-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer gebäudeseitig installierbaren Kommunikationseinheit sowie eine gebäudeseitig installierbare Kommunikationseinheit.
-
Es ist bekannt, dass Zählerstände ausgehend von einem Verbrauchszähler drahtlos an eine Sammeleinheit übertragen werden, um anschließend an eine Netzwerkeinheit in einem Weitverkehrsnetz weitergeleitet zu werden.
-
Im Zuge der Einrichtung von intelligenten Netzen (Smart Grids) werden intelligente Messsysteme (Smart Metering Systems) nach neuem Messstellenbetriebsgesetz (MsbG) zum Einsatz kommen. Durch die Nutzung dieser gesetzlich vorgeschriebenen, in ein Kommunikationsnetz eingebundenen Messsysteme, erhalten Letztverbraucher eine höhere Transparenz über den eigenen Energieverbrauch und die Möglichkeit, das eigene Verbrauchsverhalten zu analysieren, um entsprechend die Energiekosten über den laufenden Verbrauch zu senken. Mit Hilfe moderner Tarife, die über das Messsystem abgebildet und ermöglicht werden, können Letztverbraucher ihren Energieverbrauch intelligent gestalten. Die technische Richtlinie BSI TR-03109-1 beschreibt zu diesem Zweck eine Architektur eines sogenannten Smart Meter Gateways (SMGW), welches insbesondere Sicherheitsmerkmale für die aufzubauenden Verbindungen bereitstellt.
-
Mithin ist es Aufgabe der Erfindung, Verbrauchszähler über das Smart Meter Gateway an ein Weitverkehrsnetz anzubinden.
-
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 sowie durch eine Kommunikationseinheit nach einem neben geordneten Anspruch gelöst.
-
Es wird vorgeschlagen, einen Zählerstand von einem entfernt von der Kommunikationseinheit angeordneten gebäudeseitigen Verbrauchszähler zu empfangen und den Zählerstand an eine entfernt von der Kommunikationseinheit angeordnete weitere gebäudeseitige Kommunikationseinheit zu einer Weiterleitung des Zählerstandes an eine Netzwerkeinheit in einem Weitverkehrsnetz zu versenden. Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass die Kommunikationseinheit unter Zwischenschaltung der weiteren Kommunikationseinheit eine Übermittlung des Zählerstandes in das Weitverkehrsnetz ermöglicht.
-
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
- 1, 3 und 4 jeweils ein schematisches Blockdiagramm;
- 2 ein schematisches Ablaufdiagramm; und
- 5 und 6 jeweils ein schematisches Sequenzdiagramm.
-
1 zeigt in schematischer Form eine gebäudeseitig installierbare Kommunikationseinheit LRGW mit einer ersten Downlink-seitigen Schnittstelle I-D und einer zweiten Uplink-seitigen Schnittstelle I-U. Die erste Schnittstelle I-D empfängt einen Zählerstand C. Die zweite Schnittstelle I-U versendet den Zählerstand C.
-
2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm. In einem Schritt 202 wird der Zählerstand C empfangen. In einem Schritt 204 wird der Zählerstand C versendet.
-
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm mit einer gebäudeseitigen Installation H und einem Weitverkehrsnetz WAN. Die gebäudeseitige Installation H umfasst zumindest einen Verbrauchszähler Z, die Kommunikationseinheit LRGW sowie eine weitere Kommunikationseinheit SMGW. Im Weitverkehrsnetz WAN ist zum Betrieb der gebäudeseitigen Installation H eine Netzwerkeinheit EMTa angeordnet, welche Netzwerkeinheiten CLSC, NS sowie A umfasst. Die Netzwerkeinheiten CLSC, NS sowie A können in einer einzigen Netzwerkeinheit EMTa zusammengefasst werden. Selbstverständlich können die Netzwerkeinheiten CLSC, NS sowie A auch separiert voneinander ausgeführt werden, wobei dann unter der Netzwerkeinheit EMTa lediglich eine logische Zuordnung zu verstehen ist. Der Verbrauchszähler Z, die Kommunikationseinheit LRGW, die weitere Kommunikationseinheit SMGW, die Netzwerkeinheiten CLSC, NS, A umfassen jeweils einen Prozessor P und einen Speicher M.
-
Der mittels einer Batterie B betriebene Verbrauchszähler Z umfasst ein Zählwerk W, um einen Verbrauch von beispielsweise Wasser oder Wärme zu erfassen und zu aufzuzählen. In Abhängigkeit von dem erfassten Verbrauch wird der Zählerstand C ermittelt und in periodischen Abständen beispielsweise einmal pro Monat über eine Uplink-seitige Schnittstelle I-U drahtlos versendet.
-
Die Kommunikationseinheit LRGW ist mittels der ersten drahtlosen Schnittstelle I-D auf einem LoRaWAN-Kanal dauerhaft empfangsbereit geschaltet. Der Zählerstand C wird mittels der ersten Schnittstelle I-D drahtlos empfangen. Der Zählerstand C wird bevorzugt leitungsgebunden über die zweite Uplink-seitige Schnittstelle I-U an die weitere Kommunikationseinheit SMGW versendet.
-
Die weitere Kommunikationseinheit SMGW empfängt den Zählerstand C mittels einer Downlink-seitigen Schnittstelle I-D und versendet den Zählerstand C mittels einer Uplink-seitigen Schnittstelle I-U. Im Weitverkehrsnetz WAN wird der Zählerstand C bis zur Netzwerkeinheit A weitergeleitet und im dortigen Speicher M abgelegt.
-
Die Uplink-seitige Schnittstelle I-U des Verbrauchszählers Z ist eine Schnittstelle nach „Class-A“ des LoRaWAN-Standards ohne die Merkmale der „Class-B“ oder der „Class-C“. Die erste Downlink-seitige Schnittstelle I-D der Kommunikationseinheit LRGW ist eine Schnittstelle nach „Class-C“ des LoRaWAN-Standards.
-
Die Uplink-seitige zweite Schnittstelle I-U der Kommunikationseinheit LRGW und die Downlink-seitige Schnittstelle I-D der weiteren Kommunikationseinheit SMGW sind HAN-Schnittstellen (HAN: Home Area Network) gemäß der Richtlinie technischen Richtlinie BSI TR-03109-1 des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik. Bei der weiteren Kommunikationseinheit SMGW handelt es sich um ein „Smart Meter Gateway“ gemäß der technischen Richtlinie BSI TR-03109-1 des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik.
-
4 zeigt eine beispielhafte Konfiguration der gebäudeseitigen Installation H und des Weitverkehrsnetzes WAN. Auf verschiedenen Etagen eines Hauses ist eine Anzahl von Verbrauchszählern Za bis Zc installiert, welche zur zyklischen Absetzung ihres jeweiligen Zählerstandes C drahtlos und direkt mit der ersten Uplink-seitigen Schnittstelle I-U der Kommunikationseinheit LRGW kommunizieren. Im HAN des Letztverbrauchers kommuniziert die weitere Kommunikationseinheit SMGW mit der Kommunikationseinheit LRGW. Des Weiteren stellt das SMGW Daten für den Letztverbraucher bzw. für den Service-Techniker im HAN bereit.
-
In einem Lokalen Metrologischen Netz LMN kommuniziert die weitere Kommunikationseinheit SMGW über eine weitere Schnittstelle I-W mit den angebundenen Zählern Xa und Xb für Stoff- und Energiemengen (Strom, Gas, Wasser, Wärme) eines oder mehrerer Letztverbraucher. Die Zähler Xa, Xb kommunizieren ihre Messwerte über das LMN an das SMGW.
-
Im Weitverkehrsnetz WAN kommuniziert die weitere Kommunikationseinheit SMGW mit den externen Marktteilnehmern im Sinne der Netzwerkeinheit EMTa und auch mit dem SMGW Administrator AD. Die weitere Kommunikationseinheit SMGW wird vom SMGW Administrator AD konfiguriert und administriert. Dazu sendet der SMGW Administrator AD Konfigurationsinformationen und Befehle, die von der weiteren Kommunikationseinheit SMGW empfangen und verarbeiten werden. Die weitere Kommunikationseinheit SMGW kommuniziert intern mit ihrem Sicherheitsmodul, das kryptographische Operationen und einen sicheren Schlüssel- und Zertifikatsspeicher zur Verfügung stellt.
-
Der SMGW Administrator AD führt eine Vorkonfiguration der weiteren Kommunikationseinheit SMGW durch, welche umfasst: Empfangen und Abspeichern eines ersten Zertifikats zur Authentifizierung der weiteren Kommunikationseinheit SMGW durch die Netzwerkeinheit EMTa in dem Weitverkehrsnetz WAN; und Empfangen und Abspeichern eines zweiten Zertifikats zur Authentifizierung der weiteren Kommunikationseinheit SMGW durch die Kommunikationseinheit LRGW in dem Heimnetzwerk HAN. Diese Vorkonfiguration wird bevorzugt einmalig vor Inbetriebnahme der Heimnetzwerks HAN mit den Kommunikationseinheiten SMGW und LRGW durchgeführt. Nach dieser erstmaligen Vorkonfiguration können ohne Weiteres weitere Verbrauchszähler Z über die Kommunikationseinheit LRGW eingebunden werden, ohne dass der SMGW Administrator AD tätig werden müsste. Dies ist für die Zähler Xa und Xb nicht der Fall, da über die weitere Schnittstelle I-W, für welche erhöhte Sicherheitsanforderungen gelten, eine Anmeldung nur über eine Konfiguration durch den SMGW Administrator AD möglich ist.
-
Eine Funktionalität der weiteren Kommunikationseinheit SMGW umfasst die Speicherung der aus dem LMN empfangenen Messwerte, deren Verarbeitung gemäß konfigurierter Regelwerke und der Versendung der verarbeiteten Messwerte an eine Netzwerkeinheit EMTp, wie beispielsweise die Messstellenbetreiber, den Verteilernetzbetreiber, den Energielieferanten bzw. den Übertragungsnetzbetreiber im WAN.
-
Die weitere Kommunikationseinheit SMGW ist bevorzugt in der Nähe der Zähler Xa und Xb angeordnet, beispielsweise in einem unteren Bereich U des Gebäudes, d. h. bevorzugt im Keller oder Erdgeschoss des Gebäudes. Hinsichtlich der Anordnung der Kommunikationseinheit LRGW bestehen Freiheitsgrade, was beispielsweise eine entfernte Anordnung von der weiteren Kommunikationseinheit SMGW ermöglicht.
-
Der Unterschied zwischen den Zählern Xa, Xb und den Verbrauchszählern Za, Zb, Zc besteht darin, dass die Zähler Xa, Xb der Netzwerkeinheit EMTp zugeordnet sind und in der weiteren Kommunikationseinheit SMGW einer höhere Sicherheitsstufe unterliegen, wohingegen die Verbrauchszähler Za bis Zc einem externen Marktteilnehmer zugeordnet sind und in der weiteren Kommunikationseinheit SMGW einer niedrigeren Sicherheitsstufe unterliegen.
-
Jeder der Marktteilnehmer, umfassend die Netzwerkeinheiten EMTp und EMTa, welche an das WAN des SMGW angeschlossen sind und Daten berechtigt erhält, ist ein berechtigter Marktteilnehmer, egal ob von der LMN oder CLS-Schnittstelle. Die Unterscheidung zwischen LMN angebundenen Zählern X und über die CLS-Schnittstelle angebundenen Zählern Z liegt darin, dass diese unterschiedlichen Netzwerkeinheiten zugeordnet sind. Wer über die CLS-Schnittstelle kommuniziert ist eine aktive Netzwerkeinheit EMTa, da er aktiv über das SMGW auch schalten, d. h. Schaltbefehle senden, kann. Bei der LMN Schnittstelle geht es nur um den Empfang von Zählerwerten durch die passive Netzwerkeinheit EMTp. Der Unterschied zwischen der passiven Netzwerkeinheit EMTp und der aktiven Netzwerkeinheit EMTa besteht also darin, dass die aktive Netzwerkeinheit EMTa auch berechtigt ist, Daten an die Kommunikationseinheit LRGW zu senden, wohingegen die passive Netzwerkeinheit EMTp nicht berechtigt ist, Daten an die Zähler X zu senden.
-
In einer Weiterbildung sind gebäudeseitig Aktoren Aa, Ab und Sensoren Sa und Sb angeordnet, welche gemäß der LoRaWAN-Spezifikation mit der ersten Schnittstelle I-D drahtlos kommunizieren. Die Aktoren Aa, Ab sind beispielsweise Heizungs-Steller oder Jalousien-Steller. Die Sensoren Sa, Sb sind beispielsweise Temperatursensoren, Helligkeitssensoren oder manuell bedienbare Bedienelemente. Die Aktoren Aa, Ab und Sensoren Sa, Sb sind mittels der Kommunikationseinheit LRGW mit der Netzwerkeinheit EMTa im Weitverkehrsnetz WAN verbunden und ermöglichen so eine Abfrage der Sensoren Sa, Sb und eine Stellung der Aktoren Aa, Ab ausgehend von der Netzwerkeinheit EMTa. Damit ermöglicht die Kommunikationseinheit LRGW sogenannte „Smart Home“-Lösungen.
-
5 zeigt ein schematisches Sequenzdiagramm eines Verbindungsaufbaus, welcher zeitlich vor einem Versand eines Zählerstandes C erfolgt. Zunächst wird zwischen den Kommunikationseinheiten LRGW und SMGW eine TLS-Verbindung TLS1 aufgebaut (TLS: Transport Layer Security). In einem Schritt 502 wird eine erste Anfrage 504 an die weitere Kommunikationseinheit SMGW zur Initiierung eines transparenten Kanals TC zwischen den Kommunikationseinheiten LRGW und CLSC versendet. Die Durchführung des Schritts 502 ermöglicht vorteilhaft eine aktive Initiierung einer Verbindung zu der Netzwerkeinheit CLSC, wobei hierfür Voraussetzung ist, dass in der weiteren Kommunikationseinheit SMGW durch den Administrator vor dem Schritt 502 der Aufbau einer Kommunikation zwischen der Kommunikationseinheit LRGW und der Netzwerkeinheit CLSC vorkonfiguriert wurde. Durch die aktive Initiierung kann von dem Techniker, der zur Installation der Kommunikationseinheit LRGW beauftragt ist, der Verbindungsaufbau aktiv getestet werden. Hierzu umfasst die Kommunikationseinheit LRGW ein Anzeigemittel, beispielsweise eine Leuchtdiode, welche einen erfolgreichen oder fehlerhaften Verbindungsaufbau zwischen der Kommunikationseinheit LRGW und der Netzwerkeinheit EMTa anzeigt.
-
Auf den Empfang der ersten Anfrage 504 hin baut die weitere Kommunikationseinheit SMGW eine CLS-Verbindung TLS2 mit der Netzwerkeinheit CLSC auf (CLS: Controllable Local System). Anschließend wird die erste Verbindungsanfrage 504 in einem Schritt 506 an die Netzwerkeinheit CLSC übermittelt. Eine erste Bestätigung 508 wird in einem Schritt 510 an die weitere Kommunikationseinheit SMGW übermittelt. In einem Schritt 511 wird die erste Bestätigung 508 an die Kommunikationseinheit LRGW übermittelt. Damit ist der transparente Kanal TC zwischen der Kommunikationseinheit LRGW und der Netzwerkeinheit CLSC eingerichtet. Nur über den transparenten Kanal TC können Daten zwischen der Kommunikationseinheit LRGW und der Netzwerkeinheit CLSC ausgetauscht werden. Vorteilhaft steht dadurch eine gesicherte Verbindung zwischen der ersten Kommunikationseinheit LRGW und der Netzwerkeinheit CLSC.
-
Der Verbrauchszähler Z versendet in einem Zeitfenster T1 und einem Schritt 512 eine zweite Anfrage 514 an die Kommunikationseinheit LRGW, um sich bei der Netzwerkeinheit NS in dem Weitverkehrsnetz WAN zu registrieren. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass der Verbrauchszähler Z von sich aus aktiv eine Registrierung im Schritt 522 bei der Netzwerkeinheit NS anstoßen muss und so in der Netzwerkeinheit NS entschieden werden kann, ob und wie der Verbrauchszähler Z in die Zählerstand-Abrechnung eingebunden wird.
-
In einem Schritt 516 wird die zweite Anfrage 514 an die weitere Kommunikationseinheit SMGW übermittelt. In einem Schritt 518 wird die zweite Anfrage 514 an die Netzwerkeinheit CLSC übermittelt. In einem Schritt 520 wird die zweite Anfrage 514 an die Netzwerkeinheit NS übermittelt. Die Netzwerkeinheit NS führt in einem Schritt 522 eine Registrierung des Verbrauchszählers Z durch und versendet in einem Schritt 524 eine zweite Bestätigung 526 in Richtung des Verbrauchszählers Z. Schritte 528 und 530 werden durchgeführt, um die Bestätigung bis zur Kommunikationseinheit LRGW zu übermitteln. Als Antwort auf die zweite Anfrage 514 wird die zweite Bestätigung 526 während eines Zeitfensters T2 von der Kommunikationseinheit LRGW in einem Schritt 532 an den Verbrauchszähler Z übermittelt. Das fest konfigurierte Zeitfenster T2 beginnt nach einer fest konfigurierten Zeitdauer T3, welche nach dem abgeschlossenen Versand der zweiten Anfrage 514 im Zeitfenster T1 beginnt. Damit ist der Verbrauchszähler Z bei der Netzwerkeinheit NS erfolgreich registriert, um seine Zählerstände C absetzen zu können.
-
6 zeigt ein schematisches Sequenzdiagramm zur Übermittlung des Zählerstandes C von einem Verbrauchszähler Z an eine Netzwerkeinheit A. Der Verbrauchszähler Z ist so konfiguriert, dass er in selbst gewählten Zeitabständen, beispielsweise zyklisch, den Zählerstand C in einem Schritt 602 während einer Zeitdauer T4 an die Kommunikationseinheit LRGW übermittelt. Die Kommunikationseinheit LRGW generiert nach dem Empfang des Zählerstandes C in einem Schritt 604 einen Zeitstempel TS, welcher gemeinsam mit dem Zählerstand C in einem Schritt 606 an die weitere Kommunikationseinheit SMGW übermittelt wird.
-
Nach Ausführung der Schritte 608 und 610 empfängt die Netzwerkeinheit NS den Zählerstand C und den Zeitstempel TS. Der Zählerstand C wird in einem Schritt 612 an die Netzwerkeinheit A übermittelt, welche in einem Schritt 614 den Zählerstand C zur weiteren Verarbeitung im Sinne einer Verbrauchszähler-Abrechnung abspeichert. Eine Empfangsbestätigung ACK wird in einem Schritt 616 an die Netzwerkeinheit NS übermittelt. Die Netzwerkeinheit NS ermittelt in einem Schritt 618 einen weiteren Zeitstempel TSS. Der Zeitstempel TSS dient dazu, um sicherzustellen, dass die Kommunikationseinheit LRGW die Empfangsbestätigung ACK in einem Zeitfenster T5 verschickt, in welchen der Verbrauchszähler Z auf Empfang geschaltet ist. Das Zeitfenster T5 ist fest konfiguriert und funktioniert derart, dass der Verbrauchszähler Z nach Beendigung des Versands des Zählerstandes C eine Zeitdauer T6 abwartet, um dann im Zeitfenster T5 empfangsbereit zu sein.
-
In Schritten 620, 622 und 624 werden die Empfangsbestätigung ACK und der weitere Zeitstempel TSS an die Kommunikationseinheit LRGW übermittelt. Die Kommunikationseinheit LRGW wartet in einem Schritt 626 den Ablauf des Zeitstempels TSS ab. Die Kommunikationseinheit LRGW übermittelt nach dem Ablauf einer Zeit, welche durch den Zeitstempel TSS charakterisiert ist, in einem Schritt 628 die Empfangsbestätigung ACK an den Verbrauchszähler Z.
-
Nach Erhalt der Empfangsbestätigung ACK kann der Verbrauchszähler Z wieder in einen energiesparenden Ruhezustand übergehen. Somit kann durch das Abwarten in dem Schritt 628 vorteilhaft eine zeitliche Synchronisation mit dem Verbrauchszähler Z erreicht werden. Vorteilhaft wird im Schritt 604 der Zeitstempel TS ermittelt und im Schritt 606 versendet. Der weitere Zeitstempel TSS wird nicht von der Kommunikationseinheit LRGW ermittelt. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass eine andere Kommunikationseinheit LRGW, welche nicht den Zeitstempel TS im Schritt 604 ermittelt hat, einen synchronisierten Versand im Schritt 628 durchführen kann.
