Smart-Grid-Kommunikation in ländlichen Regionen

In einem intelligenten Stromnetz – oder Smart Grid – ist ein zuverlässiger Kommunikationsrahmen unerlässlich, damit Daten ausgetauscht werden können, mit denen der Stromverbrauch und die Kosteneffizienz verbessert werden können. In ländlichen Gebieten, in denen eine geringe Bevölkerungsdichte, die Entfernungen und das Gelände den Einsatz anderer Kommunikationsmethoden häufig einschränken, stellen PLC-Lösungen eine praktische Option für die Datenkommunikation dar. Für Entwickler, die Kommunikationslösungen in intelligenten Zählern oder netzgebundenen Energy-Harvesting-Systemen implementieren wollen, können PLC-Designs von Herstellern wie Atmel, Cypress Semiconductor, STMicroelectronics und Texas Instruments attraktiv sein.

In ländlichen Gebieten ist die Stromnetzleitung oder Powerline häufig die beste Möglichkeit, um für eine zuverlässige und kostengünstige Smart-Grid-Kommunikation zu sorgen. In solchen Regionen sind die Nutzer typischerweise geographisch weit verstreut und Alternativen wie eine drahtlose Kommunikation bieten nur eine unzureichende Reichweite, während kabelgebundene oder Mobilfunkverbindungen nicht ohne weiteres verfügbar oder nicht hinreichend zuverlässig sind. Im Gegensatz dazu kann eine Kommunikation über die Stromnetzleitung (PLC) eine kostengünstige und sichere Möglichkeit zum Datenaustausch zwischen dem Energieversorger und den intelligenten Zählern der Verbraucher bieten.

PLC-Design

In einem typischen PLC-Modem stellen ein analoges Frontend (AFE) und ein Prozessor die zentralen Funktionen bereit (Abbildung 1). Während das AFE die analogen Operationen samt Signalübertragung und -empfang übernimmt, ist der Prozessor für den Kommunikationssoftware-Stack zuständig, der mit einem bestimmten PLC-Protokoll einhergeht.

Abbildung 1: Neben Kopplung, Bandpass und Schutzvorrichtung vereinen PLC-Modems ein analoges Frontend (AFE) für Signalübertragung und -empfang sowie einen Mikrocontroller für die Verarbeitung des Kommunikationsstacks. (Mit Genehmigung von Texas Instruments)

Um eine PLC-Lösung zu bauen, können Entwickler eigenständige AFEs wie das AFE030 und AFE031 von Texas Instruments mit externen Mikrocontrollern wie den Piccolo-MCUs C2000 C28x von Texas Instruments kombinieren. Mit dieser Vorgehensweise können Entwickler die Leistung ihres PLC-Modems skalieren, indem sie Mikrocontroller mit höherer Leistung wie die Multicore-MCUs Concerto von Texas Instruments verwenden, die einen C2000 C28x-Kern und einen ARM Cortex-M3 miteinander verbinden. Tatsächlich werden für komplexere Modulationsverfahren wie dem unten erwähnten Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Multicore-Prozessoren mit höherer Leistung benötigt, damit die komplexeren Kommunikationssoftware-Stacks verarbeitet werden können.

Alternativ können Entwickler auch auf eine breite Palette an PLC-Lösungen zurückgreifen, die zunehmend größere Teile des PLC-Kommunikationsstacks auf einem einzigen Chip integrieren. Beispielsweise integriert der CY8CPLC10 von Cypress Semiconductor eine PHY-Schicht und untere Schichten des Netzwerkprotokollstacks, während der CY8CPLC20 noch einen Schritt weiter geht und die Funktionen des CY8CPLC10 mit einem Cypress PSoC-Kern verbindet, um auch komplexere PLC-Stacks ausführen zu können (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Hersteller bieten PLC-Lösungen an, die einen zunehmend höheren Grad an Integration aufweisen. Beispielsweise integriert der CY8CPLC10 von Cypress Semiconductor einen PHY- und Netzwerkprotokollstack; der CY8CPLC20 verbindet die Funktionen des CY8CPLC10 mit einem PSoC-Kern für eine vollständige Stackverarbeitung. (Mit Genehmigung von Cypress Semiconductor)

Frequenzbänder

PLC-Betriebsfrequenzen sind durch regionale Vorgaben auf bestimmte Bänder beschränkt. In Nordamerika und Kanada arbeitet PLC in dem von der FCC (Federal Communications Commission) in Abschnitt 15 vorgegebenen Frequenzband von 10 kHz bis 490 kHz. In Asien und Japan wiederum arbeitet es in dem Frequenzband von 10 kHz bis 450 kHz, das von der ARIB (Association of Radio Industries & Businesses) vorgegeben wurde. In Europa definiert das Europäische Komitee für elektrotechnische Normung (Cenelec) in seiner Norm EN50065 einen Niederfrequenzbandbereich mit A-Band (3 kHz bis 95 kHz) und B-Band (95 kHz bis 125 kHz) für die PLC-Kommunikation sowie mit C-Band (125 kHz bis 140 kHz) und D-Band (140 kHz bis 148.5 kHz) für dazugehörige Anwendungen. In China gibt das EPRI (Electric Power Research Institute) ein Band von 3 kHz bis 500 kHz vor.

Mit eigenständigen AFEs oder integrierten PLC-Elementen nun unterstützten die Hersteller bestimmte Frequenzbänder und Modulationsverfahren mit ihren verschiedenen Gerätefamilien. Beispielsweise unterstützen das AFE030 und AFE031 von TI die Bänder A, B, C, D gemäß der CENELEC-Norm EN50065, während CY8CPLC10 und CY8CPLC20 von Cypress für die Anforderungen der CENELEC-Norm EN50065 und des Abschnitts 15 der FCC ausgelegt sind. Auch die Reihe von PLC-Komponenten von STMicroelectronics unterstützt bestimmte regionale Frequenzbänder: Der ST7538Q und ST7540 von STMicroelectronics beispielsweise sind auf die Cenelec-Norm EN50065 ausgelegt, während der ST7580 von ST die Vorgaben von ARIB, der Cenelec-Norm EN50065 und von Abschnitt 15 der FCC unterstützt.

Powerline und Störsignale

Innerhalb der zugewiesenen Frequenzbänder müssen sich PLC-Systeme in einem äußerst störungsintensiven elektrischen Umfeld behaupten. So werden Powerlines mit sich konstant ändernden Störquellen bombardiert, darunter Impulsrauschen, Störsignale von Motoren und Oberschwingungen von Netzteilen und anderen Quellen, wenn Verbraucher verschiedene Geräte, Instrumente und Anlagen ein- und ausschalten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Niederspannungs-Powerlines sind voll mit Störquellen, die sich mit dem Verbraucherverhalten ändern und durch Impulsrauschen (A) und Breitbandrauschen gekennzeichnet sind. Dies gilt selbst für kleine Haushaltsgeräte wie ein Aufladegerät für elektrische Zahnbürsten (B). (A mit Genehmigung von:) Texas Instruments; B: Echelon Corporation)

Die Störsignale im Zusammenhang mit einer Powerline sind stark variabel: So kann ein bestimmtes Band für eine gewisse Zeitdauer einen deutlichen Kommunikationskanal bieten, nur um später von schwankenden Störsignalen überschwemmt zu werden, die von Quellen im Haushalt, Büro oder Betrieb des Nutzers ausgehen. Deshalb müssen PLC-Empfänger häufig die Signale von Quellen extrahieren, die äußerst ungünstige Signal-Rausch-Merkmale aufweisen.

Erhältliche PLC-Elemente wie der ST7538Q, ST7540 und ST7580 von ST bieten das sogenannte Binary Frequency-Shift Keying (B-FSK), das Immunität gegenüber Amplitudenschwankungen und bandnahen Störungen gewährleistet. Doch auch wenn FKS-Modulationsverfahren eine gute Lösung bei schlechten Signal-Rausch-Umgebungen darstellen, macht das die meisten Powerlines betreffende Breitbandrauschen robustere Kommunikationsverfahren erforderlich.

Störunempfindliche Modulation

Um die Auswirkungen von stark variierenden Störquellen innerhalb der Powerline auf die PLC-Signalübertragung zu mindern, bieten PLC-Transceiver wie der ST7570 von STMicroelectronics die sogenannte Spread-Frequency Shift Keying (S-FSK)-Modulation an, die in der Norm für die Verwendung von PLC in Verbrauchszählern aufgeführt wird, Norm IEC 61334. Bei noch anspruchsvolleren Anwendungen können Entwickler auch auf die OFDM-Unterstützung in PLC-Elementen zurückgreifen, wie den ST7590 von ST und AFE030/31 von TI. Dank seiner vielen Kanäle eignet sich OFDM besonders gut für einen Einsatz in störungsintensiven Anwendungen wie der Powerline-Kommunikation.

Zwei führende PLC-Standards – PRIME (Power Line Intelligent Metering Evolution) und G3 – setzen auf OFDM, um eine bessere Kommunikation über störungsintensive Powerlines zu gewährleisten. So sieht der Standard G3 eine adaptive Methode vor, mit der entsprechende PLC-Elemente die Kommunikation in Unterbändern mit starken Störsignalen ausgeschalten können. Dank seiner robusten Leistung in störungsintensiven Umgebungen eignet sich der Standard nicht nur für Niederspannungsleitungen, die Strom zu Verbrauchern bringen, sondern ermöglicht auch die Kommunikation zwischen Transformatoren und Datenkonzentratoren, die sich typischerweise auf den Mittelspannungsleitungen befinden, welche die Transformatoren mit den Unterstationen der Energieversorger verbinden.

Wegen der Komplexität dieser Protokolle benötigen entsprechende PLC-Modems auch komplexere PLC-Elemente. Beispielsweise unterstützt der PLC-IC des AFE031 von TI zwar die Standards PRIME und G3, aber für den dazugehörigen Prozessor zur Ausführung der jeweiligen Kommunikationssoftware-Stacks empfiehlt TI die Verwendung von Hochleistungs-Mikrocontrollern wie die aus seiner Concerto-Reihe mit zwei Kernen.

Unter den verfügbaren integrierten PLC-Elementen befinden sich der ATPL230A und ATPL250A von Atmel, PLC-Modem-ICs, die PRIME bzw. G3 entsprechen. Beide Komponenten sind für eine Arbeit mit Hochleistungs-Mikrocontrollern wie denen der SAM4C-Reihe von Atmel ausgelegt. Für Entwickler auf der Suche nach einer Lösung mit einem einzigen Chip bietet sich der SAM4CP16B von Atmel an, ein PLC-Mikrocontroller mit Dual-Core-ARM Cortex-M4, der ebenfalls sowohl PRIME als auch G3 in einem einzigen IC unterstützt, der PHY und den von Atmel bereitgestellten PLC-Kommunikationsstack integriert (Abbildung 4).

Abbildung 4: Bei PLC-Designs nach PRIME und G3 können Entwickler auf ein Dual-Chip-Set zurückgreifen, das aus dem PLC-Gerät ATPL2x und dem Mikrocontroller SAM4C MCU von Atmel besteht, oder auf den SAM4CP16B – eine Ein-Chip-Lösung, welche die gleichen Funktionen wie das Dual-Chip-Set bietet. (Mit Genehmigung von Atmel)

Entwicklungskits

Um angesichts der Komplexität von PLC-Designs einen besseren Durchblick zu bekommen, können Entwickler eine Reihe von Entwicklungskits verwenden, die zentrale PLC-ICs, einen Prozessor und Software umfassen. So bietet das Entwicklungskit CY3274 von The Cypress Semiconductor Corp einen schnellen Einstieg für Entwickler, die das integrierte PLC-Element CY8CPLC20 von Cypress einsetzen wollen (siehe Abbildung 2).

Das Entwicklungskit STEVAL-IPP004V1 von STMicroelectronics bietet ein vollständiges PRIME-kompatibles Modul, das um das PLC-Element ST7590 sowie den Mikrocontroller STM32F103 von ST aufgebaut ist, ein Vertreter der leistungsstarken Mikrocontroller-Familie STM32 F1 mit ARM Cortex-M.

Schließlich kombiniert das Entwicklungskit für Powerline-Modems TMDSPLCKIT-V3 C2000 von TI das AFE031 und den Piccolo-MCU TMS320F28069 C28x mit einer PLC-Softwaresuite, die S-FSK und OFDM für die Entwicklung von PLC-Lösungen gemäß PRIME oder G3 unterstützt.

Fazit

In ländlichen Gebieten kann PLC eine effektive Lösung für den Anschluss von intelligenten Zählern, Haushaltsgeräten und Anlagen an das intelligente Stromnetz darstellen. Für PLC-Entwickler jedoch kann die Kombination aus regulatorischen Beschränkungen, internationalen Standards und Powerline-Merkmalen erhebliche Herausforderungen bedeuten. Mit der Nutzung der verfügbaren PLC-ICs und entsprechenden Mikrocontroller können Entwickler jetzt aber einfacher robuste PLC-Lösungen implementieren, die auf Niederspannungsleitungen sowie über Transformatoren mit Verbindung zu Mittelspannungsnetzen funktionieren.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der DigiKey-Website.