Vurdering av kommunikasjonsalternativer for informasjonsutveksling med AMS mellom smarte hus og et smart kraftnett Christian Haugen Master i kommunikasjonsteknologi Oppgaven levert: Juni 2010 Hovedveileder: Steinar Andresen, ITEM Biveileder(e): Hanne Sæle, Sintef Kjell Sand, Sintef Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Institutt for telematikk Oppgavetekst Et forslag ligger til behandling om en lovpålagt installasjon av smarte energimålere innen 2016 i Norge. Dette innebærer at norske nettselskap skal gjennomføre en enorm utbygging av ny målerteknologi kalt AMS. Denne teknologien er det første steget mot etableringen av et smartgrid. For å støtte toveis kommunikasjon mellom forbruker, nettselskap og leverandør av strøm i et smartgrid må kommunikasjonsnettet som kobler de sammen endres drastisk. Smartgrid er et samlebegrep for intelligente måle- og styringsystemer som legger grunnlaget for neste generasjon kraftnett i Norge. Smartgrid-løsninger er under utbygging flere steder i verden og mye kan læres av disse prosjektene når liknende løsninger skal implementeres i Norge. Et smartgrid er en av de viktigste verktøyene vi har for å redusere strømforbruket i Norge, både hos sluttbrukere og i nettet selv. Man skal studere hvilke teknologivalg som må gjøres for å bane vei for morgendagens intelligente kraftnett, med hovedvekt på kommunikasjonsutvekslingen hos sluttbruker og fra sluttbruker til nettselskapet. I tillegg til den rent tekniske analysen av kommunikasjonsutvekslingen i Norge skal man også kort evaluere det økonomiske aspektet ved en slik utbygging. For å gjøre en vurdering av slike teknologivalg må dagens og fremtidige smartgrid løsninger vurderes opp i mot funksjonaliteten til kravspesifikasjonen for AMS som NVE har lagt ut som et forslag. Masteroppgaven vil se nærmere på disse problemstillingene: - Sammenligning av standarder for smartmåleren sin kommunikasjon med smarthus. - Sammenligning av teknologivalg (kommunikasjonsmedium, standarder og protokoller for overføring av data) for kommunikasjonsvei fra smartmåler til nettselskap. - Hvordan vil pålegget om bruk av smarte energimålere endre dagens kraftnett, pålitelighet av strømforsyning, potensialet for forbruksreduksjon, introduksjon av nye tjenester, integrasjon av sikkerhetsløsninger og datalagring av sluttbrukerinformasjon om forbruk? Oppgaven gitt: 31. januar 2010 Hovedveileder: Steinar Andresen, ITEM Sammendrag Europa står samlet bak beslutningen om å øke andelen fornybare energi- kilder med 20%, redusere energiforbruket med 20% og redusere utslippene av drivhusgasser med 20% innen 2020. Enda mer ambisiøse planer er under planlegging frem mot 2050. Det er ingen tvil om at kraftbransjen står sentralt i dette arbeidet da både mye av problemet, store utslipp fra varmekraftverk, og potensielle løsninger, fornybare energi og smarte energiløsninger, er loka- lisert innenfor kraftbransjen. Smartgrid er på mange måter kraftbransjens fremtidssikre løsning for å gjøre verden klar for nullutslippssamfunnet. Dagens kraftnett har nådd slutten på sin teknisk-økonomiske levetid, og har i stor grad unngått den positive teknologiske utviklingen som har fore- gått de siste 20 årene. Et stort steg i retning av et mer intelligent kraftnett er utbyggingen av et Avansert Måle- og Styringssystem (AMS). Et AMS er endenodene i et smartgrid og samtidig startpunktet for økt intelligens i slutt- brukerens hus. Installasjonen av et komplett toveis-kommunikasjonsnettverk mellom nettselskap og sluttbrukere vil muliggjøre konsepter som sanntids- prising, forbruksutjevning, økt kontroll på forbruk av strøm, integrasjon av elektriske biler og integrasjonen av distribuerte former for kraftproduksjon som solcellepanel og vindturbiner. Dette nye kommunikasjonslaget som leg- ges over det eksisterende kraftnettet, kommer til å benytte seg av en rekke ulike kommunikasjonsmedier og nye protokoller og standarder for utveksling av måledata. NVE har lansert et forslag til endring i forskrift 11. mars 1999 nr. 301 om måling, avregning og samordnet opptreden ved kraftomsetning og fakturering av nettjenester. Dette innebærer at en utredning er i gang angående hvordan strukturen til et AMS skal se ut i Norge, basert på innspill fra andre land som allerede har innført liknende systemer og standardiseringsarbeid som foregår i Europa per i dag. Formålet med denne masteroppgaven var å undersøke eksisterende kom- munikasjonsmedier, standarder og protokoller for utveksling av måledata, for å legge frem et forslag for hvordan et fremtidig AMS kan være bygd opp i Norge. Samtidig ønsket jeg å se på hvordan informasjonen fra såkalte smart- I målere, toveiskommuniserende strømmålere, kunne brukes innad i fremtidige smarthuskonsepter og dets påvirkning på blant annet strømforbruk.. Smartgrid- og AMS-markedet er per i dag ungt og er derfor teknologimes- sig fortsatt fragmentert. Jeg har likevel på bakgrunn av markedssituasjonen per i dag, standardiseringsarbeid i Europa og pilotprosjekter i hele verden funnet frem til en struktur for hvilke standarder, protokoller og kommu- nikasjonsmedium som jeg mener er relevant for et AMS i Norge. Jeg vur- derte hver av teknologiene og standardene etter 7 ulike kriterier; grad av standardisering, robusthet, skalerbarhet, kostnad, grad av fremtidssikkerhet, funksjonalitet og sikkerhet. Løsningen jeg beskriver er et produkt av en tek- nologisk vurdering av datamengder, dataformater, kostnader og standardi- seringsprosesser i gang per i dag. Avhengig av geografisk lokasjon i Norge, en variabel som samtidig bestemmer befolkningstetthet og eksisterende kom- munikasjonsinfrastruktur, anbefaler jeg en løsning basert på PLC(PRIME), mobile teknologier (3G, 4G), eksisterende fibernett og RF mesh-nettverk. For kommunikasjonsen fra smartmåler til enheter i huset er konklusjonen at Zigbee tilbyr den mest funksjonelle og skalerbare løsningen for fremtidige smartgrid/smarthus synergier. Vedrørende dataformater er det viktig at Norge som en liten aktør i mar- kedet bestemmer seg for et format som gir oss et størst mulig marked å handle på, for å kunne redusere investeringskostnadene. Basert på min egen vurdering og standardiseringsprosessene som foregår i Europa, OPENmeter og M/441, har jeg vurdert DLMS/COSEM og SML som de beste kandida- tene. Av disse to er det DLMS/COSEM som vil være den beste løsningen for Norge da den per i dag har det største nettverket av samarbeidspartnere samtidig som at det er det foretrukne valget til OPENmeter/M441 organisa- sjonene. En AMS-utbygging i Norge er starten på overgangen til et intelligent kraftnett som kommer til å endre hvordan vi forbruker strøm. Samtidig åpner det for helt nye farer ved at vi kobler kontroll over huset opp mot Internett og tredjepartsselskaper. Denne risikoen kan ikke undervurderes, og strategiske grep må gjøres for at implementasjonen av teknologivalgene beskrevet i denne oppgaven skjer med fokus på sikkerhet. Jeg har valgt TCP/IP-familien som II transmisjonsprotokoller for transportlaget og nettverkslaget. Kombinasjonen av IPv6 sin innebygde IPsec sikkerhetspakke og DLMS-organisasjonens fokus på sikkerhet i applikasjonslaget, innebærer en sikkerhet som jeg ser på som tilstrekkelig for et AMS. Dette betyr imidlertid ikke at systemet ikke kan misbrukes, noe som betyr at nettselskapene må utvikle betydelig kompetanse på dette området for å verne om både sine nett og sine sluttbrukere. Med grunnlag i disse teknologivalgene er det ingen grunn til at Norge skal vente med AMS-investeringene, da meldingsformatene ovenfor støtter alle relevante kommunikasjonsmedium, samtidig som at vi unngår en begrens- ning på funksjonalitet innad i Norge. Dette skjer ved at DLMS/COSEM- standarden muliggjør en objektbasert implementasjon av funksjonalitet, noe som innebærer at vi kan velge å sette lista høyt for å fortsatt beholde den ledende posisjonen Norge har blant kraftmarkeder i Europa. Det pågående standardiseringsarbeidet i Europa vil med stor sannsynlighet ikke stille flere krav til nasjonale AMS-system enn hva den foreliggende OPENmeter/M441- spesifikasjonen forespeiler. Foruten bruk av prepayment er det norske forsla- get til en kravspesifikasjon, utarbeidet i høringsutkastet til NVE, helt likt. Da det i tillegg per i dag foreligger en rekke pilotprosjekter og installasjo- ner av Avanserte Måle- og Styringssystem (AMS) i land så nærliggende som Sverige, kan vi lære av disse prosjektene og dermed øke sannsynligheten for både økonomisk, energibesparende og driftsmessig suksess i løpet av kort tid etter implementasjon. Dette innebærer at det eneste insentivet Norge har til å vente ytterligere på det europeiske standardiseringsarbeidet er for å gi mar- kedet nok tid til å oppnå produksjon av smartmålere i stor skala. Da NVE allerede har tatt med 3-4 år med planlegging for nettselskapene i Norge er det ingen faktorer som tilsier at et påbud om AMS for landets nettselskap skal utsettes videre. AMS er starten på smartgrid i Norge og vil være en av de viktigste investeringene vi gjør for å nå 20/20/20-målene. III Forord Denne rapporten er resultatet av min masteroppgave ved Institutt for Tele- matikk (ITEM) ved fakultet for informasjonsteknologi, matematikk og elek- troteknikk (IME) på Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) i Trondheim. Oppgaven ble veiledet av Professor Steinar Hidle Andresen (ITEM) samt Hanne Sæle og Kjell Sand ved SINTEF Olje og energi. Denne rapporten beskriver det teoretiske arbeidet og analyser som ble foretatt fra januar til juni 2010. Takk til Professor Steinar Hidle Andresen for at han tok på seg å veilede denne