Breitband-Powerline für den Rollout

Ein typisches Ortsnetz im Versorgungsgebiet der ENSO NETZ – hier muss sich die Datenkommunikation in Zukunft bewähren. Foto: ENSO NETZ GmbH

Ein Systemvergleich der ENSO NETZ zeigt signifikante Unterschiede zwischen den Technologien.

Ein typisches Ortsnetz im Versorgungsgebiet der ENSO NETZ – hier muss sich die Datenkommunikation in Zukunft bewähren. Foto: ENSO NETZ GmbH

Mit einem umfangreichen Labor- und Feldtest untersuchte und bewertete die ENSO NETZ GmbH zusammen mit der Technischen Universität (TU) Dresden zwei Breitband-Powerline-Systeme für den Smart-Grid-Einsatz. Untersucht wurde die Leistungsfähigkeit von Breitband-Powerline (BPL)-Systemen, die auf dem IEEE 1901 BPL Access-Standard (IEEE 1901 Chip) und auf der Industrie-Spezifikation UPA Universal-Powerline-Association (DS2 Chip) basieren. Die Evaluation ergab, dass von den getesteten Systemen nur die IEEE-1901- basierte Lösung alle Anforderungen für den Rollout intelligenter Messsysteme (iMSys) erfüllt.

Test für die Praxis

In Anbetracht des bevorstehenden iMSys-Rollouts wollte ENSO NETZ alle Einflussfaktoren auf die Leistung von verschiedenen BPL-Systemen in der Praxis evaluieren, die im Labor nicht abgebildet werden können. Diese Faktoren sind beispielsweise elektromagnetische Komponenten (wie etwa Wechselrichter), das eingesetzte Anschlussmaterial (zum Beispiel NS-Steckverbindungen an elektrischen Leitungen), die Art des Stromnetzes (Freileitung oder unterirdische Kabel), die Anzahl der abgehenden Leitungen vom Trafo, die Länge der Stromleitung zwischen den BPL-Knoten sowie die Anzahl der BPL-Knoten, die parallele Datenkommunikation erfordern.

Hierfür wurden die BPL-Systeme zweier Hersteller im Labor sowie unter realen Bedingungen im ENSO-Netzgebiet installiert und getestet. Besonderer Fokus wurde auf die Vergleichbarkeit der Messergebnisse gelegt. Aus diesem Grund wurden beide Technologien nacheinander im selben Niederspannungsnetz mit exakt identischen Einbauorten der Modemtechnik installiert und betrieben.

Zur Vergleichsmessung wurde das „tmaTool“ eingesetzt, das von Prof. Dr. Ralf Lehnert der TU Dresden zusammen mit seinem Team entwickelt wurde. Mit dem Tool kann die Leistungsfähigkeit der Systeme (Durchsatz, Latenz etc.) gemessen werden. Außerdem können unterschiedliche Kommunikationsprofile und Anwendungsszenarien simuliert werden. Da zur Zeit der Untersuchung noch keine zertifizierten Smart Meter Gateways auf dem Markt erhältlich waren, wurde durch das Team der TU Dresden und der ENSO NETZ zusätzlich ein Traffic-Generator (TG) entwickelt, der den Smart Grid-Datenverkehr unter Verwendung definierter Kommunikationsprofile simuliert.

Im Labor wurde zunächst die maximale Leistungsfähigkeit der Systeme ermittelt. Hierbei wurden sowohl die Datenübertragungsraten der Systeme bei einer einzigen Anwendung, wie auch bei mehreren parallelen Anwendungen verglichen. Die Messungen ergaben für beide Systeme eine stabile Leistung. Beide BPL-Systeme teilen die verfügbare Bandbreite unter den parallelen Anwendungen fair auf, der gemessene Unterschied der Datenraten lag bei unter zehn Prozent.

IEEE 1901-System funktioniert auf Anhieb

Im anschließenden Feldtest kam ebenfalls der Traffic Generator zum Einsatz. Als Testgebiet wurde ein typisches Niederspannungsnetz im ENSO-Netzgebiet gewählt, das als TN-C-System betrieben wird. In dem ländlichen Gebiet befindet sich ein Freileitungsnetz mit einer Trafostation, von der vier Abgänge ausgehen. Die Entfernung zwischen zwei benachbarten Installationsorten beträgt minimal ca. 40 und maximal ca. 170 Meter.

Die BPL-Systeme wurden nacheinander an denselben Zählereinbauorten im Testgebiet installiert und getestet. Die Installation des IEEE-1901-Systems gestaltete sich dabei recht unkompliziert. Das System funktionierte „out of the box“ und alle Knoten waren mit ausreichender Signalqualität erreichbar. Eine zusätzliche Installation von BPL-Repeatern war folglich nicht notwendig.

Netzwerktopologie und Messaufbau. Foto: Norbert Graf, ENSO NETZ GmbH

Anders sah es bei dem UPA-System aus: Der Verbindungstest zeigte, dass fünf der 21 BPL-Slave-Modems nicht mit ausreichender Signalqualität erreichbar waren, das entspricht circa 24 Prozent. Nachträgliche Optimierungsmaßnahmen konnten die Situation nur leicht verbessern. Infolgedessen wurden drei zusätzliche Repeater an verschiedenen Strommasten im Niederspannungsnetz installiert. Doch selbst diese Maßnahme führte nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis. Am Ende der Netzwerkoptimierung waren dann zwar alle 21 Slaves erreichbar, vier davon allerdings nur mit einer niedrigen Signalqualität und sporadischen Verbindungsabbrüchen.

Signifikante Unterschiede zwischen den BPL-Technologien

Die Messungen ergaben signifikante Leistungsunterschiede zwischen den beiden BPL-Systemen. Mit einer Paketumlaufzeit (Round Trip Time) von 7-35 Millisekunden wies das IEEE-1901-System eine schnellere Datenübertragung auf, als das UPA-System mit 40-380 Millisekunden. Außerdem lieferte das IEEE-1901-System eine höhere Datenrate: Die Summe der Datenraten aller TCP-Verbindungen lag bei 9,67 Mbit/s, bei dem UPA-System hingegen nur bei 2,87 Mbit/s. Als Begründung wurde vom Anbieter des UPA-basierten Modems eine mangelhafte Implementierung des Protokoll-Stacks seitens des Chip-Herstellers genannt.

Die Auswertung der Untersuchungen hat gezeigt, dass es erhebliche Unterschiede bei der Installation sowie bei der Netzwerkleistung der verglichenen BPL-Systeme gibt. Es lässt sich schlussfolgern, dass die IEEE-1901-Technologie die bestehenden Kommunikationsanforderungen der iMSys erfüllt und einen problemlosen Rollout ermöglicht. Die getestete UPA-Technologie erfüllt diese Anforderungen hingegen noch nicht. Die Ergebnisse der Tests wurden Anfang November vergangenen Jahres in dem Paper „Validating Broadband PLC for Smart Grid Applications with Field Trials“ für die IEEE International Conference on Smart Grid Communications 2017 in Dresden veröffentlicht.

Kontakt: ENSO NETZ GmbH, Norbert Graf, 01067 Dresden, Tel. +49 351 3200-0, norbert.graf@enso.de

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