16. Januar 2016

Intelligente Energienetze

Stromdaten sammeln, sichern, übertragen

Das intelligente Stromnetz, auch Smart Grid genannt, lässt sich näherungsweise als intelligentes, kommunikationsorientiertes, sicheres und flexibles Netzwerksystem definieren. Schon in naher Zukunft wird die Infrastruktur für Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung einen deutlichen Wandel durchleben, hin zu einem wirklich intelligenten System, das für alle Beteiligten deutlich messbare Vorteile mit sich bringt. Darüber hinaus leisten solche intelligenten Energiesysteme künftig einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung von Kohlendioxidemissionen und erleichtern die Einbindung erneuerbarer Energiequellen. Hierzu existieren verschiedene Komponenten intelligenter Energienetze, Systemanforderungen und Lösungen auf dem Markt.
In den vergangenen Jahren ist der Energiebedarf ständig gestiegen. Dieser immer noch wachsenden Nachfrage können Energieversorger künftig Rechnung tragen, indem sie intelligente Versorgungsnetze und eine intelligente Koordinierung der Energielasten auf den bestehenden Netzen realisieren. Einen wichtigen Bestandteil intelligenter Netze bilden intelligente Verbrauchszähler. Mit ihrer Hilfe können Energieversorger Verbrauchsdaten sammeln und abhängig von der aktuellen Auslastung ihres Netzes Kunden zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Tarife anbieten. Doch die Entwicklung intelligenter Verbrauchszähler bringt eine Vielzahl von Herausforderungen mit sich, wie die präzise Erfassung von Sensordaten oder eine zuverlässige Systemplattform für die Entwicklung und Unterstützung unterschiedlicher Typen von Zählersystemen, bspw. intelligente Ein-, Zwei- und Dreiphasenzähler, die obendrein die unterschiedlichen Normen verschiedener Länder einhalten müssen. Gleichzeitig gilt es, unterschiedliche Kommunikationsstandards und Sicherheitsanforderungen zu unterstützen wie hardwaregestützte Manipulationserkennung oder der Schutz des eigentlichen Zählers durch Anbringen von Neigungssensoren sowie der Schutz der Software durch sichere Flashspeicher oder Welmec-Konformität. Aber auch der Schutz der Kundendaten sowie Echtzeitfunktionalität für Zeit- und Kalenderdaten sind sicher zu stellen. Und das ganze System soll natürlich möglichst wenig kosten.

Mikrocontroller für verschiedene Einsatzszenarien

Hier setzen die 8- und 32-Bit Mikrocontroller-Lösungen von Freescale an. Die Mikrocontroller eignen sich für die Entwicklung unterschiedlicher intelligenter Stromzähler. Während die 8-Bit Mikrocontroller für die Implementierung kostengünstige Einphasen-Stromzähler zum Einsatz kommen, werden die 32-Bit ColdFire-basierten MCF51EM256- und die Kinetis-Mikrocontroller mit ARM Cortex- M4-Kern für moderne intelligente Einphasen- und Drehstromzähler herangezogen. Mit dem ColdFire-basierten Mikrocontroller verfügt man über eine hoch integrierte Lösung mit zwei Flashspeicher-Bänken und 16-Bit A/D-Wandlermodulen für die Realisierung von Einphasen- und Drehstromzählern. Die Kinetis-basierten Mikrocontroller wiederum bilden eine Plattform für die Entwicklung intelligenter und sicherer Stromzählerkonzepte. Die Kinetis-Familie zeichnet sich durch ihren hohen Integrationsgrad mit speziellen Funktionen für die Messdatenerfassung aus, u.a. durch 16-Bit A/D-Wandler mit Programmable Gain Amplifier (PGA), Echtzeituhr, Flashspeichergrößen von 32K bis zu 1MB und die Möglichkeit, Tasks separat von einander auszuführen und Speicher und Peripheriemodule so zu konfigurieren. So lässt sich schutzbedürftiger Code von nicht-schutzbedürftigem trennen. Gleich mehrere vorzertifizierte Stromzähler-Referenzdesigns stehen zur Verfügung, um für Ingenieure die Entwicklungszeiten zu reduzieren. Die Referenzdesigns liefert der Anbieter mit einer kompletten Materialliste, Gerber-Dateien, Schaltplänen und Source Code für die Messdatenerfassungsalgorithmen. Für die Entwicklung des Stromzähler-spezifischen Codes wurde das Freescale MQX RTOS herangezogen. Für Ingenieure vereinfacht sich damit die Aufgabe, Anwendungen mit einem 32-Bit Mikrocontroller zu entwickeln.

Zähler mit Sicherheits- und NFC-Funktionen

Die Sicherheit in der Messdatenerfassung ist heute ein vieldiskutiertes Thema. So stellte Freescale vor kurzem Referenzdesigns für sichere Zähler, Pre-paid-Zähler und Smart Metering-Systeme mit speziellen integrierten Sicherheits- und Near Field Communication (NFC)-Funktionen vor. Darüber hinaus sorgt die Integration eines Neigungssensors oder Magnetometers auf der Mikrocontroller-Platine für die physikalische Sicherheit des intelligenten Zählers. Anforderungen bezüglich Cybersicherheit und Datenschutz unterstützen Hardware-Kryptografiemodule für AES und DES/3DES sowie ein speziell geschützter Ablageort für die Schlüssel. Intelligente Stromzähler können Energieverbrauchsdaten zum Stromversorger übermitteln und über das intelligente Netz des Energieversorgers unterschiedliche Tarifinformationen empfangen. Solch ein Netzwerk außerhalb des Haushalts – auch NAN (Neighborhood Area Network) genannt – verbindet den Stromzähler in der Wohnung mit dem nächsten Datensammelpunkt. Dieser wird auch Datenkonzentrator oder Aggregator genannt. Freescale bietet für das NAN sowohl drahtgebundene – also über das Stromnetz verbundene – als auch drahtlose Kommunikationslösungen an. Da auf dem Gebiet der Standardisierung noch Unsicherheit vorherrscht, hat Freescale im Sinne einer maximalen Flexibilität die Multi-PHY/MAC Smart Energy Software-Strategie ins Leben gerufen. Das Elektronikunternehmen splittet bei dieser Methode die Kommunikation in einen skalierbaren Mikrocontroller und ein kostengünstiges Modem mit PHY/MAC auf.

Kommunikation mit Thermostaten, Auto und Betreiber

Über das Home Area Network (HAN) innerhalb eines Haushalts lassen sich die vom Zähler empfangenen Tarifinformationen anderen ‚intelligenten Objekten‘ im Haushalt mitteilen. Beispiele für solche intelligenten Objekte sind programmierbare Thermostate, Haushaltsgeräte und in Zukunft auch auf dem Dach montierte Solarmodule oder Hybrid-Elektroautos. Freescale unterstützt HAN-Strukturen mit Lösungen wie ZigBee (MC13224 und MC13226) und Wireless MBus. Die Lösung für Wireless MBus basiert auf dem MC12311, einem ‚System in a Package‘-Baustein, der einen <1GHz-Transceiver sowie eine 8-Bit MCU umfasst. Anfang des vierten Quartals 2011 wurde darüber hinaus eine Partnerschaft mit Qualcomm rund um drahtgebundene HomePlug GreenPHY-Lösungen angekündigt. Das Home Energy Management-System (HEM) fungiert als Gateway zwischen dem HAN und dem Zähler. Außerdem bildet es die Schnittstelle für Kunden, über die sie mit den intelligenten Objekten kommunizieren und seine Präferenzen einstellen können. Die HEM-Lösungen von Freescale basieren auf den ARM-Prozessoren i.MX283 und Kinetis MK40 sowie dem Power Architecture-basierten MPC8308. In-Home Energy Display (IHED) bezeichnen ein kostengünstiges- bei großen Stückzahlen unter 10-US-Dollar Materialkosten für die Halbleiter - Referenzdesign, das die Systemingenieure bei Freescale mit dem Kinetis MK40 Mikrocontroller konzipiert haben. Das IHED kommuniziert mit einem intelligenten Zähler und informiert unmittelbar über Verbrauch von Strom und andere Energieträger. Das speziell für diesen Zweck entwickelte LCD-Display stellt unterschiedliche Parameter dar, beispielsweise Kosten für den Energieverbrauch oder Schätzwerte zur Kohlendioxidemission. Das IHED kommt in unterschiedlichen Arten von Funknetzen zum Einsatz. Dazu verfügt es über zwei intelligente HF-Transceiver, von denen einer im 2,4GHz 802.15.4- und der andere im <1GHz-Frequenzband arbeitet.

Hausoptimierung über das intelligente Netzwerk

Der Home-Energy Manager (HEM) wurde in einer offenen Architektur mit einem auf ARM9-Prozessor basierenden i.MX283 konzipiert. Dieser liefert hohe Prozessorleistung für schnelle Datenbanksuchen sowie komplexe Bedienschnittstellen und ermöglicht überdies eine Skalierung durch den Einsatz anderer Pin-kompatibler Familien, die unterschiedliche Funktionsumfänge anbieten. So lassen sich auf einer Plattform sowohl Systeme für die Einstiegsklasse als auch High-End-Lösungen realisieren. Darüber hinaus unterstützt der HEM offene Betriebssystemplattformen wie Linux und Windows Embedded sowie JVM und OSGI. Anwendern gestattet dies, neue Einsatzszenarien über Upgrades auf einfache Weise zu bedienen. Die neueste Version dieser Demo unterstützt die auf dem i.MX283 Referenzdesign implementierte Demand Response Softwaresuite. Service Provider suchen ständig nach Applikationen und Funktionen, mit deren Hilfe sie ihren Umsatz steigern, gleichzeitig aber Investitionen und Instandhaltungskosten senken können. Wollen Stromanbieter solche Dienste anbieten, so stellt das Networked Smart Gateway (NSG) eine praktische Plattform dar. Das NSG übernimmt in nur einem Gehäuse die Aufgaben eines Home Energy Gateways und eines Breitband-Gateways. So können Betreiber ihren Kunden zusätzlich Dienste wie Haushaltsautomatisierung, -überwachung und -schutz anbieten. Darüber hinaus dient das NSG als Bindeglied zwischen der Plattform vor Ort und mobilen Kommunikationsgeräten. Solch ein vernetztes intelligentes Gateway eröffnet natürlich auch neue Chancen für eCommerce-Dienste.

Zentrale Datensammlung für den Energieanbieter

Schließlich sammeln Datenkonzentratoren oder auch Datenaggregatoren an strategisch günstigen Punkten Verbrauchsdaten aus hunderten von Haushalten, konzentrieren die Daten und übermitteln sie an den Energieversorger. Zu den Schlüsselanforderungen für diese Applikation gehören hohe Prozessorleistung, Unterstützung für eine Vielzahl von Kommunikationskanälen und Sicherheitsfunktionen. Heute werden in dieser Anwendung P102x, MPC8308 und i.MX283 eingesetzt. Aktuell ist auch ein Referenzdesign für einen QorIQ-basierten Datenkonzentrator mit dem P1025 erhältlich. Dieses verfügt über Funktionen für eine intelligente Zählerinfrastruktur und erlaubt die bidirektionale Überwachung und Kontrolle in Echtzeit. Der Datenkonzentrator kommuniziert mit den intelligenten Zählern mit Hilfe der standardisierten Device Language Message Specification (DLMS), IEC62056 und unterstützt ein breites Spektrum von kabelgebundenen und drahtlosen Übertragungsprotokollen.

Ausgabe:
www.freescale.com/smartenergy

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