„Internet aus der Steckdose“ Powerline „Internet aus der Steckdose“

Agenda Stromversorgungssystem Geschichte von PLC PLC –Technik Störungen Probleme für PLC PLC heute

Der Weg des Stroms Nieder- Ortsnetztrafo- spannung station Kraftwerk Umspann- werk Verbraucher Hoch- spannung In Europa ist das allgemeine Energieversorgungssystem in 3 Ebenen gegliedert: Netzfrequenz = 50 Hz Hochspannungs-, Mittelspannungs- und Niederspannungsebene Bindeglieder zwischen den Ebenen = Transformatoren (bei Netzfrequenz geringe Verluste)  aber natürliche Hindernisse für PLC Systeme mit Trägerfrequenzen von einigen kHz bis in den MHz-Bereich Hochspannungsebene: 110 bis 380 kV Verlustarmer Langstreckentransport elektrischer Energie Entlang der Leitung oft Lichtwellenleiter verlegt; enden in Umspannstation zwischen Hoch und Mittelspannungsebene Mittelspannungsebene: 10 bis 30 kV weitere Verteilung der Energie Ortsnetztrafostation sind teilweise mit Nachrichtenkabeln verbunden  kann für Anbindung an Nachrichtennetze genutzt werden Niederspannungsebene: 0,4 kV Eine Ortsnetzstation versorgt in der Regel 10 bis maximal einige hundert Haushalte kurze Leitungen auf Grund der hohen Ströme und niedrigen Spannung  gut für PLC Umspann- werk Verteiler Mittel- spannung

Geschichte 1920 Energieversorger entdecken die Stromleitungen als Übertragungsweg  TFH Vorher benutzen sie die Telfonleitungen für Nachrichtenübertragung  war im Störungsfall nicht besonders zuverlässig

TFH Tonfrequenztechnik auf Hochspannungsleitungen Bidirektionale Übertragung mit geringer Sendeleistung  10 Watt Dienste für die EVU Betriebsführung Überwachung Störungseingrenzung und -beseitigung Frequenz : 15-500 KHz <15 Kondensatoren zu teuer 300-500 nicht rauhreifsicher Sendeleistung von 10 Watt beeinträchtigt den Funk nicht unter günstigen Bedingungen 900m aber mind. 300m Übertragung Betriebsführung: sicherstellen der optimalen Energieverteilung, dass keine Kapazitäten ungenutzt bleiben aber auch genügend Reserven zum Abfangen von Lastspitzen bereitstehen Überwachung: transparent machen des Betriebszustandes des Netzes, vor allem nach Zustandsgrößen Leistungsbedarf, Spannung und Frequenz Störung: Bei Störung im Hochspannungsbereich rascher Informationsaustausch zwischen Kraftwerken, Umspann- und Verteilerstation  Informationsaustausch muss zuverlässig auch unter Störfallbedingungen funktionieren

Geschichte 1920 Energieversorger entdecken die Stromleitungen als Übertragungsweg  TFH 1930 TRT (Tonfrequenz-Rundsteuertechnik)

TRT Tonfrequenz-Rundsteuertechnik auf Mittel- und Niederspannungsleitungen Unidirektionale Übertragung mit hoher Sendeleistung + geringer Datenrate  Lastverteilung Dienste für die EVU Ein- und Ausschaltinfos Tarifumschaltung Bedienung der Strassenbeleuchtung Nieder- und Mittelspannungsleitungen  schlechte Übertragungsmedien Ein und Ausschalten: Versorgungsradius 5 bis 25km Spitzenlastperioden können gezielt Großverbraucher (nicht zeitgebundene Speicherheizungen) abgeschaltet werden und bei geringer Netzlast wieder eingeschaltet werden Zuverlässigkeit muss extrem hoch sein weil keine Bestätigung f<1500 TRT heute: Hat nur überlebt weil, wichtigste Aufgabe = Optimierung von Systemfunktionen zur Energieverteilung Grundaufgabe kann als flächendeckendes Fernwirken bezeichnet werden TRT wird weltweit eingesetzt: West D hoher Entwicklungsstand  nicht weiter ausgebaut Neue Bundesländer kaum TRT vorhanden  nicht mehr zum Einsatz

Geschichte 1920 Energieversorger entdecken die Stromleitungen als Übertragungsweg  TFH 1930 TRT (Tonfrequenz-Rundsteuertechnik) 1998 Auflösen der Monopolstellung der Telekommunikations- und Energiemärkte 80ger Jahre: Babyphon- sendet Sprachsignale über Stromleitungen  Schmalbandbereich mit geringer Übertragungsrate d.h. freier Wettbewerb: jeder kann seinen Strom oder seine Telefonverbindung einkaufen wo er will

Geschichte 1920 Energieversorger entdecken die Stromleitungen als Übertragungsweg  TFH 1930 TRT (Tonfrequenz-Rundsteuertechnik) 1998 Auflösen der Monopolstellung der Telekommunikations- und Energiemärkte Ende 1998 erste Feldversuche mit PLC Erste Feldversuche beruhen meist auf Energiediensten für Kunden: so automatisches Zählerstandablesen von Strom und Wasserverbrauch

Geschichte 1920 Energieversorger entdecken die Stromleitungen als Übertragungsweg  TFH 1930 TRT (Tonfrequenz-Rundsteuertechnik) 1998 Auflösen der Monopolstellung der Telekommunikations- und Energiemärkte Ende 1998 erste Feldversuche mit PLC Bis März 2001 CENELEC EN 50065 Erste Feldversuche beruhen meist auf Energiediensten für Kunden: so automatisches Zählerstandablesen von Strom und Wasserverbrauch

CENELEC-Norm CENELEC EN 50065 Regelt die Nutzung des Frequenzbereiches von 3 bis 148,5 kHz Für EVU- Anwendungen Kundenanlagen CENELEC definiert verschiedene Frequenzbänder und Grenzwerte für die Sendepegel auf elektrischen Niederspannungsleitungen (230V Stromnetz) Unterschied zu USA: USA dürfen Trägerfrequenzen bis 450 kHz genutzt werden  Produkte die für den amerikanischen Markt entwickelt wurden können nicht unverändert in Europa eingesetzt werden werden sie verändert  erhebliche Reduzierung der Übertragungsgeschwindigkeit CENELEC Band ist in 4 Teilbänder unterteilt 3 – 95 steht den Energieversorgungsunternehmen zur Verfügung: Max Sendeleistung: 122 dByV – 134 dByV  Datenübertragungsrate von einigen kBits, max Sendeamplitude: 10V 95 – 148,5 steht Kundenanlagen + Gebäudeautomation zur Verfügung: Sendepegel < 116 dByV , Sendamplitude 1,2 V Band C: CSMA als Übertragungsprotokoll  unpraktikabel da Kollisionserkennung in der Stromleitung nur schwer umzusetzen A B C B kHz 3 9 95 125 140 148,5

Geschichte 1920 Energieversorger entdecken die Stromleitungen als Übertragungsweg  TFH 1930 TRT (Tonfrequenz-Rundsteuertechnik) 1998 Auflösen der Monopolstellung der Telekommunikations- und Energiemärkte Ende 1998 erste Feldversuche mit PLC Bis März 2001 CENELEC EN 50065 Ab März 2001 höhere Frequenzen nutzbar Datenraten > 2 Mbits möglich

NB 30 Nutzungsbestimmung 30 zur Frequenzbereichszuordnung „Mit Ausnahme von Frequenzbereichen in denen sicherheitsrelevanten Funkdienste betrieben werden, können in und längs von Leitern Frequenzen für Tk-Anlagen und Tk-Netze im Frequenzbereich von 9 kHz bis 3 GHz freizügig genutzt werden“ Vorraussetzungen hierfür: Störfeldstärke darf im Abstand von 3 Metern zur Tk-Anlage bestimmte Werte nicht überschreiten.

Störfeldstärke bei NB 30 Problem für PLC: PLC im Bereich von 150 kHz bis 20 MHZ  Grenzwerte gering Andeutungen dass viele Firmen (Siemens) deshalb ausgestiegen sind weil sie diese Richtlinien nicht einhalten konnten

PLC Prinzip Der 230 V Netzspannung wird eine Signalspannung höherer Frequenz überlagert Information muss geeignet moduliert werden 2 Bereiche werden unterschieden Mittelspannungstransformator bis Haus Innerhalb von Gebäuden Die Netzfrequenz beträgt 50 Hz Bereich noch genormt  Niederspannungsleitungen Dazwischen muß Sperrfilter damit die beiden Bereiche voneinander getrennt sind, und sich nicht durch Nebensprechen gegenseitig stören 2. Bereich nicht genormt  Unterschiede in der Leitungsverlegung innerhalb von Gebäuden

PLC Prinzip TK Backbone: z.B. Glasfaserkabel Trafostation: Modulation der Daten Werden weitergeleitet in Stromnetz Einige Anbieter setzen Verstärker ein zur Reichweitenerhöhung Adapter: im Bereich des Gebührenzählers, überträgt das modulierte Signal auf einen anderen Frequenzbereich innerhalb des Hauses; ermöglicht auch die Kontrolle der übertragenen Datenmenge Adapter: direkt an der Steckdose (Modem)  demoduliert die Daten so dass sie für USB oder Standartnetzwerkarte zur Verfügung stehen MVV Energia AG verzichtet auf Adapter zur Frequenzänderung  scheint zu funktionieren

Kanalzuteilung (1) MAC (Media Access Control)-Mechanismus FDMA (Fequency Division Multiple Access) Gleichzeitige Übertragung mehrerer Frequenzbänder Zusätzlicher Steuerkanal TDMA (Time Division Multiple Access) Jeder Knoten bekommt feste Anzahl Slots Nachteil: alle Stationen müssen synchronisiert sein Bei Internet über die Stromleitungen konkurrieren die an eine Trafostation angeschlossenen Teilnehmer um einen freien Kanal  Kanalzuteilung erfolgt durch MAC FDMA = Frequenzmultiplexverfahren über den Steuerkanal erfolgt die dynamische Kanalverteilung an die Benutzer TDMA = Zeitmultiplexverfahren feste Anzahl Slots pro Umlauf  können auf die bedürfnisse der Stationen ausgerichtet sein

Kanalzuteilung (2) CDMA (Code Division Multiple Access) Ermöglicht mehreren Benutzern Zugriff auf einen Übertragungskanal 1 Übertragungskanal kann gleichzeitig für mehrere Nutzkanäle eingesetzt werden CDMA = Code Multiplex Verfahren alle Benutzter nutzen den selben Frequenzbereich  Nutzsignal ist für jeden Benutzer unterschiedlich codiert So werden die Daten der Benutzer deutlich von einander unterschieden

Reservierung von Netzkapazität Reservierung per Verbindung Während gesamter Verbindung freihalten fester Kapazität Nur für längere Verbindungen mit kontinuierlichem Datenverkehr geeignet Per-Burst-Reservierung Bleibt nach der Übertragung noch bestehen Geeignet für Datenverkehr Paket-Reservierung Fast vollständige Netzauslastung Um die Übertragungsgeschwindigkeit zu garantieren muss Netzkapazität reserviert werden  Reservierungsprotokolle halten hierzu vor der Übertragung Netzkapazität frei 3 Reservierungsprinzipien 2. Beim Eintreffen eines Datenbursts Bleibt festgelegte Zeit bestehen  wird freigegeben wenn nach dieser Zeit keine weiteren Daten  keine volle Netzauslastung wegen Wartezeiten 3. Kapazität wir hier für einzelne Pakete reserviert

Übertragungsverfahren (1) OFDM = (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) D1(t) D2(t) Bei OFDM werden die zu übertragenden Datenströme auf n parallel laufende Datenströme aufgeteilt (hier n=4)  Die Taktfrequenz der n Datenströme ist um den Faktor n kleiner als die des zu übertragenden Datenstroms D(t) D3(t) D4(t)

Übertragungsverfahren (2) S(f) f1 f2 f3 f4 f Orthogonale Träger Bei den Mittenfrequenzen eines Trägers = Amplitude aller anderen Träger null Durch Orthogonalität ist gewährleistet dass sich bei paralleler Übertragung einzelner Datenströme , die Datenströme nicht gegenseitig beeinflussen Dj(t) und Dk(t) wenn j=1..n und k=1..n und j nicht k D1(t) D2(t) D3(t) D4(t)

Übertragungsverfahren (3) Störung Störungsleitungsdichte, OFDM-Träger Träger Robust gegen verschieden Störungen Bei OFDM ist es möglich einzelne Träger (also einzelne Frequenzen auszublenden und somit schmalbandige Störer unschädlich zu machen) F(MHz) Ausgeblendete Träger

Störungsszenarien (1) Farbiges Hintergrundrauschen Überlagerung vieler Störquellen mit geringer Leistung Höchstwerte nur knapp oberhalb von Netzfrequenz Schmalbandstörer Sinusförmige Dauersignale Leuchtstofflampe, Fernseher, Rundfunksender Je höher die Frequenz desto geringer ist die Leistungsdichte  kaum Beeinträchtigung der Kommunikation Rundfunksender = werden durch die Antennenwirkung der Stromnetze empfangen

Störungsszenarien (2) Period. Impulsstörer (asynchron zur Netzfrequenz) Kurze Spannungsspitzen mit Wdh.-Raten von 50..200 kHz Schaltnetzteile (Monitore, Rechner) Period. Impulsstörer (synchron zur Netzfrequenz) Phasenanschnittssteuerung (Lichtdimmer) Asynchrone Impulsstörungen Schaltvorgänge Je höher die Frequenz desto geringer ist die Leistungsdichte  kaum Beeinträchtigung der Kommunikation Rundfunksender = werden durch die Antennenwirkung der Stromnetze empfangen

Probleme für PLC Geschwindigkeit kann nicht garantiert werden Nutzung wird nach Traffic berechnet und nicht nach Zeit Geringe Verfügbarkeit Zu spät EMV – Elektromagnetische Verträglichkeit An einer Leitung hängen 10 bis mehrere Hundert Teilnehmer: d.h. die maximale Übertagungsrate muß durch die Anzahl Teilnehmer geteilt werden  10 haushalte an einer Station  2 Mbits/s : 10 = 200 kbits/s Wie Rechnungen zeigen (nachher) nicht gerade Vorteilhaft bei Download Wird nicht flächendeckend angeboten  TDSL weit besser verfügbar – vor allem in Großstädten DSL wird schon flächendecken angeboten und ist genauso schnell oder sogar schneller wie PLC PLC Signale über Stromnetz können auf alle anderen Geräte einwirken und umgekehrt

EMV Stromnetz nicht für Powerline gedacht Unabgeschirmte Netzleitung zu Steckdosen  je höher die Frequenzen desto höher die Emission  Elektrosmog Frequenzbereichsüberschneidungen mit Amateurfunk und Rundfunk  2 Richtungen: PLC stört Funk Funkt (wie auch andere Geräte) stören PLC Stromversorgungsnetz = für den Transport elektrischer Energie bei einer Frequenz von 50 Hz optimiert Sie sind nicht abgeschirmt Die Übertragung erfolgt bei PLC über höher frequente Signale. Mit steigender Frequenz verschlechtert sich die Übertragungseigenschaft und die Abstrahlwirkung von elektromagnetischer Strahlung wird größer Gibt es im Abstrahlbereich resonanzfähige Längen kommt es zu Antennenwirkung (durch dir Parasitärstrahler wird auch PLC Signale abgestrahlt) Beeinflussen den Funkempfang besonders von Kurzwelle und Amateurfunk = Anheben des Rauschpegels Funkdienste können auch PLC beeinflussen  Verfügbarkeit eingeschränkt und Übertragungsgeschwindigkeit reduziert Außerdem ist das Stromnetz da es nicht abgeschirmt ist Störanfällig  Effekt: Staubsauger oder Bohrmaschine des Nachbarn im Radio Längliche und flächige Metallgegenstände kommen als Parasitärstrahler in Frage; Parasitärstrahler ist ein Gegenstand der mit dem Sender in Resonanz kommt . Resonanz ist abhängig von der Wellenlänge. PLC ist nun Breitbandig  viele unterschiedliche Frequenzen  viele Gegenstände kommen in Frage Bereich von 1-30Mhz überschneidet sich mit Kurzwelle und Amateurfunk - lang und Kurzwellenübertagungen geben keinen Frequenzbereich frei in dem die Emission toleriert werden könnte

Wo wird PLC verwendet Gebäudeautomatisierung Datentransport über Mittelspannung „Last-Mile“ Zugänge Energieinfodienste Gebäudeautomatisierung Schnelle Digitale Inhous-Netzwerke „Voice over IP“ Probleme  PC besser geeignet für Inhouse-Vernetzung als für Internetzugang Last Mile: Steckdosenmodem = Demodulation von Daten, an Rechner dann mit USB oder normale Netzwerkkarte Home Automation: Kühlschrank, Heizung werden mit Adapter an Stromleitung ins Internet angeschlossen, lassen sich aus der Ferne warten und melden Fehler

PLC heute Internet über PLC Mannheim: mehrere Stadteile vernetzt RWAG: Feldversuch in Herrenberg läuft noch EnBW: Feldversuch in Ellwangen Viel Anbieter bieten Inhouse-Vernetzung an Stromanbieter bieten Dienste an Hierzu noch Beispiel Inhouse Anbieter Beispiel der EnBW: Internetzugang ganz normal mit DSl oder sonstigem und dann im Haus Vernetzung und überall Zugang Inhouse Powerline gute Lösung: keine Kabel ziehen, keine Probleme wegen Mauern wie bei Funk 3. Dienste der Stromanbieter: laufen immer noch Feldversuche mit automatischem Zählerstandablesen

Internet über PLC MVV Energia AG in Mannheim Tarife variieren: 14.90 € + 3,3 Cent pro MByte 24.90 € für 1 GByte + 2,5 Cent pro MByte 84,90 € für 10 GByte + 1,2 Cent pro MByte Anschlussgebühr : 119 € Geschwindigkeit: 180 – 480 kbits/s Geschwindigkeit kann in Lastspitzen auch unter die genannten Werte absinken Flatrate bei der Telekom ist günstiger

Rechenbeispiel (1) Seiten ansehen: Vype: 39 Euro für 1GB freien Download Bei Durchschnitt von 40 kB pro Seite 25 000 Webseiten Tarif mit 1,28 Cent/min Onlinezeit 44,2 Stunden für 25 000 Webseiten 9,5 mal die Minute klicken 6 sec für eine Seite

Rechenbeispiel (2) Download von 1 GByte MP3‘s Verbindungsart Dauer Preis Powerline 1,1 Std. 33,90 56k-Modem 41 Std. 31,55 ISDN-64 KBits/s 34 Std. 25,59 T-DSL flat 2,9 Std. -

Inhouse-Vernetzung Flachbildschirm, PLC Modem, Beamer, abschließbarer Wagen, Aktivlautsprecher , Drucker PC mit DVD Laufwerk

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