Sobald sie mit einem Smart-Grid-Ökosystem verbunden sind, können Verbraucher in einem intelligenten Haus die Effizienz des Energieverbrauchs und der Energieeinsparung verbessern.

Sobald sie mit einem Smart-Grid-Ökosystem verbunden sind, können Verbraucher in einem intelligenten Haus die Effizienz des Energieverbrauchs und der Energieeinsparung verbessern.Mentor Graphics

Smart Energy ist ein allumfassender Begriff für die Modernisierung des Stromnetzes zur Unterstützung des bidirektionalen Energie- und Informationsflusses. Um die Auswertung und Steuerung bestimmter Elemente innerhalb bestehender Versorgungsinfrastrukturen zu ermöglichen, muss das Stromnetz um neue Verbindungs- und Kommunikationsmöglichkeiten sowie um Sicherheitsfunktionen erweitert werden.

Der Eckpfeiler eines jeden Smart-Energy-Ökosystems ist das intelligente Stromnetz (Smart Grid). Dieses besteht aus vernetzen Geräten, die eine bidirektionale Datenübertragung zwischen Versorgungsnetz und Haus ermöglichen. Innovative Hardware mit Embedded-System-on-Chips (SoCs), die Schnittstellenstandards wie Wi-Fi, ZigBee, PLC, 3G und viele andere unterstützen, bilden hierfür die Basis. Die Software oder genauer Betriebssystem, Middleware-Komponenten und unterstützte Protokolle sind der Schlüssel für effiziente Smart-Energy-Anwendungen. Im Folgen werden zwei wichtige Softwareaspekte des intelligenten Stromnetzes beschrieben: Kommunikation und Sicherheit.

Gut informiert

Das Ziel der Smart-Grid-Kommunikation ist es, Daten über den Energieverbrauch und die Energieverteilung von allen möglichen Quellen zu erhalten. Dies erlaubt eine intelligente und vorausschauende Entscheidungsfindung, um die zukünftige Energieverteilung auf der Basis des aktuellen Verbrauchs effizient zu managen. Ein typisches Smart-Grid würde aus verschiedenen Arten von Infrastrukturen, Equipment und Geräten bestehen, über weite Grenzen verteilt und dennoch verbunden sein.

Um ein wirklich interoperables Ökosystem miteinander verbundener Geräte zu schaffen, ist die Kommunikation über das Internet-Protocol (IP) die logische Wahl. Durch die Erweiterung des IP-Adressraums mittels des IPv6-Protokolls ist das IP ideal für Smart-Grid-Geräte, denn IPv6 ermöglicht Services wie dynamische Dienste-Erkennung und TCP-basierte Web-Services über HTTP.

Mit Technologien wie mDNS und DNS-SD können sie relevante Dienste dynamisch auf dem Netzwerk finden. Das bedeutet, dass sich Geräte für verschiedene Arten von Dienstleistungen miteinander registrieren, um weiter auf ihre eigenen Ressourcen zugreifen und diese modifizieren zu können. HTTP ermöglicht die Verwendung von RESTful-Architekturen, die eine einheitliche Schnittstelle für den Zugriff auf die Geräteressourcen bieten. Dabei ist zu beachten, dass die Geräteressourcen je nach Art der unterstützten Smart-Grid-Funktion variieren können.

Moderne Kommunikation

Kommunikationsbausteine zum Aufbau von SEP-2.0-konformen Geräten.

Kommunikationsbausteine zum Aufbau von SEP-2.0-konformen Geräten.Mentor Graphics

Das Managen des Energieverbrauchs durch Funktionen wie „Bedarfsreaktion“ und „Lastkontrolle“ erfordert, dass die Geräte in Echtzeit miteinander kommunizieren. Allerdings entsteht durch die Zwei-Wege-Kommunikation eine Achillesferse für Angriffe: Heimnetzwerke sind selbst für die einfachsten Bedrohungen anfällig. Noch schlimmer ist es, das Stromnetz für Verbraucher zu öffnen, damit sie am Energiemanagement teilnehmen können. Dies ermöglicht komplexe Angriffe, die ein ganzes Stromnetz in Mitleidenschaft ziehen und sich auf Millionen unschuldiger Verbraucher auswirken können. Aktive und passive Bedrohungen müssen erkannt, neutralisiert und korrigiert werden, bevor ein Schaden im Heimnetzwerk oder Stromnetz entsteht. Smart Energy Profile (SEP) 2.0, eine Industriespezifikation für Smart-Energy-Anwendungen, schreibt den Einsatz von Sicherheitsprotokollen für Verschlüsselung und Authentifizierung vor.

Das TLS-Protokoll v1.2 (Transport Layer Security) bildet die Grundlage für die Sicherheit von SEP-2.0-konformen Geräten. Um während einer Kommunikationssitzung gegen Lauschangriffe gewappnet zu sein, verwendet TLS moderne Verschlüsselungsmethoden wie AES-128 (Advanced Encryption Standard) und Hash-Funktionen dienen zur Generierung eines Message-Authentication-Codes (MAC). Dieser gewährleistet die Integrität und Unversehrtheit der Nachricht, also dass ihr Inhalt während der Übertragung nicht verändert wurde.

Sichere Software

Ein großer Teil des Codes von modernen vernetzten Geräten ist Teil der Infrastruktur, welche die Ausführungsumgebung für die eigentliche Anwendung bildet. Interessanterweise ist die Code-Schicht, die den geringsten Anteil an der Produkt-Differenzierung hat, auch der Code, der die Stabilität und Zuverlässigkeit der Anwendung untermauert: das Betriebssytem und die Middleware.

Unabhängig von der Nutzung moderner Code-Coverage- und Analyse-Tools, gibt es nur einen Weg, um bei Software eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen: Diese Software muss auf einer breiten Basis installiert sein und dort über einen langen Zeitraum ablaufen. Ein etabliertes Echtzeit-Betriebssystem wie das Nucleus RTOS von Mentor Graphics bietet eine solche Lösung. Es ist ausgereift und auf einer breiten Palette an Zielumgebungen in mehreren Anwendungen über Jahre praxiserprobt.

Solide Basis

Durch die Verbreitung der IP-Netzwerkfunktionalität und die besondere Art des bidirektionalen Datenaustauschs, hat Sicherheit in Smart-Grid-Infrastrukturen höchsten Stellenwert. Softwareanbieter wie Mentor Graphics fokussieren auf diesen Aspekt und liefern passende Produkte und Services, zum Beispiel das SEP-2.0-kompatible Nucleus RTOS. Mit ihnen können Anwender die neuesten Geräte für intelligente Stromnetze entwickeln.