Flexibilität gewährleisten
Protokollauswahl für die Powerline-Kommunikation
Smart Meter werden bereits in einigen europäischen Staaten eingesetzt, und in der gesamten EU laufen zahlreiche Versuche. Anbieter müssen rasch Lösungen auf den Markt bringen können, dabei jedoch die Flexibilität gewährleisten, sich an alternative Standards anzupassen, wenn immer mehr Staaten ihre Beratungen abschließen und sich an die Umsetzung machen. Eine Anzahl von Wahlmöglichkeiten steht den Entwicklern zur Verfügung, darunter programmierbare SoCs, die Firmware-Implementierungen verschiedener Protokolle bieten
Durch das »intelligente« Stromnetz (Smart Grid) könnten bis zum Jahre 2020 die Kohlenstoffemissionen um bis zu 15 Prozent und die Energiekosten in den europäischen Haushalten um zehn Prozent sinken. Um dieses Ziel zu erreichen, verpflichtet die EU alle Mitgliedsstaaten, dass in 80 Prozent der Anwesen »intelligente« Verbrauchszähler (Smart Meter) installiert sein müssen.
Dieses gewaltige Unterfangen soll Endverbraucher ermutigen, Energie effizienter zu nutzen, und gleichzeitig die Kosten für die Energieversorger (EVU) verringern, indem sie die manuelle Zähler-ablesung reduzieren. Wie bei jedem Großprojekt gibt es zahlreiche Fragen zum Wie. Viele davon drehen sich um die Kommunikation zwischen den EVUs und ihren installierten Zählern. Darüber hinaus erhebt sich die Frage, wie sich »intelligente« Zähler in Haushaltsnetzwerke einfügen, die andere »intelligente«, vernetzte Geräte enthalten, beispielsweise Haushalts- und Multimedia-Geräte sowie Ladestationen für Elektrofahrzeuge.
Die Smart-Grid-Implementierung muss weniger kosten als sie einspart, sie muss skalierbar und flexibel sein, um evolutionäre Technologien zu übernehmen und so auf Anforderungen der Zukunft reagieren zu können, und sie muss dem Endverbraucher weiter die Flexibilität bieten, den Versorger zu wechseln.
Triebfedern für Standards
Für die Kurzstreckenverbindung zwischen dem Smart-Meter und dem örtlichen Datenkonzentrator kommen mehrere drahtgebundene und drahtlose Lösungsansätze in Betracht. Unter den möglichen Kandidaten bietet die Powerline-Kommunikation (PLC) eine Reihe von Vorteilen, zum Beispiel eine effiziente Wiederverwendung von installierten Netzkabeln als robuste Kommunikationskanäle.
Bei PLC handelt es sich nicht um eine neue Technologie; es existiert bereits ein ganzes Bündel von offenen und proprietären Standards. Auch neue Vorschläge kommen auf, nachdem die Schwungkraft, die sich inzwischen hinter dem »intelligenten« Netz aufbaut, die Aufmerksamkeit auf zunehmende Datenraten bei gleichzeitiger Reduzierung der Faktoren wie Kosten und Stromverbrauch lenkt. Weltweit werden für die Signalübertragung über Netzkabel die Frequenzbänder von 10 kHz bis 500 kHz eingesetzt.
In Europa kommen im Allgemeinen die Bänder CENELEC A (60 kHz bis 86 kHz), CENELEC B (110 kHz) und CENELEC C (132,5 kHz) zum Einsatz. Dieser Frequenzbereich ist empfindlich gegen Störungen wie Interferenz, Hintergrundrauschen und Gruppenlaufzeiten. Anfängliche PLC-Implementierungen, die eine FSK-Modulation (Frequency Shift Keyed) verwendeten, wiesen eine verhältnismäßig hohe Bitfehlerrate (BER, Bit Error Rate) auf. Das hatte kaum merkliche Auswirkungen auf die Performance der Anwendung in der grundlegenden automatischen Zählerablesung (AMR, Automatic Meter Reading).
Steigendes PLC-Leistungsvermögen
STMicroelectronics brachte 1989 ihr erstes monolithisches PLC-Modem für AMR auf den Markt. Es setzte eine FSK-Modulation ein und unterstützte eine Kommunikation bis zu 1200 Baud. Nachfolgende Weiterentwicklungen steigerten die Baudrate auf 4800 in den derzeitigen PLC-Transceivern »ST7540«, die sehr kompakte, einfache und kostengünstige Einsatzmöglichkeiten im Visier haben.
Eine Reihe von Lösungen mit S-FSK-Modulation (Spread-Frequency Shift Keyed) steht ebenfalls zur Verfügung. Für Smart-Meter- und Smart-Grid-Anwendungen bewegt sich die Branche in Richtung einer schnelleren, leistungsfähigeren Kommunikation sowie einer erhöhten System-on-Chip-Integration.
Es sind mehrere Standards auf Basis von OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) im Prozess des Entstehens, das die Geschwindigkeitseinschränkungen von FSK- und S-FSK-Systemen überwindet. Maxim entwickelte den G3-PLC-Standard unter Verwendung von OFDM, um höhere Datenraten zu erzielen und die Kommunikation robuster zu gestalten.
OFDM kann wesentlich mehr Träger verwenden als ein Einträger-Modulationssystem wie FSK, deshalb nutzt ODFM die verfügbare Bandbreite effizienter aus. Dadurch lassen sich fortschrittlichere Algorithmen zur Kanalkodierung einsetzen, sodass die Bitfehlerrate sinkt und somit die effektive Datenrate selbst dann erhöht, wenn ein niedrigeres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, Signal-to-Noise Ratio) vorhanden ist.
Maxim hat in seinen integrierten digitalen Powerline-Transceivern »MAX2986« und »MAX2990« eine OFDM-basierte PHY implementiert (Bild 1). OFDM erzielt einen beträchtlichen Leistungsvorteil gegenüber einem typischen Einträger-FSK-Modem, das im CENELEC-A-Band arbeitet. Das S-FSK-Modem kann mit 2 KBit/s übertragen (mit einer BER von 10-4 bei einem SNR von 12 dB).
Im Gegensatz dazu vermag ein 3G-PLC-System, das OFDM einsetzt, bis zu 32 KBit/s bei ungefähr 4 dB SNR zu übertragen, was einer Performance-Steigerung von 8 dB sowie einer höheren Datengeschwindigkeit entspricht. Höhere Datenraten sind in höheren Frequenzbändern zu erreichen.
Bei G3-PLC handelt es sich um einen offenen Standard, den die Firma Sagem und das Electricité Réseau Distribution France (ERDF) gemeinsam entwickelt haben. Doch stellt er nicht den einzigen OFDM-basierten Standard im Markt dar.
Flexible System-integration
Ein weiterer Standard, »PRIME« (Powerline Intelligent Metering Evolution), wird durch die PRIME-Alliance vorangetrieben. Zu ihren Mitgliedern zählen sowohl STMicroelectronics und TI als auch bekannte Zählerhersteller, Service-Provider und Energieunternehmen. In der Vergangenheit wurden PLC-Lösungen mithilfe mehrerer Chips implementiert, die ein festgelegtes Modulationssystem unterstützen.
Sowohl TI als auch ST stehen hinter diesem Ansatz mit Standardprodukten einschließlich Modems und Transceivern, die zu etablierten Standards kompatibel sind. In Zukunft werden Smart-Metering-Applikationen, wenn sie erfolgreich sein wollen, erweiterte Fähigkeiten und eine höhere Flexibilität bieten müssen.
Mittlerweile stehen komplette System-on-Chip-PLC-Con-troller wie TIs Controller-Plattform »F28xx« zur Verfügung, um diesen Forderungen zu entsprechen. In diese Chips sind moderne DSP-Cores zusammen mit robuster Peripherie wie A/D-Wandler, Timer und PWM-Blöcke integriert. Diese Bausteine bieten einen hohen Grad an Systemintegration sowie einer Rechenleistung von 150 MIPS bei 32 Bit Breite sowie eine Bedienerfreundlichkeit, die mit der eines Mikrocontrollers vergleichbar ist.
Dieser SoC-Lösungsansatz vereinfacht die Entwicklung und hält die Steuersysteme kompakt und kostengünstig. MCU-artige Befehle sowie Flash-Speicher auf dem Chip ermöglichen rasches Prototyping. Flexibilität bei der Software sowie zukunftssichere Skalierbarkeit zählen ebenfalls zu den Stärken des SoC-Lösungsansatzes. Dadurch soll, wenn sich die Kommunikationsstandards weiterentwickeln, ein einfacher Migrationspfad von einer Modulationsart zur anderen zur Verfügung stehen.
In ähnlicher Weise vereint die »STarGRID«-Plattform von ST (Bild 2) Modem, DSP-Core, programmierbare Protokollmanager, analoges Frontend, Filter und Powerline-Treiber auf einem einzigen Chip.
Der Hersteller deckt mit dieser Plattform, die drei Bausteine umfasst, eine Vielzahl von funktionalen Anforderungen und Ansprüchen des Marktes ab. Dabei enthält der »ST7570« eine S-FSK-Modulation mit einer Bitrate bis 2,4 KBit/s, einen voll IEC-61334-5-konformen Protokoll-Stack und zugehörige zukunftsweisende Kommunikationsdienste.
Der »ST7580« führt eine zweikanalige n-PSK-Modulation durch und kann vielfältige Protokoll-Stacks integrieren. Das dritte Mitglied der Familie, der »ST7590«, führt eine OFDM-Modulation bis 128 KBit/s durch und integriert einen voll konformen PRIME-Protokoll-Stack.
Flexibilität durch SoC-Ansatz
Sowohl die ST- als auch die TI-Plattform zeigen, wie Halbleiterhersteller bestrebt sind, System-on-Chip-Komfort anzubieten, dabei jedoch die Flexibilität beizubehalten, sich an weiterentwickelnde Standards und Marktforderungen anzupassen. Rasche Änderungen sind unvermeidlich, weil die Erwartungen an »intelligente« Zählerablesung und das »intelligente« Stromnetz durch Endverbraucher, Versorgungsbetriebe und Regierungen ständig weiter zunehmen.
Die kürzlich erfolgte Zulassung des G.hn-Standards des »HomeGrid Forum« durch die International Telecommunications Union (ITU-T) ist eine Reaktion auf den Ruf nach einer wirklich vereinheitlichten Technologieplattform für drahtgebundene Heimnetzwerk-Applikationen. G.hn wurde erstellt, um jede Leitung im Haushalt zu unterstützen, also sowohl zum Anschluss von Unterhaltungs-, Haushaltautomatisierungs- und Sicherheitsgeräten der nächsten Generation als auch von »intelligenter« Zählerablesung sowie von Elektrofahrzeugen.
Ein weiterer interessanter offener Standard, der in jüngster Zeit ins Rampenlicht tritt, ist das »Universal Meter Interface« (UMI). Dieses UMI, zu dessen Lizenznehmern auch Renesas zählt, gewährleistet dadurch Flexibilität, dass zum einen die Messtechnik und die Kommunikationsfunktionen getrennt sind und zum andern eine Basis für Plug-and-Play-Interoperabilität geboten wird.
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