Die Design-Ansätze sind äußerst vielfältig, und Entwickler benötigen Unterstützung bei der korrekten Messung des verbrauchten Stroms. Zahlreiche Techniken bieten sich an, aber die Wahl der richtigen Technik ist entscheidend.

Einleitung: Smart Meter Design für die jeweiligen Anforderungen

Smart Meter müssen in großer Zahl in Smart Grids (intelligenten Stromversorgungsnetzen) eingesetzt werden, um Vorteile wie eine Verringerung der Treibhausgase, bessere Nutzung erneuerbarer Energien und höhere Zuverlässigkeit genießen zu können.

Die Nachricht ist angekommen. Laut der US Energy Information Administration wurden bis heute bereits über 50 Mio. Smart Meter wurden in den USA installiert. In der EU sollen bis zum Jahr 2020 mindestens 80% der herkömmlichen Stromzähler durch Smart Meter ersetzt werden. Führende Nationen in Asien, wie z.B. Südkorea und China, engagieren sich ebenfalls sehr stark.

Der Übergang auf Smart Meter bietet den Herstellern von Stromzählern die Gelegenheit, neue Produkte auf den Markt zu bringen, die fortschrittliche Funktionen bieten und die Anforderungen von Energieversorgern, Regulierungsbehörden und Hausbesitzern weltweit entsprechen. Aus technischer Sicht entwickeln sich Smart Meter stetig weiter – sowohl auf Anwendungsebene und bezüglich ihrer Benutzerschnittstelle als auch in der Art, wie Daten erfasst, verarbeitet und kommuniziert werden. Grundsätzlich sind sich alle Beteiligten jedoch einig, dass Smart Meter erschwinglich, einfach zu installieren, extrem zuverlässig und im Wesentlichen wartungsfrei sein müssen. Sie müssen zudem etablierte Standards für Genauigkeit einhalten.

Bild 1 beschreibt die wesentlichen Funktionsblöcke eines Smart Meters, von der Strommessung, Signalaufbereitung und -verarbeitung bis hin zur Anzeige vor Ort und den Kommunikationsschaltkreisen, die den Zähler mit dem Energieversorger verbinden.


Bild 1: Wesentliche Funktionsblöcke für Strommessung, Signalverarbeitung und Kommunikation

Die gängigste Kommunikationstechnik für Smart Meter in Europa ist Powerline Communication (PLC), während Energieversorger in den USA mehr auf Funktechnik setzen. Ein Beitrag von Greentechmedia befürwortet die Funktechnik, da das US-Energieverteilungsnetz über mehr Transformatoren für Haushalte verfügt. Dies würde die Übertragung von Daten über die Netzleitung verkomplizieren.

Die großen Halbleiterhersteller haben verschiedene Architekturen vorgeschlagen, die zum Aufbau von Plattformen für Smart Meter dienen können. Entwickler können aus verschiedenen Smart Meter System-on-Chip-Bausteinen (SoCs) auswählen, die aus einem Mikrocontroller (MCU), einem hochpräzisen Analog-Frontend und spezieller Messtechnik bestehen. Ein anderer Ansatz vereint einen speziellen IC zur Energieverbrauchsmessung mit einem entsprechenden Digital Signal Controller (DSC). Dabei sorgt die in den DSC integrierte DSP-Engine für die Verbrauchsberechnung.

Auswahl der Strommessung

Beim Anschluss eines Smart Meters an die eingehende Netzversorgung kommt es auf eine genaue Strommessung an, um die Verbrauchsdaten korrekt ermitteln zu können. Dafür eignen sich verschiedene Arten von Stromwandlern, z.B. ein Präzisions-Shuntwiderstand, eine Rogowski-Spule, ein Hall-Effekt-Sensor oder ein Stromtransformator.

Ein Shuntwiderstand bietet Vorteile wie geringe Bauteilkosten und gute Linearität über einen weiten Messbereich. Zudem muss er einen geringen Widerstand aufweisen, um Verluste gering zu halten und den Anforderungen der Regulierungsbehörden hinsichtlich Stromzähler entsprechen. Die IEC 62053-21 und 62053-23 legen eine maximale Verlustleistung von 2 W pro Phase fest. Ein Widerstand mit nur wenigen Hundert Mikro-Ohm ist daher zulässig, um diese Anforderungen zu erfüllen. Dabei wird eine sehr geringe Spannung erzeugt.

Dieses Signal muss sorgfältig gefiltert und verstärkt werden, um bei niedrigen Strömen eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu kann bei hohen Strömen die Wärmeentwicklung innerhalb des Smart Meters zu einem Problem werden. Außerdem kann eine galvanische Trennung erforderlich sein – entweder über Optokoppler oder Transformatoren. Damit ist Sicherheit für Nutzer gewährleistet und Kurzschlüsse zwischen Phasen in Mehrphasenzählern werden verhindert.

Eine Rogowski-Spule weist keine Verlustleistung auf, wie sie bei einem Shuntwiderstand auftritt. Sie lässt sich zudem einfacher installieren, da sie sich nicht innerhalb des Schaltkreises befindet, sondern um das stromführende Kabel gelegt wird. Ein Nachteil der Rogowski-Spule ist, dass sie anfällig für Störungen von außen ist. Dies kann die Messgenauigkeit bei geringen Strömen beeinträchtigen, sofern keine Abschirmung vorhanden ist. Damit steigen allerdings die Kosten der Gesamtlösung.

Hall-Effekt-Sensoren sind meist teurer als herkömmliche Stromwandler und anfälliger gegenüber Temperaturschwankungen. Kostengünstige, nicht-stabilisierte Sensoren verlieren im Laufe der Zeit ihre Genauigkeit, während stabilisierte Varianten Kompensationsschaltkreise erfordern, die wiederum die Kosten und Komplexität erhöhen. Hall-Effekt-Sensoren können bei hohen Gleichströmen auch in die Sättigung übergehen.

Ein Stromwandler bietet zahlreiche Vorteile, wie geringere Kosten, minimale Verluste, einfache Installation und hohe Stabilität über der Zeit und Temperatur. Im Gegensatz zu einer Rogowski-Spule ist seine Störsicherheit sehr hoch, da der Magnetkreis geschlossen ist. Bei der Wahl eines Stromwandlers muss darauf geachtet werden, dass ein Betrieb im linearen Bereich erfolgt, um eine Sättigung bei höheren Gleichströmen zu vermeiden.

Smart Meter Design mit Stromwandler

Die teilbaren Stromwandler C/CT-1216 in Bild 2, die über KEMETs Partnerschaft mit NEC TOKIN erhältlich sind, bieten die bekannten Vorteile von Stromtransformatoren und lassen sich einfach installieren, indem sie um die stromführende Leistung gelegt werden. Durch ihren Spannungsausgang erübrigen sie externe Widerstände. Ein weiterer Vorteil ist der sehr niedrige Phasenfehler von weniger als 1°, der sich einfach kompensieren lässt, um optimale Messgenauigkeit zu garantieren.

Im Vergleich zum Wicklungsverhältnis universeller Transformatoren, das meist im Bereich 1:10 bis 1:1000 liegt, weisen die C/CT-1216-Stromwandler ein Verhältnis von 1:3000 auf, das eine genaue Messung über einen weiten Strombereich von 0,1 bis 120 A ermöglicht. Der Verhältnisfehler von weniger als ±1% ist 50% besser als bei vorherigen Generationen und garantiert, dass alle Einheiten in den festgelegten Genauigkeitsgrenzen arbeiten.


Bild 2: Die Stromwandler C/CT-1216 eignen sich für verschiedene Stromzähler-Anwendungen (Energy-Measurement System; xEMS)

Bei der Wahl eines Stromwandlers sollte der Nennstrom hoch genug sein, damit der Transformator bei höheren Stromwerten als dem zu messenden Strom nicht in die Sättigung übergeht. Ein Richtwert liegt bei etwa 130% des maximal gemessenen Stroms. Andererseits ist zu beachten, dass ein Stromwandler mit einem sehr hohen Nennstrom sehr teuer und sperrig sein kann. Der C/CT-1216 bietet einen Nennstromwert von 120 Aeff und eignet sich somit ideal für die Strommessung in Haushalten.

Bild 3 beschreibt die konstante Linearität zwischen Ausgangsspannung und Primärstrom, was eine hohe Genauigkeit über verschiedenen Lastwiderständen garantiert.


Bild 3: Lineare Ausgangscharakteristik bei verschiedenen Lastwiderständen

Fazit

Das Design von Smart Metern entwickelt sich weiter und geht in Richtung einer gemeinsamen grundlegenden Architektur für das wachsende Smart Grid. Trotz der Vielzahl verfügbarer Strommesstechniken hat sich der Stromwandler mit seinen Vorteilen Genauigkeit, Energieeffizienz, Zuverlässigkeit, einfache Anwendung und Kosteneffizienz etabliert.

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Autor: James C. Lewis, Technical Marketing Manager, © KEMET Corp.