Funkbasiertes Smart Metering siegt über PLC

30.01.2013 | Als einer von sehr wenigen Smart Metering-Lieferanten verwendet die Firma Kamstrup schon seit mehr als zehn Jahren Funkkommunikation in ihrem Smart Metering-System zur Datenübertragung zwischen Stromzähler und Datensammler. Der Grund für diese Technologiewahl ist einfach: Funk wirkt!

Wenn Energieversorger Smart Meter und ein Smart Metering-System in ihre Versorgungsgebiete einführen, werden sie vor eine Reihe von Fragen gestellt: Wie viele Daten möchten sie geliefert bekommen, welche Systemleistung ist akzeptabel, wie viele Ressourcen sollen zur Systemwartung abgesetzt werden, welche Forderungen sollen zur Datensicherheit gestellt werden, welche Erweiterungsmöglichkeiten kommen mit dem System etc.?

Smart Metering-Lieferanten haben verschiedene Zugänge zu diesen Fragestellungen, aber ein entscheidender Faktor liegt bereits in der Wahl der Technologie verborgen. Die Wahl zwischen den beiden Kommunikationstechnologien Power Line Communication (PLC) oder drahtlose Kommunikation (Funk) ist von ganz fundamentaler Art, denn hierdurch ergeben sich schon eine Menge Möglichkeiten und Beschränkungen.

Funk wirkt

Als einer von sehr wenigen Smart Metering-Lieferanten verwendet die Firma Kamstrup schon seit mehr als zehn Jahren Funkkommunikation in ihrem Smart Metering-System zur Datenübertragung zwischen Stromzähler und Datensammler. Der Grund für diese Technologiewahl ist einfach: Funk wirkt!

Dass die Funktechnologie sich bei Zählerauslesungen als leistungsfähiger denn PLC präsentiert, liegt in dem Gebrauch von jeweils Luft und Kabeln als übertragungsmedium begründet. Und eben dieser Umstand lässt vermuten, dass PLC wahrscheinlich nicht mittels technologischer Ertüchtigung so leicht die Oberhand gewinnt.

Beweise sind in Fülle vorhanden: Schweden war eines der ersten Länder, das flächendeckend Smart Meter implementierte, und stellt jetzt interessantes Erfahrungsmaterial zur Verfügung. Viele Energieversorger in Schweden, die zunächst die PLC-Lösung wählten, haben nachträglich zu einer Funklösung gewechselt, weil das PLC-System eine unakzeptabel niedrige Erfolgsquote bei Zählerauslesungen zeigte: 60 bis 90 %, was hauptsächlich auf elektromagnetische Störungen zurückzuführen ist. Einige haben das Problem durch das Installieren teurer Filter nachzubessern versucht.

Nachteile bei PLC:
Stromleitungen ein ungeeignetes Kommunikationsmedium


Der Gebrauch von Stromleitungen zur Datenübertragung hat erhebliche Probleme mit elektromagnetischen Störungen im Netz nach sich gezogen. Manche PLC-Anbieter setzen daher die Beseitigung elektromagnetischer Störungen voraus, wenn sie 100 % Erfolgsrate garantieren, und definieren Netzstörungen als ein separates Problem, das damit eindeutig in den Zuständigkeitsbereich des Energieversorgers fallen würde.

Fakt ist aber, dass Stromleitungen einfach ein hartes Milieu für Kommunikationssignale bieten und dass dies nicht so leicht zu ändern ist.

Trotz dieses Elementarwissens werden als eine direkte Folge der bisher wenig erfolgreichen verkabelten Lösungen enorme Summen für prestigeträchtige PLC-Entwicklungsprojekte ausgegeben.

Rigide Infrastruktur – Teurer Betrieb

PLC bezieht sich auf das Niederspannungsnetz vom Stromzähler bis zur nächsten Ortsnetzstation. In der typischen Aufstellung wird ein PLC-Netzwerk deshalb in jeder Ortsnetzstation einen Datensammler haben, der mit den Zählern kommuniziert, die von derselben Station mit Strom gespeist werden.

In diesem Aufbau tritt der erste Nachteil von PLC im Vergleich zu Funk hervor; denn in einem PLC-Netzwerk muss in jeder Ortsnetzstation ein Datensammler installiert sein, um die Kommunikation mit sämtlichen Zählern zu sichern. Aber eine Ortsnetzstation in einem normalen Einfamilienhaus-Viertel versorgt lediglich ein paar hundert Wohnungen, womit die Kapazität des Datensammlers nicht vollständig ausgenutzt wird.

Anders gesagt braucht ein PLC-Netzwerk wegen seiner rigiden Infrastruktur mehr Datensammlern als im Grunde benötigt werden, weil die Datensammler praktisch unterfordert werden. Das Ergebnis ist mehr Hardware, die gekauft, installiert und unterhalten werden muss – je mehr Datensammler, um so teurer der Betrieb.

Elektromagnetische Störungen

Elektromagnetische Störungen
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Smart Meter mit Funkkommunikation

Ein noch schwerwiegenderes Problem bei PLC hat auch mit der kabelgebundenen Kommunikation zu tun, und zwar damit, dass dieselben Kabel für Stromversorgung und Kommunikationssignale zugleich verwendet werden.

Das gesteigerte elektromagnetische Störniveau im Stromnetz, das in Schweden etliche PLC-Netzwerke zum Erliegen brachte, konnte zu einem großen Teil auf den massiven Austausch von Glühbirnen mit Energiesparlampen zurückgeführt werden.
 

Alle elektrischen Geräte, die ans Stromnetz angeschlossen sind, können potenzielle Quellen für Netzstörungen sein, da sie nicht nur Strom vom Netz beziehen sondern auch elektromagnetische Störungen zurücksenden. Die Richtlinie der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) reguliert das zulässige Störniveau von elektrischen Geräten.
 

Aber selbst wenn die Geräte, die jetzt in Schweden so viele Probleme verursachen, die EMV-Anforderungen erfüllen, können sie dennoch ein PLC-basiertes Zählerauslesesystem beeinflussen, weil die Kommunikationseinheit im Zähler von der gesamten Menge an Störungen von der elektronischen Ausrüstung im Haus beeinflusst wird.
 

Das Problem tritt in aller Deutlichkeit hervor, wenn grundlegende Veränderungen auf einmal eintreten – wie etwa die pauschale Ersetzung der Glühbirne durch Energiesparlampen – dann kann das Zählerauslesesystem beeinflusst werden, obwohl das einzelne Produkt die regulatorische Bestimmungen einhält.

(Mehr zu diesem Problem in: Study Report on Electromagnetic Interference between Electrical Equipment / Systems in the Frequency Range below 150 kHz. Issued by CENELEC, SC 205A Mains Communication Systems, April 2010).
 

Vor das Einführen des Smart Grid gestellt sind noch mehr solcher Veränderungen voraussehbar. Der Implementierung von erneuerbaren Energiequellen folgen immer mehr elektrische Geräte, die unvorhersehbare Auswirkungen auf das Stromnetz haben werden.

Von Solarpanelen werden auf der traditionellen Verbraucherseite Strom ins Netz gespeist; tausende von Elektrofahrzeugen werden zur Spitzenbelastungszeit ans Netz geschlossen; und Wärmepumpen werden pauschal öl und Gas als individuelle Beheizung ersetzen.

Diese umfangreichen Einführungen werden innerhalb einer relativ kurzen Periode realisiert werden; wahrscheinlich wird der Effekt als ein erheblicher Anstieg an Netzstörungen erkennbar sein – mit Beeinträchtigung der Powerline-beförderten Kommunikationssignale als Folge.
 

Dazu kommt die überlegung, dass das Bedürfnis nach Echtzeitdaten gerade in der Spitzenbelastungszeit am nötigsten ist, da das Stromnetz besonders strapaziert wird.
 

Zusammenfassung von PLC:

  • Geringer Ausnützungsgrad von Datensammlerkapazität und daher extra Bedarf an Hardware und Ressourcen für Installation und Betrieb
  • Kabelgebundene Infrastruktur verursacht Kommunikationsprobleme bei Netzumschaltungen
  • Hohe Empfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen, die allenfalls durch Filter eingedämmt werden können

Vorteile bei Funk

Unabhängigkeit von Kabeln heißt 99,7 % Ausleseerfolg ohne Bedingungen

Funkbasierte Kommunikationssysteme unterliegen nicht denselben Einschränkungen wie verkabelte Systeme.

Im Gegenteil erlaubt die Unabhängigkeit von Stromkabeln eine viel höhere Flexibilität in der Projektierung und in der Installation eines Kommunikationsnetzwerkes. Nicht zuletzt ist die extrem hohe Erfolgsquote bei Zählerauslesungen der Unabhängigkeit von Kabeln und damit von elektromagnetischen Störungen zu verdanken.

Selbstheilendes Funknetzwerk

Allein weil jeder Funk-Datensammler die Versorgungsgebiete von mehreren Ortsnetzstationen deckt, werden, im Vergleich zu PLC, Ressourcen für Installation und Betrieb gespart. Aus praktischen Gründen wird der Funk-Datensammler zwar auch in der Ortsnetzstation installiert, aber nicht in allen Stationen.

Weil das Funknetzwerk nicht an die Stromkabel gebunden ist, kann es die Redundanz ausnützen, die dadurch entsteht, dass jeder Stromzähler von mindestens zwei Datensammlern erreichbar wird. Das heißt, im Falle von Netzumschaltungen oder Kabelkurzschlüssen kann ein Datensammler für einen Anderen einspringen.

Das Ausnützen der Redundanz, um die Auslesequote zu verbessern, wird von der Router-Funktion der Smart Meter ergänzt. Jeder Zähler leitet Funksignale von anderen Zählern im Netzwerk weiter – und zwar nicht nur von dem nächsten direkt verbundenen Zähler – und sichert damit einen stets offenen Pfad zum Datensammler.

Auf diese Weise bleibt das Netzwerk funktionsfähig, selbst wenn mehrere Zähler oder sogar ein Datensammler ausfallen sollten.

Weil im Prinzip sämtliche Zähler wegen der Router-Funktionalität vernetzt sind, kann auch die volle Kapazität des Datensammlers, der mit bis zu 1.000 Zählern kommuniziert, ausgenützt werden.

Einzelne Zähler, die sich auf zu großer Entfernung befinden, um per Funk zu kommunizieren, können mit einem GSM-Modul ausgerüstet werden und ihre Daten als Punkt-zu-Punkt zu dem Zentralsystem des Energieversorgers senden.

Diese Möglichkeit hat sich aber wegen der Effektivität des Funknetzwerks als ein letzter Ausweg erwiesen, der in weniger als 1 % der Messpunkte benutzt wird.

Verkabelte Netzwerke haben nicht die Rückfalllösung, falls ein Kommunikationsweg unterbrochen wird oder störungsbedingt ausfällt. Funkkommunikation bietet hingegen hunderte von alternativen Wegen, die vom Netzwerk automatisch gesucht werden, da es nicht auf die physischen Kabel beschränkt ist.

Funk fördert Mehrspartenversorgung

Funktechnologie hat ferner den Vorteil, dass sie mit Wasserzählern, Wärmezählern und Gaszählern unmittelbar kompatibel ist. Diese Kompatibilität vereinfacht die Mehrspartenversorgung, weil ein Versorger von mehreren Versorgungsarten nur eine Kommunikationstechnologie für sein Smart Metering-System braucht.

Eine funkbasierte Infrastruktur unterstützt auch batteriebetriebene Zähler und fördert damit Interoperabilität und Mehrspartenversorgung.

Einer der größten Mehrspartenversorger in Dänemark, Vestforsyning, entschied sich für ein Funksystem für seine 41.000 Zähler, weil das Unternehmen ohne Vorurteile an die Technologiefrage heranging.

Vestforsyning äußerte in der Ausschreibungsunterlage ein einfaches Interesse an Daten und Leistungsvermögen und endete daher mit einem Funknetzwerk wegen der überzeugenden Erfolgsrate dieser Technologie und wegen der Einfachheit des Systems.

Zusammenfassung von Funk:

  • Optimaler Ausnützungsgrad von Datensammlern mit weniger Hardware zur Folge und daher reduzierte Datenkosten im Vergleich zu PLC.
  • Selbstheilendes Funknetzwerk durch Redundanz und Repeater-Funktionalität der Stromzähler.
  • Lizenzpflichtige Frequenzbänder ohne Störungen und mit hoher Sendeleistung. Der Funkbereich ist ein kontrolliertes Umfeld, das von der örtlich zuständigen Behörde überwacht wird.
  • Große Reichweite mit integrierten Antennen.
  • Kommunikationsprotokolle nach Standard EN 13757-5.
  • Zählerauslesung von Strom, Wasser, Wärme und Gas im selben Netzwerk.
  • Hochleistung – durchschnittlich 99,7 % Erfolgsquote pro Zählerauslesung (unabhängig von elektromagnetischen Netzstörungen).

 
Autor: Gert Skriver, Kamstrup


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