Intelligente Zähler
Ohne intelligente Zähler kein intelligentes Netz
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Elektronische Elektrizitätszähler
Vor etwas mehr als zehn Jahren wurden die ersten elektronischen Elektrizitätszähler installiert. Heute sind fast 85 % der ca. 120 Millionen weltweit neu ausgelieferten Elektrizitätszähler mit Halbleitertechnik ausgerüstet. Der Rest verwendet noch die alten mechanischen Zähler mit Ferrarisläufer. 2004 hat Maxim die Zählerfertigung bei ECE Industries Limited [4] im indischen Hyderabad besucht. Ehemals wurden hier pro Jahr ungefähr acht Millionen mechanische Elektrizitätszähler in Lizenz eines deutschen Zählerherstellers produziert. Im Laufe der Führung durch die leeren Hallen erklärte der Führer, ein ehemaliger Vorarbeiter des Werks, dass die Produk-tion eingestellt werden musste, weil kostengünstigere, elektronische Zähler mit besserer Manipulationssicherheit auf den Markt drängten.
In China wurden etwa zur selben Zeit das erste SMT-fähige Zähler-ASIC mit integrierter Analog/Digital-Umsetzung und Multiplizierer für die Spannungs- und Stromstärke-Messignale entwickelt, das digitale Impulse ausgibt, mit denen ein Kilowattstunden-Zählwerk angesteuert werden konnte. Diese Entwicklung war richtungsweisend für die Elektrizitätszähler produzierende Industrie in dieser Region, die sich in einer Periode großer Nachfrage nach Elektrifizierung und Zählern befand. Einige konkurrierende, lokale Zählerhersteller bestückten diese ICs auf Leiterplatten im preisgünstigen Standard-Bestückungsprozess.
Die zweite Transformation der Elektrizitätszähler haben vorrangig die Energieversorger herbeigeführt mit ihrer Umorientierung weg von der herkömmlichen Gebühren-Abrechnung, hin zum verstärkten Wettbewerb in einem freien Markt. Als die Energieversorgungsunternehmen Elektrizitätszähler mit zeitabhängiger Rechnungsstellung und automatischer Ablesung benötigten, wurden Mikrocontroller, Sender, LCDs und Echtzeit-Geber in die Zähler-ASICs - auch als analoges Frontend (AFE) bezeichnet - integriert, was die aus mehreren ICs bestehende Zählerschaltung zum Standard für Haus-Elektrizitätszähler werden ließ.
Das spezifische Zähler-Fachwissen, allgemein höhere Anforderungen an die Entwicklung, wechselnde Anforderungsprofile der Energieversorger und die Globalisierung haben neben den Integrationsanforderungen bei komplexen Elektroniksystemen dazu geführt, dass sich die größeren Zählerhersteller als globale Lieferanten etablieren konnten und sich die Gesamtzahl der Hersteller drastisch reduzierte. Die zunehmende Bedeutung der Kommunikationsinfrastruktur in der Zählertechnik unterstützte diesen Trend. Natürlich haben sich im Zuge dieser Markttransformationszyklen nicht alle Hersteller gleichermaßen behaupten können.
Billige elektronische Zähler beflügeln Smart-Grid
IC-Hersteller haben die Chance, die ihnen der wachsende Bedarf an Elektrizitätszählern bot, ergriffen und führten um 2003 hochintegrierte System-on-Chip-Bausteine (SoC) ein. Die Integration üblicher Funktionsblöcke wie analoger Frontends, Echtzeit-Uhren, LCD-Treibern und Mikrocontrollern sowie Verbesserungen bei Zuverlässigkeit, Flexibilität und Skalierbarkeit ermöglichten es den internationalen Zählerherstellern, mit nur einem SoC zuverlässige und billige Elektrizitätszähler in kürzerer Zeit als zuvor zu entwickeln. Durch das Hinzufügen von Kommunikationsmodulen und Bausteinen lassen sich die Zähler schnell an spezifische Anforderungen regionaler Energieversorger anpassen.
Die Hersteller von Zähler-ICs können sich in Bezug auf Aufteilung und Integration von ihren Wettbewerbern unterscheiden. Die Unterschiede können gering, aber durchaus entscheidend sein. Auf den ersten Blick scheint das Zähler-SoC von Teridian der klassischen Integration von Funktionsblöcken, einschließlich des Messwerks, zu entsprechen. Dieser Kopier- und Einfüge-Ansatz ähnelt dem, der von Herstellern diskreter ADUs oder μCs verfolgt wird, wenn sie sich an relativ einfach aufgebauten SoCs versuchen. In diesem Szenario würde sich die Applikationsspezialisierung eher in Form von Referenzentwürfen und dem entsprechenden Code als im Chip selbst manifestieren. Obwohl auf dieser Integrationsstufe Kosten und Bauelementeanzahl gesenkt werden können, kann das Konzept völlig unzureichend sein, um die komplexen Anforderungen des Zielmarktes zu erfüllen.
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Teridian zum Beispiel hat sich exklusiv auf die Energiemessung und -zählung spezialisiert und verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung. Die von Teridian patentierte „Single Converter“-Technik basiert auf einem einzigen 21-bit-Delta-Sigma-ADU zweiter Ordnung mit bis zu sieben analogen Multiplex-Eingängen und einer programmierbaren Recheneinheit (CE) (Bild).
Diese serielle Messung vermeidet Probleme, die bei einer mehrkanaligen Messung mit mehreren ADUs bei der Datenerfassung auftreten, wie z.B. Rauschen und Unsymmetrie. Der ADU erreicht einen Dynamikbereich von mehr als 2000 : 1 über den industriellen Betriebstemperaturbereich. Die Recheneinheit besteht aus einem 32-bit-Signalprozessor, der die Standard-Messfunktionen als fest verdrahtete Logik enthält, aber mit neuen kundenspezifischen Funktionen erweitert werden kann. Die vierte Generation Zähler-ICs von Teridian nutzt eine proprietäre Isola-tionstechnik und ersetzt so die Stromwandler durch billige Strommesswiderstände.
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