Last- und Erzeugungsmanagement: e*Nergy Pagerfunk-Rundsteuersystem Last und

erzeugungsmanagement Untertitel zweite Zeile Datum

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Thomas Röstel Confidentiality Critical (C4), High (C3), Medium (C2), None (C1) Stromnetz–Berlin GmbH 18.04.2016

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Inhalt 1 Einleitung • • • •

Motivation Anwendungen Lösungsansatz Funkrufnetztechnologie Projektverlauf / Projektpartner

2 Systemvorstellung • • • • • •

3

Rollen im Systembetrieb • Metering • Netzführung

4

Zusammenfassung / Ausblick

5

Video

Leistungsmerkmale e*Nergy-Dienst Architektur Die Software dahinter Integration in die technische IT Funk-Empfänger Sicherheit

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Motivation Ablösung der Tonfrequenz-Rundsteuerungstechnik

 Tonfrequenz-Rundsteuertechnik in 50 UW-Gebieten im Einsatz  Verteilung sehr inhomogen 150 … 3.000 Empfänger je UW-Gebiet BUH

HD 253 345

EH 396 475

HL 433 520

NG

HZ

715 752

756 823

HA 571

471 534

450 498

1704

144 163

200

985 1118

1140

503 628

97 104

WE

443 198 315 667 ZI 80

663 778

M R468 668

PO LW 63 143

390 585

247 324

MH

ZO 1350 1589

LP

749 908

DL

SL

411 570

386 535 148 207

RB 417 485

681 802

1067 1142

3

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RO

GW 373 459

Anzahl der Kunden mit TFR-Schaltung

MAR

keine

RHI

M UE

GUE

KAU

URI

1065 1188

351 bis 750

TRS

GZ 105

GEL LFN

Bezug von UW Erkner (e.dis)

M OI

489 557

GR BH

> 750

FHG

SWD

BZ

501 569

WR

405 448 Wettbewerbsbereiche

< 350

TRE

152

GE 478 537

317 GB 392

MF

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RDF

1036 1277 1633 1902

RI AT

ST

311 402

KP CL

JAS SPM

LD 253 WS 364

993 BA 1467

483 678

FO

KD

BIN FEN

PUF

513 652

UL 269

RUE

PRB KPL

SE

WB

HE

FAL

LUN

GS 608 778

WG 811

JK 295

TW

AH

SS

RD 841 948

UK

AK 1784

3027 3188

228 280

TE

611

RA

KAR

NSH

RN

752 861

596Dr itte weitergegeben werden. oder 772

WEN GRU

1000 für Heizungen 1200 Gesamt

Motivation Ablösung der Tonfrequenz-Rundsteuerungstechnik TonfrequenzRundsteuerung (TFR) Steuerungsvorgaben

Lichtmesswerte 1 2 3 4

Funk-Rundsteuerung (EFR)

UW 1 UW n UW 50

WT-Linien 1

TFR-Zentralrechner 13

Beleuchtungserfassungs rechner

EFR Bedienstation

N .....

10kV

TFR 10kV Sender10kV TFR Sender TFR Sender

N .....

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ca. 20.000 Empfänger

111 TFR Sender

EFRZentralrechner

Sender Mainflingen Burg

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Steuerung unterbrechbare Verbrauchseirichtungen und Erzeugungsanlagen

Steuerung der öffentlichen Beleuchtung

Motivation Ablösung der Tonfrequenz-Rundsteuerungstechnik  Das Tonfrequenz-Rundsteuersystem (TFR) der Stromnetz Berlin ist unwirtschaftlich geworden -

Hohe Ersatzinvestitionen • TFR-Sender • Rundsteuerkommandogerät • TFR-Ankoppelzellen • 10-kV-Einspeisefelder • Empfänger • TK-Kabel

-

Hohe Betriebskosten • Wartung und Instandhaltung • Energiekosten

-

Hoher Platzbedarf

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Anwendungen Bestand und Entwicklung  Anforderungen zur Steuerung im Niederspannungsbereich steigen §14a EnWG - Unterbrechbare Verbrauchseinrichtungen Nachtspeicherheizungen Wärmepumpen Ladesäulen für Elektroautos

rd. 15.000 rd. 3.800 rd. 400

±0 + 150 /a + 100 /a

rd. 800 rd. 5.200

+ 150 /a + 300 /a

rd. 90.000 rd. 800

±0 ±0

§11 EEG - Einspeisemanagement KWK-Anlagen PV-Anlagen Beleuchtung

öffentlichen Beleuchtung nicht öffentliche Beleuchtung

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Lösungsansatz Funknetztechnologie Leistungsmerkmale  Nutzung der vorhandenen Funkrufnetze für Pager (e*Message, ehemals Cityruf) für Steuerungszwecke •

POCSAG (Post Office Code Standard Advisory Group): weltweit anerkannter Standard für Funkruf-dienste, zuverlässige Übertragung u.a. aufgrund der starken Vorwärts-Fehlerkorrektur des Standards

•

Gleichmäßige Verfügbarkeit sowohl in der Fläche als auch in Gebäuden • Gleichzeitige überlappende Versorgung (Gleichwellentechnik) • 800 Sendestandorte in Deutschland mit hoher Sendeleistung (100 WErP) • günstiger Frequenzbereich für Versorgung in Gebäuden (UHF/70 cm) • Ausfallsicher durch unabhängige Stromversorgung (USV) und Redundanzen (überlappende Sendebereiche)

•

sehr gute Gebäudedurchdringung durch hohe Funkfeldstärken u. physikalischer Eigenschaften des Frequenzbandes

•

Erweiterbarkeit durch ausreichende Reserven in der Bandbreite und Regionalisierbarkeit (82 Sendezonen)

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Projektverlauf  Meilensteine der Neuentwicklung 2011 2012

- Projekt-Idee („Pager-Funk“) und erste Gespräche - Feldtest (Prüfung der funktechnischen Eignung des Funkrufdienstes) - Kooperationsvertrag und Nutzungsvertrag

2012 2013

- Spezifikationen (Lastenhefte, Protokollstruktur, Verordnungsgeber) - Marktanalysen, Vergabe (Rundsteuersystem, Empfänger)

2013-2014 08/2014

- Realisierungsphase - Test unter operativen Bedingungen (Entwicklungsumgebung) - Umzug (Netzführungsstelle) - Abnahme - Pilotinstallation (Verbau von rd. 250 Empfänger)

2015 seit 07/2015

- Systemoptimierung - Rollout

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Projektpartner • Stromnetz Berlin

- Betreiber des Stromverteilungsnetzes in Berlin • • • •

78 Umspannwerke 11.800 Ortsnetzstationen 2,3 Millionen Zählpunkte 35.000 km Kabellänge

- Weitreichendes eigenes Kommunikationsnetz für den Netzbetrieb bis in die Ortsnetzstationen - Betreiber eines flächendeckenden digitalen Bündelfunknetzes in Berlin

• e*message WIS - Betreiber eines flächendeckenden Funkrufnetzes in Deutschland und Frankreich - Aktuelle Anwendungen • Alarmierung (Feuerwehr, THW) • Warnung (Unwetter) • Informieren (Verkehrsinformationen, Sport)

- Ausfallsicher und redundant durch weit überlappende Funkzonen Sehr gute Gebäudedurchdringung durch hohe Sendeleistung

• Bosch Software Innovations - Entwickler der „Bosch Software Suite“, welche die Grundlage des zentralen Steuersystems des Broadcastsystems darstellt • Durchgängig grafischer, modellbasierter Ansatz: Modellierung von Prozess-/ Regeldefinitionen • Hohe Integrierbarkeit durch flexible, standardisierte Systemadapter • Hohes Maß an Transparenz durch einen integrierten Prozessmonitor Diese Informationen beinhalten vertrauliche Informationen des Netzbetreibers. Sie dürfen nicht an Wettbewerbsbereiche oder Dr itte weitergegeben werden.

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Systemvorstellung Leistungsmerkmale e*Nergy-Dienst  Steuerungslösung mit neuen und innovativen Leistungsmerkmalen •

Zeitführung über ein authentifizierbares Zeitsignal

•

Fernparametrierung autarker Schaltprogramme (Zeitschaltuhrenfunktion)

•

Sicherung der Integrität der Fernsteuerinformationen durch starke digitale Signaturen (ECDSA Brain pool 256, ECDSA NIST 256, TESLA)

•

integrierte Priorisierung von Schaltprogramm, normalem Befehl, Not-Befehl der Leitwarte

•

Tausch der Signaturschlüssel über die Funkschnittstelle jederzeit möglich, individuell für jede Befehlsgruppe

•

parallele Nutzung durch mehrere unabhängige Anwender.(ein Gateway kann mehrere Leitrechner verwalten)

•

Sollwertübertragung: 1 Bit (An/Aus) bis 1000 Bit

•

•

Befehle unterschiedlicher Wirksamkeit (sofort oder zeitgesteuert mit beziehungsweise ohne Nachsteuerung)

Gruppierung mehrerer Schaltbefehle und Möglichkeit der Programmierung der Schaltzeitpunkte ermöglicht kompakte Funktelegramme, ohne die Flexibilität und Erweiterbarkeit einzuschränken

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Systemvorstellung Architektur  modular und geteilte Steuerung mehrere Marktteilnehmer möglich Leitrechner • Applikationen zur Erzeugung von Parametrierungen und Schaltprogrammen • Schnittstellen zur technischen IT • Abbild aller aktuellen und programmierten Schaltzustände der Schaltgruppen sowie der Parametrierung aller Empfänger Gateway • verwaltet die Adressblöcke und Zugriffsberechtigungen • Erstellung der Telegramme inkl. Sicherung • Verbindung zum e*Message Server, von dem aus der Versand der POCSAGNachrichten inkl. Rückmeldung erfolgt • Verarbeitung der Kontrollempfänger Schlüselserver • erzeugt und speichert alle Schlüsselpaar für die Einzel- und Gruppensteuerung • erzeugt kryptografische Signatur zu den Nachrichten Diese Informationen beinhalten vertrauliche Informationen des Netzbetreibers. Sie dürfen nicht an Wettbewerbsbereiche oder Dr itte weitergegeben werden.

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Systemvorstellung Die Software dahinter  Basis: Business Process Management System (BPM) • BPM modelliert technische Geschäftsprozesse als Workflow

Benutzereingabe

Telegrammerstellung & Sicherung

Versand

Empfang & Interpretation

• BPM-System ist der Kern der Umsetzung für die Workflows des Steuerungssystems • Nutzung von bereits enthaltenen Softwaremodulen wie z.B. Benutzerverwaltung, Reporting und Monitoring, Bedienoberflächen, Konnektoren (SAP IS-U, Webservice, CSV), etc. • Hohes Maß an Transparenz durch einen integrierten Prozessmonitor • Schnelle Implementierung von Anpassungserfordernissen • Erweiterung der Konnektoren (z.B. Protokoll IEC 60870-5-104 für Anbindung an das Netzeitsystem) Diese Informationen beinhalten vertrauliche Informationen des Netzbetreibers. Sie dürfen nicht an Wettbewerbsbereiche oder Dr itte weitergegeben werden.

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Systemvorstellung Systemintegration  Vollständige und sichere Integration in die technische IT 110 kV 10 kV 0,4 kV

: neue Systemkomponenten Diese Informationen beinhalten vertrauliche Informationen des Netzbetreibers. Sie dürfen nicht an Wettbewerbsbereiche oder Dr itte weitergegeben werden.

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Systemvorstellung e*Nergy Funkempfänger  Einfacher und robuster Funkrundsteuerempfänger für Stromnetzbetreiber zum Last- und Erzeugungsmanagement Empfänger:

Technische Daten:

• • •

•

HF-Modul:

• • • • • • •

4 TE Hutschienenmodul 4 Relais (16 A, 230 V), potentialfreie Schließkontakte Zwei Betriebsmodi • Einzelansteuerung der Relais • Ansteuerung für EEG Anlagen • Immer ein Relais aktiv entsprechend 100% 60% 30% 0% Einspeiseleistung Statusanzeige für Inbetriebnahme und Betrieb • 1 Farb LED, 1 Modus LED, 4 Relais LED Integrierte Antenne Anschluss für optionale externe Antenne (Diversity) Keine Bedienelemente Leistungsaufnahme: < 1 W (Relais offen),< 3 W (Relais geschlossen) Betriebstemperaturbereich: -25 bis + 55 ºC Gangreserve bei Stromausfall: 48 h IR-Diagnoseschnittstelle für Servicezwecke

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Systemvorstellung Sicherheit  Konzept ist in diesem Segment der Nachrichtentechnik einzigartig • „Man-in-the-middle“ Angriff

X

Bedrohung

• Fälschung der Datenpakete

• Bruteforce-Angriff auf Signieralgorithmus

Systemausprägung • Keine Übertragung personenbezogener Daten • Empfänger nicht lokalisierbar • Befehle haben begrenzte Gültigkeit und werden nur einmalig ausgeführt • Signierung mittels ECDSA & TESLA möglich • ECDSA256 integriert  Sehr lange Rechenzeit erforderlich • TESLA nicht mittels Bruteforce angreifbar

• Manipulation der Systemzeit

• Zeitsignal im System signiert und permanent vorhanden  starke Abschottung erforderlich • Zeitrückstellung nur einmal pro Tag im Sekundenbereich möglich

• Unterbrechung der Spannungsversorgung

• Vorparametrierte Rückfallwerte & gesicherte Schaltprogramme • Befehle werden immer mit Rückschaltbefehl versendet (temporäre Abschottung sinnlos)

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Rollen im Systembetrieb Metering

 Monteur -

Auftrag aus mobilem Workforce-System

-

Montage (< 30 min.) • Herstellung Spannungsversorgung • Eingabe Geräte ID • Testbefehl (low level) Workforce• Quittierung Test System • Parametrierung

 Innendienst -

Entgegennahme Reklamationen Ferndiagnose per Einzelsteuerung

Netzführung  Administrator -

Systembetreuung in Normalarbeitszeit Herstellen von Schlüsseln Einlesen der Gerätedaten

System erfordert aufgrund seiner Redundanz und Empfängerverhalten bei Senderstörungen (Befehlswiederholung) keine Rufbereitschaft

 Netzleitsystem -

Eintrag von Störungen in STMS Nachsteuerbefehl bei Versorgungsstörungen (Empfänger in Sollzustand setzen bzw. 2h-Nachsteuern)

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Zusammenfassung Technologie

• Derzeit die leistungsfähigste Art der Rundsteuerung und besonders für städtischen Netzbetreiber geeignet - Hohe Übertragungskapazität, gute Gebäudedurchdringung, hohe und flächendeckende Verfügbarkeit, Aussendung im weltweit anerkannten Standard für Funkrufdienste, Sicherheitskonzept ist in diesem Segment der Nachrichtentechnik einzigartig, Funkrufdienst e*Nergy wurde auf die Anforderungen des Lastund Erzeugungsmanagement entwickelt, hohe Flexibilität des realisierten Zentralsystems.

Wirtschaftlichkeit.

• Im Gegensatz zu Mobiltelefonnetzen ist die Anzahl der mittels einer Funkzelle zu erreichenden Teilnehmer unbegrenzt und daher nur mit Punkt-zu-Multipunkt-Anwendungen ökonomisch sinnvoll realisierbar.

Innovation

• Die Steuerungslösung e*Nergy wurde 2014 mit dem Innovationspreis Berlin-Brandenburg im Cluster Energie ausgezeichnet.

Verfügbarkeit

• Lösung ist kurzfristig umsetzbar; verhindert Ersatzinvestitionen in die TFR-Technik. Diese Informationen beinhalten vertrauliche Informationen des Netzbetreibers. Sie dürfen nicht an Wettbewerbsbereiche oder Dr itte weitergegeben werden.

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Ausblick SMG-Technologie • Nachweis der technischen und wirtschaftlichen Verfügbarkeit der bidirektionalen Kommunikation über die SmartMeterGateways, die auch für den steuernden Eingriff in kritischer Infrastrukturen qualifiziert ist, steht noch aus. • Rundsteuerung ist derzeit für die Steuerung unterbrechbarer Verbrauchseinrichtungen und Erzeugungseinheiten im Niederspannungsnetzbereich unerlässlich.

• Gemäß aktuellem Gesetzesentwurf “Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende, §21 (Abs.1)“ ist ein zweiter physikalischer Übertragungsweg zulässig. Ein hybrider Ansatz - Empfänger mit CLS-Schnittstelle als „Steuerbox“ schafft ohne Einschränkungen in der Sicherheit mehr Flexibilität und senkt die Systemkosten („Hinweg“ Rundsteuerung – „Rückweg“ SMG-Technologie).

Potential • Die Integration einer sicheren, hochverfügbaren und preiswerten PFR-Technik in die Smart-Meter-Technologie sollte als Ansatz aufgegriffen werden, um die unterschiedlichen Anforderungen aus Messwertübertragung (zeitunkritisch) und Steuerung (zeitkritisch und systemrelevant) aus Übertragungssicht zu entkoppeln. • Die für den Netzbetreiber erforderlichen system- und sicherheitsrelevanten Gruppensteuerungen über das SmartMeterGateway könnten so in einem ersten Schritt schnell und preiswert umgesetzt werden. • Die geringen Abmessungen des HF-Moduls ermöglichen eine direkte Integration in Endgeräte wie z.B. Heißwasserspeicher, Beleuchtungen, etc. Diese Informationen beinhalten vertrauliche Informationen des Netzbetreibers. Sie dürfen nicht an Wettbewerbsbereiche oder Dr itte weitergegeben werden.

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Video zum StromPager

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Danke für die Aufmerksamkeit!

Fragen?

Thomas Röstel

Stromnetz Berlin GmbH Puschkinallee 52 12435 Berlin Diese Informationen beinhalten vertrauliche Informationen des Netzbetreibers. Sie dürfen nicht an Wettbewerbsbereiche oder Dr itte weitergegeben werden.

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