DE102025131317A1 - Method for tamper-proof allocation of electrical energy consumption - Google Patents
Method for tamper-proof allocation of electrical energy consumptionInfo
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Abstract
Ein Verfahren zur Zuordnung elektrischen Energieverbrauchs von wenigstens zwei elektrischen Verbrauchern (14, 16, 18), die aus wenigstens zwei elektrischen Energiequellen (20, 22) gespeist werden, weist die Schritte auf:
Zuordnen wenigstens eines ersten Verbrauchers (14, 16) zu einer ersten Energiequelle (22), wobei die nicht der ersten Energiequelle (20) zugeordneten Verbraucher zweite Verbraucher (18) sind;
Messen und Speichern, mittels eines Smartmeter (24, 121, 122, 123, 124, 130), als Verbrauchswert, für jeden Verbraucher (14, 16, 18) über einen wählbaren Zeitraum,
wieviel elektrische Energie aus welcher der elektrischen Energiequellen (20, 22) in den Verbraucher (14, 16, 18) geflossen ist;
Umordnen der Verbrauchswerte, so dass der Verbrauchswert von Energie, die zweiten Verbrauchern (18) aus der ersten Energiequelle (22) zugeflossen ist, von einem Verbrauchswert der ersten Verbraucher (14, 16) bezogen auf eine weitere Energiequelle (20) abgezogen und zu dem Verbrauchswert der ersten Verbraucher (14, 16) bezogen auf die erste Energiequelle (22) hinzugerechnet wird und in gleichem Maße der Verbrauchswert der zweiten Verbraucher (18) bezogen auf die erste Energiequelle (22) verringert, sowie der Verbrauchswert der zweiten Verbraucher (18) bezogen auf die zweite Energiequelle (20) erhöht wird. Ein System zur Zuordnung elektrischen Energieverbrauchs umfasst ein Hausverteilnetz (12, 112), an das wenigstens zwei elektrische Verbraucher (14, 16, 18) und wenigstens zwei elektrische Energiequellen (20, 22) angeschlossen sind; Energiemesseinrichtungen (24, 121-130) in Form von Smartmetern, die den Verbrauchern und Energiequellen zugeordnet sind, und eine Verarbeitungseinrichtung; wobei das System so eingerichtet ist, dass es die Schritte eines der voranstehenden Verfahren ausführt.
A method for allocating electrical energy consumption of at least two electrical consumers (14, 16, 18) supplied by at least two electrical energy sources (20, 22) comprises the following steps:
Assigning at least one first consumer (14, 16) to a first energy source (22), wherein the consumers not assigned to the first energy source (20) are second consumers (18);
Measuring and storing, using a smart meter (24, 121, 122, 123, 124, 130), as a consumption value, for each consumer (14, 16, 18) over a selectable period,
how much electrical energy from which of the electrical energy sources (20, 22) flowed into the consumer (14, 16, 18);
Rearranging the consumption values such that the consumption value of energy supplied to the second consumers (18) from the first energy source (22) is subtracted from a consumption value of the first consumers (14, 16) related to a further energy source (20) and added to the consumption value of the first consumers (14, 16) related to the first energy source (22), and the consumption value of the second consumers (18) related to the first energy source (22) is reduced and the consumption value of the second consumers (18) related to the second energy source (20) is increased accordingly. A system for allocating electrical energy consumption comprises a building distribution network (12, 112) to which at least two electrical consumers (14, 16, 18) and at least two electrical energy sources (20, 22) are connected; energy metering devices (24, 121-130) in the form of smart meters assigned to the consumers and energy sources, and a processing unit; the system is set up to perform the steps of one of the preceding procedures.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuordnung elektrischen Energieverbrauchs von wenigstens zwei elektrischen Verbrauchern, die aus wenigstens zwei elektrischen Energiequellen gespeist werden.The present invention relates to a method for allocating electrical energy consumption from at least two electrical consumers which are supplied from at least two electrical energy sources.
In Häusern mit mehreren Parteien ist es möglich, dass eine an dem jeweiligen Haus angeordnete Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen, beispielsweise eine Fotovoltaikanlage, nicht von allen Parteien mitfinanziert wird. Um in solchen Häusern eine gerechte Verteilung des von der Fotovoltaikanlage erzeugten Stroms bzw. der damit erzielten Einnahmen zu erreichen, sind verschiedene Ansätze möglich.In multi-unit buildings, it's possible that a renewable energy generation system installed on a particular building, such as a photovoltaic system, is not financed by all residents. To achieve a fair distribution of the electricity generated by the photovoltaic system and the associated revenue in such buildings, various approaches are possible.
So kann beispielsweise eine unmittelbare Einspeisung sämtlichen von der Fotovoltaikanlage erzeugten Stroms in ein öffentliches Stromnetz erfolgen, wobei die dabei erzielten Einnahmen unter den an der Finanzierung beteiligten Parteien aufgeteilt wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass lediglich die vergleichsweise niedrige Einspeisevergütung eingenommen wird.For example, all electricity generated by the photovoltaic system can be fed directly into a public grid, with the resulting revenue being shared among the parties involved in the financing. However, this has the disadvantage that only the comparatively low feed-in tariff is received.
Ebenso ist es möglich, ein zweites Hausverteilernetz aufzubauen, an das die Photovoltaikanlage und nur die Parteien des Hauses angeschlossen sind, die an der Finanzierung beteiligt waren. Hier ergeben sich für die angeschlossenen Parteien unmittelbar Ersparnisse bei der Stromabrechnung, da sie statt Strom aus einem öffentlichen Stromnetz unmittelbar Strom aus der von Ihnen mitfinanzierten Photovoltaikanlage beziehen.It is also possible to install a second internal distribution network to which the photovoltaic system and only those households that contributed to the financing are connected. This results in immediate savings on electricity bills for the connected households, as they receive electricity directly from the photovoltaic system they co-financed, instead of from the public grid.
Bei einem Anschluss der Fotovoltaikanlage an ein Hausverteilnetz, an dem sämtliche Parteien des Hauses angeschlossen sind, wird Strom aus der Photovoltaikanlage auch von Parteien verbraucht, die an der Finanzierung nicht beteiligt waren. Diese Parteien profitieren also, ohne dass sie sich an den Kosten und Risiken beteiligen würden.When a photovoltaic system is connected to a building's electrical distribution network, to which all residents are connected, electricity from the system is also consumed by residents who did not contribute to the financing. These residents therefore benefit without sharing in the costs and risks.
Diese bekannten Vorgehensweisen sind entweder ineffizient, ungerecht oder baulich komplex.These known approaches are either inefficient, unfair, or structurally complex.
Mit der zunehmenden Verbreitung dezentraler Energieerzeugungsanlagen, wie beispielsweise Photovoltaikanlagen, und dem flächendeckenden Einsatz intelligenter Messsysteme (Smartmeter) in Gebäuden mit mehreren Parteien entstehen komplexe Hausverteilnetze. Während diese Entwicklung Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz und -autarkie bietet, führt die dezentrale Anordnung einer Vielzahl von Messpunkten und Energiequellen zu neuen Herausforderungen im Hinblick auf die Manipulationssicherheit. Die Verteilung von Smartmetern über verschiedene, mitunter frei zugängliche Bereiche eines Gebäudes vervielfacht die physischen Angriffspunkte für unautorisierte Eingriffe. Zudem erfordert die notwendige Kommunikation zwischen den einzelnen Geräten und den Energiequellen eine Absicherung, die in herkömmlichen Systemen oft nicht in ausreichendem Maße gegeben ist. Dies erschwert die Aufrechterhaltung einer lückenlosen und vertrauenswürdigen Energiebilanz für das gesamte Hausnetz und macht es für Betreiber schwierig, Manipulationen oder Stromdiebstahl zuverlässig zu erkennen, da traditionelle Überwachungsmethoden, die auf einen einzigen, zentralen Übergabepunkt ausgelegt sind, hier an ihre Grenzen stoßen.With the increasing prevalence of decentralized energy generation systems, such as photovoltaic systems, and the widespread use of smart meters in multi-family buildings, complex in-house distribution networks are emerging. While this development offers advantages in terms of energy efficiency and self-sufficiency, the decentralized arrangement of numerous metering points and energy sources presents new challenges regarding tamper protection. Distributing smart meters across various, sometimes freely accessible, areas of a building multiplies the physical points of attack for unauthorized access. Furthermore, the necessary communication between the individual devices and the energy sources requires security measures that are often insufficient in conventional systems. This makes it difficult to maintain a complete and reliable energy balance for the entire building network and makes it challenging for operators to reliably detect tampering or electricity theft, as traditional monitoring methods designed for a single, central transfer point reach their limits.
Vor diesem Hintergrund ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Zuordnung elektrischen Energieverbrauchs von wenigstens zwei elektrischen Verbrauchern, die aus wenigstens zwei elektrischen Energiequellen gespeist werden, so weiterzuentwickeln, dass bei möglichst einfachen Umbauten möglichst effizient eine gerechte Zuordnung der verbrauchten Energie zwischen Verbrauchern und Quellen erreicht wird und wenn möglich ein Schutz oder eine Resistenz gegen Manipulationen erreicht wird.Against this background, the task arises to further develop a method for allocating electrical energy consumption of at least two electrical consumers supplied by at least two electrical energy sources in such a way that, with the simplest possible modifications, a fair allocation of the consumed energy between consumers and sources is achieved as efficiently as possible, and, if possible, protection or resistance against manipulation is achieved.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.To solve the problem, a method with the features of claim 1 is proposed.
Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass an dem Hausverteilnetz keine wesentlichen Umbauten notwendig sind, und trotzdem eine den Besitzverhältnissen entsprechende Zuordnung der verbrauchten elektrischen Energie ermöglicht wird.This method has the advantage that no significant modifications to the house distribution network are necessary, and yet it enables the allocation of consumed electrical energy according to ownership.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Ein Verfahren zur Zuordnung elektrischen Energieverbrauchs von wenigstens zwei elektrischen Verbrauchern, die aus wenigstens zwei elektrischen Energiequellen gespeist werden, weist die Schritte auf: Zuordnen wenigstens eines ersten Verbrauchers zu einer ersten Energiequelle, wobei die nicht der ersten Energiequelle zugeordneten Verbraucher zweite Verbraucher sind; Messen und Speichern als Verbrauchswert, für jeden Verbraucher über einen wählbaren Zeitraum, wie viel elektrische Energie aus welcher der elektrischen Energiequellen in den Verbraucher geflossen ist; Umordnen der Verbrauchswerte, so dass der Verbrauchswert von Energie, die zweiten Verbrauchern aus der ersten Energiequelle zugeflossen ist, von einem Verbrauchswert der ersten Verbraucher bezogen auf eine weitere Energiequelle abgezogen und zu dem Verbrauchswert der ersten Verbraucher bezogen auf die erste Energiequelle hinzugerechnet wird und in gleichem Maße der Verbrauchswert der zweiten Verbraucher bezogen auf die erste Energiequelle verringert, sowie der Verbrauchswert der zweiten Verbraucher bezogen auf die zweite Energiequelle erhöht wird.A method for allocating the electrical energy consumption of at least two electrical consumers supplied by at least two electrical energy sources comprises the following steps: Assigning at least one first consumer to a first energy source, wherein the consumers not assigned to the first energy source are second consumers; measuring and storing as a consumption value, for each consumer over a selectable period, how much electrical energy from which of the electrical energy sources has flowed into the consumer; rearranging the consumption values such that the consumption value of energy supplied to the second consumers from the first energy source is subtracted from a consumption value of the first consumers related to a further energy source and added to the consumption value of the first consumers related to the first energy source. The consumption value of the second consumer is reduced to the same extent in relation to the first energy source, and the consumption value of the second consumer is increased in relation to the second energy source.
Ein derartiges Verfahren erlaubt es, elektrische Energie, die von der ersten Energiequelle erzeugt und von Verbrauchern, die an dem Hausnetz angeschlossen sind, verbraucht wurde, den ersten Verbrauchern zugerechnet wird, soweit dies möglich ist. Die zweiten Verbraucher werden, soweit möglich, aus der ersten Energiequelle gespeist und die von Ihnen aus der ersten Energiequelle erhaltene Energiemenge als Verbrauchswert aufgezeichnet. Wenn die ersten Verbraucher zu einem späteren Zeitpunkt aus der zweiten Energiequelle gespeist werden müssen, beispielsweise weil die erste Energiequelle ohne Sonnenlicht keinen Strom bereitstellen kann, dann wird die dabei entnommene Energiemenge den zweiten Verbrauchern zugeschlagen und eine entsprechende Energiemenge der ersten Energiequelle auf die ersten Verbraucher übertragen. Somit fungiert der Verbrauch der zweiten Verbraucher als virtuelle Batterie für die ersten Verbraucher.This method allows electrical energy generated by the first energy source and consumed by appliances connected to the building's electrical system to be attributed to the first consumers, to the extent possible. The second consumers are supplied with energy from the first energy source, and the amount of energy they receive from the first energy source is recorded as their consumption. If the first consumers later need to be supplied from the second energy source, for example, because the first energy source cannot provide electricity without sunlight, then the energy drawn is allocated to the second consumers, and a corresponding amount of energy from the first energy source is transferred to the first consumers. Thus, the consumption of the second consumers acts as a virtual battery for the first consumers.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens wird eines der Smartmeter als Hub zur Datenspeicherung und/oder Koordinierung eines Betriebs der Smartmeter ausgewählt.In some embodiments of the method, one of the smart meters is selected as a hub for data storage and/or coordination of the operation of the smart meters.
Dies hat den Vorteil, dass durch die Zentralisierung der Datensammlung und Koordination die Komplexität des Gesamtsystems reduziert und dessen Robustheit erhöht wird. Die Datenverwaltung wird vereinfacht und es wird ein definierter Ansprechpunkt für alle netzwerkinternen Operationen geschaffen.This has the advantage that centralizing data collection and coordination reduces the complexity of the overall system and increases its robustness. Data management is simplified, and a defined point of contact is created for all network-internal operations.
In weiteren Ausführungsformen erstellt der Hub von den in ihm gespeicherten Verbrauchswerten eine auf andere Smartmeter verteilte, redundante Datensicherung.In other embodiments, the hub creates a redundant data backup of the consumption values stored in it, distributed across other smart meters.
Dadurch wird eine extrem hohe Ausfallsicherheit für die abrechnungsrelevanten Daten erreicht. Selbst bei einem Totalausfall des als Hub fungierenden Smartmeters gehen keine Daten verloren, da sie aus den bei den anderen Geräten gespeicherten Fragmenten vollständig rekonstruiert werden können, was einen „Single Point of Failure“ für die Datenintegrität eliminiert.This ensures extremely high reliability for billing-relevant data. Even in the event of a total failure of the smart meter acting as a hub, no data is lost, as it can be fully reconstructed from the fragments stored in the other devices, thus eliminating a single point of failure for data integrity.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen und/oder Manipulationen die Schritte umfassen: Aussenden eines Präsenzsignals (Heartbeat) durch wenigstens eines der Smartmeter; Empfangen des Präsenzsignals durch ein anderes Smartmeter; und Erkennen des Fehlens des Präsenzsignals.In some embodiments, the method for detecting malfunctions and/or tampering may include the steps of: sending a presence signal (heartbeat) by at least one of the smart meters; receiving the presence signal by another smart meter; and detecting the absence of the presence signal.
Dadurch wird ein sich selbst überwachendes System geschaffen, das eine proaktive und zeitnahe Detektion von unautorisierten Entfernungen, Deaktivierungen oder technischen Ausfällen einzelner Geräte ermöglicht und somit die Manipulationssicherheit des gesamten Netzwerks maßgeblich steigert.This creates a self-monitoring system that enables proactive and timely detection of unauthorized removals, deactivations, or technical failures of individual devices, thus significantly increasing the tamper resistance of the entire network.
In einigen Ausführungsformen wird eine Benachrichtigung erzeugt, wenn eine Anzahl von fehlenden Präsenzsignalen in einem bestimmbaren Zeitraum einen bestimmbaren Grenzwert überschreitet.In some embodiments, a notification is generated when the number of missing presence signals exceeds a definable limit within a definable period.
Dies hat den Vorteil, dass zwischen transienten, kurzzeitigen Netzwerkstörungen und einem persistenten, ernsthaften Gerätefehler unterschieden werden kann. Dadurch werden Fehlalarme minimiert und es kann bei Bedarf automatisch eine Wartung oder ein Austausch des potenziell defekten Geräts angestoßen werden, was die langfristige Zuverlässigkeit des Systems sichert.This has the advantage of allowing a distinction to be made between transient, short-term network disturbances and a persistent, serious device failure. This minimizes false alarms and, if necessary, enables automatic maintenance or replacement of the potentially defective device, thus ensuring the long-term reliability of the system.
In vorteilhaften Ausführungsformen werden die Verbrauchswerte der zweiten Verbraucher anonymisiert zusammengefasst als Gesamtverbrauchswert erfasst, wobei mittels der von den nicht den zweiten Verbrauchern zugeordneten Smartmetern erfassten Verbrauchswerte der Gesamtverbrauchswert geprüft wird.In advantageous embodiments, the consumption values of the second consumers are anonymously summarized as a total consumption value, whereby the total consumption value is checked using the consumption values recorded by the smart meters not assigned to the second consumers.
Dadurch werden die datenschutzrechtlichen Anforderungen von nicht am System teilnehmenden Verbrauchern gewahrt, während gleichzeitig eine systemimmanente Kontrollinstanz geschaffen wird. Der Abgleich der bilanzierten Summe mit externen Referenzwerten ermöglicht eine effektive Aufdeckung von Manipulationen wie Stromdiebstahl und stellt die Integrität der gesamten Energiebilanz sicher.This ensures that the data protection requirements of consumers not participating in the system are met, while simultaneously creating an inherent control mechanism. Comparing the total consumption with external reference values enables the effective detection of manipulations such as electricity theft and guarantees the integrity of the overall energy balance.
Das Verfahren kann ferner einen Verfahrensschritt umfassen, in dem die erfassten Verbrauchsdaten mittels eines Blockchain-Verfahrens verkettet werden, wobei die Verkettung einen von allen darin verketteten Daten abhängigen kryptographischen Hashwert ergibt, sowie einen Verfahrensschritt, in dem dieser Hashwert in bestimmbaren Abständen an eine externe Instanz übermittelt wird.The procedure may further include a process step in which the recorded consumption data are chained using a blockchain method, whereby the chaining results in a cryptographic hash value dependent on all the data chained therein, as well as a process step in which this hash value is transmitted to an external instance at determinable intervals.
Dies gewährleistet ein Höchstmaß an Datenintegrität und Unveränderbarkeit. Durch die kryptographische Verkettung und die externe Verankerung des Hashwerts wird ein manipulationsresistenter und lückenlos nachvollziehbarer Audit-Trail für alle abrechnungsrelevanten Daten geschaffen.This ensures the highest level of data integrity and immutability. Cryptographic chaining and external anchoring of the hash value create a tamper-proof and fully traceable audit trail for all billing-relevant data.
In weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren die Schritte umfassen: Erstellen von hochaufgelösten Lastprofilen für wenigstens einen der Verbraucher; Vergleichen der Lastprofile mit vordefinierten, auf Manipulationen hindeutenden Verhaltensmustern und, bei einer Übereinstimmung, Markieren des Lastprofils als verdächtig; Prüfen, ob für das als verdächtig markierte Lastprofil eine legitime, nicht-manipulative Erklärung vorliegt, und Bestätigen der Markierung als verdächtig, falls keine legitime Erklärung vorliegt.In further embodiments, the method can include the following steps: creating high-resolution load profiles for at least one of the Consumers; comparing load profiles with predefined behavioral patterns indicative of manipulation and, if there is a match, marking the load profile as suspicious; checking whether there is a legitimate, non-manipulative explanation for the load profile marked as suspicious, and confirming the marking as suspicious if no legitimate explanation exists.
Dieses mehrstufige Analyseverfahren ermöglicht eine präzise Identifikation von komplexen Manipulationsversuchen, die über eine reine Verbrauchsmessung nicht erkennbar wären, und minimiert durch die Prüfung auf legitime Ursachen die Rate an Fehlalarmen, was die Effizienz der Überwachung deutlich erhöht.This multi-stage analysis process enables the precise identification of complex manipulation attempts that would not be detectable through pure consumption measurement, and minimizes the rate of false alarms by checking for legitimate causes, thus significantly increasing the efficiency of monitoring.
In einigen Ausführungsformen sind die ersten Verbraucher einer auf erneuerbaren Energien basierenden ersten Energiequelle zugeordnet.In some embodiments, the first consumers are assigned to a first energy source based on renewable energy.
Derartige Energiequellen sind nur sehr beschränkt steuerbar und sind daher besonders gut für die Anwendung des Verfahrens geeignet.Such energy sources are only controllable to a very limited extent and are therefore particularly well suited for the application of the process.
In einigen Ausführungsformen wird als weitere Energiequelle ein öffentliches Stromnetz verwendet.In some embodiments, a public power grid is used as an additional energy source.
Das öffentliche Stromnetz ist gewöhnlich dauerhaft verfügbar, so dass die weitere Energiequelle auch dann elektrische Energie liefern kann, wenn die erste Energiequelle gerade keine Energie liefern kann. Dadurch wird die Versorgungssicherheit des Hausnetzes verbessert.The public electricity grid is usually continuously available, so the additional energy source can supply electricity even when the first energy source is unavailable. This improves the reliability of the household's electrical supply.
In einigen Ausführungsformen wird aus den ungeordneten Verbrauchswerten eine Stromabrechnung erstellt.In some versions, an electricity bill is generated from the unordered consumption data.
Dadurch wird die gerechte Verteilung der Kosten für elektrische Energie bewirkt.This ensures a fair distribution of the costs for electrical energy.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein System zur Zuordnung elektrischen Energieverbrauchs gelöst, das ein Hausverteilnetz, an das wenigstens zwei elektrische Verbraucher und wenigstens zwei elektrische Energiequellen angeschlossen sind, Energiemesseinrichtungen in Form von Smartmetern, die den Verbrauchern und Energiequellen zugeordnet sind, sowie eine Verarbeitungseinrichtung umfasst, wobei das System so angepasst ist, die Schritte eines der voranstehenden Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche auszuführen.The problem is also solved by a system for allocating electrical energy consumption, comprising a home distribution network to which at least two electrical consumers and at least two electrical energy sources are connected, energy measuring devices in the form of smart meters assigned to the consumers and energy sources, and a processing device, wherein the system is adapted to perform the steps of one of the preceding methods according to one of the preceding claims.
Ein derartiges System hat den Vorteil, dass nicht nur das abstrakte Verfahren, sondern auch die für dessen Ausführung eingerichtete physische Vorrichtung Schutz genießt. Dies ermöglicht den Aufbau einer integrierten und optimierten Gesamtlösung, bei der Hard- und Softwarekomponenten exakt aufeinander abgestimmt sind, um die zuverlässige und effiziente Zuordnung des Energieverbrauchs zu gewährleisten.Such a system has the advantage that not only the abstract process but also the physical device used to execute it is protected. This enables the development of an integrated and optimized overall solution in which hardware and software components are precisely coordinated to ensure the reliable and efficient allocation of energy consumption.
In einigen Ausführungsformen ist das System zur Erhöhung der Manipulationssicherheit so ausgebildet, dass die Smartmeter und die Verarbeitungseinrichtung eingerichtet sind, periodisch kryptographisch gesicherte Präsenzsignale (Heartbeats) auszutauschen und das Ausbleiben dieser Signale zu erkennen. Zusätzlich oder alternativ kann die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet sein, die erfassten Verbrauchsdaten in einer kryptographisch verketteten Datenstruktur zu speichern, wobei wenigstens eines der Smartmeter als Gateway ausgebildet ist, um einen von der Datenstruktur abhängigen kryptographischen Hashwert an eine externe Instanz zu übermitteln.In some embodiments, the system is designed to increase tamper resistance such that the smart meters and the processing unit are configured to periodically exchange cryptographically secured presence signals (heartbeats) and to detect the absence of these signals. Additionally or alternatively, the processing unit can be configured to store the recorded consumption data in a cryptographically linked data structure, with at least one of the smart meters acting as a gateway to transmit a cryptographic hash value, dependent on the data structure, to an external instance.
Ein solches System bietet einen mehrschichtigen Schutz gegen Manipulationen. Durch den Austausch von Präsenzsignalen wird eine aktive Echtzeit-Überwachung der Geräteintegrität realisiert, während die Speicherung der Daten in einer kryptographisch verketteten und extern verankerten Struktur eine passive, aber unveränderliche Sicherung der historischen Datenintegrität gewährleistet. Die Kombination dieser beiden Mechanismen schafft ein besonders robustes und vertrauenswürdiges Gesamtsystem.Such a system offers multi-layered protection against tampering. The exchange of presence signals enables active, real-time monitoring of device integrity, while storing the data in a cryptographically linked and externally anchored structure ensures passive, but immutable, protection of historical data integrity. The combination of these two mechanisms creates a particularly robust and trustworthy overall system.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein Energieverbrauchszuordnungssystem mit den Energiemesseinrichtungen und Mitteln, die so angepasst sind, dass sie die Schritte eines der voranstehenden Verfahrens ausführen, gelöst. Ein derartiges Energieverbrauchszuordnungssystem weist Energiemesseinrichtungen und Mittel auf, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des vorgenannten Verfahrens ausführen.The task is further solved by an energy consumption allocation system with energy measuring devices and means adapted to perform the steps of one of the preceding procedures. Such an energy consumption allocation system includes energy measuring devices and means adapted to perform the steps of the aforementioned procedure.
Ein derartiges Energieverbrauchszuordnungssystem ist einfach auch in bestehenden Gebäuden nachzurüsten, ohne dass größere Umbauten nötig sind.Such an energy consumption allocation system can easily be retrofitted in existing buildings without requiring major renovations.
In einigen Ausführungsformen weist das Energieverbrauchsordnungssystem eine Kommunikationsinfrastruktur zur Kommunikation wenigstens der Energiemesseinrichtungen mit der Verarbeitungseinrichtung auf.In some embodiments, the energy consumption control system includes a communication infrastructure for communication between at least the energy measuring devices and the processing device.
Dadurch können die Energiemesseinrichtungen der Verarbeitungseinrichtung insbesondere die jeweils durch sie fließende Energiemenge melden. Des Weiteren kann aufgrund der gemessenen und an die Verarbeitungseinrichtung übermittelten Energiemengen eine Zuordnung der verbrauchten elektrischen Energie abhängig von der Energiequelle zu den Verbrauchern auf besonders einfache Weise durchgeführt werden.This allows the energy measuring devices of the processing unit to report, in particular, the amount of energy flowing through them. Furthermore, based on the measured energy quantities transmitted to the processing unit, the consumed electrical energy can be allocated according to its energy source. to be carried out in a particularly simple way for consumers.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein Computerprogramm gemäß Patentanspruch 7 gelöst, das Befehle umfasst, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung die beschriebenen Verfahrensschritte ausführt.The problem is further solved by a computer program according to claim 7, which includes commands that cause the described device to perform the described process steps.
Auch ein computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist, löst die Aufgabe.A computer-readable medium on which the computer program is stored can also solve the task.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind für den Fachmann einfach erkennbar. Einige davon werden anhand der beigefügten Figuren im Weiteren beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Hausverteilnetzes, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist; -
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines weiteren Hausverteilnetzes, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist; -
3 eine schematische Darstellung einer Energiemesseinrichtung in Form eines Smartmeter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und -
4 eine schematische Darstellung einer Energiemesseinrichtung in Form eines Smartmeter mit drahtloser Kommunikationseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 a schematic representation of an embodiment of a house distribution network that is set up to carry out the method according to the invention; -
2 a schematic representation of an embodiment of a further house distribution network, which is set up to carry out the method according to the invention; -
3 a schematic representation of an energy measuring device in the form of a smart meter according to an embodiment of the invention and -
4 a schematic representation of an energy measuring device in the form of a smart meter with wireless communication device according to an embodiment of the invention.
Die Figuren enthalten vereinfachte schematische Darstellungen. Teilweise werden gleiche Bezugszeichen für ähnliche, aber nicht notwendigerweise identische Elemente verwendet. Unterschiedliche Ansichten der gleichen Elemente können unterschiedlich skandiert sein. Richtungsbezeichnungen wie „links“, „rechts“, „oben“ und „unten“ sind relativ zu der jeweiligen Figur zu verstehen und können je nach Darstellung und Figur relativ zu einem Objekt unterschiedliche Richtungen anzeigen.The figures contain simplified schematic representations. In some cases, the same reference symbols are used for similar, but not necessarily identical, elements. Different views of the same elements may have different scans. Directional terms such as "left," "right," "up," and "down" are to be understood relative to the respective figure and may indicate different directions relative to an object, depending on the representation and the figure itself.
Des Weiteren sind Elemente nicht unbedingt in dem korrekten Größenverhältnis relativ zueinander dargestellt, insbesondere zur Vereinfachung und zur klaren Darstellung ihres Funktionszusammenhangs. Soweit Verfahrensschritte oder Elemente mit Aufzählungen benannt sind, beispielsweise „erstes“, „zweites“, „drittes“ oder „weiteres“, dienen diese Aufzählungen, soweit nicht explizit etwas anderes offenbart ist, lediglich zur Unterscheidung der einzelnen Elemente und begründen nicht zwingend eine Reihenfolge oder Hierarchie.Furthermore, elements are not necessarily shown in their correct relative sizes, particularly for the sake of simplification and to clearly illustrate their functional relationships. Where procedural steps or elements are named with enumerations, for example "first", "second", "third", or "further", these enumerations, unless explicitly stated otherwise, serve only to distinguish the individual elements and do not necessarily establish an order or hierarchy.
Das in
Die Verbraucher 14, 16, 18 und die Energiequellen 20, 22 sind jeweils durch eine Energiemesseinrichtung, hier ein Smartmeter 24, mit dem Hausverteilnetz 12 verbunden. Jedes der Smartmeter 24 misst die durch es hindurchfließende elektrische Leistung bzw. über die Zeit integriert, die hindurchgeflossene elektrische Energie. Die Smartmeter 24 können in einigen Ausführungsformen zur Kommunikation untereinander und/oder zur Kommunikation mit einer zentralen Verarbeitungseinrichtung (Gateway) eingerichtet sein. In einigen Ausführungsformen kann die zentrale Verarbeitungseinrichtung zusammen mit einem der Smartmeter 24 ausgeführt sein, beispielsweise mit dem Smartmeter 24, das mit dem öffentlichen Stromnetzanschluss 20 verbunden ist.Consumers 14, 16, 18 and energy sources 20, 22 are each connected to the building's distribution network 12 via an energy metering device, in this case a smart meter 24. Each smart meter 24 measures the electrical power flowing through it, or, integrated over time, the electrical energy flowing through it. In some embodiments, the smart meters 24 can be configured to communicate with each other and/or with a central processing unit (gateway). In some embodiments, the central processing unit can be integrated with one of the smart meters 24, for example, with the smart meter 24 that is connected to the public power grid connection 20.
Mittels der Smartmeter 24 ist es möglich, die von den Quellen 20, 22 gelieferte elektrische Energie dem Verbrauch der Verbraucher 14, 16, 18 zuzuordnen.Using the smart meter 24, it is possible to allocate the electrical energy supplied by sources 20, 22 to the consumption of consumers 14, 16, 18.
Die ersten Verbraucher 14, 16 sind an der Finanzierung der Photovoltaikanlage 22 beteiligt, sind also beispielsweise Mitglieder eines Modells zur Stromverteilung und somit der ersten Energiequelle 22 zugeordnet. Die Zuordnung der gelieferten elektrischen Energie zu dem Verbrauch erfolgt im laufenden Betrieb wie folgt: die von der Photovoltaikanlage 22 eingespeiste elektrische Leistung wird in einem ersten Schritt dem Verbrauch der ersten Verbraucher 14, 16 zugeordnet. In einem zweiten Schritt wird ermittelt, ob die von der Photovoltaikanlage 22 eingespeiste elektrische Leistung den Verbrauch der ersten Verbraucher 14, 16 vollständig deckt. Ist dies exakt der Fall, dann wird dem zweiten Verbraucher 18 die gesamte aus dem öffentlichen Stromnetzanschluss 20 entnommene Leistung zugeordnet. Speist die Photovoltaikanlage 22 mehr elektrische Leistung ein als die ersten Verbraucher 14, 16 verbrauchen, dann wird diese elektrische Leistung zunächst dem zweiten Verbraucher 18 zugeordnet. Sofern der zweite Verbraucher 18 mehr Leistung benötigt als im dadurch zugeordnet ist, wird ihm die weitere nötige Leistung aus dem öffentlichen Stromnetzanschluss 20 zugeordnet. Speist die Photovoltaikanlage 22 weniger elektrische Leistung ein als die ersten Verbraucher 14, 16 verbrauchen, dann wird den ersten Verbrauchern 14, 16 anteilig und dem zweiten Verbraucher 18 vollständig die fehlende Leistung aus dem öffentlichen Stromnetzanschluss 20 zugeordnet.The first consumers, 14 and 16, participate in the financing of the photovoltaic system 22; they are, for example, members of an electricity distribution model and thus assigned to the first energy source 22. The allocation of the supplied electrical energy to consumption occurs during operation as follows: the electrical power fed into the system by the photovoltaic system 22 is first allocated to the consumption of the first consumers, 14 and 16. In a second step, it is determined whether the electrical power fed into the system by the photovoltaic system 22 fully covers the consumption of the first consumers, 14 and 16. If this is exactly the case, then the entire power drawn from the public grid connection 20 is allocated to the second consumer, 18. If the photovoltaic system 22 feeds in more electrical power than the first consumers, 14 and 16, consume, then this additional electrical power is initially allocated to the second consumer, 18. If the second consumer, 18, requires more power than is allocated to it, the additional power needed is drawn from the public grid connection 20. If the photovoltaic system 22 feeds in less electrical power than the first consumers 14, 16 consume, then the first consumers 14, 16 will receive a proportionate share of the missing power, and the second consumer 18 will receive the full amount. Power from the public electricity grid connection 20 is allocated.
Die Leistungsmessung erfolgt jeweils mittels der Smartmeter 24 durch Integration über die Zeit wird aus der jeweils zugeordneten Leistung die verbrauchte elektrische Energie ermittelt. Die Smartmeter 24 und/oder die zentrale Verarbeitungseinrichtung weisen zu diesem Zweck Speicherstellen auf, in denen sie Zahlenwerte, welche die verbrauchte elektrische Energie repräsentieren, sowohl für den jeweiligen Verbrauch als auch für die Quellen, aus denen der Verbrauch gedeckt wurde, ablegen.Power consumption is measured using Smartmeter 24 devices. By integrating the data over time, the electrical energy consumed is calculated from the assigned power output. For this purpose, the Smartmeter 24 devices and/or the central processing unit have storage locations where they store numerical values representing the electrical energy consumed, both for the individual consumption and for the sources from which that consumption was supplied.
So kann beispielsweise für den Verbraucher 14 nach einem Monat als Verbrauchswerte abgelegt sein, dass dieser 50 kWh aus der ersten Quelle 22 und 100 kWh aus der zweiten Quelle 20 verbraucht hat. Für den zweiten Verbraucher 18 können nach einem Monat beispielsweise als Verbrauchswerte abgelegt sein, dass dieser 80 kWh aus der ersten Quelle 22 und 200 kWh aus der zweiten Quelle 20 verbraucht hat.For example, after one month, the consumption data for consumer 14 might show that they consumed 50 kWh from the first source (22) and 100 kWh from the second source (20). Similarly, after one month, the consumption data for consumer 18 might show that they consumed 80 kWh from the first source (22) and 200 kWh from the second source (20).
In einem Umordnungsschritt werden die Verbrauchswerte umgeordnet, so dass der Verbrauchswert von Energie, die zweiten Verbrauchern aus der ersten Energiequelle zugeflossen ist, von einem Verbrauchswert der ersten Verbraucher bezogen auf eine weitere Energiequelle abgezogen und zu dem Verbrauchswert der ersten Verbraucher bezogen auf die erste Energiequelle hinzugerechnet wird und in gleichem Maße der Verbrauchswert der zweiten Verbraucher bezogen auf die erste Energiequelle verringert, sowie der Verbrauchswert der zweiten Verbraucher bezogen auf die zweite Energiequelle erhöht wird.In a rearrangement step, the consumption values are rearranged so that the consumption value of energy supplied to the second consumers from the first energy source is subtracted from a consumption value of the first consumers based on a further energy source and added to the consumption value of the first consumers based on the first energy source, and in the same proportion the consumption value of the second consumers based on the first energy source is reduced, and the consumption value of the second consumers based on the second energy source is increased.
Dies bedeutet in dem oben genannten Rechenbeispiel, dass die 80 kWh, die der zweite Verbraucher 18 aus der ersten Quelle 22 bezogen hat von dem Verbrauchswert von 100 kWh, die der erste Verbraucher 14 aus der zweiten Quelle 20 verbraucht hat, abgezogen werden, so dass der Verbrauchswert aus der zweiten Quelle 20 für den ersten Verbraucher 14 nur noch 100 kWh - 80 kWh = 20 kWh beträgt. Stattdessen werden die verbrauchten 80 kWh dem Verbrauchswert des ersten Verbrauchers 14 aus der ersten Quelle 22 zugeschlagen, so dass dieser Verbrauchswert 130 kWh beträgt. Dieselben 80 kWh werden von dem Verbrauchswert des zweiten Verbrauchers 18 bezogen auf die erste Quelle 22 abgezogen, da diese ja nunmehr dem ersten Verbraucher 14 zugeordnet sind, so dass dieser Verbrauchswert für den zweiten Verbraucher 18 auf 0 kWh sinkt. Im Gegenzug werden die 80 kWh, die von dem Verbrauchswert aus der zweiten Quelle 20 für den ersten Verbraucher 14 abgezogen wurden, nunmehr dem zweiten Verbraucher 18 auf dessen Verbrauchswert aus der zweiten Quelle 20 hinzugerechnet.In the example above, this means that the 80 kWh that the second consumer (18) drew from the first source (22) are subtracted from the 100 kWh consumed by the first consumer (14) from the second source (20), so that the consumption from the second source (20) for the first consumer (14) is only 100 kWh - 80 kWh = 20 kWh. Instead, the 80 kWh consumed are added to the consumption of the first consumer (14) from the first source (22), resulting in a consumption of 130 kWh for that consumer. The same 80 kWh are then subtracted from the consumption of the second consumer (18) from the first source (22), since this amount is now allocated to the first consumer (14), thus reducing the consumption for the second consumer (18) to 0 kWh. Conversely, the 80 kWh that were subtracted from the consumption value from the second source 20 for the first consumer 14 are now added to the consumption value from the second source 20 for the second consumer 18.
Im Ergebnis werden dem ersten Verbraucher 14 130 kWh aus der ersten Quelle 22 und 20 kWh aus der zweiten Quelle 20 zugeordnet, sowie dem zweiten Verbraucher 18 280 kWh aus der zweiten Quelle 20 und 0 kWh aus der ersten Quelle 22 zugeordnet.As a result, the first consumer is allocated 14,130 kWh from the first source 22 and 20 kWh from the second source 20, and the second consumer is allocated 18,280 kWh from the second source 20 and 0 kWh from the first source 22.
Der zweite Verbraucher 18, der an dem Modell zur Stromverteilung nicht teilnimmt, hat also keinen Vorteil aus der Photovoltaikanlage 22 gezogen. Sein Verbrauch hat allerdings als virtueller Speicher gedient, da die Photovoltaikanlage 22 seinen Strombedarf zunächst gedeckt hat, dieser Strombedarf aber später dem ersten Verbraucher 14, dem dieser Strom eigentlich zugestanden hätte, der ihn zu diesem Zeitpunkt aber nicht abnehmen konnte, als Ausgleich für später aus dem öffentlichen Stromnetz 20 bezogenen Strom zugeordnet wurde.The second consumer 18, who does not participate in the electricity distribution model, therefore did not benefit from the photovoltaic system 22. However, his consumption served as a virtual storage, since the photovoltaic system 22 initially covered his electricity demand, but this demand was later allocated to the first consumer 14, to whom this electricity would actually have been due but who could not take it at that time, as compensation for electricity later drawn from the public electricity grid 20.
Die Verbraucher 14, 16, 18 können beispielsweise Einzelverbraucher oder auch Wohnungsstromnetze sein. In einigen Fällen kann ein Verbraucher 14, 16, 18 beispielsweise eine Mietpartei repräsentieren.Consumers 14, 16, 18 can, for example, be individual consumers or residential electrical networks. In some cases, a consumer 14, 16, 18 can, for example, represent a tenant.
Das Energieverbrauchszuordnungssystem kann beispielsweise eine Kommunikationsinfrastruktur zur Kommunikation wenigstens der Energiemesseinrichtungen 24 mit der Verarbeitungseinrichtung aufweisen. Die Kommunikationsinfrastruktur kann auf einem einheitlichen Standard oder auf einer Kombination verschiedener Standards aufbauen. Beispielsweise gibt es Ausführungsformen, in denen die Energiemesseinrichtungen und/oder die Verarbeitungseinrichtung jeweils wenigstens eine Kommunikationseinrichtung aufweisen, wobei die Kommunikationseinrichtung nach wenigstens einem der folgenden Standards ausgebildet ist: ZigBee, ein beliebiger Standard der 802.11-Familie, Bluetooth, IrDA, Powerline (z.B. ITU G.hn oder IEEE 1901), ein beliebiger Mobilfunkstandard (z.B. GSM, UMTS, LTE, 5G), Rundsteuerung.The energy consumption allocation system can, for example, include a communication infrastructure for communication between at least the energy metering devices 24 and the processing unit. The communication infrastructure can be based on a single standard or on a combination of different standards. For example, there are embodiments in which the energy metering devices and/or the processing unit each include at least one communication device, wherein the communication device is configured according to at least one of the following standards: ZigBee, any standard of the 802.11 family, Bluetooth, IrDA, Powerline (e.g., ITU G.hn or IEEE 1901), any mobile communication standard (e.g., GSM, UMTS, LTE, 5G), or ripple control.
In einigen Ausführungsformen, von denen eine beispielhaft in
Jedes der Smartmeter 121, 122, 123, 124 übermittelt über die Kommunikationsinfrastruktur in regelmäßigen Intervallen eine gemessene Leistung in Form von digitalen Leistungsdaten an die Verarbeitungseinrichtung des Smartmeter 130. Die Verarbeitungseinrichtung empfängt die Leistungsdaten und speichert diese beispielsweise akkumuliert als Verbrauchsdaten und/oder in Form eines Logbuches ab. Insbesondere wird in den Verbrauchsdaten festgehalten, durch welches der mit Verbrauchern verbundenen Smartmeter 122, 123, 124 wieviel Energie geflossen ist, die mittels der mit Energiequellen verbundenen Smartmeter 121, 130 in das Hausnetz 112 eingeleitet wurde.Each of the smart meters 121, 122, 123, 124 transmits measured power in the form of digital power data to the processing unit of smart meter 130 at regular intervals via the communication infrastructure. The processing unit receives the power data and stores it, for example, as accumulated consumption data and/or in the form of a log. In particular, the consumption data records how much energy flowed through each of the smart meters 122, 123, 124 connected to consumers, energy that was fed into the building network 112 via the smart meters 121, 130 connected to energy sources.
Die Smartmeter 121, 122, 123, 124, 130 erfassen den individuellen Verbrauch jeder Partei und die Einspeisung der Energiequellen. Sie sind mit hochpräzisen Sensoren ausgestattet, die den Stromverbrauch und die Stromerzeugung in Echtzeit erfassen. Diese Verbrauchsdaten werden beispielsweise mit einer Auflösung von Millisekunden erfasst, um eine genaue Messung und Analyse von Lastprofilen, die aufgrund der Verbrauchsdaten erstellt werden, zu ermöglichen.The smart meters 121, 122, 123, 124, and 130 record the individual consumption of each party and the feed-in of energy sources. They are equipped with high-precision sensors that record electricity consumption and generation in real time. This consumption data is recorded, for example, with a resolution of milliseconds to enable accurate measurement and analysis of load profiles created based on the consumption data.
In einigen Ausführungsformen weist die Kommunikationsinfrastruktur ein gemeinsames Gateway auf, das beispielsweise die Kommunikation zwischen den Smartmetern 121, 122, 123, 124, 130 und einem entfernten Abrechnungsserver ermöglicht.In some embodiments, the communication infrastructure has a common gateway that enables, for example, communication between the smart meters 121, 122, 123, 124, 130 and a remote billing server.
Ein Smartmeter 24, wie es beispielsweise in den
Zur Gewährleistung einer sicheren und zuverlässigen Zusammenarbeit der Smartmeter 24 untereinander und, falls vorhanden, mit einer zentralen Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise innerhalb des Hausnetzes 12, 112, kann jedes Smartmeter 24 mit besonderen Ausformungen einer oder mehrerer Kommunikationseinrichtungen 30, 32 ausgestattet sein.To ensure secure and reliable cooperation between the smart meters 24 and, if available, with a central processing unit, for example within the home network 12, 112, each smart meter 24 can be equipped with special versions of one or more communication devices 30, 32.
Jedes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 kann mit einer dedizierten Kommunikationseinrichtung ausgestattet sein, die für eine vertrauliche und authentische Kommunikation mit anderen Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 im Hausnetzwerk eingerichtet sind. Diese Kommunikationseinrichtung kann als drahtgebundene Kommunikationseinrichtung 30, beispielsweise zur Kommunikation über die Stromleitungen (Powerline Communication, PLC), und/oder als drahtlose Kommunikationseinrichtung 32, die beispielsweise auf Standards wie UMTS, LTE, WLAN oder ZigBee basiert, ausgebildet sein. Die drahtlose Kommunikationseinrichtung 32 kann auch zur Verbindung mit einem externen Kommunikationspartner, beispielsweise einem externen Server, insbesondere einem Abrechnungsserver, geeignet und eingerichtet sein. Zu diesem Zweck kann sie auch eine Kommunikation nach mehreren Standards erlauben. Unterschiedliche Kommunikationseinrichtungen 32 von unterschiedlichen Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 können unterschiedlich ausgebildete Kommunikationseinrichtungen 32 aufweisen.Each smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 can be equipped with a dedicated communication device configured for confidential and authentic communication with other smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 within the home network. This communication device can be a wired communication device 30, for example, for communication via power lines (Powerline Communication, PLC), and/or a wireless communication device 32, based on standards such as UMTS, LTE, WLAN, or ZigBee. The wireless communication device 32 can also be configured to connect to an external communication partner, such as an external server, particularly a billing server. For this purpose, it can also support communication using multiple standards. Different communication devices 32 of different smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 can have differently designed communication devices 32.
Die Kommunikationseinrichtungen 30, 32 der verschiedenen Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 können so ausgestaltet sein, dass sie ein ad-hoc Netzwerk, insbesondere ein Mesh-Netzwerk, bilden können. Sollte eine direkte Kommunikation zwischen zwei Smartmetern24, 121, 122, 123, 124, 130, beispielsweise aufgrund einer zu großen Entfernung oder baulicher Hindernisse, nicht möglich sein, so können ein oder mehrere dazwischenliegende Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 als Relaisstationen (Repeater) fungieren. Sie leiten in diesem Fall die Nachrichtenpakete sicher weiter, um eine durchgehende Kommunikationsverbindung im gesamten Hausnetz 12 zu gewährleisten. Diese Relaisfunktion ermöglicht somit den Aufbau eines robusten und ausfallsicheren Kommunikationsnetzes.The communication devices 30, 32 of the various smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 can be configured to form an ad-hoc network, in particular a mesh network. If direct communication between two smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 is not possible, for example due to excessive distance or structural obstacles, one or more intermediate smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 can act as relay stations (repeaters). In this case, they securely forward the message packets to ensure a continuous communication connection throughout the entire home network 12. This relay function thus enables the establishment of a robust and fail-safe communication network.
Um eine vertrauliche Kommunikation sicherzustellen, werden alle zwischen den Smartmetern ausgetauschten Daten, insbesondere die Messdaten und Steuerbefehle, verschlüsselt. Dazu können die Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 einen Trainingsmodus aufweisen. In diesem Modus können die Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 erstmalig sicher in ein Hausnetz 12 eingebunden werden. Dies geschieht beispielsweise durch einen gesicherten Austausch von kryptographischen Schlüsseln oder durch die Durchführung eines Schlüsselvereinbarungsprotokolls, wie beispielsweise dem Diffie-Hellman-Verfahren oder Varianten davon auf Basis elliptischer Kurven (ECDH).To ensure confidential communication, all data exchanged between the smart meters, especially measurement data and control commands, is encrypted. For this purpose, smart meters 24, 121, 122, 123, 124, and 130 can have a training mode. In this mode, the smart meters 24, 121, 122, 123, 124, and 130 can be securely integrated into a home network 12 for the first time. This is achieved, for example, through a secure exchange of cryptographic keys or by implementing a key agreement protocol, such as the Diffie-Hellman method or variants thereof based on elliptic curves (ECDH).
Eine besondere Ausgestaltung des Trainingsmodus sieht vor, dass nach der erstmaligen sicheren Einbindung von mindestens zwei Smartmetern in das Netzwerk ein zusätzliches, neues Smartmeter hinzugefügt werden kann, indem es nur mit einem einzigen, bereits im Netzwerk befindlichen und autorisierten Smartmeter trainiert wird. Das bereits eingebundene Gerät agiert dabei als Vertrauensanker und stattet das neue Gerät mit den notwendigen kryptographischen Informationen aus, um mit allen anderen Geräten im Netzwerk sicher kommunizieren zu können.A special version of the training mode allows an additional, new smart meter to be added after the initial secure integration of at least two smart meters into the network. This new smart meter is then trained using only a single, already authorized smart meter. The already integrated device acts as a trust anchor, providing the new device with the necessary cryptographic information to communicate securely with all other devices in the network.
Beispiele für Verschlüsselungsverfahren, die eine solche Einbindung ermöglichen, sind asymmetrische Kryptographie oder Gruppenschlüsselverwaltungen.Examples of encryption methods that allow such integration include asymmetric cryptography or group key management.
Wird asymmetrische Kryptographie verwendet, dann kann ein bereits eingebundenes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 ein öffentliches Zertifikat des neuen Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 mit seinem eigenen privaten Schlüssel signieren. Diese Signatur dient als Beglaubigung gegenüber den anderen Netzwerkteilnehmern und ermöglicht dem neu aufgenommenen Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 die Kommunikation mit allen anderen Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 des Hausnetzes 12.If asymmetric cryptography is used, an already integrated smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 can sign a public certificate of the new smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 with its own private key. This signature serves as authentication for the other network participants and enables the newly added smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 to communicate with all other smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 in the home network 12.
Bei der Verwendung einer Gruppenschlüsselverwaltung kann ein autorisiertes, bereits eingebundenes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 dem neuen Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 den aktuell gültigen und für die Gruppenkommunikation genutzten symmetrischen Schlüssel über einen gesicherten, Punkt-zu-Punkt-verschlüsselten Kanal mitteilen, gegebenenfalls auch mittels asymmetrischer Verfahren.When using a group key management system, an authorized, already integrated smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 can communicate the currently valid symmetric key used for group communication to the new smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 via a secure, point-to-point encrypted channel, possibly also using asymmetric methods.
Der sichere Austausch der Messdaten zwischen den Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 ist für die vertrauliche Übermittlung der Messdaten und die Authentizität der übermittelten Daten relevant.The secure exchange of measurement data between the smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 is relevant for the confidential transmission of the measurement data and the authenticity of the transmitted data.
Innerhalb des zuvor beschriebenen sicheren Kommunikationsnetzwerks, das von den Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 gebildet sein kann, wird eine Hub-Architektur implementiert, um die Datenerfassung zu zentralisieren und die Systemrobustheit zu steigern. Eines der Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 im Hausnetzwerk 12 übernimmt in derartigen Ausführungsformen die Funktion eines zentralen Hubs. Dieser Hub dient als primärer Sammelpunkt für alle Messdaten, die von den anderen Smartmetern im Netzwerk erfasst werden.Within the previously described secure communication network, which can be formed by smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130, a hub architecture is implemented to centralize data acquisition and increase system robustness. In such configurations, one of the smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 in the home network 12 assumes the function of a central hub. This hub serves as the primary collection point for all measurement data acquired by the other smart meters in the network.
Die Hauptaufgaben des Hubs umfassen: Das Empfangen und Speichern der von den anderen Smartmetern übermittelten, verschlüsselten Messdaten; das Zwischenspeichern von Daten, um eine vollständige Datenerfassung auch bei temporären Kommunikationsstörungen zu gewährleisten; und die Bereitstellung der gesammelten Daten an eine übergeordnete Instanz, oder an eines der Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130, das eine externe Kommunikationseinrichtung aufweist.The main tasks of the hub include: receiving and storing the encrypted measurement data transmitted by the other smart meters; temporarily storing data to ensure complete data collection even in the event of temporary communication disruptions; and providing the collected data to a higher authority, or to one of the smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130, which has an external communication device.
Diese Hub-Funktionalität kann beispielsweise auf eine von zwei Arten zugewiesen werden: statisch oder dynamisch.This hub functionality can be assigned in one of two ways, for example: statically or dynamically.
In einigen Ausführungsformen ist die Rolle des Hubs statisch einem bestimmten Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 zugewiesen. Diese Zuweisung kann durch dessen Hardwareaufbau vorgegeben sein. Beispielsweise ist ein Smartmeter, das über einen signifikant größeren internen Speicher verfügt als die anderen Geräte, besonders für die Rolle des Hubs geeignet, da es größere Mengen an Messdaten über längere Zeiträume zwischenspeichern kann. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass der Hub selbst über eine erweiterte Verarbeitungseinrichtung (28) oder eine dedizierte externe Kommunikationseinrichtung verfügt, da seine primäre Funktion die der Datenaggregation ist.In some embodiments, the role of the hub is statically assigned to a specific smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130. This assignment may be determined by its hardware configuration. For example, a smart meter with significantly larger internal memory than the other devices is particularly suitable for the role of the hub, as it can temporarily store larger amounts of measurement data over longer periods. It is not essential that the hub itself has an extended processing unit (28) or a dedicated external communication unit, since its primary function is data aggregation.
Der Hub ist so konfiguriert, dass er Messdaten auch nachträglich sammelt. Sollte ein anderes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 temporär die Verbindung zum Hub verlieren oder die Verbindungsqualität (z.B. hohe Latenz, Paketverlust) schlecht sein, speichert dieses Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 seine Messdaten lokal. Sobald die Kommunikationsverbindung wiederhergestellt oder von ausreichender Qualität ist, überträgt es die zwischengespeicherten Daten an den Hub. Dieser „Store-and-Forward“-Mechanismus stellt sicher, dass keine Messdaten verloren gehen.The hub is configured to collect measurement data retrospectively. Should another smart meter (24, 121, 122, 123, 124, 130) temporarily lose connection to the hub or experience poor connection quality (e.g., high latency, packet loss), this smart meter (24, 121, 122, 123, 124, 130) stores its measurement data locally. As soon as the communication connection is restored or of sufficient quality, it transmits the temporarily stored data to the hub. This "store-and-forward" mechanism ensures that no measurement data is lost.
In weiteren Ausführungsformen kann der zentrale Hub dynamisch durch die Smartmeter selbst bestimmt werden. Dies ermöglicht es dem Hausnetz 12, sich selbst zu organisieren und auf Veränderungen, wie den Ausfall eines Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130, flexibel zu reagieren. Die Auswahl des Hubs erfolgt durch ein automatisiertes Wahlverfahren, bei dem das am besten geeignete Smartmeter ermittelt wird. Mögliche Kriterien für die Eignung als Hub können beispielsweise die Qualität, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Kommunikationsverbindungen zu den anderen Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 im Netzwerk sein.In further embodiments, the central hub can be dynamically determined by the smart meters themselves. This allows the home network 12 to self-organize and react flexibly to changes, such as the failure of a smart meter 24, 121, 122, 123, 124, or 130. The hub is selected by an automated voting process that identifies the most suitable smart meter. Possible criteria for suitability as a hub include, for example, the quality, speed, and reliability of the communication links to the other smart meters 24, 121, 122, 123, 124, and 130 in the network.
Ein solches Wahlverfahren kann wie folgt implementiert werden:
- In einem ersten Verfahrensschritt: Initiierung der Hub-Wahl. Der erste Schritt wird beispielsweise in folgenden Situationen durchgeführt: Bei der erstmaligen Inbetriebnahme des gesamten Hausnetzes 12; wenn der aktuell aktive Hub für eine vordefinierte Zeitspanne nicht mehr erreichbar ist (Ausfallerkennung) oder periodisch, um sicherzustellen, dass stets das aufgrund der aktuellen Gegebenheiten als optimal ermittelte Gerät als Hub fungiert.
- The first step in the process is initiating the hub selection. This first step is performed, for example, in the following situations: during the initial commissioning of the entire home network 12; when the currently active hub is unreachable for a predefined period (failure detection); or periodically to ensure that the device determined to be optimal based on the current circumstances always functions as the hub.
In einem zweiten Verfahrensschritt: Ermittlung von Konnektivitätsmetriken. Jedes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 im Netzwerk misst die Qualität seiner Verbindung zu allen anderen erreichbaren Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130. Typische Metriken hierfür können sein: Latenz (Round-Trip Time): Die Zeit, die ein kleines Datenpaket für den Weg zum Nachbarn und zurück benötigt; Signalstärke (z.B. RSSI bei drahtloser Kommunikation): Ein Indikator für die Stärke der physischen Verbindung oder auch eine Paketverlustrate: Der Prozentsatz der gesendeten Pakete, die nicht erfolgreich empfangen wurden.In a second step of the process: determination of connectivity metrics. Each smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 in the network measures the quality of its connection to all other reachable smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130. Typical metrics for this can include: Latency (Round-Trip Time): The time a small data packet needs to travel to the neighbor and back; Signal strength (e.g., RSSI in wireless communication): An indicator of the strength of the physical connection; or packet loss rate: The percentage of sent packets that were not successfully received.
In einem dritten Verfahrensschritt sendet jedes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 anschließend eine Liste seiner gemessenen Konnektivitätsmetriken an alle anderen erreichbaren Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 im Netzwerk (Broadcast).In a third process step, each smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 then sends a list of its measured connectivity metrics to all other reachable smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 in the network (broadcast).
In einem vierten Verfahrensschritt: Berechnung eines Eignungswerts (Suitability Score): Jedes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 empfängt beispielsweise die Konnektivitätsmetriken der anderen Geräte. Basierend auf diesen Informationen berechnet jedes Smartmeter für sich und für jedes andere Smartmeter einen Eignungswert. Ein möglicher Algorithmus hierfür ist die Berechnung des durchschnittlichen Verbindungswerts zu allen anderen Geräten. Beispielsweise könnte der Eignungswert eines Kandidaten-Hubs als der Kehrwert der durchschnittlichen Latenz zu allen anderen Knoten definiert werden. Ein höherer Wert entspräche einer besseren Eignung.In a fourth step of the process, a suitability score is calculated: Each smart meter (e.g., 24, 121, 122, 123, 124, 130) receives the connectivity metrics of the other devices. Based on this information, each smart meter calculates a suitability score for itself and for every other smart meter. One possible algorithm for this is to calculate the average connection value to all other devices. For example, the suitability score of a candidate hub could be defined as the reciprocal of the average latency to all other nodes. A higher value would correspond to better suitability.
In einem fünften Verfahrensschritt: Wahl und Bekanntgabe: Jedes Smartmeter identifiziert den Kandidaten mit dem höchsten Eignungswert. Es „wählt“ diesen Kandidaten, indem es dessen Kennung (z.B. die Seriennummer) an alle anderen Smartmeter im Netzwerk sendet.In a fifth step of the process: Selection and notification: Each smart meter identifies the candidate with the highest suitability score. It "selects" this candidate by sending its identifier (e.g., the serial number) to all other smart meters in the network.
In einem sechsten Verahrensschritt: Bestätigung und Rollenübernahme: Das Smartmeter, das die meisten (idealerweise alle) Stimmen erhält, wird zum neuen Hub. Es bestätigt seine neue Rolle durch eine Nachricht an das gesamte Netzwerk. Alle anderen Smartmeter bestätigen den Empfang dieser Nachricht und senden von nun an ihre Messdaten an den neu gewählten Hub. Falls ein früherer Hub noch aktiv ist, überträgt dieser in einem weiteren Verfahrensschritt seine zwischengespeicherten Daten an den neuen Hub und nimmt die Rolle eines normalen Smartmeters ein.In a sixth process step: Confirmation and role transfer: The smart meter that receives the most (ideally all) votes becomes the new hub. It confirms its new role by sending a message to the entire network. All other smart meters confirm receipt of this message and from then on send their measurement data to the newly selected hub. If a previous hub is still active, it transfers its cached data to the new hub in a further process step and assumes the role of a normal smart meter.
Diese Hub-Architektur bietet entscheidende Vorteile für die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Gesamtsystems:
- Durch das dynamische Wahlverfahren ist das System hochgradig ausfallsicher. Fällt der amtierende Hub aus, wählt das Netzwerk automatisch einen neuen Hub aus den verbleibenden funktionstüchtigen Geräten. Der Betrieb des Systems zur Verbrauchszuordnung wird dadurch nur minimal oder gar nicht unterbrochen.
- Thanks to the dynamic selection process, the system is highly reliable. If the current hub fails, the network automatically selects a new hub from the remaining functioning devices. This results in minimal or no interruption to the operation of the consumption allocation system.
Der Hub fungiert darüber hinaus als temporärer Zwischenspeicher (Puffer) für die Messdaten des gesamten Netzwerks. Dies stellt sicher, dass auch bei kurzzeitigen Ausfällen der externen Kommunikationsverbindung oder bei Wartungsarbeiten an der zentralen Verarbeitungseinrichtung keine abrechnungsrelevanten Daten verloren gehen. Die Datenintegrität und -vertraulichkeit bleiben durch die durchgehende Verschlüsselung der Kommunikation jederzeit gewahrt.The hub also acts as a temporary buffer for the measurement data of the entire network. This ensures that no billing-relevant data is lost, even in the event of brief outages of the external communication link or during maintenance work on the central processing unit. Data integrity and confidentiality are maintained at all times through end-to-end encryption of the communication.
Um die Datensicherheit und Ausfallsicherheit des Systems weiter zu erhöhen und den Verlust von im Hub aggregierten Messdaten auch bei einem vollständigen Ausfall des als Hub fungierenden Smartmeters 24, 121, 122, 123, 124, 130 zu verhindern, wird ein Verfahren zur verteilten, redundanten Datensicherung implementiert. Dieses Verfahren stellt sicher, dass die gesamten im Hub gesammelten Daten oder Datensätze jederzeit aus Sicherheitskopien, die auf andere Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 im Netzwerk verteilt sind, rekonstruiert werden können.To further enhance data security and system reliability, and to prevent the loss of measurement data aggregated in the hub even in the event of a complete failure of the smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 acting as the hub, a distributed, redundant data backup procedure is implemented. This procedure ensures that all data or datasets collected in the hub can be reconstructed at any time from backups distributed across other smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 in the network.
Das Verfahren basiert darauf, dass der Hub nicht den gesamten Datensatz als monolithischen Block speichert, sondern ihn in eine Form überführt, die eine dezentrale Wiederherstellung ermöglicht. Anstatt vollständige Kopien an einzelne Geräte zu senden, was ineffizient wäre und hohe Speicheranforderungen an die empfangenden Geräte stellen würde, wird ein Fehlerschutz-Kodierungsverfahren (Erasure Coding) angewendet.The process is based on the fact that the hub does not store the entire dataset as a monolithic block, but rather transforms it into a format that allows for decentralized recovery. Instead of sending complete copies to individual devices, which would be inefficient and place high storage demands on the receiving devices, an erasure coding method is used.
Der als Hub fungierende Smartmeter führt in derartigen Ausführungsformen periodisch oder nach dem Empfang einer bestimmten Menge neuer Daten die folgenden Schritte aus:
- In einem ersten Verfahrensschritt: Datenaufteilung und Kodierung: Die gesamten gespeicherten Daten, insbesondere Messdaten von m Smartmetern (einschließlich seiner eigenen), werden in m Datenblöcke aufgeteilt. Unter Anwendung eines Fehlerschutz-Kodierungsverfahrens, wie beispielsweise eines Reed-Solomon-Codes oder eines vergleichbaren Algorithmus, werden aus diesen m ursprünglichen Datenblöcken n kodierte Datenblöcke erzeugt, wobei n > m ist. Die Eigenschaft dieses Verfahrens ist, dass der ursprüngliche Datensatz aus einer beliebigen Teilmenge von k der n kodierten Blöcke rekonstruiert werden kann, wobei k = m ist. Die n-m zusätzlichen Blöcke stellen die Redundanz dar.
- In the first step of the process: data splitting and encoding: All stored data, in particular measurement data from m smart meters (including its own), is split into m data blocks. Using an error-protection encoding method, such as a Reed-Solomon code or a comparable algorithm, n coded data blocks are generated from these m original data blocks, where n > m. The property of this method is that the original data set can be reconstructed from any subset of k of the n coded blocks, where k = m. The nm additional blocks represent redundancy.
In einem zweiten Verfahrensschritt: Verteilung der kodierten Datenblöcke: Der Hub verteilt die n erzeugten, kodierten Datenblöcke an n verschiedene Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 im Netzwerk, wobei er idealerweise jedem teilnehmenden Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 (einschließlich sich selbst) genau einen dieser Blöcke zur Speicherung übermittelt. Jedes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 speichert somit nur einen kleinen Teil der Gesamtinformation, eine sogenannte Sicherheitskopie in Form eines kodierten Datenblocks.In a second process step: Distribution of the coded data blocks: The hub distributes the The system generates n coded data blocks and sends them to n different smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 in the network, ideally transmitting exactly one of these blocks to each participating smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 (including itself) for storage. Each smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 thus stores only a small part of the total information, a so-called backup copy in the form of a coded data block.
Sollte der amtierende Hub ausfallen, wird, wie zuvor beschrieben, durch ein Wahlverfahren ein neuer Hub aus den verbleibenden funktionstüchtigen Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 bestimmt. Dieser neue Hub initiiert daraufhin das Rekonstruktionsverfahren:
- In einem dritten Verfahrensschritt: Anforderung der Datenfragmente: Der neu gewählte Hub sendet eine Anforderungsnachricht an alle erreichbaren Smartmeter im Netzwerk und fordert diese auf, den bei ihnen gespeicherten, kodierten Datenblock zu übermitteln.
- In a third process step: Requesting the data fragments: The newly selected hub sends a request message to all reachable smart meters in the network, asking them to transmit the encoded data block stored on them.
In einem vierten Verfahrensschritt: Sammeln der Fragmente: Der neue Hub sammelt die Antworten der funktionstüchtigen Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130. Das Verfahren ist erfolgreich, solange mindestens k der ursprünglich n kodierten Datenblöcke empfangen werden können. Das System toleriert somit den gleichzeitigen Ausfall von bis zu n-k Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130, zusätzlich zum Ausfall des ursprünglichen Hubs.In a fourth step of the process: Collecting the fragments: The new hub collects the responses from the functioning smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130. The process is successful as long as at least k of the originally n encoded data blocks can be received. The system thus tolerates the simultaneous failure of up to n-k smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130, in addition to the failure of the original hub.
In einem fünften Verfahrensschritt: Rekonstruktion des vollständigen Datensatzes: Sobald der neue Hub die erforderliche Mindestanzahl von k kodierten Datenblöcken empfangen hat, wendet er den entsprechenden Dekodierungsalgorithmus des Fehlerschutz-Kodierungsverfahrens an. Dieser Algorithmus rekonstruiert aus der unvollständigen Teilmenge der Blöcke den exakten, vollständigen und ursprünglichen Datensatz, der aus den m ursprünglichen Datenblöcken besteht.In a fifth step of the process: Reconstruction of the complete dataset: Once the new hub has received the required minimum number of k encoded data blocks, it applies the corresponding decoding algorithm of the error-protection encoding method. This algorithm reconstructs the exact, complete, and original dataset, consisting of the m original data blocks, from the incomplete subset of blocks.
In einem sechsten Verfahrensschritt: Übernahme der Hub-Funktion: Nach der erfolgreichen Rekonstruktion verfügt der neue Hub über den vollständigen, lückenlosen Datensatz und kann seine Funktion als zentraler Sammelpunkt nahtlos fortsetzen. Er beginnt seinerseits mit der periodischen Erzeugung und Verteilung neuer kodierter Datenblöcke, um die Datenintegrität für die Zukunft sicherzustellen.In a sixth step of the process: Taking over the hub function: After successful reconstruction, the new hub has the complete, uninterrupted dataset and can seamlessly continue its function as a central collection point. It then begins periodically generating and distributing new coded data blocks to ensure data integrity for the future.
Dieses Verfahren gewährleistet eine extrem hohe Ausfallsicherheit, da es keinen „Single Point of Failure“ für die gespeicherten Daten gibt. Die abrechnungsrelevanten Informationen bleiben selbst bei multiplen Geräteausfällen erhalten und können zuverlässig wiederhergestellt werden, was die Integrität und Zuverlässigkeit des gesamten Systems zur Verbrauchszuordnung maßgeblich steigert.This method ensures extremely high reliability, as there is no single point of failure for the stored data. Billing-relevant information is retained even in the event of multiple device failures and can be reliably restored, significantly increasing the integrity and reliability of the entire consumption allocation system.
Um die im Hausnetzwerk gesammelten und im zentralen Hub aggregierten Messdaten an einen externen Server, beispielsweise einen Abrechnungsserver des Energieversorgungsunternehmens, zu übertragen, kann eines der Smartmeter zusätzlich mit einer externen Funkkommunikationseinrichtung 34 ausgestattet sein. Dieses Smartmeter fungiert somit als Gateway für das gesamte Hausnetz 12. Die externe Funkkommunikationseinrichtung 34 ist beispielsweise für die Kommunikation über ein öffentliches Mobilfunknetz (z.B. GSM, UMTS, LTE, 5G) ausgelegt.To transmit the measurement data collected in the home network and aggregated in the central hub to an external server, such as a billing server of the energy supplier, one of the smart meters can be additionally equipped with an external radio communication device 34. This smart meter thus acts as a gateway for the entire home network 12. The external radio communication device 34 is designed, for example, for communication via a public mobile network (e.g., GSM, UMTS, LTE, 5G).
In einigen Ausführungsformen sind die Hub-Funktionalität und die Gateway-Funktionalität in demselben Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 integriert. In diesem Fall sammelt das Gateway-Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 die Daten der anderen Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 und überträgt den aggregierten Datensatz beispielsweise an einen externen Server. Alternativ können Hub und Gateway auch auf getrennten Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 realisiert sein. In diesem Fall würde der als Hub fungierende Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 den gesammelten Datensatz über das interne Hausnetzwerk an das als Gateway fungierende Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 zur externen Übertragung weiterleiten.In some embodiments, the hub functionality and the gateway functionality are integrated into the same smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130. In this case, the gateway smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 collects the data from the other smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 and transmits the aggregated data set, for example, to an external server. Alternatively, the hub and gateway can also be implemented on separate smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130. In this case, the smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 acting as a hub would forward the collected data set via the internal home network to the smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 acting as a gateway for external transmission.
Die Auswahl des Smartmeters, das die Gateway-Funktion übernimmt, kann in einigen Ausführungsformen beispielsweise erfolgen, um eine optimale und zuverlässige Kommunikationsverbindung der Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 untereinander zu gewährleisten. In einigen Ausführungsformen kann die Gateway-Funktionalität beispielsweise in dem Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 implementiert sein, das der Photovoltaikanlage 22 zugeordnet ist. Dieses Smartmeter ist typischerweise auf oder nahe dem Dach des Gebäudes 10 installiert. Dies hat den technischen Vorteil, dass an diesem exponierten Installationsort in der Regel eine gute Anbindung an Mobilfunknetze gegeben ist, im Gegensatz zu Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130, die beispielsweise in Kellergeschossen installiert sind, wo der Empfang stark beeinträchtigt sein kann. Dadurch wird die Zuverlässigkeit und Datenrate der externen Kommunikation maximiert und die Wahrscheinlichkeit von Übertragungsfehlern oder -ausfällen minimiert.In some embodiments, the selection of the smart meter that assumes the gateway function can be made, for example, to ensure an optimal and reliable communication connection between smart meters 24, 121, 122, 123, 124, and 130. In some embodiments, the gateway functionality can be implemented, for example, in the smart meter 24, 121, 122, 123, 124, or 130 that is assigned to the photovoltaic system 22. This smart meter is typically installed on or near the roof of building 10. This has the technical advantage that this exposed installation location generally has good mobile network coverage, unlike smart meters 24, 121, 122, 123, 124, and 130 that are installed, for example, in basements where reception can be severely impaired. This maximizes the reliability and data rate of external communication and minimizes the probability of transmission errors or failures.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das System so konfiguriert sein, dass mehrere Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 mit einer externen Funkkommunikationseinrichtung 34 ausgestattet sind, um Redundanz zu schaffen. Sollte das primäre Gateway-Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 ausfallen oder dessen externe Verbindung unterbrochen sein, kann der zentrale Hub (oder ein anderes autorisiertes Gerät im Netzwerk) dies detektieren und automatisch ein sekundäres, funktionsfähiges Gateway-Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 auswählen, um die Datenübertragung zu übernehmen. Dies erhöht die Gesamtausfallsicherheit des Systems zur Datenübermittlung an den externen Server.In a further embodiment, the system can be configured such that several smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 are equipped with an external radio communication device 34 to create redundancy. Should the primary If gateway smart meters 24, 121, 122, 123, 124, or 130 fail or their external connection is interrupted, the central hub (or another authorized device on the network) can detect this and automatically select a secondary, functioning gateway smart meter 24, 121, 122, 123, 124, or 130 to take over data transmission. This increases the overall reliability of the system for data transmission to the external server.
Zur weiteren Erhöhung der Manipulationssicherheit des Gesamtsystems sowie zur frühzeitigen Erkennung von Geräteausfällen kann in einigen Ausführungsformen ein dezentrales Überwachungsverfahren implementiert sein. Dieses Verfahren basiert auf dem regelmäßigen Austausch von Präsenzsignalen, nachfolgend als Heartbeat bezeichnet, zwischen den Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 innerhalb des sicheren Hausnetzes 12.To further increase the tamper resistance of the overall system and to detect device failures at an early stage, a decentralized monitoring method can be implemented in some embodiments. This method is based on the regular exchange of presence signals, hereinafter referred to as heartbeats, between the smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 within the secure home network 12.
Ein Heartbeat ist ein kleines, kryptographisch gesichertes Datenpaket, das von jedem Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 in periodischen, einstellbaren Zeitabständen an andere Teilnehmer des Netzwerks gesendet wird. Die primäre technische Aufgabe des nachfolgend beschriebenen Verfahrens ist die kontinuierliche Überprüfung der Erreichbarkeit und Betriebsbereitschaft jedes einzelnen Smartmeters 24, 121, 122, 123, 124, 130, um unautorisierte Entfernungen, Deaktivierungen oder andere Formen der Manipulation unmittelbar zu detektieren.A heartbeat is a small, cryptographically secured data packet that is sent by each smart meter (24, 121, 122, 123, 124, 130) to other participants in the network at periodic, adjustable intervals. The primary technical task of the procedure described below is the continuous monitoring of the reachability and operational readiness of each smart meter (24, 121, 122, 123, 124, 130) in order to immediately detect unauthorized removals, deactivations, or other forms of manipulation.
Die Überprüfung der Heartbeats kann in verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden:
- In einigen Ausführungsformen erfolgt eine zentralisierte Überwachung: In dieser Ausführungsform ist der zentrale Hub dafür verantwortlich, die Heartbeat-Signale von allen anderen Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 im Hausnetz 12 zu empfangen und zu überwachen.
- In some embodiments, centralized monitoring takes place: In this embodiment, the central hub is responsible for receiving and monitoring the heartbeat signals from all other smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 in the home network 12.
In einigen Ausführungsformen erfolgt eine dezentralisierte Überwachung: In einer alternativen und besonders robusten Ausführungsform überwachen sich die Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 gegenseitig. Dies kann durch die Bildung von wechselnden Paaren oder kleinen Gruppen von Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 erfolgen, die jeweils die Verbindungsqualität und Erreichbarkeit untereinander durch den Austausch von Heartbeats verifizieren. Dies stellt sicher, dass auch bei einem Ausfall des zentralen Hubs die Überwachungsfunktion im Netzwerk erhalten bleibt.In some embodiments, decentralized monitoring takes place: In an alternative and particularly robust embodiment, the smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 monitor each other. This can be achieved by forming changing pairs or small groups of smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130, each of which verifies the connection quality and reachability with each other by exchanging heartbeats. This ensures that the monitoring function in the network is maintained even if the central hub fails.
Das Verfahren zur Manipulationserkennung kann beispielsweise durch einen oder mehrere der folgenden Schritte realisiert werden:
- In einem ersten Verfahrensschritt: Aussenden des Präsenzsignals (Heartbeat): Jedes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 sendet zyklisch in einem vorkonfigurierten, einstellbaren Intervall (z.B. alle 60 Sekunden) ein Heartbeat-Signal aus. Dieses Signal enthält beispielsweise eine eindeutige Kennung des Senders und einen Zeitstempel und ist mit dem privaten Schlüssel des Senders digital signiert, um dessen Authentizität zu gewährleisten und eine Fälschung (Spoofing) durch unautorisierte Geräte zu verhindern.
- In einem zweiten Verfahrensschritt: Empfang und Überprüfung: Das für die Überwachung zuständige Gerät (entweder der zentrale Hub oder ein zugewiesener Peer) empfängt die Heartbeat-Signale der zu überwachenden Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130. Bei jedem Empfang wird die digitale Signatur verifiziert und der Zeitstempel auf Plausibilität geprüft.
- In the first step of the process: transmitting the presence signal (heartbeat): Each smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 cyclically transmits a heartbeat signal at a pre-configured, adjustable interval (e.g., every 60 seconds). This signal contains, for example, a unique identifier of the sender and a timestamp and is digitally signed with the sender's private key to guarantee its authenticity and prevent spoofing by unauthorized devices.
- In a second process step: Reception and verification: The device responsible for monitoring (either the central hub or an assigned peer) receives the heartbeat signals from the smart meters to be monitored: 24, 121, 122, 123, 124, 130. With each reception, the digital signature is verified and the timestamp is checked for plausibility.
In einem dritten Verfahrensschritt wird bei Ausbleiben des Signals ein Fehler erkannt: Bleibt das erwartete Heartbeat-Signal eines Smartmeters 24, 121, 122, 123, 124, 130 aus, so wird dies von der überwachenden Instanz (Smartmeter oder Hub) erkannt und/oder registriert. Um transiente Netzwerkstörungen von einem tatsächlichen Ausfall zu unterscheiden, wird ein Fehler erst nach dem Ausbleiben einer definierbaren Anzahl von aufeinanderfolgenden Heartbeats (z.B. drei) deklariert.In a third step of the process, an error is detected if the signal is absent: If the expected heartbeat signal from a smart meter 24, 121, 122, 123, 124, or 130 fails to occur, this is detected and/or registered by the monitoring entity (smart meter or hub). To distinguish transient network disturbances from an actual failure, an error is only declared after a definable number of consecutive heartbeats (e.g., three) have been missed.
In einem vierten Verfahrensschritt: Konsolidierung und Markierung als potenziell manipuliert: Stellt die überwachende Instanz (oder im dezentralen Fall, mehrere Instanzen übereinstimmend) fest, dass ein bestimmtes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 über die definierte Toleranzschwelle hinaus nicht mehr erreichbar ist, wird dieses Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 als „potenziell manipuliert“ oder „ausgefallen“ markiert. Diese Information, zusammen mit einem Zeitstempel des Ereignisses, wird umgehend im Hausnetz 12 verbreitet und im zentralen Hub oder, bei dessen Ausfall, im neu gewählten Hub, sicher gespeichert. Ein plötzlicher, isolierter Ausfall eines einzelnen Smartmeters 24, 121, 122, 123, 124, 130, während alle anderen untereinander kommunizieren können, stellt einen starken Indikator für eine gezielte Manipulation dar (z.B. Stromabschaltung des Zählers, physische Entfernung).In a fourth process step: Consolidation and marking as potentially manipulated: If the monitoring instance (or, in the decentralized case, several instances agreeing) determines that a specific smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 is no longer reachable beyond the defined tolerance threshold, this smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130 is marked as "potentially manipulated" or "failed." This information, along with a timestamp of the event, is immediately disseminated within the network 12 and securely stored in the central hub or, if it fails, in the newly selected hub. A sudden, isolated failure of a single smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130, while all others can communicate with each other, is a strong indicator of targeted manipulation (e.g., power cut to the meter, physical removal).
In einem fünften Verfahrensschritt: Verfahren bei Wiedererreichbarkeit: Meldet sich ein zuvor als „potenziell manipuliert“ markiertes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 wieder im Netzwerk, werden spezielle Sicherheitsmaßnahmen ausgelöst. Die von diesem Smartmeter während seiner Abwesenheit lokal gespeicherten und nun zu übermittelnden Messdaten werden nicht sofort als vertrauenswürdig akzeptiert. Sie werden einer erweiterten Kontrolle unterzogen. Dies kann beinhalten, dass die übermittelten Verbrauchswerte mit historischen Daten oder den Mustern von benachbarten, als vertrauenswürdig eingestuften Smartmetern 24, 121, 122, 123, 124, 130 auf Plausibilität und Anomalien verglichen werden.In a fifth step of the process: Procedure upon reconnection: If a smart meter (24, 121, 122, 123, 124, 130) previously marked as "potentially manipulated" reconnects to the network, special security measures are triggered. The data stored locally by this smart meter during its absence, which is now to be transmitted, is then processed. Meter readings are not immediately accepted as trustworthy. They undergo extended verification. This may include comparing the transmitted consumption values with historical data or the patterns of neighboring, trusted smart meters (24, 121, 122, 123, 124, 130) for plausibility and anomalies.
In einem sechsten Verfahrensschritt: Austausch bei wiederholten Ausfällen: Registriert ein Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130, der zentrale Hub oder der externe Server eine hohe Ausfallrate für ein bestimmtes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130, beispielsweise wenn eine Anzahl von fehlenden Präsenzsignalen in einem bestimmbaren Zeitraum einen bestimmbaren Grenzwert überschreitet, dann deutet dies auf ein potenziell defektes Gerät hin. Wird eine vordefinierte Schwelle von Ausfallereignissen innerhalb eines bestimmten Zeitraums überschritten, kann das System automatisch eine Benachrichtigung an den externen Server (z.B. den des Energieversorgers) senden. Diese Benachrichtigung kann eine Anordnung zum Austausch des potenziell defekten Smartmeters 24, 121, 122, 123, 124, 130 auslösen, um die langfristige Stabilität und Zuverlässigkeit des Netzwerks zu gewährleisten.In a sixth procedural step: Replacement in case of repeated failures: If a smart meter (24, 121, 122, 123, 124, 130), the central hub, or the external server registers a high failure rate for a specific smart meter (24, 121, 122, 123, 124, 130), for example, if the number of missing presence signals exceeds a definable threshold within a defined period, this indicates a potentially defective device. If a predefined threshold of failure events is exceeded within a specific period, the system can automatically send a notification to the external server (e.g., the energy provider's server). This notification can trigger an order to replace the potentially defective smart meter (24, 121, 122, 123, 124, 130) to ensure the long-term stability and reliability of the network.
Dieses Verfahren schafft ein sich selbst überwachendes und selbst heilendes System, das Manipulationen und Ausfälle proaktiv erkennt und eine durchgehende, vertrauenswürdige Datenerfassung sicherstellt.This process creates a self-monitoring and self-healing system that proactively detects manipulations and failures and ensures continuous, trustworthy data collection.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens wird den datenschutzrechtlichen Anforderungen von Verbrauchern Rechnung getragen, die nicht an der Finanzierung der ersten Energiequelle 22, beispielsweise der Photovoltaikanlage, beteiligt sind und als zweite Verbraucher 18 bezeichnet werden. Um zu vermeiden, dass diese zweiten Verbraucher 18 kontinuierliche oder hochaufgelöste Verbrauchsdaten an das Energieverbrauchszuordnungssystem übermitteln müssen, kann deren Gesamtenergieverbrauch mittels eines Differenzbilanzierungsverfahrens indirekt und anonymisiert ermittelt werden. Dieses Verfahren kann gleichzeitig als ein wirkungsvolles Mittel zur Aufdeckung von Manipulationen dienen.In further advantageous embodiments of the method, the data protection requirements of consumers who are not involved in financing the first energy source 22, for example, the photovoltaic system, and who are referred to as second consumers 18, are taken into account. To avoid requiring these second consumers 18 to transmit continuous or high-resolution consumption data to the energy consumption allocation system, their total energy consumption can be determined indirectly and anonymously using a differential balancing method. This method can simultaneously serve as an effective means of detecting manipulation.
Das Verfahren zur anonymisierten Ermittlung des Verbrauchs der zweiten Verbraucher 18 umfasst die folgenden Schritte, die vorzugsweise von dem zentralen Hub ausgeführt werden:
- Erster Verfahrensschritt: Erfassung der Gesamtenergieeinspeisung: Die Smartmeter, die den Energiequellen 20, 22 zugeordnet sind, messen kontinuierlich die gesamte elektrische Energie, die in das Hausverteilnetz 12 eingespeist wird. Dies umfasst die von der ersten Energiequelle 22 erzeugte Energie sowie die aus der weiteren Energiequelle, dem öffentlichen Stromnetzanschluss 20, bezogene Energie. Die Summe dieser beiden Werte ergibt die im Hausverteilnetz 12 zur Verfügung stehende Gesamtenergie.
- First process step: Recording the total energy feed-in: The smart meters, assigned to energy sources 20 and 22, continuously measure the total electrical energy fed into the building's distribution network 12. This includes the energy generated by the first energy source 22 as well as the energy drawn from the second energy source, the public grid connection 20. The sum of these two values yields the total energy available in the building's distribution network 12.
In einem zweiten Verfahrensschritt: Erfassung des Verbrauchs der ersten Verbraucher 14, 16: Parallel dazu messen die Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130, die den ersten Verbrauchern 14, 16 zugeordnet sind, deren individuellen Energieverbrauch. Diese Verbrauchswerte werden summiert, um den Gesamtverbrauch aller an dem System aktiv teilnehmenden ersten Verbraucher 14, 16 zu ermitteln.In a second step of the process: recording the consumption of the first consumers 14, 16: In parallel, the smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130, which are assigned to the first consumers 14, 16, measure their individual energy consumption. These consumption values are summed to determine the total consumption of all first consumers 14, 16 actively participating in the system.
In einem dritten Verfahrensschritt: Berechnung des anonymisierten Gesamtverbrauchs: Der zentrale Hub berechnet die Differenz zwischen der in Schritt 1 ermittelten Gesamtenergieeinspeisung und dem in Schritt 2 ermittelten Gesamtverbrauch der ersten Verbraucher. Das Ergebnis dieser Subtraktion entspricht physikalisch exakt dem aggregierten Gesamtverbrauch aller zweiten Verbraucher 18.In a third step of the process: Calculation of the anonymized total consumption: The central hub calculates the difference between the total energy feed-in determined in step 1 and the total consumption of the first consumers determined in step 2. The result of this subtraction corresponds exactly to the aggregated total consumption of all second consumers.
In einem vierten Verfahrensschritt: Speicherung des anonymisierten Wertes: Dieser berechnete, aggregierte Wert wird als anonymisierter Gesamtverbrauchswert für die Gruppe der zweiten Verbraucher 18 beispielsweise im Hub gespeichert. Es wird sichergestellt, dass zu keinem Zeitpunkt eine Aufschlüsselung dieses Wertes auf einzelne zweite Verbraucher 18 erfolgt oder erforderlich ist.In a fourth step of the process: Storage of the anonymized value: This calculated, aggregated value is stored as an anonymized total consumption value for the group of second consumers 18, for example, in the hub. It is ensured that at no time is a breakdown of this value to individual second consumers 18 performed or required.
Um die Integrität des Systems zu überprüfen und Manipulationen, wie beispielsweise ungemessene Stromentnahmen, zu detektieren, wird der anonymisiert ermittelte Gesamtverbrauchswert zu einem späteren Zeitpunkt einem Plausibilitätsabgleich unterzogen. Das dazu verwendete Verfahren kann beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Schritte aufweisen:
- In einem ersten Verfahrensschritt: Bereitstellung eines externen Referenzwertes: Für einen definierten Abrechnungszeitraum wird ein externer, vertrauenswürdiger Referenzwert bereitgestellt. Dieser Wert ist beispielsweise der offiziell abgerechnete und anonym zusammengefasste Gesamtenergieverbrauch aller zweiten Verbraucher 18, wie er beispielsweise von deren externem Abrechnungsdienstleister oder Energieversorger zur Verfügung gestellt wird.
- In a first procedural step: Provision of an external reference value: For a defined billing period, an external, trusted reference value is provided. This value is, for example, the officially billed and anonymously aggregated total energy consumption of all second consumers 18, as provided, for example, by their external billing service provider or energy supplier.
In einem zweiten Verfahrensschritt: Abgleich der Verbrauchswerte: Der zentrale Hub oder der externe Abrechnungsserver führt einen Abgleich durch. Er vergleicht den gemäß dem vorher beschriebenen Verfahren zur Erfassung für den Abrechnungszeitraum berechneten, anonymisierten Gesamtverbrauchswert der zweiten Verbraucher 18 mit dem extern bereitgestellten Referenzwert.In a second step of the process: reconciliation of consumption values: The central hub or the external billing server performs a reconciliation. It compares the anonymized consumption data calculated for the billing period according to the previously described procedure. Total consumption value of the second consumer 18 with the externally provided reference value.
In einem dritten Verfahrensschritt: Detektion von Abweichungen: Stimmen die beiden Werte nicht innerhalb einer vordefinierten, geringfügigen Toleranzschwelle überein, wird beispielsweise eine signifikante Abweichung festgestellt. Eine solche Abweichung kann ein starker Indikator für eine Anomalie im System sein.In a third step of the process: detection of deviations: If the two values do not match within a predefined, minor tolerance threshold, a significant deviation is detected. Such a deviation can be a strong indicator of an anomaly in the system.
In einem vierten Verfahrensschritt: Auslösen einer Sicherheitsreaktion: Die Detektion einer signifikanten Abweichung kann beispielsweise eine Sicherheitsreaktion auslösen, beispielsweise einen Alarm oder eine Markierung des Datensatzes zur manuellen Überprüfung. Die Abweichung deutet darauf hin, dass entweder eine Manipulation im Hausverteilnetz 12 vorliegt (z.B. eine illegale Stromentnahme, die in der Differenzbilanzierung erfasst wird, aber nicht in der offiziellen Abrechnung der zweiten Verbraucher 18 erscheint) oder ein technischer Defekt an einem der Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 vorliegt.In a fourth procedural step: Triggering a security response: The detection of a significant deviation can, for example, trigger a security response, such as an alarm or marking the data record for manual review. The deviation indicates that either there is manipulation in the building distribution network 12 (e.g., illegal electricity consumption that is recorded in the differential balancing but does not appear in the official billing of the second consumer 18) or a technical defect in one of the smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130.
Dieses zweistufige Verfahren ermöglicht somit nicht nur eine datenschutzkonforme Einbindung aller Parteien, sondern schafft auch eine zusätzliche, systemimmanente Kontrollinstanz zur Sicherstellung der Korrektheit der Abrechnung und zur Aufdeckung von Betrugsversuchen.This two-stage process not only enables the data protection-compliant integration of all parties, but also creates an additional, system-inherent control instance to ensure the correctness of the billing and to detect fraud attempts.
Zur proaktiven Identifikation von Manipulationen an Zählern oder am Hausverteilnetz (12) sowie zur Erkennung von Strombetrug wird ein weiterführendes Verfahren implementiert, das auf der detaillierten Analyse von Lastprofilen basiert. Dieses Verfahren geht über die reine Messung von Energiemengen hinaus, indem es das dynamische Verbrauchsverhalten der einzelnen Verbraucher 14, 16, 18 über die Zeit betrachtet.To proactively identify manipulations of meters or the building distribution network (12) and to detect electricity fraud, a further procedure is implemented that is based on the detailed analysis of load profiles. This procedure goes beyond the mere measurement of energy quantities by considering the dynamic consumption behavior of individual consumers 14, 16, 18 over time.
Das Verfahren ist vorzugsweise als ein zweistufiger Prozess ausgestaltet, der von einer zentralen Instanz, beispielsweise dem als Hub fungierenden Smartmeter oder dem externen Server, ausgeführt werden kann, wobei unterschiedliche Modelle zur Erkennung und Einstufung von Unregelmäßigkeiten Anwendung finden:
- Zunächst ein Detektormodell in einer ersten Stufe zur Identifikation aller potenziell verdächtigen oder abnormalen Verhaltensweisen mit einer hohen Erkennungsrate.
- First, a detector model in a first stage to identify all potentially suspicious or abnormal behaviors with a high detection rate.
Im Anschluss daran ein Falsch-Positiv-Modell in einer zweiten Stufe zur Filterung der Ergebnisse der ersten Stufe, bei der legitime, nicht-manipulative Erklärungen für das zuvor als verdächtig eingestufte Verhalten gesucht werden, um die Rate an Fehlalarmen zu minimieren.Following this, a false positive model is used in a second stage to filter the results of the first stage, in which legitimate, non-manipulative explanations for the previously classified as suspicious behavior are sought in order to minimize the rate of false alarms.
In einem ersten Verfahrensschritt werden hochaufgelöste Lastprofile erstellt: Jedes Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 erfasst den Energieverbrauch seines zugeordneten Verbrauchers nicht nur als kumulierten Wert, sondern erstellt ein hochaufgelöstes Lastprofil. Dieses Profil ist eine Zeitreihe, die den Leistungsbezug in kurzen, regelmäßigen Intervallen (z.B. minütlich oder alle 15 Minuten) darstellt.In a first step of the process, high-resolution load profiles are created: Each smart meter (24, 121, 122, 123, 124, 130) records the energy consumption of its assigned consumer not only as a cumulative value, but also creates a high-resolution load profile. This profile is a time series that depicts the power consumption at short, regular intervals (e.g., every minute or every 15 minutes).
In einem zweiten Verfahrensschritt werden Detektor-Verhaltensmuster definiert: Das System verfügt beispielsweise über eine Bibliothek von vordefinierten, abnormalen Verhaltensmustern („Detektoren“), die auf bekannte Manipulationsmethoden oder verdächtige Anomalien hindeuten. Diese Muster können beispielsweise aus einer Referenzdatenbank stammen, in der historische, bestätigte Fälle von Manipulationen und Betrug gespeichert sind. Beispiele für solche Detektor-Verhaltensmuster können beispielsweise sein: Ungewöhnlich stabiler Verbrauch, bei dem das Lastprofil über einen längeren Zeitraum (z.B. mehrere Stunden oder Tage) einen nahezu konstanten Leistungsbezug ohne die üblichen, natürlichen Schwankungen, die durch das Ein- und Ausschalten von Geräten entstehen, zeigt. Dies kann auf eine manipulierende Vorrichtung hindeuten, die den gemessenen Verbrauch auf einen festen Wert begrenzt.In a second process step, detector behavior patterns are defined: The system has, for example, a library of predefined, abnormal behavior patterns ("detectors") that indicate known manipulation methods or suspicious anomalies. These patterns can, for example, be derived from a reference database containing historical, confirmed cases of manipulation and fraud. Examples of such detector behavior patterns include: Unusually stable consumption, where the load profile shows a nearly constant power draw over an extended period (e.g., several hours or days) without the usual, natural fluctuations caused by switching devices on and off. This could indicate a manipulating device that limits the measured consumption to a fixed value.
Auch ein plötzlicher signifikanter Abfall auf ein dauerhaft niedriges Niveau kann eine Manipulation anzeigen. Das Lastprofil zeigt dabei einen abrupten, starken Rückgang des Verbrauchs, der anschließend auf einem unplausibel niedrigen Niveau verbleibt. Dies kann die Aktivierung einer illegalen Umgehung des Zählers indizieren.A sudden, significant drop to a persistently low level can also indicate manipulation. The load profile will show an abrupt, sharp decline in consumption, which then remains at an implausibly low level. This could indicate the activation of an illegal meter bypass.
Ebenso kann ein fehlender Anstieg bei erwartetem Mehrverbrauch verdächtig sein. Das Lastprofil eines einzelnen Verbrauchers wird mit dem aggregierten Lastprofil des gesamten Hausverteilnetzes 12 verglichen. Zeigt das Gesamtprofil einen erwarteten Anstieg (z.B. durch eine Kältewelle im Winter oder eine Hitzewelle im Sommer), das individuelle Profil aber nicht, obwohl keine legitime Erklärung vorliegt, ist dies verdächtig.Similarly, a lack of increase in consumption despite an expected increase can be suspicious. The load profile of an individual consumer is compared with the aggregated load profile of the entire building distribution network. If the overall profile shows an expected increase (e.g., due to a cold snap in winter or a heat wave in summer), but the individual profile does not, even though there is no legitimate explanation, this is suspicious.
Auch ein sehr niedriger Gesamtverbrauch kann eine derartige Unregelmäßigkeit andeuten. Der Median des Verbrauchs über einen längeren Zeitraum liegt beispielsweise signifikant unter einem statistischen Schwellenwert (z.B. unterhalb des 10. Perzentils aller Verbraucher im System), was auf eine dauerhafte Teilmanipulation hindeuten kann.Even a very low overall consumption can indicate such an irregularity. For example, if the median consumption over a longer period is significantly below a statistical threshold (e.g., below the 10th percentile of all consumers in the system), this could point to persistent partial manipulation.
In einem dritten Verfahrensschritt wendet das System die definierten Detektor-Verhaltensmuster systematisch auf die erstellten Lastprofile aller Verbraucher 14, 16, 18 an. Wird eine Übereinstimmung zwischen einem Lastprofil und einem Detektor-Verhaltensmuster gefunden, wird dieses Lastprofil als „verdächtig“ markiert und der nächsten Stufe zur weiteren Analyse zugeführt.In a third process step, the system systematically applies the defined detector behavior patterns to the generated load profiles of all consumers 14, 16, 18. If a match is found, If a discrepancy is found between a load profile and a detector behavior pattern, this load profile is marked as "suspicious" and passed to the next stage for further analysis.
In einem vierten Verfahrensschritt wird schließlich das Falsch-Positiv-Modell zur Eliminierung legitimer Ursachen angewandt. Für jedes als verdächtig markierte Lastprofil prüft das System, ob eine legitime, nicht-manipulative Erklärung für das beobachtete Verhalten vorliegt. Hierzu wird auf eine Datenbank mit Kontextinformationen zugegriffen. Beispiele für legitime Erklärungen sind:
- Der Verbraucher ist ein bekannter Erzeuger von Solarstrom (zugeordnet der Photovoltaikanlage 22), was niedrige oder negative Verbräuche während des Tages erklärt; für den betreffenden Zeitraum ist eine längere Abwesenheit des Verbrauchers (z.B. Urlaub) im System hinterlegt; es wurde ein signifikanter Gerätetausch gemeldet (z.B. der Austausch einer elektrischen Heizung gegen eine Wärmepumpe); es liegt eine bekannte technische Störung oder eine geplante Abschaltung vor.
- The consumer is a known producer of solar power (assigned to photovoltaic system 22), which explains low or negative consumption during the day; a longer absence of the consumer (e.g., vacation) is recorded in the system for the relevant period; a significant equipment exchange has been reported (e.g., the replacement of an electric heater with a heat pump); there is a known technical fault or a planned shutdown.
Kann das verdächtige Verhalten durch einen solchen hinterlegten Fakt zweifelsfrei erklärt werden, wird die Markierung entfernt.If the suspicious behavior can be explained beyond doubt by such a stored fact, the marker will be removed.
In einem fünften Verfahrensschritt werden die verbleibenden, unerklärten Fälle markiert und eine Benachrichtigung zur Überprüfung ausgelöst. Lastprofile, die in Schritt 3 als verdächtig identifiziert und in Schritt 4 nicht durch eine legitime Ursache erklärt werden konnten, werden als „verdächtig“ eingestuft. Diese Fälle werden zur genaueren Überprüfung markiert, und es kann eine automatische Benachrichtigung an den Systembetreiber oder einen externen Server zur Einleitung einer manuellen Prüfung oder Inspektion vor Ort ausgelöst werden.In a fifth step, the remaining unexplained cases are flagged, and a notification is triggered for review. Load profiles identified as suspicious in step 3 and not explained by a legitimate cause in step 4 are classified as "suspicious." These cases are flagged for further investigation, and an automatic notification can be sent to the system operator or an external server to initiate a manual review or on-site inspection.
Dieses mehrstufige Analyseverfahren ermöglicht eine präzise und effiziente Erkennung von Manipulationen, indem es nicht nur den reinen Verbrauch, sondern das charakteristische Verhalten dahinter analysiert und dabei legitime von tatsächlich verdächtigen Mustern zuverlässig unterscheidet.This multi-stage analysis method enables precise and efficient detection of manipulations by analyzing not only the pure consumption but also the characteristic behavior behind it, reliably distinguishing legitimate from genuinely suspicious patterns.
Um ein Höchstmaß an Manipulationssicherheit, Nachvollziehbarkeit und Unveränderbarkeit der erfassten Mess- und Transaktionsdaten zu gewährleisten, kann in einigen Ausführungsformen ein Verfahren implementiert sein, das die Daten in einer kryptographisch verketteten Datenstruktur, nachfolgend als Blockchain bezeichnet, organisiert. In dieser Ausführungsform wird die Blockchain autoritativ vom zentralen Hub verwaltet, der als vertrauenswürdige Instanz innerhalb des Hausnetzwerks 12 fungiert.To ensure the highest possible level of tamper-proof security, traceability, and immutability of the recorded measurement and transaction data, some embodiments may implement a method that organizes the data in a cryptographically linked data structure, hereinafter referred to as a blockchain. In this embodiment, the blockchain is authoritatively managed by the central hub, which acts as a trusted authority within the home network 12.
Das grundlegende Prinzip besteht darin, dass alle relevanten Daten, insbesondere die rohen Messdaten, die Ergebnisse des Umordnungsschritts und die Ergebnisse der Manipulationserkennung, nicht in einer herkömmlichen, einfach veränderbaren Datenbank gespeichert werden, sondern in chronologisch geordneten und kryptographisch besiegelten Blöcken.The basic principle is that all relevant data, especially the raw measurement data, the results of the rearrangement step and the results of manipulation detection, are not stored in a conventional, easily modifiable database, but in chronologically ordered and cryptographically sealed blocks.
In einem ersten Verfahrensschritt: Sammeln und Verifizieren von Transaktionen: Der zentrale Hub sammelt alle relevanten Datenereignisse, die im Netzwerk stattfinden. Jedes dieser Ereignisse wird als „Transaktion“ betrachtet. Beispiele für Transaktionen sind: Ein neuer Satz von Messdaten von einem Smartmeter; das Ergebnis eines Umordnungsschritts der Verbrauchswerte oder die Detektion einer Anomalie durch die Lastprofilanalyse oder das Heartbeat-Verfahren.In the first step of the process: collecting and verifying transactions: The central hub collects all relevant data events that occur in the network. Each of these events is considered a "transaction." Examples of transactions include: a new set of measurement data from a smart meter; the result of a reordering step of consumption values; or the detection of an anomaly through load profile analysis or the heartbeat method.
Jede Transaktion wird vor der Aufnahme vom Hub validiert, beispielsweise durch Überprüfung der digitalen Signatur des ausstellenden Smartmeters 24, 121, 122, 123, 124, 130.Each transaction is validated by the hub before being recorded, for example by verifying the digital signature of the issuing smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein neuer Block erstellt. Nach einer vordefinierten Zeitspanne oder nachdem eine bestimmte Anzahl von Transaktionen gesammelt wurde, fasst der zentrale Hub die verifizierten Transaktionen zu einem neuen Block zusammen. Zusätzlich zu den Transaktionsdaten enthält dieser Block beispielsweise: Einen Zeitstempel und einen kryptographischen Hashwert des unmittelbar vorangegangenen Blocks in der Kette. Diese Verkettung ist das zentrale Sicherheitsmerkmal der Blockchain, da eine nachträgliche Änderung eines früheren Blocks zwangsläufig den Hashwert dieses Blocks und somit die Hashwerte aller nachfolgenden Blöcke ändern würde.In a second step, a new block is created. After a predefined period or once a certain number of transactions have been collected, the central hub combines the verified transactions into a new block. In addition to the transaction data, this block contains, for example, a timestamp and a cryptographic hash value of the immediately preceding block in the chain. This chaining is the central security feature of the blockchain, as any subsequent modification of an earlier block would inevitably change the hash value of that block and, consequently, the hash values of all subsequent blocks.
In einem dritten Verfahrensschritt wird der Block signiert und versiegelt. Der zentrale Hub berechnet den kryptographischen Hashwert des neu erstellten Blocks. Anschließend signiert er diesen Hashwert (oder den gesamten Block) mit seinem eigenen, sicher gespeicherten privaten Schlüssel. Diese digitale Signatur dient als autoritative Versiegelung, die bestätigt, dass der Block vom Hub als gültig anerkannt und der Kette hinzugefügt wurde. Ein dezentraler Konsensfindungs- oder Mining-Prozess ist in dieser Ausführungsform nicht erforderlich, da dem Hub die alleinige Schreibberechtigung für die Blockchain zugewiesen ist.In a third step, the block is signed and sealed. The central hub calculates the cryptographic hash value of the newly created block. It then signs this hash value (or the entire block) with its own securely stored private key. This digital signature serves as an authoritative seal, confirming that the block has been recognized as valid by the hub and added to the chain. A decentralized consensus or mining process is not required in this implementation, as the hub is granted sole write access to the blockchain.
In einem vierten Verfahrensschritt: Anhängen des Blocks an die Kette: Nach der Signierung wird der neue Block permanent an das Ende der lokal im Hub gespeicherten Blockchain angehängt. Der berechnete Hashwert dieses neuen Blocks wird zum Referenzwert für den nächsten zu erstellenden Block.In a fourth step of the process: Appending the block to the chain: After signing, the new block is permanently appended to the end of the blockchain stored locally in the hub. The calculated hash value of this new block is to the reference value for the next block to be created.
In einem (optionalen) fünften Verfahrensschritt: Dezentrale Replikation der Blockchain: Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit kann der Hub die neu erstellten und signierten Blöcke an andere Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130 im Netzwerk zur Speicherung weiterleiten. Diese Geräte halten somit eine schreibgeschützte Kopie (Replikat) der autoritativen Blockchain. Im Falle eines Hub-Ausfalls kann ein neu gewählter Hub auf diese Replikate zugreifen, um den letzten gültigen Stand der Kette wiederherzustellen, indem er die Integrität der Hash-Kette und die Signaturen des ursprünglichen Hubs überprüft.In an (optional) fifth step of the process: Decentralized replication of the blockchain: To increase fault tolerance, the hub can forward the newly created and signed blocks to other smart meters 24, 121, 122, 123, 124, 130 in the network for storage. These devices thus hold a read-only copy (replica) of the authoritative blockchain. In the event of a hub failure, a newly chosen hub can access these replicas to restore the last valid state of the chain by verifying the integrity of the hash chain and the signatures of the original hub.
In einem sechsten Verfahrensschritt: Regelmäßige Meldung des Ketten-Status an einen externen Server. Um eine externe, übergeordnete Überprüfung der Integrität der vom Hub verwalteten Blockchain zu ermöglichen, meldet der zentrale Hub (oder das Gateway-Smartmeter 24, 121, 122, 123, 124, 130) in regelmäßigen Abständen den kryptographischen Hashwert des jeweils letzten, neu hinzugefügten Blocks („Top-Hash“) an einen externen, vertrauenswürdigen Server (z.B. den Abrechnungsserver). Dieser Server speichert eine chronologische Liste der empfangenen Top-Hashes.In a sixth step of the process: Regular reporting of the chain status to an external server. To enable external, higher-level verification of the integrity of the blockchain managed by the hub, the central hub (or the gateway smart meter 24, 121, 122, 123, 124, 130) periodically reports the cryptographic hash value of the most recently added block ("top hash") to an external, trusted server (e.g., the settlement server). This server stores a chronological list of the received top hashes.
Vorteile und Sicherheitsaspekte:
- • Unveränderbarkeit: Durch die kryptographische Verkettung ist es praktisch unmöglich, eine einmal in der Blockchain gespeicherte Transaktion unbemerkt zu ändern oder zu löschen. Jeder Manipulationsversuch würde die Hash-Kette brechen und wäre sofort detektierbar.
- • Autoritative Datenintegrität: Die alleinige Signaturhoheit des Hubs stellt sicher, dass nur von ihm verifizierte Daten in die offizielle Historie aufgenommen werden, was die Effizienz erhöht und komplexe Konsensmechanismen überflüssig macht.
- • Externe Verankerung: Die regelmäßige Meldung des Top-Hashes an einen externen Server fungiert als „Anker“. Sollte der Hub kompromittiert werden und versuchen, eine manipulierte Blockchain-Version zu erstellen, würde der neu generierte Top-Hash nicht mit der vom externen Server protokollierten Historie übereinstimmen. Dies würde den Manipulationsversuch sofort aufdecken.
- • Immutability: Due to cryptographic chaining, it is virtually impossible to alter or delete a transaction once stored in the blockchain without detection. Any attempt at manipulation would break the hash chain and be immediately detectable.
- • Authoritative data integrity: The hub's sole signature authority ensures that only data verified by it is included in the official history, increasing efficiency and eliminating the need for complex consensus mechanisms.
- • External anchoring: Regularly reporting the top hash to an external server acts as an "anchor." Should the hub be compromised and an attempt be made to create a manipulated blockchain version, the newly generated top hash would not match the history logged by the external server. This would immediately reveal the manipulation attempt.
Dieses Verfahren transformiert das Datenspeichersystem in ein hochsicheres, manipulationsresistentes und autoritativ verwaltetes Hauptbuch („Ledger“), das die Integrität aller abrechnungsrelevanten Daten über den gesamten Lebenszyklus des Systems gewährleistet.This process transforms the data storage system into a highly secure, tamper-resistant and authoritatively managed ledger that ensures the integrity of all accounting-relevant data throughout the entire lifecycle of the system.
Die derart gebildete virtuelle Batterie löst das Problem ungenutzter Energieerzeugungskapazitäten und ermöglicht eine gerechtere und effizientere Nutzung des selbst erzeugten Stroms.The virtual battery thus created solves the problem of unused energy generation capacities and enables a fairer and more efficient use of self-generated electricity.
Ein Verfahren zur Zuordnung elektrischen Energieverbrauchs von wenigstens zwei elektrischen Verbrauchern 14, 16, 18, die aus wenigstens zwei elektrischen Energiequellen 20, 22 gespeist werden, kann die folgenden Schritte aufweisen:
- Zuordnen wenigstens eines ersten Verbrauchers 14, 16 zu einer ersten Energiequelle 22, wobei die nicht der ersten Energiequelle 20 zugeordneten Verbraucher zweite Verbraucher 18 sind;
- Assigning at least one first consumer 14, 16 to a first energy source 22, wherein the consumers not assigned to the first energy source 20 are second consumers 18;
Messen und Speichern als Verbrauchswert, für jeden Verbraucher 14, 16, 18 über einen wählbaren Zeitraum, wieviel elektrische Energie aus welcher der elektrischen Energiequellen 20, 22 in den Verbraucher 14, 16, 18 geflossen ist; Umordnen der Verbrauchswerte, so dass der Verbrauchswert von Energie, die zweiten Verbrauchern 18 aus der ersten Energiequelle 22 zugeflossen ist, von einem Verbrauchswert der ersten Verbraucher 14, 16 bezogen auf eine weitere Energiequelle 20 abgezogen und zu dem Verbrauchswert der ersten Verbraucher 14, 16 bezogen auf die erste Energiequelle 22 hinzugerechnet wird und in gleichem Maße der Verbrauchswert der zweiten Verbraucher 18 bezogen auf die erste Energiequelle 22 verringert, sowie der Verbrauchswert der zweiten Verbraucher 18 bezogen auf die zweite Energiequelle 20 erhöht wird.Measuring and storing as a consumption value, for each consumer 14, 16, 18 over a selectable period, how much electrical energy from which of the electrical energy sources 20, 22 has flowed into the consumer 14, 16, 18; rearranging the consumption values so that the consumption value of energy that flowed to the second consumers 18 from the first energy source 22 is subtracted from a consumption value of the first consumers 14, 16 related to a further energy source 20 and added to the consumption value of the first consumers 14, 16 related to the first energy source 22 and in the same proportion the consumption value of the second consumers 18 related to the first energy source 22 is reduced, as well as the consumption value of the second consumers 18 related to the second energy source 20 is increased.
In einigen Ausführungsformen ist ein derartiges Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Verbraucher 14, 16 einer auf erneuerbaren Energien basierenden ersten Energiequelle 22 zugeordnet werden.In some embodiments, such a method is characterized in that the first consumers 14, 16 are assigned to a first energy source 22 based on renewable energies.
In einigen Ausführungsformen ist ein derartiges Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass als eine weitere Energiequelle 20 ein öffentliches Stromnetz verwendet wird.In some embodiments, such a method is characterized in that a public electricity grid is used as a further energy source 20.
In einigen Ausführungsformen ist ein derartiges Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass aus den umgeordneten Verbrauchswerten eine Stromabrechnung erstellt wird.In some embodiments, such a method is characterized in that an electricity bill is created from the rearranged consumption values.
Ein Energieverbrauchszuordnungssystem mit Energiemesseinrichtungen 24, 121, 122, 123, 124, 130 und Mitteln, die so angepasst sind, dass sie die Schritte eines der voranstehenden Verfahrens ausführen.An energy consumption allocation system comprising energy measuring devices 24, 121, 122, 123, 124, 130 and means adapted to perform the steps of one of the preceding procedures.
In einigen Ausführungsformen ist das Energieverbrauchszuordnungssystem gekennzeichnet durch eine Kommunikationsinfrastruktur zur Kommunikation wenigstens der Energiemesseinrichtungen 24, 121, 122, 123, 124, 130 mit einer Verarbeitungseinrichtung.In some embodiments, the energy consumption allocation system is characterized by a communication infrastructure for communication between at least the energy measuring devices 24, 121, 122, 123, 124, 130 and a processing device.
BezugszeichenReference sign
- 1010
- GebäudeBuilding
- 1212
- HausverteilnetzHome distribution network
- 1414
- erster Verbraucherfirst consumer
- 1616
- erste Verbraucherfirst consumers
- 1818
- zweiter Verbrauchersecond consumer
- 2020
- öffentlicher Stromnetzanschluss (zweite Energiequelle)public electricity grid connection (second energy source)
- 2222
- Photovoltaikanlage (erste Energiequelle)Photovoltaic system (first energy source)
- 2424
- SmartmeterSmart meter
- 2626
- LeistungsmessungseinrichtungPower measuring device
- 2828
- VerarbeitungseinrichtungProcessing facility
- 3030
- Drahtgebundene KommunikationseinrichtungWired communication device
- 3232
- Drahtlose KommunikationseinrichtungWireless communication device
- 112112
- HausverteilnetzHome distribution network
- 120120
- öffentlicher Stromnetzanschluss (zweite Energiequelle)public electricity grid connection (second energy source)
- 121121
- SmartmeterSmart meter
- 122122
- SmartmeterSmart meter
- 123123
- SmartmeterSmart meter
- 124124
- SmartmeterSmart meter
- 130130
- Smartmeter mit VerarbeitungseinrichtungSmart meter with processing unit
Claims (10)
Applications Claiming Priority (2)
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Family Applications (1)
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2025
- 2025-08-06 DE DE102025131317.2A patent/DE102025131317A1/en active Pending
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