Mission- & Time Critical Medium Voltage Broadband Power Line Communications for Synchrophasor Applications in the Distribution Grid

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501504

Key words (English)

Broadband Power Line Communications, Medium Voltage, Synchrophasors

Short description (German)

Ob und wie kann mit Broadband Power Line Communication über Mittelspannungsleitungen eine Kommunikationsschnittstelle für im Verteilnetz verteilte Synchro-Phasormessgeräte (PMUs) erreicht werden, die sich im Transmissionsnetz bewährt haben. Damit würde eine kostengünstige Kommunikation für PMUs ermöglicht und eine wesentliche Hürde für deren breiten Einsatz für Netzüberwachung, Schutz & Automation im weitverzweigten Verteilnetz beseitigt.

Short description (English)

An investigation will be carried out how Broadband Power Line Communications can be used in the distribution grid which fulfills the communication requirements of Phasor Measurement Units (PMU). The goal is to provide a low-cost communication interface in order to open the door for the more widespread use of PMUs in the distribution network.

Publications / Results (German)

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• Fachartikel "Stromnetz-Monitoring via das Stromnetz" [PDF] 1'909 kB

Publications / Results (French)

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• Article "Surveillance de réseau possible via le réseau" [PDF] 1'859 kB

Final report (German)

Weltweit wird durch die zunehmende Einführung von dezentralen Energiequellen ein wachsender Druck auf die elektrischen Netze und insbesondere auf die Mittelspannungsnetze (MS-Netz) ausgeübt. Die Netze müssen in der Lage sein, neue Energieflussmuster in einem dynamischen Umfeld aufzunehmen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, nicht nur die Überwachung des Netzes zu erhöhen, sondern auch den Einfluss potenzieller Störungen im Netz aktiv zu erkennen und zu minimieren. Dies erfordert Mission- und Time-Critical (MTC) Anwendungen wie Phasor Measurement Units (PMU), die Synchrophasoren messen, oder Line Differential Protection (LDP). Die Kommunikationsanforderungen solcher Anwendungen (hohe Verfügbarkeit, geringe Latenzzeiten) stellen jedoch eine grosse Herausforderung für die Kommunikationsinfrastruktur dar.

Die Motivation für dieses Projekt war die Entwicklung einer neuen Grid Monitoring & Automation (GMA) -Lösung, die das volle Potenzial der Broadband Power Line Communications (BPL) für GMA-Anwendungen im MS-Netz nutzt. Der grosse Vorteil einer MS-BPL-Lösung ist die kostengünstige Kommunikationsinfrastruktur, da das MS-Netz selbst als Kommunikationsmedium dient. Dieses Ziel wurde durch Anpassungen der MS-BPL-Technologie erreicht, welche MTC-Funktionen wie Zeitsynchronisation, hohe Verfügbarkeit und niedrige Latenzzeiten ermöglichen. Optimierungen des MS-BPL-Protokolls wurden in einer Simulationsumgebung durch den Model-Based Design Ansatz realisiert. Die Umsetzung erfolgte anhand mehrerer Prototypen, welche in Laborumgebung sowie auf einer MS-Freileitung an der HSLU getestet wurden. Die Tests haben gezeigt, dass die entwickelte MTC-MS-BPL-Lösung die hohen Anforderungen von LDP- und PMU-Anwendungen erfüllen kann. Weitere Feldversuche mit der MTC-MS-BPL-Technologie werden nun in einem Pilot- und Demonstrationsprojekt durchgeführt.

Final report (English)

Worldwide, increasing pressure is being placed on the electric grids and, in particular, the Medium Voltage (MV) grids due to the increasing introduction of Distributed Energy Resources (DER). Grids must be able to accommodate new energy flow patterns in a more dynamic environment. This leads to the need not only for increasing the monitoring of the grid, but also to actively detect and mitigate the influence of potential faults in the grid. This requires Mission-and-Time-Critical (MTC) applications such as Phasor Measurement Units (PMU) measuring synchrophasors or Line Differential Protection (LDP). However, the communication requirements of such applications (high availability, low latency) provide a significant challenge to the communication infrastructure.

The motivation behind this project has been the development of a new Grid Monitoring & Automation (GMA) solution which takes advantage of the full potential of Broadband Power Line Communications (BPL) for enabling GMA applications in the MV grid. The major advantage provided by a MV-BPL solution is the low-cost communications infrastructure as the MV grid serves also as the communications medium. This goal has been achieved by adapting the MV-BPL technology in order to enable MTC functionality including time synchronization, higher availability and low-latency. Optimizations to the MV-BPL protocol have been aided through a model-based design approach in a simulation environment. The optimizations have been realized on a series of prototypes and tested within a laboratory environment as well as on a MV overhead test line at HSLU. Testing has shown that the developed MTC-MV-BPL solution can meet the strict requirements of LDP and PMU applications. Further field trials with the MTC-MV-BPL technology will now be performed in a follow-up "Pilot and Demo" project.

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• Mission- & Time-Critical Medium Voltage Broadband Power Line Communications for Synchrophasor Applications in the Distribution Grid - Final report [PDF] 4'089 kB

Final report (French)

De manière globale, une pression grandissante est appliquée sur les réseaux électriques, et en particulier sur les réseaux de moyennes tensions (MT). La cause étant l’introduction croissante des ressources énergétiques distribuées (RED). Ainsi, les réseaux doivent être capables de s’adapter à de nouveaux modèles de flux d’énergie dans un environnement plus dynamique. Il est donc nécessaire d’augmenter la surveillance du réseau ainsi que d’activement détecter et réduire l’influence de potentielles erreurs dans les réseaux électriques. Ces genres de contrôles requièrent des applications telles que des unités de mesure de phaseurs (Phasor Measurement Unit - PMU) qui permettent, entre autres, la protection différentielle de lignes. De façon générale, les exigences de telles applications, grande disponibilité et courte latence, induisent un grand défi pour les infrastructures de communication.

La motivation derrière ce projet a été le développement d’une nouvelle solution pour la surveillance et l’automatisation des réseaux électriques, basée sur les avantages de la communication par courant porteurs en ligne (Broadband Power Line Communication - BPL) qui permettent l’intégration d’applications de surveillance et d’automatisation dans les réseaux MT. L’avantage majeur de la technologie BPL, utilisée dans les réseaux de moyennes tensions (BPL-MT), est le bas coût des infrastructures de communication, le réseau électrique existant servant également de moyen de communication. L’objectif a été atteint en adaptant la technologie BPL-MT, en activant les fonctionnalitées MTC (Mission-and-Time-Critical) lequelles incluent la synchronisation d’horloge, une disponibilité accrue ainsi qu’une latence réduite. Les optimisations apportées au protocole BPL-MT ont été réalisées, dans un premier temps, à l’aide d’une approche conceptuelle basée sur un model exécuté dans un environement de simulation. Par la suite, des prototypes ont été élaborés, puis testés en laboratoire ainsi que sur une ligne de test MT à l’HLSU. Les tests ont montré que la solution développée, BPL-MT-MTC, couvre les exigences requises pour la protection différentielle de lignes et des applications utilisant des PMU. De plus amples essais utilisant cette technologie, BPL-MT-MTC, seront effectués lors du prochain projet, pilote et de démonstration.