Anforderungen, Funktionen und Architekturen für netzdienliche Schaltungen im Smart Grid

Transkript

1 Smart Energy Fachtagung , Dortmund Anforderungen, Funktionen und Architekturen für netzdienliche Schaltungen im Smart Grid Keywords: Koexistente Systeme Interoperabilität - Sicherheit Neue Geschäftsmodelle Dr. Kai Daniel Neue Technologien/Projekte SEITE 1

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3 Die Steuerungsfähigkeit intelligenter Messsysteme wird vom Gesetzgeber verlangt Relevante Auszüge aus dem Entwurf des Messstellenbetriebsgesetzes des BMWi 1 Aktueller Stand des Diskussion: Der Gesetzesentwurf zur Digitalisierung der Energiewende ist in der Abstimmung. Die netzdienliche Steuerung hat nach aktuellem Stand über das Smart Meter Gateway zu erfolgen. Hieraus ergibt sich eine regulatorische Verpflichtung zum Einsatz von Steuerboxen in einer Vielzahl von Anwendungsfällen (Nachtspeicher, PV-Anlagen) 1 Stand: Oktober 2015 Steuerbox bei Erzeugungsanlagen > Pflicht zum Einbau betrifft Alt- wie Neuanlagen > ab 2017 EE- und KWK-Erzeugungsanlagen mit einer installierten Leistung über 7 kw > ab alle Messstellen mit einer installierten Leistung über 100 Kilowatt Steuerbox bei Verbrauchern > Unterhalb von kwh Jahresstromverbrauch ist ein im nur dann zwingend, wenn an einem (netzdienlichen) Flexibilitätsmechanismus, wie dem nach 14a EnWG, teilgenommen wird. SEITE 3

4 OT/IT-Konvergenz am Beispiel Steuerbox Gateway Administrator Smart Meter Last/Einspeiser, z.b. WEA Messstellenbetreiber Lieferant Externer Verteilnetzbetreiber Externer Marktteilnehmer (EMT) Wide Area network (WAN) Smart Meter Gateway (SMGw) Steuerbox (intelligenter Agent) Steuerbox als ein Beitrag zum BDEW-Ampelkonzept Pflichteinbaufall, d.h. Einbau voraussichtlich verpflichtend 21c (Einbau von Messsystemen) gem. 14a EnWG (Steuerung unterbrechbarer Verbraucher in NS) Marktrollenübergreifende Funktionen der Steuerbox Einspeise- / Lastmanagement für den Netzbetreiber und Lieferanten *) Schwellwertüberwachungen, Kontrollierter Versorgungswiederaufbau Umsetzung von Tarifschaltungen und Steuerbefehlen für Energielieferanten *) die rote Phase ist für die Systemsicherheit von großer Bedeutung SEITE 4

5 Netz- und marktdienliche Anwendungsfälle Use Case Heizungssteuerung Dynamische Tarifierung Straßenbeleuchtung Netzsteuerung Virtuelles Kraftwerk Details Beispiel Nachtspeicher, Wärmepumpen, Elektromobile Variable Tarife EFR-Steuerung 1) TFR-Steuerung 2) PV-Anlagen, Winderzeugung PV-Anlagen, Winderzeugung Anlagen 1,4 Mio. - 9,1 Mio. 1,3 Mio. 1,3 Mio. Spannungsebene Niederspannung Niederspannung Mittelspannung Hochspannung Niederspannung (Niederspannung) Mittelspannung Hochspannung Niederspannung Mittelspannung Hochspannung Leistung 14 GW - ~900 MW (Annahme: 100W/Leuchte) 17 GW (nur NS) 17 GW (nur NS) Energie TWh - 4 TWh 77 TWh 77 TWh EnWG 14a EnWG 14a BSI TR03109 Rechtsgrundlagen Verkehrssicherungspflicht EnWG 21c EnWG 13 EEG 12 EnWG 21c EnWG 13 EEG 12 Datenkategorie: 1) Europäische Funk-Rundsteuerung 2) Tonfrequenz-Rundsteuerung SEITE 5

6 Systemdienstleistungen werden zukünftig auch durch die Steuerbox am imsys erbracht Blindleistungsmanagement dezentraler Erzeugung Blindleistung zur Spannungshaltung im Verteilnetz Blindleistungslieferung an das Transportnetz Spannungshaltung Einspeise- und Lastmanager Aggregator von Regelleistung z. B. Power to Heat Frequenzstützung Aktive Leistungsregelung dezentraler Anlagen Systemoptimierer Erzeugungs- und Speichermanagement Engpassmanagement Betriebsführung System- Aggregator für den TSO in wieder- der Systemverantwortung aufbau Definierte Lasten und Erzeugung an Verknüpfungspunkten Ggf. Zwischenversorgung im Inselbetrieb SEITE 6

7 Architekturanforderungen Beispiel Smart Home / Energy Management / Home Entertainment Problemfall: Sichere Koordination der Marktakteure SMGw WAN LMN CLS_HAN Steuerbox Meter SEITE 7

8 Architekturanforderungen Beispiel Smart Home / Energy Management / Home Entertainment Lösungsansatz: Sichere Koordination der Marktakteure WAN SMGw Managed VLAN-Switch CLS_HAN LMN. Meter Steuerbox Wirtschaftlich tragfähig? SEITE 8

9 Architektur-Optionen: Vereinfachte Netzarchitekturen am Beispiel Smart Home SMGw Steuer- Box Smart Home Anlage (PV, Speicher) Option 1 (heute): - Nicht ISMS-konform gem. BDEW-Whitepaper - Trennung der Verantwortungsbereiche nicht gewährleistet - Verfügbarkeit i.s. QS gefährdet SMGw! Getrennte Domänen! Steuer- Box Smart Home Anlage (PV, Speicher) Option 2: - ISMS konform gem. BDEW- Whitepaper - Klar getrennte Verantwortungsbereiche - Verfügbarkeit in Verantwortung des NB - Konvergenz und Koexistenz möglich SEITE 9

10 Erweiterte Architektur des intelligenten Messsystems Option 2 IF_GW_SRV (Service-Techniker) IF_GW_CON (Consumer = Display), standardisiertes Protokoll Anwendungen gem. EnWG 13, 14a, 21c Steuerbox Steuerbox Steuerbox Nachtspeicher Wärmepumpen PV-Anlage Wind-EA SMGW IF_GW_CLS_VNB plombiert, logisch separiert) Elektromobile Kommunikation zwischen Steuerbox und SH möglich! WAN Interface LMN IF_GW_CLS_offen (frei zugänglich) Meter Meter Meter EMG Smart EMG Home Anwendungen Smart Home / Gebäudeautomatisierung Kühlschrank Lichtsteuerung Zentralheizung SEITE 10

11 Architektur-Entwurf (1/3) Schaltakteur: Es kann nur einen geben zu einem Zeitpunkt! Unterschiedliche Akteure Vertrieb z.b. Virtuelles Kraftwerk Parallele Installationen erschweren die konsistente Schaltung 1 Kundenanlage Steuerungssystem vom Direktvermarkter Netzbetreiber z.b. Netzleitstelle 2 Funkrundsteuerung / Fernwirktechnik Messstellenbetreiber z.b. Energiedatenmanagementsystem 3 Zukunft: Smart Meter Gateway & Steuerbox Kunde z.b. Smart Home 4 Smart Home Controller SEITE 11

12 Architektur-Entwurf (2/3) Schaltakteur: Es kann nur einen geben zu einem Zeitpunkt! Unterschiedliche Akteure Vertrieb z.b. Virtuelles Kraftwerk! Zugriffskonflikte Kundenanlage Zähler Netzbetreiber z.b. Netzleitstelle z.b. Einspeisemanagement Smart Meter Gateway Messstellenbetreiber z.b. Energiedatenmanagementsystem Steuerbox Kunde z.b. Smart Home Synchronisierter und konsistenter Zugriff ist notwendig Gerät/ Anlage SEITE 12

13 Architektur-Entwurf (3/3) Schaltakteur: Es kann nur einen geben zu einem Zeitpunkt! Unterschiedliche Akteure Sicherer Zugriff Kundenanlage Vertrieb z.b. Virtuelles Kraftwerk SMGw Admin Zähler Netzbetreiber z.b. Netzleitstelle Messstellenbetreiber z.b. Energiedatenmanagementsystem u.a. Verbindungsaufbau; Zertifikatsprüfung etc. Koordinator 1,2,3,4 CLS-Management-System 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 13

14 Erweiterung des intelligenten Messsystems WAN Prv Home Network Externer Marktteilnehmer n Externer Marktteilnehmer 2 SMGW Administrator Externer Marktteilnehmer 1 CLS Management 2 LMN HAN Letztverbraucher 1 n Zähler 1 Zähler 2 CLS 1..n Steuerbox 1 Smart Meter Gateway Zähler n Servicetechniker Steuerbox 1..n Sicherheitsmodul 1, 2 Ergänzungen/Erweiterungen zur BSI-Architektur gem. TR03109 SEITE 14

15 System of Systems Architektur (Entwurf) Schnittstellen und Zusammenwirken der Systeme in Zukunft Einheitliche Schnittstelle (Enterprise Application Bus) VPP-System Stationsleittechnik CLS- Management- System Kunden (Lieferanten / Vertriebe) Gateway & Steuerbox Direkte Prozessanbindung Netzführungssystem Weitbereichsregelung Digitale / El. Schnittstelle Direkte Prozessanbindung 1) etc EEG-Anlage / EnWG 14a Anlage 1) Abhängig von Ausgestaltung der TR03109 bzw. Vorgaben des BSI

16 Das 1000x1000 Problem: Beitrag zu einem Ampelkonzept Transformation und Weiterentwicklung 2 Technischer Prozess 1 Ampelmodell (Quelle: BDEW) 3 Interoperabilität IEC Modell SEITE 16

17 Geschäft generieren durch erhöhte TK-Anforderungen für Steuerungsanwendungen Szenario / Anforderung Einheit Smart Grid (Steuern) Steuerungs-anwendungen haben erhöhte TK Anforderungen 2x täglich Schaltprogramm übertragen = Verdreifachung des Datenvolumens NB darf (ausschließlich) vom gmsb Erbringung der TK-Leistung fordern (angem. Entgelt) 1 Bidirektionalität ja / nein ja 2 IT-Sicherheit, z.b. Authentifzierung Ende-zu-Ende gering/hoc h 3 IPv4-Abwärtskompatibilität ja / nein ja 4 IPv6 ja / nein ja 5 Max. Übertragungsverzögerung (für sicherheitskritisches Updates) parallel für alle SMGw 6 hoch h 24 Monitoring Anlage / Fernwartung; Statusinformationen zum Modem ja / nein ja 7 Technologielebensdauer Jahre 16 8 Max. Antwortzeit Systemreaktion (Ende-zu-Ende Prozess) min 5 9 Max. Antwortzeit TK Ende zu RTT Ende Layer 7 s 1 10 Verkehrsklassen und QoS, priorisierter Netzzugang ja / nein ja 11 Min. Verfügbarkeit (zeitlich) % Max. Wiederherstellungszeit pro Zugangspunkt/Basisstation h Max. Wiederherstellungszeit Core Netz h 4 14 Gleichzeitiges Schalten für große Gruppen Anlagen/3Min ja / nein 15 Min. Datenrate pro cell edge kbit/s Schwarzstartfähigkeit für das TK-System ja/nein ja 17 Battery Back-up: welche Zeiten werden benötigt? h Einflussnahme bei der Planung, Realisierung & Betrieb des TK- Netzes 19 Monitoring TK-System durch Netzbetreiber / Messstellenbetreiber/ Lieferant ja / nein ja / nein ja ja ja SEITE 17

18 Erreichte Ziele und Ergebnisse (09/2015) Use Case Beschreibung Kritische Anwendungsfälle (MS / HS), z.b. EEG- Steuerung Unterbrechbare Lasten, z.b. Nachtspeicher Einspeisemanagement für Netz und Markt 100% Anforderungen an Funktion, Bauart, System und Architektur definiert Priorisierung / Klassifikation für NS, MS, HS entsprechend der Rollout-Anforderungen 100% Lastenheft (Teil 1) Anforderungskatalog FNN- Abstimmung Spezifikation entlang der bestehenden regulatorischen Vorgaben (z.t. Workarounds) Architektur: CLS-Management (in Arbeit) Protokoll: IEC61850 für Steuerung (in Arbeit) BMWi/BSI diverse Termine FNN PG Kommunikations-/Steuerungsschnittstellen DKE HAN/CLS-Task Force Validierung mit Herstellern zur Umsetzung (Prototypen) 85%?

19 Zusammenfassung Kernbotschaften zur Steuerbox bzw. Steuerungsanwendungen 1 Neue Funktionen durch Konvergenz Systeme aus den Bereichen Smart Grid, Smart Metering und Smart Home wachsen zunehmend zusammen. Die Grenzen sind sauber durch geeignete und standardisierte Schnittstellen darzustellen und organisatorisch abzugrenzen. 2 3 Notwendige Koexistenz von OT und IT Den Bereich OT/IT gibt es nach dem BNetzA Sikat nicht. Hierzu ist eine klare Trennung von OT und IT notwendig, um die Sicherheit und Stabilität der elektrischen Versorgungsnetze sicherzustellen, Unser Beitrag für künftige Steuerungssysteme A) Die Migration von Funkrundsteuerung und Rundsteuerung wird mit dem Smart Meter Rollout starten B) RWE entwickelt eigene Steuerungs-Lösung in House C) Piloten sind in Vorbereitung (zusammen mit SMR-Projekt) D) Geschäftsmodelle sind für RWE-Gruppe vielversprechend SEITE 19

20 Foto: REUTERS Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! SEITE 20

21 Backup SEITE 21 21

22 Sichere und wirtschaftliche Integration von Steuerungsfunktionen Für eine sichere und wirtschaftliche Integration von Steuerungsfunktionen ist zu berücksichtigen, dass Die Integration von Steuerungsfunktionen in die Architektur des intelligenten Messsystems zusätzlicher architektonischer Maßnahmen bedarf, die in PP und TR Berücksichtigung finden müssen. dass der Prozess für Schutzbedarfs-/Risikoanalyse bzw. Prüfung und Überarbeitung des PP nicht verschleppt werden darf, wenn Anwendungen gem. EnWG 14a und EEG rechtzeitig ausgerollt werden sollen. Die Arbeiten sind daher zu verstärken und in puncto Steuerbox dringend höher zu priorisieren. dringend eine standardisierte Lösung notwendig ist, da ansonsten keine technische Homogenität entsteht und die unterschiedlichen Marktteilnehmer inkompatible Systeme installieren werden, die durch Niemanden mehr kontrollierbar sind: Das wäre ein sehr hohes Risiko für den sicheren Netzbetrieb und damit für die Systemstabilität. SEITE 22 22

23 Die Energiewende stellt insbesondere anverteilnetze eine Vielzahl von Herausforderungen Erzeugung wird immer mehr dezentral Spannungshaltung wird notwendig EnWG/EEG Konzentration von größeren EEG-Anlagen höhere Gleichzeitigkeit fordert das Verteilnetz EnWG/EEG Erzeugung wird stetig weiter zunehmen Volatilität steigt rasant Erzeugung ist ungleich Last EEG Netzausbau wird beschleunigt konventionell vs. smart grid System-DL kommt vom DSO Netzausbau- Beschleunigungsgesetz Kabelausbau anstelle von Freileitungen erweiterte Kapazitäten werden notwendig EnWG/Netzausbau- Beschleunigungsgesetz (Partieller) Smart Meter Roll-out Unklarheiten bestehen bei der Kostenallokation EnWG Bei der Umsetzung ergeben sich neue Herausforderungen im Spannungsfeld zwischen OT und IT SEITE 23