Eine europäische Direktive legt fest, dass Stromzähler künftig intelligent sein sollen. Im Grunde heißt das, dass die Zähler nun kommunizieren können, um Informationen über den Stromverbrauch des Kunden an den Elektrizitätsanbieter und teilweise auch an den Kunden selbst zu übertragen. Der Elektrizitätsanbieter verfügt damit immer über die genauen Verbrauchswerte und der Kunde muss nicht mehr regelmäßig den Zählerstand ablesen und weitermelden oder auf den Ableser warten. Da die intelligenten Zähler den Stromanbieter direkt über den exakten Energieverbrauch informieren, sind Rechnungen mit geschätzten Verbrauchswerten hinfällig. Die Rechnungen enthalten nun genaue Werte und sind zeitnah verfügbar, sodass es keine Überraschungen mehr gibt, wenn der Kunde seine Stromrechnung erhält.

Eckdaten

Intelligente Stromzähler müssen eine ganze Reihe an Anforderungen erfüllen: Das beginnt bei der eichfähigen Messung, geht über einen energiesparenden Betrieb und endet bei der sicheren Kommunikation. Der Beitrag stellt eine integrierte Lösung vor, mit der sich Smart Meter einfach aufbauen lassen.

Außerdem hat der Kunde die Möglichkeit, seine Verbrauchswerte selbst zu überprüfen und für die nahe Zukunft abzuschätzen. Die meisten Smart Meter besitzen dazu eine integrierte Energieanzeige, die den Energieverbrauch auf einem kleinen LCD-Display anzeigt. Der Kunde muss also nicht warten, bis der Stromanbieter den Stromverbrauch mitteilt. Er kann mit dem Smart Meter auch sofort einen eventuellen Stromdiebstahl erkennen und verhindern. Ein weiterer Vorteil der intelligenten Stromzähler besteht darin, dass Probleme schnell an oder durch den Energieanbieter gemeldet und die entsprechenden Entstörmaßnahmen unmittelbar eingeleitet werden können. Außerdem gibt es zahlreiche Versorgungsunternehmen, die ihren Kunden tageszeitabhängige Tarife anbieten. Durch ein intelligentes Management des Stromverbrauchs kann der Kunde einiges sparen und der Versorger kann die Stromversorgung besser steuern, was auch das Hauptziel dieser neuen Generation von Stromzählern darstellt.

Die SAM4C-Prozessoren bilden das Herzstück der Atmel Smart Metering Lösung.

Die SAM4C-Prozessoren bilden das Herzstück der Atmel Smart Metering Lösung.Atmel

Richtig kommunizieren

Obwohl die europäische Direktive festlegt, dass die bisherigen mechanischen Zähler durch intelligente Zähler ersetzt werden sollen, wird nicht spezifiziert, wie deren Kommunikation zu erfolgen hat. In der Konsequenz legen daher die Hauptakteure im intelligenten Stromnetz-Ökosystem (wie Energieversorger, Geräte- und Halbleiter-Hersteller, Systemintegratoren, IT-Unternehmen und andere) die Kommunikationsmechanismen selbst fest. Diese Akteure sind in der Regel in verschiedenen Organisationen mit starker Marktpräsenz zusammengeschlossen und in internationalen Standardisierungsorganisationen vertreten.

Eine der am weitesten verbreiteten Technologien in Europa ist Power Line Communication (PLC), die von ErDF in Frankreich, Iberdrola, GNF und Endesa in Spanien, Enel in Italien, EDP in Portugal oder Energa in Polen genutzt wird, allerdings mit unterschiedlichen Standards, gewöhnlich G3-PLC oder PRIME. In anderen Ländern, wie in Großbritannien, wird eine drahtlose Lösung bevorzugt.

Roadmap für Atmels Smart-Meter-Plattform.

Roadmap für Atmels Smart-Meter-Plattform.Atmel

Smart-Metering-Plattform

Um modernste PLC-Lösungen über Schmalband zu adressieren, hat der Elektronikkonzern Atmel ein Smart-Metering-Portfolio entwickelt, mit dem sich Lösungen für alle Stromanbieter realisieren lassen. Die Lösung basiert auf den sehr leistungsfähigen Mikrocontrollern der SAM4C-Serie mit zwei 32-Bit-ARM-Cortex-M4-Cores und einer maximalen Taktrate von 120 MHz, bis zu 2 MByte Embedded-Flash, bis zu 304 KByte SRAM und fortschrittlichen Sicherheitsmerkmalen. Der Lösungsansatz von Atmel ist modular, um eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Architektur zu gewährleisten. Durch die zwei verfügbaren Cores wird dies erreicht, sodass ein beliebiges Zähler-Frontend und ein beliebiger Kommunikations-Transceiver angeschlossen werden können.

Die SAM4C-Serie ist als SAM4CMS/P-Serie mit integriertem Sensor, Metrologie-Bibliothek und Anwendungsschicht verfügbar. In diesem Fall ist die Messlösung integriert, während die Kommunikationsseite flexibel gestaltet werden kann. Als Kommunikationslösung umfasst das Smart-Metering-Portfolio zusätzliche Chips mit PRIME- oder G3-PLC-Modem oder drahtlosem Transceiver. Die SAM4C-Serie ist ebenfalls mit Embedded-PLC und Anwendungsschicht verfügbar und unter der Bezeichnung SAM4CP-Serie samt Subserien mit G3-PLC- oder PRIME-Modem erhältlich. Der Embedded-Flash-Speicher der SAM4C-Serie wird gemeinsam vom Anwendungscode, dem Kommunikations-Stack und der Messanwendung genutzt. Die gesamte Peripherie ist durch die beiden Cores unabhängig adressierbar. Die Kommunikation und Interrupts zwischen den Cores erfolgen über den IPC-Monitor (Interprocessor Communication).

Sichere Architektur

Integrierte Sicherheitsmerkmale, wie Kryptografie-Algorithmen und Tamper-Pins, erleichtern die Implementierung von Schutzfunktionen in die Smart Meter. Es ist wichtig, dass niemand den Zähler manipulieren und so den Energieverbrauchswert verändern oder den Strom abschalten kann. Der Abruf der Werte über den Code- und Datenspeicher kann über die MPU (Memory Protection Unit) vollständig aufgeteilt und geschützt werden. Dadurch kann der Metrologie-Core seinen Code unabhängig vom Code des Anwendungs-Cores (beispielsweise RAM1/2) ausführen und beide lassen sich getrennt aktualisieren. Wird die Firmware der Anwendung aktualisiert, dann kann dadurch die Aufzeichnung des Stromverbrauchs nicht verändert werden. Ebenso können universelle Ein-/Ausgänge und Peripherie durch einen Schutzmechanismus gegen einen Schreibzugriff geschützt werden, um so einen unbeabsichtigten Zugriff vom anderen Core oder von der Peripherie zu verhindern.

Aufbau der PLC-Protokollschichten (Power Line Communication) und deren Umsetzung im Betriebssystem

Aufbau der PLC-Protokollschichten (Power Line Communication) und deren Umsetzung im BetriebssystemAtmel

Nachdem das Smart Meter mit dem Stromnetz verbunden ist, ist auch der Stromverbrauch der gesamten Lösung ein wichtiger Aspekt, denn weder der Energieanbieter noch der Endkunde möchten für den Verbrauch des Stromzählers bezahlen. Die SAM4C-Serie von Atmel bietet hier Vorteile, da der Verbrauch im aktiven Modus, einschließlich der PLC-Kommunikation, bei nur rund 300 mW liegt. Zudem gibt es mehrere Low-Power-Modi, in denen die Daten nur zeitweise gesendet werden und/oder gewisse Funktionalität erst nach einer Aktivierung durch den Anwender zur Verfügung steht. So kann beispielsweise das LCD-Display abgeschaltet werden. Es wird dann nur auf Anforderung durch den Anwender aktiviert, zeigt die Energiewerte für einen bestimmten Zeitraum an und geht dann zurück in den Schlafmodus.

Typische Anwendung

Eine typische Anwendung für eine intelligente PLC-Stromzähler-Plattform besteht aus einem Mikrocontroller mit integrierter PLC-Kommunikation (zum Beispiel SAM4CP16B für PRIME PLC) sowie einem Leitungstreiber und einer PLC-Kopplung, um eine Verbindung über das Stromnetz herzustellen. Zudem lassen sich eine Metrologie-Lösung zur Erfassung des Stromverbrauchs und ein Display integrieren, um die Verbrauchswerte visuell zu kontrollieren und um Informationen für den Anwender oder den Techniker während der Installation und Wartung anzuzeigen.

Die Atmel Mikroprozessor-Serie SAM4C mit Embedded-PLC- oder externem PLC-Modem ist laut Hersteller eine der derzeit modernsten Lösungen am Markt. Das zugehörige Modem basiert auf der PLC-OFDM-Technologie, eignet sich für 50- und 60-Hz-Netze und unterstützt einen Betrieb in mehreren Frequenzbändern (Standard CEN, FFC und ARIB). Der Class-D-Leitungstreiber des PLC-Modems zeichnet sich durch einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu einem standardmäßigen linearen Leistungsverstärker aus. Dadurch wird die Energieverschwendung durch Aufheizung reduziert und das thermische Verhalten verbessert. Dies erhöht die Langzeit-Zuverlässigkeit und vermindert den Stromverbrauch. Der integrierte Class-D-Leitungstreiber reduziert durch die kompaktere Schaltung und den Verzicht auf einen Kühlkörper außerdem die Materialkosten.

Die Software-Seite

Softwareseitig bietet Atmel einen G3-PLC-Software-Stack, der die PHY-, MAC- und Anpassungsschichten (ADP) in den CENELEC-, ARIB- und FCC-Profilen abdeckt. Dieser Software-Stack ist konform mit ITU-T G.9903 und wird zurzeit von der G3-PLC-Alliance für das CENELEC- und FCC-Band (PHY, MAC, 6LowPAN) zertifiziert. Der Software-Stack für den am Markt weit verbreiteten PRIME-Standard wurde von der PRIME Alliance zertifiziert, wo sich Atmel auch als aktives Mitglied engagiert.