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Research unit
SFOE
Project number
SI/501392
Project title
Precise Time Synchronization of Phasor Measurement Units with Broadband Power Line Communications

Texts for this project

 GermanFrenchItalianEnglish
Key words
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Short description
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Publications / Results
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Inserted texts


CategoryText
Key words
(English)
Time Synchronization, Broadband Power Line Communications
Short description
(German)
Es soll untersucht werden, ob und wie mit dem zeitlich hochaufgelösten Kommunikationssignal von Broadband Power Line Communication die Zeitsynchronisation über das Stromnetz zwischen im Verteilnetz verteilten Phasor Measurement Geräten (PMUs) erreicht werden kann. Ein Ersatz der heute üblichen Synchronisation würde erhebliche Aufwendungen einsparen, und somit dazu beitragen, die Anwendung von PMUs im weitverzweigten Verteilnetz zu deblockieren.
Short description
(English)
An investigation will be carried out how a precise time synchronization can be achieved in a Broadband Power Line Communications in the distribution network between distributed Phasor Measurement Units (PMU). The goal is to provide a low-cost alternative to existing synchronization solutions in order to open the door for the more widespread use of PMUs in the distribution network.
Publications / Results
(German)

Für dieses Projekt wurde ein komplettes Systemdesign für eine End-to-End Zeitsynchronisation (Time Synchronization Protocol for PLUS PLUS-TimeSync) zwischen im Verteilnetz verteilten Phasor Measurement Geräten (PMUs) über ein Breitband Power Line (BPL) Kommunikationsnetzwerk erforscht, konzipiert und realisiert. BPL-Modems sollen in Transformatorstationen des Verteilnetzes installiert und eine Kommunikation über das elektrische Verteilnetz ermöglichen. Dies als Teil der voranschreitenden Verteilnetzautomatisierung u.a. mit mission- und zeitkritischen Grid Monitoring und Automation (MTC-GMA) Applikationen. Anwendungsbeispiele mit PMUs sind die Netzzustandserkennung (State Estimation) sowie Fehlerlokalisierung (Fault Location), diese dienten als Referenzapplikation für dieses Projekt. In der ersten Phase des Projektes wurden die relevanten Applikationen erfasst und die resultierenden Anforderungen für eine BPL-Zeitsynchronisation abgeleitet. Dabei ist zu beachten, dass Applikationen unterschiedliche Anforderungen betr. der Kommunikation haben. Die strengste betrifft die Zeitsynchronisation, die über das gesamte BPL-Netz eine Genauigkeit von maximal ± 3.1 Mikrosekunden (μs) aufweisen muss. In der folgenden Entwurfsphase wurden sowohl die Anforderungen fü die digitale Signalverarbeitung als auch fü das Netzwerkprotokoll analysiert und entwickelt. Dazu kamen die Model-Based-Design Methode sowie Simulationen zur Anwendung. Das resultierende Systemdesign erlaubt nicht nur die Synchronisation aller Geräe einer BPL-Zelle untereinander, sondern auch die Synchronisation auf eine externe absolute Zeitreferenz ausserhalb der Zellen. Die Synchronisationslöung wurde auf der Basis einer an der Hochschule Luzern zuvor entwickelten Power Line data bUS (PLUS) BPL-Technologie als Time Synchronization Protocol for PLUS (PLUS-TimeSync) realisiert. Sie stellt eine standardisierte Schnittstelle zwischen den BPL-Modems und den Endgeräen zur Verfüung, welche auf einem ein Puls pro Sekunde Signal (1PPS) basiert. Die Tests wurden mittels realistischen Kanalbedingungen in Laborumgebung durchgefürt und zeigten, dass mit dieser Löung eine Genauigkeit von ± 0.5 μs (also ca. Faktor 6 besser als die Anforderung) üer zwei «Hops» in einem Netzwerk erreicht wird. In einem Folgeprojekt wird die Entwicklung eines MTC-GMA-BPL-Gesamtsystems konzipiert und realisiert.

Publications / Results
(English)

A complete system design for the end-to-end time synchronization between end devices of a Phasor Measurement Unit (PMU) application over a Broadband Power Line Communications (BPL) network has been conceived. It is foreseen that BPL modems will be installed within secondary substations enabling communications over the electric grid as part of a larger system for mission- and time-critical grid monitoring and automation (MTC-GMA) applications. State estimation and fault location are examples of such applications requiring a PMU and are considered as reference applications for this project. The first step in the process was to capture the relevant use-cases and the resulting application requirements for the BPL time synchronization. Although each application has different requirements, the strictest requirement is that the time-synchronization solution must provide an end-to-end accuracy over the BPL network of ± 3.1 microseconds. This was followed by a design phase in which both the necessary digital signal processing as well as network protocol required for the time-synchronization have been developed using model based design and simulations. A system design has been defined allowing each BPL cell to not only synchronize all devices within the cell, but also synchronize to the absolute time outside of the cell. End-to-end synchronization is realized by providing a standardized interface between the BPL modems and end devices based on a one pulse per second (1PPS) signal. The synchronization solution has been realized on top of HSLU’s existing Power Line data bUS (PLUS) BPL technology. Tests have been carried out in a laboratory environment on realistic channel conditions and it has been shown that an accuracy in the range of ± 0.5 μs can be achieved over two “hops” in the network. Work continues in a follow-up project for developing a complete MTC-GMA BPL system.

Related documents
Publications / Results
(French)

La conception d’un système de synchronisation des horloges au travers d’un réseau par courant porteur en ligne (BPL: Broadband Power Line) a été conçu afin de permettre la synchronisation entre des périphériques connectés de bout en bout, telle qu’une unité de mesure de vecteur de phase (PMU: Phasor Measurement Unit). Il est prévu que des modems utilisant la technologie BPL soit installés dans des stations de transformation afin d’établir une communication au travers du réseau électrique, laquelle fait partie d’un plus vaste système qui a pour but la surveillance et l’automatisation du réseau électrique et dans lequel la mission et le temps sont essentiels (MTC-GMA : Mission- and Time-Critical Grid Monitoring and Automation). L’estimation de l’état du réseau ou la localisation de pannes sont des exemples d’applications qui requièrent une PMU et elles sont considérées comme des applications de références pour ce projet. La première étape a été de définir les domaines d’application ainsi que les exigences d’une synchronisation des horloges sur un réseau BPL. Bien que chaque application a des exigences différentes, la plus stricte pour un tel système est la tolérance de synchronisation de bout en bout du réseau BPL qui est de ± 3.1 microsecondes. La seconde étape fut la phase de conception du protocole de communication requis pour la synchronisation d’horloges recourant à la méthode MBD (Model-Based Design) ainsi qu’à des simulations. Le système a été défini afin de permettre à chaque modem d’une cellule de se synchroniser entre eux mais également de se synchroniser sur une horloge de référence se situant en dehors de la cellule. La synchronisation de bout en bout du réseau utilise une interface standardisée entre le modems BPL et les périphériques, basée sur un signlal de une pulstion par seconde (1PPS). La méthode de synchronisation a été réalisée à l·aide de la technologie BPL PLUS (Power Line data bUS) développé à l·HSLU. Finalement, des tests ont été effectués en laboratoire sur un canal réaliste et une synchronisation avec une précision de l·ordre de ± 0.5 μs a pu êre atteinte, au travers de deux modems connecté en cascade. Le déeloppement du projet se poursuit afin d·obtenir un system de synchronisation d·horloges BPL MTC-GMA complet.