M2M Summit, Düsseldorf

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1 M2M Summit, Düsseldorf Internet of Things in Smart Grids Dr. Kai Daniel Neue Technologien/Projekte SEITE 1

2 Outline > Definitions of Internet of Things and Smart Grid > ICT Model of the Future Smart Grid > Examples: Smart Grid and its Infrastructure > Architecture Model for Metering and Control > Challenges for Grid Control while using Internet technology > Summary SEITE 2

3 Warming Up: Some definitions However, common understanding is to utilize the www as ITU-technology SEITE 3

4 ICT Model of the Future Smart Grid OT Operational Technology Inner circle IT Information Technology Outer circle Using known ITU-technologies SEITE 4

5 Grid and Market Use Cases related to the Energy Grid Use Case Night Heatings Dynamic Tarifs Street Lighting Grid Control Virtuelles Kraftwerk Details Example Nachtspeicher, Wärmepumpen, Elektromobile Variable Tarife EFR-Steuerung 1) TFR-Steuerung 2) PV-Anlagen, Winderzeugung PV-Anlagen, Winderzeugung No. 1,4 Mio. - 9,1 Mio. 1,3 Mio. 1,3 Mio. Voltage Niederspannung Niederspannung Mittelspannung Hochspannung Niederspannung (Niederspannung) Mittelspannung Hochspannung Niederspannung Mittelspannung Hochspannung Power 14 GW - ~900 MW (Annahme: 100W/Leuchte) 17 GW (nur NS) 17 GW (nur NS) Energy TWh - 4 TWh 77 TWh 77 TWh German Regulation/Law EnWG 14a EnWG 14a BSI TR03109 Verkehrssicherungspflicht EnWG 21c EnWG 13 EEG 12 EnWG 21c EnWG 13 EEG 12 Data Category: OT IT OT OT IT 1) Europäische Funk-Rundsteuerung 2) Tonfrequenz-Rundsteuerung SEITE 5

6 Grid Infrastructures (Past + Today) Control centre Schutz- & Sekundärtechnik Distributed Energy Ressources Quelle: RWE AG/CHD, Konzernsicherheit Prosumer Aggregated Stations: Critical SEITE 6

7 Grid Infrastructures (Today + Future) Smart Operator Intelligent Substations Smart Meter E-Mobility Critical Systems? Electric Storages Quelle: GAI NetConsult Quelle: GAI NetConsult Intelligent Loads Quelle: SEITE 7

8 Extended Metering Infrastructure Based on Protection Profile from Federal Office for Information Security SEITE 8

9 Impact of the German Smart Meter Rollouts Intelligent Switch Box / Control Agent for Decentral Load and DER-Integration Smart Meter Load / feed-in SMGw- Admin CLS Management Metering Point Operator Supplier Externer DSO External Market Participants Wide Area network (WAN) Smart Meter Gateway (SMGw) Switch Box / Control Agent Smart Meter Rollout in Germany means: Grid control is realized through metering infrastructure! SEITE 9

10 Overview: Figures of the Smart Meter Rollout in Germany Quelle: Ernest und Young, Variantenrechnung von in Diskussion befindlichen Rollout-Strategien, 2014 SEITE 10

11 Control and measurement are different use cases, which raise several problems in the architecture Question: How to securely separate the varying use cases and participants? SMGw WAN LMN CLS_HAN Switch Box Meter SEITE 11

12 Control and measurement are different use cases, which raise several problems in the architecture Solution Approach: Managed VLAN suitable? WAN SMGw Managed VLAN-Switch CLS_HAN LMN. Meter Switch Box Is that a Business Case? SEITE 12

13 Overview of DER stations in Germany Power # # # 800 # Number of stations > 1 MW # # kw # # Stations with system relevance and higher requirements for grid control < 30 kw # # LV MV HV HV MW MW MW MW Voltage Install. Power Quelle Energymap.info, Stand SEITE 13

14 Risiko: Blackout? SEITE 14 Quelle: Google

15 Summary Smart Grid and Internet of Things 1 Do we have Internet of Things in Smart Grids? Yes, we do! However, Internet technologies will be integrated in selected subsystems. Particularly in the OT-domain, a logical and physical separation is required, where dedicated OT-technologies will be utilized in future. 2 What are the key challenges? To economically integrate control functions: The metering infrastructure has to be extended for control pruposes. Against this background IT security issues have to be solved to avoid privacy and reliability issues. 3 What are the next technical steps (Examples)? 1. Elaborate Interoperable & Standardized Systems 2. Enable Communication Networks für Smart Grid & Smart Metering 3. Ensure sustainable Security and Reliability of the Energy Grid SEITE 15

16 Backup SEITE 16

17 Architektur-Entwurf Schaltakteur: Es kann zu einem Zeitpunkt nur einen geben! Unterschiedliche Akteure Vertrieb z.b. Virtuelles Kraftwerk Netzbetreiber z.b. Netzleitstelle Messstellenbetreiber z.b. Energiedaten-managementsystem Sicherer Zugriff SMGw Admin u.a. Verbindungsaufbau; Zertifikatsprüfung etc. Koordinator 1,2,3,4 CLS-Management-System Kundenanlage Zähler Smart Meter Gateway Steuerbox 3 Kunde z.b. Smart Home Trusted Third Party als Vermittler CLS-Prozesstechnik 5 (Nachtspeicher, PV- Anlage ) 1 Aufgabe, die funktional zu beschreiben ist und einer Rolle zuzuordnen ist 2 nicht in KNA und POG enthalten. 4 Verbindungsaufbau gem. BSI-Vorgaben nach TR03109, z.b. HKSxxx 3 Priorisierungsregelwerk durch den grundzuständigen Anschluss-NB hinterlegt 5 In Kunden-Verantwortung nach TAR SEITE 17

18 Energy Management / Providing Flexibility (M490) Actor A Energy management gateway (EMG) CEM Smart Device* Market communication Smart Grid Connection Point Actor B MDM HES NNAP Smart Metering gateway (LNAP ) Smart meter functionality Simple external consumer display Metering channel M441 architecture * e.g. HBES device, smart appliances, storage, generator, domestic charger for EV, complex display SEITE 18

19 Internet: PC / Device SW Update etc WAN Prv Home Network My Prv PC* My Prv Router 5 Actor* (aktiv EMT) (z.b. DSO, Aggregator) Datenempfang und steuern Actor* (passiv EMT) (z.b. Lieferant, sonst.) Nur Datenempfang Actor (GW Admin) Admin Funkt ion (Lt. BSI) SGCP(M490/M441) ---WAN (BSI) Smart Device* Device Interface : IF_4/5??? Actor* (Techniker) Service Interface : IF_SRV (BSI) 4 CLS / CEM / Steuerbox IF_CLS (BSI) + IF_5 + IF_4 2a 2b 2c Smart Metering Gateway 1 LMN Smart Meter Functionality Meter intern display Extern Display 2 3 Display Interface : IF_CUST (BSI) HAN SEITE 19

20 WAN Prv Home Network Externer Marktteilnehmer n Externer Marktteilnehmer SMGW Administrator Externer Marktteilnehmer 1 CLS Management 2 LMN HAN Letztverbraucher 1 n Zähler 1 Zähler 2 CLS 1..n Steuerbox 1..n 1 Smart Meter Gateway Zähler n Servicetechniker Sicherheitsmodul 1, 2 Ergänzungen/Erweiterungen zur BSI-Architektur gem. TR03109 SEITE 20

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