Sichere Datenkommunikation für die Energiebranche

Smart-Meter-Rollout – eine Mammutaufgabe

Der Smart-Meter-Rollout erfordert eine komplette Kommunikationsinfrastruktur für den Datenaustausch zwischen Energiekunden und Energieversorgern bzw. Netzbetreibern. Gerade an dezentral gelegenen Trafostationen übernehmen Mobilfunkrouter die Datenkommunikation. Bild: Welotec

Große Visionen realisieren sich nicht von alleine. Das gilt auch für die Energiewende. Eine konkrete Maßnahme in diesem Zusammenhang besteht darin, vermehrt große Kraftwerke wie Kernkraftwerke abzuschalten und dafür kleinteilige Energieerzeugungsanlagen ans Netz zu bringen wie Photovoltaikanlagen, Blockheizkraftwerke oder Windenergieanalgen. Diese sind jedoch abhängig von verschiedenen Umgebungsbedingungen und dementsprechend schwanken die von ihnen eingespeisten Strommengen. Es stellt sich die Frage: Wie wird es möglich, den schwankenden Energieverbrauch mit einer nicht konstanten Produktion in Deckung zu bringen und in der Zukunft auch weitere Anwendungen wie die Elektromobilität in das Thema Energiewende mit einzubeziehen?

Energieversorgungsunternehmen (EVU) stehen in den kommenden Jahren unter anderem vor der immensen Herausforderung, eine große Anzahl an Haushalten mit Smart Metern auszurüsten. Alleine der flächendeckende Rollout ist schon eine Mammut-Aufgabe. Darüber hinaus muss eine komplette Kommunikationsstruktur aufgebaut werden, die eine sichere Datenübertragung zwischen Endanwender, Energieversorger und dritten Marktteilnehmern wie Messstellenbetreibern, Smart Meter Gateway Administratoren sowie Netzbetreiber ermöglicht. Auch die gesetzlich festgeschriebenen Preisobergrenzen bei der Ausstattung mit intelligenten Messsystemen sind eine große Herausforderung gerade für kleine Energieversorger wie z.B. Stadtwerke. Durchdachte Lösungen und das Know-how externer Experten sind gefragt, aber die sind derzeit noch dünn gesät.

Einige Hintergründe

Der SMGW-Rollout wird stufenweise nach gesetzlichen Vorgaben durchgeführt. Bild: Welotec

Der SMGW-Rollout wird stufenweise nach gesetzlichen Vorgaben durchgeführt.

Gesetzlich vorgegeben müssen Smart Meter bis 2032 in jedem Haushalt installiert werden. Sie sollen dann flächendeckend die aktuell benötigten und verfügbaren Energiemengen transparent machen und z.B. dabei helfen, Netzüberlastungen zu vermeiden oder Energieflüsse sinnvoll zu managen. Damit wird es möglich, zum Beispiel über variable Tarife Anreize zu bieten, technische Geräte (sofern möglich) außerhalb von Spitzenlastzeiten zu betreiben. Sobald drei voneinander unabhängige Hersteller am Markt BSI-konforme (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnologie) Smart-Meter-Gateways anbieten, bleibt Netzbetreibern 36 Monate Zeit, um die verbindliche Mindesteinbauquote von 10 Prozent zu erreichen. Es ist davon auszugehen, dass im Herbst 2017 der Startschuss fällt. Der Rollout wird dann stufenweise durchgeführt.

Der Gesetzgeber selbst spricht übrigens nicht von „Smart Meter“, sondern unterscheidet zwischen moderner Messeinrichtung (mME, das ist ein digitaler Zähler ohne Kommunikationseinheit) und einem intelligenten Messsystem (iMSys, das ist ein digitaler Zähler mit Kommunikationseinheit). Die Kommunikationsschnittstelle selbst wird als Smart-Meter-Gateway (SMGW) bezeichnet, daran können ein oder mehrere Messsysteme und auch sogenannte Schaltboxen für z. B. die Rückschaltung von Photovoltaikanlagen angeschlossen werden.

Sichere Kommunikationsinfrastruktur gefragt

Kommunikationsinfrastruktur für die Datenübertragung zwischen Smart-Meter-Gateways und Energieversorgungsunternehmen bzw. Netzbetreibern. Die blauen Elemente wurden von Welotec realisiert. Bild: Welotec

Kommunikationsinfrastruktur für die Datenübertragung zwischen Smart-Meter-Gateways und Energieversorgungsunternehmen bzw. Netzbetreibern. Die blauen Elemente wurden von Welotec realisiert.

Mit der Installation von intelligenten Messsystemen bei Verbrauchern und (privaten) Energieerzeugern ist es aber längst nicht getan. Es muss eine komplette Kommunikations-Infrastruktur geschaffen werden. Vom Energiekunden, die z.B. mit Photovoltaikanlagen auch Energieerzeuger sein können, werden die ermittelten Verbrauchs- und ggf. Erzeugerdaten über ein Smart-Meter-Gateway (SMGW) via Powerline-Kommunikation an die jeweilige Ortsnetzstation übertragen. Von hier müssen die Informationen nun zum jeweiligen Betreiber weitergegeben werden. Bei größeren Ortsnetzstationen sind hierfür in der Regel bereits Kommunikationsleitungen verlegt. In mehreren Tausend kleineren Stationen dagegen fehlen diese und es gilt nun, eine funkbasierte Datenkommunikation nachzurüsten. Wichtig ist dabei, dass die Daten sicher gegen Manipulation und Zugriff von Dritten und zudem getrennt als Nutz- und Managementdaten übertragen werden. Verschlüsselt sind diese Daten zwar ohnehin nach BSI-Schutzprofil direkt im Smart Meter Gateway aber vor dem Hintergrund dieser wichtigen kritischen Infrastruktur ist auf das sichere Design dieser Kommunikationsstruktur besonderen Wert zu legen.

Standardhardware lässt sich ideal anpassen

Die TK800 LTE-Router werden im eigenen Haus entwickelt und ließen sich daher flexibel an die konkreten Vorgaben des EVUs anpassen. Bild: Welotec

Die TK800 LTE-Router werden im eigenen Haus entwickelt und ließen sich daher flexibel an die konkreten Vorgaben des EVUs anpassen.

An dieser Stelle kommen die Experten für industrielle Kommunikation von Welotec ins Spiel, die sich in den vergangenen Jahren unter anderem auf Kommunikationslösungen für die Energiebranche spezialisiert haben. Sie bieten einerseits mit ihren TK800 LTE-Routern eine für den Anwendungsfall maßgeschneiderte Hardware und mit ihrer Network-Management-Software samt Deploymentservice andererseits die passenden Lösungen auf administrativer Seite. In einem konkreten Projekt unterstützt das Unternehmen derzeit ein großes Energieversorgungsunternehmen beim bevorstehenden Rollout der LTE-Router in mehreren zehntausend Ortsnetzstationen. Standardmäßig eignen sich die eingesetzten Router für die rauen Umgebungsbedingungen in Trafostationen. Sie halten Temperaturen von -25 °C bis +70 °C sicher stand. Die Anwendung erforderte allerdings einige individuelle Anpassung an die Vorgaben des EVUs.

Vergrößerter IP-Adressraum und getrennte Kommunikationskanäle

Mittelfristig sollen mehrere Millionen Smart-Meter-Gateways landesweit installiert werden. Jedes davon muss mit einer eindeutigen IP-Adresse adressierbar sein. IPv4 böte hierfür über kurz oder lang nicht ausreichend IP-Adressen, deshalb ist ein Umstieg auf IPv6 an dieser Stelle zwingend nötig. Daher wurde auch in den TK-Router vollumfänglich IPv6 implementiert und umfangreiche Tests mit Mobilfunknetzbetreibern durchgeführt. Damit war der LTE-Router einer der ersten am Markt, der diesen Standard unterstützt. Neben dem vergrößerten Adressraum bei IPv6 sind auch weitere Funktionen wie zum Beispiel eine reale Ende-zu-Ende Kommunikation von unterschiedlichen Geräten möglich. Diese Entwicklung macht den Kauf der Router zu einer zukunftssicheren Entscheidung.

Hinzu kam eine weitere grundlegende Anpassung: Die übertragenen Nutz- und Managementdaten haben verschiedene Adressaten und müssen daher u.a. aus Datenschutzgründen auf unterschiedlichen Kanälen weitergegeben werden. Dazu wurden die TK-Router mit Dual-APN (Access Point Name) ausgestattet. Somit lassen sich die unterschiedlichen Daten über zwei getrennte Netze mit jeweils eigenem IP-Adressraum übertragen. Gleichzeitig muss die Kommunikation den vom BSI-geforderten Sicherheitsvorgaben mit einer Ende-zu-Ende-Verschlüsselung aller Inhalte entsprechen und so sicher gegen Einblicke und Manipulation von außen sein. Beidseitige Authentifizierung und die gängigen Protokolle für Datenkommunikation wie HTTPS, SSH, und SNMPv3 sichern das Management des Routers zuverlässig ab.

Neben den technischen Änderungen galt es auf organisatorischer Ebene etliche Vorgaben umzusetzen: Elektronische Lieferscheine müssen generiert werden, Router vorkonfiguriert und mit SIM-Karten ausgestattet, kundenindividuelle Etiketten erzeugt und mit Zusatzinformationen versehen sowie Software und Router in das Warenwirtschaftssystem samt IT des Kunden integriert werden. Zudem war Unterstützung gefragt bei der Integration des Powerline-Headends. Auch die Entwicklung von speziellen LTE-Antennen für die jeweiligen Gegebenheiten in den Ortsnetzstationen spielten eine wichtige Rolle in dem Projekt.

Software unterstützt Rollout und Betrieb

Ein derart komplexes Projekt in dieser Größenordnung braucht aber nicht nur zuverlässige Hardware. Ohne die entsprechenden Software- und Management-Tools lässt sich der Rollout und später der zuverlässige Betrieb von über zehntausend Geräte nicht umsetzen. Hier kommt der Deployment-Service DS800 der Kommunikationsexperten ins Spiel. Die Software gewährleistet, dass der Elektriker in den Ortsnetzstationen die LTE-Router lediglich physikalisch anschließend muss. Mit Hilfe eines elektronischen Lieferscheins und der Einbindung der DS800 Software in die IT-Landschaft des Kunden konfiguriert sich der Router dann selbst. Gibt es während der Betriebszeiten der Router Änderungen an der Firmware oder der Konfiguration, können diese ebenfalls zentral aufgespielt werden. Eine Network-Management-Software (NMS) überwacht die Router im Betrieb. So wird schnell sichtbar, wenn beispielsweise ein Router ausfällt und ein Monteur vor Ort aktiv werden muss.

Rollout leicht gemacht

Gerade kleineren Netzbetreibern beschert der Rollout schlaflose Nächte. Wie sollen Sie diese Mammut-Aufgabe stemmen? Gleichzeitig ist es auch eine finanzielle Frage. In beiden Fällen profitieren Netzbetreiber vom Welotec-Know-how in den Bereichen Wireless, Cyber Security, Rollout Management, OEM-Entwicklung und Antennen bei der Entwicklung passgenauer Lösungen. Darüber hinaus lassen sich die eingesetzten LTE-Router auch für die Kommunikation im Smart Grid nutzen, also über die Smart-Meter-Kommunikation hinaus, und rechnen sich so gleich doppelt. Weil das Unternehmen ISO-9001:2015 zertifiziert ist, können Anwender sicher sein, dass auch künftig Anpassungen der Firmware schnell und einfach durchgeführt werden und der Deployment-Service alle Geräte im Feld zuverlässig aktualisiert. 2018 wird Welotec ebenfalls ISMS zertifiziert sein und so die Beratungskompetenz im Bereich der sicheren Funklösungen nochmals unterstreichen.

Marktstudie: Anforderungen der Versorgungsunternehmen an Sprach- und Datenkommunikation
Unternehmen der Energiewirtschaft sind auf sichere, langfristig planbare und hochverfügbare Kommunikationsnetze angewiesen. Sowohl für den Smart-Meter-Rollout als auch die Netzsteuerung und die Integration dezentraler Netzelemente sind daher stabile Datenkommunikationslösungen gefragt. Im Markt gibt es jedoch eine Vielzahl an Kommunikationslösungen und -technologien. Dies erschwert die Entscheidung für oder gegen eine bestimmte Technologie. Die folgende Marktstudie ermittelt den aktuellen Stand und die Bedürfnisse von Versorgungsunternehmen und Netzbetreibern, um dann zielgerichtete Lösungen anbieten zu können. Mitarbeiter aus den Fachbereichen Informations-, Nachrichten- und Kommunikationstechnik können anonymisiert an der Studie teilnehmen und erhalten auf Wunsch auch die Ergebnisse zur eigenen Standortbestimmung im Vergleich zu anderen EVUs: http://bit.ly/2hN9Ffx

Welotec - Experte für industrielle Kommunikation und Automatisierung
Seit 1969 bietet Welotec aus Laer im Münsterland Automatisierungsprodukte und IT-Lösungen für die Industrie. Die Münsteraner unterstützen ihre Kunden durch ganzheitliche IoT-Lösungen bei der digitalen Transformation. Zusammen mit ihren Kunden und Partnern schafft Welotec robuste und zuverlässige Netzwerk- und Computing-Lösungen. In den Bereichen Smart Grid, Verkehrstechnik und Maschinenbau bietet das Unternehmen Mobilfunk Lösungen der 4. und 5. Generation, Edge Computing und Routing Lösungen von der Edge in die Cloud. Neben den Standard Welotec Routern, IoT-Gateways, Edge Computern und Antennen bietet das Unternehmen auch Entwicklung und Produktion kundenspezifischer Geräte, Softwarelösungen und Antennen. Persönliche und qualifizierte Beratungs-, Schulungs- und Serviceleistungen bei der Verwirklichung individueller Kunden-Lösungen sind Ziel des Unternehmens, um so deutlich mehr Sicherheit in allen Entscheidungsfragen vor, während und nach einer Projektierung zu schaffen.

Weitere Informationen zum Thema finden Sie unter: https://www.welotec.com/de/smart-energy

Alle Bilder: Welotec

Avatar

Dennis Kock

Geschäftsfeldentwicklung Smart Energy bei Welotec

Nora Crocoll

Nora Crocoll

Studium Technische Redaktion, Praxis in der Elektronik-Industrie. Diplomarbeit in der Softwareentwicklung (XML-basierte Arbeitsumgebung für Redaktionsleitfaden). Seit 2005 als Autorin beim Redaktionsbüro Stutensee.

Das könnte Dich auch interessieren …

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.