Stromzähler auslesen

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"EM" in FHEM steht für "EnergieMessung", der Stromzähler im Haushalt ist also ein naheliegendes Objekt der Erfassung durch FHEM. In Deutschland waren 2018 noch 78% der Stromzähler klassische elektromechanische Zähler [1], auch Ferraris-Zähler genannt. Neben dem Zwischenschritt, der elektronischen Messeinrichtung, dürfen heute aber nur noch moderne Messeinrichtungen ("mMe") verbaut werden, und sollen bis 2032 komplett ersetzt werden. [2] Die dritte Gruppe sind die Intelligenten Messsysteme. Bei diesen überträgt zusätzlich zu den modernen Messeinrichtungen ein SmartMeterGateway viertelstündlich die Zählerstände zum Messstellenbetreiber. Eine Ablesung durch den Nutzer selber oder den Betreiber entfällt damit. Das SmartMeterGateway soll zusätzlich auch einen Steuerungsrückkanal z.B. für Ladesäulen im Haushalt zur Verfügung stellen - diese Spezifikationen sind allerdings noch teilweise (Stand 2020) in der Entwicklung.

Anwendungsfälle der Verbrauchserfassung

Steuerung zweier Hausverbraucher (Heizkreispumpe, Tiefkühltruhe) über FHEM. Nach Abschluss der Heizphase der Waschmaschine wird die Heizkreispumpe eingeschaltet, was wiederum kurz danach einen Start des Brenners auslöst. Mit kurzer Verzögerung wird nach dem Abschalten des Brenners der Tiefkühlschrank eingeschaltet.

Ohne eigene Stromerzeugung:

  • Abrechnung von Nutzungszeiträumen, z.B. bei einer überlassenen Ferienwohnung
  • Selbstanreiz zum Stromsparen durch zeitnahes Feedback (z.B.: Tagesvergleich, Wochenvergleich)
  • Ermitteln der eigenen Tageslastkurve (Stromverbrauch nach Uhrzeit), um qualifiziert das Eigenverbrauchspotential bei einer Solaranlage vorab abschätzen zu können
  • Überwachung des 24-h-Mindestverbrauchs: Ist der Mindestwert des Stromverbrauch auf Minutenbasis im Vergleich zum Vortag angestiegen, liegt der Verdacht nahe, dass entweder ein signifikanter Standby-Verbraucher hinzugekommen ist, oder z.B. ein Kellerlicht vergessen wurde.

Mit eigener Stromerzeugung (Solar etc.):

  • Bestimmung des Eigenverbrauchs / der Autarkie-Quote
  • Signalisierung der Überschuss-Situation, z.B. durch eine farbige Lampe in der Wohnung ("Licht aus = kein Überschuss, dunkelrot = bis 500 Watt Überschuss, grün = 500-2000 Watt Überschuss, hellblau = > 2000 Watt Überschuss), um Großverbraucher bewusst einzuschalten.
  • Automatische Steuerung von Stromverbrauchern je nach Überschuss: Wärmepumpe, Wallbox, Waschmaschine / Trockner / Geschirrspüler, Tiefkühltruhe

Schnittstellen

D0-Schnittstelle an einer modernen Messeinrichtung oben rechts

D0-Schnittstelle

... und mit angebrachtem IR-Schreib/Lese-Kopf

Für den Nutzer spielt der Unterschied zwischen moderner Messeinrichtung und intelligentem Messsystem vor allem preislich eine Rolle: Die Grundgebühr für den Messstellenbetrieb, die bei der modernen Messeinrichtung z.Zt. auf 20€ im Jahr begrenzt ist, ist beim intelligenten Messsystem gestaffelt höher. An der Schnittstelle zum Nutzer ändert sich nichts: In der Regel verfügen moderne Messeinrichtung wie auch intelligentes Messsystem über eine digitale optische Schnittstelle für den Kunden: Die D0-Schnittstelle nach DIN EN 62056-21. Diese Schnittstelle findet sich in der Regel in Form eines durch eine Erhebung auf der Frontseite des Zählers gebildeten Kreises mit je einer IR-Leucht- und einer Foto-Diode am Zähler. Auf der Rückwand ist i.d.R. eine Eisenplatte angebracht, die es erlaubt, einen optischen Lesekopf mit Magneten stabil auf dem Zähler zu platzieren. Auf der D0-Schnittstelle werden - ggf. nach einmaliger oder regelmässiger Aktivierung durch eine PIN - regelmäßig (ggf. sekündlich) sowohl momentane Lastwerte (Watt) als auch Zählerstände ausgegeben.

S0-Schnittstelle

Ältere Zähler oder frei am Markt verfügbare Zwischenzähler bieten hingegen oft lediglich eine S0-Schnittstelle. Die S0-Schnittstelle entspricht der alten roten Markierung auf der Drehscheibe des Ferrariszählers: Sie liefert Impulse, deren Auftreten den Verbrauch von z.B. einer Wattstunde (Wh) signalisiert. Damit kann durch ununterbrochenes Mitzählen der Impulse der Verbrauch in relativ grober zeitlicher Auflösung erfasst werden. Neben der gröberen zeitlichen Auflösung lassen sich aber absolute Zählerstände nicht einlesen, und eine Unterbrechung der Erfassung kann nicht automatisch korrigiert werden. Eine Beschreibung, eine S0-Schnittstelle in FHEM verfügbar zu machen und mit dem Modul ElectricityCalculator auszuwerten, befindet sich z.B. hier.

Vorläufer-Lösungen

Auch für Ferraris-Zähler wurden optische Auslese-Lösungen entwickelt. Diese werden hier aber nicht beschrieben, weil der Hardware-Aufwand für eine Lösung, die ohnehin absehbar abgeschaltet wird, nicht lohnenswert ist.

Voraussetzungen für die Erfassung

Eine Moderne Messeinrichtung erhalten

Grundsätzlich obliegt es dem Messstellenbetreiber, über den Zeitpunkt des Einbaus einer modernen Messeinrichtung bis spätestens 2032 zu entscheiden. Die Entscheidung kann durch folgende Schritte des Benutzers forciert werden:

  • Gespräch mit dem Messstellenbetreiber
  • Verbrauch von mehr als 6000 kWh im Jahr
  • Betrieb einer steckerfertigen Solaranlage: Denn die Mehrzahl der Ferrariszähler würden sich beim Betrieb einer steckerfertigen Solaranlage ("Balkon-Kraftwerk", "Guerilla-PV") rückwärts drehen, da sie nicht über eine Rücklaufsperre verfügen. Dieses Rückwärtsdrehen des Zähler entspräche einem Verstoß gegen verschiedene Vorschriften, insbesondere auch ein Steuervergehen im Sinne der Stromsteuer.
  • Inbetriebnahme einer "großen" Solar-Dachanlage

D0-Schnittstelle aktivieren

In Deutschland zeigt eine moderne Messeinrichtung i.d.R. nach dem Einbau lediglich den Zählerstand in kWh ohne Nachkommastelle an. Auch die optische D0-Schnittstelle ist entweder überhaupt nicht aktiviert, oder sendet lediglich diesen ungenauen Zählerstand. In Österreich ist die D0-Schnittstelle hingegen i.d.R. aktiviert, sendet aber verschlüsselt Daten aus. In Deutschland muss der Kunde die genaue Auflösung des Zählers erst per PIN aktivieren. Diese kann vom Messstellenbetreiber i.d.R. problemlos angefordert werden, und muss dann an der D0-Schnittstelle z.B. mit einer Taschenlampe "hineingemorsed" werden. Die Netzbetreiber stellen i.d.R. in Zusammenarbeit mit den Herstellern der Zähler hierfür Anleitungen bereit. Beispielhaft ein Video zur ISKRA-Zählerfreischaltung.

Ist "der Datenschutz" erst einmal "weggemorsed", ergeben sich durch die direkte Anzeige des Live-Verbrauchs in Watt bereits Vorteile: Die Suche nach Standby-Verbrauchern kann unmittelbar am Stromzählerschrank über das Abschalten von Sicherungskreisen eingegrenzt werden.

Anbindungsoptionen an FHEM

Die Lösungen zum Auslesen beginnen bei der Befestigung einer Fotodiode mit Knetmasse oder Klebeband, einem Pullup-Widerstand und der direkten Verknüpfung mit GPIO-Ports eines Raspberry. [3] Da manche Zähler allerdings erst nach Senden einer Anforderung ihrerseits Daten versenden, ist für diese Zähler auch eine sendende IR-LED notwendig. Das erste Unterscheidungsmerkmal ist also "Nur Lesen" versus "Lesen / Schreiben". Die weitere Unterscheidung ist insbesondere die computerseitige Schnittstelle:

  • TTL-Ausgang zur Verbindung mit einem GPIO-Port z.B. eines ESP8266 (z.B. Wemos D1) oder einem Raspberry
  • USB-Ausgang zur Verbindung mit einem USB-Port (z.B. am Raspberry)
  • Kombigeräte mit direkt verbundenem ESP8266
  • "poweropti" von Power 42 GmH ("powerfox")

USB-IR-Köpfe

Generell ist für Nutzer ohne Lötkolbenerfahrung, die ihre FHEM-Hardware in USB-Entfernung zum Schaltschrank betreiben, der USB-Anschluss sicherlich die einfachste Möglichkeit. Neben Selbstbauanleitungen und 3D-Drucker-Files wie sie insbesondere vom Projekt Volkszaehler.org veröffentlicht wurden, gibt es hier auch zahlreiche Anbieter. Das reicht von Bastlern, die eine Überschussproduktion an Platinen fertig aufgebaut für unter 20 Euro anbieten [4], geht über professionelle ebay-Angebote z.B. der Verkäufer o_electronics_o und anderer Anbieter zwischen 20-25 Euro bis zum oft eingesetzten "Weidmann-Schreib/Lesekopf".

Sofern am FHEM-Computer noch ein USB-Port frei ist und die Stromversorgung ausreicht, genügt hier hardwareseitig das Andocken des Lesekopfes mit dem Kabel nach unten zeigend und das Einstecken in einen freien USB-Port. Unter FHEM wird das Modul 47_OBIS.pm eingebunden.

TTL-IR-Köpfe

Ist der "FHEM-Hauptcomputer" weiter vom Stromzähler entfernt (z.B. wegen eines angeschlossenen Displays oder mangelnder Reichweite angeschlossener Funklösungen in Zählerschranknähe), sind aber beim Stromzähler eine Steckdose und ausreichende WLAN-Abdeckung gegeben, so bietet sich ein TTL-Lesekopf in Verbindung mit einem ESP8266 als nicht ganz lötfreie, aber sparsame Lösung an. Hierbei kann zwischen folgenden Lösungen unterschieden werden:

  • Der ESP8266 überträgt lediglich die Rohdaten der seriellen Schnittstelle per TCP zu FHEM. Eine vollständige Lösung (inkl. 3D-Drucker-Dateien) mit ESPEasy ist hier von Michael Winkler beschrieben. Auf FHEM-Seite dekodiert ebenfalls 47_OBIS.pm den Datenstrom
  • Die SML-Dekodierung erfolgt auf dem ESP8266, und dieser liefert per MQTT die Daten an FHEM. Eine Lösung ist die Software SMLReader von Michael Rüttgers, eine andere das SmartMeter-Interface von Tasmota.

Kombigeräte mit direkt verbundenem ESP8266

Eine fertige Lösung (IR-Lesekopf mit ESP8266 und Gehäuse) wird z.B. vom ebay-Verkäufer peterling11 vertrieben. Das Gerät kann nach Wunsch entweder direkt MQTT senden, oder es arbeitet über ser2net mit dem FHEM 47_OBIS-Modul zusammen. Der Vorteil in beiden Fällen: Der Stromzähler muss lediglich WLAN-Versorgung haben.

poweropti

Der "poweropti" der power 42 GmbH ist eine Cloud-Lösung, die diverse Funktionen für den Endanwender in der Cloud bereitstellt. Das Gerät kommt Adaptern, Support und App und ist durchgängig auf Otto-Normal-Anwender ausgerichtet (Erklärvideos, QR-Codes scannen, App, u.s.w.). Der Hersteller stellt eine API bereit, die es u.a. erlaubt, die Parameter "aktuelle Watt-Zahl", bezogene und gelieferte kWh mit einer Auflösung von 10 Sekunden auszulesen. Eine interne Schnittstelle im heimischen LAN ist wohl vorhanden, allerdings nicht dokumentiert. Daher müssen diese Werte per HTTPMOD aus der Cloud nach FHEM zurückgelesen werden. Die Einbindung in FHEM ist hier beschrieben: poweropti.

Referenzen