Praktischer Einsatz der Breitband Powerline in der Nieder und Mittelspannung. Markus Hofsäß E.ON Metering GmbH

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1 Praktischer Einsatz der Breitband Powerline in der Nieder und Mittelspannung Markus Hofsäß E.ON Metering GmbH

2 E.ON Metering ist Dienstleister & Partner für intelligentes Messwesen Dienstleister für intelligentes Messwesen im E.ON Konzern Gegründet 2009 als GmbH Mittelständisches, flexibles Unternehmen mit Zugriff auf die Ressourcen des E.ON Konzerns Roll-out Unterstützung Projektvorbereitung Projektunterstützung Gateway Administration Meter Data Management Support Messstellenbetrieb S e i t e Daten- und Mehrwert Services Einspeise- und Lastmanagement Datenbereitstellung Datenvisualisierung 2

3 Agenda Powerline: Technologie und Hintergrund Feldtest Architektur Herausforderungen Ergebnisse Nächste Schritte Netzarchitektur Sicherheit und Anforderungen 3

4 Signalstärke Einsatz unterschiedlicher Powerline Technologien Schmalband Breitband 9kHz 95kHz 480kHz 1MHz 30MHz Cenelec* A FCC** Band Frequenz 4 * (French: Comité Européen de Normalisation Électrotechnique; English: European Committee for Electrotechnical Standardization) * *Federal Communication Commission

5 Technologieentwicklung in der Kommunikationstechnik Schmalband Powerline Massenentsatz im Bereich Erste Gerneration: Einträgerverfahren Zweite Generation: Einträgerverfahren gespreitzt Dritte Generation: Mehrträgerverfahren Smart Metering Dritte Generation in Allianzen Standardisiert FSK, S-FSK, BPSK DCSK differential code shift keying OFDM Th. Datenrate: 2,4 kbit/s Th. Datenrate: 2,4 kbit/s Th. Datenrate: kbit/s Breitband Powerline Mehrträgerverfahren OFDM Übertragungsraten Outdoor bis 30 Mbit/s Proprietäre Systeme Mobilfunk GSM 9,6 kbit/s GPRS 171 kbit/s EDGE 9,6 kbit/s UMTS 2 Mbit/s LTE 100 Mbit/s GMSK 8 PSK W-CDMA; TD-CDMA OFDM 5

6 Existierende Standards für Breitband Standard IEEE 1901 G.hn (G.9960) Einrichtung IEEE ITU-T Entwicklungsstand Anwendungen Modulationsart Indoor/Outdoor, Smart energy, Netzwerk etc. FFT-OFDM, Wavelet OFDM Indoor/Outdoor, Smart energy, Netzwerk etc. FFT- OFDM Th. Datenrate > 500 Mbit Bis 1 Gbit Technology Panasonic, HomePlug DS2 Für AMI relevante Anbieter PPC Alstom (Defidev), Corinex, Effineo Derzeit keine Interoperabilität. Weder zwischen den Standards noch zwischen den einzelnen Produkten eines Standards. 6 Interoperabilität ist notwendig für den Einsatz als WAN Technologie im Smart Meter Rollout

7 Einsatz der Technologie in Europa ist derzeit die am meisten genutzte Technologie für Smart Metering In vielen Ländern wird sowohl in der Nieder- als auch in der Mittelspannung eingesetzt Die Schmalbandtechnologie ist derzeit am weitesten verbreitet Über 65 Mio. installierte Smart Meter benutzen als Kommunikationstechnologie

8 Der Betrieb unterscheidet sich in der NS und MS Punkt zu Punkt Verbindung Jede Übertragungsrichtung hat ein eigenes Modem Lange Übertragungsstecken Wenig Störeinflüsse Mashed net Modus Kurze Übertragungsstecken Hohe Dämpfung Shared Medium 8 In der Mittelspannung lassen sich lange Übertragungsstecken und hohe Übertragungsrate realisieren

9 Agenda Powerline: Technologie und Hintergrund Feldtest Architektur Herausforderungen Ergebnisse Nächste Schritte Netzarchitektur Sicherheit und Anforderungen 9

10 Breitband als Backbonetechnologie Network Operation Center Installation der Network Management Software Einrichtung eines Wartungszugangs in der Mittelspannung Breitband bis 30 MHz 14 Übertragungsstrecken max. 2000m Erdkabel, Freiland Leitung, Geschlossener Ring, Abgangsstich Terminierung im Umspannwerk 10

11 Breitband als Accesstechnologie in der Niederspannung Zwei aneinander angrenzende Niederspannungsnetze Netzgrundstruktur durch Repeatertechnologie in den Straßenverteilern Je Netz ca. 8 Teilnehmer Erzeugung des Datenverkehrs durch Emulatoren 11

12 Throughput [kbit/s] Performanceanalyse in der Mittelspannung Generelle Performance Langzeitperformance : : : : : :00 12 Downlink [kbits/s] Uplink [kbits/s]

13 Data rate [kbit/s] Evaluierung Breitband in der NS Messsetup: TCP-IPERF Messung Datendurchsatz: Headend zu SMGW: Umspannwerk zu SMGW: 2,5 12,1 Mbit/s 1,6 1,8 Mbit/s Langzeitperformance : : : : : : : : :00 13 Downlink Uplink

14 Total Duration [s] Belastbarkeit des Systems Definition der Testszenarien Klassifizierung Verkehrsanforderungen Anforderung Bandbreite, Datenvolumen Zuordnung Kundentyp zu Gateway Ableitung Gateway- Verkehrsprofile Bestimmung kritischer Use- Cases 250 Drei kritische Szenarien identifiziert Netzdienliches Schalten Not Schalten Sicherheitspatch Emulation des Datenverkehrs ermöglicht Identifikation der Systemgrenze Number of emulated SMGWs/CLSs Measured Extrapolated Anforderungen an ein -Netz 14 Betrieb von ca. 200 Gateways je Ortsnetz möglich

15 Herausforderungen für in der Mittelspannung Keine Stromversorgung für Repeatertechnologie auf der Strecke Eingeschränkter Platz für die Installation Keine Redundanz in der Übertragungsstrecke Hoher Planungsaufwand Zusätzliche Stromversorgungseinheiten (kleiner Trafo) notwendig 15

16 Platzmangel fordert alternative Lösungen Probleme beim Einbau kapazitiver Koppler Induktive Kopplung ohne Platzprobleme Erhebliche Zeitersparnis Voraussichtlich keine Abschaltung nötig Koppelqualität bei kurzen Leitungen gut 16 Induktive Kopplung wo möglich vereinfacht die Prozesse

17 Universelle Lösungen müssen entwickelt werden Spezielle Halterungsverfahren ermöglichen eine materialschonende und schnelle Montage Endmontage vor Ort beschränkt sich beim Monteur auf bereits bekannte Standardverfahren Systemschränke ermöglichen hohes Maß an Arbeitsteilung Geeignete Formen ermöglichen einen Einbau im Inneren der Stationen 17 Abgewandelte Standardkomponenten ermöglichen die Montage nach bereits definierten Prozessen

18 Topologie bestimmen Aufwände für Installation und Betrieb Außerhalb geschlossener Ortschaften Sehr hohe rate an Freileitungen Spannungswandler sind erforderlich Hohes Risiko an Übertragungsengpässen Aggregateinsatz bei der Installation Innerhalb geschlossener Ortschaften Gute Übertragungseigenschaften zwischen den ONS Geringes Übertagungsrisiko aufgrund redundanter Übertragungswege Geringer Planungsaufwand da selten ein Aggregateinsatz notwendig ist Induktive Koppelverfahren gut anwendbar in der Mittelspannung benötigt einen hohen Planungsaufwand während der Installation und des Betriebes 18 Der Aufwand für bewohnte Gebiete ist sehr viel geringer als in ländlichen Regionen

19 Agenda Powerline: Technologie und Hintergrund Feldtest Architektur Herausforderungen Ergebnisse Nächste Schritte Netzarchitektur Sicherheit und Anforderungen 19

20 Die Architektur wird durch Kommunikationstechnologien sowie die Anforderungen des Stromnetzes bestimmt Betrieb erfordert Kombination verschiedener Technologien Der Einsatz von Netzmanagement Werkzeugen ist zwingend notwendig Jede Technologie hat Eigenschaften welche in der Architektur berücksichtigt werden müsse Architektur muss Eigenschaften und Dynamik des Stromnetzes berücksichtigen 20 Die Komplexität des Kommunikationsbetriebs ähnelt der, öffentlicher Kommunikationsnetze

21 Sicherheit im Kommunikationsnetz Datensicherheit zum SMGW wird durch das BSI PP gewährleistet Weitere Sicherheitsaspekte wie Verfügbarkeit, Manipulation etc. muss der Betreiber gewährleisten Sicherheitsfeatures müssen in der Systemarchitektur berücksichtigt werden Wesentliche Sicherheitsaspekte Modem Modem Beschränkung der Kommunikationsbeziehungen Headend Modem Trennung von Payload und Management Verkehr Authentifizierung der Netzwerk Zugangs Verschlüsselung des Management Verkehrs Authentifizierung des Management Zugangs zu den Geräten Modem Modem Repeater Modem 21

22 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Fragen: Weitere Ansprechpartner: Dr. Rainer Frank Leiter Vertrieb Tel.: Silke Schad Sales Manager Tel.: Bernd Lutz Sales Manager Tel.:

23 Backup 23

24 Security by Design bei Breitband - Installationen Beschränkung der Kommunikationsbeziehungen Die Kommunikationsbeziehungen im Netz müssen so eingeschränkt werden, daß nur eine Kommunikation zwischen Headend und Modem möglich ist. Eine Modem zu Modem Kommunikation ist unterbunden. Modem Modem Modem Headend Modem Modem Repeater Modem Trennung von Payload und Management Verkehr Der IP - Verkehr für das Management der Komponenten und die Nutzdaten werden im Netz logisch getrennt. (Nutzung von VLANs) 24

25 Security by Design bei Breitband - Installationen Authentifizierung der Netzwerk Zugangs Für die IP Adressvergabe im IPv6 wird DHCPv6 mit Authenication Option gemäß RFC3315 mit Authentication Option und DNS - Update 25

26 Security by Design bei Breitband - Installationen Verschlüsselung des Management Verkehrs Nutzung von sicheren Protokollen für den Managementverker (TLS, SNMPv3 DTLS). Basis dafür ist eine zertifikatsbasierte Verschlüsselung auf Basis von X.509 Zertifikaten Authentifizierung des Management Zugangs zu den Geräten Das Managementsystem authentifiziert sich mit Hilfe ein PKI (public key inftrastrukture) bei den Komponenten. 26