Nicht-intrusive Manipulation von Smart Metern erkennen und abwehren

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Texas Instruments Deutschland GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Energiediebstahl ist in vielen Regionen der Welt ein ernstzunehmendes Problem. Er führt zu Verlusten bei den Energieversorgern oder zu zusätzlichen Belastungen bei ehrlichen Kunden. Dabei gibt es einfache Mittel und Wege, diesen Diebstahl zumindest einzuschränken - auch wenn der Versuch der Manipulation nicht auf offensichtlichen Wegen erfolgt.

Im Interesse der Effizienzmaximierung müssen Energieversorgungsunternehmen (EVUs) alle Verluste, die zwischen der Erzeugung elektrischer Energie und der Bereitstellung beim Kunden entstehen, minimieren. Hierzu gehören auch die nicht-technisch bedingten Verluste, die beispielsweise durch Energiediebstahl entstehen. Zu den verbreitetsten Methoden für Energiediebstähle gehören Manipulationen an den relativ leicht zugänglichen Stromzählern.

Diese Manipulationen lassen sich auf verschiedene Weise vornehmen.Neben den bereits im ersten Teil beschriebenen intrusiven Methoden gibt es auch nicht-intrusive Wege, die ohne Eingriffe am Gehäuse auskommen.

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Eine solche Methode besteht darin, den Zähler mit Systemen zu beeinflussen, die elektromagnetische Interferenzen (EMI) oder elektrostatische Entladungen (ESD) erzeugen. Solche Attacken können den Stromzähler entweder permanent beschädigen oder ihn in einen Zustand versetzen, aus dem er ohne manuelles Zurücksetzen nicht wieder herauskommen kann. Stromzähler lassen sich durch ein gutes Systemdesign gegen derartige Angriffe wappnen – zum Beispiel durch die Verwendung von ESD/EMI-Schutzbausteinen oder die Minimierung von Unterbrechungen in der Massefläche der Leiterplatte.

Ebenfalls nicht-intrusiv sind magnetische Manipulationsversuche, die darauf beruhen, dass ein starker Magnet in der Nähe des Zählers platziert wird. Dieser sorgt dafür, dass in seiner Nähe befindliche Transformatoren in die Sättigung geraten und damit funktionslos werden. Insbesondere könnte solch ein starker Magnet einen Transformator in der Stromversorgung des Zählers oder einen Stromwandler außer Betrieb setzen.

Beim Ausfall des Transformators in der Stromversorgung könnte der Zähler die für seinen eigenen Betrieb benötigte Versorgungsspannung nicht mehr erzeugen, sodass dem betreffenden EVU-Kunden die von ihm verbrauchte elektrische Energie nicht mehr in Rechnung gestellt werden könnte. Würde der Magnet einen Stromwandler beeinflussen, so würde dieser weniger Strom erfassen als tatsächlich fließt, wodurch dem Kunden ebenfalls weniger als der tatsächliche Wirkenergieverbrauch berechnet würde.

Hall-Sensoren ermöglichen die Detektion von Magneten

Zu den Maßnahmen gegen magnetische Manipulationsversuche gehört beispielsweise die Verwendung eines Hall-Sensors zur Detektion eines Magneten und die Abhärtung des Zählers gegen Attacken dieser Art. Das von Texas Instruments (TI) zur Verfügung gestellte Referenzdesign „Magnetic Tamper Detection Using Low-Power Hall Effect Sensors Reference Design“ erläutert, wie es beispielsweise mit Hilfe dreier Hall-Sensoren vom Typ DRV5033 möglich ist, das Vorhandensein eines starken Magneten in allen drei Dimensionen festzustellen – ganz gleich, wie dieser Magnet in Bezug auf das Zählergehäuse ausgerichtet ist.

Ebenso wie bei der Erkennung von Manipulationsversuchen am Gehäuse, die im ersten Teil beschrieben wurden, kommt es auch bei den Hall-Sensoren auf einen geringen durchschnittlichen Stromverbrauch an, wenn das System von einer Hilfsstromversorgung wie etwa einer Batterie gespeist wird. Dieser geringe durchschnittliche Stromverbrauch der Hall-Sensoren lässt sich erzielen, indem diese von außen abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, wie es das Referenzdesign beispielhaft zeigt.

Um einen Transformator gegen magnetische Manipulation zu schützen, kann er mit einer Abschirmung versehen werden, was aber nur in gewissem Umfang effektiv ist. Eine weitere Option ist die Wahl eines Transformators, der entweder, wie beispielsweise ein Lufttransformator, magnetisch immun ist oder der so tolerant gegen externe Magnetfelder ist, dass er auch unter dem stärksten vom Entwickler erwarteten Magnetfeld noch funktioniert. Für Systeme, die keinen allzu großen Strom benötigen, bietet sich als dritte Option die Verwendung eines Kondensatornetzteils an, das ganz ohne magnetische Bauelemente auskommt.

Auch ein Stromwandler lässt sich durch Abschirmung vor magnetischen Manipulationsversuchen schützen. Jedoch gilt auch hier, dass dies nur in begrenztem Umfang effektiv ist. Die beste Option für eine magnetisch immune Strommessung ist die Verwendung von Shunt-Widerständen anstelle von Stromwandlern. Bei einem einphasigen Stromzähler ist dies relativ einfach. Hierzu muss lediglich der Shunt-Widerstand als Bezugspunkt für das System gewählt werden. Liegt der Shunt-Widerstand also in der Phase, muss das System auf die Phase bezogen werden, während es auf den Nullleiter bezogen werden muss, wenn sich der Shunt im Nullleiter befindet. Verwendet man den Shunt-Widerstand als Bezugspunkt, verhindert man, dass hohe und möglicherweise schädliche Spannungen an einen IC gelangen.

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