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Digitale Isolatoren bringen Vorteile beim Smart Meter Design

01. Juni 2018, 11:15 Uhr   |  Shashank Sharma, Product Marketing Engineer, Multiplexers & Signal Switches, Texas Instruments Vikas Kumar Thawani, Systems engineer, Isolation, Texas Instruments

Digitale Isolatoren bringen Vorteile beim Smart Meter Design
© Texas Instruments

Bei der Konzeptionierung von Smart Metern muss die Isolation berücksichtigt werden. Digitalisolatoren bieten für Designer von Smart Metern gegenüber anderen Lösungen eine Reihe interessanter Vorteile.

Weltweit wurden bislang mehr als 900 Millionen intelligente Stromzähler (Smart Meter) ausgeliefert, wovon rund 65 % erst noch installiert werden müssen. 

Der Begriff ‚Smart Grid‘ bezeichnet von seiner Definition einen bidirektionalen Energie- und Kommunikationsfluss zwischen Energieerzeuger und Energieverbraucher (von Ende zu Ende). Smart Meter bilden in dieser Kette ein entscheidendes Endgerät, das den Energieverbrauch misst und meldet und die Voraussetzungen für automatische Rechnungsstellung, Fernabschaltung, zeitabhängige Stromtarife usw. schafft.

Typisches Blockschaltbild eines einphasigen Smart Meters
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Bild 1. Typisches Blockschaltbild eines einphasigen Smart Meters

Bei dem Design von Smart Meter-Appllikationen muss deren Isolation berücksichtig werden, die von neuen Komponenten profitieren kann. Bild 1 zeigt ein Beispiel für ein Smart Meter, das eine Kommunikations-Platine enthält, die mit leitungsgebunden oder drahtlosen Kommunikations-Ports ausgestattet sein kann.

Blockschaltbild
© Texas Instruments

Bild 2. Typisches Blockschaltbild eines typischen mehrphasigen Smart Meters

RS-485 ist die am weitesten verbreitete leitungsgebundene Kommunikationsschnittstelle, die für Zählerablese-Anwendungen genutzt wird. Hier wird die Isolation benötigt, um die unterschiedlichen Massepotenziale des Energiezählers selbst und des möglicherweise mehrere hundert Meter entfernten Messpunkts zu trennen.

Bestimmte Zähler sind mit einer RS-232-Schnittstelle ausgestattet, damit das Ablesepersonal ein Auslesegerät direkt an den Zähler anschließen kann. Hier ist eine Isolation erforderlich, um elektrische Schläge und eine Beschädigung des Auslesegeräts durch hohe Spannungsspitzen, die auf dem Wechselstromnetz vorkommen können, zu verhindern.

In mehrphasigen Smart Metern gewinnen Shunt-Widerstände zur Messung der Phasenströme mehr an Verbreitung als Stromwandler. Der wichtigste Vorteil, den ein Shunt-Widerstand gegenüber einem Stromwandler hat, ist die größere Immunität der Messfunktionen gegenüber magnetbasierten Manipulationsversuchen. Aus diesem Grund geht der Trend weltweit zu Shunt-basierten mehrphasigen Smart Metern.

In Bild 2 ist ein System zu sehen, das die Spannung und den Strom für jede Phase erfassen muss. Um die Isolation von einer Phase zu anderen zu wahren, kann entweder ein Metrologie-Mikrocontroller (MCU) oder ein spezieller A/D-Wandler (ADC) für jede Phase verwendet werden. Die Messgrößen werden über die Isolationsbarriere hinweg an den Host-Mikrocontroller übermittelt, der die Zusammenfassung und Weiterleitung der Daten übernimmt. Zwischen dem Host-Mikrocontroller und dem Metrologie-Mikrocontroller bzw. den ADCs wird deshalb ein Isolationsbaustein benötigt.

Blockschaltbild
© Texas Instruments

Bild 3. Blockschaltbild zur Kalibrierung eines Smart Meters

Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Isolation findet sich in intelligenten Stromzählern, wenn mithilfe eines Referenzzählers die Genauigkeit, mit der der Zähler die Wirk- und die Scheinenergie misst, ermittelt werden soll. Der Ausgang des Smart Meters pulsiert mit einer Rate, die proportional zu der von der Last verbrauchten Energie ist. Durch die Berechnung der Fehler auf der Basis dieser Impulse ermittelt ein Referenzzähler die Genauigkeit des Smart Meters.

Wie Bild 3 verdeutlicht, sorgt ein Isolationsbaustein hier für die galvanische Isolation zwischen Smart Meter und Referenzzähler.

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2. Trends bei intelligenten Stromzählern

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