Intelligent Energie zählen Bauteile für »Smart Meter«

Seit Januar 2010 sind »intelligente« Stromzähler bei jeder Neuinstallation Pflicht. Auch ihren Bestandskunden müssen die Energieversorger einen solchen Zähler anbieten. Verglichen mit den bislang üblichen Ferraris-Zählern nehmen »Smart Meter« ungleich mehr Aufgaben wahr: Sie messen Strom und Spannung, speichern die Daten, zeigen sie an und leiten sie weiter und kommunizieren mit anderen Geräten. Wie sind solche modernen Zähler aufgebaut? Welche Bausteine gibt es am Markt?

Damit so genannte »Smart Meter« elektrische Energie elektronisch zählen können, müssen sie die Signale für Strom und Spannung abnehmen, analog/ digital wandeln, multiplizieren und integrieren. Smart-Meter bestehen aus drei wesentlichen Blöcken: Front-End, Mikrocontroller und Kommunikationsschnittstelle. Als Sensoren für die Messgröße Strom bieten sich Shunt-Widerstände, Stromtransformatoren (sekundärseitig praktisch kurzgeschlossene Übertrager) und Rogowski-Spulen vor dem Front-End an.

Anders als die Messung über Shunt-Widerstände bieten die beiden induktiven Wandler den Vorteil der galvanischen Trennung. Er wirkt sich aber nur dann aus, wenn sowohl das Netzteil als auch die Netzspannungsmessung ebenfalls über eine galvanische Trennung verfügen, was mit deutlichen Mehrkosten einhergeht. Wegen ihrer hohen Auflösung kommen A/D-Wandler mit ΔΣ- Architektur zum Einsatz – entweder bereits im Front-End oder im Mikrocontroller. Der Baustein »MCP3901« von Microchip besteht aus zwei unabhängigen ΔΣ-Wandlern mit interner Referenzspannungsquelle und vorgeschalteten Verstärkern mit programmierbarer Verstärkung (Programmable Gain Amplifier, PGA). Die Wandlungsergebnisse kann sich der Mikrocontroller über eine SPI-Schnittstelle abholen, die sich über Optokoppler einfach galvanisch trennen lässt. Zur Messung von Netzstrom und Spannung kommen in diesem Fall Shunt und Spannungsteiler zum Einsatz. Je nach benötigter Auflösung lassen sich damit Abtastraten bis zu 64 kSample/s erzielen.

Für mehrphasige Energiezähler sind mehrere ICs vom Typ MCP3901 notwendig. Microchip flankiert das ganze mit einer Applikationsnote (AN994, IEC Meter Design) und einem Evaluationboard. Speziell für einphasige Energiezähler eignet sich der »STPM01« von STMicroelectronics (Bild 1), den es schon einige Jahre auf dem Markt gibt. Auch in diesem Baustein digitalisieren zwei unabhängige ΔΣ- Wandler die verstärkten Eingangssignale von Strom und Spannung. Als Stromsensoren sind Stromübertrager, Shunt und Rogowski-Spulen möglich. Wahlweise lassen sich die Ströme in Hin- und Rückleiter messen, wobei das IC Fehlerströme als Manipulationsversuch melden kann. Auch eine Referenzspannung ist bereits integriert. Ein digitaler Signalprozessor auf dem Chip berechnet die Energie und die Effektivwerte. Im Einzelbetrieb steuert der STPM01 einen Schrittmotor für einen Rollenzähler an. In Kombination mit einem Mikrocontroller werden die ermittelten Werte über eine SPISchnittstelle ausgelesen.

Für Entwicklungen mit dem STPM01 bietet STMicroelectronics mehrere Evaluationboards, die sich durch die Art der Strommessung unterscheiden. Die beiden neuen ICs »STPMS1« und »STPMC1« von STMicroelectronics ermöglichen den Aufbau eines flexiblen mehrphasigen Energiemessgerätes. Das Front-End, der STPMS1, auch »Smart Sensor«-IC genannt, ist ein zweikanaliger A/DWandler nach dem ΔΣ-Prinzip mit 16 Bit Auflösung. Über synchrone serielle Schnittstellen sind bis zu fünf dieser Smart-Sensor-ICs an das Datenverarbeitungs-IC, den STPMC1, angeschlossen. Jeder STPMS1 digitalisiert Strom und Spannung einer Phase R, S, T oder N. Als Sensoren für die Messung des Stromes eignen sich Shunts, Stromtransformatoren und Rogowski- Spulen. Der fünfte Eingang des STPMC1 steht für das Signal eines Hallsensors bereit. Über interne DSP-Funktionen errechnet der STPMC1 Werte für Spannung, Strom und Energie. Dazu lässt sich der Baustein über einen internen OTP-Speicher einstellen und kalibrieren. Das Datenverarbeitungs- IC unterstützt durch seine SPI-Schnittstelle und seinen Schrittmotorausgang sowohl den Betrieb mit als auch ohne Mikrocontroller. Evaluationboards sind derzeit laut Hersteller in Vorbereitung.

Auswahl des Mikrocontrollers

Die Auswahl des Mikrocontrollers richtet sich nach der Komplexität des Front-Ends und der Kommunikationsschnittstellen. Grundsätzlich bieten sich Low-Power-Mikrocontroller mit integrierten Treibern für Flüssigkristall-Anzeigen an. Für einen Zähler mit dem »MCP3901« von Microchip wird relativ viel Rechenleistung benötigt, da er – im Gegensatz zu den Bausteinen von STMicroelectronics – über keine integrierte DSP-Einheit verfügt. Deshalb muss er die Werte für Strom, Spannung und Energie aus den gewandelten Signalen erst noch errechnen. Deshalb bietet sich hier der Einsatz eines digitalen Signalcontrollers aus der »dsPIC«-Familie oder gleich ein »PIC32« von Microchip an.

Bei einer Lösung mit »STPMxx« muss der Mikrocontroller die bereits im Front-End ermittelten Daten nur zur Anzeige bringen und Schnittstellen nach außen bedienen. Hierfür genügt ein kostengünstiger 8-Bitter vollkommen, etwa ein Derivat aus der neuen Baureihe »STM8L« von STMicroelectronics mit integriertem LCD-Treiber. Bei höheren Anforderungen an die Rechenleistung und Schnittstellen könnte ein »STM32« ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis bieten.

Doch mit Rechnen und Anzeigen ist es noch nicht getan. Zwingend notwendig ist auch eine Energiepufferung oder die Rettung von Zählerständen in nichtflüchtige Speicher, um Netzausfallzeiten zu überbrücken. Darüber hinaus sollte der Speicher einen Schutz vor unbefugtem Reprogrammieren und Manipulation bieten. Wünschenswert ist außerdem ein langer Datenerhalt im Programmspeicher, da Haus- und Wohnungsbesitzer eine hohe Lebensdauer ihrer Zählgeräte gewohnt sind. Hinzu kommen ein integrierter Kalender mit Uhr sowie ein Pufferspeicher für geloggte Messwerte. Sehr langen Datenerhalt und Manipulationssicherheit gewährleisten zum Beispiel maskenprogrammierte Mikrocontroller. Leider bieten immer weniger Hersteller diese noch an, darunter etwa Epson.

Die Maßnahmen zur Erkennung und Meldung von Manipulationsversuchen und Energieabnahmen am Zählerkasten vorbei werden heute als »Anti Tampering« bezeichnet. Im Front-End kommen hierfür Fehlerstrommessungen zum Einsatz. Die Summe aus Phasenströmen und Strom durch den Neutralleiter muss Null ergeben. Abweichungen über eine gewisse Schwelle hinaus werden erkannt und führen zu einer Reaktion. Gleichzeitig lassen sich so auch Isolationsfehler erkennen. In diesem Fall sollte aus Sicherheitsgründen eine automatische Trennung der Last vom Netz erfolgen. Konventionelle Energiezähler verfügen nicht über diese Funktion der Lasttrennung, in Stromtankstellen für Elektroautos könnte sie sich jedoch durchsetzen. Darüber hinaus sind dem Einfallsreichtum der Gerätehersteller keine Grenzen gesetzt: Auch mittels Gehäusekontakten oder der Messung von Lichteinfall in das Gehäuse, Änderung der Einbaulage oder der Beschleunigung lassen sich Manipulationsversuche erfassen.