Smart Grid Wie sich Smart Meter zuverlässig schützen lassen

Smart Meter sind einer ganzen Reihe von Bedrohungen wie transienten Überspannungen aus dem Netz ausgesetzt und müssen entsprechend geschützt werden. Wir verraten Ihnen, worauf dabei zu achten ist.

Anbieter zum Thema

Heitec AG

ROHM Semiconductor GmbH

Syslogic GmbH

Bourns Sensors GmbH

Das Smart Grid gilt als Evolution des Utility-Netzwerks, welches Energieversorger, Telekommunikationsinfrastruktur und Informationstechnologie miteinander verbindet. Das ultimative Ziel ist die reibungslose Kommunikation zwischen Energieversorgern und Endverbrauchern in einem echten „End-to-End“-Smart-Grid. Intelligente Energiezähler – so genannte Smart Meter – zählen zu den wichtigsten Anwendungselementen im Smart Grid.

Seit dem Deutschen Energiewirtschaftsgesetz 2011 kommt ihnen eine noch höhere Bedeutung zu. Das Gesetz sieht vor, dass nicht nur in Neubauten, sondern auch in Privathaushalten mit einem Stromverbrauch von mehr als 6000 kWh pro Jahr sowie in bestimmten neuen regenerativen Kraftwerken Smart Meter installiert werden müssen. Angesichts dieser Anforderungen wird erwartet, dass in Deutschland 15% mehr intelligente Energiezähler zum Einsatz kommen werden.

Smart Meter kommunizieren bidirektional

Beim Endverbraucher installierte Smart Meter ermöglichen die bidirektionale Echtzeit-Kommunikation zwischen dem Umspannwerk oder der Zentrale des Energieanbieters und dem Endverbraucher. Smart Meter sind hybride Fernmessgeräte, die Mess-, Verarbeitungs- und Aufzeichnungsfunktionen mit Kommunikationsfunktionen kombinieren.

Sie unterstützen zahlreiche Kommunikationsprotokolle und dienen im Wesentlichen der netzwerkbasierten Übertragung von Verbrauchsdaten an den lokalen Energieversorger, der anhand dieser Daten den Verbrauch überwacht und abrechnet.

Zuverlässiger Schaltungsschutz ist enorm wichtig

Wenn herkömmliche Verbrauchszähler durch intelligente Stromzähler ersetzt werden, so birgt dies viele Herausforderungen:

• unterschiedliche Kommunikationsprotokolle,

• Systeme, die je nach Region unterschiedliche Normen erfüllen müssen,

• Schutz der Kommunikationssysteme und Schaltkreise im Smart Meter.

Je mehr der Markt für Smart Meter anzieht, desto wichtiger ist es, dass Konstrukteure schon zu Beginn des Entwicklungsprozesses ihr Augenmerk auf einen zuverlässigen Schaltungsschutz richten. Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über Smart-Meter-Designs und stellt in diesem Zusammenhang verschiedene Komponenten für eine zuverlässige Überwachung und den Schutz von Smart-Meter-Schaltungen vor.

Zudem werden die Anforderungen aus diversen Schaltungsschutznormen beleuchtet und ein Lösungsansatz erläutert – eine Kombination von Bourns Shuntwiderständen für die Strommessung, Bourns-VS-Dioden (Transientenspannungsunterdrückung), Gasentladungsröhren (GDTs), Schmelzsicherungen und Multifuse-PPCT-Sicherungen, die interne Signale und Kommunikationsschnittstellen zuverlässig schützen.

Was Smart Meter alles können müssen

Smart Meter unterscheiden sich auf den ersten Blick nicht weiter von herkömmlichen Strom-, Gas- oder Wasserzählern in Privathaushalten oder Betrieben. Sowohl Smart Meter als auch herkömmliche Zähler beinhalten Messtechnik – sie messen Spannung, Strom, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur oder Durchfluss und übermitteln diese Daten an den Energieversorger. Ein Unterschied ist jedoch, dass Smart Meter den Verbrauch in Intervallen von einer Stunde oder weniger aufzeichnen.

Darüber hinaus ermöglicht die Advanced Metering Infrastructure (AMI) im Smart Meter die bidirektionale Kommunikation zwischen dem Energieversorger und Verbraucher und unterstützt die Fernauslesung. Der Einsatz von Smart-Meter-Systemen beinhaltet drei wichtige Aspekte: bewusster Umgang mit Energie (dem Endverbraucher werden Tarifdaten übermittelt), Reaktion auf die Tarifdaten (der Endverbraucher kann entsprechend reagieren) sowie Notfall-Management (auf Energieengpässe kann sofort reagiert werden).

Die wichtigsten Bestandteile eines Smart Meters

Die drei wichtigsten Bestandteile eines Smart Meters sind Stromversorgung, Mikrocontroller und Kommunikationsschnittstelle. Die Stromversorgung beinhaltet ein Schaltnetzteil und eine Batterie-Pufferung, die sicherstellt, dass die Messelektronik auch bei einem Stromausfall weiterarbeiten kann. Der Mikrocontroller (MCU) beinhaltet meist einen Analog-Digital-Wandler (ADC) und Digital-Analog-Wandler (DAC), um die notwendige Intelligenz bereitzustellen. Über eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsschnittstelle interagiert der Zähler schließlich mit dem Stromnetz und unter Umständen auch dem Netzwerk des Endverbrauchers. Bild 1 zeigt die Komponenten eines Smart-Meter-Designs.

Mess- und Schutzkomponenten im Smart Meter

Ein Smart Meter hat empfindliche Schaltkreise und unterstützt meist zahlreiche Kommunikationsprotokolle. Die Sensor- und Schutzschaltkreise sowie die Messwiderstände sind wichtige Elektronikbauteile des Smart Meters. Für die AFE-IC-basierten Messungen sind präzise Widerstände unerlässlich: Reihenwiderstände für das Erfassen der Stromstärke, Kalibrierwiderstände mit niedrigem Temperaturkoeffizient und geringer Initialtoleranz für die Spannungsabfrage, sowie Strommesswiderstände für Geschwindigkeit, Druck, Temperatur und Durchfluss.

Zum Schutz der erfassten Daten muss ein Smart Meter imstande sein, Netz- und Störspannungen gemäß der Norm IEC61000-4-5 zu handhaben. Auf den Stromleitungen finden sich häufig Schutzmechanismen in Form eines Metalloxidvaristors, z.B. Bourns MOV20D. Ebenso müssen die Kommunikationsschnittstellen geschützt werden, damit eine zuverlässige Datenübertragung gewährleistet ist.

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