Smart Energy Research

EINLEITUNG

Seit Anfang 2010 sind die Netz- bzw. Messstellenbetreiber (MSB) laut Gesetz dazu verpflichtet, Messgeräte der neuesten Generation zu verbauen. Damit beginnen die Richtlinien der EU zur Steigerung der Endenergieeffizienz ihre Wirkung auf die Gesetzgebung der Mitgliedsstaaten zu entfalten. Die Energiebranche steht nun vor der Herausforderung, die geschichtlich gewachsenen IT-Strukturen auf eine gewaltige Datenflut vorzubereiten und eine Infrastruktur aufzubauen, um sämtliche Messpunkte mit den IT-Systemen zu vernetzen. Über die Kommunikationskanäle sollen zukünftig neben den Messdaten im Smart Metering 2.0-Szenario auch Steuerungsbefehle (Preissignal) oder Ereignisse (Ausfall oder Manipulation) übermittelt werden. Die nebenstehende Abbildung zeigt die Entwicklungsstufen des Smart Meterings bis zu einer Integration in ein Smart Grid.

UNKLARHEIT BEI TECHNOLOGIEN UND ARCHITKETUREN
Eine wichtige Entscheidung vor einem Massen-Rollout muss hinsichtlich der Architektur der Netzwerkkomponenten und der Art der Übertragungstechnologie getroffen werden. Die Übertragungsstrecke ist hierzu in zwei Teilbereiche zu unterteilen, den Nah- und den Fernbereich. Der Bereich der Nahkommunikation deckt die Vernetzung der Zähler bis zum Datenkonzentrator bzw. der Zähler untereinander ab, wohingegen der Fernkommunikationsbereich die Verbindungen vom Datenkonzentrator bis zu den zentralen IT-Systemen umfasst.

Diese Unterscheidung ist sinnvoll, um die Entscheidungskriterien den Anforderungen der zu überwindenden Strecke entsprechend zu gewichten. Vorausschauend kann davon ausgegangen werden, dass Aspekte, die im Nahbereich besondere Bedeutung haben, auf einer Weitverkehrsstrecke eher ein geringeres Gewicht gegenüber anderen Kennzahlen haben werden. So müssen im Nahbereich insbesondere die Aspekte der Verbrauchsvisualisierung und der Kommunikationsstruktur betrachtet werden. Dem gegenüber stehen in der Fernkommunikation besonders Aspekte wie die Datensicherheit und die Kommunikationseffizienz. Die Abbildung 2 bietet einen Überblick der Alternativen in Form einer Tag Cloud. Die bisherigen Projekte der Unternehmen bezogen sich meist nur auf eine grundsätzliche Eignung einer Technologie bzw. Architektur für Smart Metering, weniger auf einer Gegenüberstellung und Bewertung der für unterschiedliche Szenarien geeignetsten Lösung. Dadurch kann schnell ein hohes Risiko durch die Auswahl einer ineffizienten Technologie bzw. Architektur entstehen, das im Worst-Case-Szenario einen kompletten Austausch der Zähler bzw. Infrastruktur und damit hohe Kosten für einen MSB nach sich zieht. Als Resultat zweier in Zusammenarbeit mit IBM angefertigter Forschungsarbeiten soll dieser Artikel eine Methode zur Architektur- und Technologieauswahl darstellen, die auf die jeweiligen spezifischen Gegebenheiten eines MSB adaptiert werden kann. Darüber hinaus können die erarbeiteten Kriterien den Beratungsunternehmen als Fragenkatalog dienen, um für ein Energieunternehmen und dessen Kunden die effizienteste Lösung zu identifizieren.

GANZHEITLICHES ENTSCHEIDUNGSSYSTEM
Zur Evaluierung der Lösungsansätze ist es erforderlich Kriterien zu identifizieren, anhand derer die Effizienz der Alternativen gemessen werden kann. Dabei müssen für eine ganzheitliche Sicht sowohl Anforderungen der Marktrollen und des Verbrauchers als auch informations- und kommunikationsspezifische Anforderungen abgedeckt werden. Da bei den Messstellenbetreibern der Einsatz unterschiedlicher Smart Meter-Lösungen zu erwarten ist und diese bei einem Kundenwechsel in die IT-Landschaft integriert werden müssen, spielt die Eigenschaft der Interoperabilität eine zentrale Rolle bei der Architektur- und Technologieentscheidung. Eine hohe Interoperabilität senkt nachhaltig und dauerhaft die Integrationskosten und trägt damit zum Erfolg des Smart Meterings bei. Als weitere wichtige Kriterien sind insbesondere Begriffe wie Skalierbarkeit, Datensicherheit, Reichweite und Kosten zu nennen. Aber auch soziale Aspekte wie der Energieverbrauch und die Strahlung müssen Berücksichtigung bei der Entscheidung finden.

Bei der Strukturierung der erarbeiteten qualitativen und quantitativen Kriterien erfolgt im ersten Schritt die Bildung von übergeordneten Kriteriengruppen, sogenannte Cluster. Im Anschluss wird eine Zuordnung der einzelnen Kriterien zu den Kriteriencluster vorgenommen. Im letzten Schritt sollten insbesondere für qualitative Kriterien möglichst messbare Größen herausgearbeitet werden, damit eine spätere Evaluation nachvollziehbar und objektiv bleibt. Die nebenstehende Abbildung zeigt die im Rahmen der Forschungsarbeiten für die Architektur- und Technologieentscheidung aufgestellten ganzheitlichen Kriteriencluster.

Unter dem Aspekt der Systemanforderungen sollen alle Kennzahlen zusammengefasst werden, die mit der Zukunftsfähigkeit des Gesamtsystems direkt in Verbindung stehen. Diese ist nur gewährleistet, wenn die Systemkomponenten unabhängig von organisatorischen und technischen Rahmenbedingungen nahtlos mit Komponenten anderer Herkunft zusammenarbeiten können. Da es sich bei der Infrastruktur von Smart Meter Netzen um großflächige Netzwerke handelt, sollten diese hinsichtlich Teilnehmeranzahl und Funktionalität beliebig erweiterbar sein. Ein flexibles Protokoll, große max. Teilnehmeranzahl und unterstütztem Multi-Hopping sowie ein modularer Ansatz des Smart Meters bieten die besten Möglichkeiten ein Netzwerk ohne großen Anpassungsaufwand verändern zu können. Ein weiteres Kriterium bei einer Technologie- und Architekturauswahl ist der Aspekt der Marktdurchdringung, ein Indiz für Beständigkeit und Kundenzufriedenheit.

Die nächste Gruppe enthält alle Aspekte der Datensicherheit. Von diesem Kriterium hängt in erster Linie die Technologieakzeptanz des Verbrauchers ab. Dabei wird unterschieden zwischen der Sicherheit der Daten selbst sowie der sicheren und verlässlichen Übertragung vom Zähler zu den zentralen IT-Systemen. Demnach sollten Eigenschaften wie die Verfügbarkeit aber auch die Integrität und die Vertraulichkeit der Daten berücksichtigt werden. Drahtgebundene Technologien weisen beim Aspekt Datenintegrität meist eine weitaus bessere Bitfehlerraten auf. Einigen Technologien fehlt eine entsprechende Integritätsprüfung gänzlich. Bezüglich des Kriteriums Vertraulichkeit bieten die Technologien Verschlüsselungsverfahren unterschiedlicher Güte an. Diese reichen von unverschlüsselter Übertragung über 64 Bit Stromchiffre bis hin zu einer 128 Bit AES-Verschlüsselung. Die Verfügbarkeit kann anhand empirischer Daten bzw. im Nahbereich anhand der Wahrscheinlichkeit einer Datenkollision (Zugriffsverfahren) ermittelt werden.

Zu wichtigsten Kriterien der Kommunikation eines Metering Systems zählen die Geschwindigkeit und die Dauer die Nutzdaten vom Zähler zum IT-System zu übertragen. Für die Dauer der Übertragung ist im Nahbereich durch die kleinen Datenpakete in erster Linie die Aufweckzeit aus dem Sleep-Modus entscheidend. Ein hohes Link Budget sorgt hingegen für eine gute Signalreichweite einer Übertragungstechnologie. Ein Metering System sollte aber auch eine gute Effizienz zwischen Nutzdaten und Steuerdaten aufweisen und Dienste und Funktionen zur Sicherstellung der Echtzeitfähigkeit anbieten. Als Beispiel kann hier die EDCF- und HCF-Funktion der WLAN-Technologie genannt werden.

Im Kriterienkreis Teilnehmer werden Kommunikationseigenschaften betrachtet, die von dem jeweiligen Einsatzort der Technologie abhängen. Um eine möglichst hohe Vernetzung von Haushalten zu erreichen, sind insbesondere in urbanen Gebieten Technologien mit einer hohen maximalen Teilnehmeranzahl zu bevorzugen. Für die Datenübertragung sollte eine Frequenz gewählt werden, welche möglichst frei von Störungen durch andere Technologien ist, bzw. eine hohe Störungsresistenz aufweist. Insbesondere für funkbasierte Übertragungstechnologien in der Fernkommunikation sind auch eventuelle Beeinträchtigungen durch das Wetter oder die Topografie zu beachten.

Ein für Smart Metering eingesetztes Informations- und Kommunikationssystems (IKS) muss auch die im Cluster Teilnehmerinteraktion zusammengefassten Anforderungen zur Kommunikationsrichtung und Betriebsart erfüllen. Da Steuerungsbefehle, Konfigurationsnachrichten oder Quittungen über den Erhalt einer Nachricht durch das Metering System empfangen werden sollen, ist ein bidirektionales System für Smart Metering erforderlich. Die Betriebsart ist wichtig für das gleichzeitige Senden einer Nachricht an unterschiedliche Zähler (Messdatenübertragung durch Pull-Verfahren). Eine Einschränkung auf unidirektionale Kommunikation würde eine Nutzung des Smart Meters für weitere Entwicklungsstufen verhindern.

Neben der Datensicherheit spielt bei der Verbraucherakzeptanz einer Technologie auch die Strahlenbelastung eine wichtige Rolle, die neben dem Kriterium Energieverbrauch im Kriterienkreis soziale Aspekte aufgenommen wurde. Funkbasierte Technologien weisen hier große Unterschiede auf. Ökologisch betrachtet sollte ein Smart Meter so wenig wie möglich an Energie verbrauchen, unter der Maßgabe den fachlichen Anforderungen gerecht zu werden. Zudem muss bei batteriebetriebenem Smart Metern wirtschaftlich mit der vorhandenen Batterie umgegangen werden, um die Lebensdauer der Eichperiode zu überdauern.

Neben der Betrachtung des Nutzens einer Architektur bzw. Übertragungstechnologie ist es notwendig die Höhe der Investitions- sowie der Instandhaltungs- und laufenden Betriebskosten einzubeziehen. Diese fallen für den Smart Meter und im Falle einer Architektur unter Einbindung eines Multi Utility Communicator (MUC) auch für diesen an. Je nach unterstützter Übertragungstechnologie unterscheiden sich die Kosten. Einige Technologien benötigen zwingend zusätzliche Hardware wie Repeater oder Controller, die bei der Entscheidung berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus können bei drahtgebundenen Technologien Kosten für die Verlegung von Leitungen anfallen.

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Zuordnung der Kriterien zu den Gruppen. Ausgehend von dieser Betrachtung können nun für die Differenzierung qualitativer Größen wie an einigen Stellen im Artikel bereits beschrieben, Messgrößen für die Evaluation geeigneter Übertragungstechnologien und Architekturen ermittelt werden.

EVALUATIONSPROZESS
Nachdem die für ein Metering System relevanten Entscheidungskriterien aufgestellt und Messgrößen erarbeitet wurden, können diese im nächsten Schritt zur Evaluation eingesetzt werden. Eine anerkannte Methode stellt der Analytic Hierarchie Process (AHP) dar. Die Methode erlangt durch den paarweisen Vergleich der Kriterien und Alternativen eine höhere Objektivität bei der Festlegung der Kriteriengewichtung.

Die hierarchische Ausprägung des AHPs erfordert einen paarweisen Vergleich der möglichen Kriterien, die auf der gleichen Hierarchiestufe innerhalb des jeweiligen Clusters stehen. Dadurch entsteht für jeden Cluster eine Gewichtungsmatrix der Kriterien, wobei die Anzahl der Kriterien die Dimension der Matrix wiedergibt. Die oberste Gewichtungsmatrix ist im Beispiel der Entscheidungskriterien eine Matrix mit 7×7 Feldern mit den Inhalten aus Abbildung 4.

Alle weiteren Matrizen ergeben sich kongruent unter dem jeweiligen Cluster. Diese werden dann solange quadriert, bis sich der Ergebnisvektor, der gleichzeitig das Ranking der Kriterien darstellt, sich nur noch in einer ausgewählten Toleranz verändert. Die Lösungsalternativen werden im Anschluss ebenfalls einander paarweise gegenübergestellt. Die Ergebnismatrix ist gemäß der Anzahl der ausgewählten Kriterien entsprechend umfangreich.

Durch die Möglichkeit der getrennten Betrachtung von Nutzen und Kosten kann über die rein technischen Spezifikationen hinaus eine deutlichere Aussage zur Wirtschaftlichkeit getroffen werden, denn der Einsatz der nach Nutzengesichtspunkten besten Technologie kann nicht immer wirtschaftlich realisierbar sein. Die Abbildung 7 zeigt exemplarisch das Ergebnis der AHP für die Evaluation der Technologien im Bereich der Nahkommunikation.

Obwohl die Technologie KNX-IP nach dem Nutzen-Ranking vorne liegt, ist der Einsatz der Technologie aus Kostenaspekten gegenüber der funkbasierten Alternative ZigBee (Platz 2 Nutzen-Ranking) nachteilig. Im Bereich der Fernübertragung ist es vorstellbar anstatt der Kosten, die Verfügbarkeit der Technologie als wichtigstes Kriterium dem Ergebnisvektor gegenüberzustellen.

Der AHP ist ein mathematisch anspruchsvolles Verfahren, welches jedoch weitestgehend objektiv ist, denn durch eine subjektive Veränderung der Gewichte in den Ausgangsmatrizen, bleibt das Ergebnis stabil. Die simple Grundlage des paarweisen Vergleiches erschließt die Möglichkeit Kunden in die technische Auswahl einzubeziehen, in dem dieser einen Fragebogen zu den verschiedenen Kriterien ausfüllt, in dem er selbst abwägt, welches der möglichen Kriterien besonders wichtig für ihn ist. Das im Artikel vorgestellte ganzheitliche Entscheidungssystem kann somit flexibel auf die Gegebenheiten des Energieversorgers angepasst werden und ist entkoppelt von dem schnelllebigen Technologiewandel.

Dieser Artikel ist ein Auszug aus den im Grin-Verlag veröffentlichten Diplomarbeiten mit dem Titeln:Effiziente Architekturen und Technologien zur Realisierung von Smart Metering im Bereich der Nahkommunikation

Effiziente Architekturen und Technologien zur Realisierung von Smart Metering im Bereich der Fernübertragung