Intrusive Manipulation von Smart Metern erkennen und abwehren

Jahr für Jahr erleiden Energieversorgungsunternehmen (EVUs) auf der ganzen Welt Verluste, die nicht durch technische Faktoren des Stromnetzes verursacht werden, sondern beispielsweise durch Energiediebstahl. Mit einfachen Mitteln kann dieser aber reduziert werden.

Gemäß dem Report „Electricity Theft and Non-Technical Losses: Global Markets, Solutions and Vendors” belaufen sich die nicht-technischen Verluste weltweit alljährlich auf geschätzte 96 Milliarden US-Dollar, wovon ein erheblicher Teil in Schwellenländern entsteht. Die Mindereinnahmen treffen nicht nur die EVUs, sondern letztendlich auch deren Kunden, da die Energieversorger möglicherweise versuchen, die Einnahmeeinbußen durch höhere Tarife zu kompensieren.

Eine Art nicht-technischer Verluste sind Manipulationen an den Stromzählern. Dabei werden verschiedenste Eingriffe an den Zähler vorgenommen, um die Messung des Energieverbrauchs zu verlangsamen oder ganz zu unterbinden. Neben den intrusiven Methoden, bei denen Modifikationen im Innern des Zählergehäuses vorgenommen werden, sind die nicht-intrusiven Methoden zu erwähnen, bei denen die Manipulation außerhalb des Zählers erfolgt.

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Zähler-Manipulationen haben zu zusätzlichen Anforderungen an intelligente Stromzähler (Smart Meter) geführt, um die Geräte besser zu schützen. Dieser Artikel geht auf die intrusiven Methoden ein und zeigt, wie diese erkannt und verhindert werden können. Die nicht-intrusiven Methoden werden in einem separaten zweiten Teil behandelt.

Die grundsätzliche Funktion eines Smart Meters ist die Messung des Wirkenergieverbrauchs, damit dieser dem Kunden in Rechnung gestellt werden kann. Die Berechnung des Wirkenergieverbrauchs im Zähler erfolgt, indem die Netzspannung mit dem von den Verbrauchern des Kunden gezogenen Strom multipliziert und das Produkt über die Zeit aufsummiert wird.

Zur Messung der Netzspannung reduzieren in der Regel Widerstandsteiler diese soweit, dass sie von einem A/D-Wandler (ADC) verarbeitet werden kann. Gleichzeitig erfasst ein Stromsensor, beispielsweise ein Shunt-Widerstand, ein Stromwandler oder eine Rogowskispule, den vom Verbraucher aufgenommenen Strom und wandelt diesen Laststrom in eine für einen ADC geeignete Spannung.

Bild 1 zeigt exemplarisch einen Einphasen-Stromzähler mit seinen Anschlüssen. In der Abbildung kennzeichnet der rote Pfeil ganz links den Phaseneingang (Line_In) und der zweite rote Pfeil am nächsten Anschluss den Phasenausgang (Line_Out). Der schwarze Pfeil am dritten Anschluss bezeichnet den Nullleiter-Eingang (Neutral_In) und der schwarze Pfeil am vierten Anschluss schließlich den Nullleiter-Ausgang (Neutral_Out).

Gemäß der Konfiguration in Bild 1 erhält man durch gleichzeitiges Messen der Spannung zwischen Phaseneingang und Nulleitereingang sowie des Stroms zwischen Phaseneingang und -ausgang mit Hilfe eines Shunt-Widerstands die zur Berechnung des Energieverbrauchs nötigen Informationen.

Bild 2 zeigt beispielhaft den Anschluss eines Dreiphasenzählers. Diese Konfiguration entspricht dem Anschluss dreier Einphasenzähler: die Spannung wird zwischen dem jeweiligen Außenleiter und dem Nullleiter gemessen, der Strom dagegen zwischen dem Line_In- und Line_Out-Anschluss der betreffenden Phase, wobei in diesem Beispiel Stromwandler zur Messung verwendet werden. Den gesamten Wirkenergieverbrauch erhält man bei einem Dreiphasenzähler durch Addition der Wirkenergieverbräuche der einzelnen Phasen.

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