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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].
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 10
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 11
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 12
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.
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 13
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.
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 14
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.
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 15
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 16
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 17
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 18
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 19
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 20
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 21
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]
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 22
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 23
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 24
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
Analyse der Übertragungseigenschaften der Niederspannungsnetzen 25
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].
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 27
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.
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 28
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 29
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]
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 30
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)
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 31
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 32
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.
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 33
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 34
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 35
][][][][ 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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 36
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 37
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 38
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 39
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 40
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 41
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 42
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 43
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.
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 44
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 45
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 46
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 47
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 48
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 49
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 50
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 51
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 52
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.
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 53
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 54
⋅⋅=
⋅⋅⋅=
⋅=
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).
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 55
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)
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 56
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 57
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 58
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 59
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 60
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 61
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 62
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.
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 63
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 64
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 65
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 66
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 67
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 68
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.
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 69
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 70
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 71
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 72
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 73
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 74
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
allen Häuseranschlüssen für die Frequenz 11,1 MHz
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 75
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
Häuseranschlüssen für die Frequenz 11,1 MHz
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 76
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
allen Häuseranschlüssen für die Frequenz 20,05 MHz
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 77
Abb. 3.50: die resultierende Differenz zwischen der Nutz- und Störleistung an allen
Häuseranschlüssen für die Frequenz 20,05 MHz
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 78
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 79
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 80
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
die Frequenz 1,14 MHz
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 81
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.
Abb. 3.56: Das ohne und mit Häuserkodierung durch drei Frequenzen resultierende SNR 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
Kodierung mit f1, f2, f3
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 82
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
Abb. 3.58: Das ohne und mit Häuserkodierung durch drei Frequenzen resultierende SNR 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
Kodierung mit f1, f2
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 83
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
Untersuchung der EMV von PLC-Systemen 84
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.
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 86
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 ≈
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 87
- 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
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 88
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
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 89
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
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 90
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
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 91
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
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 92
- 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.
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 93
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
Feldstärke bei 29 MHz und 0° Phasendifferenz Asymmetrische Spannung bei 29 MHz und 0° Phasendifferenz
Feldstärke bei 18 MHz und 180° Phasendifferenz Asymmetrische Spannung bei 18 MHz und 180° Phasendifferenz
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 94
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
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 95
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
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 96
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
Symmetrische Einspeisung Hybride Einspeisung
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 97
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°
Symmetrische Einspeisung Hybride Einspeisung
Phasendifferenz UL / UT
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 98
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°
Symmetrische Einspeisung Hybride Einspeisung
Phasendifferenz UL / UT
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 99
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
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 100
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.
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 101
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
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 102
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
20M 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
10M Hz-sym. Einspeisung
20M Hz-sym. Einspeisung
Mittelwert der Feldstärke in 3 m Abstand vom Haus bei der Frequenzen 10 MHz und 20 MHz
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 103
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.
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 104
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
Verfahren zur Abstrahlungsreduzierung in PLC-Systemen 105
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.
PLC für Mehrwertdienste 107
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
PLC für Mehrwertdienste 108
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
PLC für Mehrwertdienste 109
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)
PLC für Mehrwertdienste 110
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
PLC für Mehrwertdienste 111
/ ? ! 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).
PLC für Mehrwertdienste 112
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).
PLC für Mehrwertdienste 113
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
PLC für Mehrwertdienste 114
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.
Zusammenfassung und Ausblick 116
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.
Zusammenfassung und Ausblick 117
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.
Zusammenfassung und Ausblick 118
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
Zusammenfassung und Ausblick 119
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.
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