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Powerline-Übertragung: Das Rückgrat für das intelligente Haus

Die neue Energiepolitik in Deutschland wird zu einem massiven Umbau des Energiesystems führen. Die Energie aus dezentraler Erzeugung und regenerativen Quellen fließt in Zukunft in intelligente Energieverbraucher. In den intelligentesten Energiesystemen fallen dann Energieerzeugung und -verbrauch örtlich und zeitlich zusammen. Der autarke und intelligente Energieverbraucher wird zum Leitbild des zukünftigen Energiesystems.
Damit der Endverbraucher sein Verbrauchsverhalten an die Energie-Erzeugung anpassen kann, benötigt er Anreize: einen günstigeren Strompreis, geringere Durchleitungsgebühren oder CO2-freie Stromeinheiten. Für die Übertragung solcher Anreizgrößen in den Haushalt allein wird kein Smart Meter benötigt. Allerdings bewirkt eine Anreizgröße wenig, wenn der Stromkunde nicht gleichzeitig weiß, welcher Tarif ihm für den gewählten Verbrauchszeitpunkt in Rechnung gestellt wird. Darum werden bei einem lastmanagementfähigen, ‚intelligenten Abnahmekonzept‘ zeitgleich eine Anreizgröße an die Energiemanagement-Anwendung und ein neuer Tarif an den Smart Meter geschickt. Die sodann abgestimmte Steuerung des Verbrauchs macht ein technologisches Konzept erforderlich, das den heterogenen Kosmos von Haushaltsgeräten umfassend vernetzt. Eine Kommunikation zwischen dem Kühlschrank in der Küche, der Wärmepumpe im Keller und dem Smart Meter kann nur durch eine drahtgebundene Kommunikationsstrecke ‚garantiert‘ werden. Um diese Vernetzung auch mit vorhandenen Infrastrukturen zu realisieren, ist eine ebenso robuste wie ausreichend dimensionierte Powerline-Kommunikation eine Schlüsselstütze.

Übertragungsmedium KNX PL 110+

Die Einbindung von Verbrauchern in ein Smart Grid stellt neue Anforderungen an Übertragungsbandbreiten und Datenmodelle. Um diesen Anforderungen gewachsen zu sein, wurde der KNX um ein weiteres Übertragungsmedium erweitert: dem KNX PL 110+. Er basiert auf dem KNX-PL110-Standard (EN500090-5-1) und wird zukünftig nach offizieller Aufnahme in den KNX-Standard die bereits verfügbaren KNX-Übertragungsmedien TP, PL, IP und RF erweitern. Die KNX-PL110+-Lösung nutzt hierbei vollständig normenkonform das Cenelec-B-Band (95-125 kHz) aus. Das neue OFDM-Modulationsverfahren von KNX PL110+, als auch das herkömmliche KNX-PL110-konforme SFSK-Modulationsverfahren (EN50090-5-1), können bei einem Sendepegel von bis zu 122 dBµV Inhouse betrieben werden (EN50065-1, Class 122). Durch zusätzlich neun orthogonale Frequenzträger und einer DPSK-Modulation (Differential Phase Shift Keying) für jeden dieser Träger wird eine Erhöhung der Rohdatenrate von bisher 1,2KByte/s auf bis zu 32,4KByte/s erreicht. Grundsätzlich stehen dem Nutzer beim KNX PL110+ drei unterschiedliche Modulationsverfahren für die OFDM-Unterträger zur Verfügung. So kann der Nutzer zwischen Datenbandbreite und Robustheit der Datenübertragung individuell entscheiden. Durch die Realisierung zweier unabhängiger Datenkanäle im gleichen Frequenzband ist KNX PL110+ vollständig interoperabel und abwärtskompatibel zu der jetzigen KNX-PL110-Lösung.

Aufnahme in Vorbereitung

Die KNX-PL110+Lösung wird im Feldversuch Smart Watts auf Basis des STM-32F101RE-Chip in Kombination mit dem TI TMS320F2808 (DSP) realisiert. Weitergehende Migrationsstrategien im Chipbereich befinden sich in der Umsetzung und ermöglichen in naher Zukunft die kostengünstigere Powerline-Kommunikation. Die offizielle Aufnahme des neuen KNX-PL110+ Übertragungsmediums in den KNX-Standard wird aktuell vorbereitet.

EEBus: ‚Dolmetscher‘ zwischen den Protokollen

KNX ist eines der Kommunikationsprotokolle, die im EEBus integriert sind. In Wohn- und Gewerbehaushalten kommen anstelle von komplexen Systemen ‚aus einer Hand‘ zumeist Geräte verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Feldbus- oder Schnittstellenprotokollen zum Einsatz. Oftmals werden die Geräte zeitlich versetzt installiert oder ausgetauscht. Der EEBus ist eine Middleware zur Unterstützung der Integration der in einem Gebäude verteilten heterogenen Gerätelandschaft. Der EEBus ist ein Art Dolmetscher zwischen den Protokollen verschiedener Geräte und Technologien und sorgt für eine aktuelle, reibungslose, transparente und sichere Kommunikation zwischen Energieversorgung und dem intelligenten Abnehmer. Für jeden angeschlossenen Protokolltyp gibt es jeweils nur einen einzigen Adapter im EEBus. Idealerweise sollen bei einer Implementierung des EEBus durch die parallelen Standardisierungsbemühungen keine Änderungen an den zu integrierenden Gerätefeldbussen selbst notwendig sein.

Auf Normen basierendes Lösungskonzept

Zusätzlich schafft der EEBus eine einheitliche Abstraktion energetischer Eigenschaften von diversen Geräten über unterschiedliche Feldbusse hinweg. Er gewährleistet die vollständige Transaktionssicherheit eines Lastmanagements, trotz unterschiedlicher Nachrichten- und Kommunikationsprotokolle der Geräteschnittstellen. In der Außensicht, also von der Energieversorgung zum Abnehmer gesehen, ist nur die einheitliche, standardisierte Schnittstelle des EEBus im XML-Format sichtbar. Erst damit wird die Übertragung von Anreizgrößen zwischen Energieversorger und Abnehmer und der Abgleich von Verbrauch und Bedarf zwischen den Beteiligten möglich. In der Innensicht (Maschine Verbraucher) erweitert der EEBus etablierte Schnittstellenstandards um notwendige Signal- und Steuerungsfunktionen für die Kommunikation in einem Smart Grid. Ein Austausch oder die Ergänzung von Endgeräten ist problemlos möglich, da neue Geräte mit ihren standardisierten Schnittstellen ‚angeschlossen‘ werden. Durch die parallelen Normungsbemühungen sowohl im Bereich der Home Automation und Smart Grid als auch in Kooperation mit den jeweiligen, standardisierten Kommunikationsprotokollen beschreibt der EEBus ein umfänglich auf Normen basierendes Lösungskonzept.

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