Kommunikation över elnätet

Kommunikation över elnätet 2002-05-30, Kommunikationssystem Institutionen för Systemteknik Avdelningen för Signalbehandling Fredrik Ringström frerin-9@student.luth.se Kristina Berglund kriber-7@student.luth.se Jesper Martinsson jesmar-9@student.luth.se Lina Kjellqvist linkje-8@student.luth.se

Kommunikationssystem 2002-05-30 Sammanfattning Denna rapport behandlar kommunikation över elnätet och undersöker elnätet som kommunikationsmedium samt tar upp problem, metoder och tillämpningar för detta. Elnätskommunikation är baserad på elektriska signaler som överför information över elnätet. Kvalitén på överföringen beror huvudsakligen på brusnivån vid mottagaren och dämpning av signalen vid olika frekvenser. Problemet med kommunikation över elnätet är att störningar som brus och dämpning genereras av laster som är kopplade till nätet. Den stora fördelen med elnätskommunikation är att den använder sig av en redan existerande infrastruktur. Elnätskommunikation är ett område som idag endast finns i småskaliga försök, men tekniken har stor utvecklingspotential. Denna rapport är en sammanställning av flera olika rapporter inom området elnätskommunikation (se käll- och litteraturförteckningen).

Kommunikationssystem 2002-05-30 Innehållsförteckning Inledning... 2 Elnätskommunikation... 2 Digital kommunikation... 3 Elnätet som kommunikationskanal... 4 Bandbredd... 4 Störningar... 4 Försök gjorda i Påtorp... 4 Systemdesign... 7 Tillämpningar... 8 Avläsningssystem... 8 Smarta hem och övervakningssystem... 8 Höghastighetskommunikation... 9 För- och nackdelar med PLC för Internet... 10 Andra metoder för internetkommunikation... 10 Telefonmodem... 10 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)... 11 Kabel-tv... 11 Bredband via fiberoptik... 11 Slutsats... 12 Framtid... 12 Käll- och litteraturförteckning... 13

Kommunikationssystem 2002-05-30 2(13) Inledning Denna rapport är en del av kursen, kommunikationssystem. Ett av kursens syften är att introducera studenterna till olika områden inom signalbehandling. Rapporten är resultatet av en fördjupning inom vårt valda område kommunikation över elnätet. Elnätskommunikation Elnätets infrastruktur täcker stora delar av de bebodda områdena i samhället. I Sverige är elkraften ofta genererad i kraftverk och transporteras sedan via högspänningsledningar (400 kv) till lokala kraftstationer, som transformerar spänningen till 10 kv och därefter distribuerar spänning till ett stort antal lågspänningsnät. Figur 1, Exempel på ett lågspänningsnät. Varje lågspänningsnät har en transformatorstation, som transformerar spänningen till 400 V och distribuerar den till anslutna hushåll via lågspänningskablar. Metoderna som beskrivs i detta avsnitt behandlar framförallt kommunikation på lågspänningsnätet mellan hushåll och transformatorstation. Elnätskommunikation är baserad på elektriska signaler som överför information över elnätet. En kanal är definierad som den fysiska vägen mellan två kommunikationspunkter som signalen sänds mellan. I ett lågspänningsnät finns det många olika kanaler. Faktum är att varje länk mellan hushåll och transformatorstation är en specifik kanal med olika karakteristik och kvalité. Kvalitén beror huvudsakligen på brusnivån vid mottagaren och dämpning av signalen vid olika frekvenser. Ju högre brusnivån är desto svårare blir det att detektera den mottagna signalen. Om signalen dämpas på sin väg till mottagaren så gör det också att signalen blir svårare att upptäcka eftersom den döljs mer av bruset.

Kommunikationssystem 2002-05-30 3(13) På elnätet generas bruset av alla laster som är kopplade till nätet, till exempel vitvaror och hushållsapparater. Även vanlig radio stör kommunikationen. Kanalen kommer att fungera som en antenn, vilket innebär att en del av signalens energi kommer att omvandlas till elektromagnetiska vågor vid vissa frekvenser. Dämpningen är en parameter som beror på kanalens fysiska längd och impedansen i nätet. Elnätet ses ofta som en besvärlig miljö på grund av bruset och dämpningens tidsvarierande karakteristik, men detta är också fallet för de flesta moderna kommunikationssystem och begränsar bara den maximala prestanda som kan uppnås. Digital kommunikation Figuren nedan visar en förenklad modell av ett digitalt kommunikationssystem. Rekommenderade böcker inom området är [2] och [3]. Målsättningen med ett kommunikationssystem är att överföra digital information, en sekvens av binär data, över en kanal med brus med så hög bithastighet som möjligt. Figur 2, Kommunikationssystemet Källkodningen innebär att data som ska skickas komprimeras för att minska antalet bitar som överförs. I kanalkodaren tillförs kontrollbitar för att kunna detektera och korrigera eventuella bitfel. För att kunna skicka data över kanalen måste den moduleras på en bärvåg med en viss frekvens. Som ett mått på prestanda definierar vi bitfelssannolikheten P b, sannolikheten att en bit är fel vid mottagaren. Vi kommer framförallt att titta på elnätet som en kommunikationskanal och undersöka dess karaktär. En annan viktig parameter när man uppskattar prestandan i ett kommunikationssystem är signal-brus förhållandet, SNR (se [2], [3]). Högre SNR innebär bättre kommunikation. Det frekvensintervall som används av ett kommunikationssystem kallas för dess bandbredd. För en specifik kommunikationsmetod är bandbredden proportionell mot bithastigheten. En högre bithastighet kräver en större bandbredd. Idag är bandbredd en dyrbar resurs som ofta är begränsad i små intervall. Detta ställer krav på systemet att endast använda tilldelad resurs.

Kommunikationssystem 2002-05-30 4(13) Elnätet som kommunikationskanal Bandbredd I Europa regleras bandbredden av CENELEC-standarden. Denna standard tillåter att frekvenser mellan 3 khz och 148,5 khz används på elnätet. Detta begränsar elnätskommunikationens prestanda, vilket gör att höghastighetsapplikationer så som realtidsvideo inte blir möjliga. För att öka bithastigheten krävs större bandbredd. Ny forskning har föreslagit användning av frekvenser mellan 1 och 20 MHz. Detta skulle innebära en oerhörd ökning av bandbredden, men ett problem är att delar av detta frekvensintervall är tilldelat andra kommunikationssystem som inte får bli störda. Omvänt kan givetvis dessa system även störa kommunikationen över elnätet. Exempel på kommunikationssystem i detta intervall är radio, amatörradio och flygplansnavigation. Den störande strålningen är inte så stor från kablar som är nergrävda i marken. Istället är det kablarna i hushållen som står för det största bidraget. En lösning till detta problem skulle kunna vara att filtrera bort den högfrekventa kommunikationssignalen innan den kommer in i hushållet. Störningar I ett kommunikationssystem har man normalt matchat impedansen så att exempelvis användandet av en 50 ohm kabel motsvaras av en 50 ohm sändare. Effekten av dåligt matchade impedanser är att signalen dämpas. Vid elnätskommunikation matchas inte impedansen eftersom den varierar med tiden. Den kan variera mellan några få tusendels ohm till flera tusen ohm beroende på vilka laster som finns och hur de är anslutna till elnätet. Som vi har nämnt tidigare beror det tidsvarierande bruset huvudsakligen på de laster som är kopplade till elnätet. När signalen propagerar från sändare till mottagare bidrar lasterna också till en tidsvarierande dämpning som vid kommunikation över nätet kan bli väldigt hög, upp till 100 db. Detta begränsar det möjliga avståndet mellan sändare och mottagare. Ovanstående störningar kan begränsas med hjälp av filter och adaptiva metoder. Detta innebär dock en fördyring och ökad komplexitet, eftersom dessa filter måste användas i stort antal. Försök gjorda i Påtorp I detta avsnitt kommer vi att visa en del resultat av försök som är gjorda i Påtorp (se [1]), där man undersökte kanalegenskaper i ett bostadsområde med 59 hushåll. Vi kommer att titta närmare på hur kanalen förändras över tiden och hur den påverkas vid anslutning av olika laster. Vi definierar sannolikheten för felsändning till hushåll i, P i, och dess medelvärde över alla hushåll, P, som:

Kommunikationssystem 2002-05-30 5(13) P = i 1 P = K e i N i K P i i= 1 Där e i är antalet felsändningar och N i är antalet sändningar till hushåll i. Som testresultaten i figur 3 visar varierar P mer eller mindre slumpmässigt för varje timme under en dag. Vi kan dock se att vi får maxvärden under morgonen och kvällen. Genom att jämföra resultaten för februari och maj kan vi också urskilja att variationen är säsongsberoende. I genomsnitt ligger felsändningssannolikheten runt 0,15. Denna relativt höga felsändningssannolikhet kräver någon form av felkorrigering. Ett alternativ skulle kunna vara en felkorrigerande kod, men i de fall då det inte finns något realtidskrav kan istället omsändning används. Figur 3, Data för parametern P i (a) februari och (b) maj. För respektive månad visas förändringen över dygnets 24 timmar. Medianen visas som kryss, min och maxvärden som heldragna linjer. De tre största respektive tre minsta värdena visas som punkter. (Bilden är hämtad från [1]). Figur 4 visar hur felsändningssannolikheten P varierar med avståndet mellan transformatorstation och kabelbox. Figuren visar att P generellt ökar vid större avstånd, men den visar också att undantag finns. Problemet beror alltså inte bara på avståndet utan utav en kombination av avstånd, signalens dämpning och brusnivån vid mottagaren.

Kommunikationssystem 2002-05-30 6(13) Figur 4, Data för parametern P jämfört med avståndet mellan transformatorstation och olika kabelboxar under en vecka i februari. Staplarna motsvarar måndag till och med söndag. (Bilden är hämtad från [1]) De ovan visade resultaten är gjorda med användning av CENELEC A-bandet, det vill säga frekvenser mellan 9 khz och 95 khz. Mätningarna nedan är gjorda i frekvensbandet 1 till 16 MHz. Intresset för detta frekvensintervall har ökat eftersom behovet av högre bithastighet kräver en större bandbredd. En annan anledning är det verkar som brusnivån är lägre och mer stabil i detta intervall. I figur 5 ser vi att bruset har en karakteristik som liknar varandra för kabelbox 443 och kabelbox 447 med avstånd till transformatorstation på 96 respektive 220 meter. Vi kan också se spikar i frekvenser mellan 10 och 16 MHz. Dessa beror troligen på störningar från radiosändningar. Figuren visar också att dämpningen ökar med frekvensen. För frekvenser större än 10 MHz är det svårt att urskilja signalen från bruset. Kabelbox 447 som ligger på ett större avstånd från transformatorstationen har en kraftigare dämpning. Figur 5, Visar den mottagna signalen och brusets spektraltäthet i kabelbox 443 till vänster och 447 till höger i frekvensbandet 1-16 MHz. Den övre kurvan visar den mottagna signalen, den mittersta det maximala bruset och den undre medelbruset i respektive bild. (Bilden är hämtad från [1]) Figur 6 nedan visar motsvarande försök i ett lägre frekvensintervall. Vi kan se att SNR är bättre i detta intervall.

Kommunikationssystem 2002-05-30 7(13) Figur 6, Visar den mottagna signalen och brusets spektraltäthet i kabelbox 443 till vänster och 447 till höger i frekvensbandet 20-450 khz. Den övre kurvan visar den mottagna signalen, den mittersta det maximala bruset och den undre medelbruset i respektive bild. (Bilden är hämtad från [1]) Systemdesign I de flesta fall är kommunikationssystemet anpassat för en specifik kanal för att systemet ska bli så effektivt som möjligt. Som försöken i Påtorp har visat varierar kvalitén på kanalen kraftigt, därför bör systemet ha möjlighet att anpassa sig efter dessa skiftande förutsättningar. Två vanliga sätt att lösa detta är antingen med adaptiva eller robusta metoder. Den adaptiva metoden anpassar sig till den aktuella kanalens egenskaper för att få ett så effektivt utnyttjande av denna som möjligt. Ett exempel på detta är att mottagaren och sändaren använder sig av en testsekvens för att estimera kanalen. I en robust metod designar man mottagare och sändare för att få en tillförlitlig kommunikation över ett brett spektrum av kanalens tillstånd. Detta kan till exempel uppnås med en frekvensspridningsteknik där informationen sänds på flera olika frekvenser. Den adaptiva metoden är tekniskt mer komplex, men bör övervägas eftersom den har en större potential och kan anpassas för framtida behov. Ett annat viktigt designval är moduleringsmetoden. Eftersom elnätskanalen är frekvensselektiv förordar det ett OFDM-liknande (Orthogonal Frequency Division Multiplex, se [2]) moduleringssystem. I ett OFDM system är den tillgängliga bandbredden W indelad i flera små frekvensband W 1, W 2,, W n vilket visas i figuren nedan. Om bandbredden delas in i tillräckligt små delband så kan vi säga att dämpningen och fasförskjutningen är konstant inom respektive delband, som alltså inte blir frekvensselektiva.

Kommunikationssystem 2002-05-30 8(13) Figur 7, Ett exempel på hur tillgänglig bandbredd W är indelad i små delband. (Bilden är hämtad från [1]) I varje delband används en moduleringsmetod, ofta QAM (Quadrature Amplitude Modulation), för att överföra data. Om ett delband har dålig kanalkvalité, på grund av t.ex. radiosändningar, behöver detta delband ej användas. Tillämpningar Möjligheterna att använda elnätet för olika typer av kommunikation, Power Line Communication (PLC), är många. Som exempel kan nämnas smarta hus, fjärrövervakning av transformatorer, fjärravläsning av el-, värme-, gas- och vattenmätare, fjärrstyrning av olika elbelastningar, höghastighetskommunikation mm. Avläsningssystem De flesta avläsningstjänster, som till exempel avläsning av elmätaren, kräver inte någon hög bithastighet. Denna typ av information har inte något realtidskrav och en hög bitfelsannolikehet, P b, ställer inte till några större problem. Om ett fel skulle uppstå kan man använda sig av omsändning. Omsändning används ofta för att förbättra pålitligheten i digitala kommunikationssystem och är speciellt lämpat för system där realtidskrav ej är högprioriterade. Ett system för avläsning av elmätare är IDAM (Integrated Distribution Automation Management), vilket är framtaget i samarbete mellan IBM och Sydkraft. IDAM är ett kommersiellt system som är i bruk, med en bithastighet på 2 kbps. IDAM använder sig av omsändning för att motverka problemet med bitfel. Smarta hem och övervakningssystem Med smarta hem menar man möjligheten att kommunicera med elektriska apparater i hemmet. Apparaterna har blivit utrustade så att det är möjligt att styra dem även om man inte befinner sig hemma. Idén och tekniken kommer inte helt oväntat från USA, där man ända sedan 70-talet har kunnat styra värmen i huset via telefonen. Den mest använda tekniken har varit X-10 (se [9]), en tidig form av kommunikation över elnätet.

Kommunikationssystem 2002-05-30 9(13) X-10 är en utbredd teknik med mer än 5 miljoner användare. Tekniken är billig och lätt att installera eftersom den använder sig av befintliga elledningar. Eftersom inga ledningar behöver dras om är det smarta hemmet portabelt, man kan alltså ta det med sig då man flyttar. Via elledningen sänds en signal till mottagaren, som därefter utför kommandot. Sändaren kan vara t ex fjärrkontroll, dator, telefon eller rörelsesensorer. Kommunikationsmedium mellan sändare och mottagare är förutom elledningen t ex IR eller radiovågor (med en fjärrkontroll). Mottagarna kan vara stickkontakter eller inbyggda i apparater. Varje mottagare har en binär adress och varje kommando har en binär kod. Mottagaren "lyssnar" efter sin kombination och utför därefter kommandot som skickats från sändaren. En nackdel med X-10 är att det finns mycket störningar på ledningen där signalen går. Detta kan lösas med bland annat filtrering och omsändning. För att göra X-10 pålitligt sänder man allting två gånger. Det finns andra lösningar än X-10 för smarta hus, alla använder sig inte heller av elnätskommunikation. I ett smart hus kan man till exempel ha en fjärrkontroll som gör det möjligt att släcka alla lampor från sängen. Hemma hos äldre och handikappade som bor själva, kan man installera rörelsedetektorer som reagerar om ingen rört sig på länge och då larmar de anhöriga. Ett smart hem kan vara utrustat med sensorer som känner av om spisen är påslagen, om kylskåpsdörren står öppen, om tvättmaskinen läcker, osv. Man kan då få ett telefonsamtal till mobiltelefonen. Om man får ett larm om att en spisplatta ej är avslagen, kan man med en knapptryckning på telefonen, eller via internet, slå av spisen. Om man ska få besök av sotaren och inte är hemma kan man se detta på en datorskärm via bevakningskameran, och via datorn låsa upp dörren. Man kan ha inbrottslarmet kopplat till sitt smarta hem, och om larmet går kan man få det till sin mobiltelefon. När du fått larmet bestämmer du vilken åtgärd som är lämpligast; åka hem, ringa grannen eller kalla på polisen. Med det smarta hemmet kan man skapa en illusion av att man är hemma när man är bortrest. Detta görs genom att repetera den senaste veckans tändningar och släckningar av belysning samt styra persienner och markiser, helt enkelt en mycket avancerad timer. Ett svenskt företag som erbjuder lösningar för smarta hem är ehem (se [11]). Höghastighetskommunikation Några företag i Sverige erbjuder bredband via elnätet, en teknik som fortfarande är under utveckling och bara erbjuds på vissa platser. Sydkraft har tvingats att skjuta upp sin bredbandssatsning till villaägare i ett år på grund av att dagens elnätsmodem har för dålig räckvidd i överföringen mellan transformatorstation och villa. De fortsätter dock med sin installation i flerfamiljshus i Skåne.

Kommunikationssystem 2002-05-30 10(13) För- och nackdelar med PLC för Internet + Elnätet finns, vilket betyder att en stor del av investeringarna redan är gjorda. De allra flesta hushåll i Sverige, och stor del av övriga världen, har elektricitet. + Det finns betydligt fler elkontakter i ett hem än det finns telefonjack alternativt bredbands -uttag. + Fast internetuppkoppling. + Hög datahastighet, till dags dato upp till 14 Mbps, enligt Linksys (se [7]). Den hastighet som erbjuds i Sverige idag, av exempelvis Oskarshamns energi, är upp till 2 Mbps. - Bara tillämpbart på kortare avstånd. Datakommunikation över elnätet handlar om sträckan från elkontakten till närmaste transformatorstation. Vid transformatorstationen kopplas signalen om till det fiberoptiska nätet, som redan är under uppbyggnad med anledning av regeringens bredbandssatsning. Längre avstånd mellan transformatorstation och uttag ger oftast sämre kvalitet. - Inte lika utbrett som andra lösningar, t ex telefonmodem, ADSL osv. Kan vara svårt att få tag på, erbjuds ej av många företag. Transformatorstationen måste klara av att koppla om signalen från elnätet till det fiberoptiska nätet. - Kommunikationskanalen är dålig. Den förändras med tiden och beror bland annat på hur belastat elnätet är. Elkablarna är av olika kvalitet och längd. - Säkerheten kan vara ett problem. Hushåll som delar samma transformatorstation delar även till viss del samma kablar. Detta gör att information som skickas eller tas emot av ett visst hushåll ibland kan "smita över" till grannarna. För att motverka detta försöker man att sända en signal som är anpassad i t ex styrka. Innan meddelandet skickas från avsändaren används avancerad kryptering. - Höghastighetskommunikation över elnätet ger upphov till störningar i radiokommunikationen. Försvaret och radioamatörer tror att de kommer att störas av PLC. Hög bithastighet gör att högre frekvensområden störs. Vid elnätskommunikation kan elledningen förvandlas till en lång antenn. Elnät är konstruerade för elkraftöverföring vilket gör att datasignalerna kommer ut från själva ledningarna på ett annat sätt än när koaxial- och datakablar används. - Kräver speciellet modem. Andra metoder för internetkommunikation Telefonmodem Maximal hastighet är 56 kbps. En till viss del analog teknik som inte går att utveckla mycket mer. Telefonnätet sätter begränsningar. + Billigt, för den som inte är uppkopplad mycket.

Kommunikationssystem 2002-05-30 11(13) + Låg startkostnad + Använder det befintliga telefonnätet, ingen ytterligare utbyggnad krävs. - Låg dataöverföringshastighet. - Dyrt för storkonsumenter. - Går ej att använda telefonen samtidigt som man använder internet. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) Teknik gör det möjligt med hastigheter upp till 8 Mbps, men det som idag erbjuds av teleföretag är inte mer än 0.5 Mbps. + Använder telefonnätet. + Går relativt snabbt. + Uppkoppling till en fast månadskostnad. + Ej beroende av fastighetsägare. + Billigt för storkonsumenter. - Kräver en viss utbyggnad hos telefonstationen. Erbjuds idag endast till större orter och vissa områden. - Hög kostnad för de som inte använder internet mycket. - Idag ej fast uppkopplad. - Kräver ADSL-modem och nätverkskort. Kabel-tv Möjligt med hastighet uppemot 10 Mbps, men idag är 0.5 Mbps det vanliga. + Använder samma nät som kabel-tv. + Går relativt snabbt. + Fast uppkoppling till fast pris (i samma prisklass som ADSL). + Billigt för storkonsumenter. - Kräver att fastigheten är ansluten till en kabel-tv-operatör. - Kräver speciellt kabelmodem. Bredband via fiberoptik Ger upp till 100 Mbps, idag dock bara 10 Mbps. Använder sig av fiberoptik/ethernetteknik. Lokalt nätverk i fastigheten kopplas till en dataväxel som leder vidare till områdes-, stads- och stamnätet. + Hög dataöverföringshastighet. + Fast uppkoppling till fast kostnad. + Går att uppgradera till 100 Mbps utan ytterligare investeringar. + Billigt för storkonsumenter. - Hög kostnad för de som inte använder internet mycket. - Beroende av fastighetsägare.

Kommunikationssystem 2002-05-30 12(13) Slutsats Det största problemet med elnätskommunikation är kanalens tidsvarierande karaktär. Kanalen påverkas av både brus och dämpning som båda är ett resultat av bland annat de laster som är kopplade till nätet. Detta är dock problem som kan lösas med en bra systemdesign. Bredband via kabel-tv, ADSL-modem och via elnätet är idag ganska likvärdiga i prestanda. Fördelen med kommunikation över elnätet är att infrastrukturen mellan hushåll och transformatorstation redan är utbyggd, vilket gör att hushållen på ett enkelt sätt kan få tillgång till bredband. Framtid Utvecklingen går mot bättre elnätsmodem, som har bättre räckvidd mellan hus och transformatorstation. Det kommer säkert även att kunna erbjuds en högre bithastighet än idag. I framtiden kommer förmodligen elmätare och dylikt att mätas på avstånd. Om intresset för smarta hus ökar kommer nog dessa tjänster att utvecklas.

Kommunikationssystem 2002-05-30 13(13) Käll- och litteraturförteckning [1] Lars Selander, Power-Line Communications Channel Properties and Communication Strategies, 1999, www.enersearch.se [2] J.G. Proakis, Digital communication, McGraw-Hill, 1995 [3] Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 6:th edition [4] Selander L, Mortensen T, Lindell G, Load profile and communication channel characteristics of the low voltage grid, www.enersearch.se [5] Lindell G, Power line communications, www.enersearch.se [6] Akkermans H, Healey D, Ottoson H, The transmission of data over the electricity power lines, www.enersearch.se [7] Linksys, www.linksys.com/edu/part6.asp [8] Bredbandsbolaget, www.bredband.com [9] Linköpings Universitet, institutionen för datavetenskap, www.ida.liu.se/~tddb31/smarta_hus.pdf [10] Computer Sweden, www.computersweden.idg.se [11] ehem, www.ehem.com