Damit den Stromkunden die tatsächlich verbrauchte Elektrizität präzise in Rechnung gestellt werden kann, müssen Stromzähler den Energieverbrauch im normalen Betrieb messen und etwaige Manipulationsversuche erkennen, sodass sich Energiediebstahl unterbinden lässt.
Um Energie zu stehlen, gibt es verschiedene Manipulationsmethoden, die die Zähler daran hindern, den wirklichen Verbrauch exakt zu registrieren. Eine dieser Methoden beruht darauf, die Nullleiter-Verbindung des Zählers zu trennen und die Geräte des Kunden stattdessen mit der Erde zu verbinden. Die Abhärtung von Stromzählern gegen diese Technik stellt eine vorbeugende Maßnahme mit dem Ziel dar, Manipulationen einzudämmen und bei der Unterbindung von Stromdiebstahl zu helfen. Elektrizitätszähler müssen die Unterbrechung des Nullleiters und andere Arten der Manipulation somit detektieren können oder in anderer Weise abgehärtet werden, um Energiediebstahl zu vermeiden.
Bevor wir uns genauer mit dem Unterbrechen der Nullleiter-Verbindung befassen, soll ein Blick darauf geworfen werden, wie ein intelligenter Stromzähler (Smart Meter) funktioniert und wie er angeschlossen wird. In Bild 1 ist die Anschlussweise eines einphasigen Stromzählers zu sehen. Die Versorgung des Zählers selbst erfolgt in erster Linie über die Netzspannung, die zwischen Phase (Line) und Nullleiter (Neutral) anliegt. In dieser Konfiguration wird der Energieverbrauch anhand der Spannung zwischen Line_In und Neutral_In sowie des Stroms ermittelt, der mithilfe eines Shunt-Widerstands zwischen Line_In und Line_Out gemessen wird.
Das Produkt aus Spannung und Strom ergibt die Wirkleistung. Die Wirkleistung ist überdies äquivalent zum Produkt aus der Effektivspannung und dem Effektivstrom, multipliziert mit dem Cosinus des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom. Der Zähler summiert die Wirkleistung über die Zeit auf und ermittelt so den Verbrauch an Wirkenergie, auf dessen Basis die Rechnung für den Kunden erstellt wird.
Stromkunden können den ermittelten Verbrauch an Wirkenergie allerdings verfälschen, indem sie die Verbindung zum Nullleiter unterbrechen (Bild 2). In diesem Fall beträgt die gemessene Spannung 0 V, sodass eine Wirkleistung von 0 W ermittelt wird. Bei fehlender Verbindung zum Nullleiter ist jedoch auch das Haupt-Netzteil des Stromzählers außer Funktion, sodass der Zähler eine Hilfs-Stromversorgung beispielsweise in Form einer Knopfzelle benötigt. Während aber wegen der gemessenen Spannung von 0 V eine Wirkleistung von 0 W berechnet wird, fließt durch die Phasenleitung dennoch ein Strom, der sich feststellen lässt. Anhand dieses Phasenstroms kann also ein Stromausfall infolge einer unterbrochenen Nullleiter-Verbindung detektiert werden.
Überlegungen zur Stromversorgung eines einphasigen Stromzählers bei unterbrochenem Nullleiter
Für den Fall, dass der Nullleiter eines einphasigen Stromzählers unterbrochen wird, sollte die Stromversorgung des Zählers über einen Mechanismus verfügen, der automatisch vom Haupt-Netzteil auf die Hilfs-Stromversorgung umschaltet. Dieser Mechanismus sollte immer dann wirksam werden, wenn es zu einem allgemeinen Stromausfall kommt oder wenn der Nullleiter unterbrochen wird. Ein gängiges Verfahren, diese automatische Umschaltung zu bewerkstelligen, ist die Verwendung von Dioden für eine ODER-Verknüpfung des Netzteil-Ausgangs mit der Hilfs-Stromversorgung, sodass immer die Quelle mit der höheren Spannung als System-Stromversorgung gewählt wird. Da die Spannung der Hilfs-Stromversorgung mit der Zeit immer weiter zurückgeht, bis sie schließlich den Mindestwert zur Versorgung des Zählers unterschreitet, sollten die verwendeten Dioden eine möglichst geringe Vorwärtsspannung aufweisen, damit die Hilfs-Stromversorgung so lange wie möglich genutzt werden kann. Ein idealer Diodenbaustein wie der LM66100 bieten diesen geringen Spannungsabfall und verleiht der Hilfs-Stromversorgung damit eine maximale Lebensdauer. Dank des niedrigen Spannungsabfalls und des geringen Stromverbrauchs des LM66100 erreicht die Hilfs-Stromversorgung eine längere Lebensdauer als mit anderen Diodenbauarten wie zum Beispiel Schottky-Dioden.
Der Stromzähler sollte allerdings nicht nur automatisch vom Netzteil auf die Hilfs-Stromversorgung wechseln, sondern auch einen bevorstehenden Ausfall des Netzteils erkennen können. Möglich ist dies durch Messen der Eingangsspannung des Spannungsreglers im Netzteil, die zurückgehen kann, sei es infolge eines Stromausfalls oder weil die Nullleiter-Verbindung getrennt wird. Der Mikrocontroller im Stromzähler kann diese Früherkennung nutzen, um anstehende Aufgaben fertig auszuführen und in den Stromspar-Modus zu wechseln, um die Lebensdauer der Hilfs-Stromversorgung, auf die der Zähler dann umschaltet, zu verlängern. Um diese Früherkennung zu ermöglichen, können eine stromsparende Spannungsdetektor-Schaltung und ein externer Spannungsteiler die Eingangsspannung des Spannungsreglers gemeinsam überwachen.
Eine weitere Option zur frühzeitigen Erkennung eines Netzteilausfalls besteht im Einsatz eines Stromversorgungs-Baustein in der Art des TPS7A78, dessen Power-Failure-Pin für diesen Zweck genutzt werden kann. Der TPS7A78 verfügt ferner über einen PG-Pin (Power Good), mit dem signalisiert wird, wenn die Ausgangsspannung nach einem Stromausfall wieder auf ihren normalen Wert zurückgekehrt ist. Auf dieses Signal hin kann der Mikrocontroller des Zählers das Verlassen des Stromspar-Modus anstoßen, da das System anschließend wieder von der Hilfs-Stromversorgung auf das Haupt-Netzteil umschalten kann.
Abschätzung der Wirkleistung als Mittel gegen Manipulationen durch Trennen des Nullleiters
Eine Möglichkeit, das Problem der getrennten Nullleiter-Verbindung zu vermeiden, besteht im Abschätzen der Wirkleistung, indem der (in der Phasenleitung gemessene) Effektivstrom mit der nominellen Netzspannung in der jeweiligen Region multipliziert wird (in vielen Ländern Europas sowie in Indien beträgt die Netzspannung regulär 230 V). Wie bereits erwähnt, ist die tatsächliche Wirkleistung das Produkt aus Effektivspannung und Effektivstrom, multipliziert mit dem Cosinus des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom. Auf der Basis dieser Gleichung zur Berechnung der Wirkleistung beruht die geschätzte Wirkleistung auf den folgenden Prämissen:
Die am Verbraucher des Stromkunden liegende Effektivspannung weicht nicht über Gebühr von der regulären Netzspannung der Region ab.
Der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom ist 0 Grad, was einer rein ohmschen Last entspricht und die maximale Wirkleistung für eine bestimmte Effektivspannung und einen bestimmten Effektivstrom darstellt.
Ist die Verbindung zum Nullleiter unterbrochen, wird der Zähler aus einer Hilfs-Stromversorgung (zum Beispiel einer Batterie) gespeist. Es ist deshalb wichtig, dass der Stromzähler in eine Betriebsart mit minimalem Stromverbrauch wechselt, damit die Stützbatterie möglichst lange hält. Wird die fehlende Nullleiter-Verbindung durch Abschätzung der Wirkleistung berücksichtigt, sollte der Stromverbrauch des Systems abgesenkt werden, indem man die Abtastrate des A/D-Wandlers, mit dem der Strom erfasst wird, herabsetzt. Darüber hinaus sollten der Mess-Mikrocontroller und der ADC aus der normalen Betriebsart in einen Low-Power-Modus wechseln, in dem A/D-Wandler allerdings immer noch den Phasenstrom erfassen kann.
Der eigenständige ADC des Typs ADS131M04 bietet im Continuous-Conversion-Modus beispielsweise drei Power-Modi, nämlich den High-Resolution-Modus, den Low-Power-Modus und den Very-Low-Power-Modus. Während im High-Resolution-Modus die größte Genauigkeit erzielt wird, zeichnet sich der Very-Low-Power-Modus durch den geringsten Stromverbrauch aus. Auf der Basis dieser beiden Betriebsart kann der ADS131M04 so konfiguriert werden, dass er sich im High-Resolution-Modus befindet, solange die Nullleiter-Verbindung intakt ist und das System aus dem Haupt-Netzteil des Zählers gespeist wird. Sobald der Nullleiter aber getrennt wird, ermöglicht der ADS131M04 dem System, aus dem High-Resolution- in den Very-Low-Power-Modus zu wechseln, um den Stromverbrauch des ADS131M04 zu reduzieren.
Stromdetektierung als Mittel gegen Manipulationen durch Trennen der Nullleiter-Verbindung
Eine weitere Möglichkeit, das Problem der getrennten Nullleiter-Verbindung zu lösen, ist es, allein das Vorhandensein eines Stroms in der Phasenleitung zu detektieren. Diese Variante verbraucht weniger Strom als das Abschätzen der Wirkleistung und sorgt damit für eine längere Lebensdauer der Hilfs-Stromversorgung, die eigentlich mindestens der erwarteten Lebensdauer des Zählers insgesamt entsprechen sollte.
Einige ADCs besitzen einen besonderen Low-Power-Modus, in dem der Strom in der Phasenleitung detektiert werden kann, während sich der System-Stromverbrauch weiter reduziert. Ein Beispiel für diesen Low-Power-Modus zum Messen des Phasenstroms ist der Current-Detection-Modus des eigenständigen A/D-Wandlers ADS131M04. In dieser besonderen Betriebsart setzt der ADS131M04 seinen (DRDY)-Pin, sobald eine bestimmte Anzahl Signalproben größer ist als ein vom Anwender vorgegebener Grenzwert. Wird dieser Current-Detection-Modus auf den Kanal angewandt, mit dem der Phasenstrom gemessen wird, zeigt (DRDY) an, dass ein Phasenstrom detektiert wurde. Damit kann also zwischen einem Stromausfall und einer getrennten Nullleiter-Verbindung unterschieden werden. Bild 3 illustriert den Ablauf, dem der ADS131M04 im Current-Detection-Modus folgt.
Current-Detection-Modus im Detail
Um in den Current-Detection-Modus zu wechseln, wird an den ADS131M04 ein Befehl zur Aktivierung des Standby-Modus gesendet. In diesem Low-Power-Modus stellt der Baustein das Digitalisieren von Signalproben ein. Sobald sich der ADS131M04 im Standby-Modus befindet, bewirkt ein negativer Impuls am SYNC-Pin, dass der Baustein in den Current-Detection-Modus übergeht. Dieser negative Impuls kann von einem Mikrocontroller-Timer erzeugt werden, sodass es nicht notwendig ist, den Mikrocontroller zu wecken, wenn er sich im Sleep-Modus befindet. Der Mikrocontroller muss keinen externen Takt ausgeben, damit im Current-Detection-Modus eine Abtastung erfolgen kann (wie es im Continuous-Conversion-Modus der Fall ist), sodass er in einen stromsparenden Sleep-Modus wechseln kann. Da der ADS131M04 im Current-Detection-Modus von einem internen Oszillator angesteuert wird, kann er unabhängig vom Mess-Mikrocontroller arbeiten. Dies erlaubt also den Wechsel des Mikrocontrollers in den Sleep-Modus, um den System-Stromverbrauch zu verringern.
Der ADS131M04 erfasst im Current-Detection-Modus eine konfigurierbare Anzahl Signalproben (CD_LEN) mit einer Rate von 2,7 kSPS und vergleich den Absolutwert der Ergebnisse mit einem programmierbaren Grenzwert (CD_THRSHLD). Wenn eine konfigurierbare Anzahl Signalproben (CD_NUM) innerhalb des Abtastfensters (CD_LEN) den Grenzwert (CD_THRSHLD) überschreitet, informiert der ADC durch Setzen seines (DRDY)-Pins den Mess-Mikrocontroller. Der ADC selbst geht unmittelbar nach dem Setzen des (DRDY)-Pins in den Standby-Modus über (siehe Bild 4). Wenn die konfigurierbare Anzahl Signalproben im Abtastfenster nicht den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wechselt der ADS131M04 zurück in den Standby-Modus, nachdem er das gesamte Abtastfenster erfasst hat.
In einem Referenzdesign von TI (One-phase shunt electricity meter reference design using standalone ADCs) unterscheidet der Current-Detection-Modus des ADS131M04 zwischen einer unterbrochenen Nullleiter-Verbindung und einem Stromausfall, indem er den in Bild 5 gezeigten Ablauf absolviert. In dem Referenzdesign kommt ein Kondensatornetzteil auf Basis des TPS7A78 zum Einsatz, das die Spannung an seinem PFD-Pin überwacht. Die Spannung an diesem Pin fällt ab, wenn es zu einem Stromausfall kommt oder die Verbindung zum Nullleiter unterbrochen wird. Fällt die Spannung am PFD-Anschluss unter einen bestimmten Grenzwert, signalisiert der PF-Pin, ob die Stromversorgung aus einem Netzausfall oder einer unterbrochenen Nullleiter-Verbindung resultiert.
Der Mikrocontroller wird dadurch veranlasst, den ADS131M04 in den Standby-Modus zu versetzen und einen Timer-Ausgang zu aktivieren, um in regelmäßigen Zeitabständen einen Wechsel vom Standby- in den Current-Detection-Modus anzustoßen. Wenn er sich im Current-Detection-Modus befindet, setzt der ADS131M04 seinen (DRDY)-Pin, sobald in der Phasenleitung ein Strom detektiert wird. Damit zeigt er an, dass die Stromversorgung nicht wegen eines Stromausfalls, sondern wegen einer unterbrochenen Verbindung zum Nullleiter ausgefallen ist. Eine gewisse Zeit nach dem Ausfall der Stromversorgung fällt der Ausgang des Netzteils ab, wodurch das System zum Umschalten auf die Hilfsstromversorgung veranlasst wird.
War ein Stromausfall die Ursache für den Ausfall der Stromversorgung, sollte sich das System für die Rückkehr in den Normalbetrieb nach Beendigung des Stromausfalls konfigurieren. In dem einphasigen Shunt-Referenzdesign meldet der PG-Pin des TPS7A78 die Wiederherstellung der Netzstromversorgung. Auf das Setzen des PG-Pins hin arbeitet der Mikrocontroller die Aufgaben, die zum Wechsel in den Current-Detection-Modus ausgeführt wurden, in umgekehrter Reihenfolge ab, um in den Normalbetrieb zurückzukehren.
Mithilfe des Referenzdesigns habe ich die durchschnittliche Stromaufnahme des ADS131M04 bei aktiviertem Current-Detection-Modus mit den nachfolgenden Einstellungen gemessen:
Kanäle mit aktiviertem Current-Detection-Modus sind Kanal 1 (Nullleiterstrom-Kanal mit Stromwandler) und Kanal 2 (Phasenstrom-Kanal mit Shunt). Der ADC-Offset wird bei beiden aktivierten Kanälen abgezogen. Kanäle 0 und 3 sind deaktiviert.
Grenzwert (CD_THRSHLD) = 80.000 ADC-Einheiten.
Abtastfenster (CD_LEN) = 256.
Anzahl der Signalproben, deren Absolutwerte größer als der Grenzwert sein müssen, damit (DRDY) gesetzt wird (CD_NUM) = 8.
Bild 7 gibt die gemessene Stromaufnahme des ADS131M04 wieder, wenn der Current-Detection-Modus einmal in 10 Sekunden (tCD_mode_period = 10 s) beziehungsweise einmal in 64 s (tCD_mode_period = 64 s) getriggert wird. Bei Triggerung des Current-Detection-Modus einmal in 10 s betrug die durchschnittliche Stromaufnahme über diese 10-sekündige Zeitspanne 7,51 µA. Wurde der Current-Detection-Modus dagegen einmal in 64 s getriggert, ergab sich über diese 64-sekündige Zeitspanne eine durchschnittliche Stromaufnahme von 2,399 µA. Bei beiden Triggerraten befindet sich das System nur für eine Dauer von 95,453 ms im Current-Detection-Modus. Die übrige Zeit verbringt der ADS131M04 dagegen im Standby-Modus.
Bei den in Bild 7 gezeigten Ergebnissen wird der Current-Detection-Modus für den Phasen- und Nullleiter-Kanal aktiviert. Die Anzahl der Kanäle, die im Current-Detection-Modus betrieben werden, beeinflusst die Stromaufnahme des Bausteins im Current-Detection-Modus. Würde der Current-Detection-Modus nur für einen ADC-Kanal, nämlich für den Phasenstrom-Kanal aktiviert, ließe sich die in Bild 7 angegebene durchschnittliche Stromaufnahme weiter absenken, wie in Bild 8 deutlich wird. Darüber hinaus wird das Abtastfenster in Bild 7 auf 256 eingestellt, was bei 50 Hz Netzfrequenz mehr als vier Netzzyklen entspricht. Würde die Länge des Abtastfensters von 256 Signalproben auf den Mindestwert von 128 Signalproben geändert, würde sich auch die im Current-Detection-Modus verbrachte Zeitspanne verringern, was ebenfalls eine Senkung der durchschnittlichen Stromaufnahme zur Folge hätte.
Die in den Bildern 7 und 8 wiedergegebenen Ergebnisse zeigen, dass der Current-Detection-Modus stromsparend ist, sodass die Unterscheidung zwischen einem Stromausfall und einer unterbrochenen Nullleiter-Verbindung möglich ist, ohne die Hilfsstromversorgung übermäßig zu beanspruchen. Mithilfe dieser Betriebsart kann ein Stromzähler somit eine Art der Manipulation erkennen und das EVU über den Manipulationsversuch informieren, sodass den Kunden eine korrekte Rechnung zugestellt werden kann.
Weitere Einzelheiten über den Umgang mit weiteren Manipulationstechniken sowie über die Implementierung der Stromdetektierung in dem einphasigen Shunt-Referenzdesign enthalten die folgenden Schulungsvideos:
Anti-tamper techniques to thwart attacks on smart meters
How to design 1-phase shunt electricity meters using standalone metrology ADCs
