Powerline Baustein für den Stromzähler

Bestimmte Standards bei der Kommunikation mit Stromzählern
Bestimmte Standards bei der Kommunikation mit Stromzählern

Bei den Powerline-Standards herrscht eine Art babylonische Sprachverwirrung: Jeder der großen Stromversorger hat eigene Präferenzen für bestimmte Standards bei der Kommunikation mit Stromzählern. Und nun soll auch noch die Steuerung von Verbrauchern im Zuge des Smart Grid hinzukommen. Doch die Entwickler müssen jetzt Geräte entwickeln. Dazu sind flexible Bausteine gefragt, die Raum für zukünftige Weiterentwicklungen lassen.

Bei den Diskussionen um Smart Metering und Smart Grid zählen die Datenübertragung über das Stromkabel und die zugehörigen Standards zu den meistdiskutierten Themen der letzten 20 Jahre, denn diese können zu radikalen Umwälzungen im Stromnetz führen. Die Branche beklagte das Fehlen offener Standards für die Anforderungen von Smart Metering und Smart Grids. Seitdem arbeiteten tausende Experten an Standards für Powerline-Kommunikation wie auch für andere Kommunikationstechnologien. Die Normen liegen heute vor und es gibt mehr als genug davon.

Ein Blick auf die heutigen Versorgungsmärkte in Europa zeigt große Unterschiede zwischen den verschiedenen Ländern. Es gibt von Monopolisten dominierte Elektrizitätsmärkte wie Frankreich und Italien mit jeweils einem dominanten Versorgungsunternehmen, Länder mit einer kleinen Anzahl großer Stromversorger wie Spanien und schließlich stark fragmentierte Märkte mit zahlreichen Anbietern. Bis jetzt zeigen die großen Installationen und Pilotprojekte in Europa, dass Powerline-Kommunikation zu den am häufigsten genutzten Technologien zählt. Diese Aussage gilt wohl unabhängig von der Marktfragmentierung. Die Anforderungen an die Powerline-Technologie haben sich seit 2001 geändert, als das Unternehmen Enel in Italien weltweit erstmals ein Smart-Metering-System einführte. Die Applikationsanforderungen haben sich von AMR (Automatic Meter Reading – Zähler-Fernauslesung) über AMI (Advanced Metering Infrastructure) bis hin zu AMM (Automated Meter Management – automatisches Zählermanagement) von einer geringen, unidirektionalen Datenübertragung bis zur bidirektionalen Echtzeit-Datenübertragung weiterentwickelt. Letzteres ist hierbei in Smart-Grid-Anwendungen für Bedarfsanpassung und Lastenmanagement erforderlich. Die Entwicklungstrends sind hier jedoch noch nicht abgeschlossen.

Powerline hat viele Gesichter

Powerline-Kommunikation gibt es in zahlreichen Ausprägungen: Schmalband-Technologien mit niedrigen bis mittleren Datenraten oder Breitband-Technologien mit hohen Datenraten. Alle diese Powerline-Typen nutzen eins der Modulationsverfahren wie DCSK, FSK, SFSK oder OFDM. Allein für OFDM-Schmalband-Technologien gibt es zahlreiche Normen, wie u.a. PRIME Version 1.3.6 und 1.4, ITU-T G.9903 (G3 PLC) und IEEE P1901.2. Wie kam es zu dieser Vielfalt?

Die treibende Kraft hinter diesen Entwicklungen sind wahrscheinlich die Versorgungsunternehmen selbst. Die größten Akteure unter ihnen sind diejenigen, die ihren Markt als Monopolisten beherrschen oder zumindest dominierende Marktteilnehmer in fragmentierten Märkten sind. Einer der ursprünglichen Standards war PLAN oder IEC 61334-4, der von ERDF entwickelt wurde, wobei dieses Unternehmen auch eine der treibenden Kräfte hinter der Norm ITU-T G.9903 (G3-PLC) war. Ein weiterer der meistverbreiteten Standards ist PRIME, hinter dem das Unternehmen Iberdrola steht. Der Stromversorger Enel dagegen ist einer der wichtigsten Akteure in der „Meters and More Alliance“. Der entscheidende Vorteil einer Norm ist die Tatsache, dass sie sich in einer Branche als dominierende Technologie etablieren kann. Dies steigert den Bedarf an interoperablen Lösungen, erhöht somit den Wettbewerb und trägt letztendlich zu sinkenden Kosten bei.

Ein Standard ist noch kein Produkt

In den letzten Jahren haben Regierungen Richtlinien für den Energiemarkt vorgegeben. Das ambitionierte 20:20:20-Ziel der EU ist davon wohl das wichtigste. Es gibt vor, dass die EU-Mitgliedsländer „die Installation von intelligenten Zählersystemen“ mit 80 % Abdeckung bis 2020 und mit flächendeckendem Einsatz bis 2022 gewährleisten müssen. Lokale Bestimmungen fordern dabei die Verwendung offener Standards. Dies zwingt die Versorgungsunternehmen zu schnellem Handeln und zur Entscheidung für einen offenen Standard, damit die Einführung dieser Zähler im bereits engen Zeitplan beginnen kann. Die Tatsache, dass es einen Standard gibt oder dass dieser offen ist, bedeutet noch nicht, dass es viele Implementierungen dafür gibt, geschweige denn, dass diese interoperabel sind. Denkt man dabei an die Dimension der Installationen, erkennt man, wie kritisch diese Faktoren sind. Die Zigbee Alliance zum Beispiel wurde im Jahre 2002 gegründet. Erste Zigbee-Produkte kamen jedoch erst vier Jahre später auf den Markt. Dann dauerte es weitere zwei Jahre, bis es zertifizierte Produkte gab. Als Konsequenz für den Smart-Metering-Markt bedeutet das, dass Halbleiterhersteller Produkte anbieten müssen, die die unteren Schichten des Kommunikationsprotokolls abdecken. Die darüber liegenden Protokoll-Schichten werden dann entweder von den Halbleiterherstellern, Drittanbietern oder den Zählerherstellern selber entwickelt. Diese Lösungen müssen dann in die Zähler integriert und umfassend in Pilotversuchen getestet werden. An diesen Zusammenhängen erkennt man, warum es für die Versorgungsunternehmen von Interesse ist, die Standards selber in die Hand zu nehmen bzw. voranzutreiben.

Beschränkt man die Betrachtung auf Schmalband-PLC-Lösungen auf OFDM-Basis, dann werden Unterschiede in vielen Schichten des OSI-Modells erkennbar. Auf der physikalischen Schicht gibt es Unterschiede bei den Trägerfrequenzen und -Abständen, der Anzahl an Konstellationen beim Mapping, bei den Wiederholungen in den Encodern sowie bei den Fehlerkorrektur-Techniken. Alle diese Punkte wirken sich theoretisch auf die Stabilität im Betrieb und die erzielbaren Datenraten der verschiedenen Standards aus. Auf der MAC-Schicht gibt es feine Unterschiede beim Kanalzugriff, der Sicherheit, bei Tone Mapping, Adressierung sowie bei der Länge der Datensegmente – alle diese Faktoren beeinflussen den Datendurchsatz und möglicherweise auch die Robustheit der Lösung. Auf der Netzwerk-Schicht ist die Spanne der Unterschiede noch größer. Sie betreffen das Kompressionsverfahren, Header-Größen, Maximalgröße der Übertragungseinheiten, Routing-Protokolle (On Demand oder tabellengesteuert) sowie unterschiedliche Topologien wie Mesh-, Stern- und Baumstrukturen. Die Betrachtung ließe sich für den Rest der OSI-Schichten fortsetzen. Da es keinen offensichtlich auf allen Ebenen führenden PLC-Standard für Smart Metering gibt, sind die Zählerhersteller geradezu gezwungen, alle dominanten Standards zu unterstützen.