[Zusammenfassung] Niederspannungsverteilungsnetze sind Energieübertragungsnetze mit zahlreichen Nutzern, einer weiten Verteilung und sind für die Nutzer unerlässlich. Sie werden zunehmend auch als Hochgeschwindigkeits-Digitalkommunikationsnetze anerkannt, die zukünftig problemlos eingesetzt werden können. Niederspannungsverteilungsnetze gelten als ideale Lösung für den Internetzugang auf der „letzten Meile“ in naher Zukunft. Dieser Artikel erläutert die inhärenten Eigenschaften, technischen Klassifizierungen und Übersichten, praktischen Anwendungen und den Entwicklungsstand von Niederspannungsverteilungsnetzen als Datennetze und diskutiert die Entwicklung der Powerline-Carrier-Kommunikation (PLC) in Niederspannungsverteilungsnetzen. Einleitung: In den letzten Jahren hat sich die Powerline-Carrier-Kommunikation (PLC) zu einem neuen Forschungsschwerpunkt in Kommunikationssystemen entwickelt und gilt als wichtige zukünftige Buskommunikationstechnologie für Feldgeräte. Als vielversprechendes Kommunikationsverfahren steht die Powerline-Carrier-Kommunikation aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften wie Zeitvariabilität und Frequenzselektivität jedoch in der praktischen Anwendung noch vor einigen Herausforderungen. Merkmale der Powerline-Carrier-Kommunikation 1. Überblick über die Powerline-Carrier-Kommunikationstechnologie Die Powerline-Carrier-Kommunikation (PLC) bezeichnet die Technologie, bei der ein spezielles Modem zur Modulation von Signalen verwendet und diese Signale anschließend zur Kommunikation über bestehende Stromleitungen übertragen werden. Bereits in den 1920er Jahren wurde die Powerline-Carrier-Kommunikation in 10-kV-Verteilungsnetzen eingesetzt. Mithilfe von Powerline-Carrier-Einheiten und Wellenfallen wurden Sprache, Steuerbefehle und Systemstatusinformationen in Mittel- und Hochspannungsverteilungsnetzen übertragen, was zur Entwicklung entsprechender internationaler und nationaler Standards führte. Für Niederspannungsverteilungsnetze haben zahlreiche neue digitale Technologien, wie z. B. Spread-Spectrum-Kommunikation, digitale Signalverarbeitung und Computersteuerung, die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Powerline-Carrier-Kommunikation deutlich verbessert und sie damit zu einer attraktiveren Anwendungsmöglichkeit gemacht. Aus diesem Grund hat die US-amerikanische Federal Communications Commission (FCC) eine Bandbreite von 100–450 kHz für Stromleitungen festgelegt; die Europäische Elektrotechnische Kommission (CENELEC) hat in EN 50065-1 eine Bandbreite von 3–148,5 kHz für Powerline-Carrier spezifiziert. Die Etablierung dieser Standards hat wesentlich zur Entwicklung der Powerline-Carrier-Technologie beigetragen. Dennoch sind viele Probleme in der Powerline-Carrier-Kommunikation in Niederspannungsnetzen weiterhin ungelöst. Mit der zunehmenden Verbreitung und dem Ausbau von Powerline-Carrier-Anwendungen sind zudem eine Reihe von Problemen aufgetreten, darunter Kosten-, Protokoll- (Standard-) und Sicherheitsfragen. Die praktische Anwendung der Powerline-Carrier-Kommunikation in Niederspannungsnetzen steht daher noch vor zahlreichen Herausforderungen. 2. Merkmale der Powerline-Carrier-Kommunikation: In Niederspannungsnetzen weist die Powerline-Carrier-Kommunikation im Allgemeinen folgende Merkmale auf: (1) Zeitliche Variabilität des Kommunikationskanals: Niederspannungsleitungen sind ungleichmäßig verteilte Übertragungsleitungen. Verschiedene Arten von Lasten werden an beliebigen Stellen im Niederspannungsnetz zufällig angeschlossen und getrennt, wodurch der Kanal stark zeitliche Variabilität aufweist. (2) Frequenzselektivität des Kommunikationskanals: Aufgrund der sehr komplexen Lastbedingungen, der großen Lastschwankungen und der vielfältigen und starken Störungen in Niederspannungsverteilungsnetzen kommt es zu Fehlanpassungen der Impedanzen an den einzelnen Knotenpunkten. Das Signal ist anfällig für Reflexionen, stehende Wellen, Resonanz und andere Phänomene, was die Signaldämpfung extrem komplex macht und somit eine hohe Frequenzselektivität des Trägerfrequenz-Kommunikationskanals zur Folge hat. (3) Starke Störungen und hohe Signaldämpfung: Im Allgemeinen lassen sich die Störungen, die die Stromkommunikation beeinträchtigen, in drei Haupttypen unterteilen: Hintergrundrauschen, periodisches Rauschen und plötzliches Rauschen. Hintergrundrauschen ist in der Regel über das gesamte Kommunikationsfrequenzband verteilt; periodisches Rauschen umfasst kontinuierliche und pulsartige Störungen; plötzliches Rauschen entsteht üblicherweise durch das Anschließen oder Trennen elektrischer Geräte. Studien haben gezeigt, dass pulsartige Störungen die Qualität der Niederspannungs-Trägerfrequenz-Kommunikation am stärksten beeinträchtigen, mit einer Signaldämpfung von bis zu 40 dB. Genau aufgrund dieser Eigenschaften steht die Trägerfrequenz-Kommunikation in der Praxis immer wieder vor Herausforderungen hinsichtlich Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Arten und neue Technologien der Powerline-Carrier-Kommunikation 1. Arten der Powerline-Carrier-Kommunikation Hinsichtlich der Bandbreite wird die Powerline-Carrier-Kommunikation in Breitband- und Schmalband-Powerline-Carrier-Kommunikation unterteilt. Breitband-Powerline-Kommunikation (BPL) bezeichnet eine Powerline-Carrier-Kommunikationstechnologie mit einer Bandbreite von 2–30 MHz und einer typischen Datenrate von über 1 Mbit/s. Sie nutzt häufig verschiedene Spreizspektrum-Kommunikationstechnologien und ist eine der Schlüsseltechnologien, die derzeit für die Konvergenz von vier Netzen (Breitband-Datennetz, Telefonnetz, Kabelfernsehnetz und Niederspannungsverteilungsnetz) erforscht werden. Schmalband-Powerline-Carrier-Kommunikation bezeichnet eine Powerline-Carrier-Kommunikationstechnologie mit einer Bandbreite von 3–500 kHz und einer Datenrate von unter 1 Mbit/s. Sie nutzt häufig gängige PSK-, DSSS- und LFM-Chirp-Verfahren. Aus technologischer Entwicklungssicht lässt sich die Powerline-Carrier-Kommunikation in die traditionelle Bandpass-Übertragungstechnologie und die aktuell weit verbreitete Spreizspektrum-Kommunikation (SSC) unterteilen. Die Bandpassübertragung nutzt Trägermodulation, um das Spektrum des informationstragenden digitalen Signals auf eine höhere Trägerfrequenz zu verschieben. Zu den grundlegenden Modulationsverfahren gehören Amplitudenmodulation (ASK), Frequenzmodulation (PSK), Phasenmodulation (PSK) und verwandte abgeleitete Modulationsverfahren. Die größte Schwäche der traditionellen Trägerkommunikation ist ihre begrenzte Rauschunterdrückung. Die Spreizspektrumübertragung ist ein Informationsübertragungsverfahren, bei dem die vom Signal belegte Bandbreite deutlich größer ist als die für die zu übertragenden Informationen erforderliche Mindestbandbreite. Die Bandbreitenerweiterung wird durch Codierungs- und Modulationsverfahren erreicht und ist unabhängig von den zu übertragenden Daten. Am Empfänger wird derselbe Spreizcode zur Korrelationsdemodulation verwendet, um die übertragenen Daten zu entspreizen und wiederherzustellen. Gängige Spreizspektrumtechnologien in der Powerline-Trägerkommunikation sind derzeit Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), Chirp und Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Darüber hinaus werden auch Frequenzsprungverfahren (FH), Zeitsprungverfahren (TH) und Kombinationen der genannten Verfahren in der Spreizspektrumtechnologie häufig eingesetzt. 2 Neue Technologien für die Powerline-Trägerkommunikation Um eine zuverlässige Powerline-Trägerkommunikation in Niederspannungsverteilungsnetzen zu realisieren, sind zahlreiche neue Technologien erforderlich. Im Folgenden werden nur einige wenige, vom Autor als wichtig erachtete Technologien aufgeführt: 2.1 Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) ist eine hocheffiziente, breitbandige digitale Modulationstechnologie mit mehreren Trägern, die in der Powerline-Trägerkommunikationsbranche weit verbreitet ist. Es verwendet einen Satz zueinander orthogonaler Subträger, um einen Kanal zur Übertragung von Datenströmen zu bilden. Diese Träger sind frequenzmäßig gleichmäßig verteilt, wobei der Trägerabstand im Allgemeinen dem Kehrwert der Symbolperiode entspricht. OFDM nutzt parallele Modulationstechnologie, lange Symbolperioden sowie FET/IFFF-Modulations- und Demodulationstechnologie und bietet dadurch eine Reihe von Vorteilen wie hohe Bandbreitennutzung, starke ISI-Störfestigkeit, gute Widerstandsfähigkeit gegen Kanalschwund, hohe Störfestigkeit und einfache Implementierung. Da OFDM die Subträger dynamisch auswählt, kann es die Auswirkungen von Schmalbandstörungen und Frequenztälern reduzieren. Selbst bei starken Störungen im Stromverteilungsnetz bietet OFDM eine hohe Bandbreite und gewährleistet eine effiziente Bandbreitenübertragung. Durch geeignete Fehlerkorrekturverfahren wird eine zuverlässige Datenübertragung sichergestellt [2]. OFDM ist derzeit die bevorzugte Technologie für die Breitbandkommunikation über Stromleitungen. Frequenzsprungverfahren (Function Hopping OFDM) sind ein weiteres Verfahren des IEEE-802.15.3a-Standards für drahtlose Kommunikation. Obwohl OFDM viele Vorteile bietet, weist es auch einige Nachteile auf: ① Es reagiert relativ empfindlich auf Frequenzversatz und Phasenrauschen. Ein Frequenzversatz von 1 % reduziert das Signal-Rausch-Verhältnis um 30 dB. ② Das Verhältnis von Spitzenleistung zu mittlerer Leistung (PAPR) ist hoch, was die Effizienz der Treiberverstärkerschaltung verringert. ③ Die Empfängerstruktur ist komplex und kostspielig und reagiert empfindlich auf kurzzeitige Störungen. Zudem gibt es keine Sicherheitsmaßnahmen für die Kommunikation über Stromleitungen. 2.2 Frequenzsprungverfahren (PH) Frequenzsprungverfahren (FH) ist das am häufigsten verwendete Spreizspektrumverfahren in der drahtlosen Kommunikation. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass sich die Trägerfrequenz des zwischen Sender und Empfänger übertragenen Signals diskret nach einer vorgegebenen Regel (einer Menge von Pseudozufallscodes PN, Pseudorauschen) ändert. Die in der Kommunikation verwendete Trägerfrequenz springt unter der Kontrolle der Pseudozufallscodes zufällig. Aus Sicht der Kommunikationstechnik ist Frequenzsprungverfahren ein Kommunikationsverfahren, das Codesequenzen für die Frequenzumtastung mit mehreren Frequenzen nutzt. Im Zeitbereich ist das Frequenzsprungsignal ein solches Signal; im Frequenzbereich springt es in ungleichen Abständen über ein breites Frequenzband. Daher ist die Frequenzsprungkommunikation nach wie vor ein konventionelles Modulationsverfahren mit einer bestimmten Frequenz. Frequenzsprungsysteme werden üblicherweise je nach Frequenzänderungsgeschwindigkeit in schnelles und langsames Frequenzsprungverfahren unterteilt. Die Technologie des schnellen Frequenzsprungs findet derzeit breite Anwendung im militärischen Bereich. Mit der Intensivierung der elektronischen Kriegsführung hat sich das adaptive Frequenzsprungverfahren, basierend auf schnellem Frequenzsprung, etabliert, um die Abhör- und Störfestigkeit weiter zu verbessern. Langsames Frequenzsprungverfahren wird hauptsächlich im zivilen Bereich eingesetzt. Frequenzsprungverfahren eignen sich besonders für die Trägerkommunikation über Stromleitungen: 1. Sie sind geeignet für die störungsanfällige Umgebung von Stromleitungen. Niederspannungsnetze sind anfällig für starkes Rauschen und Interferenzen, die sich nicht über alle Frequenzbänder verteilen, wodurch die verfügbaren Kanäle variieren. Die Frequenzsprungtechnologie kann diesem Bedarf effektiv begegnen. 2. Sie passt sich der selektiven Dämpfung von Niederspannungsnetzen an. Niederspannungsnetze weisen komplexe und zeitlich veränderliche Lasten auf, wodurch es unmöglich ist, verschiedene Interferenzen und Kanaleigenschaften langfristig vorherzusagen. Frequenzsprungsysteme können jedoch die Trägerfrequenzen automatisch gemäß einem voreingestellten Frequenzsprungmuster umschalten, um Störquellen zu vermeiden. Darüber hinaus können sie basierend auf Kanalschätzungsergebnissen adaptiv geeignete Kanäle durch Frequenzsprungverfahren auswählen, um eine zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten. Im Vergleich zu Kommunikationssystemen wie FSK, OFDM und Chirp bieten Frequenzsprungverfahren folgende Vorteile: ① Herkömmliche Frequenzsprungverfahren erfordern lediglich das Hinzufügen von Trägerfrequenzsprüngen zum herkömmlichen Modulationsverfahren, wodurch die Ausrüstung relativ einfach ist. ② Frequenzsprungverfahren weisen eine hohe Störfestigkeit auf und unterdrücken Frequenzdämpfung. ③ Sie ermöglichen Mehrfachzugriffe ohne ICI- oder ISI-Interferenzen. ④ Die Spreizcode-Sprungrate der Frequenzsprungsequenz ist niedrig und einfach zu implementieren. Die Anwendung der Frequenzsprungtechnologie in der Trägerkommunikation von Niederspannungsverteilungsnetzen ist nicht nur ein neuer technologischer Wachstumstreiber, sondern spielt auch eine unverzichtbare Rolle im heutigen, zunehmend wichtigen Umfeld der Netzwerksicherheit. 2.3 Chaos Chaos lässt sich vielfältig definieren, sein wesentliches Merkmal liegt jedoch in der Beschreibung der stark nichtlinearen Natur von Dingen, die „sehr empfindlich auf Anfangsbedingungen reagieren (Schmetterlingseffekt)“ und damit das Prinzip offenbaren, dass „Ordnung im scheinbar Ungeordneten verborgen ist“. Da beliebig kleine Unterschiede zwischen Anfangswerten während der Iteration exponentiell verstärkt werden, weisen chaotische Sequenzen eine hohe Leistungsfähigkeit beim Mehrfachzugriff auf. Gleichzeitig zeigt das Langzeitverhalten von Chaos eine signifikante Zufälligkeit und Unvorhersagbarkeit, was einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Leistung von Frequenzsprungverfahren bietet. Aufgrund der hohen Sensitivität chaotischer Systeme gegenüber Anfangsbedingungen und chaotischen Parametern sowie ihrer Fähigkeit, eine große Anzahl unkorrelierter, quasi-zufälliger, aber deterministischer und reproduzierbarer nicht-periodischer Signale zu erzeugen, eignen sich chaotische Systeme sehr gut als Pseudozufallscodesequenzen für störungsfreie und sichere Kommunikation. Darüber hinaus verbessert die chaotische Synchronisation die Kommunikationssicherheit erheblich. Aktuell sind chaotische Sequenzen ein Forschungsschwerpunkt im Bereich der sicheren Kommunikation. 2.4 Netzwerk-Selbstorganisation und -Rekonfiguration Da sich die physikalische Netzwerktopologie von Niederspannungsverteilungsnetzen häufig ändert und die logische Topologie mit der Kanalqualität variiert, weist die Powerline-Carrier-Kommunikation beim Aufbau eines Mehrpunktnetzes ähnliche Eigenschaften wie die drahtlose Mobilkommunikation auf. Ad-hoc-Netzwerke (AD-hoc) sind drahtlose Multi-Hop-Netzwerke, die autonom ohne feste Router funktionieren. In drahtlosen Ad-hoc-Netzwerken fungiert jeder Knoten sowohl als Host als auch als Router. Der Einsatz von Netzwerk-Selbstorganisations- und Rekonfigurationstechnologie (NSORT) in der Powerline-Carrier-Kommunikation (PLC) von Niederspannungsverteilungsnetzen bietet daher folgende Vorteile: ① Automatische Erkennung kommunikativer logischer Knoten basierend auf Änderungen der PLC-Kanalqualität, dynamische Anpassung der Routing-Konfigurationen und Aufrechterhaltung zuverlässiger Verbindungen auf der Sicherungsschicht. ② Automatische Erkennung des optimalen Relaisknotens, dynamische Konfiguration der Relaisinformationen und automatische Erkennung der Knotenaktivierung oder -deaktivierung. Diese NSORT-Technologie ermöglicht somit zuverlässige Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikation in Niederspannungsverteilungsnetzen. Allerdings stellt diese Technologie hohe Anforderungen an die zugrundeliegende Hardwareplattform. Fazit: Die Powerline-Carrier-Kommunikation (PLC) bietet zweifellos attraktive Entwicklungsperspektiven. Aufgrund der Eigenschaften von Niederspannungsverteilungsnetzen treten jedoch bei der großflächigen Anwendung von PLC weiterhin zahlreiche Probleme auf. Die Ansichten des Autors beziehen sich ausschließlich auf die folgenden Punkte: (1) Störungsunterdrückung und Gegenmaßnahmen: Obwohl OFDM eine hocheffiziente Modulationstechnologie ist, die in der Powerline-Carrier-Kommunikation weit verbreitet ist, stößt die alleinige Nutzung von OFDM bei begrenzter Bandbreite der Stromleitung an ihre Grenzen. Daher verbessert die Kombination von OFDM und Frequenzsprungverfahren einerseits die Zuverlässigkeit der Powerline-Carrier-Kommunikation; andererseits kann die Chaostheorie zur Verbesserung der Störfestigkeit im offenen Niederspannungsverteilungsnetz herangezogen werden. (2) Routing-Probleme und Gegenmaßnahmen: Das physikalische Netzwerk der Powerline-Carrier-Kommunikation besteht aus dem Niederspannungsverteilungsnetz und der aktuellen Leitungslast. Das physikalische Netzwerk und die Kanaleigenschaften sind dynamisch. Diese Besonderheit erschwert die Vernetzung. Zur Lösung dieses Problems gibt es zwei Methoden: Erstens die manuelle Konfiguration von Relay-Routing-Informationen lokal/remote über einen zentralen Carrier-Kommunikationsknoten basierend auf Praxiserfahrung und Feldtests, um eine zuverlässige Kommunikation der Powerline-Carrier-Knoten innerhalb einer bestimmten Reichweite zu gewährleisten; Die zweite Methode besteht darin, die Energieübertragung über einen zentralen Übertragungsknoten automatisch herzustellen, basierend auf der Graphentheorie und geleitet von der Ad-hoc-Theorie.