The reduction of the impact of energy consumption is a priority issue and a major challenge that concerns every country in the world. This is a complex task that needs to be tackled from several angles in the search for areas where optimizations and savings can be made. In Sweden an electricity meter reading reform was fully implemented by 1st July 2009, including 5.2 million customers, and this created new set of circumstances in the Swedish electricity market. The main purpose of this thesis work has been to investigate the possibilities of increasing the use of remote meter readings. Two research questions have been: “How can the electricity market benefit from remote collected meter readings?” and “Where do barriers appear when utilizing meter readings?”. The work started in 2000/2001 to study Internet based applications that visualize electricity consumption patterns. Over these years the daily internet users have increased from approximately 40 % to 73 % and new markets for web-based applications have evolved. These solutions can be important in the forthcoming years as energy portals that hold new energy services. Experiences from new installations indicate that at least interested customers do submit information concerning building and household properties through internet. Still, it is challenging to enable the majority of customers to take part in these new solutions. It may therefore be important to remind customers on a regular basis in order maintain the frequency using the application and to make it habitual. Further the introduction of demand-based pricing allows electricity distribution utilities to achieve a stronger correlation between peak loads in the distribution network area and their revenues.

Ο στόχος της διπλωματικής αυτής είναι η περιγραφή της αναδυόμενης τεχνολογίας PLC (PowerLine Communication). Η τεχνολογία αυτή με τη χρήση του πανταχού παρόντος ηλεκτρικού δικτύου προσφέρει ακόμα και σε απομακρυσμένους χρήστες πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών και πρόσβαση στο διαδίκτυο, αποτελώντας μια ανταγωνιστική επιλογή τρόπου επικοινωνίας. Για την κατανόηση της PLC τεχνολογίας αρχικά κρίνουμε απαραίτητη την λεπτομερή περιγραφή της δομής του ηλεκτρικού δικτύου, του εξοπλισμού που απαιτείται για την εφαρμογή της και των αρχιτεκτονικών της. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στα προβλήματα που παρουσιάζονται και χρήζουν αντιμετώπισης. Επιπρόσθετα, γίνεται σύντομη παρουσίαση των εναλλακτικών υπηρεσιών και σύγκριση των PLC με αυτές. Η μετάδοση μέσω ηλεκτροφόρων καλωδίων προσφέρει ένα μεγάλο εύρος ζώνης, παρέχοντας μία γκάμα πολυάριθμων υπηρεσιών, όπως το έξυπνο σπίτι ή το AMR (Automatic Meter Reading) για τη διευκόλυνση τόσο των οικιακών χρηστών όσο και των επιχειρησιακών. Η χρήση των γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας ως τηλεπικοινωνιακό κανάλι απαιτεί την εφαρμογή των κατάλληλων τεχνικών πρόσβασης. Οι πιο διαδεδομένες τεχνικές είναι οι FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) και CDMA (Code Division Multiple Access) . Η παρούσα διπλωματική επικεντρώθηκε στην TDMA και την FDMA με διαμόρφωση σήματος OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) η οποία ονομάζεται OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Πραγματοποιήθηκαν εξομοιώσεις σε Matlab διάφορων αλγορίθμων αναλογικής δικαιοσύνης με τεχνική OFDMA και ταυτόχρονη εξομοίωση της TDMA. Στόχος είναι να συγκρίνουμε τους αλγόριθμους αυτούς ως προς το συνολικό ρυθμό μετάδοσης και τη δικαιοσύνη κατανομής των πόρων στους χρήστες. Από τη σύγκριση αυτή προκύπτει ότι η τεχνική TDMA αποδίδει λιγότερο, ενώ από τους υπόλοιπους αλγόριθμους τα καλύτερα αποτελέσματα επιφέρει ο αλγόριθμος των Bill et al., με ισορροπία του συνολικού ρυθμού μετάδοσης και της επιθυμητής δικαιοσύνης. / Main goal of this diploma thesis is the description of the up and coming PLC (PowerLine Communication) technology. This technology offers access to the web and to several broadband services to even distant and isolated users, by exploiting the power line grid, widely spread to nearly all surface land sites, consisting this way a competitive communication alternative. For a better comprehension of the PLC technology, this work starts with a detailed description of the power line grid, the several PLC technology architectures and the necessary equipment for their application. Following this work, there is a reference to any possible problems that need to be overcome and a short comparative presentation of the PLC technology versus other alternatives to it. The data transmission over electricity lines offers a wide bandwidth and thus it may support a variety of applications, as the smart home and AMR (Automatic Meter Reading) for the proper service of either domestic or industrial users. The use of electricity power lines as a communication channel necessitates the application of multiple access Strategies as FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) and CDMA (Code Division Multiple Access), which are currently the most popular. This thesis is focused on TDMA and FDMA with OFDM signal modulation. This technique is called OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Several proportional rate constraints algorithms were simulated in Matlab applying both OFDMA and TDMA strategies in order to compare these algorithms in terms of the maximized total throughput and the fair allocation of resources to the end users (fairness). From this comparison it comes up that TDMA technique is less efficient, whereas from the other algorithms the most efficient is the one of Bill et al., that offers a good balance between total throughput and fairness.

El món de les comunicacions per la xarxa elèctrica (CXE) pot ser dividit en tres grans tipus: CXE en baix voltatge (CXE-BV), en mig voltatge (CXE-MV) i en alt voltatge (CXE-AV). En aquests últims anys, les CXE-BV han atret una gran expectació, ja que les seves capacitats han fet d'aquesta tecnologia una bona opció com alternativa pel bucle local d'accés i pel desplegament de xarxes d'àrea local, focalitzades aquestes últimes en l'entorn domèstic. A més, les CXE-BV inclouen un conjunt d'aplicacions de baixa velocitat orientades a l'operador, com la lectura automàtica de comptadors (LAC), distribució de càrrega, facturació dinàmica, etc. Per altra banda, les CXE-MV i CXE-AV, històricament lligades a tasques de telecontrol i teleprotecció, s'estan començant a considerar com un canal de comunicacions eficient i fiable. El desenvolupament de sistemes digitals i els esforços d'estandardització estan fent d'aquests canals un medi atractiu per a que els operadors elèctrics ofereixin serveis de comunicacions, ja que no necessiten invertir en infraestructura perquè la xarxa elèctrica ja està desplegada.En aquesta Tesi s'introduiran i es comentaran les particularitats de les tres xarxes elèctriques, després, es mostraran al lector les solucions tecnològiques existents pels canals de BV basats en la norma Europea CENELEC així com pels canals d'AV, mostrant que els sistemes actuals de LAC ofereixen una diversitat freqüencial molt baixa i que els mòdems CXE-AV estan ancorats en estendards antiquats.Aquest treball es mou per les tres topologies de la xarxa, particularment, en aplicacions orientades a la banda CENELEC, en mesura i modelat de canal, i en mesura i disseny del nivell físic per sistemes CXE-BV, CXE-MV i CXE-AV respectivament. Els sistemes actuals que exploten la banda CENELEC ofereixen mecanismes d'explotació de la diversitat freqüencial del canal molt limitats o nuls, donant lloc a una baixa robustesa en front a interferències i soroll de fons acolorit. Aquest treball proposa un esquema de modulació multiportadora que, mantenint una complexitat baixa, ofereix unes altes prestacions permetent un bon nivell d'explotació de la selectivitat freqüencial. Per al que a CXE-MV respecta, aquesta Tesi desenvolupa un model de canal determinístic-estadístic pels anells urbans de distribució de potència i, finalment, en sistemes CXE-AV, aquest treball proposa, basat en mesures de canal i proves de camp, un nivell físic de banda ampla capaç de incrementar la velocitat de comunicació mentre manté una baixa densitat espectral de potència limitant així la interferència a altres sistemes.PARAULES CLAU: Power line communications (PLC), low voltage (LV), medium voltage (MV), high voltage (HV), automatic meter reading (AMR), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), multicarrier spread spectrum (MC-SS), communication system design, channel measurements, channel modeling, scattering parameters. / El mundo de las comunicaciones por la red eléctrica (CRE) puede ser dividido en tres grandes tipos: CRE en bajo voltaje (CRE-BV), en medio voltaje (CRE-MV) y en alto voltaje (CRE-AV). En estos últimos años, las CRE-BV han atraído una gran expectación, ya que sus capacidades han hecho de esta tecnología una buena opción como alternativa para el bucle local de acceso y para el despliegue de redes de área local, focalizadas estas últimas en el entorno doméstico. Además, las CRE-BV incluyen un conjunto de aplicaciones de baja velocidad orientadas al operador como la lectura automática de contadores (LAC), distribución de carga, facturación dinámica, etc. Por otro lado, las CRE-MV y CRE-AV, históricamente ligadas a tareas de telecontrol y teleprotección, se están empezando a considerar como un canal de comunicaciones eficiente y fiable. El desarrollo de sistemas digitales y los esfuerzos de estandarización están haciendo de estos canales un medio atractivo para que los operadores eléctricos ofrezcan servicios de comunicaciones, ya que no necesitan invertir en infraestructura porque la red eléctrica ya está desplegada.En esta Tesis se introducirán y se comentarán las particularidades de las tres redes eléctricas, luego, se mostrarán al lector las soluciones tecnológicas existentes para los canales de BV basados en la norma Europea CENELEC así como para los canales de AV, mostrando que los sistemas actuales de LAC ofrecen una diversidad frecuencial muy baja y que los módems CRE-AV están anclados en estándares anticuados.Este trabajo se mueve por las tres topologías de red, particularmente, en aplicaciones orientadas a la banda CENELEC, en medida y modelado de canal, y en medida y diseño del nivel físico para sistemas CRE-BV, CRE-MV y CRE-AV respectivamente. Los sistemas actuales que explotan la banda CENELEC ofrecen mecanismos de explotación de la diversidad frecuencial del canal muy limitados o nulos, dando lugar a una escasa robustez frente a interferencias y ruido de fondo coloreado. Este trabajo propone un esquema de modulación multiportadora que, manteniendo una complejidad baja, ofrece unas altas prestaciones permitiendo un buen nivel de explotación de la selectividad frecuencial. Por lo que a CRE-MV respecta, esta Tesis desarrolla un modelo de canal determinístico-estadístico para los anillos urbanos de distribución de potencia y, finalmente, en sistemas de CRE-AV, este trabajo propone, basado en medidas de canal y pruebas de campo, un nivel físico de banda ancha capaz de incrementar la velocidad de comunicación mientras mantiene una baja densidad espectral de potencia limitando así la interferencia a otros sistemas.PALABRAS CLAVE: Power line communications (PLC), low voltage (LV), medium voltage (MV), high voltage (HV), automatic meter reading (AMR), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), multicarrier spread spectrum (MC-SS), communication system design, channel measurements, channel modeling, scattering parameters. / The world of Power line communications (PLC) can be divided into three main types: low voltage PLC (LV-PLC), medium voltage PLC (MV-PLC) and high voltage PLC (HV-PLC). These last years, LV-PLC has attracted a great expectation since its wideband capabilities has made this technology a suitable choice for last-mile access and in-home communications. Moreover, LV-PLC also includes a utility oriented low frequency and low speed applications, such as automatic meter reading (AMR), load distribution, dynamic billing and so on. On the other hand, MV-PLC and HV-PLC, historically oriented to teleprotection and telecontrol tasks, are being considered as a reliable communication channel. The development of digital equipment and the standardization efforts are making those channels an attractive medium for electrical utilities telecommunications services, since the network, as well as in LV-PLC, is already deployed. In this PhD dissertation, the three different PLC topologies are reviewed and the different communications techniques in such channels exposed. Then, a deep technological review of existing AMR solutions for the European CENELEC band, as well as HV-PLC systems is given, showing that existing AMR systems deliver low frequency diversity and HV-PLC systems are anchored in old fashioned standards.This work walks around the three topologies, specifically, CENELEC band utility oriented applications, channel measurement and modeling and channel measurement and physical layer design, regarding LV-PLC, MV-PLC and HV-PLC respectively. Existing CENELEC compliant systems deliver low or none frequency diversity mechanisms, yielding in a low robustness against colored noise and interference. This work propose a multicarrier based physical layer approach that, while keeping the complexity low, delivers high performance allowing a great level of frequency diversity. Focusing on MV-PLC, a hybrid deterministic-statistical channel model for urban underground rings is developed and, finally, in HV-PLC systems, this work proposes, based on measurements and field tests, a wideband physical layer in order to increase data rate while keeping low both the power spectral density and possible interference to other systems.KEYWORDS: Power line communications (PLC), low voltage (LV), medium voltage (MV), high voltage (HV), automatic meter reading (AMR), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), multicarrier spread spectrum (MC-SS), communication system design, channel measurements, channel modeling, scattering parameters.