DE10209597A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Datenübertragung über Stromversorgungsleitungen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten über Stromversorgungsleitungen, insbesondere im Nieder- und Mittelspannungsbereich, mit drei stromtragenden Phasenleitern (11) und einem im allgemeinen geerdeten Nulleiter (12), die neben einer elektrischen Energieübertragung gleichzeitig für die Übertragung hochfrequenter Datensignale verwendet werden. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Datenübertragung über Stromversorgungsleitungen (Power Line Communication - PLC), insbesondere im Nieder- und Mittelspannungsbereich, mit mindestens vier Leitungen, von welchen jeweils drei (11) um ca. 120 DEG phasenversetzten Wechselstrom tragen, während eine vierte Leitung als Nulleiter (12) unsymmetrische Reststromanteile trägt und eine Masseverbindung aufweist. Um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten über ein Energienetz zu schaffen, bei welchen mit erheblich einfacheren und preiswerteren Mitteln eine HF-mäßige Abtrennung der benutzten Datenleitungsabschnitte gegenüber sonstigen Netzabschnitten möglich ist, wird hinsichtlich des Verfahrens vorgeschlagen, daß für die Übertragung von Datensignalen Abschnitte des Nulleiters (12) verwendet werden, die Sende- und Empfangsstationen der Signale miteinander verbinden, indem die verwendeten Nulleiterabschnitte (12) gegenüber Masse und gegebenenfalls auch gegenüber anderen Nulleiterabschnitten (12) durch eine HF-Sperre (3) abgetrennt werden und die Signale auf der ...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Datenübertragung über Stromversorgungsleitungen insbesondere im Nieder- und Mittelspannungsbereich, mit drei stromtragenden Phasenleitern und einem im allgemeinen geerdeten Nulleiter, die neben einer elektrischen Energieübertragung gleichzeitig für die Übertragung hochfrequenter Datensignale verwendet werden.
• Diese Art der Datenübertragung wird häufig mit dem Kürzel PLC (für Power Line Communication) bezeichnet. Bei den herkömmlichen PLC-Verfahren und -Vorrichtungen werden entsprechende Koppeleinheiten für die Ein- und/oder Auskoppelung von Daten mit einer der drei stromtragenden Phasenleitungen verbunden, wobei die Null-Leitung als Bezugspotential dient. Praktische Anwendung findet diese Art der Datenkommunikation vor allem bei den Betreibern elektrischer Energienetze, die auf diese Weise Informationen zwischen Kraftwerken und Verteilerstationen und/oder Überwachungs- und Steuerungsstationen für ein Energienetz austauschen. Beispielweise können über entsprechende Datenverbindungen Daten hinsichtlich des aktuellen Energieverbrauchs und der lokalen Netzbelastung ausgetauscht werden, um die Lastverteilung in den einzelnen Netzwerkbereichen zu optimieren. Weiterhin können über entsprechende Verbindungen aktuelle Zählerstände abgefragt werden und es können auch allgemeinere Informationen jeglicher Art über eine entsprechende Datenverbindung ausgetauscht werden, für die lediglich die Ein- und Auskoppelvorrichtungen benötigt werden, ohne das zusätzliche Datenleitungen vorhanden sein müssen, weil die energietransportierenden bzw. stromtragenden Leitungen gleichzeitig als Datenleitungen benutzt werden. Da der Strom üblicherweise in Form von Wechselstrom mit 50 Hz (in manchen Bereichen der Welt auch mit 60 Hz) übermittelt wird, während die Übertragungsfrequenzen der Datensignale üblicherweise im MHz-Bereich liegen, lassen sich die Datensignale problemlos von dem sehr niederfrequenten Wechselstrom abtrennen und auswerten.
• Allerdings besteht aufgrund der konkreten Netzstruktur das Problem, daß aufgrund der stark verzweigten Struktur des Energienetzes zwischen einer gegebenen Sende- und einer entsprechenden Empfangsstation zu übermittelnde Daten über das gesamte Energienetz verteilt werden. Dies führt nicht nur zu Leistungsverlusten sondern unter Umständen auch zu unerwünschten Störungen paralleler Datenkommunikationen zwischen anderen Sende- und Empfangsstationen.
• Vermeiden kann man dieses insbesondere bei weitverzweigten Energienetzen und beim Übermitteln von Daten zwischen sehr weit von einander entfernten Sende- und Empfangsstationen auftretende Problem durch Einschaltung von entsprechenden HF-Sperren, welche für die konkrete Datenverbindung nicht benötigte Abschnitte des Netzes HF-mäßig von dem tatsächlich benutztem Abschnitt abtrennen. Es versteht sich, daß diese HF-Sperren für den niederfrequenten Wechselstrom und den über das Netz erwünschten Energietransport selbstverständlich durchlässig sein müssen. Da im Mittel- und im Niederspannungsbereich die Nennströme in der Größenordnung von 200 bis 400 A liegen, bedeutet dies entsprechend aufwendige HF-Sperren, z. B. in Form von Luftdrosseln, die für entsprechend große Nennströme ausgelegt werden müssen und die demzufolge ein Volumen von mehreren 100 Litern beanspruchen, nahezu 100 kg wiegen und in der Herstellung sehr aufwendig und teuer sind.
• Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten über ein Energienetz zu schaffen, bei welchen mit erheblich einfacheren und preiswerteren Mitteln eine HF-mäßige Abtrennung der benutzten Datenleitungsabschnitte gegenüber sonstigen Netzabschnitten möglich ist.
• Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Übertragung von Datensignalen Abschnitte des Nulleiters verwendet werden, die Sende- und Empfangsstationen für die Signale miteinander verbinden, indem die verwendeten Nulleiterabschnitte gegenüber Masse durch eine HF-Sperre abgetrennt werden und die Signale auf der der Masseverbindung abgewandten Seite der HF-Sperre in den Nulleiter ein bzw. aus diesem ausgekoppelt werden. In analoger Weise wird hinsichtlich der entsprechenden Vorrichtung die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß in die Masseverbindung eines sich zwischen Sende- und Empfangsstation erstreckenden Nulleiters eine oder mehrere HF-Sperren geschaltet werden, wobei PLC-Ein- bzw. Auskoppelungsvorrichtungen mit dem Nulleiter auf der der Masseverbindung abgewandten Seite der HF- Sperre verbunden sind.
• Die Verwendung des Nulleiters als die eigentliche Datenleitung und die entsprechende Schaltung der HF-Sperre in die Erdverbindung des Nulleiters gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben den entscheidenden Vorteil, daß die HF-Sperre für einen wesentlich geringeren Nennstrom ausgelegt werden kann als eine entsprechende HF-Sperre für eine der drei Phasen ausgelegt werden müßte.
• Während, wie bereits erwähnt, der Nennstrom für Nieder- bis Mittelspannungsnetze typischerweise in der Größenordnung von 200 A bis 400 A für die einzelnen Phasen liegt, ist aufgrund der symmetrischen Anordnung der Phasen und der Phasenverschiebungen von jeweils 120° zwischen den Strömen in den drei Phasen der über den Nulleiter fließende Strom im Idealfall gleich Null. Lediglich für den Fall, daß in dem ein oder anderen Phasenleiter aufgrund entsprechender Verbraucher Phasenverschiebungen auftreten, kann im Ergebnis noch ein geringer Nettostrom auch durch den Nulleiter fliesen, der aber typischerweise mindestens eine Größenordnung unter dem Nennstrom der einzelnen Phasen liegt.
• Demzufolge ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, als HF-Sperre eine Drosselspule zu verwenden, die für einen Nennstrom von höchstens 60 A oder weniger ausgelegt ist. Insbesondere können Drosselspulen zur Anwendung kommen, deren Nennstrom unter 30 A und z. B. bei etwa 10 A oder irgendwo im Bereich zwischen 10 und 30 A liegt.
• Zweckmäßigerweise hat die Drosselspule eine Induktivität von weniger als 10 mH (milliHenry), insbesondere im Bereich von 0,2 bis 5 mH und insbesondere ca. 1 mH.
• Dabei kann die HF-Sperre sowohl als Luftspule ausgebildet werden, als auch als Spule mit Ferritkern. In letzterem Fall benötigt man weniger Wicklungen und demzufolge auch ein kleineres Volumen. Typische Abmessungen einer geeigneten Drosselspule mit Ferritkern liegen bei einem Durchmesser von 10 cm, einer Höhe von 10 cm und einer Wicklungszahl zwischen 10 und 30, woraus sich eine Induktivität von etwa einen mH ergibt. Das Gewicht einer solchen Spule beträgt nur wenige Kilogramm im Vergleich zu einem Gewicht von größenordnungsmäßig 100 kg für Luftspulen entsprechend der Induktivität, die einen Nennstrom von 200 bis 400 A tragen müßten.
• Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Spule nicht nur wesentlich kompakter ist und viel einfacher in ein entsprechendes System integriert werden kann, sondern vor allem auch in der Herstellung preiswerter und viel schneller und einfacher zu montieren ist.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreiben einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
• Fig. 1 die Anordnung von HF-Sperren und PLC-Kopplungseinheiten nach dem Stand der Technik,
• Fig. 2 die entsprechende Anordnung einer HF-Sperre und einer Kopplungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 3 ein Prinzipschaltbild für die HF-Abriegelung zweier Mittelspannungskabel gegeneinander,
• Fig. 4 die Ankopplung von zwei Phasen mit Hilfe entsprechender Kopplungseinheiten und mit HF- Sperren im Erdzweig der Nulleiter und
• Fig. 5 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Dämpfung zwischen verschiedenen, durch HF- Sperren abgetrennten Nulleiterabschnitten.
• In Fig. 1 erkennt man eine insgesamt mit 1 bezeichnete und von einer gestrichelten Linie umrahmte Kopplungseinheit (auch als CCU bezeichnet), die mit einer Phase 11 eines Mittelspannungskabels 2 verbunden ist, wobei die Erde bzw. Masse als Bezugspotential dient. Die Kopplungseinheit kann entweder als Sender oder als Empfänger oder auch als kombinierter Sender/Empfänger ausgebildet sein.
• Damit sich das zu übermittelnde Signal im wesentlichen nur über den Abschnitt der Phase 11 zwischen Sender und Empfänger ausbreitet, müssen die übrigen Bereiche des Mittelspannungskabels bzw. der entsprechenden Phase 11 durch eine HF-Sperre 3 abgesperrt werden. Diese HF-Sperre 3 ist in der Phase 11 angeordnet und muß demzufolge auch den vollen Nennstrom der Phase 11 dieses Mittelspannungskabels tragen. Eine entsprechende Luftdrossel hätte typische Abmessungen von ca. 0,7 m × 0,7 m und wäre somit nur sehr schwer in stehende Schaltanlagen einzubauen. Außerdem wäre noch darauf zu achten, daß die HF-Sperre 3 im erforderlichen PLC-Frequenzbereich (der derzeit zwischen etwa 1 MHz und 20 MHz liegt) noch wirkt, und daß parasitäre Kapazitäten zwischen den Windungen die gewünschten HF-Eigenschaften nicht maßgeblich verschlechtern.
• Die Verwendung von Spulen mit Ferritkernen, die entsprechend kleiner gebaut werden könnten, scheidet für die Anwendung gemäß Fig. 1 aus, weil diese Ferritkerne bei dem üblichen Nennströmen in den Phasen 11 in die Sättigung gehen und somit nicht mehr magnetisch wirken.
• Andere Arten von HF-Sperren 3, wie z. B. ein Kabelabschnitt aus ferromagnetischem Material, haben einen zu hohen elektrischen Widerstand und würden bei den erforderlichen Nennströmen zu einer erheblichen Erwärmung führen.
• Schließlich treten bei den hohen Nennströmen auch erhebliche Kräfte zwischen den Windungen und auch im Kern einer entsprechenden Spule auf, so daß mechanische Beschädigung oder Zerstörung nicht auszuschließen ist.
• Die Lösung diese Probleme ist in Fig. 2 dargestellt, die eine Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In diesem Fall liegt die HF-Sperre 3 in dem Erdzweig 4 des Nulleiters 12 des Mittelspannungskabels 2 und die Kopplungseinheit 1 ist zwischen Phase 11 und Nulleiter 12 geschaltet und zwar so, daß die Verbindung mit dem Nulleiter 12 auf der der Masseverbindung abgewandten Seite der HF-Sperre 3 liegt. Bei dieser Anordnung ist es prinzipiell gleichgültig, welche der beiden mit der Kopplungseinheit verbundenen Leitungen (Phase oder Nulleiter) als Signalleitung betrachtet wird und welche das Bezugspotential darstellt, da der Nulleiter 12 HF-mäßig von Masse getrennt ist.
• Der über den Nulleiter 12 fließende Strom ist jedoch bei Dreiphasen-Wechselstrom wesentlich geringer als der durch die Phase 11 fließende Nennstrom, so daß die HF-Sperre 3 wesentlich kleiner und leichter ausgebildet werden kann, da sie nur noch einen geringen Reststrom tragen muß, der von etwaigen Asymmetrien und Phasenverschiebungen des Stromes in den drei Phasenleitungen herrührt.
• Fig. 3 zeigt, wie man unterschiedliche Abschnitte eines Mittelspannungskabels 2 mit entsprechenden HF-Sperren 3 gegeneinander abriegeln kann. Auf diese Weise können die beiden Nulleiter 12 der beiden dargestellten Mittelspannungskabel 2 völlig unabhängig voneinander als Signalleitungen betrieben werden, ohne das die Signale auf den beiden Leitern sich wechselseitig stören.
• Insbesondere kann dabei auch eine HF-Sperre 3 in Form einer Drosselspule mit Ferritkern verwendet werden, die aufgrund der geringen auftretenden Ströme nicht in die Sättigung gelangen kann. Beispielsweise beträgt der Ladestrom für ein Kabel NA 2 × S2Y 1 × 150 RM/25 nur ca. 0,92 A/km. Insgesamt sollte die HF-Sperre 3 so aufgebaut sein, daß sich bei einer Frequenz von 1 MHz eine Dämpfung von ca. 30 dB ergibt. Jedenfalls können auch mehrere Sperren hintereinander geschaltet werden.
• In Fig. 4 ist ein vollständiges Dreiphasen-Leitersystem dargestellt, wobei die Nulleiter 12 bzw. Abschirmungen jeweils zweier Phasen als Datenleitungen verwendet werden und gegen Hochfrequenz gegenüber Masse abgeschirmt sind. Auch der dritte Nulleiter 12 weist ein HF-Sperre 3 in seinem Inneren auf, obwohl er in der dargestellten Ausführungsform nicht als Datenleiter verwendet wird, da keine entsprechende Kopplungseinheit mit dem dritten Nulleiter 12 verbunden ist. Die beiden anderen Nulleiter 12 sind jedoch jeweils mit einer eigenen Kopplungseinheit verbunden, die zwischen Phase 11 und den jeweiligen Nulleiter 12 geschaltet sind, so daß in diesem Fall die Nulleiter 12 als Datenleitungen verwendet werden. Weiterhin sind in Fig. 4 noch Erdungsschalter für die einzelnen Phasen 11 dargestellt. Durch den Einbau der HF-Sperre 3 in die Erdverbindung des Kabelschirmes sind auch die Erdungsschalter HF-mäßig abgeriegelt. Da der Erdungsschalter direkt an Erdpotential liegt, sind die HF-Sperren 3 bezüglich des Signalweges vorgeschaltet und machen ihn somit hochohmig. Da der Erdungsschalter die Phasen 11 erdet und somit damit auch kurzschließt, ergibt sich die Situation, daß entsprechende Phasen 11 HF-mäßig auf dem gleichen Potential liegen (Bezugpunkte für beide Signalquellen). Die beiden Abschirmungen sind jedoch für Hochfrequenz hochohmig gegen Erde und übernehmen damit effektiv den Signaltransport.
• Bei Erdungsmaßnahmen ist der Leistungsschalter immer offen, so daß das Kabel aus dem Verbund herausgeschaltet ist und somit zum Kabel weniger Störungen (von Nachbarkabeln an der Sammelschiene oder von der Sammelschiene allein) gelangen. Das Kabel ist also nicht zusätzlich mit Impedanzen belastet, so daß unter diesen Voraussetzungen der Erdungsschalter die PLC-Übertragung nicht beeinträchtigen kann.
• Fig. 5 veranschaulicht einige Überlegungen zur Dimensionierung der HF-Sperre 3. Bei den bekannten PLC-Systemen werden Sende- und Empfangsweg in unterschiedlichen Frequenzbändern betrieben. Demzufolge sind diese Frequenzbänder in den Geräten immer so zu wählen, daß an einem Standort alle Sender in dem einen Frequenzband und alle Empfänger in dem anderen Frequenzband arbeiten. Eine entsprechende Situation ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei liegt der ungünstigste Fall für eine gegenseitige Beeinflussung der beiden dargestellten PLC-Strecken darin, daß die PLC-Strecke 1 z. B. sehr lang ist, während die PLC-Strecke B z. B. sehr kurz ist.
• Hat Strecke B z. B. 25 dB Dämpfung und Strecke A nur 10 dB Dämpfung und ist für den einwandfreien Betrieb einer PLC-Strecke ein Signalstörabstand S/N von 20 dB erforderlich, so muß das Signal von Strecke B um zusätzlich 35 dB gedämpft werden, damit Strecke A hierdurch nicht gestört wird.
• Dimensioniert man nun eine HF-Sperre 3 so, daß sie ca. 27 dB Einfügungsdämpfung bei 4 MHz hat und schaltet eine zweite HF-Sperre 3 in Reihe, so ergibt dies bei 1 MHz ca. 5 dB und bei 4 MHz ca. 3 dB Zusatzdämpfung, in Summe also ca. 30 dB Einfügungsdämpfung bei 4 MHz.
• Eine weitere Zusatzdämpfung wird sich durch den Aufbau der Sammelschiene ergeben (wesentlich größere Abstände Phase-Erde bzw. Phase-Phase als in einem Mittel- und Niederspannungskabel).
• Dies sorgt für sogenannte Stoßdämpfung, da hier Fehlerpassungen durch Wellenwiderstandssprünge vorliegen.
• Diese Dämpfungen dürften mindestens in der Größenordnung 3 dB liegen, so daß eine gesamte Dämpfung des Sendesignals bei 4 MHz von ca. 43 dB vorliegt.
• Die Verwendung des Nulleiters 12 bzw. Kabelschirmes als Signalleitung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine HF-Sperre 3 des Nulleiters 12 gegenüber Masse erforderlich macht, erweist sich daher dennoch als vorteilhaft und der herkömmlichen Anordnung von HF-Sperren 3 bei weitem überlegen, ohne das die Verwendung des Nulleiters 12 irgendwelche nennenswerten Nachteile mit sich bringt.

Claims (15)

1. Verfahren zur Übertragung von Daten über Stromversorgungsleitungen, insbesondere im Nieder- und Mittelspannungsbereich, mit drei stromtragenden Phasenleitern (11) und einem im allgemeinen geerdeten Nulleiter (12), die neben einer elektrischen Energieübertragung gleichzeitig für die Übertragung hochfrequenter Datensignale verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Übertragung von Datensignalen Abschnitte des Nulleiters (12) verwendet werden, die Sende- und Empfangsstationen der Signale miteinander verbinden, indem die verwendeten Nulleiterabschnitte (12) gegenüber Masse und gegebenenfalls auch gegenüber anderen Nulleiterabschnitten (12) durch eine HF-Sperre (3) abgetrennt wird und die Signale auf der der Masseverbindung bzw. im nichtverwendeten Nulleiterabschnitt (12) abgewandten Seite der HF-Sperre (3) in den Nulleiter (12) ein bzw. aus diesem ausgekoppelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als HF-Sperre (3) eine Drosselspule verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule eine Induktivität von weniger als 10 mH, insbesondere von etwa 0,2 bis 0,5 mH aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule für einen Nennstrom von maximal 60 A oder weniger ausgelegt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drosselspule verwendet wird, die für einen Nennstrom von weniger als 30 A, insbesondere für einen Nennstrom im Bereich zwischen 10 A und 30 A ausgelegt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als HF-Sperre (3) eine Drosselspule mit Ferritkern verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als HF-Sperre (3) eine Luftspule verwendet wird.

8. Vorrichtung zur Datenübertragung über Stromversorgungsleitungen (Power Line Communication - PLC), insbesondere im Nieder- und Mittelspannungsbereich, mit mindestens vier Leitungen, von welchen jeweils drei (11) um ca. 120° phasenversetzten Wechselstrom tragen, während eine vierte Leitung als Nulleiter (12) unsymmetrische Reststromanteile trägt und eine Masseverbindung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der sich zwischen einer Sende- und einer Empfangsstation erstreckende Nulleiter (12) als Datenleitung verwendet wird, indem in die Masseverbindung des Nulleiters (12) eine HF-Sperre (3) gelegt wird und die PLC-Kopplungseinrichtung (1) auf der der Masseverbindung abgewandten Seite der HF- Sperre (3) mit dem als Datenleitung verwendeten Nulleiter (12) verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Sperre (3) als Drosselspule ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Sperre (3) für eine Dauerstrombelastung von höchstens 50 A und vorzugsweise von höchstens 30 A ausgelegt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule eine Induktivität von höchstens 10 mH, insbesondere zwischen 0,2 und 0,5 mH aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die HF- Sperre (3) als Luftspule ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die HF- Sperre (3) als Drosselspule mit Ferritkern ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule einen Querschnitt zwischen 50 und 100 cm², eine Länge zwischen 5 und 15 cm und eine Windungszahl zwischen 10 und 100 aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die HF- Sperre (3) bei 1 MHz eine Dämpfung von mindestens 25 dB und vorzugsweise von mindestens 30 dB aufweist.