Nicht-intrusive Manipulation von Smart Metern erkennen und abwehren

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Tamper-Proofing: Mehrphasige Stromzähler verlangen eigene Lösungen

Komplizierter ist die Verwendung von Shunt-Widerständen als Stromsensor dagegen in mehrphasigen Stromzählern. Da die Shunt-Widerstände keine eigene Isolation besitzen, ist diese extern erforderlich, damit keine großen, schädlichen Spannungen an die an die Shunts angeschlossenen Bauelemente gelangen können.

Bild 1 zeigt den Aufbau eines dreiphasigen Systems mit isolierten Shunts. Bei dieser Architektur gibt es pro Phase genau ein Bauelement, das die Spannung am Shunt-Sensor misst. Hierfür kommen beispielsweise isolierte Delta-Sigma-Modulatoren wie der AMC1304 oder das Analog Front End (AFE) MSP430i2020 von TI in Frage. Die Isolation dieser Shunt-Sensorbausteine macht es möglich, die Bauelemente, die die Spannungen an den Shunt-Widerständen der verschiedenen Phasen messen, mit ein und demselben Back-End-Chip kommunizieren zu lassen. Da die Shunt-Sensorbausteine isoliert sind, benötigt jeder eine eigene Stromversorgung.

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Der in Bild 1 ganz rechts gezeigte Back-End-Baustein wird normalerweise anhand seiner Fähigkeiten, mit den Shunt-Sensorbausteinen zu kommunizieren ausgewählt. Wird beispielsweise ein Baustein wie der AMC1304 als Shunt-Sensor verwendet, könnte als Back-End-Baustein etwa der MSP430F67641A von TI gewählt werden, denn dieser verfügt über ein digitales Filter, das A/D-Wandler-Samples aus dem vom Delta-Sigma-Modulator kommenden Bitstrom generieren kann. Wird dagegen beispielsweise ein Mikrocontroller wie der MSP430i2020 als Shunt-Sensor benutzt, sollte die Wahl auf einen Prozessor fallen, der über sein SPI- (Serial Peripheral Interface) oder UART-Interface (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) mit diesem Baustein kommunizieren kann, wie etwa die Mikrocontroller der MSP432-Familie.

Zur Berechnung des Wirkenergieverbrauchs muss neben dem Laststrom, den der kundenseitige Verbraucher aufnimmt, auch die jeweilige Netzspannung gemessen werden. Hierzu wandelt ein Spannungssensor, der meist aus einem Widerstandsteiler besteht, die Netzspannung in eine vom A/D-Wandler (ADC) erfassbare Spannung um. In einem mehrphasigen System mit isolierten Shunt-Sensoren kann die Erfassung der Netzspannung mit demselben Bauelement implementiert werden, das die Spannung am Shunt erfasst, oder am Back-End-Baustein, wenn dessen Spannungserfassung mit der Messung am Shunt synchronisiert ist. Wenn der Back-End-Baustein die Spannung misst, ist keine Isolation erforderlich, da die Spannungen an mehreren Phasen gemessen werden können, ohne dass es im Back-End-Baustein zu hohen, schädlichen Spannungen kommt.

Isolation zwischen Shunt und Prozessor ist ein Muss

Zur Vermeidung gefährlicher Spannungen im Back-End-Baustein, ist es notwendig, die Kommunikation zwischen dem Shunt-Sensor und dem Back-End-Baustein zu isolieren, da die Shunts über keine eigene Isolation verfügen. Diese Isolation lässt sich durch die Verwendung eines isolierten Shunt-Sensors wie des AMC1304 realisieren. Alternativ können separate digitale Isolatoren wie beispielsweise der ISO77xx erforderlich sein, wenn nicht-isolierte Shunt-Sensoren benutzt werden.

Es gibt zwei Konzepte für die Implementierung einer isolierten Stromerfassung mit Shunt-Widerständen. Das erste, in Bild 2 gezeigte Konzept, nutzt ein Metrologie-AFE wie den MSP430i2020 als Shunt-Sensor. Dieser Baustein berechnet die primären Messwerte wie Strom, Spannung oder Leistung, anstatt diese Berechnungen dem Back-End-Baustein zu überlassen. Man kommt hierdurch im Back-End-Baustein mit einer geringeren Rechenleistung aus. Wenn keine ADC-Signalproben, sondern nur Messwerte an den Back-End-Baustein übertragen werden müssen, kann außerdem die Kommunikations-Datenrate zwischen Shunt-Sensor und Back-End-Baustein reduziert werden, wodurch gleichzeitig die von dieser Kommunikation ausgehenden Emissionen geringer werden.

Das zweite Konzept für die isolierte Stromerfassung mit Shunt-Widerständen besteht darin, im Prinzip nur die Ströme zu erfassen und die messtechnischen Berechnungen dem Back-End-Baustein zu überlassen. Bild 3 illustriert diese Alternative, wie sie im TI-Referenzdesign „Magnetically Immune Transformerless Power for Isolated Shunt Current Measurement Reference Design“ implementiert ist. Vorteilhaft an dieser Architektur ist, dass sich mit ihr leichter phasenübergreifende Berechnungen, beispielsweise des Phasenwinkels zwischen verschiedenen Phasen anstellen lassen.

Shunt-Widerstände sind das Mittel der Wahl

Mit Shunt-Widerständen als Stromsensoren und Kondensatornetzteilen lassen sich Stromzähler implementieren, die immun gegen externe Magnetfelder sind. Mehr Einzelheiten darüber, wie sich Stromzähler gegen magnetische oder andere Manipulationsversuche abhärten lassen, enthält die auf Englisch verfügbare Schulungsserie „Anti-Tamper Techniques to Thwart Attacks on Smart Meters” von Texas Instruments.

Werden die hier vorgestellten Methoden zur Abwehr von Manipulationsversuchen angewandt, lassen sich Manipulationen ganz verhindern oder zumindest eindämmen, um die nicht-technischen Verluste bei der Elektrizitätsversorgung zu reduzieren.

* Mekre Mesganaw arbeitet als Systems Engineer im Grid Infrastructure Team bei Texas Instruments in Dallas.

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