Impedance analysis of narrowband power line communication channels

Hallak, George

Power line communication (PLC) stands for a type of communication technology that aims to exploit the power delivery network for data transmission. Since the power grid was not originally conceived for data communication purposes, the transmission line is hostile and exhibits high attenuation, various types of noise, and frequency selectivity, which are caused by the presence of branches and unmatched impedance. For the efficient design of the next generation of smart metering and PLC applications, perfect knowledge of the PLC channel is fundamental. To enhance this knowledge, the influence of the low access impedance of the power line channel on PLC systems from a telecommunications point of view is studied in this work. Due to the increasing use of switched-mode power supplies with EMI filters inside electrical devices on the power grid, the situation of PLC transmitters has worsened and known concepts have lost their efficiency. In particular, the low access impedance at narrowband frequencies has changed the characteristics of the power line channel dramatically. As a result, the signal level permitted in the European standard EN 50065-1 cannot always be reached and the reliability of the transmission systems has deteriorated significantly. In this thesis, we present a comprehensive overview of PLC channel access impedance. First, we investigate the effects of low access impedance on narrowband-PLC applications with limited power consumption in terms of the achievable data rate. We show that the performance of the transmission system has been reduced for different access impedance scenarios. Then we develop an accurate access impedance measurement system in the frequency range of 30- 500 kHz to analyze the impedance behavior with respect to time and frequency. In this context, we carried out experimental impedance measurement campaigns on different power outlets at the university laboratory. Furthermore, this access impedance measurement system was extended to measure equipment load impedances during their operation mode on the power grid. The measured access and load impedances were also evaluated and verified according to their time and frequency characteristics. This evolution task represents the core objective of this thesis. Finally, we introduce an optimization method to improve the transmission performance of narrowband-PLC systems in the case of low access impedances. In this regard, we present a method for modeling the voltage transmitted by PLC applications corresponding to timevariant access impedances. We show that we were able to increase the achievable data rate and the packet error rate over the signal to noise ratio compared to the state of the art transmission for measured low access impedances.

Die Power-Line-Communication (PLC) steht für die Kommunikationstechnologie, die darauf abzielt, das Stromnetz für die Datenübertragung zu nutzen. Da das Stromnetz nicht für Datenkommunikationszwecke konzipiert wurde, ist die Übertragungsleitung feindselig und weist eine hohe Dämpfung, verschiedene Rauscharten und eine Frequenzselektivität auf, die durch das Vorhandensein von Verzweigungen und unerreichten Impedanz verursacht wird. Für ein effizientes Design der nächsten Generation von Smart Metering und PLC-Anwendungen ist, die perfekte Kenntnis des PLC-Kanals von grundlegender Bedeutung. Insofern wird in dieser Arbeit der Einfluss der niedrigen Anschlussimpedanz des Stromleitungskanals auf PLC Systeme aus Telekommunikations- Sicht untersucht. Durch den zunehmenden Einsatz von geschalteten Netzteilen mit EMV Filtern in elektrischen Geräten im Stromnetz verschlechtert sich die Situation für die PLC Sendern und bekannte Konzepte verlieren dramatisch an Effizienz. Insbesondere niedrige Anschlussimpedanzen in bestimmten Frequenzbereichen führen dazu, dass die erlaubten Grenzwerte der EN 50065-1 immer öfter nicht mehr erreicht werden können und als Folge sich die Zuverlässigkeit der Übertragung deutlich verschlechtert, dies kann zum totalen Systemausfall führen. In dieser Arbeit geben wir einen umfassenden Überblick über die Anschlussimpedanz des PLC-Kanals. Zunächst untersuchen wir die Auswirkungen der niedrigen Anschlussimpedanz auf schmalband PLC-Anwendungen mit begrenztem Stromverbrauch in Bezug auf die erreichbare Datenrate. Es wurde gezeigt, dass die Leistungsfähigkeit des Übertragungssystems für verschiedene Anschlussimpedanzszenarien reduziert wurde. Anschließend entwickeln wir ein präzises Anschlussimpedanzmesssystem im Frequenzbereich von 30-500 kHz, um das Impedanzverhalten in Bezug auf Zeit und Frequenz zu analysieren. In diesem Kontext haben wir experimentelle Impedanzmessungen an verschiedenen Steckdosen des Universitätslabors durchgeführt. Außerdem wurde das Anschlussimpedanzmesssystem erweitert, um die Lastimpedanzen während des Betriebs am Stromnetz zu messen. Die gemessenen Anschluss und Lastimpedanzen werden ebenfalls nach ihrem Zeit- und Frequenzverhalten bewertet und verifiziert. Diese Entwicklungsaufgabe stellt das Kernziel dieser Arbeit dar. Schließlich führen wir eine Optimierungsmethode ein, um die Übertragungsleistung von schmalband PLC-Systemen bei niedrigen Anschlussimpedanzen zu verbessern. Insoweit stellen wir ein Verfahren vor, um die übertragene Spannung durch PLC-Anwendungen nach zeitvarianten Anschlussimpedanzen zu modellieren. Es wird gezeigt, dass die erreichbare Datenrate und die Paketfehlerrate gegenüber dem Signal-Rausch-Verhältnis erhöht wurde, im Vergleich zu der Übertragung nach dem Stand der Technik für die gemessenen niedrigen Anschlussimpedanzen.

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Hallak, George: Impedance analysis of narrowband power line communication channels. 2018.

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