Last- und Erzeugungsmanagement e*Nergy Pagerfunk-Rundsteuersystem

Thomas Röstel Stromnetz Berlin GmbH 25.06.2015

Inhalt 1 Einleitung • • • •

Motivation Anwendungen Lösungsansatz Funkrufnetztechnologie Projektverlauf / Projektpartner

2 Systemvorstellung • • • • • •

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Leistungsmerkmale e*Nergy-Dienst Architektur Sicherheit Integration in die technische IT der Stromnetz Berlin Empfänger Sicherheit

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Zusammenfassung

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Ausblick

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

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

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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

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•

POCSAG (Post Office Code Standard Advisory Group): weltweit anerkannter Standard für Funkrufdienste, zuverlässige Übertragung u.a. aufgrund der starken VorwärtsFehlerkorrektur 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

Projekt-Idee („Pager-Funk“) und erste Gespräche

2012

Feldtest zur Überprüfung der Funkabdeckung (Prüfung der funktechnischen Eignung des Funkrufdienstes)

Abschluss Kooperationsvertrag und Nutzungsvertrag

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2012

Spezifikationen (Lastenhefte, Protokollstruktur, Verordnungsgeber, etc.)

2013

Marktanalysen, Vergabe (Rundsteuersystem, Empfänger)

2013-2014

08/2014

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

2015

Systemoptimierung

ab 07/2015

Rollout (fünf Netzgebiete)

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Projektpartner • Stromnetz Berlin GmbH - 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 Deutschland GmbH - 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

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

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•

Zeitführung über ein authentifizierbares Zeitsignal

•

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

•

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

•

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

•

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

•

Fernparametrierung der Empfänger im Feld

•

individuell parametrierbare Gruppen, aber auch Einzelsteuerung

•

Fernparametrierung autarker Schaltprogramme (Zeitschaltuhrenfunktion)

•

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

•

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

•

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 POCSAG-Nachrichten inkl. Rückmeldung erfolgt

•

Verarbeitung der Kontrollempfänger

Schlüselserver

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•

erzeugt und speichert alle Schlüsselpaar für die Einzel- und Gruppensteuerung

•

erzeugt kryptografische Signatur zu den Nachrichten

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Systemvorstellung Integration  Vollständige und sichere Integration in die technische IT 110 kV 10 kV

0,4 kV

: neue Systemkomponenten

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

Technische Daten • • •

•

HF-Modul

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• • • • • • •

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

Systemvorstellung Sicherheit  Konzept ist in diesem Segment der Nachrichtentechnik einzigartig Systemausprägung

Bedrohung

X

• „Man-in-the-middle“ Angriff

• Signierung mittels ECDSA & TESLA möglich

• Fälschung der Datenpakete

• ECDSA256 integriert  Sehr lange Rechenzeit erforderlich • TESLA nicht mittels Bruteforce angreifbar

• Bruteforce-Angriff auf Signieralgorithmus

X

• Manipulation der Systemzeit

• Unterbrechung der Spannungsversorgung

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• Keine Übertragung personenbezogener Daten • Empfänger nicht lokalisierbar • Befehle haben begrenzte Gültigkeit und werden nur einmalig ausgeführt

• Zeitsignal im System signiert und permanent vorhanden  starke Abschottung erforderlich • Zeitrückstellung nur einmal pro Tag im Sekundenbereich möglich • Vorparametrierte Rückfallwerte & gesicherte Schaltprogramme • Befehle werden immer mit Rückschaltbefehl versendet (temporäre Abschottung sinnlos)

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 Last- und 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-MultipunktAnwendungen ökonomisch sinnvoll realisierbar.

Innovation • Die Steuerungslösung e*Nergy wurde 2014 mit dem Innovationspreis BerlinBrandenburg im Cluster Energie ausgezeichnet.

Verfügbarkeit • Lösung ist kurzfristig umsetzbar; verhindert Ersatzinvestitionen in die TFR-Technik.

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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.

Übergangstechnologie • Es ist zu erwarten, dass auch nach Vorliegen der technischen und wirtschaftlichen Verfügbarkeit der bidirektionalen Kommunikation und Steuerung über die Smart-Meter-Gateways (SMG), die Übergangsfrist für die PagerfunkRundsteuerung (PFR) hoch sein wird, da sie alle für das Last- und Einspeisemanagement erforderlichen Anforderungen, vor allem auch die an die Sicherheit, erfüllt.

Potential • Die geringen Abmessungen des HF-Moduls ermöglichen eine direkte Integration in Endgeräte wie z.B. Heißwasserspeicher, Beleuchtungen, etc. • 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. • Ein hybrider Ansatz - Empfänger mit CLS-Schnittstelle als „Steuerbox“ - schafft ohne Einschränkungen in der Sicherheit mehr Flexibilität und senkt die Systemkosten. • Die für den Netzbetreiber erforderlichen system- und sicherheitsrelevanten Gruppensteuerungen über das SmartMeterGateway könnten so in einem ersten Schritt schnell und preiswert umgesetzt werden.

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