Komplexe Kommunikationsaufgaben und hohe Sicherheitsanforderungen

Intelligente Zähler - und was sie können müssen

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Die meisten der heute weltweit installierten Zähler müssen manuell abgelesen werden. Sie sollen durch elektronische Zähler ersetzt werden, die nicht nur die Fernablesung gestatten, sondern über zusätzliche Intelligenz Lastmanagement ermöglichen. Doch wie sieht ein intelligenter Zähler aus und was muss er können?

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Grundlegende Architektur eines Verbrauchszähler-SoCs. Die Peripheriemodule und Funktionen, die aus dem Zähler einen intelligenten Zähler machen, sind durch rote Strichlinien hervorgehoben.

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Grundlegende Architektur eines Verbrauchszähler-SoCs. Die Peripheriemodule und Funktionen, die aus dem Zähler einen intelligenten Zähler machen, sind durch rote Strichlinien hervorgehoben.

Die grundlegenden Elemente eines intelligenten Verbrauchszählers entsprechen denen der Basisversion eines elektronischen Zählers. Die intelligente Ausführung unterscheidet sich jedoch von der Basisversion darin, dass sie unter anderem effizienter mit der Außenwelt kommuniziert, einzelne Geräte steuern und überwachen kann, über bessere Anzeigemöglichkeiten, mehr Rechenleistung und Speicher, Sicherheitsfunktionen und einen Manipulationsschutz verfügt. Die Kommunikation ist dabei ein wesentlicher Aspekt. In der grundlegenden Architektur bildet die Kommunikation einen Block, dahinter verbirgt sich allerdings eine hohe Komplexität.

Power Line Communication

Die Power Line Communication (PLC), also die Kommunikation über die vorhandene Stromleitung, ist häufig die preiswerteste Art der Kommunikation zwischen Zähler bzw. Kunde und Versorger (zumindest was die Infrastruktur angeht). Vor allem gilt das in Gegenden, in denen die Bevölkerungsdichte so gering ist, dass sich die Investitionskosten für die Installation anderer Protokolle nie wieder einspielen ließen. Außerdem basiert die Kommunikation im Home Area Networking (HAN) meist auf PLC. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann der Zähler mit beliebigen Geräten (diese werden als Slaves konfiguriert) interagieren und deren Betrieb je nach erhaltener Anforderung steuern. Auch unterliegt diese Methode keinen Einschränkungen – sie funktioniert durch Wände hindurch und ist immun gegen Störungen durch Funksignale.

Satt mit Zero-Crossing- oder Spread-Spectrum-Technologien arbeiten PLC-Systeme heute bevorzugt auf Basis von Schmalbandverfahren mit zwei Trägerfrequenzen. Dies ermöglicht trotz vorhandener Störquellen eine zuverlässige Kommunikation. Beim so genannten Acknowledged Messaging werden Datenpakete zunächst im C-Band mit einer Primärfrequenz von 132 kHz übertragen. Kommt keine Bestätigung zurück, so wird das Paket noch einmal auf der Sekundärfrequenz von 115 kHz gesendet. Werden wiederholt Nachrichten ausgetauscht, so werden die Pakete abwechselnd auf der Primär- und auf der Sekundärfrequenz übermittelt. Die Übertragung zum Versorgungsunternehmen erfolgt bei 86 kHz im A-Band, die Sekundärfrequenz liegt bei 75 kHz. Die Kommunikation von Geräten über das HAN innerhalb des Haushalts findet deshalb im C-Band statt, während der Zähler mit dem Stromnetz im A-Band kommuniziert.

Kommunikation über GPRS/GSM/CDMA

GPRS ist ein weiteres preiswertes Kommunikationsverfahren, das sich für die Übertragung von Daten zwischen Stromzähler und Versorgungsunternehmen bereits existierender Mobilfunknetze  bedient. Die Kommunikation mit dem Zähler erfolgt auf die gleiche Art und Weise wie ein Handygespräch. Dieses System setzt voraus, dass der Zähler – wie ein Handy – mit einer SIM-Karte ausgestattet wird. Jeder Zähler lässt sich auf diese Weise eindeutig identifizieren. Der Zähler übermittelt den aktuellen Zählerstand zusammen mit anderen Daten – beispielsweise einem Manipulationsalarm – in regelmäßigen Abständen über Dienste wie SMS oder GPRS. Auf ähnliche Weise kann das Versorgungsunternehmen Software-Updates und Kundeninformationen wie die Stromrechnung und sonstige Mitteilungen über SMS oder GPRS an den Zähler übertragen, der die Informationen im internen Speicher abgelegt und auf einem Display anzeigt.

Auch die Installation von Pre-Paid-Zählern ist auf diese Weise möglich. Der Kunde kauft eine Guthabenkarte und gibt am Zähler über die Tastatur einen Nutzernamen und einen entsprechenden Code ein. Der Zähler verifiziert die Pre-Paid-Karte dann über das Netzwerk. Mit entsprechenden Kryptotechnologien in Hardware oder in Software erfolgt die Authentifizierung gleich im System. Nach der Bestätigung durch den Versorger wird der entsprechende Betrag im internen Speicher des Zählers hinterlegt. Das System zeigt dem Kunden seinen verbliebenen Betrag an, so dass er sein Guthaben für den jeweiligen Zähler rechtzeitig aufladen kann.

Die Kommunikation über Mobilfunk bietet gegenüber der PLC-Technologie den Vorteil, dass sie ohne Optokoppler auskommt. Außerdem muss die Elektronik des Zählers beim PLC-Verfahren vor den hohen Spannungen des Stromnetzes geschützt werden. Auf keinen Fall darf eine direkte Verbindung zwischen den Stromleitungen und dem SoC zustande kommen, was dessen Zerstörung zur Folge hätte. Dazu benötigt man entsprechende Schutzmechanismen.

ZigBee- und Infrarot-Schnittstellen (IR)

Diese beiden Kommunikationsverfahren sind für eine Kommunikation über kurze Entfernungen konzipiert. Der Ableser könnte mit einem ZigBee- oder IR-Transceiver ausgerüstet am Haus vorbeikommen, sich über sein Handgerät mit dem Zähler verbinden und den Zählerstand, Manipulationsmeldungen usw. auslesen. Man benötigt dann zwar immer noch Personal, aber die Ablesung geht schneller, die Ablesekosten sinken und durch den Menschen verursachte Fehler gehen gegen Null.

In HANs kommt diesen beiden Verfahren eine Schlüsselrolle zu. Dort können alle Geräte mit dem Zähler oder einer Energie-Gateway über Funk vernetzt werden. Auf diese Weise kann ein Zähler oder eine Energie-Gateway die volle Kontrolle über alle Geräte im Haushalt ausüben und alle Tarifoptionen voll ausschöpfen. Das ist der Ausgangspunkt für ein intelligenten Netzes. In einem intelligenten Netz findet eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Kunden und dem Versorgungsunternehmen statt. Der Kunde kann dann bestimmen, wann und wie viel Strom, Gas oder Wasser er nutzt. So kann man Abläufe effizienter planen, beispielsweise können Geräte, die viel Energie verbrauchen, aber nicht ganz so wichtig sind, zu einer Zeit außerhalb der Spitzenauslastung des Netzes aktiviert werden, wodurch Verbrauchsspitzen entschärft werden.

1. Teil: Intelligente Zähler - und was sie können müssen
2. Teil: Ethernet, Smartcard-Interface, Externe Schnittstellen
3. Teil: Anzeige und Sicherheitsfunktionen
4. Teil: Automatic Meter Reading

Weiterführende Links:

• Energieeffizienz ins Haus packen!: 1. Energie & Technik Smart Home & Metering Summit
• Lastprofildaten optimieren, schnell Informationen gewinnen, Kosten sparen: Werkzeugkasten für die Energiedatenanalyse
• Smart-Metering-Spezialist Sentec über die Markt-Anforderungen: Make or buy – wie maßgeschneiderte Smart Meter die Effizienz steigern
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