Powerline-Datenkommunikation Das Daten-Stromnetz

Die Energiewende und der anstehende Rollout intelligenter Messsysteme stellt die Betreiber der Verteilnetze sowie der Messstellen vor große Herausforderungen. Der Zubau von PV-, BHKW-Anlagen und Wärmepumpen sowie die Elektrifizierung des Verkehrssektors erfordern eine Ertüchtigung des Stromnetzes. Gleichzeitig bieten regenerative Stromerzeuger, flexibel schaltbare Verbraucher, steuerbare Stromspeicher und Elektrofahrzeuge ein enormes Flexibilisierungspotential. Intelligent gemanagt sind sie nicht länger das Problem im zentralistischen Stromnetz, sondern die Lösung in einem dezentralen und smarten Netz. Die Datenkommunikation spielt dabei eine entscheidende Rolle.

Powerline-Kommunikation

Powerline-Kommunikation (PLC) nutzt die bestehende Leitungsinfrastruktur der Verteilnetze zur Datenkommunikation. Dafür wird der Stromleitung ein zusätzliches Signal aufmoduliert, das den originären Nutzen nicht beeinträchtigt. Die Powerline-Kommunikation ist knapp 120 Jahre alt. Sie wurde stets weiterentwickelt und hat sich in vielen verschiedenen Anwendungsszenarien bewährt. Auch die Digitalisierung sorgte für eine erneute Anpassung der Technik. Das Verteilnetz, einst für die Verteilung zentral erzeugter Energie konzipiert, wird nun zur Plattform von dezentral erzeugter und gehandelter Energie. Die Powerline-Technik gewährleistet, dass alle Akteure und Anlagen im Netz miteinander in Verbindung stehen und Informationen in kürzester Zeit austauschen können.

Ein Datennetz für alle Anwendungen

Der Einbau der PLC-Technik ist selbst in engen Verteilerschränken und kompakten Ortsnetzstationen möglich. Für den Rollout intelligenter Messsysteme kann somit eine flächendeckende und leicht skalierbare Kommunikationsinfrastruktur errichtet werden. Ein weiterer Vorteil der PLC-Technik ist die perfekte Gebäudedurchdringung: Jeder Zählplatz, auch im dritten Untergeschoss eines Einkaufszentrums, wird zuverlässig über die Stromleitung erreicht. Einfacher lässt sich ein intelligentes Messsystem nicht an das WAN (Wide Area Network) anschließen. Der Aufbau eines PLC-Netzes lohnt sich für den Netzbetreiber auch finanziell.

Zur groben Kalkulation geht man davon aus, dass bereits zehn angeschlossene intelligente Messsysteme die Investition rechtfertigen. Ohnehin fallen bei dieser Variante der Kommunikation nur Anschaffungskosten an, während bei Funkanbindungen zu jedem einzelnen Messsystem laufende Kosten entstehen. Bezieht man neue Geschäftsmodelle wie das Submetering in die wirtschaftliche Betrachtung ein, werden schnell positive Skaleneffekte erzielt. Auch Smart-Grid-Anwendungen wie die Überwachung des Netzzustands und die Ansteuerung der Netzleittechnik benötigen eine neue kommunikative Anbindung. Denn die Rundsteuertechnik ist veraltet und die Analog- und ISDN-Telefonie wird gerade deutschlandweit abgeschaltet. Die IPv6-basierte Powerline-Technik bietet sich als Alternative an.

Sichere Übertragungstechnik

Die Powerline-Datenübertragung bietet mehrere Sicherheitsstufen. Zunächst gewährleistet bereits die Installation der PLC-Modems in Ortsnetzstationen und Kabelverteilerkästen einen physischen Schutz gegenüber Unbefugten. Darüber hinaus sollte ein PLC-System über eine Low-Level-Verschlüsselung nach AES128 verfügen. Diese stellt schon auf PLC-Level eine erhebliche Hürde für Eindringlinge dar. Ferner sollten sowohl die Management- als auch die Datenkommunikation über abgesicherte VPN-Tunnel stattfinden. Schließlich kommt mit der BSI-konformen Datenverschlüsselung auf Smart-Meter-Gateway-Level eine weitere Verschlüsselungsebene hinzu.

Moderne Breitband-Powerline

Bei der Planung eines Powerline-Netzes sollte der Netzbetreiber die Bedarfe von möglichen Drittnutzern beachten. Denn ein bestehendes und hochsicheres Kommunikationsnetz zum Kunden ist interessant für Anbieter von neuen Dienstleistungen. Zu berücksichtigen ist, dass mehrere externe Marktteilnehmer auf das intelligente Messsystem beim Kunden zugreifen können. Pro Marktteilnehmer wird dann ein verschlüsselter TLS-Kanal aufgebaut. Im Ergebnis entsteht ein hohes Datenvolumen. Breitband-Powerline (BPL) bietet den Vorteil von maximalen Datenraten und sehr kurzen Reaktionszeiten und stellt somit sicher, dass Kunden Mehrwertdienste angeboten werden können.

Das Unternehmen Devolo befasst sich mit der Datenkommunikation auf Stromleitungen. Das Entwicklerteam des Powerline-Anbieters erforscht intensiv Übertragungstechniken, Verbesserungsmöglichkeiten und Störquellen. Für die IPv6-basierte WAN-Kommunikation der intelligenten Messsysteme hat sich Breitband-Powerline in der Praxis bewährt. Devolo setzt dabei auf den modernen Standard ITU-T G.9960 (G.hn). Prof. Dr. Michael Koch, Leiter des Geschäftsbereichs Smart Grid nennt die Gründe: „G.hn berücksichtigt bestmöglich die schwierigen Anforderungen für Access-BPL und nutzt das Frequenzband bestmöglich aus. Im Vergleich zu anderen BPL-Varianten gewährleistet G.hn ein deutlich stabileres Powerline-Netz.“

Mit sicher planbaren 20 Mbit/s (netto) werden selbst Anwendungen mit hohem Datenvolumen realisierbar. Die im Feld gemessenen Datenraten der Devolo BPL Modems sind hoch genug, um die Datenkommunikation des Smart Meterings inklusive Mehrwertdiensten zuverlässig über die Stromleitung zu führen. Die G.hn-Technik bietet gegenüber älteren BPL-Standards eine Reihe von entscheidenden Vorteilen:

• G.hn begnügt sich – wenn erforderlich – mit schmaleren Frequenzbändern als vergleichbare ältere Standards und kann dadurch leichter auf gestörte Frequenzbereiche verzichten. Die Datenverbindung wird dadurch deutlich robuster.

• G.hn erkennt als guter Nachbar frequenzberechtige Nutzer und weicht deren Frequenzen selbsttätig aus.

• G.hn kommt vergleichsweise gut mit langen und verlustreichen Kabelstrecken zurecht und benötigt daher weniger Repeater auf der Übertragungsstrecke.

Devolo setzt zudem auf die MIMO-Technik. Bei MIMO (Multiple Input Multiple Output) werden alle vier Phasen (L1, L2, L3, N) zur Datenkommunikation genutzt. Zwei Wege L1/N und L2/L3 sorgen dafür, dass die Datenpakete den schnellsten Weg zu ihrem Ziel finden. Wenn Störsignale und Dämpfungen einen der Wege verlangsamen oder eine Übertragung verhindert, wird die Datenkommunikation über den zweiten Kanal aufrechterhalten. Das Ergebnis ist eine bessere Netzdurchdringung und eine stabilere Powerline-Kommunikation.

Investitionssicherheit durch Standardisierung

Der internationale Standard ITU-T G.9960 (G.hn) wird sich als BPL-Standard in Deutschland durchsetzen. Für den Verteilnetzbetreiber bedeutet dies Investitionssicherheit durch mehrere Hardware-Anbieter am Markt. Devolo implementieren die G.hn-Technik in ihr Devolo SMGWplus BPL und bietet zusätzlich anderen SMGW- und Zähler-Herstellern ein BPL-Modul zur Integration in ihre Produkte an. Für den Aufbau eines flächendeckenden BPL-Netzes sind BPL-Repeater und ein BPL-Headend in einer Ortsnetzstation zwingend erforderlich.