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Stromversorgung für Smart Meter

Intelligente Zähler vor Manipulationen und Stromausfällen schützen

27. Mai 2015, 14:28 Uhr | Rich Miron, Digi-Key Technical Content Team

Abbildung 1: Schaltbild der Stromversorgung für einen intelligenten Zähler unter Verwendung des LinkSwitch-XT von Power Integrations und einem Transformator mit Eisenpulverkern

Verbrauchszähler stellen hohe Anforderungen an Energieeffizienz, Fehlerschutz und Betriebssicherheit. Mit den richtigen Schaltungen lassen sich Probleme wie das der Manipulation lösen und die Toleranz gegenüber Stromausfällen erhöhen.

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So können die Zähler dem Energieversorger zumindest signalisieren, dass er ein Problem vorliegt und Wartungsarbeiten erforderlich sind.

Was die Energieeffizienz angeht, so haben intelligente Stromzähler den Luxus einer netzgebundenen Stromquelle, aber gleichwohl muss auch hier der Verbrauch verringert werden, weil der Strom zum Betrieb der Geräte vom Energieversorger kommt und nicht vom Kunden. Gas- und Wasserzähler dagegen müssen mit einer Batterie laufen können und eine garantierte Lebensdauer von mindestens zehn Jahren aufweisen. Damit gelten für die Effizienz des Stromrichters sowie der übrigen Messelektronik strenge Auflagen.

Gleichzeitig müssen die neuen Zählerarten 32-Bit-Mikroprozessoren sowie größere Speichergrößen unterstützen können, um so kryptographische Funktionen und noch feinere Nutzungsmessungen sowie Datenaktualisierungen mittels drahtloser Kommunikation bieten zu können. Bei einem Ausfall der externen elektrischen Stromversorgung müssen die Zähler in der Lage sein, dem Energieversorger eine entsprechende Benachrichtigung zu senden, was die Verwendung von Reserveenergie-Strategien erforderlich macht.

Ein zentrales Problem, mit dem sich die Entwickler von intelligenten Zählern auseinanderzusetzen haben, ist die Gefahr der Manipulation. So werden bei Stromzählern zum Beispiel die Messungen von Transformatoren unterbrochen, die für die Messung von Wechselstrom (AC) eingesetzt werden. Der für die Stromerfassung verwendete Transformator kann mithilfe von Magneten aus seltenen Erden relativ einfach gesättigt werden – mit der Folge, dass der Zähler keine Änderungen beim Strom mehr erfasst. Aus diesem Grund sind die Transformatoren heute häufig geschirmt. Gleichwohl könnten Betrüger immer noch versuchen, den Zähler zu manipulieren und dabei ohne es zu bemerken den Stromversorgungsschaltkreis beschädigen.

Etliche Schaltnetzteile verfügten früher über kleine Transformatoren mit Ferritkern, die zwar günstig und effizient waren, aber auch empfindlich gegenüber starken Magnetfeldern wie jenen, die mit aus wenigen Zentimeter Entfernung gehaltenen Magneten aus seltenen Erden erzeugt werden. Eine Sättigung des Transformatorkerns führt häufig zu Überstrom, der eine Überlast mit zerstörerischer Wirkung im MOSFET des Netzteils verursachen kann. An diesem Punkt schaltet sich der Zähler vermutlich ab, bis das Netzteil ausgetauscht ist.

Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieses Problems ist die Verwendung eines Relais, um so das Magnetfeld zu erkennen und die Last zu trennen – in der Regel die zum Verbraucher führende Versorgungsleitung –, ehe der MOSFET beschädigt werden kann. Alternativ kann auch eine Stromversorgung mit Schutzfunktionen im Kernschaltkreis konzipiert werden.