw. in PLC-Systeme).

In den meisten verfügbaren Studien wurde überwiegend theoretisch auf die wechselseitig

Störungen zwischen benachbarten PLC-Anlagen eingegangen [4, 5, 77].

Dagegen wurde in [76] ein Trennfilter (Tiefpass) als Gegenmaßnahme für leitungsgeführte

Verkopplungen vorgeschlagen und der notwendige Dämpfungsverlauf berechnet.

In [76] wurde darüber hinaus das Ergebnis einer Messung der Verkopplung zwischen zwei

benachbarten, galvanisch nicht miteinander verbundenen PLC-Netzen dargestellt. Die

Dämpfung solcher Kopplungen sinkt laut [76] von 100dB bei 700kHz auf etwa 20dB bei

5MHz. Zwischen 5MHz und 20MHz liegt die Dämpfung zwischen 20dB und 55dB.

Zur Ergänzung des Kenntnisstandes in der Literatur ist die Untersuchung der

leitungsgeführten Verkopplung deshalb notwendig, wozu in dieser Arbeit beigetragen wird.

Im letzten Abschnitt des Kapitels 3 wird deshalb exemplarisch eine Art der leitungsgeführten

Kopplungen simuliert. Hierfür wird zwischen Reihenhäusern, die alle von dem selbem Strang

versorgt werden, an deren Hausanschlüssen PLC-Signale mit gleicher Frequenz eingespeist.

Die an einem Hausanschluss von den benachbarten Häusern eingekoppelten Signale werden

als Störsignal betrachtet. Dadurch wird das Nutzsignal-Störsignal-Verhältnis an dem

jeweiligen Hausanschluss verschlechtert. Das gilt natürlich auch für alle anderen

Häuseranschlüsse entlang des Strangs. Um die Koexistenz zwischen PLC-Systemen

jeweiliger Häusern untereinander zu gewährleisten, muss der SNR an jedem Hausanschluss

Einleitung 7

einen bestimmten Wert erreichen. Dieser Wert ist von dem eingesetzten

Übertragungsverfahren, der Bitfehler- und der Datenrate abhängig.

Konditionierungsmaßnahmen zur Erhöhung des SNR entlange eines Strangs werden ebenfalls

vorgeschlagen und in den Simulationsergebnissen bewertet.

Sinnvolle Maßnahmen zur Reduzierung der Abstrahlung tragen auch dazu bei, nicht nur die

gewünschte Datenrate und die erforderliche Einspeiseleistung zu gewährleisten, sondern auch

die Koexistenz der PLC-Systeme untereinander.

In der Literatur wurde auf die traditionelle Maßnahme im PLC-Außerhausbereich zur

Unterdrückung der asymmetrischen Ströme, die für die Abstrahlung verantwortlich sind, an

den Kabelenden (am Hausanschluss und an der Transformator) mittels BALUN eingegangen.

Dagegen gibt es keine veröffentliche Studien, die Abhilfemaßnahme gegen die unerwünschte

Abstrahlung im PLC-Inhaus-Bereich, der aus Sicht der EMV eine besondere Herausforderung

bildet, anbietet.

In dieser Arbeit werden daher, Verfahren zur Unterdrückung von leitungs- und feldgeführte

Störung in Inhaus-PLC-Systemen entwickelt und getestet.

Im vierten Kapitel dieser Arbeit wird das Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in Inhaus-

PLC-Systemen definiert und systematisch untersucht. Dieses Verfahren bezieht sich auf

Teilung der eingespeisten Spannung in einen symmetrischen und asymmetrischen Anteil, die

phasen- und betragsmäßig einstellbar sind. Bei bestimmten Einstellungen resultiert ein

Minimum im Verlauf des abgestrahlten Feldes für eine bestimmte Frequenz.

Die Liberalisierung in den Energiemärken und die zukünftige Durchsetzung der PLC-Technik

haben das Interesse der Energieversorgungsunternehmen zur Benutzung jeweiliger Technik

aus ökologischen und ökonomischen Gründe erneut geweckt, um sich und ihren Kunden mit

den sogenannten Mehrwertdienste, wie z.B. Last- und Erzeugungs-Management,

Haushaltautomation und möglichst günstigsten Stromtarifen zu versorgen.

In den USA wurde im Jahr 1975 der Stromzähler in 25 Haushalten über die Stromleitungen

erstmalig automatisch fernausgelesen [1].

In Italien ist bereit ein System zur Lastmanagement über Stromleitung in Bezug auf EHS-

Protokoll (European Home System) zur Erreichung einer möglichst optimalen Lastverteilung

der Haushaltgeräte über die Tageszeiten entworfen worden [80].

Zwischen 1987 und 1990 wurde in Deutschland das erste analoge System zum Stromzähler-

Fernauslesen mit Datenraten von 60 Bit/s aufgebaut und getestet [4].

Einleitung 8

In dem letzten Kapitel dieser Arbeit wurde in Zusammenhang mit dem Lastmanagement ein

Verfahren zur Erstellung einer dynamischen Tarifumschaltung in Bezug auf die

Lastprofilanalyse mittels der PLC-Technik entwickelt. Darüber hinaus wird Demonstrator zur

automatischen Fernabfrage des Stromzählers über Stromleitungen aufgebaut und zwischen

einem Einfamiliehaus in der Umgebung von Dortmund und der Universität Dortmund

getestet. In diesem Versuch wird ein digitaler Lastprofilzähler eingesetzt, der dem in der

Norm DIN EN 61107 festgelegten Protokoll genügt. Zur Ansteuerung des Zählers werden

sogenannte „Client/Server-Anwendungen“ gefahren.

Die Aufgabe des Server ist es alle Messdaten des Zählers lokal auszulesen und die

gewünschte Messgröße einem Paket (frame) zuzuordnen. Bei dem Entwurf des Pakets werden

nicht nur Messgrößen des Zählers, wie z.B. Wirk- und Blindleistung, Datum, usw.

berücksichtigt, sondern auch Steuerungsbefehle von Haushaltgeräten, wie z.B. Zu- und

Abschaltung einer Waschmaschine. Das Paket wird im TCP/IP-Protokoll als „ user data“ in

der obersten Schicht (application layer) betrachtet. Der Server lässt sich durch den Client über

die Stromleitungen steuern, so dass der Server die gewünschte Messdaten z.B. alle 15Min.

aussendet.

Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 9

2 Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen

Nach dem Telekommunikationsgesetz (TKG) wird der Begriff

„Telekommunikationsanlagen“ folgendermaßen definiert:

„Technische Einrichtungen oder Systeme, die als Nachrichten identifizierbare

elektromagnetische oder optische Signale senden, übertragen, vermitteln, empfangen, steuern

oder kontrollieren können, gelten als Telekommunikationsanlagen.“ [10].

Hinsichtlich dieser Definition gelten die PLC-Systeme gesetzlich als

Telekommunikationsanlagen für die Informationsübertragung über das Verteilnetz.

Somit gibt das Telekommunikationsgesetz die rechtlichen Voraussetzungen für PLC-

Systeme vor.

Physikalisch gibt es keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen Daten- und

Energieübertragung über das Stromnetz. Dagegen sind die Übertragungseigenschaften des

Verteilnetzes ausschlaggebend durch die verwendete Übertragungsfrequenz beeinflusst [5].

Während das Verteilnetz aus Sicht der Energieübertragungstechnik vorzugsweise für 50 Hz

entworfen und optimiert wurde, ist eine zusätzliche Optimierung oder ein Umbau dieses

Netzes zu nachrichtentechnischen Zwecken im Frequenzbereich von 150 kHz bis zu 30 MHz

wegen des zeitlichen, technischen und wirtschaftlichen Aufwandes nahezu ausgeschlossen.

Die Beschreibung der hochfrequenten Übertragungseigenschaften des Verteilnetzes ist

deshalb von großer Bedeutung zur Bildung eines Kenntnisfundus über die Tauglichkeit des

Verteilnetzes zur Datenübertragung im o.g. Frequenzbereich.

Das hochfrequente Verhalten und die Kanalkapazität vom Verteilnetz ist durch Netztopologie,

Netzelemente (Erdkabel und Transformatoren), Lasten, Netzimpedanz, Signaldämpfung und

Störungen stark beeinflusst.

2.1 Anpassungsgrad der Verteilnetztopologie zur Datenübertragung

Der überwiegende Einfluss auf die hochfrequente PLC-Signalausbreitung ist durch die

Verteilnetztopologie gegeben[27]. Es gibt verschiedenen Verteilstrukturarten je nach der

Lastdichte, wie z.B. die Stern- bzw. Strahlenstruktur oder Maschenstruktur [11].

Abbildung 2.1 zeigt ein sternförmiges Verteilnetz einer typischen Wohngebietsversorgung.

Vom Transformator gehen bis zu 10 Kabelstränge ab, deren Länge jeweils unter 1 km liegt.

Jeder Kabelstrang versorgt 30 bis 40 Hausanschlüsse [4][12].


Im Haus- oder Gebäudebereich verteilen sich die Stromleitungen wiederum bis zu jeder

Steckdose in jedem Raum. Das Verteilnetz vom Transformator bis zur heimischen Steckdose

bildet deshalb eine gute Datenübertragungsstruktur zur Überbrückung sowohl der „Last-Mile“

für Versorgung der Kunden mit Telekommunikationsdiensten (TK-Dienste) und des „Last

Meter“ zur Anbindung des Haus-LAN (Local Area Network) an das herkömmlichen

Telekommunikationsnetz (Internet und Telefonnetz) [5]. Darüber hinaus bietet das Stromnetz

in Häusern und Gebäuden die Möglichkeit, jedes netzbetriebene, elektrische oder

elektronische Gerät fernzusteuern [5], sowohl aus dem eigenen Hausnetz heraus wie auch

über externe TK-Einrichtungen.

In der Literatur wird der Last-Mile-Bereich (Strecke zwischen Transformator und

Hausanschlüssen) häufig als „Außerhausbereich“ oder „Access-Bereich“ bezeichnet, während

der Last-Meter-Bereich (Strecke vom Hausanschluss zur Steckdose) als „Inhouse-Bereich“

oder „Innenhausbereich“ bezeichnet wird (Abb. 2.1).

Abb. 2.1: Verteilnetzstruktur mit integrierten PLC-Systemen

Das PLC-Signal wird beim Transformatorsknoten von der Niederspannungsseite

ausgekoppelt und via Glasfaser, Richtfunk, Breitbandkabel oder aber ein weiteres, auf

Transformator

HF-Filter

Energieleitung 10 kV

Datenleitung (z.B. Glasfaser)

Verteilungsstrang

Ortsnetzstation

Kopplungs- Einheit

PLC- Modem

weitere Verbraucher/ PLC-Teilnehmer

Haus

LAN

Datenleitung (z.B. Ethernet)

Trennstelle

Innenhaus-PLC Außerhaus-PLC

Internet oder Telefonnetz

weitere Häuser (30 bis 40 Haus) Filter

Endgerät z.B. PC

Trennstelle

PLC-Modem


Mittelspannungsebene operierenden PLC-System mit dem Telekommunikationsnetz

verbunden.

Der Hausanschlusspunkt bildet aus PLC-Sicht eine wichtige Schnittstelle zwischen zwei

Strukturen nämlich dem In- und Außerhausbereich. Da die beide Bereiche sich von Struktur,

Bandbreite und Signaleinspeiseart unterscheiden, ist die Trennung zwischen diesen beiden

Bereichen notwendig (Abb. 2.1). Diese Aussage gilt auch in besonderem Maße zur Trennung

der vom Transformator abgehenden Strängen. So können die Teilnehmer jedes Stranges sich

die Übertragungskapazität (wie z.B. denselben Frequenzbereich) teilen.

Die Trennung kann entweder hochfrequenzmäßig durch ein geeignetes Filter oder durch

präzise Zugriffverfahren wie z.B. CDMA umgesetzt werden.

2.2 Übertragungseigenschaften des Verteilnetzes

Für die Benutzung des Verteilnetzes als Nachrichtenmedium werden bereit zahlreiche Studien

über die Übertragungseigenschaften dieses Verteilnetzes im Frequenzbereich von 9 kHz bis

zu 150 kHz durchgeführt und veröffentlicht [13, 14-17].

Seit wenige Jahre werden die Übertragungseigenschaften des Verteilnetzes für den

Frequenzbereich von 150kHz bis zu 30 MHz theoretisch und praktisch intensiv erforscht [4; 5

und 18; 19-24].

Die Abbildung 2.1 zeigt den Teil der Energieübertragungsebenen, der als interessanteste

Strecke für PLC gilt. Es befindet sich im Bereich der Steckdosen im Haus bis zum Knoten des

Transformators. Daher steht die Beschreibung des hochfrequenten Verhaltenes von Kabels,

Verbraucher, Impedanzen, Störungen und Signaldämpfung dieses Netzabschnitts im

Vordergrund.

Wenige Studien sind auf das hochfrequenzmäßige Verhalten des Transformators

eingegangen. Die meisten Studien beschränken sich auf die Untersuchungen der

Transientenausbreitung über das Verteilnetz für Frequenzen bis einigen 100 kHz [26].

Im PLC-Bereich wird auf dem Transformator zur nachrichtentechnischen Anbindung der

Mittel- mit der Niederspannungsebene verzichtet. Der Grund dafür liegt in der starken

Dämpfung des PLC-Signals durch den Transformator, der durch die hohe Induktivität eine

Tiefpasscharakteristik zeigt. Außerdem ist die Symmetrieoptimierung des Transformators für


den 50–Hz-Bereich im Hochfrequenzbereich nicht mehr gültig und dies führt zur Entstehung

asymmetrischer Signale [12;26].

2.2.1 Erdkabel

Im Bereich der Verteilnetze werden zur Zeit überwiegend Erdkabel zur zuverlässigen

Energieübertragung und geringeren Störanfälligkeit benutzt.

Die wichtigste Eigenschaft des Erdkabels für PLC-Technik ist die HF-Übertragungsfunktion.

Sie wird durch die Kabeldämpfung und die Wellenwiderstandsprünge, die im wesentlichen an

Muffen und Hausanschlüssen hervorgerufen werden, beeinflusst. Die Muffenanwendung ist

aus Energieübertragungssicht zur Anbindung des Hauptkabelstrangs an die Abzweige zu den

Häuseranschlüssen notwendig. Die Wellenwiderstandsprünge verursachen eine zusätzliche

frequenzselektive Dämpfung des PLC-Signals durch Mehrfachreflexionen zwischen zwei

Kabelmuffen oder einer Muffe und dem Hausanschluss [27][28].

Nach [4] ist der Wellenwiderstand des Stromkabels fast unabhängig von der Frequenz. Er ist

durch den Isoliermaterialtyp und die Kabelabmessung festgelegt.

Auch die Kabeldämpfung ist vom Isoliermaterialtyp und der Kabelabmessung abhängig,

jedoch weist das Energiekabel eine Tiefpasscharakteristik auf. Die Kabeldämpfung nimmt

stark mit der Erhöhung der Frequenz zu.

Wird auf das Erdkabel ein hochfrequentes asymmetrisches PLC-Signal überlagert, so fließt

ein HF-Strom über die parasitäre Elemente zu Erde und verursacht ein magnetisches Feld, das

aus EMV-Sicht unerwünscht ist. Die Verlegung dieses Kabels unter der Erde leistet EMV-

mäßig einen großen Beitrag zum erheblichen Reduzierung dieses abgestrahlten Feldes durch

den Dämpfungseffekt des Erdreiches.

Bei der Nutzung der breitbandigen PLC-Technik im Innenhausbereich ergeben sich

hinsichtlich der EMV besondere Schwierigkeiten. Darunter fällt die zusätzliche Abstrahlung,

da die Stromleitungen eines Hauses hochfrequenzmäßig nicht abgeschlossen sind. Während

die Stromkabel in Außerhausbereich eine Länge von bis zu mehreren 100 Metern hat, beträgt

die Länge im Innenhausbereich nur einige 10 Meter. Dementsprechend kann davon

ausgegangen werden, dass das PLC-Signal im Innenhausbereich weniger gedämpft wird als

im Außerhausbereich.


2.2.2 Impedanz

Die Strecke vom Transformator bis zur Steckdose besteht hochfrequenzmäßig hauptsächlich

aus drei Abschnitten, die über verschiedene charakteristische Impedanzen verfügen. Der erste

Abschnitt liegt zwischen den Transformatorknoten der Niederspannungsseite und den

Kabelmuffen, während der zweite Abschnitt sich zwischen den Muffen und den

Hausanschluss befindet. Dagegen umfasst der dritte Abschnitt die Innenhausstruktur. Eine

Fehlanpassung des Modems hat einen Einfluss auf die PLC-Übertragungsfunktion,

gekennzeichnet durch die Signalreflexionen an den Übergängen im Außerhausbereich und an

den Verzweigungen und Verbrauchern im Innenhausbereich. Die Netzimpedanz und damit

die Reflexion sind von Ort, Frequenz und Zeit bzw. der elektrischen Belastung abhängig

[8;12;18;29]. Nach [28] wirkt sich das Zuschaltung von kleinen Verbrauchern ab einer

Entfernung von ca. 8 Metern nicht mehr auf die Netzimpedanz aus.

Während die Tiefpasscharakteristik des Verteilnetzkabel für die Dämpfung der

Übertragungsfunktion verantwortlich ist, verursacht die Impedanzfehlanpassung im Netz

starke Resonanzen im Verlauf dieser Übertragungsfunktion.

Abgesehen davon ist die Verteilnetzimpedanz ein wichtiges Maß beim Entwurf von EMV-

Schutzmaßnahmen. Sie ist nützlich zur Abschätzung des Pegels von leitungsgeführten

Störgrößen [18].

Für PLC-Technik ist die Kenntnis des Frequenzganges der Verteilnetzimpedanz notwendig,

um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten.

Die Impedanzmessung wurde an verschiedenen Steckdosen in einem Labor/Büro-Gebäude an

der Universität Dortmund durchgeführt.

Die Simulation wird mit dem auf der Momentenmethode basierenden Programm CONCEPT

durchgeführt. Es ist primär für den Bereich von Antennenproblemen konzipiert, gestattet aber

durch geeignete Wahl der Basisfunktionen auch die Berechnung im Niederfrequenzbereich.

Gegenüber der „Finite Differenzen“- und der „Finite Elemente“-Verfahren bietet es den

Vorteil, offene Anordnungen rechnen zu können.

Für die Simulation wird ein typisches Wohngebiet mit Berücksichtigung zweier Strängen und

35 Häusern für jeden Strang modelliert (Abb. 2.2). Während die elektrische Installation eines

dreiphasigen Haus detailliert modelliert werden, wird jedes anderes Haus zur Reduzierung des

mit dem Berechnungsprozess verbundenen Zeitaufwands durch einen 100-Ω-Widerstand

ersetzt. Dieser Wert geht aus der Messung als Mittelwert hervor.


Nach [33;34;35] ist sowohl die Warm- und Kaltwasseranlage aber auch die Blitzschutz- und

Antennenleitungen im Hinblick auf Berührungsschutz mit der Potenzialausgleichschiene

verbunden. Die Verbindung mit einer Potenzialausgleichschiene bildet eine

Induktionsschleife, die einen starken Einfluss auf die Messergebnisse, besonders die

Abstrahlung im Frequenzbereich unter 1 MHz, hat. Aus diesem Grund wurden jeweiligen

Anlagen und Leitungen ebenfalls modelliert (Abb. 2.2). Der Effekt der erwähnten Verbindung

soll im dritten Kapital verdeutlicht werden.


Abb. 2.2: Drahtmodell für ein typisches Wohngebiet, bestehend aus zwei Strängen und 35

Häusern je Strang

Trafostation

Häuserersatz durch

eigene Impedanz

Einspeisestelle im Keller

Blitzschutzanlage

Antennenanlage

Hausanschluss

L1, L2, L3, N

Die von der Transformator abgehende Stränge

Zwei Kabels


Die in Abbildung 2.3 dargestellten Mess- und Simulationsergebnisse der Netzimpedanz an

zahlreichen Steckdosen decken sich mit den Angaben der Literatur [12;18;29;30;38].

Statistisch gesehen weisen die Netzimpedanz in unterschiedlichen Einrichtungen keine

signifikanten Unterschiede auf. Sie liegt in der Größenordnung im Bereich von etwa 10 Ohm

bis zu mehreren Tausend Ohm.

Abb. 2.3: Mess- und Simulationsergebnisse der symmetrischen (links) und asymmetrischen

(rechts) Verteilnetzimpedanz

Um die Mess- und Simulationsergebnisse der symmetrischen und asymmetrischen

Netzimpedanz zu bewerten, wird die Auftrittwahrscheinlichkeit der Netzimpedanz

statistischgesehen ausgewertet (Abbildungen 2.4 und 2.5).

10 0 10 1 f [MHz]

Messung

f / MHz 10 0 10 1

f [MHz]

Messung

f / MHz

10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

Z[Ohm]

10 0 10 1 f [MHz]

10 0 10 1 f [MHz]

Simulation Simulation

f / MHz f / MHz

10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

Z[Ohm]

10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

Z[Ohm]

10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

Z[Ohm] Ω

syZ

Ω

asyZ

Ω

syZ

Ω

asyZ


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100 1000 10000

|Zsy| /

P%

Simulation

Messung

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100 1000 10000

|Zasy| /

P%

Messung

Simulation

Abb. 2.4: Kumulierte Wahrscheinlichkeit der symmetrischen Netzimpedanz

Abb. 2.5: Kumulierte Wahrscheinlichkeit der asymmetrischen Netzimpedanz

Die Abbildungen 2.4 und 2.5 zeigen einen klaren Unterschied zwischen den Mess- und

Simulationsergebnissen. Die für die Simulation modellierte Struktur besteht im Gegensatz

zum realen Verteilnetz aus idealen Leitungen. Dies führt dazu, dass die gemessene

Netzimpedanz über die simulierte Impedanz im unteren Frequenzbereich herauswächst. Im

oberen Frequenzbereich lässt sich der jeweiliger Unterschied dagegen durch Energieverlust in

Ω

Ω


den Isolierstoffen wie z.B. Kabelisolation und Wände beim realen Netz erklären. Für die

Simulation sind diese Verluste nicht berücksichtigt worden.

Für die gemessene symmetrische Impedanz zeigt die Abbildung 2.3, dass in ca. 60% der Fälle

die symmetrische Netzimpedanz kleiner als 100 Ohm ist. Dagegen ist die gemessene

asymmetrische Impedanz in ca. 60% der Fälle größer als 100 Ohm (Abb. 2.4).

2.2.3 Übertragungsfunktion

Der grundsätzlichen Unterschied zwischen Innenhaus- und Außerhausbereich beeinflusst das

Übertragungsverhalten, das durch die Übertragungsfunktion für jeden Bereich beurteilt wird.

Die Abbildungen 2.6 und 2.7 zeigen die Methode zur Messung der symmetrischen und

asymmetrischen Übertragungsfunktion. Mit Hilfe eines Messadapters kann das

Ausgangssignal des Generators entweder symmetrisch oder asymmetrisch ins Verteilnetz

eingespeist und empfängt werden. Auf diesen Adapter wird im dritten Kapital detailliert

gekommen.

Abb. 2.6: Messmethode der symmetrischen Übertragungsfunktion

Signal- generator

Z/4

Filter

Verteilnetz Messadapter

Filter

a

b

Z/4

Messadapter

UT Z

U´T Z


Abb. 2.7: Messmethode der asymmetrischen Übertragungsfunktion

Nach Angaben der Abbildungen 2.6 und 2.7 wird die symmetrische und asymmetrische

Übertragungsfunktion logarithmisch wie folgt berechnet.

syTTsy HUUdBH log.20/´log.20, == (2.1)

Parameter:

syH (symmetrische Übertragungsfunktion)

TU (die an einer Steckdose ins Netz eingespeiste symmetrische Spannung)

TU´ (die an anderer Steckdose gemessene symmetrische Spannung)

asyLLasy HUUdBH log.20/´log.20, == (2.2)

Parameter:

asyH (asymmetrische Übertragungsfunktion)

LU (die an einer Steckdose ins Netz eingespeiste asymmetrische Spannung)

LU´ (die an anderer Steckdose gemessene asymmetrische Spannung)

Die symmetrische und asymmetrische Übertragungsfunktion werden in der selben Gebäude,

wo die Netzimpedanz gemessen worden ist, zwischen unterschiedlichen Steckdosen gemessen

( Abbildung 2.8).

Signal- generator

Z/4

Filter

Verteilnetz Messadapter

Filter

a

b

Z/4

Messadapter

UL

Z

U´L

Z


Die Messungen erfolgen mit einem Signalgenerator und Messempfänger von Rohde &

Schwarz (R&S). Die Messbandbreite beträgt 9kHz. Das Empfangsignal wird durch eine

Sendepegel von –10dBm entsprechend 97dBµV an 50 Ohm generiert.

Abb. 2.8: Messergebnisse der symmetrischen (links) und asymmetrischen (rechts)

Übertragungsfunktion

Die Vorstellung, dass im Hinblick auf die kurze Übertragungsstrecke im Innenhausbereich

eine sehr gute Übertragungsfunktion erhalten wird, stimmt mit dem Messergebnis in

Abbildung 2.6 nicht überein. Das liegt darin begründet, dass die Übertragungsfunktion im

Innenhausbereich neben der herkömmlichen Kabeldämpfung zusätzliche Dämpfungen mit

einbezieht, die durch viele Reflexionen verursacht werden. Verantwortlich für diese

Reflexionen sind die Impedanzfehlanpassung an vielen Stellen im Haus. An diesen Stellen

befinden sich Abzweigungen, angeschlossene Verbraucher und unterschiedliche

Leitungstypen.

Da die Netzimpedanz und dadurch der Reflexionsfaktor von Ort, Frequenz und Zeit, d. h. der

aktuellen elektrischen Belastungssituation abhängig ist, wird die Übertragungsfunktion durch

diese Effekte stark beeinflusst. Aus diesem Grund ist eine allgemeingültige analytische

Bestimmung der Übertragungsfunktion praktisch nicht zu realisieren [8;12].

Wenn Sender und Empfänger an verschiedenen Phasen im Haus angeschlossen sind, wirkt

sich das negativ auf die symmetrische Übertragungsfunktion besonders im unteren

Frequenzbereich aus. Für höhere Frequenzen spielt dieser Effekt wegen der kapazitiven

Kopplung zwischen den Phasen keine entscheidende Rolle mehr.

Die Bestimmung der symmetrischen und asymmetrischen Übertragungsfunktion ist genauso

wichtig wie die Bestimmung der symmetrischen und asymmetrischen Netzimpedanz; nicht

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

[dB]

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

dB

f / MHz f / MHz

asyH−

dB

syH−

dB


nur zur Beurteilung des Übertragungsverhalten des Verteilnetzes, sondern auch zur

Bewertung der Symmetrieeigenschaften und dadurch zur Abschätzung der abgestrahlten

Feldstärke. Dies soll auch im dritten Kapital näher betrachtet werden.

2.2.4 Störsignale und Kanalkapazität des Verteilnetzes

Die Störsignale bilden neben der Übertragungsfunktion einen grundsätzlichen Maßstab

hinsichtlich sowohl der Nachrichtentechnik aber auch der EMV zur Beurteilung der Qualität

eines Kommunikationssystems.

Im Hinblick auf der Informationstheorie bestimmt das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Signal to

Noise Ratio SNR) die maximal erreichbare Datenrate eines Übertragungsmediums bei

bestimmter „Bit-Error Rate (BER)“ und bestimmter Bandbreite.

In den 40er Jahren wurde von Shannon und Hartley den Zusammenhang zwischen der

Kanalkapazität und dem SNR für eine bestimmte Bandbreite mathematisch folgendermaßen

formuliert.

( )[ ] ( )[ ]N

SBN

SLogBC +⋅⋅=+⋅= 1log32,31 102 (2.3)

Parameter:

C (Datenrate bit/s oder bps)

B (Bandbreite Hz)

S (Signalleistung am Empfänger)

N (Rauschleistung am Empfänger)

Die Formel 2.3 gilt nur für das AWGN-Kanal (Additive White Gaussian Noise Channel),

unabhängig davon welches Modulations- und/oder Kodierungsverfahren eingesetzt wird.

Nach [37] werden in der Tabelle 2.1 Beispiele für Kanalkapazitäten analoger Kanäle gezeigt:

Dienste

B in kHz SNR in dB C in kBit/s

Telefon 3.1 40 42

UKW-Rundfunk 15 60 300

Fernsehen 5000 45 75000

Tabelle 2.1: Kanalkapazitäten analoger Kanäle [37]


SNR wird häufig in der Literatur in dB angegeben und Stör- bzw. Rauschabstand benannt.

Rauschabstand wird in Formel (2.4) in Abhängigkeit von der Sendeleistung und der

Übertragungsfunktion dargestellt.

[ ] ( ) )(10)(10)(1010 10101010 NLogHLogSLogNSLogdBSNR s ⋅−⋅−⋅=⋅= (2.4)

Parameter:

sS (Sendeleistung)

H (Übertragungsfunktion)

Aus technischer und ökonomischer Sicht ist die spektralen Effizienz ( Hzbps / oder bit ) ein

entscheidender Faktor zur Beurteilung der Nachrichtenverbindung. Hierfür wird die Datenrate

C in Bezug zur investierten Bandbreite B gesetzt. Aus Formel 2.3 wird BC / als Funktion

von NS / abgeleitet und in Abbildung 2.9 graphisch dargestellt.

Abb. 2.9: BC / als Funktion von NS /

Im Hinblick auf Formel 2.3 und 2.4 kann die Kanalkapazität C auf zwei Arten erhöht werden:

1. Durch Erhöhung der Bandbreite B, was durch die Frequenzbereichszuweisung

beschränkt ist. Dementsprechend kann die Kanalkapazität C nur bis zu einem

bestimmten Wert anwachsen [37].

0

4

8

12

16

20

24

0 10 20 30 40 50 60

S/N [dB]

C/B

[bit]

Fehlerhafte Übertragung

Fehlerfreie Übertragung


2. Durch Erhöhung der Sendeleistung. Hierbei nimmt dafür die abgestrahlte Feldstärke

durch die Vergrößerung der Sendeleistung zu, was hinsichtlich der EMV unerwünscht

ist. Mit dieser Methode kann auch die Kanalkapazität C nur bis zu einem bestimmten

Wert erhöht werden.

Die Abschätzung der maximal erlaubten Feldstärke ist also von großer Bedeutung, nicht nur

zum Schutz anderer Funkdienste, sondern auch zur Bestimmung des maximal erreichbaren

Störabstands und der dadurch erzielbaren Kanalkapazität.

Im Folgenden wird exemplarisch der Rauschabstand in demselben Gebäude untersucht, in

dem die Übertragungsfunktion gemessen worden ist.

In Abbildung 2.10 wird das Messergebnis der symmetrischen und asymmetrischen

Störspannung an mehreren Steckdosen dargestellt.

Abb. 2.10: Messergebnisse der symmetrischen (links) und asymmetrischen (rechts) Störungen

mit einer Messbandbreite von 9kHz

Wird das Amplitudenspektrum der Störungen an einer Steckdose in einem Gebäude für

Frequenzbereich zwischen 150kHz bis zum 30 MHz analysiert, zeigen sich neben dem

Grundrauschen hauptsächlich zwei weitere Störkomponenten, die sich auf dem PLC-Kanal

additiv überlagern (Abb. 2.11):

1. Es sind schmalbandige Störer zu erkennen, die sich im Frequenzbereich über 150 kHz als

Rundfunksender erwiesen.

2. Es sind Impulsstörer, die wiederum in zwei Arten aufgeteilt werden können. Zum einen

sind es periodische Störimpulse, die z.B. durch Dimmer verursacht werden, und zum

100

101

-10

0

10

20

30

40

50

60

f [MHz]

dB[(µV/m)/(H

1/2)]

100

101

-10

0

10

20

30

40

50

60

f [MHz]

dB[(µV/m)/(H

1/2)]N

dBµV

N

dBµV

f / MHz f / MHz


anderen sind es sporadische Impulse, die auf Schaltvorgänge im Netz zurückzuführen sind

[39].

Abb. 2.11: Überlagerung der Störungen auf der PLC-Übertragungsstrecke für

Frequenzbereich über 150 kHz

Weil der PLC-Kanal in der vorliegenden Untersuchung wegen der im Störspektrum

auftretenden Schmalband- und Impulsstörung und der ziet- und frequenzabhängigen

Übertragungsfunktion kein AWGN-Kanal repräsentiert, ist eine direkte Verwendung der

Formel (2.3) zur Berechnung der PLC-Kanalkapazität ausgeschlossen. Eine weitere

mathematische Bearbeitung jeweiliger Formel (Integration für ein bestimmtes

Sendespektrum) mit Berücksichtigung der Sende- und Störleistungsdichte ist notwendig zur

exakten Berechnung der PLC-Kanalkapazität. Die Kanalkapazität wird an jeder Steckdose,

bei der die Störung und die Übertragungsfunktion gemessen werden, bestimmt und statistisch

für verschiedenen Sendespektren bewertet.

In Abbildung 2.12 wird die kumulierte Wahrscheinlichkeit der untersuchten PLC-

Kanalkapazität für die Sendespektren (4MHz bis 6MHz), (0,5MHz bis 10MHz) und (0,5MHz

bis 20MHz) dargestellt.

Sender

Empfänger H(f,t)

N(t)

Schmalbandstörer Impulsstörer


Abb. 2.12: Kumulierte Wahrscheinlichkeit der untersuchten PLC-Kanalkapazität für

unterschiedlichen Sendespektren in allen drei dargestellten Fällen mit der

gleichen spektralen Leistungsdichte von 5105,3 −⋅ mW/Hz

Das Bild 2.12 zeigt, dass bei einer Wahrscheinlichkeit 0,5 eine Kanalkapazität von etwa

115Mbit/s für ein Sendespektrum von 0,5MHz bis 10MHz und eine Kanalkapazität von etwa

230Mbit/s für ein Sendespektrum von 0,5MHz bis 20MHz resultiert. Also bei fast

Verdopplung des Sendspektrums verdoppelt sich ebenfalls die Kanalkapazität. Dies liegt

daran begründet, dass die im untersuchten Verteilnetz resultierende Leistungsdichte der

Störung von 0,5MHz bis zu 20MHz näherungsweise proportional zum Betragsquadrat der

Übertragungsfunktion verläuft.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

C [Mbit/s]

P%

0,5MHz-20MHz

0,5MHz-10MHz

4MHz-6MHz

Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 26

3 Untersuchung der EMV von PLC-Systemen

Das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMVG) definiert die

elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) wie folgt

„EMV ist die Fähigkeit eines Gerätes in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend

zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für andere

in dieser Umgebung vorhandenen Geräte unannehmbar wären.“ [41]. Ziel dieser Definition

ist, freien Waren- und Handelsverkehr für elektrische, elektronische und

informationstechnische Geräte innerhalb Europas ohne nationale Hindernisse sicherzustellen.

Wie schon im Kapital 2 erwähnt, gelten PLC-Leitungen und die an diese Leitungen künftig

anzubindende informationstechnische Geräte hinsichtlich des Telekommunikationsgesetzes

als Telekommunikationsanlage. Bevor PLC-Geräten in den Betrieb gesetzt werden, müssen

sie die im EMVG festgelegten Voraussetzungen erfüllen.

Zur Informationsübertragung über Niederspannungsnetze ist in Deutschland der

Frequenzbereich von 3 kHz bis 148,5 kHz von der RegTP freigegeben.

Die Europäische Norm EN 50065-1 bildet den normativen Rahmen für Schmalband-PLC-

Anlagen, die zur Signalübertragung auf elektrischen Niederspannungsnetzen im

Frequenzbereich 3 kHz bis 148,5 kHz dienen.

In der Norm EN 50065-1 werden die den unterschiedlichen Anwendungen zugeordneten

Frequenzbänder, die maximal erlaubten Signalpegel festgelegt (Tabelle 3.1). Außerdem

werden in jeweiliger Norm Verfahren zur Messung der Ausgangspannung definiert und

Grenzwerte dieser Spannung festgelegt[6].


Frequenzbereich Nutzer Erlaubter Signalpegel

3-9 kHz EVU 134 dB µV

9-95 kHz EVU 134 dB µV

95-125 kHz Kunde 116 dB µV

125-140 kHz Kunde 116 dB µV

140-148,5 kHz Kunde 116 dB µV

Tabelle 3.1: PLC-Frequenzbänder, erlaubte Ausgangspannung und Grenzwerte der

Störungen gemäß DIN EN 50065-1

Der normative Rahmen für den Frequenzbereich von 150 kHz bis zu 30 MHz der zukünftig

für PLC-Anlagen genutzt werden soll, ist noch nicht endgültig festgelegt. Es wird daran aber

in verschiedenen Normierungsgremien auf internationaler Ebene gearbeitet. Die Europäische

Kommission (EC) hat dazu das Mandat (M/313) an CENELEC und ETSI (Europäische

Institut für Telekommunikationsnormen) erteilt [44].

In der europäischen Norm EN 55022 bzw. der internationalen CISPR-22werden Verfahren für

die Messung der Pegel von Störsignalen, die durch ITU (Einrichtungen der

Informationstechnik) erzeugt werden, angegeben und die dazugehörige Grenzwerte im

Frequenzbereich von 9 kHz bis 400 GHz für Einrichtungen sowohl der Klasse A

(Industriebereich) als auch der Klasse B (Wohnbereich) festgelegt.

Die Breitband-PLC-Anlagen enthalten neben den zukünftigen Endgeräten selbstverständlich

die elektrische Niederspannungsleitungen, die ursprünglich als Mittel zur hochfrequenten

Signalübertragung nicht konzipiert wurden.

Während die Wellenlänge bei der Netzfrequenz (50 Hz: 6000 km) und bei Schmalband-PLC

(150 kHz: 2 km) deutlich größer als ein einzelnes Niederspannungs-Netzsegment ist, befindet

sich die Wellenlänge für Breitband-PLC mit 300 m (1 MHz) bis 10 m (30 MHz) schon in der

Größenordnung eines Netzsegmentes. Ein Netzsegment, in das Breitband-PLC-Signale

eingespeist werden, wirkt deshalb für asymmetrische Signale wie eine Antennenstruktur und

die stehenden Wellen, die sich ausbilden können, wenn die Leitungslänge der Wellenlänge

entspricht, erhöhen somit die Abstrahlung. Der Antenneneffekt ist je nach

Verkablungstechnik und Kabeltyp von Anlage zu Anlage sehr unterschiedlich [44]. Diese

Abstrahlung kann Funk- und Rundfunkdienste, die die entsprechenden Frequenzbänder

verwenden, stören.


In Deutschland wurde die Festlegung zulässiger Grenzwerte und den dazugehörigen

Messvorschrift unter anderem für die von den hochfrequenten belasteten Energieleitungen

abgestrahlten Feldstärke sowie die Schaffung von Frequenzzuweisungen für PLC-Technik im

Kurzwellenspektrum durch die sogenannte Frequenzbereichszuweisungsplanverordnung

(FreqBZPV) von der Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (RegTP)

übernommen.

Anfang 1999 hat die RegTP hinsichtlich der Telekommunikationsgesetz (TK-Gesetz) mit

einer Veröffentlichung im Amtsblatt angekündigt, dass mit Ausnahme von

Frequenzbereichen, in denen sicherheitsrelevante Funkdienste betrieben werden, in und längs

von Leitern Frequenzen für Telekommunikationsanlagen (TK-Anlagen) und

Telekommnikationsnetze (TK-Netze) im Frequenzbereich von 9 kHz bis 3 GHz freizügig

genutzt werden können, wenn am Betriebsort und entlang der Leitungsführung im Abstand

von 3 m zur TK-Anlagen bzw. zum TK-Netz oder zu den angeschalteten Leitungen

bestimmte Störfeldstärken nicht überschritten werden [43]. Diese Veröffentlichung erfolgt

schließlich in Form der sogenannten Nutzungsbestimmung (NB30). Die in der NB30

vorgeschlagene Grenzwerte gilt also nicht nur für die herkömmliche leitungsgebundene

Telekommunikationsnetze (z.B. TV-Kabel- und Telefonnetze), sondern auch für die

breitbandige Datenübertragung über das Stromnetz. In Abbildung 3.1 wird ausschließlich auf

die von der NB30 maximal erlaubte Feldstärke im PLC-Frequenzbereich nämlich von 150

kHz bis 30 MHz eingegangen.

Abb. 3.1: Verlauf der in NB 30 festgelegten Grenzwerte der abgestrahlten Feldstärke

hinsichtlich des PLC-Frequenzbereichs [43]

0

10

20

30

40

50

60

70

1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08

f / Hz

E m

ax /

dB

µv/m


Im März 2001 hat der Bundesrat die Grenzwerte der NB30 akzeptiert und die NB30 in Kraft

gesetzt. Nach Intervention der Europäischen Kommission ist der Vollzug der NB 30 aber

derzeit ausgesetzt.

In dieser Arbeit wird auf einen Kommentar über die in der NB30 festgelegte Grenzwerte

verzichtet, wobei in [4] eine Reihe von Überlegungen und Analysen angesichts dieser

Grenzwerte aufgezeigt werden. Ein Vergleich zwischen den für Deutschland festgelegten

NB30-Grenzwerten und den Feldstärkegrenzwerten anderer Länder wie z.B. UK und USA ist

in [58] zu finden.

Die Messung der von PLC-Netze abgestrahlten Störfeldstärke erfolgt auf der Grundlage

geltender EMV-Normen entsprechend der von RegTP in der NB30 festgelegten

Messvorschrift (Reg TP 322 MV05) „Messung von Störfeldern an Anlagen und Leitungen der

Telekommunikation im Frequenzbereich von 9 kHz bis 3 GHz“. Diese Messvorschrift dient

zur Harmonisierung der Messverfahren.

Die NB30-Grenzwerte und die MV05 bilden die regulative und messtechnische Basis zur

Bestimmung der maximal erlaubten PLC-Einspeiseleistung. In Anlehnung an die MV05-

Angaben wird die von den PLC-Systemen abgestrahlte Feldstärke gemessen und zur

gespeisten Leistung in Bezug gesetzt. Dementsprechend resultiert ein Verhältnis bzw. eine

Art Übertragungsfunktion zwischen die ins Netz eingespeiste Signalleistung und der

abgestrahlten Feldstärke, was als Kopplungsfaktor bezeichnet wird (Abb. 3.2). Die maximal

erlaubte PLC-Einspeiseleistung ergibt sich durch den Vergleich des jeweiligen

Koppelungsfaktors mit den NB30-Grenzwerten.

Verteilnetz Generator Rahmenantenne

Pfw[dBmW] E[dBµV/m]

K[dBµ/m-dBmW]

Abb. 3.2: Der Kopplungsfaktor ist eine Übertragungsfunktion zwischen eingespeister

Leistung und abgestrahlter Feldstärke[4]


Der Kopplungsfaktor ist wie folgt definiert:

)(

)()(

2

fP

fEfk

fw

= (3.1)

Parameter:

k (Kopplungsfaktor)

E (abgestrahlte Feldstärke)

fwP (eingespeiste Leistung „Vorwärtsleistung“)

Die Ermittlung des Kopplungsfaktors im Fall einer Einspeisung vom kontinuierlichen Signal

im Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz kann zur Lösung zweier Aufgaben beitragen:

• Die simulative Bestimmung der Abstrahlung eines beliebigen realen PLC-Systems, unter

Berücksichtigung der vom PLC-Modem ins Netz eingespeisten Leistung

• Die Bestimmung der maximal erlaubten Einspeiseleistung eines beliebigen realen PLC-

Systems durch Ersetzten der Feldstärke E aus Formel 3.1 durch den NB30-Grenzwert.

3.1 Ermittlung der maximal erlaubten PLC-Einspeiseleistung

In der Praxis unterscheiden sich die unterschiedlichen PLC-Systeme grundsätzlich durch den

Modulationsart, die zugewiesene Bandbreite und die ins Netz eingespeiste Leistungsintensität

(engl. Power spectral density, PSD).

Um eine separate Abstrahlungsuntersuchung für jedes PLC-System zu vermeiden, kommt der

Kopplungsfaktor in Spiel. Er dient zur Ermittlung der Abstrahlung eines beliebigen PLC-

Systems, ohne es in Betrieb zu nehmen [46;48].

In dieser Arbeit wird auf die Verwendung des Kopplungsfaktors zur Bestimmung der

maximal erlaubten Sendeleistung eingegangen.

3.1.1 Untersuchung des Kopplungsfaktors

In Bezug auf Formel 3.1 kann der Kopplungsfaktor logarithmisch wie folgt formulieren:

( ) ( ))(log10)(log20)( fPfEfk fwdB−= (3.2)


Über den Feldwellenwiderstand η kann aus der elektrischen Feldstärke E die magnetische

Feldstärke H bestimmt werden1:

η

)()(

fEfH = bzw.

dBdBdBfEfE η+= )()( (3.3)

Mit η = 377 Ω für Luft unter Normalbedingungen ergibt sich folgender Zusammenhang

zwischen eingespeister Leistung und resultierender magnetischer Feldstärke:

53,51)()()()()( +−=−=dBfw

dBdBfwdBdBfPfHfPfEfk (3.4)

Die Untersuchungen der eingespeisten Leistung und der abgestrahlten Feldstärke werden an

einem realen und in Betrieb befindlichen Verteilnetz sowohl im Innenhausbereich eines

kombinierten Labor-Büro-Gebäude an der Universität Dortmund und im Außerhausbereich an

der Sammelschiene einer Ortsnetzstation eines Wohngebiets in Köln durchgeführt. Für den

Innenhaubereich wird in der Haupt-Verteilung im Keller des Labor-Büro-Gebäudes zwischen

zwei Phasen, sowie in den einzelnen Etagen an verschiedenen Steckdosen ein kontinuierliches

Signal symmetrisch eingespeist und die Abstrahlung an mehreren Punkten im Gebäude und

außerhalb des Gebäudes im Abstand von 3 bzw.10 m zunächst gemessen und nachsimuliert.

Darüber hinaus wird die durch die Einspeisung im Innenhausbereich ausgelöste Abstrahlung

in 3 m und 10 m Abstand vom Trafohaus ebenfalls simuliert und gemessen.

Für den Außerhausbereich wird das Signal an der Sammelschiene im Trafohaus eingespeist

und die Abstrahlung an verschiedenen Punkten in 3 m und 10 m Abstand von Trafohaus

gemessen. Die durch die Einspeisung im Trafohaus um das Gebäude herum verursachte

Abstrahlung wird in 3 m und 10 m Abstand simuliert und gemessen.

In Abbildung 3.3 wird der schematische Versuchaufbau zur Messung der vorwärts

eingespeisten Leistung und der abgestrahlten Feldstärke dargestellt, während die Simulation

mittels des Modells in Abbildung 2.5 im Kapital 2 durchgeführt wird.

1 Dies gilt nur im Fernfeld, die Angabe der magnetischen Feldstärke in dBµV/m hat sich in der EMV jedoch etabliert


Verteilnetz

Funkverbindung

Generator

GPIB

40 dB

Rahmenantenne

GPIB Messempfänger

Netzadapter

Sicherung

Richtkoppler

Master

Slave

HF-Voltmeter Balun

Abb. 3.3: Schematischer Versuchaufbau für PLC-Abstrahlungsmessungen

An der Sendeseite wird ein PC-gesteuerter Signalgenerator mit 50 Ohm Ausgangsimpedanz

zur Erzeugung eines kontinuierlichen Signals verwendet. Durch den am Ausgang des

Generators angeschlossenen Richtkoppler mit HF-Voltmeter wird die Vorwärtsleistung

ermittelt, wobei der Leistungsabfall auf dem Richtkoppler als Korrekturfaktor zur

Berechnung der Vorwärtsleistung berücksichtigt werden muss.

Die Abstrahlungsmessung in Frequenzbereich bis 30 MHz erfolgt durch einen PC-gesteuerter

Messempfänger und eine Rahmenantenne entsprechend CISPR-16. Der Messempfänger muss

vom Versorgungsnetz getrennt werden, damit die leitungsgeführten Störungen im Netz die

Messergebnis nicht verfälschen. Die Steuerrechner des Signalgenerators und des

Messempfängers sind mittels Funksystem miteinander verbunden.

Der Generator wird über ein Mess3-Skript (speziell Software zur Steuerung der Messgeräten)

gesteuert. Dieses Skript wertet Steuercodes aus, die der Rechner über eine Funkverbindung

vom am Messempfänger angeschlossenen PC erhält, und stellt entsprechend Frequenz oder

Sendeleistung ein bzw. schaltet den Generator ein oder aus. Nachdem es den Steuerbefehl

ausgeführt hat, sendet es eine Bestätigung über die Funkverbindung an den Messempfänger-

Steuerrechner zurück.


Der Netzadapter trennt den Generator niederfrequenzmäßig von dem Verteilnetz. Durch einen

„Balun“ wird ein eventuell vorhandener Gleichtaktanteil des durch den Generator erzeugten

Signals gedämpft und dadurch die Symmetrie des Signals erhöht (Abb. 3.4).

Bild3.4: Schematischer Aufbau des Netzadapters

Der Netzadapter stellt im Prinzip einen Hochpass dar, der die Netzspannung und ihre

Oberschwingungen sperrt und das vom Signalgenerator erzeugte Signal möglichst wenig

bedämpft. Unter Einsatz realer konzentrierter Bauelemente mit den Werten L = 373 µH und C

= 33 nF beträgt Grenzfrequenz des Hochpasses 45,4 kHz (3.5).

LCfg

π2

1= (3.5)

Die Längswiderstände Rl erhöhen die Dämpfung der Resonanzen der Netzspannung. Die

Dimensionierung der Längswiderstände erfolgt durch Simulation mittels PSpice

(Softwareprogramm zur Berechnung der Netzwerkschaltungen). Für die gewählte LC-

Kombination stellt sich ein Wert von 3,9 Ω als sinnvoll heraus, da größere Werte die HF-

Leistung des Generators zu sehr bedämpfen; bei kleineren Werten würden im

Niederfrequenzbereich zu große Spannungen am Generator entstehen.

Der Netzadapter ist mit LC-Kombination und Längswiderständen nicht an den

Innenwiderstand des Generators (50 Ω) angepasst. Die Impedanz des Adapters und dadurch

der Reflektionsfaktor ist frequenzabhängig. Um den Reflektionsfaktor möglichst klein im

gesamten PLC-Frequenzbereich zu machen, wird ein Widerstand im Querzweig Rq addiert.

Mit einem Network Analyzer wird der optimale Wert für den zusätzlichen ohmschen

Querwiderstand Rq ermittelt, wobei der beste (d.h. niedrigste) Reflexionsfaktor s11 mit Rq =

330 Ω erreicht wird (Abb.3.5).

C

C R l

R l R q

L Netz Generator

D BALUN


Die von PLC-Modems erzeugten Signale sind im Idealfall symmetrisch. Da das

Niederspannungsnetz, in das das HF-Signal eingespeist wird üblicherweise auch zur

Stromversorgung des Generators genutzt wird, kann jedoch nicht ausgeschlossen werden,

dass auch eine asymmetrische Spannung entsteht.

Da asymmetrische Spannungen bzw. Ströme elektromagnetische Abstrahlung verursachen,

wird das Ergebnis der Messungen durch den am Generatorausgang unerwünschten

asymmetrischen Signalanteil stark verfälscht. Zur Symmetrierung des Generatorsignals wird

daher im Netzadapter ein BALUN (VITROPERM, 24 Windungen) zwischen die

Hochpassschaltung und den Generatoreingang geschaltet.

Der Netzadapter ist ein Zweitor aus passiven Bauelementen. Abbildung 3.5 zeigt die mit

einem Network Analyzer ermittelten Streuparameter s11 und s21 des Netzadapters.

Abb. 3.5: Streuparameter s11 und s21 des Netzadapters; Tor 1: Generatoranschluss, Tor 2:

Netzanschluss

Für die Verwendung des Adapters im Messaufbau ist ein möglichst geringer Leistungsverlust

im Netzadapter erwünscht. Der Reflexionsfaktor s11 sollte daher möglichst klein sein; der

Übertragungsfaktor s21 sollte eine möglichst geringe Dämpfung aufweisen, wobei die

Abbildung 3.5 die optimalen erreichbaren Werte dieser Faktoren darstellt. Hier wird auch ein

Korrekturfaktor berechnet, der den Leistungsabfall auf dem Netzadapter enthält.

Durch Addition der Korrekturfaktoren von Netzadapter CNetzadapter und Richtkoppler

CRichtkoppler zur gemessenen Vorwärtsleistung Pgemessen wird die ins Netz eingespeiste

Vorwärtsleistung Pfw bestimmt:

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 5 10 15 20 25 30

f / MHz

s1

1 /

dB

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0 5 10 15 20 25 30

f / MHz

s2

1 /

dB


][][][][ dBCdBCdBPdBP rNetzadapteerRichtkopplgemessenfw ++= (3.6)

Die Berechnungsergebnisse der Vorwärtsleistung für den Innenhaus- und Außerhausbereich

werden in Abbildung 3.6 dargestellt, wobei für die beiden Fälle die Signalleistung am

Generatorausgang auf 10dBm eingestellt wird.

Abb. 3.6: Die resultierte Vorwärtsleistung sowohl im Innenhausbereich (links) als auch im

Außerhausbereich (rechts)

Die gemessenen Richtungskomponenten der Feldstärke haben die Einheit dBµV/m. Um den

Betrag der Feldstärke zu erhalten, werden die Richtungskomponenten (Ex, Ey und Ez)

entlogarithmiert und vektoriell addiert:

( )2010

dBE

x

X

E = , ( )2010

dBE

Y

Y

E = , ( )

2010dBE

Z

Z

E = (3.7)

222ZYX EEEE ++= EE

dBlog20= (3.8)

Das auf die Messungen bezogene Berechnungsergebnis der Feldstärke E sowohl im

Innenhausbereich aber auch im Außerhausbereich wird in Abbildung 3.7 beispielhaft gezeigt.

Um sicherzustellen, dass die resultierte Feldstärke von dem Grundrauschen sich angemessen

abhebt, wird das Rauschen gemessen und in Abbildung 3.7 mit dem Signalpegel verglichen.

100

101

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

f [MHz]

P(dBm)

Pfw

dBm

100

101

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

f [MHz]

P [dBm]Pfw

dBm In Keller In Etagen

f / MHz f / MHz


Abb. 3.7: Typische gemessene Feldstärke und Grundrauschen sowohl im Innenhausbereich

(links) als auch im Außerhausbereich (rechts)

Eine genaue Aussage über das Feldverhalten in Abhängigkeit von der Frequenz kann nicht

gegeben werden. Ob der Verlauf der Feldstärke mit der Frequenz zu- oder abnimmt, ist im

Wesentlichen durch die Netzstruktur, die Einspeisungsart und die Umgebungsbedingungen

(z.B. Position größerer Metallteile in Gebäuden) beeinflusst. Darüber hinaus zeigen die

Untersuchungen, dass die abgestrahlte Feldstärke in PLC-Systemen orts- und zeitabhängig ist

[12;47].

Im zweiten Kapitel wird darauf hingewiesen, dass die Anbindung sowohl der Wasseranlagen

an den Schutzleiter aber auch der Blitzschutzanlage und Antennenleitungen an der

Potenzialausgleichsschiene des Hauses zur Entstehung einer Induktionsschleife führt. Der

Einfluss dieser Induktionsschleifen wird durch die Simulation untersucht, wobei die

modellierte Hausstruktur in Abbildung 2.5 in Kapitel 2 dazu verwendet wird.

Das Simulationsergebnis zeigt, dass die magnetische Feldstärke mit Berücksichtigung der

Induktionsschleifen erheblich über die magnetische Feldstärke bei Vernachlässigung der

Induktionsschleifen hinaus wächst. Das gilt allerdings für den Frequenzbereich unter ca. 1

MHz, da der Strom in der Induktionsschleife für niedrige Frequenzen einen niedrigen

Widerstand erfährt. Im höheren Frequenzbereich beschränkt sich der Einfluss solcher Schleife

auf die Bestimmung der Resonanzfrequenzen (Abb. 3.8). Für die Simulation wird eine

Eingangssignalspannung von 1 V entsprechend einer Leistung von 13 dBm bei einem 50

Ohm Widerstand eingegeben.

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

E(dBuV/m)

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

E(dBuV/m)

E dBµV/m

E dBµV/m

3m vom Gebäude

Im Gebäude

10m vom Gebäude

Grundrauschen

3m vom Trafohaus

10m vom Trafohaus

Grundrauschen

f / MHz f / MHz


Abb. 3.8: Einfluss der Anbindung sowohl der Wasseranlagen an den Schutzleiter als auch der

Blitzschutzanlage und der Antennenleitungen an die Potenzialausgleichsschiene auf

die resultierte magnetische Feldstärke

Mittels der resultierenden Vorwärtsleistung und der Feldstärke wird der Kopplungsfaktor über

die Formel (3.4) berechnet und graphisch dargestellt.

Die Abbildung 3.9 zeigt das Simulations- und Messergebnis des Kopplungsfaktors im Fall der

Einspeisung im Innenhausbereich sowohl im Keller als auch in verschiedenen Etagen. Die

Messungen werden im Gebäude sowie um das Gebäude herum im Abstand von 3 m bzw. 10

m durchgeführt.

100

101

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

E [dBuV/m]

E dBµV/m

Ohne Anbindung

Mit Anbindung

f / MHz


Abb. 3.9: Simulations- (hell) und Messergebnis (dunkel) des Kopplungsfaktors im Fall der

Einspeisung im Gebäude (Innenhausbereich)

Bei den Messungen werden Messfrequenzen im Bereich von 150 kHz bis 30 MHz

ausgesucht, bei denen die gemessene Feldstärke von dem Grundrauschen angemessen

abweicht. Für die Untersuchung im Gebäude wird keine Frequenz im Bereich bis 270 kHz

gefunden, die die jeweilige Bedingung erfüllt. Daher wird die Feldstärke ab der Frequenz 270

kHz gemessen.

Obwohl die reale Netzstruktur sich vom für die Simulation erstellten Drahtmodell vor allem

durch die Topologie, Kabeleigenschaften und Rahmenbedingungen unterscheidet, weicht das

Simulationsergebnis statistisch gesehen nicht stark vom Messergebnis ab.

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

K [dBuV/m-dBm]

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

K [dBuV/m-dBm]

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

K [dBuV/m-dBm]

K

f / MHz

Im Gebäude 3m Abstand vom Gebäude

10m Abstand vom Gebäude

K

K

f / MHz

dBµV/m-dBm dBµV/m-dBm

dBµV/m-dBm

f / MHz


Analog zur Untersuchung des Kopplungsfaktors für den Innenhausbereich wird die

Ermittlung des Kopplungsfaktors im Fall der Einspeisung an der Sammelschiene im schon

betrachteten Trafohaus durchgeführt.

Die Abbildung 3.10 zeigt das Simulations- und Messergebnis des Kopplungsfaktors, der in

Abstand von 3 m bzw. 10 m sowohl vom Trafohaus aber auch vom Gebäude selber untersucht

wird.

Abb. 3.10: Simulations- (hell) und Messergebnis (dunkel) des Kopplungsfaktors im Fall der

Einspeisung im Trafohaus (Außerhaus- bzw. Access-Bereich)

Die Untersuchungsergebnisse zeigen eine starke Orts-, Frequenz, und

Netztopologieabhängigkeit des Kopplungsfaktors. Der Kopplungsfaktor ist in der Nähe des

Einspeiseortes am größten; er verringert sich mit zunehmendem Abstand zum Einspeiseort

und der PLC-Strecke. Die unterschiedlichen Kopplungsfaktorwerte für Punkte, die sich in

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

K [dBuV/m-dBm]

K

f / MHz

3m Abstand vom Trafohaus dBµV/m-dBm

100

101

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

K [dBuV/m-dBm]

10m Abstand vom Trafohaus

K

dBµV/m-dBm

100

101

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

K [dBuV/m-dBm]

K

3m Abstand vom Gebäude dBµV/m-dBm

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

K [dBuV/m-dBm]

10m Abstand vom Gebäude

K

dBµV/m-dBm

f / MHz

f / MHz f / MHz


gleichem Abstand zur PLC-Strecke in unterschiedlichem Abstand zum Einspeiseort befinden,

lassen sich über die Dämpfung der Niederspannungsleitung erklären.

Darüber hinaus ist der Kopplungsfaktor zeitabhängig, da die vom Netz aufgenommene

Vorwärtsleistung und die dazugehörige abgestrahlte Feldstärke durch Impedanzen der im

Betrieb befindlichen Verbraucher beeinflusst werden.

3.1.2 Bestimmung der maximalen spektralen Leistungsdichte

Wird der von der Untersuchung entnommene maximale Verlauf des Kopplungsfaktors (Km)

gebildet, kann aus diesem und den relevanten Abstrahlungsgrenzwerten (z.B. NB30) der

frequenzabhängige Verlauf der Leistung bestimmt werden, der höchstens eingespeist werden

darf, ohne dass die Grenzwerte überschritten werden.

Mit Berücksichtigung der Messbandbreite (nach NB30 ist 9kHz) wird die maximale Spektrale

Leistungsdichte (PSD) berechnet.

Die Abbildung 3.11 zeigt den im Innenhausbereich resultierenden maximalen

Kopplungsfaktor und PSD.

Abb. 3.11: Maximaler Kopplungsfaktor (links) und die maximal erlaubte spektrale PSD

Leistungsdichte für den Innenhausbereich

Die Auswertung des Messergebnisses zeigt, dass die PSD für Innenhausbereich im Bereich

von -65 dBm/Hz bis -85 dBm/Hz liegt. Die Benutzung eines realen Innenhaus-PLC-System in

dem untersuchten Gebäude garantiert daher Unterschreitung der NB30-Grenzwerte, falls die

Leistungsdichte dieses Systems den Verlauf der maximalen PSD in Abbildung 3.11 nicht

überschreitet.

10 20 30 40 50 60 70 80 90

1

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-20

Km

dBµV/m-dBm

PSD

dBm/Hz

f / MHz f / MHz 10 1 10


Für Außerhausbereich wird in Abbildung 3.12 ebenfalls der resultierende maximale

Kopplungsfaktor und die daraus resultierende maximale Leistungsdichte dBm/Hz

Abb. 3.12: Maximaler Kopplungsfaktor (links) und die maximale spektrale Leistungsdichte

PSD für den Außerhaus- bzw. Access-Bereich

Wie am Bild 3.12 ersichtlich, liegt die maximale spektrale Leistungsdichte für den

untersuchten Außerhausbereich zwischen -40 dBm/Hz und -75 dBm/Hz. Hierfür muss die PSD

eines realen Außerhaus-PLC-Systems, das die für die Untersuchungen betrachtete

Außerhausstrecke benutzen soll, den Verlauf der maximalen PSD in Abbildung 3.12

einhalten, damit die entstehende Abstrahlung die NB30-Grenzwerte nicht überschreitet.

Die Netztopologie hat einen signifikanten Einfluss auf die Kopplungsfaktorwerte und dadurch

auf die PSD. Aus diesem Grund ist von großer Bedeutung, den Kopplungsfaktor für

verschiedene Netzstrukturen statistisch zu ermitteln.

3.2 Alternative Verfahren zur Abschätzung der Abstrahlung

Wegen des räumlichen, zeitlichen und technischen Aufwandes, der mit der direkten

Abstrahlungsmessung verknüpft ist, scheint die Kenntnis über die Symmetrieeigenschaft des

Verteilnetzes als eine gute Alternative zur Abstrahlungsabschätzung zu sein.

In diesem Abschnitt werden die ursprünglich aus dem Telekommunikationsbereich

stammenden Kenngrößen, nämlich der "Transverse Conversion Loss" (TCL) bzw. der

"Longitudinal Conversion Loss" (LCL) zur Bewertung der Symmetrieeigenschaften des

1

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Km

dBµV/m-dBm

Pfw

dBm/Hz

f / MHz f / MHz 10 1 10


Verteilnetzes verwendet. Diese Verfahren beziehen sich auf die Messung der

leitungsgebundenen Größe, nämlich die symmetrischen und asymmetrischen Spannungen an

der Einspeisestelle.

Die Messung der LCL bzw. der TCL an der Einspeisestelle im Verteilnetz hat wegen der

Leitungsdämpfung einen signifikanten Nachteil zur Folge, was später in diesem Abschnitt

detailliert beschrieben wird.

Zur exakten Abschätzung der Symmetrieeigenschaften des Verteilnetzes, wird ein auf der

wirklichen Abstrahlung basierendes Unsymmetriemaß RA "Radiation based Asymmetry"

definiert und untersucht.

3.2.1 Mechanismus der Abstrahlungsentstehung in PLC-Systemen

Hinsichtlich der EMV gilt ein Kommunikationssystem als ideal, wenn dieses System

symmetrisch ist und keinen Kontakt zur Erde hat (Abb. 3.14).

Abb. 3.14: Ideales Kommunikationssystem hinsichtlich der EMV

Wird unter diesen Bedingungen eine symmetrische Spannung am Sender eingespeist, müssen

sich die auf den Hin- und Rückleitern entstehenden Ströme symmetrisch ausbreiten. In

diesem Fall haben die Ströme den selben Betrag und 180° Phasendifferenz.

Demzufolge kompensieren sich die aus diesen Strömen resultierenden magnetischen Felder in

gewisser Entfernung D von den Leitern und es entsteht im idealen Fall keine Abstrahlung.

Das liegt theoretisch darin begründet, dass der Abstand zwischen den Leitern d sehr klein ist.

Hochfrequenzmäßig ist jedes Netzwerk weder ganz symmetrisch noch erdpotientialfrei. Der

Einfluss der parasitären Elemente nimmt mit der Frequenz zu, was vor allem zu einer

kapazitiven Kopplung der Energieleitungen zur Erde führt und eine Unsymmetrie dieser

Sender

Empfänger

Symmetrische Ströme

d

d << D

H=0

P


Leitungen verursacht. Die Frequenzabhängigkeit der Lastimpedanz trägt zur weiteren

Verschlechterung der Verteilnetzsymmetrie bei.

Die Untersuchung zeigt, dass die Abstrahlung in der Nähe einiger Stellen im Verteilnetz

dominant ist. Die Ursache dafür ist unter anderem eine galvanische Verbindung des

Schutzleiters mit den metallenen Wasserleitungen oder mit fremden leitfähigen Teilen, wie

Metallkonstruktionen an diesen Stellen, um den nach den Schutzmaßnahmen geforderten

örtlichen Potentialausgleich zu erfüllen [35;36]. Diese Verbindung ist im Sinne der EMV als

Störstelle zu bezeichnen, die die Symmetrieeigenschaften des Netzes zum Teil zerstört. An

dieser Störstelle wandeln sich die symmetrischen Ströme teilweise zu asymmetrischen

Strömen um, die für die Abstrahlung verantwortlich sind (Abb.3.15).

Die Hin- und Rückleiter für die symmetrischen Mode bilden parallel die Hinleiter für die

asymmetrischen Mode, während die Erde die Rolle des Rückleiters spielt. Dadurch entsteht

eine große Schleife, so dass der Abstand zwischen den Hin- und Rückleiter d´ groß genug ist,

um keine starke Feldkompensierung zu ermöglichen.

Wegen der Stromverteilung an der Störstelle haben die symmetrischen Ströme nicht mehr

denselben Betrag, so dass die durch diese Ströme ausgelösten magnetischen Felder sich nicht

ganz kompensieren können. Hochfrequenzmäßig ist der asymmetrische Strom und dadurch

die magnetische Feldstärke am stärksten an der Störstelle.

Nach [7;49] ist die an der Einspeisestelle resultierende asymmetrische Spannung UL abhängig

von

- der eingespeisten symmetrischen Spannung UT.

- dem LCL (Longutidunal Conversion Loss), der als Maß für die

Unsymmetriedämpfung gilt.

- der symmetrischen Z0 und asymmetrischen Zcm Netzimpedanz.


Abb. 3.15: Zusammenhang zwischen den leitungsgeführten Größen und die abgestrahlte

Feldstärke für eine unsymmetrische PLC-Strecke

3.2.2 Asymmetrisches Dämpfungsmaß LCL

Für ein ideales Kommunikationssystem hat Z∆ ( 12 ZZ − ) den Betrag von Null d. h., das

Nutzsignal erscheint nicht als unakzeptable Störgröße über der asymmetrischen Impedanz

Zcm. Beim unsymmetrischen Kommunikationsnetz taucht ein Unterschied zwischen Z1 und

Z2 auf. Je größer dieser Unterschied ist, desto stärker fließt ein Strom durch die

asymmetrische Impedanz. Daher ist Z∆ ein grundsätzliches Maß zur Bewertung der

Symmetrieeigenschaften jedes Kommunikationsnetzes

Nach Angaben des Bildes 3.15 wird LCL in Abhängigkeit von Z∆ annäherungsweise wie

folgt formuliert [7]:

( )[ ] [ ]00 242.20 ZZZZZLogLCL L ∆−∆+= (3.9)

Parameter:

12 ZZZ −=∆

120 ZZZ +=

U

1:1

Filter

Verteil- netz

Mess- adapter

Abstrahlung

Störstelle

Z0

U

1:1

Zct

Z1

Z2

ZL

Zcm

a

b

Ersatzschaltbild

UT

Z0/4

UL

Asymmetrisches Strom

UT

UL

Symmetrisches Strom

d`

Z0


In Bezug auf die Formel 3.9 wird in Abbildung 3.16 die LCL in Abhängigkeit von

Z∆ dargestellt, wobei auf die vom Messergebnis entnommenen Mittelwerte der

symmetrischen Netzimpedanz Z0 und der asymmetrischen Netzimpedanz Zcm nämlich 100

Ohm angenommen wird.

Abb. 3.16: Zusammenhang zwischen Z∆ und LCL

Die Abbildung 3.16 zeigt, dass je kleiner Z∆ ist, desto größer ist der LCL und desto höher ist

die Netzsymmetrie.

LCL gilt also als alternatives Maß zur Abschätzung der Symmetrieeigenschaften des

Kommunikationsnetzes, wobei der LCL ausschließlich durch die Messung der symmetrischen

und asymmetrischen Spannung erhalten werden kann.

LCL ist nach ITU-T mit den Angaben in Abbildung 3.17 definiert als

⋅=

T

L

U

ULCL log20 (3.10)

Parameter:

LU (eingespeiste asymmetrische Spannung)

TU (resultierte symmetrische Spannung)

0

20

40

60

80

100

120

0,001 0,01 0,1 1 10 100

|Z2-Z1|

LC

L /

dB


Testobjekt Z U T

Z/4

a

b

U L

Abb. 3.17: Definition von LCL nach ITU-T

LCL beschreibt die teilweise Umwandlung von der eingespeisten asymmetrischen Spannung

in die an der Einspeisstelle resultierende symmetrische Spannung.

In [52;53] wird nicht nur LCL und die dazu gehörigen Messverfahren definiert, sondern auch

TCL (Transverse Conversion Loss). TCL gilt wie LCL als wichtiges Maß zur

Charakterisierung der Entstehung von asymmetrischen Störungen und wird in Formel 3.9

nach Angaben vom Abb. 3.18 logarithmisch formuliert:

⋅=

L

T

U

UTCL log20 (3.9)

Parameter:

TU (eingespeiste symmetrische Spannung)

LU (resultierte asymmetrische Spannung)

Testobjekt Z

U T

Z/4

a

b

U L

Abb. 3.18: Definition von TCL nach ITU-T


TCL beschreibt die teilweise Umwandlung der eingespeisten symmetrischen Spannung in die

an der Einspeisestelle resultierende asymmetrische Spannung, die für die Abstrahlung

verantwortlich ist.

Die zu erwartende Abstrahlung bei realen Verteilnetzen kann entweder durch eine

Abstrahlcharakteristik eines λ/2 -Dipolstrahlers oder durch eine numerische Simulation der

Eindrahtanordnung eines realen Verteilnetzes grob abgeschätzt werden. Als Quelle für eine

asymmetrische Anregung wird die um den LCL reduzierte symmetrische Spannung

verwendet.

Der LCL bzw. TCL wird mittels eines Messadapters, in [7] detailliert beschrieben. Bei der

Messung des LCL wird die vom Signalgenerator generierte Spannung durch den Messadapter

am asymmetrischen Eingang als asymmetrische Spannung ins Verteilnetz eingespeist. Die

asymmetrische Spannung breitet sich im Verteilnetz aus und wird an der sogenannte

Störstelle in eine symmetrische Spannung umgewandelt, die zur Einspeisestelle zurückkehrt.

Die resultierende symmetrische Spannung wird durch den Messadapter getrennt und am

symmetrischen Ausgang durch den Messempfänger gemessen (Abb. 3.19).

Verteilnetz

Meßempfänger

GPIB

Stromversorgung

Asym. Eingang

50Ω

Messadapter

Generator

50Ω

Sym. Ausgang

Filter

Abb. 3.19: Versuchaufbau zur Messung des LCL


Die Messung des TCL erfolgt durch Einspeisung einer symmetrischen Spannung am

symmetrischen Eingang und die resultierende asymmetrische Spannung wird am

asymmetrischen Ausgang gemessen (Abb. 3.20).

Verteilnetz

Meßempfänger

GPIB

Stromversorgung

Asym. Ausgang

50Ω

Messadapter

Generator 50Ω

Sym. Eingang

Filter

Abb. 3.20: Versuchsaufbau zur Messung des TLC

Der Messadapter wird durch die Universität Dortmund entsprechend den Angaben in [7]

nachgebaut und kalibriert.

Zur Kalibrierung des Messadapters wird in [7] ein theoretisch berechenbares Netzwerk

bestehend aus zwei einfachen ohmschen Widerständen (100 Ω / 470 Ω ) herangezogen.

Gemessen wird mittels Netzwerkanalysator der LCL, wie in Abb. 3.21 darstellt.

Abb. 3.21: LCL-Messergebnis bei Verwendung eines Kalibriernetzwerkes aus 100/470Ω

100

101

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

f [MHz]

Eigen-TCLLCL / dB

f / MHz


Der theoretische Messwert des LCL liegt bei -26,1 dB. Physikalisch wird demnach der LCL

auf die Dimension des Widerstandes zurückgeführt. Aufgrund der Spannungsteilung am

symmetrischen Ausgang müssen die Messwerte um 6dB korrigiert werden. Dementsprechend

beträgt der gemessene LCL ( ca. -32 dB) mindestens -26 dB.

Zur Messung des Eigen-LCL wird als Testobjekt eine Widerstand von 100 Ω nach [7]

eingesetzt. Im Abb. 3.22 ist der LCL des verwendeten Adapters im interessierenden

Frequenzbereich dargestellt.

Abb. 3.22: Messergebnis des Eigen-LCL bei Verwendung eines Kalibriernetzwerkes aus

100Ω

Wird das Messergebnis um 6 dB korrigiert, liegt der Eigen-LCL im Bereich über 60 dB, was

den Angaben in [7] entspricht.

Nach [7] haben die TCL-Messungen nur dann praktisch eine Bedeutung, wenn sie in einer

abgeschirmten Umgebung stattfinden, was für die realen Verteilnetze äußerst schwierig

realisiert werden kann. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ausschließlich der LCL

untersucht.

LCL wird in verschiedenen Netzinstallationen an mehreren Steckdosen gemessen. Darüber

hinaus wird LCL mittels des im zweiten Kapital dargestellten Drahtmodells simuliert.

In Abb. 3.23 wird das Messergebnis des LCL in einem Labor-Büro-Gebäude der Universität

Dortmund dargestellt. Das Universitätsnetz hat eigene Mittelspannungseinspeisung mit

kurzem Anschluss an den Transformator ähnlich zum industriellen Umfeld. Zum Vergleich

100

101

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

f [MHz]

Eigen-TCL

LCL / dB

f / MHz


mit dem Messergebnis wird das Simulationsergebnis des LCL ebenfalls der Abbildung 3.23

beigefügt.

Abb. 3.23: LCL gemessen in einem Labor-Büro-Gebäude der Universität Dortmund (dunkel)

und simuliert mittels des im zweiten Kapital dargestellten Drahtmodells (hell)

Die Abbildung 3.23 zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen dem Mess- und

Simulationsergebnis des LCL trotz des Strukturunterschiedes.

In einem aus Appartementhäuser bestehenden Studentenwohnheim in Dortmund wird auch

LCL untersucht, wobei die Abbildung 3.24 das Messergebnis zeigt.

Abb. 3.24: LCL-Messergebnis in einem Stundenwohnheim

100

101

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

TCL

LCL / dB

f / MHz

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

f[MHz]

TCL

LCL / dB

f / MHz


Darüber hinaus wird LCL-Messung in einem Mehrfamilienhaus in der Innenstadt von

Dortmund, wo eine städtische Umgebung existiert, durchgeführt (Abb. 3.25).

Abb. 3.25: LCL-Messergebnis in einem Mehrfamilienhaus

In einer ländlichen Umgebung von Dortmund wird das LCL in einer Doppelhaushälfte einer

Wohnsiedlung, wobei die Trafokompaktstation etwa 500 m an nächster Strasse liegt,

ebenfalls gemessen (Abb. 3.26).

Abb. 3.26: LCL-Messergebnis in einem Doppelhaushälfte

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MJz]

TCL

LCL / dB

f / MHz

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

TCL

LCL / dB

f / KHz


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

LCL / dB

P%

Messung

Simulation

Wie die Messergebnisse zeigen, ist ein einheitlicher LCL an Netzleitungen nicht anzugeben.

Je niedriger aber der LCL des Verteilnetzes ist, desto höher ist auch der Anteil des

symmetrischen Nutzungssignals, das von den Unsymmetrien des Netzes in ein

asymmetrisches Signal transferiert wird. Die Annahme eines niedrigeren LCL stellt

demzufolge eine Abschätzung im worst case- Sinne dar. Eine statistische Auswertung über

sämtliche LCL-Verläufe wird in Abbildung 3.27 dargestellt.

Abb. 3.27: Auftrittwahrscheinlichkeit des LCL

Für die Simulation wird das im zweiten Kapital dargestellte Model verwendet, wobei den

LCL an zahlreichen Steckdosen berechnet wird.

Die Abbildung 3.27 zeigt, dass LCL hinsichtlich der Messergebnisse im Bereich zwischen

10dB (LCL-Minimum) und 90dB (LCL-Maximum) liegt, während der LCL-Mittelwert ca. 38

dB beträgt. Die Tatsache, dass in der Simulation ideale und nicht isolierte Leitungen

verwendet werden, lässt den Unterschied zwischen dem Mess- und Simulationsergebnis des

LCL in Abbildung 3.27 zunehmen.

Zur Untersuchung der Unsymmetrie bei den Endgeräten gilt LCL als zuverlässiges Maß.

Wird die LCL-Messung dagegen an Anschlusspunkten eines Netzes durchgeführt, werden

Abstrahlungen möglicherweise nicht vollständig eingeschätzt, da der LCL die

Signaldämpfung der Netz-Leitungen mit einbezieht. Eine im Netz möglicherweise

vorliegende Unsymmetrie (z.B. in einem Verteiler) wird damit nur unzureichend

berücksichtigt.


Die eingespeiste asymmetrische Spannung wird durch die Tiefpasscharakteristik der

Netzleitungen und dem Wellenwiderstandssprung bei den Verzweigungen um den

asymmetrischen Dämpfungsfaktor asyK gedämpft, bevor sie zum Teil an der lokalen

Umwandlungsstelle (Störstelle) in eine symmetrische Spannung überkoppelt wird. Die an der

Störstelle resultierende symmetrische Spannung wird ebenfalls im Rückkehrweg zur

Einspeisestelle durch den symmetrischen Dämpfungsfaktor syK (Abb. 3.28) gedämpft.

Abb. 3.28: Einfluss der Signaldämpfung auf die LCL-Messung am Anschlusspunkt

Der Zusammenhang zwischen LCL an der Einspeisestelle und LCLlokal an der Störstelle wird

mit den Angaben in Abb. 3.27 wie folgt formuliert.

d

LCLlokal LCL

UL

UT

UL

Störstelle

Z

Z/4

Resultierendes sym. Signal

a

Ksy

b

Kasy

Eingespeistes asym. Signal

UT

UL,lokal

UT,lokal


⋅⋅=

⋅⋅⋅=

⋅=

asysy

lokal

lokalTasysy

lokalL

T

L

KK

LCL

UKK

U

U

ULCL log20log20log20

,

, (3.8)

Parameter:

syK (Dämpfungsfaktor für die symmetrische Mode)

asyK (Dämpfungsfaktor für die asymmetrische Mode)

lokalLU , (die um asyK reduzierte Spannung LU )

TU (die um syK reduzierte Spannung lokalTU , )

Die Formel 3.8 zeigt, dass der LCL an der Einspeisestelle größer ist als der lokalLCL an der

Störsstelle , wobei lokalLCL das richtige Maß zur Abschätzung der Symmetrieeigenschaften an

der Störstelle ist.

Die Messung des lokalLCL direkt an der Störstelle ist praktisch schwierig zu realisieren. Wird

LCL an vielen Steckdosen gemessen, dann besteht die Möglichkeit, dass manche Messungen

in der Nähe der Störstelle durchgeführt werden. Je kleiner die Entfernung zwischen den

Steckdosen und Störstellen ist, desto kleiner ist der Dämpfungseinfluss und dadurch die

Differenz zwischen LCL und lokalLCL . In der statistischen Auswertung der LCL-Messungen

wird herausgefunden, dass das LCL-Minimum ca. 10dB beträgt. Man kann in Bezug auf die

vielen durchgeführten Messungen davon ausgehen, da der LCL tatsächlich an manchen

Steckdosen in der Nähe der Störstellen gemessen wird, dass der gemessene LCL nahezu an

dem wirklichen lokalLCL liegt. Demzufolge kann schätzungsweise in Bezug auf die statistische

Bewertung der zahlreichen LCL-Messungen vermutet werden, dass der lokalLCL im Bereich

von 10dB liegt.

3.2.3 Abstrahlungsnahes Unsymmetriemaß RA

Zur Unterstützung des abgeschätzten lokalLCL wird durch ein auf der wirklichen Abstrahlung

basierendes Unsymmetriemaß "Radiation based Asymmetry" RA definiert und untersucht.

RA ist das logarithmische Verhältnis zwischen den gemessenen Feldern bei Speisung mit

einer symmetrischen Spannung TU (im ersten Schritt) und bei Speisung mit einer

asymmetrischen Spannungen LU (im zweiten schritt), wobei TU gleich LU ist (Formel 3.9).


constUUL

T

LTE

ERA

==

⋅= log20 (3.9)

In Formel 3.9 ist TE die aus der im ersten Schritt eingespeiste symmetrische Spannung

resultierende Feldstärke (Abb. 3.29), während die Feldstärke LE aus der Einspeisung einer

asymmetrischen Spannung im zweiten schritt resultiert (Abb. 3.30).

Funkverbindung

Rahmenantenne

GPIB

Generator

Strom

Verteilnetz 50 Ω

50 Ω

sym Eingang

50 Ω

Messempfänger

GPIB

Abb. 3.29: Messung der aus der Einspeisung einer symmetrischen Spannung resultierenden

Feldstärke (erster Schritt)


Verteilnetz

Funkverbindung

Generator

GPIB

Strom

50 Ω

50 Ω

asym Eingang

50 Ω

Rahmenantenne

GPIB Messempfänger

Abb. 3.30: Messung der aus der Einspeisung einer asymmetrischen Spannung resultierenden

Feldstärke (zweiter Schritt)

In Abb. 3.31 wird das Messergebnis von RA dargestellt, wobei die Messungen in einem

modernen kombinierten Labor-Büro-Gebäude an der Universität Dortmund durchgeführt

werden.

Abb. 3.31: Messergebnis von RA für Verteilnetz sowohl im Gebäude (links) als auch in 3m

Abstand vom Gebäude (rechts)

10 0 10 1

-60

-40

-20

0

20

40

RA dB

f MHz 10 0 10 1

-60

-40

-20

0

20

40

f / MHz

RA dB


Die Auswertung der RA-Messergebnisse zeigt, dass der RA-Mittelwert um 10 dB liegt. In

Bezug auf dieses Ergebnis geht man davon aus, dass der wirkliche Wert von LCL ebenfalls

etwa 10dB beträgt. Zu beachten ist dabei allerdings, dass die RA-Messergebnisse stark von

dem Standort der Antenne abhängen.

3.3 Äquivalenzen zwischen Kommunikations- und Verteilnetzen

3.3.1 Anwendbarkeit von EN 55022 im PLC-Bereich

Im Folgenden wird festgestellt, dass die Differenz zwischen LCL für das Verteilnetz und LCL

für Telekommunikationsnetz und die Differenz zwischen RA für Verteilnetz und RA für

Telekommunikationsnetz nahezu identisch ist. Dieses Ergebnis rechtfertigt zweifellos die

Anwendung des Störspannungsmessverfahrens nach der Norm EN55022 im PLC-Bereich.

EN55022 wurde primär für die Einrichtung der Informationstechnik definiert. Dieses

Verfahren basiert auf den Grenzwerten, die in einer älteren VDE-Norm beschrieben sind. In

der DIN VDE 0878 wird zwischen Klasse A (Industriebereich) und Klasse B (Wohnbereich)

unterschieden. In Abbildung 3.32 ist zu erkennen, dass die NB30-Grenzwerte 10 dB unter den

Klasse B-Grenzwerten liegen.

Abb. 3.32: Vergleich der in NB30 und in DIN VDE 0878 festgelegten Grenzwerte der

Störfeldstärke gemessen in 3m Entfernung

Die in CISPR 22 bzw. EN 55022 für Telekommunikationsnetze beschriebenen Messverfahren

beziehen sich auf die Verbindung der Telekommunikationsanschlüsse über ein Kabel mit dem

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0,1 1 10 100f / MHz

E [d

Bµ

V/m

]

DIN VDE 0878- Klasse A

DIN VDE 0878- Klasse B

RegTP, NB30-Grenzwerte


ISN (Impedanzstabilisierungsnetzwerk). Das ISN bildet während der Messung der

Störspannung die asymmetrische Leitungsabschlussimpedanz, wie sie vom

Telekommunikationsanschluss aus gesehen wird. ISN wird zwischen dem

Telekommunikationsnetz (TKN) und der Hilfseinrichtung (TKE) eingefügt (Abb. 3.33).

Abb. 3.33: Anwendung des ISN zur Messung der asymmetrischen Störspannung

Aufgrund der Besonderheit des Anschlusses an ein 230V-Netz sind jedoch einige

Modifikationen zum Aufbau des in EN 55022 definierten ISN notwendig. In [66] werden

detaillierte Informationen über den Aufbau und Kalibrierung des ISN zur Verfügung gestellt.

Die Anwendung der in EN55022 festgelegten Verfahren ist allerdings durch die Einhaltung

der Schutzanforderungen hinsichtlich der Abstrahlung bedingt, was einem bestimmten

Verhältnis zwischen dem LCL und der Abstrahlung bzw. RA entspricht.

Hat LCL und RA im Verteilnetz die gleiche Differenz wie im Telekommunikationsnetz, was

mittels der Messung bewiesen wird, wird die erwähnte Forderung auch für das Verteilnetz

erfüllt (Formel 3.10).

( ) ( ) ENTKENTKENTK RARALCLLCLRALCLRALCL −=−⇒−=− (3.10)

Die Formel 3.10 zeigt, dass der LCL für das Telekommunikationsnetz (TK) und der LCL für

das Verteilnetz (EN) die gleiche Differenz zwischen RA für Telkommunikationsnetz und RA

für das Verteilnetz haben müssen.

Zur Überprüfung dieser Bedingung werden weitere Messungen von RA und LCL für das

Telekommunikationsnetz im selben Gebäude, wo RA für das Verteilnetz gemessen wird,

durchgeführt. In Abbildung 3.34 wird das RA-Messergebnis für das Telekommunikationsnetz

sowohl im Innenhausbereich als auch im 3m Abstand vom Haus dargestellt.

TKE ISN TKN

Ausgang für die asymmetrische Störspannungsmessung


Abb. 3.34: RA-Messergebnis für Telekommunikationsnetz im Gebäude (links) und in 3m

Abstand vom Gebäude (rechts)

Der Vergleich zwischen den Abbildungen 3.31 und 3.34 wird exemplarisch bei den

Frequenzen 5 MHz und 30 MHz wie folgt durchgeführt.

- Bei 5MHz beträgt die Differenz zwischen RA für das Verteilnetz und RA für

Telekommunikationsnetz ca. 30 dB

- Bei 30MHz beträgt diese Differenz ca. 10 dB

Die zum Vergleich mit RA erforderlichen Messergebnisse des LCL sowohl für das

Verteilnetz als auch für das Telekommunikationsnetz im gleichen Gebäude, wo RA gemessen

wird, wird in Abb. 3.35 gezeigt.

Abb. 3.35: LCL-Messergebnis für sowohl das Telekommunikationsnetz (rechts) als auch für

das Verteilnetz (links)

100

101

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

f [MHz]

RA

100

101

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

f [MHz]

RA

f / MHz

RA dB

f / MHz

RA dB

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

f [MHz]

TCL

100

101

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f [MHz]

TCL

f / MHz

LCL dB

f / MHz

LCL dB


Die Auswertung des Messergebnisses in Abb. 3.35 liefert folgende Gegebenheiten:

- Bei 5MHz beträgt die Differenz zwischen LCL für das Verteilnetz und LCL für

Telekommunikationsnetz ca. 30 dB

- Bei 30MHz beträgt diese Differenz ca. 10 dB

RA für das Telekommunikationsnetz und RA für das Verteilnetz haben angesichts der

experimentellen Untersuchungen die gleiche Differenz zwischen dem LCL für das

Telekommunikationsnetz und dem LCL für das Verteilnetz. Wenn also das in EN55022 für

TK-Anschlüsse festgelegte Verfahren hinreichend das Abstrahlungspotential repräsentiert, so

gilt dies auch für PLC.

3.3.2 Entstehung der Common Mode

Als Unterstützung für das Ergebnis im vorherigen Abschnitt wird die Existenz von Störstellen

im Verteilnetz und vor allem im Telekommunikationsnetz ermittelt.

Durch einen Impulsgenerator wird ein Impulssignal über den asymmetrischen Eingang des

LCL/TCL-Adapters asymmetrisch eingespeist. Das an der Einspeisestelle resultierende

symmetrische Impulssignal wird über den symmetrischen Ausgang des Adapters durch ein

Oszilloskop gemessen (Abb. 3.36).

Netzwerk

Oszilliskop

GPIB

Stromversorgung

Asym. Eingang

Messadapter

Impulsgenerator

Sym. Ausgang

Filter

Abb. 3.36: Versuchsaufbau zur Ermittlung der Störstellen Im Telekommunikations- und

Verteilnetz


Das eingespeiste asymmetrische Impulssignal sowie das resultierende symmetrische

Impulssignal sind in Abbildung 3.37 sowohl für Verteilnetz als auch für

Telekommunikationsnetz dargestellt.

Die Abbildung 3.37 zeigt, dass sowohl das Verteilnetz aber auch das

Telekommunikationsnetz an bestimmten Stellen eine teilweise Umwandlung des

eingespeisten asymmetrischen Impulssignal ins symmetrische Impulssignal aufweisen. Diese

Stellen sind schon als Störstellen bezeichnet. Für das Telekommunikationsnetz entsteht die

Störstelle durch die Erdung des Rückleiters [69;70;71].

Abb. 3.37: Messergebnis des eingespeisten asymmetrischen Impulssignals und des

resultierenden symmetrischen Impulssignals für das Verteil- und das

Telekommunikationsnetz

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

U /

V

t / ns

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

U /

V

t / ns

Das ins Verteilnetz eingespeiste

asymmetrische Impulssignal

Das ins Telekommunikationsnetz

eingespeiste asymmetrische Impulssignal

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

U / V

t / ns

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0 100 200 300 400 500 600 700 800 9001000

U / V

t / ns

Das aus dem Verteilnetz resultierende

symmetrische Impulssignal

Das aus dem Telekommunikationsnetznetz

resultierende symmetrische Impulssignal

Störstellen

Störstelle


Durch diese Messung kann nicht nur die Existenz der Störstellen festgestellt, sondern auch die

Entfernung d dieser Störstelle von der Einspeisestelle abgeschätzt werden.

Das an der Störstelle entstehende symmetrische Impulssignal kehrt zur Einspeisestelle mit

einer gewissen Verzögerung zurück. Durch die vom Messergebnis entnommene

Signalverzögerung t∆ kann die Entfernung d berechnet werden (Formel 3.11).

r

Ctd

ε0

2⋅

∆= (3.11)

Parameter:

0C (Lichtgeschwindigkeit)

t∆ (Zeitdifferenz zwischen der Einspeisung der asymmetrischen Impulssignale und

der Messung des symmetrischen Impulssignals)

rε (relative Permittivität)

In Formel 3.11 wird die Zeitverzögerung t∆ durch zwei dividiert, da die Impulse sich hin und

zurück auf die Strecke zwischen Einspeise- und Störstelle ausbreiten.

Mittels des Bildes 3.36 wird festgestellt, dass für die in der Messung betrachtete elektrische

Struktur zwei Störstellen auftauchen. Die durch die erste Störstelle verursachten Impulse hat

eine Zeitverzögerung von etwa 470 ns, während die Zeitverzögerung der Impulse bei der

zweiten Störstelle etwa 750 ns beträgt. Durch den Einsatz dieser Werte in Formel 3.11 mit

der Annahme, dass rε den Wert von 2,28 (entsprechend dem Koaxial-Kabel) hat, resultieren

folgende Entfernungen:

• Die erste Störstelle ist etwa 29,6 m von der Einspeisestelle und dem

Messpunkt entfernt. Dies entspricht der Entfernung zwischen Einspeisepunkt

und dem elektrischen Verteilkasten der Etage. Daher wird vermutet, dass die

erste Störstelle durch den lokalen Verteilkasten verursacht wird.

• Die zweite Störstelle ist etwa 40,2 m von der Einspeisestelle entfernt. Dies

wiederum entspricht der Entfernung zwischen dem elektrischen Verteilkasten

im Keller und dem Einspeisepunkt. Infolgedessen wird ebenfalls vermutet,

dass die zweite Störstelle durch die Hauptverteilung im Keller verursacht wird.


Für das Telekommunikationsnetz zeigt Abbildung 3.36 eine Signalverzögerung von etwa 900

ns, was eine Entfernung von 59,2 m von der Einspeisestelle nach Formel 3.11 entspricht.

Es wird davon ausgegangen, dass die Entstehung einer Störstelle im Telekommunikationsnetz

eine Folge der Erdung des Datenrückleiters ist, in einer Stelle in der Nähe der Gebäude.

Im Zusammenhang mit der RA-Untersuchung muss schließlich darauf hingewiesen werden,

dass die Reproduzierbarkeit von RA fraglich ist, da das RA-Messergebnis abhängig vom Ort

der Antenne ist.

Für die RA-Berechnung wird im ersten Schritt eine symmetrische Spannung eingespeist. Bei

der Störstelle entsteht eine asymmetrische Spannung und die ist am größten. In seinem

Rückkehrweg zur Einspeisestelle nimmt sie wegen der Dämpfung ab. Da die asymmetrische

Spannung für die Abstrahlung verantwortlich ist, hat die Feldstärke gemessen im gleichen

Abstand von den Stromleitungen, das gleiche Verhalten von dieser Spannung entlang der

Leitungen (Abb. 3.38).

Abb. 3.38: Verhalten der Abstrahlung bei der symmetrischen Einspeisung

Im zweiten Schritt wird eine asymmetrische Spannung eingespeist. Die Feldstärke ist am

Stärksten an der Einspeisestelle und nimmt in Richtung der Störstelle in gleichem Abstand

von den Leitungen ab (Abb. 3.39).

Störstelle

Z

U

Z/4

T

a

b

H µV/m

d/m

Verteilnetz


Abb. 3.39: Verhalten der Abstrahlung bei der asymmetrischen Einspeisung

3.4 Koexistenz von PLC-Systemen

Die Ausbreitung und Kopplung der Störung in und zwischen den Kommunikationssystemen

erfolgt allgemein über

- galvanische bzw. leitungsgeführte Kopplung über elektrisch leitfähige Teile

- induktive Kopplung über das externe Magnetfeld der Leitungswelle

- kapazitive Kopplung über das externe Elektrofeld der Leitungswelle

- Einstrahlung und Abstrahlung (Strahlungskopplung)

Bei der Verwendung des Niederspannungsnetzes als hochfrequentes Übertragungsmedium

tauchen diese Effekte oft zusammen auf und erweisen unter bestimmten Umständen eine

unvernachlässigte Rückwirkung auf die Funktionalität der PLC-Systeme (Abb. 3.40).

Störstelle

Z

U

Z/4

L

a

b

H µV/m

d/m

Verteilnetz


Abb. 3.40: Ausbreitung und Kopplung der Störung in PLC-Systemen

Die gegenseitige elektromagnetische Beeinflussung ergibt sich nicht nur zwischen PLC-

Systemen und Funkdiensten, sondern auch zwischen PLC-Systemen miteinander.

Die Abstrahlung eines PLC-Systems wirkt sich nicht nur auf die Funkdienste aus, sondern

auch auf ein anderes PLC-System, das die gleichen Frequenzen benutzt. Die Einstrahlung in

einem PLC-System kann sowohl durch die Funkdienste als auch durch ein anderes PLC-

System verursacht werden. Die Strahlungskopplung verursacht ein leitungsgeführtes

Störsignal, das mit dem Nutzsignal auf die Stromleitung überlagert wird und möglicherweise

zur Störung führt.

Die Koexistenz der PLC-Systeme untereinander und mit den Funkdiensten stellen hinsichtlich

der Ein- und Abstrahlung eine besondere Herausforderung dar, falls gleiche Frequenzen

benutzt werden.

Die Koexistenz der PLC-Systeme muss ebenfalls hinsichtlich der galvanischen, induktiven

und kapazitiven Kopplung gewährleistet werden, wobei in diesem Abschnitt ausschließlich

die leitungsgeführte Ausbreitung der PLC-Signale entlang eines Strangs mittels der

PLC-Modem

PLC-Modem

Funkdienste

PLC-Modem

PLC-Modem

Abstrahlung

Abstrahlung

Abstrahlung

Abstrahlung

Einstrahlung

Einstrahlung

Einstrahlung

Einstrahlung

geführte Welle

geführte Welle

leitungsgeführte Störung

PLC- System 1

PLC- System 2


Simulation untersucht wird. Im Bezug auf die Untersuchung werden Maßnahmen zur

Reduzierung des Störsignals an den Häuseranschlüssen dieses Strangs vorgeschlagen.

Die Koexistenz der PLC-Innenhaussysteme mit den PLC-Außerhaussystemen kann mit

geringem Aufwand nach einem Vorschlag des PLCforums [2000] realisiert werden, und so

das PLC-Spektrum für den Innen- und Außerhausbereich teilen. In jedem Teil werden

Frequenzbänder bzw. sogenannte „Chimneys“ mit bestimmten Sendepegel zum Schutz der

Funkdienste eingefügt (Abb. 3.41).

Abb. 3.41: Vorschlag zur Koexistenz zwischen Innen- und Außenhausbereich nach PLCforum

Üblicherweise wird im Innenhausbereich der obere Teil des Frequenzbandes verwendet, da

hier eine besonders hohe Bandbreite erwünscht ist (z.B. für Local Area Networks), während

der untere Frequenzbereich für den Außerhaus-Bereich verwendet wird, um die größeren

Entfernungen mit möglichst geringem Sendepegel zu überbrücken. In der Tabelle 3.3 werden

die vom PLCforum vorgeschlagenen Frequenzbänder für Innen- und Außerhausbereich

dargestellt.

Level

f / MHz

1,6

10 30

Innenhausbereich

Chimneys

Außerhausbereich Grenzlinie

Chimneys


Innenhausbereich Außerhausbereich

2,2 - 3,5 MHz 10,5 - 11,5 MHz

4,2 - 5,8 MHz 12,5 - 13,0 MHz

7,4 - 9,4 MHz 15,5 - 17,5 MHz

19,0 - 21,0 MHz

22,0 - 24,0 MHz

Tabelle 3.3: PLC-Frequenzbänder für PLC-Systeme des Innen- und Außerhausbereichs nach

PLCforum

Die Koexistenz der PLC-Innenhaussysteme untereinander muss auch sichergestellt werden,

was allerdings für PLC-Außerhaussysteme auch garantiert werden muss. Im

Außerhausbereich ist die Koexistenz möglich dadurch, dass nur Systeme in einem

Netzabschnitt, die untereinander verträglich sind, benutzt werden. Dieser Prozess ist im

Innenhausbereich äußerst schwierig zu realisieren, da die Auswahl eines PLC-Systems im

Innenhausbereich ausschließlich durch den Teilnehmer übernommen wird.

3.4.1 SNR-Untersuchung

Im folgenden wird exemplarisch die leitungsgeführte Störung in PLC-Systemen mittels des

im Kapital 2 erstellten Verteilnetzmodells simuliert und bewertet. Die PLC-Systeme befinden

sich an Häuseranschlüssen, die vom gleichen Strang versorgt werden. Sie generieren

kontinuierliche Signale im Frequenzbereich von 150kHz bis zu 30MHz. Diese Signale breiten

sich entlang des Stranges aus. Dementsprechend überlagert sich das Nutzsignal an jedem

Hausanschluss mit den Signalen der benachbarten Häuser. Diese Signale sind als Störungen

aufzufassen Entspricht die Differenz zwischen dem Nutzsignal und dem Störsignal an einem

Hausanschluss hinsichtlich der Informationstheorie nicht den Übertragungsverfahren und der

dazugehörigen erforderlichen Bitfehlerrate und Datenrate, werden die Daten an diesem

Hausanschluss fehlerhaft empfangen.

Das Ziel der Untersuchung ist deshalb die Bestimmung der Differenz zwischen der

eingespeisten Signalleistung und der leitungsgeführten Störleistung an jedem Hausanschluss


entlang eines Stranges. Die resultierende Differenz wird hinsichtlich der Gegebenheiten in der

Tabelle 3.4 bewertet.

In Tabelle 3.4 wird nach [72] das erforderliche Verhältnis der Nutzleistung zur Störleistung in

Abhängigkeit von der erreichbaren Bandbreiteneffizienz (bit/sec/Hz) bei verschiedenen

Übertragungsverfahren für eine Bitfehlerrate von 710− dargestellt. Die Übertragungsverfahren

sind QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing), FSK (Frequency Shift Keying) und CDMA (Code Division Multiple Access).

Übertragungsverfahren QPSK OFDM FSK CDMA

Bandbreiteffizienz ca. 2bit/s/Hz ca. 2bit/s/Hz ca. 1bit/s/Hz < 0,1bit/s/Hz

Verhältnis Bitenergie zu

Rauschen für Bitfehlerrate

710−

11,5 dB 11,5 dB 14,5 dB < 6dB

Tabelle 3.4: Verhältnis der Nutzleistung zur Störleistung für verschiedene

Übertragungsverfahren (Quelle: Siemens)

Darüber hinaus werden ausgehend vom Verhalten der Störausbreitung entlang des Stranges

Konditionierungsmaßnahmen zur Anpassung des simulierten Signal-Stör-Verhältnisses

(SNR) an den Häuseranschlüssen mit den Angaben in der Tabelle 3.4 vorgeschlagen.

In Abbildung 3.42 wird das Simulationsergebnis der leitungsgeführten Signalausbreitung

eines PLC-Systems an einem Hausabschluss entlang des Stranges, der 35 Häuser versorgt,

dargestellt. Das Signal wird im Keller des von dem Trafohaus entferntesten Haus zwischen L

und N eingespeist. Ein Haus wird dabei, wie in Kapitel 2 dargestellt, detailiert nachmoduliert.

Alle übrigen Häuser werden zur Vereinfachung der Simulation durch einen 100 Ω Widerstand

ersetzt. Der Widerstandswert ist der resultierende Mittelwert aus Kapitel 2 der Verteilnetz-

Impedanz.


Abb. 3.42: Simulationsergebnis der leitungsgeführten Signalausbreitung eines Hauses in die

benachbarten Häuser entlang eines Stranges

Die Abbildung 3.42 zeigt, dass das ausbreitende Störsignal grundsätzlich durch den

Leistungsabfall auf den Ersatzwiderständen der Häuser entlang des Strangs beeinflusst wird,

wobei für die Simulation ideale Leitungen verwendet werden. Demzufolge nimmt die von

einem Haus aus ausgebreitete Störleistung fast linear entlang des Strangs im Frequenzbereich

bis etwa 1 MHz ab. Erst ab etwa 1 MHz tauchen Resonanzen auf. Diese Resonanzen sind

nicht nur von Frequenzen abhängig, sondern auch von der Ausbreitungsstrecke, was die

Linearität des Leistungsabfalls entlang des Strangs beeinträchtigt.

Zur Überprüfung der Koexistenz der PLC-Systeme untereinander im Fall der

leitungsgeführten Kopplung ausgehend von den Angaben der Tabelle 3.4, muss die Differenz

zwischen der Nutz- und der Störleistung an jedem Hausanschluss bestimmt werden, wobei

das gleiche PLC-Signal im Frequenzbereich zwischen 150 kHz und 30 MHz an allen

Häuseranschlüssen eingespeist wird. Dieser Prozess wird aufgrund des

Berechnungszeitaufwandes des Simulationsprogramms nicht durchgeführt. Stattdessen wird

analog zum Simulationsergebnis in Abbildung 3.42 (im Fall der Einspeisung nur an einem

Hausanschluss) die Signalausbreitung jedes Hauses entlang des Strangs für jede einzelne

Frequenz nachgebildet.

100

101

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

P dBm

f / MHz

Störsignal

Nutzsignal


In Abbildung 3.43 wird die durch jedes Haus hervorgerufene Signalausbreitung entlang der

Stromleitungen für die Frequenz 0,15 MHz dargestellt.

Abb. 3.43: Signalausbreitungen entlang eines Strang im Fall der Signaleinspeisung an allen

Häuseranschlüssen für die Frequenz 0,15 MHz

Hinsichtlich des Bildes 3.43 existiert an jedem Hausanschluss das eigene Nutzsignal und die

von den benachbarten Häusern ausbreitenden Signale, deren Summe das Störsignal am

jeweiligem Hausanschluss bildet. Dadurch kann die Differenz zwischen der Nutzsignal- und

Störsignalleistung berechnet werden.

In Abbildung 3.44 wird bezüglich des Bildes 3.43 die resultierende Nutz- und

Störsignalleistung an jedem Haus entlang des Stranges für die Frequenz 0,15 MHz dargestellt.

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

P /

dB

m

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

30 31 32 33 34 35

Hausnummer


Abb. 3.44: Resultierende Nutz- und Störsignalleistung an allen Häuseranschlüssen entlang

eines Stranges für die Frequenz 0,15 MHz

Die Abbildung 3.44 zeigt, dass je entfernter ein Haus von der Strangmitte ist, desto kleiner ist

die Störleistung. Dementsprechend befindet sich die minimale Differenz zwischen der Nutz-

und Störsignalleistung in der Strangmitte und beträgt 11,17 dB. Dieser Wert ist im Hinblick

auf die Tabelle 3.4 ausreichend nur für das CDMA-Verfahren, das primär für die breitbandige

Datenübertragung entwickelt ist.

Für die Frequenz 1,14 MHz wird die Signalausbreitung der PLC-Systeme an den

Häuseranschlüssen entlang des Strangs analog zu derjenigen bei 0,15 MHz im Bezug auf die

Abbildung 3.42 bearbeitet und in Abbildung 3.45 dargestellt.

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

P /

dB

m

Nutzleistung

Störleistung


Abb. 3.45: Signalausbreitungen entlang eines Stranges im Falle der Signaleinspeisung an

allen Häuseranschlüssen für die Frequenz 1,14 MHz

Die Abbildung 3.45 zeigt die unregelmäßige Leistungsverteilung entlang der

Energieleitungen wegen der Entstehung der Resonanzen für die Frequenz 1,14 MHz, was

allerdings keinen bemerkbaren Einfluss auf die gesamte Summe der Störleistungen der

Häuser an einem Hausanschluss und dadurch auf die Differenz zwischen der Nutz- und

Störleistung an jedem Hausanschluss hat.

Die resultierende Nutz- und Störsignalleistung an allen Häuseranschlüssen entlang des

Strangs für die Frequenz 0,15 MHz wird bezüglich des Bildes 3.45 in Abbildung 3.46

dargestellt, wodurch die Differenz zwischen beiden Signalen entnommen werden kann.

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

P /

dB

m

0 1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17

18 19 20 21 22 23 24 25 26

27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer


Abb. 3.46: Resultierende Nutz- und Störsignalleistung an allen Häuseranschlüssen entlang

eines Stranges für die Frequenz 1,14 MHz

Trotz der Resonanzauftritte für die Frequenz 1,14 MHz verhält sich die Summe der

Störleistungen der Häuser entlang des Stranges bei dieser Frequenz ähnlich wie für die

Frequenz 0,15 MHz, was in Abbildung 3.46 deutlich zu sehen ist. Die minimale Differenz

zwischen der Nutz- und Störleistung liegt also in Strangmitte und hat einen Wert von 2,62 dB,

was bezüglich der Gegebenheiten in Tabelle 3.4 zur fehlerhaften Datenübertragung bei allen

dazugehörigen Übertragungsverfahren führt.

Die Datenübertragung mittels des in der Simulation betrachteten Verteilnetzmodells für die

Frequenz 1,14 MHz ist deshalb ohne Zugriff auf Maßnahmen zur Reduzierung der

Störleistung und dadurch zur Erhöhung das Nutzsignalverhältnisses zum Störsignal an jedem

Hausanschluss je nach dem Übertragungsverfahren undenkbar.

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

P /

dB

m

Nutzleistung

Störleistung


Während die Störleistung an den Häuseranschlüssen entlang des Stranges für die Frequenzen

0,15 MHz und 1,14 MHz unter der Nutzleistung jedes Hauses liegt, wird eine Frequenz

ausgesucht, wobei die Störsignalleistung über die Nutzsignalleistung herauswächst. Das wird

für die Frequenz 11,1 MHz herausgefunden. Zunächst wird die Signalausbreitung entlang des

Stranges für die jeweilige Frequenz in Abbildung 3.47 dargestellt.

Abb. 3.47: Die Signalausbreitungen entlang eines Stranges im Fall der Signaleinspeisung an


Abbildung 3.47 zeigt, dass der Resonanzeinfluss sich auf die Signalausbreitung zuspitzt mit

der weiteren Erhöhung der Frequenz. Dieser Effekt ist immer noch nicht in der Lage, die

algebraische Summe der Störleistungen der Häuser an einen Hausanschluss zu zwingen, sich

anders als bei 0,15MHz und 1,14 MHz zu verhalten, was in Abbildung 3.48 deutlich gezeigt

wird.

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

P /

dB

m

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

30 31 32 33 34 35

Hausnummer


Das Additionsergebnis der Störsignalleistungen an allen Häuseranschlüssen für die Frequenz

11,1 MHz wird in Abbildung 3.48 dargestellt. Zum Vergleich wird ebenfalls

Nutzsignalleistung der PLC-Systeme an den Anschlüssen der Häuser in der jeweiligen

Abbildung beigefügt.

Abb. 3.48: Resultierende Differenz zwischen der Nutz- und Störleistung an allen


In Abbildung 3.48 ist klar zu sehen, dass die Summe der Störleistungen an den

Häuseranschlüssen das gleiche Verhalten wie für die Frequenzen 0,15 MHz und 1,14 MHz

haben. Sie wächst aber an den meisten Häuseranschlüssen über die Nutzleistung heraus.

Demzufolge beträgt die resultierende minimale Differenz zwischen den beiden Leistungen –

2,3 dB, was das Problem bei der Datenübertragung ausgehend von den Gegebenheiten in der

Tabelle 3.4 verschärft. Daher muss hier auch das Verhältnis der Nutz- zum Störsignalleistung

entsprechend der Forderungen in jeweiliger Tabelle erhöht werden, damit eine fehlerfreie

Datenübertragung gewährleistet werden kann.

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

P /

dB

m

Nutzleistung

Störleistung


Um auf das Verfahren zur Reduzierung der Störleistung bzw. Erhöhung des Verhältnisses der

Nutz- zur Störsignalleistung an den Häuseranschlüssen zu kommen, wird zuletzt die

Signalausbreitung sowie die resultierende Nutz- und Störsignalleistung entlang des

betrachteten Stranges bei noch höherer Frequenz nämlich 20,05 MHz dargestellt.

Hierfür wird in Abbildung 3.49 die Signalverteilung an allen Häuseranschlüssen bei der

erwähnten Frequenz gezeigt.

Abb. 3.49: Signalausbreitungen entlang eines Stranges im Fall der Signaleinspeisung an


Der Kommentar für die Abbildung 3.47 gilt buchstäblich für die Abbildung 3.49. Dennoch

fehlt die Kenntnis, ob der Störleistungspegel oberhalb oder unterhalb des Nutzleistungspegels

liegt, was in Abbildung 3.50 ermittelt wird.

Die Abbildung 3.50 zeigt die resultierende Stör- und die Nutzsignalleistung an jedem

Hausanschluss entlang des Stranges für die Frequenz 20,05 MHz.

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

P / d

Bm

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

30 31 32 33 34 35


Abb. 3.50: die resultierende Differenz zwischen der Nutz- und Störleistung an allen


Hinsichtlich des Bildes 3.50 hat die minimale Differenz zwischen der Nutz- und der

Störleistung einen Wert von 4,91 dB, der auch im kritischen Bereich im Hinblick auf die

Tabelle 3.4 liegt.

3.4.2 Verfahren zur Verbesserung des SNR

Die vorgeschlagene Methode zur Erhöhung des Nutzleistungsverhältnisses zur Störleistung

bezieht sich auf die Verwendung einiger Frequenzträger im kHz-Bereich zur Kodierung der

Häuser, so dass die Signale der Häuser selektiv an einem Hausanschluss empfangen oder

ignoriert werden können (Abb. 3.51).

An den Häuseranschlüssen, denen z.B. die Frequenz f1 zugewiesen ist, werden die

Störsignale der mit anderen Frequenzen kodierten Häuser und der unkodierten Häuser durch

eine im PLC-Modem integrierte Schaltung anerkannt und gesperrt. Dadurch wird die

Differenz zwischen der Nutz- und der Störleistung an jeden Hausanschluss erhöht, was im

Folgenden exemplarisch für einige Frequenzen dargestellt wird.

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 16 17 18 19 2021 22 23 24 25 2627 28 29 30 31 3233 34 35

Hausnummer

P /

dB

mNutzleistung

Störleistung


Die Anzahl der Frequenzen, die zur Kodierung der Häuser verwendet werden, hängt mit dem

primären Wert der Differenz und der Angaben in der Tabelle 3.4 zusammen.

Abb. 3.51: zusätzliche Maßnahmen zur Koexistenz der PLC-Systeme untereinander an

Häuseranschlüssen entlang eines Stranges

Für die Frequenz 0,15 MHz wird nur eine Frequenz f1 zur Kodierung der Häuser verwendet,

wie in Abbildung 3.52 dargestellt wird. Demzufolge können die Störungen an der Hälfte der

Häuser an jedem Hausanschluss beseitiget werden. Beispielsweise können die Störungen der

Häuser Nummer 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21,23, 25, 27, 29, 31, 33, 35 an dem Haus

Nummer 0 gesperrt werden und es werden nur die Störungen der Häuser Nummer 2, 4, 6, 8,

10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, die mit der Frequenz f1 ebenfalls kodiert

werden, beeinflusst.

Abb. 3.52: Die Kodierung der Häuser durch nur eine Frequenz f1 für die Frequenz 0,15 MHz

Pegel

f 10 MHz 30MHz

Innenhausbereich

Chimneys

Außerhausbereich Grenzlinie

Chimneys

150KHz

f1 f2 f3 f4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1


Die Abbildung 3.53 zeigt das erreichbare Signal-Rauschen-Verhältnis (SNR) im Fall der

Benutzung von nur einer Frequenz zur Häuserkodierung und das primäre Verhältnis ohne

Kodierung für die Frequenz 0,15 MHz.

Abb. 3.53: Das ohne und mit Häuserkodierung durch einer Frequenz resultierende SNR für

die Frequenz 0,15 MHz

Während das minimale Signal-Rauschen-Verhältnis (SNR) für die Frequenz 0,15MHz und

ohne Kodierung 11,17 dB beträgt, erhöht die Häuserkodierung durch eine Frequenz f1 diesen

Wert bis zu 14,8 dB, was die Datenübertragung für alle Verfahren bei der in der Tabelle 3.4

geforderten Bandbreiteffizienz fehlerfrei gewährleistet.

Für die Frequenzen 1,14 MHz und 11,1 MHz werden die Häuser durch drei unterschiedliche

Frequenzen f1, f2, f3 kodiert, um die Forderungen für alle Übertragungsverfahren in Tabelle

3.4 zu erfüllen (Abb. 3.54). Dadurch können an einem Haus (z.B. Hausnummer 0) die

Störleistungen der Häuser, die die Nummern 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 17, 18, 19,

21, 22, 23, 25, 26, 27, 29, 30, 31, 33, 34, 35 haben, gesperrt werden. Dementsprechend wird

das Haus Nummer 0 nur durch die Häuser Nummer 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, die zusammen

mit dem Haus Nummer 0 durch die gleiche Frequenz nämlich f1 kodiert sind, gestört.

-10

-5

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

SN

R /

dB

Ohne Kodierung

Kodierung mit f1


Abb. 3.54: Die Kodierung der Häuser durch drei Frequenzen f1, f2, f3 für die Frequenzen

1,14 MHz und 11,1 MHz

Der Einfluss dieser Kodierung auf das Signal-Rauschen-Verhältnis SNR für die Frequenz

1,14 MHz wird in Abbildung 3.55 dargestellt.

Abb. 3.55: Das ohne und mit Häuserkodierung durch drei Frequenzen resultierende SNR für


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 131415 1617 1819 202122 2324 2526 272829 3031 3233 3435

Hausnummer

f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

SN

R /

dB

Ohne Kodierung

Kodierung mit f1

Kodierung mit f1, f2

Kodierung mit f1, f2, f3


Für die Frequenz 1,14 MHz beträgt der minimale Wert von SNR ohne Kodierung 2,62 dB,

was für alle Übertragungsverfahren in der Tabelle 3.4 untauglich ist. Die Kodierung nur mit

f1 erhöht SNR bis 7,43 dB, was nur für CDMA-Verfahren ausreichend ist. Werden die

Häuser mit zwei Frequenzen f1 und f2 kodiert, hat SNR den Wert von 11,17 dB, der immer

noch das für das QPSK-, OFDM-, und FSK-Verfahren geforderte Verhältnis nicht erreicht.

Die dritte Frequenz f3 soll deshalb neben f1 und f2 benutzt werden, damit SNR noch mehr

vergrößert werden kann. Dadurch erreicht SNR einen Wert von 15,05 dB, der mit allen

Verfahren in der Tabelle 3.4 zusammenpasst.

Die Abbildung 3.56 zeigt das Verhalten von SNR ohne und mit Kodierung der Häuser durch

die Frequenzen f1, f2 und f3 für die Frequenz 11,1 MHz.



Obwohl SNR ohne Kodierung den Wert von –2,31 dB hat, kann SNR durch die Kodierung

mit f1 den Wert von 5,17 dB erreichen und dadurch die Forderung des CDMA-Verfahrens

erfüllen. Während die Kodierung durch f1 und f2 zusammen keine genügende Erhöhung von

SNR (11,34 dB) für das bleibende Verfahren bringt, sichert die Häuserkodierung mit einer

zusätzlichen Frequenz f3 einen Wert von 17,37 dB.

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

SN

R /

dB

Ohne Kodierung

Kodierung mit f1


Kodierung mit f1, f2, f3


Für die Frequenz 20,05 MHz sind nur zwei Frequenzen f1 und f2 zur Kodierung der Häuser

erforderlich, um den gewünschten SNR-Wert für alle Übertragungsverfahren in der Tabelle

3.4 zu garantieren. Die Abbildung 3.57 zeigt die Kodierungsweise, während das

Kodierungsergebnis in Abbildung 3.58 dargestellt wird.

Abb. 3.57: Die Kodierung der Häuser durch zwei Frequenzen f1, f2 für die Frequenz 20,05

MHz



-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

SN

R /

dB

Ohne Kodierung

Kodierung mit f1


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f2


Bei der Kodierung durch zwei Frequenzen werden z.B. die Störleistungen der Häuser

Nummer 1, 2, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 16, 17, 19, 20, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 31, 32, 34, 35

von der gesamten Störleistung an dem Hausanschluss Nummer 0 abgezogen. Also die

Störleistungen am Hausanschluss Nummer 0 resultieren aus den Störleistungen der Häuser

Nummer 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33, die wie Haus Nummer 0 durch f1 kodiert

werden.

Die Abbildung 3.58 zeigt, dass bei der Kodierung durch f1 der erforderliche SNR-Wert für

das CDMA-, OFDM-und QPSK-Verfahren erreicht werden kann, wobei SNR in diesem Fall

12,04 dB beträgt. Falls das FSK-Verfahren benutzt wird, müssen die Häuser mit zusätzlicher

Frequenz f2 kodiert werden. Hierfür wird SNR bis zu 19,14 dB erhöht, was sicherlich für

FSK-Verfahren, das einen SNR-Wert von 14,5 dB fordert, ausreicht.

Die Häuserkodierung ist natürlich nicht nötig bei Frequenzen, bei denen das primäre Signal-

Rauschen-Verhältnis SNR die erforderlichen Werte in der Tabelle 3.4 erreicht.

Die Abbildung 3.59 zeigt SNR für die Frequenz 2,14 MHz ohne Häuserkodierung, wobei

SNR einen minimalen Wert von 15 dB hat. Dieser Wert kommt zurecht mit den Forderungen

in der Tabelle 3.4.

Abb. 3.59: Das ohne Häuserkodierung resultierende SNR für die Frequenz 2,14 MHz

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Hausnummer

SN

R /

dB


Die Einstrahlung eines PLC-Systems ins andere PLC-System, die die gleichen Frequenzen

nutzen, wandelt sich ins leitungsgeführte Störsignal, was zur zusätzlichen Reduzierung der

Differenz zwischen Signal- und Störleistung an jedem Hausanschluss führt. Dieser Effekt ist

im Simulationsergebnis wegen des mit dem Berechnungsprozess des Simulationsprogramms

verbundenen enormen Zeitaufwandes nicht mit einbezogen.

Im Gegenteil von der leitungsgeführten Verkopplung gibt es keine unmittelbaren

Abhilfemaßnahmen gegen die Verkopplung über das Strahlungsfeld.

Durch die Erhöhung der Anzahl der Kodierungsfrequenzen über diejenigen, die im Fall der

leitungsgeführten Verkopplung und je nach dem Übertragungsverfahren zu einer fehlerfreien

Datenübertragung bei einer bestimmten Datenrate erforderlich sind, kann jedoch die durch die

Strahlungskopplung verursachte zusätzliche Reduzierung des Nutzsignalverhältnisses zum

Störsignal an jeden Hausanschluss kompensiert werden.

Diese Maßnahme kann auch gegen die induktive und kapazitive Kopplung wirksam sein,

solange die zur Beseitigung der leitungsgeführten und der Strahlungskopplung geforderten

Kodierungsfrequenzanzahl entsprechend der Häuseranzahl nicht ganz erschöpft wird.

Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 85

4 Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen

Im Kapital 2 und 3 wird gezeigt, dass die von den PLC-Systemen abgestrahlten Feldstärken

den entscheidenden Maßstab zur Durchführung der breitbandigen PLC-Technik haben.

Die Abstrahlungsmenge bestimmt den Spielraum für die Reichweite, Signalleistung bzw.

SNR und Kanalkapazität eines PLC-System, was mit einem bestimmten wirtschaftlichen und

technischen Aufwand verbunden ist.

Je mehr die Abstrahlung reduziert wird, desto flexibler ist ein PLC-System im Sinne der

EMV und der Telekommunikationstechnik .

In diesem Kapital wird auf ein Verfahren zur Reduzierung der Abstrahlung und der dafür

verantwortlichen leitungsgeführten Störspannung eingegangen.

Die Untersuchungsergebnisse beziehen sich sowohl auf reale Messungen in einem

kombinierten Labor-Büro-Gebäude an der Universität Dortmund als auch auf die Simulation

mittels des im zweiten Kapital dargestellten Verteilnetzmodells.

4.1 Abstrahlungsverhalten bei hybrider Einspeisung

Üblicherweise wird das hochfrequente Signal in ein Kommunikationsnetz symmetrisch

eingespeist. Ist das Übertragungsmedium und der Empfänger symmetrisch, bleibt das System

symmetrisch erhalten und strahlt es nicht ab. Das Ersatzschaltbild ESB in diesem Fall besteht

ausschließlich aus einem symmetrischen Mode.

Dagegen ist das Verteilnetz hochfrequenzmäßig nicht ganz symmetrisch, was trotz der

symmetrischen Einspeisung zur Entstehung einer asymmetrischen Komponente, für die

Abstrahlung verantwortlich ist. Demzufolge verbreiten sich im Verteilnetz symmetrische und

asymmetrische Signale, die ganz unterschiedliche Moden bilden, was im ESB berücksichtigt

werden muss (Abb. 4.1).

Im Fall der asymmetrischen Einspeisung in solches Netz wandelt sich das ausgebreitete

asymmetrische Signal teilweise ins symmetrische Signal um, da das Verteilnetz nicht

vollständigsymmetrisch ist. Dadurch entstehen (wie bei der symmetrischen Einspeisung)

symmetrische und asymmetrische Mode, dies zeigt das ESB in Abbildung 4.2.


Abb. 4.1: Ersatzschaltbild im Fall der symmetrischen Einspeisung ins Verteilnetz

Abb. 4.2: Ersatzschaltbild im Fall der asymmetrischen Einspeisung ins Verteilnetz

Die Tatsache, dass sich die aus der symmetrischen Einspeisung resultierende Feldstärke

grundsätzlich in Betrag und Phase von der aus der asymmetrischen Einspeisung resultierende

Feldstärke unterscheidet, führt zur Möglichkeit der lokalen Abstrahlungsreduzierung in PLC-

Systemen. Daher wird ein symmetrisches und ein asymmetrisches Signal (hybride

Einspeisung) ins Verteilnetz gleichzeitig eingespeist, wobei die Leistungssumme dieser

Signale der Leistung bei nur symmetrischen Einspeisung entsprecht.

Das ESB für die hybride Einspeisung, das in Abbildung 4.3 dargestellt wird, enthält die

folgenden vier Moden:

U0

Usy1 Zsy

Verteilnetz

Z

Filter ESB ≈

P

≈

≈ Uasy1

H1

Zasy

Usy2 Zsy

ESB

P ≈

≈ Uasy2

H2

Zasy

Z

Verteilnetz Filter

U0 ≈


- die aus der symmetrischen Einspeisung resultierende symmetrische Mode Usy1

- die aus der symmetrischen Einspeisung resultierende asymmetrische Mode Uasy1

- die aus der asymmetrischen Einspeisung resultierende symmetrische Mode Usy2

- die aus der asymmetrischen Einspeisung resultierende asymmetrische Mode Uasy2

Abb. 4.3: Das Ersatzschaltbild im Fall der hybriden Einspeisung ins Verteilnetz

Die bei der hybriden Einspeisung entstehende Feldstärke H am beliebigen Punkt besteht aus

der vektoriellen Komponentenaddition der Felder H1 und H2, die durch die asymmetrischen

Spannungen Uasy1 und Uasy2 verursacht werden.

Die Amplitude und vor allem die räumliche Verteilung der Feldkomponenten von H1 und H2

nämlich Hx1, Hy1 und Hz1 bei der symmetrischen Einspeisung UT und Hx2, Hy2 und Hz2 bei

der gleichzeitig asymmetrischen Einspeisung UL bestimmen, ob der Betrag der Feldstärke H

bei der hybriden Einspeisung größer oder kleiner als der Betrag der Feldstärke H0 bei der

allein symmetrischen Einspeisung U0, wobei U0 die Summe von UT und UL ist.

Um eine optimale Komponentenverteilung der Felder H1 und H2 zu bekommen, so dass

möglichst der geringste Betrag der Feldstärke H erreicht wird, müssen die eingespeisten

Spannungen UT und UL einstellbar sein, da die Felder H1 und H2 phasen- und betragsmäßig

mit diesen Spannungen verknüpft sind.

Bei einer bestimmten Phasendifferenz und Betragsverhältnis zwischen UT und UL resultiert

die minimal erreichbare Feldstärke, was beispielhaft in Abbildung 4.4 dargestellt wird.

Z/4

P

Zsy

Zsy

Usy1 ≈

≈ Uasy1 Zasy

Zasy

Usy1 ≈

≈ Uasy2

ESB Verteilnetz Filter ≈ UT

UL ≈

H2

H1 Z H


Abb. 4.4: Exemplarische Darstellung des Reproduzierungsmechanismus der Feldstärke bei

einer bestimmten Einstellung der hybriden Einspeisung

Die durch die hybride Einspeisung hervorgerufene asymmetrische Störspannung Uasy bildet

sich unmittelbar durch vektorielle Addition der aus den eingespeisten symmetrischen UT und

asymmetrischen Spannung UL resultierenden asymmetrische Spannungen Uasy1 und Uasy2.

Dementsprechend bestimmen die Phase und der Betrag bzw. der Imaginär- und Realteil der

Spannungen Uasy1 und Uasy2, ob der Betrag der Spannung Uasy bei der hybriden Einspeisung

größer oder kleiner ist als derjenige bei der symmetrischen Einspeisung allein.

Die minimalen erreichbaren asymmetrischen Spannungen Uasy können auch durch die

Einstellung der eingespeisten Spannungen UT und UL, die die Spannungen Uasy1 und Uasy2

betrag- und phasenmäßig beeinflussen, ermittelt werden.

Um die minimale erreichbare asymmetrische Spannung Uasy zu bekommen, muss eine

bestimmte Phasendifferenz und Verhältnis zwischen den Spannungen UL und UT ermittelt

werden, die die Komponenten der Spannungen Uasy1 und Uasy2 entsprechend diesem Ziel

verteilen lassen, was in Abbildung 3.5 exemplarisch dargestellt wird.

HX1

HZ1 HY1

HZ2

Hy2

HX2 HY

HZ HX

HZ2 HX1

HZ1

HY1

HX2

Hy2

Die aus der symmetrischen Einspeisung UT resultierende Feldstärke

Die aus der asymmetrischen Einspeisung UL resultierende Feldstärke

Die aus der hybriden Einspeisung UL und UT

resultierende Feldstärke


Abb. 4.5: Exemplarische Darstellung des Reproduzierungsmechanismus der asymmetrischen

Spannung bei einer bestimmten Einstellung von der hybriden Einspeisung

Da die im Verteilnetz ausgebreitete asymmetrische Spannung die Ursache für die Abstrahlung

ist, muss sich die aus verschiedenen Einstellungen der Phasendifferenz und des Verhältnisses

zwischen den eingespeisten Spannungen UT und UL resultierende Feldstärke H prinzipiell

genau wie die Ursache nämlich die symmetrische Spannung Uasy verhalten. Wird eine

bestimmte Einstellung ermittelt, wobei die minimale Abstrahlung erreicht wird, wird eine

minimale Spannung Uasy bei dieser Einstellung auch erwartet, was systematisch in diesem

Kapital untersucht wird.

Das Verhalten der asymmetrischen Spannung Uasy und die daraus resultierende Abstrahlung

ist nicht nur durch die Phasendifferenz und das Verhältnis der symmetrischen und

asymmetrischen eingespeisten Spannung beeinflusst, sondern auch durch die Netztopologie.

Die simulierte Drahtstruktur unterscheidet sich grundsätzlich von der für die Messungen

verwendeten realen Netzstruktur, was die Ermittlung des Netztopologieeinflusses ermöglicht.

4.2 Einspeise- und Messmethoden

Bezüglich des in [7] definierten Verfahrens zur Einspeisung und Messung der symmetrischen

und asymmetrischen Spannung in die Kommunikationseinrichtung wird in dieser Arbeit eine

Methode zur einstellbaren hybriden Einspeisung der symmetrischen UT und asymmetrischen

Spannung UL entwickelt (Abb. 4.6).

Uasy1

Ui1

Uasy2

Ur1

Ui2

Ur2

Uasy

Uasy2 Uasy1

Die aus der symmetrischen Einspeisung UT resultierende asymmetrische Spannung

Die aus der asymmetrischen Einspeisung UL resultierende asymmetrische Spannung

Die aus der hybriden Einspeisung UL und UT resultierende asymmetrische Spannung


Abb. 4.6: Methode zur einstellbaren hybriden Einspeisung ins Verteilnetz und Messung der

daraus resultierenden Feldstärke

Für Grundlagenuntersuchung an der hybriden Einspeisung wird ein CW-Signalgenerator,

Spannungsteiler, Phasenverschieber, den in [7] beschriebenen LCL-Messadapter zur

Trennung zwischen den symmetrischen und asymmetrischen Moden und Filter zur Sperrung

der Eindringung vom 50Hz-Starkstromsignal verwenden.

Die Ausgangsspannung des Signalgenerators wird mittels des Spannungsteilers und des

Phasenverschiebers, die die Nummer 1 und 2 haben, einstellbar geteilt. Dagegen dienen die

Spannungsteiler, die die Nummern 3 und 4 besitzen, zur hochfrequenzmäßigen Anpassung

der 50Ω-Signalgeneratorimpedanz mit der äquivalenten Impedanz des Messadapters und der

Spannungsteiler 1 und 2.

Nun wird ein Teil von der geteilten Spannung mittels des symmetrischen

Messadaptereingangs symmetrisch ins Verteilnetz eingespeist, während der zweite Teil durch

den asymmetrischen Messadaptereingang asymmetrisch eingespeist wird.

Bei unterschiedlichen Phasendifferenzen und Verhältnissen zwischen den Spannungen UT und

UL wird die Feldstärkemessung an verschiedenen Punkten bei einzelnen Frequenzen im

Bereich von 150 kHz bis zu 30 MHz mittels der in CISPR-16 beschriebenen Rahmenantenne

und Messempfänger durchgeführt.

Z

Signal- generator

Z/4

Phasenschieber

2 4

1

3

Messungsadapter

Filter

Verteilnetz

Rahmenantenne

Meßempfänger

Abstrahlung a

b

1

2

UT

UL

Phasenschieber

Spannungsteilers


Die Methoden und Equipment zur hybriden Einspeisung, die bei der

Abstrahlungsuntersuchung verwendet werden, dienen unter den gleichen Bedingungen und

Umständen zur asymmetrischen Spannungsuntersuchung.

Daher wird die asymmetrische Spannung an verschiedenen Steckdosen, jedoch bei der für die

Abstrahlungsmessung benutzten Frequenzen, Phasendifferenzen und Verhältnisse zwischen

den eingespeisten Spannungen UT und UL, gemessen. Dazu besteht das Messequipment aus

einem Messempfänger entsprechend CISPR-16 und einem Messadapter entsprechend [7]

(Abb. 4.7).

Abb. 4.7: Versuchaufbau zur Messung der asymmetrischen Spannung im Fall der hybriden

Einspeisung

4.3 Bewertung der Mess- und Simulationsergebnisse

Um den Einfluss der hybriden Einspeisung auf die abgestrahlte Feldstärke und die

asymmetrische Spannung deutlich zu zeigen, wird folgender Mechanismus bei den

Messungen verfolgt.

Z

Signal- generator

Z/4

UL

2 4

1

3

Filter

Verteilnetz

Z

Messungsadapter

Filter

2

1 a

b

Messungsadapter

UT

Uasy

Phasenschieber

Phasenschieber

Spannungsteilers


- Eine Frequenz und eine Phasendifferenz werden ausgewählt, bei denen die

Abstrahlung zunächst für mehrere Einstellungen des Verhältnisses zwischen den

eingespeisten Spannungen UT und UL gemessen wird.

- Bei der ausgewählten Frequenz wird die jeweilige Messung für mehrere

Phasendifferenzen solange wiederholt, bis eine Phasendifferenz herausgefunden wird,

bei denen der Abstrahlungsverlauf seinen Minimum erreicht.

- Die vorherigen beiden Schritte werden für zahlreiche Frequenzen wiederholt, so dass

zuletzt das Feldstärkespektrum im Frequenzbereich zwischen 150kHz und 30 MHz

komponiert werden kann.

- Bei den in den vorherigen drei Schritten herausgefundenen Bedingungen und

Frequenzen wird die asymmetrischen Spannung gemessen.

In Abbildung 4.8 wird exemplarisch das Messergebnis der Abstrahlung und die

asymmetrische Spannung in Abhängigkeit von dem Verhältnis UL/UT bei drei Frequenzen

dargestellt, die die unterschiedlichen Einflüsse auf die jeweilige Größe haben. Die Messungen

werden ausschließlich im Innenhausbereich an drei Punkten (P1, P2 und P3) für die

Abstrahlung und an drei Steckdosen für die asymmetrische Spannung (S1, S2 und S3)

durchgeführt.

In der Simulation wird ausschließlich der Verlauf der Feldsstärke bei der hybriden

Einspeisung durch Verfolgung des gleichen Mechanismus, der oben beschrieben wird,

ermittelt. Durch die Simulation wird aber ein weiterer Blick auf die Beeinflussung der

Abstrahlung durch die Frequenz, und die Phasendifferenz zwischen den eingespeisten

Spannungen UL und UT gewonnen.

Darüber hinaus wird der Einfluss der Netztopologie durch den Vergleich zwischen dem

Messungs- und Simulationsergebnis verdeutlicht.

Die Abbildung 4.9 zeigt das Simulationsergebnis der Abstrahlung bei der hybriden

Einspeisung in Abhängigkeit vom Spannungsverhältnis UL/UT für die Frequenzen 10 MHz, 18

MHz, 20 MHz und 25 MHz sowohl im Innenhausbereich als auch im Außerhausbereich.


Abb. 4.8: Exemplarische Messergebnis der asymmetrische Spannung der Abstrahlung bei den

Frequenzen 2,18MHz und 29 MHz im Fall der hybriden Einspeisung

30

35

40

45

50

55

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

UL / UT

H [

dBµ

V/m

]

P1

P2

P3

50

54

58

62

66

70

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

UL / UT

U [

dBµ

V]

S1

S2

S3

40

42

44

46

48

50

52

54

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

UL / UT

H [

dBµ

V/m

]

P3

P2

P1

50

54

58

62

66

70

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

UL / UT

U [

dBµ

V]

S1

S2

S3

40

45

50

55

60

65

70

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

UL / UT

H [

dBµ

V/m

]P1

P2

P3

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

UL / UT

U [

dBµ

V]

S1

S2

S3

Feldstärke bei 2 MHz und 0° Phasendifferenz Asymmetrische Spannung bei 2 MHz und 0° Phasendifferenz




Abb. 4.9: Exemplarische Simulationsergebnis der Abstrahlung bei den Frequenzen 10, 18, 20

und 25 MHz im Fall der hybriden Einspeisung

Die in den Abbildungen 4.8 und 4.9 dargestellten Simulations- und Messergebnisse zeigen,

dass die Abstrahlung durch die Einstellung der hybriden Einspeisung mit der Erhöhung des

Verhältnisses zwischen den eingespeisten Spannungen UL und UT (UL/UT) jedoch bis zu

einem bestimmten Verhältnis abnimmt. Bei weiteren Erhöhungen von UL/UT nimmt die

Abstrahlung zu. Demzufolge erscheint im Verlauf der abgestrahlten Feldstärke an allen

Messpunkten ein Minimum bei bestimmten Verhältnissen zwischen UL und UT, was von

Frequenz, Phasendifferenz, Lasten und Struktur abhängig ist. Bei dem jeweiligen Verhältnis

und damit der verknöpften Frequenz und Phasendifferenz resultiert ebenfalls ein Minimum im

Verlauf der asymmetrischen Spannung an allen Steckdosen, woran die Messungen

durchgeführt werden.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10UL / UT

H [dB

µV

/m]

P1 P2

P3 P4

P5 P6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10UL / UT

H [dB

µV

/m]

P1 P2

P3 P4

P5 P6

Feldstärke bei 10 MHz und 180° Phasendifferenz Feldstärke bei 18 MHz und 180° Phasendifferenz

Feldstärke bei 20 MHz und 0° Phasendifferenz Feldstärke bei 25 MHz und 180° Phasendifferenz

Im Haus

3m vom Haus

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10

UL / UT

H [

dB

µV

/m]

P1 P2

P3 P4

P5 P6

3m vom Haus

Im Haus

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10

UL / UT

H [

dB

µV

/m]

P1 P2

P3 P4

P5 P6

Im Haus

3m vom Haus

3m vom Haus

Im Haus


Durch die Komponierung des resultierenden Minimums in Abhängigkeit von den in der

Messung und Simulation betrachteten Frequenzen, bei denen unterschiedliche Verhältnisse

und Phasendifferenzen zwischen UL und UT für jeweilige Minimums verantwortlich sind,

kann das gesamte Spektrum der minimal erreichbaren Abstrahlung und asymmetrischen

Spannung durch die hybride Einspeisung im für PLC-Systeme interessierenden

Frequenzbereich reproduziert werden. Zur Beurteilung der Reduzierungsmaße wird das

Spektrum der Abstrahlung und asymmetrischen Spannung im Fall der symmetrischen

Einspeisung als Referenz in Anspruch genommen.

Bezüglich der Messergebnisse wird in den Abbildungen 4.10 und 4.11 der Frequenzgang (das

Spektrum) des ermittelten Minimums und der erwähnten Referenz sowohl für die

Abstrahlung als auch für die asymmetrische Spannung dargestellt.

Abb. 4.10: Das Spektrum der minimal erreichbaren Feldstärke bei der hybriden Einspeisung

verglichen mit der bei der symmetrischen Einspeisung resultierenden Feldstärke

20

30

40

50

60

70

80

0,5 1 2 4 5 9 10 12 15 18 20 21 25 29 30

f / MHz

H [

dB

µV

/m]

Phasendifferenz

0° 0,6

0° 1

0° 0,6

0° 0,4

180° 1

0° 0,6

0° 0,2

0° 0,6

0° 0,6

180° 0,4

180° 0,4

0° 1

0° 1

0° 1

0° 1

UL / UT

Symmetrische Einspeisung Hybride Einspeisung


Abb. 4.11: Das Spektrum der minimal erreichbaren asymmetrischen Spannung bei der

hybriden Einspeisung, verglichen mit der bei der symmetrischen Einspeisung

resultierenden asymmetrischen Spannung

Die Abbildungen 4.10 und 4.11 zeigen, dass die Abstrahlung und die asymmetrischen

Spannungen in PLC-Systemen bei der hybriden Einspeisung unter bestimmten Umständen bis

zu etwa 25 dB unter der Abstrahlung und der asymmetrischen Spannung bei der

symmetrischen Einspeisung liegen, wobei in den beiden Fällen die selbe Leistung eingespeist

wird.

Die Erhöhung der Signalleistung bei der hybriden Einspeisung um den Differenzbetrag

zwischen den aus der symmetrischen und hybriden Einspeisung resultierenden Abstrahlungen

verursachen also die gleiche Abstrahlung wie bei der symmetrischen Einspeisung.

Das auf dem Simulationsergebnis bezogene Abstrahlungsspektrum sowohl bei der

symmetrischen Einspeisung als auch bei der hybriden Einspeisung wird analog zum Fall bei

den Messungen bearbeitet und in Abbildung 4.12 für den Innenhausbereich und in Abbildung

4.13 für 3 m Abstand vom Haus dargestellt.

20

30

40

50

60

70

80

90

0,5 1 2 4 5 9 10 12 15 18 20 21 25 29 30

f / MHz

Ua

sy [

dB

µV

]

Phasendifferenz

0° 0,6

0° 1

0° 0,6

0° 0,4

180° 1

0° 0,6

0° 0,2

0° 0,6

0° 0,6

180° 0,4

180° 0,4

0° 1

0° 1

0° 1

0° 1

UL / UT



Abb. 4.12: Simulationsergebnis der minimal erreichbaren Feldstärke bei der hybriden

Einspeisung verglichen mit der aus der symmetrischen Einspeisung

resultierenden Feldstärke im Innenhausbereich

Die Abbildung 4.12 zeigt, dass die vom Simulationsergebnis entnommene Differenz zwischen

der Feldstärke im Fall der symmetrischen Einspeisung und die durch die hybride Einspeisung

minimale erreichte Feldstärke im Innenhausbereich etwa 25 dB beträgt, was auch bei einer

realen Messung erreicht werden kann.

40

50

60

70

80

90

100

110

120

0,15 0,5 1 2 4 5 9 10 12 13 15 18 20 21 23 25 28 29 30

f / MHz

H [

dB

µV

/m]

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

1 180°

0,66 180°

1 180°

1 180°

1,5 0°

1 180°

1 180°

4 180°

0,66 180°

1 180°

1 0°


Phasendifferenz UL / UT


Abb. 4.13: Simulationsergebnis der minimal erreichbaren Feldstärke bei der hybriden

Einspeisung, verglichen mit der aus der symmetrischen Einspeisung

resultierenden Feldstärke in 3 m Abstand vom Haus

4.4 Eigenschaft der Verteilnetze bei hybrider Einspeisung

Da die erreichbare Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen bei der hybriden Einspeisung

stark die Netztopologie und die an die Steckdosen angeschlossenen Verbraucher beeinflusst,

muss die Bewertung dieser Methode statistisch erfolgen.

Der Einfluss jeder Netztopologie ist durch Frequenz, Phasendifferenz und Verhältnis

zwischen den eingespeisten symmetrischen und asymmetrischen Spannungen auf besondere

Weise ausgeprägt, was im Folgende exemplarisch gezeigt wird.

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,15 0,5 1 2 4 5 9 10 12 13 15 18 20 21 23 25 28 29 30

f / MHz

H [

dB

µV

/m]

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

0,66 180°

1 180°

0,66 180°

1 180°

1 180°

1,5 0°

1 180°

1 180°

4 180°

0,66 180°

1 180°

1 0°


Phasendifferenz UL / UT


4.4.1 Struktureinfluss auf die Bedingungen der hybriden Einspeisung

In Abbildung 4.14 werden die Mess- und Simulationsergebnisse der bei der hybriden

Einspeisung resultierenden Feldstärken für verschiedene Frequenzen miteinander verglichen,

wodurch ein Überblick über den Struktureinfluss auf die Bedingungen der hybriden

Einspeisung der durch Erreichung der minimalen Abstrahlung in PLC-Systemen gewonnen

werden kann.

Abb. 4.14: Struktureinfluss auf das Abstrahlungsverhalten bei der hybriden Einspeisung

Die Abbildung 4.14 zeigt, dass die Netzstruktur für bestimmte Frequenzen, die

Phasendifferenzen und das Verhältnis zwischen den Spannungen UL und UT, bei denen die

jeweilige Struktur minimal abstrahlt, bestimmt.

Beispielerweise für die Frequenz 5 MHz zwingt die für die Messung verwendete Struktur das

Minimum bei Spannungsverhältnis UL/UT=1 und Phasendifferenz 180° zu erscheinen,

während die für die Simulation verwendete Struktur das Minimum bei Spannungsverhältnis

UL/UT=0,66 und Phasendifferenz 180° auftauchen lässt.

Für die Frequenz 9MHz tritt das Minimum bei Spannungsverhältnis UL/UT=0,6 und

Phasendifferenz 0° für die Messung auf. Die Simulation lässt dagegen das Minimum bei

Spannungsverhältnis UL/UT=0,66 und Phasendifferenz 180° auftreten.

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

0,1 1 10f / MHz

H [d

Bµ

V/m

]

Messung

Simulation

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10f / MHz

H [d

Bµ

V/m

]

Messung

Simulation

Feldstärke im Innenhausbereich bei 5 MHz 180° Phasendifferenz für Messung 180° Phasendifferenz für Simulation

UL/UT=0,66

UL/UT=1

Feldstärke im Innenhausbereich bei 9 MHz 0° Phasendifferenz für Messung 180° Phasendifferenz für Simulation

UL/UT=0,66

UL/UT=0,6


4.4.2 Phasendifferenzeinfluss auf das Abstrahlungsverhalten

Zur Untersuchung des Phasendifferenzeinflusses auf das Abstrahlungsverhalten bei der

hybriden Einspeisung wird in Abbildung 4.15 die Simulationsmittelergebnis der abgestrahlten

Feldstärke in Abhängigkeit von den eingespeisten Spannungen UL und UT bei mehreren

Phasendifferenzen für die Frequenzen 10 MHz und 20 MHz sowohl im Innenhausbereich aber

auch in 3m Abstand vom Haus dargestellt.

Es wird gezeigt, dass die Phasendifferenzeinfluss bei bestimmter Struktur und Frequenz sich

ausschließlich auf den Betrag bzw. die Amplitude des Minimums beschränkt, das für alle

verwendeten Phasendifferenzen bei gleichen Spannungsverhältnissen erscheint, was sowohl

für die Feldstärke im Innenhausbereich sowie in 3 m Abstand zum Haus nicht von Bedeutung

ist.

Für die Frequenz 10 MHz und beim Spannungsverhältnis UL/UT=0,66 resultiert das maximale

Minimum bei der Phasendifferenz 180°. Die Verkleinerung der Phasendifferenz führt zu einer

Reduzierung des Minimums , so dass bei 0° Phasendifferenz das Minimum fast verschwindet.

Das maximale Minimum der Abstrahlung erscheint dagegen bei der Phasendifferenz 0° für

die Frequenz 20 MHz und das Spannungsverhältnis UL/UT=1,5. Das Minimum nimmt mit der

Erhöhung der Phasendifferenz ab, bis es bei 180° vernachlässigt werden kann.


Abb. 4.15: Simulationsergebnis des Feldstärkemittelwertes im Innenhausbereich bei der

hybriden Einspeisung für verschiedene Phasendifferenzen

Die Abhängigkeit der durch die hybride Einspeisung minimalen erreichten Feldstärke von der

Phasendifferenz bei der Frequenzen 10 MHz und 20 MHz wird in Abbildung 4.16 verglichen

mit der aus der symmetrischen Einspeiung resultierenden Feldstärke bei jeweiligen

Frequenzen dargestellt sowohl im Innenhausbereich als auch in 3 m Abstand vom Haus.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10UL / UT

H[d

Bµ

V/m

]

0°

90°

135°

160°

170°

180°

Mittelwert der Feldstärke im Innenhausbereich bei der Frequenz 10 MHz

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10

UL / UT

H[d

Bµ

V/m

]

0°

30°

45°

60°

90°

180°

Mittelwert der Feldstärke im Innenhausbereich bei der Frequenz 20 MHz

Mittelwert der Feldstärke im 3m Abstand vom Haus bei der Frequenz 10 MHz

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10UL / UT

H[d

Bµ

V/m

]

0°

30°

45°

60°

90°

180°

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10UL / UT

H[d

Bµ

V/m

]

0°

90°

135°

160°

170°

180°

Mittelwert der Feldstärke im 3m Abstand vom Haus bei der Frequenz 20 MHz


Abb. 4.16: Phasendifferenzeinfluss auf das Abstrahlungsverhalten bei der hybriden

Einspeisung

Die Abbildung 4.16 zeigt eine Periode von 360° im Verlauf des bei der hybriden Einspeisung

gewonnenen Feldstärkeminimums.

Für die Frequenz 10 MHz erscheint das maximale Minimum bei den Phasendifferenzen

180° ± 360°, während sie für die Frequenz 20 MHz bei den Phasendifferenzen 0° ± 360°

auftreten.

Das durch die hybride Einspeisung gewonnene Feldstärkeminimum kann bei manchen

Frequenzen, ausgehend von der Phasendifferenz, die aus der symmetrischen Einspeisung

resultierenden Feldstärken überschreiten.

Das hängt mit dem Verhältnis der Abstrahlung bei der symmetrischen Einspeisung zu

denjenigen bei der asymmetrischen Einspeisung zusammen, wobei für bestimmte

Phasendifferenzen das Minimum verschwindet und sich der daraus resultierende Feldverlauf

fast linear zwischen UL/UT=0 entsprechend der symmetrischen Einspeisung und UL/UT= ∞

entsprechend der asymmetrischen Einspeisung verhält.

Für die Frequenz 10 MHz wächst die Abstrahlung bei der symmetrischen Einspeisung über

das Feldstärkeminimum bei der hybriden Einspeisung um die Phasendifferenz 0° herum

sowohl im Innenhausbereich als auch in 3 m Abstand vom Haus heraus, da die Abstrahlung

bei der asymmetrischen Einspeisung größer ist als diejenige bei der symmetrischen

Einspeisung für die Frequenz 10 MHz. Diese Überschreitung wiederholt sich periodisch.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-450 -360 -270 -180 -90 0 90 180 270 360 450

Phasendifferenz

H[d

Bµ

V/m

]

10M Hz- hyb. Einspeisung

20M Hz- hyb. Einspeisung

10M Hz-sym. Einspeisung


Mittelwert der Feldstärke im Innenhausbereich bei der Frequenzen 10 MHz und 20 MHz

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-450 -360 -270 -180 -90 0 90 180 270 360 450

Phasendifferenz

H[d

Bµ

V/m

]

10M Hz-hyb. Einspeisung

20M Hz-hyb. Einspeisung



Mittelwert der Feldstärke in 3 m Abstand vom Haus bei der Frequenzen 10 MHz und 20 MHz


Für die Frequenz 20 MHz liegt das Feldstärkeminimum bei der hybriden Einspeisung für alle

Phasendifferenzen unter der Feldstärke bei der symmetrischen Einspeisung, da die

Abstrahlung bei der asymmetrischen Einspeisung kleiner ist als diejenige bei der

symmetrischen Einspeisung für die Frequenz 20 MHz

4.5 Technische Realisierung des Verfahrens zur Abstrahlungsreduzierung

Die Tatsache, dass das Minimum der asymmetrischen Spannung und der abgestrahlten

Feldstärke im Fall der hybriden Einspeisung und für eine bestimmten Frequenz bei gleicher

Phasendifferenz und Verhältnis zwischen den eingespeisten Spannungen UL und UT resultiert,

führt zu einem geringen technischen Aufwand bei der Umsetzung der vorgeschlagenen

Methode zur Reduzierung der Abstrahlung in PLC-Systemen, so dass ausgehend von den

leitungsgeführten Größen das Abstrahlungsminimum bestimmt werden kann.

Daher reicht die Bestimmung der Phasendifferenz und des Verhältnisses zwischen den

eingespeisten Spannungen aus, bei denen die resultierende asymmetrische Spannung am

geringsten ist. Die jeweiligen Phasendifferenzen und Spannungsverhältnisse garantieren

ebenfalls eine möglichst minimale Abstrahlung.

Ein zukünftiges PLC vernetztes Haus soll über mehrere PLC-Systeme und dazugehörige

PLC-Modems verfügen, wobei jedes aus mindestens zwei Modems bestehende Innenhaus-

PLC-System die erforderliche Voraussetzung zur Bestimmung der mit dem asymmetrischen

Spannungsminimum verknüpften Phasendifferenz und Spannungsverhältnis bei der hybriden

Einspeisung jeder betrachteten Frequenz erfüllt.

Grundsätzlich wird ein aus zwei Modems bestehendes bidirektionales PLC-System bei der

Bestimmung jeweiliger Minimumbedingungen betrachtet.

Beide Modems müssen über eine spezielle integrierte Schaltung zur Umsetzung des in

Abbildung 4.15 dargestellten Blockdiagramms verfügen.

Das erste Modem sendet ein hybrides Signal mit zahlreichen Spannungsverhältnissen bei

bestimmten Frequenzen und Phasendifferenzen. Das zweite Modem misst die daraus

resultierenden asymmetrischen Spannungen und wartet auf ähnliche Sendungen, jedoch mit

nächster Phasendifferenz. Nach dem Ende der Signalsendungen bei allen ausgesuchten

Phasendifferenzen vergleicht das zweite Modem die gespeicherten Messdaten und findet

heraus, bei welcher Phasendifferenz und welchem Spannungsverhältnis die resultierende

asymmetrische Spannung am geringsten für die jeweilige Frequenz ist. Das zweite Modem

sendet dem ersten Modem einen Befehl zum Datenaustausch bei den herausgefundenen

Bedingungen. Dieser Schritt wird für jede betrachtete Frequenz wiederholt.


Abb. 4.17: Blockdiagramm zur Umsetzung der Abstrahlungsreduzierung durch die hybride

Einspeisung

Sendefrequenz auswählen

0° < Phasendifferenz >360°

PLC-Modem

0 < UL/UT > ∞ Messung der asymmetrischen Spannung

für die ausgewählte Spannungsverhältnisse und Speicherung der Messwerten

Ist für jede Phasendifferenz eine Messung durchgeführt worden?

nein Anforderung der nächsten Phasendifferenz

ja

Bestimmung der minimal erreichbaren asymmetrischen Spannung

Ende des Sucheprozesses und Anforderung des Spannungsverhältnisses UL/UT und der

Phasendifferenz mit der minimalen asymmetrischen Spannung für jede Sendefrequenz

PLC-Modem

Ist das Minimum für alle Sendefrequenzen ermittelt?

ja nein


Da die Bedingungen des resultierenden Minimums frequenzabhängig ist, kommt das OFDM-

Verfahren zur technischen Realisierung des vorliegenden Verfahrens zur

Abstrahlungsreduzierung in Fordergrund. Dementsprechend bekommt jeder Träger eines

OFDM-Verfahrens eigenes Spannungsverhältnis TL UU / .

Wegen der Ortabhängigkeit der Abstrahlung und weil die Abstrahlung in der Umgebung des

speisenden Modems relevant ist, wurde die Feldstärke in der vorliegenden Untersuchungen

nur in der Umgebung des Einspeisepunktes gemessen, wobei lokale Reduzierung der

Abstrahlung hier ausreicht ist. Dementsprechend muss zweites Modem in der Nähe des

speisenden Modems existieren, um das Minimum zu bestimmen.

Ein vollständige Kompensation des Feldes ist naturgemäß mit diesem Verfahren nicht

möglich. Immerhin kann aber lokal ein Feldstärkeabsenkung um 5 bis 25 dB erzielt werden.

PLC für Mehrwertdienste 106

5 PLC für Mehrwertdienste

Die zukünftige Einsatz von dezentralen und verbrauchernahen Kraftwerken (wie z.B. die

Brennstoffzellensystemen) mit einer Kraft-Wärme-Kopplung für den Heimbereich erregt seit

lange Zeit aus ökonomischen aber auch ökologischen Gründe die Interesse der meisten

Energieunternehmen. Solche dezentrale Kraftwerke werden mit den zentralen Kraftwerken

über das Netz vereint. Ein stabiler Netzbetrieb wird in diesem Fall neue Formen des Last- und

Erzeugungs-Managements erfordern. Insbesondere wird das entstehende Energienetz

zunehmend durch leistungselektronische Einheiten geprägt sein, die einerseits neue Ansätze

des Energiemanagements zulassen, andererseits aber auch ein gewisses Gefährdungspotenzial

durch Netzrückwirkungen bedeuten.

Die Steuerung dieser Systeme erfordert leistungsstarke und zugleich leicht nachinstallierbare

Kommunikationskanäle. Die PLC- Technik vereint die genannten Eigenschaften in idealer

Weise.

Darüber hinaus wollen die Energieunternehmen ausgehend von der Liberalisierung des

Energiemarktes ihre eigene Netzinfrastruktur zur Versorgung ihrer Kunden mit

neuen Dienstleistungsangeboten benutzen. Hinsichtlich der preissensiblen und deregulativen

Märkte haben die Energieunternehmer ausgehend von der bereit exstierenden Infrastruktur

mit PLC auf das richtige Pferd gesetzt.

Läuft das Internet erst einmal über die elektrische Steckdose,

kann jedes elektrisches Haushaltsgerät wie Herd oder Waschmaschine über eine IP-Adresse

verfügen. Dadurch ist es in der Lage, solche Geräte über Powerline Systeme fernzusteuern.

(Abb. 5.1). Hierfür handelt es sich um die Lastmanagement mittels PLC. Dies ist eines der

großen Themen der Energieversorgungsunternehmen (EVU) seit einige Jahre.

Das Ziel des Lastmanagements ist es, einen möglichst gleichmäßigen über einen Tag

verteilten elektrische Energieverbrauch zu erreichen. Dadurch kann der Spitzenleistungsbezug

des gesamten Betriebes ökonomisch minimiert werden.


Abb. 5.1: Benutzung der PLC zur Lastmanagement

Mittels PLC kann die Spitzenlastzeiten unter bestimmten Umständen (wie z.B. durch

organisierte Zu- und Abschaltung von Verbrauchern) gesteuert und die Lastprofile durch das

Stromzählerfernablesen über PLC gleichzeitig gewonnen werden. Zur Optimierung der

Lastprofile bzw. zur optimalen Glättung des Lastgangs wird z.B. einen Datenbank gebildet. In

dieser Datenbank können zahlreiche Lastkurven, die aus verschiedenen Betriebzuständen der

Verbraucher resultieren, gespeichert werden. Ziel ist es die Datenbank für eine dynamische

Tarifumschaltung auszulegen. Diese Tarifumschaltung erfolgt nach der ermittelten optimalen

Lastkurve, die die EVUs ihren Kunden bereitstellen.

Der elektrische Energieverbrauch der Haushalte zeigt eine plausible Tageslastkurve. Zum

Beispiel resultieren die Lastspitzen um die Mittagszeit, daraus, dass zu dieser Zeit in den

meisten Haushalten zu Mittag gekocht wird. Die am Wochenende entstehende Spitzwerte im

Tagslastgang werden z.B. durch den Stromverbrauch beim Waschen verursacht.

Zur Zeit versuchen die Energieversorgungsunternehmen (EVU) für Haushalte den

zusätzlichen elektrischen Energieverbrauch (Waschmaschine, etc.) durch günstigere

Nachttarife auf Tagszeiten zu verteilen, die nicht im Spitzenlastbereich liegen. Bisher wurden

die Billigtarifzeiten durch statistische Auswertung des Stromverbrauchs über einen längeren

Zeitraum festgelegt. Eine dynamische Anpassung auf aktuelle Verbrauchswerte ist mit diesem

Verfahren nicht möglich.

Trafohäuschen

10 kV

Inhome-Netz „Last meter“

Access-Netz „Last mile“

Backbone

Strom & Daten

IP-Netz


Dagegen bietet die Lastmanagement durch die Verbindung eines EVU mit den elektrischen

Geräten und den Strömzählern in den Haushalten mittels PLC eine sehr flexible Methode zur

Realisierung einer möglichst gleichmäßigen Verteilung des Stromverbrauchs auf die

Tagszeiten (Abb. 5.2). Angesicht dieser Lastverteilung bzw. Lastgangsglättung wird eine

dynamische Tarifumschaltung erstellt, was zu einer homogenisierten (gleichmäßigeren)

Auslastung der Kraftwerke und damit zur Absenkung der Spitzenlastbereiche und - als plus

für den Verbraucher - der Stromkosten dient.

Abb. 5.2: Beispiel einer erwarteten Tageslastglättung durch Lastmanagement

Verfahren zur optimalen Lastgangsglättung können durch eine Klassifizierung der

elektrischen Verbraucher mit Hilfe von Prioritäten verwirklicht werden. In Bezug auf dieses

Prinzip wurde in Italien ein Lastmanagementsystem entwickelt. Dieses System ermöglicht auf

Basis des EHS-Protokolls (European Home System) die Maximallast [79].

Das System besteht aus einem Feature-Controller und maximal 16 intelligenten Steckdosen,

die jeweils zwischen Wandsteckdose und dem zu steuernden Last eingesteckt werden. Der

Feature-Controller steuert die verfügbare Leistung bzw. schaltet bei Bedarf Lasten ab.

Dadurch kann die Auslösung des Überlastschalter verhindert werden. der Kunde bestimmt, in

0

1 0

2 0

3 0

4 0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Uhrzeit

P[K

W]

0

10

20

30

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Uhrzeit

P[K

W]

Pmax neu

Pmax alt

Grundlast Grundlast

Spitzenlast

a.) ohne Lastmanagement b.) mit Lastmanagement


welche Reihenfolge die Lasten abgeschaltet werden, indem er auf der intelligenten Steckdose

die Priorität einstellt.

Bei einem anderen Verfahren kann der Kunde den Bedarf nach Benutzung eines starken

Verbrauchers wie z.B. der Waschmaschine oder einem Elektroherd anmelden und einen

Zeitpunkt nennen, bei dem das Gerät gestartet werden muss. Das EVU weiss somit immer,

welche Geräte in nächster Zeit Strom benötigen und kann eine gleichmäßige Verteilung

vornehmen, indem die Geräte innerhalb der Zeitvorgaben vom EVU ferngestartet werden

können. Geräte, die dabei zu Zeiten geringer Auslastung gestartet werden können, bekommen

Strom zu besonders günstigen Tarifen.

In Bezug auf den Informationsaustausch zwischen den Kunden und das EVU bzw. die

unmittelbare Zustandskenntnis der zu zugreifenden Haushaltgeräte kann also eine dynamische

Tarifumschaltung zu Kunst der Kunden und der EVUs erstellt werden. Dazu sind folgende

Zustände vorzusehen:

- Verschiebung des Arbeitzeitpunkt eines Gerätes je nach der Lastkurvenzustand (z.B.

Waschmaschine)

- Ab- und Zuschaltung eines Gerätes je nach der Lastkurvenzustand, ohne die

zweckmäßige Gerätfunktion zu beschädigen (z.B. Tiefkühlschrank)

- Einstellbare Energieverbrauch eines Gerätes, so dass der Spitzenwert auf die

Zeitkosten möglichst reduziert wird (z.B. Elektroherd).

Der Stand der PLC-Technik für Lastmanagement ist zur Zeit die Spezifikation der

entsprechenden Kommunikationsprotokolle.

Bei der Datenübertragung muss vorher festgelegt werden, auf welche Art die Daten

übertragen werden. Genau das ist in einem Protokoll nämlich der Übertragungsvorschrift

festgehalten. Ein weiteres Protokoll regelt die Rahmenbedingungen für die Datenübertragung.

Es enthält genaue Instruktionen, wie schnell und in welcher Form (Datenpakete) die Daten

übertragen werden sollen, dies wird im nächsten Abschnitt besprochen.

In diesem Kapitel wird eine Verbindung zum „Fernauslesen eines Stromzählers über PLC“

für das zuvor besprochene Lastmanagemant aufgebaut und getestet. (Abb. 5.3)


Zähler

V24-20mA Wandler

Laptop/ Server

PLC-Modem

Ethernet

Stromkabel

PLC-Modem

Ethernet

Laptop/ Client

CLO

RS232

RS232

Abb. 5.3: Versuchaufbau zum Fernablesen des Stromzählers über PLC

Hinsichtlich der Abbildung 5.3 werden an der Client-Seite ein PC und ein PLC-Modem

eingesetzt, während auf der Server-Seite den Stromzähler und ein anderer PC und ein weiteres

PLC-Modem aufgebaut werden.

Der Zähler hat eine optische und eine elektrische CLO-Schnittstelle (20mA Current Loop

Connector). Zur Kopplung der CLO-Schnittstelle des Zählers mit der PC-seitigen RS232-

Schnittstelle wird ein V24-zu20mA-Schnittstellenwandler verwendet.

Ein mit der Programmierungssprache Visual Basic 6.0 (kurz: VB06) geschriebenes Skript

wird der Zähler vom Server aus nach dem elektrischen Verbrauch bzw. den Lastprofilen der

Haushaltgeräten, die ebenfalls über PLC gesteuert werden, abgefragt. Dazu ist es notwendig

zu erkennen, um welches Protokoll und welche Baudrate es sich bei dem im Versuch

betrachteten Zähler es handelt:

- Gemäß DIN EN 61107 beträgt die Baudrate der CLO-Schnittstelle vom Zähler

maximal 4800 Baud.

- Der Datenaustausch mit dem Zähler wird ebenfalls gemäß DIN EN 61107

durchgeführt.

Im Protokoll wird durch ein Telegramm aus folgenden Steuerzeichen


/ ? ! CR LF

das folgende Identifikationstelegramm angefordert.

/ X X X Z Identifikation CR LF

Steuerzeichen:

/ (Startzeichen)

? (Sendeaufforderungskommando)

! (Endezeichen)

CR, LF (Abschlusszeichen)

XXX (Herstelleridentifikation)

Z (Baudratenidentifikation „für Baudratenumschaltung“)

Identifikation (Identifikation Herstellerspezifisch, maximal 16 Schriftzeichen)

Anschließend sendet der Server das folgende Quittierungstelegramm zum Zähler zurück.

ACK V Z Y CR LF

Steuerzeichen:

ACK (Quittierungszeichen)

V (Steuerzeichen)

Z (Baudratenidentifikation „für Baudratenumschaltung“)

Y (Daten auslesen, Programmierung oder herstellerspezifische Nutzung )

Sobald der Zähler das Quittierungstelegramm erhalten hat sendet er ebenfalls eine

Quittierung, die alle gemessenen Daten enthält, mit der gewünschten Datenrate, zurück. In

Bezug auf diese Daten wird einen Datenpaket serverseitig entworfen. Diese Datenpaket soll

die Adressen der gewünschte Messgrößen und der dazugehörigen Werte wie z.B. die

Wirkenergie, Blindenergie und das Messdatum umfassen. Bei dem Paketentwurf sind noch

eine Reserve zum Lastmanagement und weitere Dienste zu berücksichtigen (Abb. 5.4).


Feld1 (4byte) Feld2 (4byte) Feld3 (8byte) Feld 4 (4Byte)

Abb. 5.4: Paketentwurf zur Zählerabfrage und Lastmanagement

Hinsichtlich des Bildes 5.4 wird im Feld1 die Art des zu steuernden Gerätes beispielerweise

wie folgt bezeichnet:

- 0000 ist Adresse z.B. für Zähler

- 0201 ist Adresse z.B. für Wachmaschine

- 3102 ist Adresse z.B. für Elektroherd

Feld 2 wird für die Bestimmung der Funktionalität bzw. der zu messenden Größe

exemplarisch wie folgende zugewiesen:

- 0001 ist Adresse z.B. für die gemessene Wirkleitung bei der Zählerabfrage oder z.B.

zum Zuschalten der Waschmaschine bei der Gerätesteuerung.

- 0002 ist Adresse z.B. für die gemessene Blindleitung bei der Zählerabfrage oder z.B.

zum Abschalten der Waschmaschine bei der Gerätesteuerung.

- 0003 ist Adresse z.B. für die Datumsabfrage bei der Zählerabfrage oder z.B. zum

Einstellung der Elektroherd Zuschalten bei der Gerätesteuerung.

- usw.

Feld 3 enthält z.B. die Messwerte bei der Zählerabfrage oder eine Bestätigung der gezielten

Funktionalität bei der Laststeuerung, während im Feld 4 z.B. die Einheit der Messgrößen

eingetragen wird.

Im vorliegenden Fall wird der Zähler zunächst lokal über die RS232-Schnittstelle nach den

verfügbaren Messdaten mittels des serverseitigen VB06-Skript abgefragt. Die entnommenen

Daten werden auf Basis des entworfenen Pakets auch mittels Servers zugeordnet und zur

Ethernet-Schnittstelle umgeleitet. Diese Daten werden dann hinsichtlich des TCP/IP-Protokoll

in der obersten Schicht als „user data“ betrachtet. Sie müssen, wie in demTCP/IP-Protokoll

vorgesehen, zunächst alle Schichten durchlaufen, bevor sie über die Ethernet-Schnittstelle des

PCs versandt werden können (Abb. 5.5).


User data

User data Application header

Application data TCP header

TCP segment

Application data TCP header IP header

IP datagram

Ethernet Trailer Application data TCP header IP header Ethernet header

Ethernet frame

Abb. 5.5: Hierarchie der Datenfluss nach dem TCP/IP-Protokoll

Der PC auf der Serverseite leitet das in Abbildung 5.5 sogenannte „Ethernet frame“, das die

Mess- und Steuerdaten enthält, mittels des PLC-Modem über die Stromleitung zur Clientseite

weiter.

Die Kommunikation zwischen Server-PC und Client-PC ist bidirektional, wobei das ebenfalls

in VB06 geschriebene Client-Skript den Server über die Stromleitung steuert und die

gewünschte Messdaten und Funktionalitätsinformationen anfordert.

Zur Überprüfung der Funktionalität des Stromzähler-Fernauslesens über Stromleitungen wird

der Versuch zwischen einem normalen Einfamilienhaus in der Stadtumgebung von Dortmund

(Server) und der Universität Dortmund (Client) erfolgreich angeschlossen, wobei die

Abbildungen 5.6 und 5.7 den Versuchaufbau zwischen der Server- und Clientseite zeigen.

Application (Datenpaket)

TCP

IP

Ethernet driver

Ethernet


V24-20mA Wandler

Abb. 5.6: Clientseite im Versuch zur Stromzählerfernablesen

Abb. 5.7: Serverseite im Versuch zur Stromzählerfernablesen

VB06-Steuerskript (Client)

PLC-Modem

Ethernet-Kabel Strom-Kabel

PLC-Modem

Zähler

Server

CLO- Schnittstelle

RS232-Schnittstelle

Ethernet Schnittstelle

Stromkabel

Zusammenfassung und Ausblick 115

Zusammenfassung und Ausblick

Die Benutzung der Niederspannungsnetze als breitbandige Kommunikationsmedien ist viel-

versprechend hinsichtlich seiner unbegrenzten Fähigkeiten und Flexibilität, die mit

Forderungen des modernen Lebens hervorragend zusammenpassen.

Dennoch ist die Durchführung dieser Technik maßgeblich durch die Beantwortung auf die

folgenden Fragen bedingt:

- Wie hoch ist die erreichbare PLC-Kanalkapazität?

- Wie hoch ist die von PLC-Systemen abgestrahlte Feldstärke?

- Wie hoch ist die maximal erlaubte PLC-Signalleistung ?

- Wie gut ist die Koexistenz der PLC-Systeme untereinander?

Jede einzelne Frage kann ohne Rücksicht auf die anderen nicht beantwortet werden, da

Abstrahlung, Sendepegel, Koexistenz der PLC-Systeme untereinander und die Kanalkapazität

sich gegenseitig stark beeinflussen. Wächst die Abstrahlung in einem PLC-System über ihre

Grenzwerte hinaus, muss die Sendeleistung zur Einhaltung jeweiliger Grenzwerte abgesenkt

werden. Wird die Signalleistung abgesenkt, muss die Kanalkapazität zur Erreichung einer

fehlerfreien Datenübertragung bei bestimmter Bandbreite reduziert werden.

Dieser Prozess hinterlässt natürlich seine Spuren auf die Koexistenz der PLC-Systeme

untereinander, gekennzeichnet durch das Nutzsignalverhältnis zum Störsignal an den

Häuseranschlüssen, bei denen die gleichen Frequenzen benutzt werden.

Im zweiten Kapital wird darauf hingewiesen, dass das Signal-Rauschen-Verhältnis SNR

hinsichtlich ihres Zusammenhangs mit der Abstrahlung und Kanalkapazität ein besonderes

Maß zur Beurteilung der PLC-Systeme hat. Während das Rauschen unkontrollierbar ist, spielt

die Einstellbarkeit der ins PLC-System eingespeisten Signalleistung bei einer bestimmten

Bandbreite die entscheidende Rolle zur Bestimmung der Kanalkapazität. Je größer die

eingespeiste Signalleistung ist, desto größer ist die Kanalkapazität und auch die Abstrahlung.

Die Abstrahlung darf hinsichtlich der EMV bestimmte Abstrahlungsgrenzwerte nicht

überschreiten. Dementsprechend darf die Signalleistung nicht beliebig erhöht werden. Also ist

der Grenzwert der Abstrahlung bzw. die Störfestigkeit der primären Funkdienste von großer

Bedeutung zur Bestimmung der legitimen PLC-Kanalkapazität. Die eigene Untersuchung

sowie die veröffentlichten Studien zeigen, dass der PLC-Kanal, ausgehend von dem aus einer

angemessenen Einspeiseleistung resultierenden Störabstand SNR, eine Netto-Datenrate bis zu

mehreren Mbit/s für den Frequenzbereich bis zu 20 MHz gewährleisten kann.


Die zur Abschätzung der erreichbaren Kanalkapazität geforderte Kenntnis über die maximal

erlaubten Einspeiseleistungen, was das Abstrahlungsmaß und die zugehörigen Grenzwerte –

nämlich die NB30-Grenzwerte bestimmen, wird im dritten Kapital systematisch untersucht.

Mittels des Vergleichs des Kopplungsfaktors zwischen der Abstrahlung und der

Einspeiseleistung mit den jeweiligen Grenzwerten wird die maximale spektrale

Leistungsdichte (PSD) bestimmt. PSD liegt für den Innenhausbereich im Bereich von -65

dBm/Hz bis zu -85 dBm/Hz, während für den Außerhausbereich die Werte von -40 dBm/Hz bis

-75 dBm/Hz betragen.

Da die Abstrahlung eine Folge der Unvollständigkeit der Netztunsymmetrie ist, werden die

Symmetrieeigenschaften des Verteilnetzes durch verschiedene Maße (z.B. LCL und RA)

bewertet. Die Auswertung der LCL-Messwerte an verschiedenen Netztopologien liefern einen

Mittelwert von 38 dB. Die LCL-Messungen werden an Einspeisestellen durchgeführt, was zu

Abweichungen des realen Wertes an der Störstelle führt, wo eine asymmetrische Spannung

bzw. ein asymmetrische Strom entsteht. Die Abweichung hängt vollkommen von der

Leitungsdämpfung und dadurch von der Entfernung der Störstelle von der Einspeisestelle ab.

Demzufolge ist der LCL zweifellos ein probates Maß zur Abschätzung der

Symmetrieeigenschaften der Endgeräte, während er zur Überschätzung der Symmetrie des

Verteilnetzes führt.

RA ist ein abstrahlungsnahes Maß zur Bewertung der Symmetrieeigenschaften des

Verteilnetzes und wird durch ihre Definition nicht von dem LCL-Nachteil betroffen. Die

Auswertung der RA-Messergebnisse zeigt, das der RA-Mittelwert um den Wert 10 dB liegt.

Da das RA-Messergebnis von dem Ort der Antenne abhängig ist, ist die RA-

Reproduzierbarkeit schwierig zu realisieren.

Abgesehen davon, dass die Maße LCL und RA als Alternative zur Bewertung der

Symmetrieeigenschaften und dadurch zur Abstrahlungsabschätzung gelten, werden durch

diese beiden Maße die Anwendbarkeit der für die herkömmlichen

Telekommunikationssysteme festgelegten europäischen Normen EN55022 auch für PLC-

Systeme überprüft. Die Untersuchung bei einer bestimmten Netztopologie zeigen, dass die

Differenz des LCL für das Verteilnetz von dem LCL für das Telekommunikationsnetz nahezu

an der Differenz der RA für das Verteilnetz von der RA für das Telekommunikationsnetz

liegen, was die Abstrahlungsschutzanforderung erfüllt. Dementsprechend repräsentieren die

in EN 55022 festgelegten Messverfahren hinreichend das Abstrahlungspotenzial und sind

deshalb auch für PLC anwendbar.


Nutzen zwei oder mehr PLC-Systeme den selben Frequenzbereich zur Datenübertragung,

steht die Koexistenz dieser Systeme untereinander im Vordergrund, da das Nutzsignal eines

System als Störsignal für andere Systeme angesichts der EMV betrachtet wird, was für den

SNR eine zusätzliche Reduzierung bedeutet. Besonders sind die vom gleichen Strang

versorgten Häuser durch diese Problematik betroffen, was im dritten Kapitel untersucht wird.

Die leitungsgeführte Ausbreitung der PLC-Signale entlang eines Stranges wird simuliert und

die Differenz zwischen Nutzleistung und Störleistung an jedem Hausanschluss in Bezug auf

das Simulationsergebnis bestimmt. Mittels der Kodierung der Häuser durch Frequenzen, die

im kHz-Frequenzbereich liegen, kann die jeweilige Differenz erhöht werden. Die Anzahl der

zur Häuserkodierung verwenden Frequenzen hängt von der primären Differenz, dem

Übertragungsverfahren und der dazugehörigen Datenrate ab.

Durch eine gleichzeitige, einstellbare symmetrische und asymmetrische Einspeisung, die als

hybride Einspeisung bezeichnet wird, ist es gelungen, die Abstrahlung in PLC-Systemen in

bestimmten Fällen zu reduzieren. Das dazu vorgeschlagene Verfahren wird im vierten Kapitel

definiert.

Die theoretische Grundlage dieses Verfahren basiert auf der räumlichen Verteilung den aus

der symmetrischen und asymmetrischen Einspeisespannung resultierenden Feldkomponenten,

die phasen- und betragsmäßig von jeweiligen Spannungen abhängig sind.

Demzufolge kann man die Feldkomponenten durch die Einstellung der hybriden Einspeisung

steuern, so dass bei bestimmter Phasendifferenz und Verhältnis zwischen den eingespeisten

Spannungen für eine bestimmte Frequenz die vektorielle Summe jeweiliger Feldkomponenten

und dadurch die gesamte Feldstärke möglichst minimal wird, was in dieser Arbeit ebenfalls

systematisch untersucht wird. Darüber hinaus haben die Netztopologie und vor allem die am

Betrieb existierenden Verbraucher einen deutlichen Einfluss auf das resultierende

Abstrahlungsminimum.

Die Auswertung der Messergebnisse zeigen, dass die Abstrahlung durch die hybride

Einspeisung unten bestimmen Umständen bis etwa 25 dB reduziert werden kann, was eine

technische und wirtschaftliche Verbesserung mit sich bringt.

Als Ausblick und ausgehend von den Gegebenheiten in der Arbeit können die notwendige

Maßnahmen beim Design eines PLC-Modems hinsichtlich der EMV und Informationstechnik

prinzipiell in dem folgenden Blockdiagramm zusammengefasst werden.


Abb.: Das grundsätzliche Voraussetzungen beim Design eines PLC-Modems

Im Blockdiagramm wird zunächst ein Signal ins Energieverteilnetz eingespeist, das einen Teil

dieses Signals abstrahlt. Hält die Abstrahlung die NB30-Grenzwerte nicht ein, muss die

eingespeiste Leistung solange abgesenkt werden, bis dieses Ziel erreicht wird. Die dafür

ermittelte Leistung wird zur Berechnung der Kanalkapazität verwendet. Ist es gelungen, die

PLC-Signalleistung

Abstrahlung E

Hält E die Grenzwerte ein?

ja

SNR-Abschätzung

nein

Absenkung der Signalleistung

Berechnung der Kanalkapazität C

Passt C mit dem geforderten SNR an jedem Hausanschluss zusammen?

Ist die Abstrahlungsreduzierung möglich?

nein

ja

PLC-Systeme sind verträglich untereinander

ja nein

PLC-Systeme sind nicht verträglich untereinander

Ist die SNR-Erhöhung an den Häuseranschlüssen möglich?

Kanalkapazität bleibt behalten Absenkung der Kanalkapazität

ja nein


aus der primären Leistung resultierende Abstrahlung abzusenken, so dass sie unter jeweilige

Grenzwerte gebracht werden kann, kann die Kanalkapazitätsberechnung, in diesem Fall die

primäre Leistung, einbezogen werden.

Die resultierende Kanalkapazität bzw. die erreichbare Datenrate entspricht je nach

Übertragungsverfahren und Bitfehlerrate einem bestimmten Störabstand an jedem

Hausanschluss.

Passen die jeweilige Kanalkapazität und der Störabstand ausgehend von der

Informationstheorie zusammen, wird die Koexistenz der gleichen Frequenzen verwendenden

PLC-Systeme untereinander sichergestellt. Im umgekehrten Fall muss die Kanalkapazität

reduziert werden, um die gewünschte Koexistenz zu erreichen, falls der Störabstand an den

Häuseranschlüssen nicht erhöht werden kann.

Bei dem Lastmanagement und dem Zählerfernauslesen zur Erstellung einer dynamischen

Tarifumschaltung, die den EVUs und ihren Kunden wirtschaftliche Vorteile bringt, wird in

dieser Arbeit mittels eines Verfahrens zum Lastmanagement und dem Demonstrationsmodell

des Zählerfernauslesen über Stromleitungen eingegangen.

Literaturverzeichnis 120

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