Halbleiterbausteine für Smart-Meter-Designs
Durch die Übernahme des Stromzähler-Herstellers Landis+Gyr im Jahr 2011 konnte die Toshiba Corporation, Anbieter von Kraftwerkstechnik, seine Position im weltweiten Markt für Leistungsregelung und Steuerungstechnik verbessern. Diese Position will der japanische Elektronikhersteller nun durch Embedded-Lösungen für Smart-Meter-Anwendungen noch weiter ausbauen. Dabei gilt es, sich Herausforderungen beim Embedded Smart Meter Design zu stellen. Anwendern stehen hierzu verschiedene Technologien zur Verfügung.
Die Forderungen, den weltweiten Energieverbrauch zu senken, die Verbrauchserfassung und Rechnungsstellung zu vereinfachen und Anwendern sowie Unternehmen zu helfen, ihren Energieverbrauch besser zu verwalten, sorgen für das Wachstum des ‚Smart Grid‘, der intelligenten Stromversorgung. Während sich die Definitionen für das Smart Grid von Land zu Land, Stromversorger zu Stromversorger und Hersteller zu Hersteller unterscheiden, haben aber alle die Installation von Smart Metern gemeinsam, um damit die Verbrauchsüberwachung und -steuerung zu ermöglichen. Derzeit existieren weltweit verschiedene Ansätze vo Smart-Meter-Technologien. Zu den wenigen innovativen Ländern in diesem Bereich gehören Italien und Schweden, die bereits 90% ihrer Stromzähler in Smart-Meter-Implementierungen realisiert haben. In Deutschland und England beträgt der Anteil im Jahr 2011 erst 5%. Neue Gesetzgebungen, bspw. in Deutschland, verlangen jedoch, dass jeder Neubau mit einem Smart Meter ausgestattet werden muss. Damit wird auch in diesen Ländern ein deutliches Wachstum des Marktes erwartet. Der weltweite Markt für Smart Meter soll im Jahr 2012 einen Wert von 7 Milliarden US-Dollar erreichen und wächst rasant weiter, berichtet der Wirtschaftsinformationsanbieter Visiongain. Allein in der Region EMEA soll die Anzahl von Smart Metern von über 6 Millionen Einheiten im Jahr 2011 auf etwa 20 Millionen Einheiten im Jahr 2016 steigen, wie IMS Research ermittelt hat. Dieses Wachstum übt Druck auf die Entwickler aus, Technologie zu entwickeln, mit der sich die Anforderungen privater, gewerblicher und industrieller Nutzer erfüllen lassen. Zudem müssen auch die technischen Anforderungen und rechtlichen Vorschriften weltweiter Versorgungsunternehmen beachtet werden. Neben wichtigen Funktionen wie die Messauswertung müssen diese Zähler eine zunehmend anspruchsvolle Datenkommunikation und Zugriffsmöglichkeiten bieten, und dabei noch landesspezifischen Umwelt- und Datenschutzgesetzen entsprechen.
Hierarchie bei der Verbrauchsmessung
Smart-Grid-Implementierungen basieren auf drei Ebenen der Verbrauchserfassung – mit unterschiedlichen Funktionen und Leistungsstufen. Das Einstiegsmodell in dieser Zählerhierarchie ist der Einphasen-Stromzähler für Haushalte. Das Gerät soll Verbrauchern den Energieverbrauch und die Kosten bewusst machen, indem sie den Verbrauch in Echtzeit messen und anzeigen. Eine Zwei-Wege-Kommunikation zwischen dem Versorger und den Verbrauchsstellen ermöglicht eine Fernabfrage des Verbrauchs zur Rechnungsstellung, die Möglichkeit, Tarife anzupassen und kann die Verbraucher über Spitzenzeiten oder kostengünstige Verbrauchszeiten informieren, um so ein Lastmanagement durchführen zu können. Gewerbliche und industrielle oder Commercial & Industrial (C&I) bzw. Mid-Range-Zähler sind leistungsfähiger als die einfachen Versionen und können 3-Phasen-Netze überwachen. Sie bieten programmierbare Funktionen, mehrere Messmöglichkeiten sowie Steuerungs- und Kommunikationsfunktionen mit Stromversorgern. Am oberen Ende bieten Smart Meter mit Gateway-Funktionen Möglichkeiten jenseits der physikalischen Verbrauchsmessung. Solche Zähler können LAN- und WAN-Funktionen nutzen, um aus der Ferne ein-/ausgeschaltet zu werden oder angeschlossene Geräte wie Heizungen, Beleuchtungen und andere Einrichtungen über einen PC oder ein internetfähiges Gerät aus der Ferne anzusteuern.
Herausforderungen beim Embedded Design
Die Grundlage aller dieser Smart Meter bildet ein Embedded-System; Und die Art, wie dieses System implementiert ist, entscheidet über ein erfolgreiches Design, Skalierbarkeit für die Zukunft und letztendlich über die gesamte Sichtweise auf das Smart Grid. Zu den Herausforderungen, die Embedded-Entwickler bewältigen müssen, zählen die Messtechnik-Implementierung, der Eigenstromverbrauch, die Displayfunktionen und die Integration der Datenkommunikationstechnik. So muss das Messtechnik-Design z.B. gesetzlichen Vorschriften entsprechen, die aufgrund der Rechnungsstellung eine Messgenauigkeit von 0,1% fordern. Das größte Problem in Bezug auf den Eigenstromverbrauch ist, dass Smart Meter während des Betriebs mehr Energie als herkömmliche elektromechanische Zähler verbrauchen. Hier sollten Entwickler Strom-
spartechniken anwenden, um die Vorteile des Smart Grids nicht durch einen erhöhten Stromverbrauch zu widerlegen. Eine intuitive Benutzerschnittstelle z.B. über einen LCD-Bildschirm ist vor allem bei Zählern in Haushalten von Bedeutung. Die Datenanbindung kann über Funk, Powerline Communication (PLC) und Home-Area-Netzwerke zusammen mit Web-Server-Funktionen erfolgen. In allen Fällen gilt es zudem, diese Anforderungen mit minimaler Bauteilanzahl, zu geringen Kosten und innerhalb kurzer Entwicklungszeiten umzusetzen.
Mikrocontroller für Smart Meter
Genau diese Herausforderungen bewegen Halbleiterhersteller wie Toshiba dazu, Mikrocontroller zu entwickeln, deren Leistungsfähigkeit und Funktionsvielfalt genau auf Smart Meter abgestimmt sind. So ist der TMPM061 die erste MCU mit ARM Cortex-M0 32-Bit-Core, die speziell für Basismodell-Smart-Meter in Haushalten ausgelegt ist. Mit einer kleinen Chipfläche und minimalem Code-Bedarf unterstützt der ARM Cortex-M0 Core einen stromsparenden Betrieb, während die MCU über die vier Standby-Modi Idle, Slow, Sleep und Stop verfügt. Je nach Status des Smart Meters stehen Entwicklern somit zahlreiche Möglichkeiten zur Minimierung des Stromverbrauchs zur Verfügung. Ein wesentlicher Vorteil der neuen MCU ist, dass Entwickler damit eine herkömmliche 2-Chip-Analog-Frontend-(AFE) und Prozessor-Implementierung durch einen Chip ersetzen können. Dies wird durch eine integrierte DSP-Verbrauchsberechnungs-Engine und einen integrierten, hochpräzisen 3-Kanal 24-Bit-Delta-Sigma ?? A/D-Wandler (ADC) erreicht. Dieser unterstützt gleichzeitige Abtastung bis zu 6kHz und weist einen Signal-to-Noise and Distortion Ratio-Wert (SINAD) auf, der für Haushalts-Stromzähler ausreicht, während die Verbrauchsberechnungsengine die Wirkleistung, Blindleistung und den Leistungsfaktor berechnen kann und gleichzeitig die Spannungs- und Frequenzabweichungen sowie Pulsausgänge überwacht. Eine Verstärkungs- und Offset-Korrektur hilft dabei, die festgelegte Messgenauigkeit einzuhalten, und eine Phasenkorrektur kann für verschiedene ADCs unabhängig konfiguriert werden. Eine integrierte Erkennungsfunktion für unsymmetrische Ströme ermöglicht OEMs, einen Manipulationsschutz einzubauen. Um das größtmögliche Angebot von Zählern abzudecken, lässt sich die grundlegende Stromverbrauchsberechnung durch den Entwickler aktualisieren, modifizieren und verbessern. Zu den weiteren integrierten Funktionen, mit denen sich die Bauteilanzahl in Smart Metern verringert, zählen ein zusätzlicher 10-Bit-ADC, eine temperaturkompensierte Echtzeituhr (RTC), Flash ROM mit 128Kbyte und RAM mit 8Kbyte, ein 9-Kanal 16-Bit-Timer, ein Temperatursensor, ein Spannungserfassungsschaltkreis und ein Controller zur direkten Ansteuerung eines LCD-Bildschirms. Zur integrierten Datenanbindung zählen eine universelle serielle 5-Kanal-Schnittstelle im UART- oder Synchron-Modus und eine serielle Busschnittstelle, die Wahl zwischen I2C-Bus-Modus oder Synchronmodus bietet.
Design auf höherer Ebene
Die Standardisierung mit Mikrocontrollern auf Basis eines gängigen Cores wie ARM Cortex erlaubt Embedded-Entwicklern, Code zu migrieren und Software (IP) über ihr gesamtes Angebot an Smart Metern wiederzuverwenden. Eine solche Standardisierung trägt auch dazu bei, Design, Prototyping und Testen zu vereinfachen und zu beschleunigen: Teams können gängige Entwicklungstools und Software in mehreren Smart-Meter-Entwicklungsprojekten verwenden. Hinzu kommt, dass ein Ansatz mit einem gemeinsamen Core auch die Modifizierung und Anpassung gemeinsamer Plattformen unterstützt, um so landesspezifische Anforderungen beim weltweiten Vertrieb zu erfüllen. Deshalb basiert Toshibas eigene Roadmap für Smart-Meter-MCUs auf Bausteinen, die ARM-Cores mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit und optimierter Rechenleistung, Peripherie und Datenanbindung auf einem Chip kombinieren. Der TMPM36BFY für Mid-Range C&I-Zähler enthält z.B. weitere Analogfunktionen, was mehr Messfunktionen in einem Gerät ermöglicht. Dieser IC basiert auf dem ARM Cortex-M3 Core, der mit 80MHz Taktfrequenz betrieben wird. Er bietet eine schnelle A/D-Wandlung, einen Synchronous Serial Port (SSP) mit Datenraten bis zu 6,6Mbit/s, zusammen mit ROM und SRAM, einen Mehrzweck-Timer, Encoder-Eingangsschaltkreise sowie Spannungserkennung. Trotz seiner hohen Leistungsfähigkeit und integrierten Funktionen erfüllt der Baustein die Stromspar-Anforderungen von Smart-Meter-Designs, die lediglich 56mA Verbrauch bei voller Prozessorgeschwindigkeit betragen. Toshibas Roadmap für Smart-Meter-MCUs enthält Bausteine für Highend-Gateway-Zähler, die einen hochleistungsfähigen ARM Cortex-M4F Core mit umfangreichen Flashspeicher kombinieren. So erübrigen sich externe Speicherkomponenten. Zusätzlich zur Stromverbrauchsberechnung und Abtastfunktion können die Bausteine auch komplexe Software ausführen wie Modem-Modulation für Kommunikationsprotokolle. Auch Sicherheitsfunktionen für die Zugriffssteuerung und den Schutz der Smart-Grid-Datenkommunikation sind integriert. Zu diesen zählen eine Hardware-Verschlüsselung, Funktionen, die nicht sichere Module daran hindern, auf sichere Datenbereiche zuzugreifen sowie die Möglichkeit, die JTAG-Schnittstelle der MCU zu deaktivieren.
Auswahlkriterium Verfügbarkeit und Skalierbarkeit
Entscheidend für ein erfolgreiches Smart Meter Design ist das zugrundeliegende Embedded-System, und damit die Wahl des richtigen Mikrocontrollers. Zu den Auswahlkriterien zählen nicht nur die Leistungsfähigkeit, Funktionalität und Integration, sondern auch die Verfügbarkeit von Entwicklungstools und Software, sowie die Möglichkeit, die Entwicklungsinvestitionen durch einfaches Skalieren und Migrieren von Software (IP) über verschiedene MCUs und Smart Meter Designs hinweg zu garantieren. Darum bietet Toshiba seine Bausteine zusammen mit einem kompletten Entwicklungsecosystem an. Dazu zählen Referenzboards für die Evaluierung noch vor der Bauteilauswahl, Firmware für die einfache Implementierung wichtiger Funktionen, Support für bekannte Toolchains von Atollic, IAR und Keil und die Verfügbarkeit von Design- und Entwicklungssupport vor Ort.
