Modellierung von Kommunikationsabläufen im intelligenten Niederspannungsnetz

Abstract

Bei der Forschung und Entwicklung im Bereich der intelligenten Niederspannungsnetze, oft Smart Grids genannt, ist unter anderem die Analyse der Kommunikationsabläufe zwischen den kommunizierenden Geräten von großer Bedeutung. Eine der Herausforderungen dabei ist, dass die zur Informationsübertragung genutzten Energieübertragungsnetze naturgemäß nicht für Informationsübertragung optimiert sind. Es treten daher z.B. Reflexionen an nicht abgeschlossenen Leitungsenden, Interferenzen durch angeschlossene Geräte sowie inhomogenen Leitungstypen auf. Daraus ergeben sich ein geringeres Signal-to-Noise-Ratio, relativ geringe Bandbreiten und hohe Verlustraten. Ein Power Line Communication Protokoll, welches mit diesen Eigenschaften umgehen kann, ist das Automated Metering and Information System (AMIS)-Powerline Protokoll. Zur Analyse dieses Protokolls wird im Rahmen eines Forschungsprojektes vom Institut für Computertechnik der Technischen Universität Wien ein Kommunikationssimulator entwickelt. Dieser wird durch Messungen von realen Testnetzen an diese Testnetze angepasst. Das Ziel dieser Diplomarbeit war es, diesen Kommunikationssimulator so zu erweitern, dass eine Simulation von nicht gemessenen Niederspannungsnetzen anhand allgemeiner Daten über die Netzstruktur, wie z.B. die Leitungslänge, Anzahl der Abzweigungen, Anzahl der Sammelschienen, durchgeführt werden kann. Dazu wurde ein MATLAB Programm implementiert, mit welchem zuerst Daten aus mehreren verschiedenen Datenquellen zu einer Datenbasis zusammengeführt werden. Anschließend können mit der erstellten Datenbasis verschiedene Analysen durchgeführt werden. Trotz eingehender Analyse der erstellten Datenbasis, zuerst mit einem grafischen, später mit einem heuristischen Ansatz, konnte mit den vorliegenden AMIS-Messdaten und den Daten über die Netzstruktur kein Kommunikationsmodell entwickelt werden, welches die Kommunikationsabläufe zufriedenstellend beschreibt. Deshalb wurde das Ziel abgeändert, es sollte nun eine Verbesserung der Anpassung des Kommunikationssimulators an gemessene Netze erfolgen. Dies geschah durch Erweiterung des bereits für die Analyse implementierten MATLAB Programms derart, dass damit eine detailliertere statistische Auswertung der vorhandenen AMIS-Messdaten möglich gemacht wurde. Im Vergleich zur bisher vom Kommunikationssimulator verwendeten, über die gesamten AMIS-Messdaten eines Testnetzes gemittelte, Auswertung ist nun eine Berechnung der statistischen Kommunikationsparameter für jedes im Testnetz vorhandene AMIS-Gerät einzeln möglich. Damit wird eine wesentliche Verbesserung des Kommunikationssimulators erreicht. Das dazu im Zuge dieser Diplomarbeit implementierte MATLAB Programm kann weiters als Basis für weitere, neue oder noch detailliertere Analysen von AMIS-Testnetzen verwendet werden.

At science and development in the area of intelligent low power grid networks, which are often called Smart Grids, there is the need to analyze the communication behavior between the communicating devices. One challenge is that the power grid networks, that are used for information transmission, are not designed and optimized for information transmission. So there arise effects like reflections on not properly closed wire endpoints, interferences from connected devices, and inhomogenious wire types. These result in a low Signal-to-Noise-Ratio, low bandwidth (some kb/s) and high loss rates. One of the protocols that can deal with this properties is the Automated Metering and Information System (AMIS)-Powerline Protokoll. To be able to analyze this protocol a communication simulator is developed at the Institute of Computer Technology (ICT) of the Vienna University of Technology (TU-Wien). This communication simulator is fitted to real power grid networks by measurements of AMIS parameters done in this networks. The aim of this master thesis was to enhance this communication simulator in a way that a simulation of power grids, from which no measurements have been taken, is possible. This should be possible by having only information about the power grid itself, like distance of the wires, number of connections and number of bus bars. There was a MATLAB program implemented which first merges the data from several different datasources to a singe data structure, and then analyses this data structure. Despite exhaustive analysis of the data structure, beginning with a graphical analysis and after that with a heuristic approach, the development of a communication model that provided satisfactory results, could not be achieved. Because of that the aim was redefined, now the fitting to measured power grid networks should be enhanced. That was done by enhancing the MATLAB program, which was already implemented for the analysis, so that the calculation of the statistical communication parameters of the AMIS measurements could be done more accurate. Compared to the older statistical analysis of the AMIS measurements, which resulted in averaged values of the communication parameters for all AMIS measurements of a complete low voltage power grid network, it is now possible to calculate the statistical parameters for each AMIS device separately. This enhancement is a considerably improvement of the communication simulator. The MATLAB program, which was implemented for this master thesis, can also be used as a basis for new analysis or further enhancements and more detailed analysis of the AMIS measurements.