CN102971928A - 根据电网负载接通终端设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电气设备（20），用于连接到建筑物的与供电网相连的配电网，所述电气设备具有开关装置（22），通过所述开关装置能够接通和断开电气负载（21）。为了对这样的设备这样进行进一步扩展，即能够进行电气负载的相对简单的需求控制，于是建议所述电气设备（20）包含监控装置（23），所述监控装置被布置以便监控配电网一侧存在于所述电气设备（20）上的电压和/或频率，并且如果监控的电压和/或频率超过上阈值就生成接通信号，而如果监控的电压和/或频率低于下阈值就生成断开信号，并且所述开关装置（22）被布置以便在存在接通信号时生成在所述配电网和所述电气负载（21）之间的电流并且在存在断开信号时断开在该配电网和该电气负载（21）之间的电流。

Description

根据电网负载接通终端设备

技术领域

本发明涉及一种电气设备，用于连接到建筑物的与供电网相连的配电网，所述电气设备具有开关装置，通过所述开关装置能够接通和断开电气负载。

背景技术

原则上这样布置现有的位于高压或中压等级的电供能网，使得将来自少量中央发电气设备（例如燃煤电站）的电能传输给终端用户。这样的能量分配系统的传输方向基本上是不变的；此外，将能量产生与终端用户的预计的和/或实际的能量需求相匹配。

最近的努力和政治的规定已经带来了电能市场的自由化。这引起了，近年来加强的再生能源、例如风能设备和光电设备将产生的电能馈送到中压电网或者低压电网，这带来了至今常见的传输装置的根本性改变。这样的再生能源的特征尤其在于由其所提供的电能量的大的波动，例如风力设备在强风时能够将相对大的电功率输出至供能网络，而在弱风或者甚至无风时输出的电功率可能降低到零。

过去例如使用所谓的高峰负荷发电站会遇到这个问题，所述高峰负荷发电站在由现有能量馈送无法服务的负荷高峰的时候运行。使用和运行这样的仅仅相对较少需要的高峰负荷发电站却具有较高的成本。其他的用于对通过易变的能量馈送不均匀地由供能网络所提供的电能进行均匀化的可能性存在于储能器的运行，其中特别地使用了所谓的抽水蓄能发电站（Pumpspeicherwerke）。当在供能网络中的电能供过于求时例如通过运行抽水蓄能发电站在抽水期间来为储能器电容充电，而当在供能网络中的电能缺乏时例如通过抽水蓄能发电站作为水电站运行来给储能器的电容放电。然而由于特定的环境要求（两个相邻的不同的高度等级）不能到处设置这样的抽水蓄能发电站；其他的储能器、例如蓄电池仍然相对昂贵。

因此，近期内加强讨论了这样的方案，按照该方案，电能的需求应当受到终端耗电器的影响。用于有针对性地控制电能需求的相对旧的方法通过设置特别的降价的夜间用电费率来实现，其中对于特定的时段（通常在夜间，那时电能需求低）以降低的价格来供应电能。在此，电能的终端用户自身被激励在低费率时段内运行其电气设备以便节省能耗开支。该方法借助固定地规定针对高费率和低费率的时间段却是相对死板的，并且仅仅能够以非常有限的程度对改变的实际情况进行匹配。对需求控制的改进是指所谓的中央控制技术，其中特定的耗电器、例如夜间储能器供暖设备通过调制到电网电压上的信号在电能供过于求的时间内能够被中央地接通；这能够附加地使用降低了的费率。在家用、商业以及工业中的很多小功率和中间功率的电气设备至今为止还没有实现所述的中央控制。此外，它们的接通由终端消费者在需求时和在仅仅偶然地而不考虑在供能网络中的实际电能供应的情况下进行。

对具有其强烈波动的能量供应的分散的再生能源所进行的能量供应改造由此需要新的控制方案，所述控制方案涉及到既将在高压和中压等级又将在低压等级的电能分配给电能终端用户。这样的控制方案近来经常被概括为“Smart Grid（智能电网）”的概念。这样的智能电网方案的目标在于，根据在电网中可用的电能进行对电能需求的有效控制，从而例如需要提供较少的高峰负载发电站。在“智能电网”这个综合概念中，这样的用于需求控制的具体方案也被称作“Demand Response（需求响应）”方案。

在该关联中，例如由US专利文件US7188260B1公知了一种方法，其中为了控制在建筑物的配电网中的电气负载而在中央服务器、各个电气负载和电表之间交换控制信号。这些电气负载按照公知方法在中央服务器上登记电能需求，所述中央服务器在拍卖方法（Auktionsverfahren）的过程中针对特定的能量供应来确定出合适的电能提供者。

该方法相对成本昂贵并且一定需要与实际供能网络平行的通信部件，以便可以在电气负载、电表和中央服务器之间传输控制信号。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，这样对开头所给出的电气设备进行扩展，使得可以对电气负载进行相对简单的需求控制。

所述技术问题按照本发明通过开头所述类型的电气设备来解决，其中，所述电气设备包含监控装置，所述监控装置被布置，以便对配电网一侧存在于电气设备中的电压和/或频率进行监控，并且如果监控的电压和/或频率超过上阈值则生成接通信号，如果监控的电压和/或频率低于下阈值则生成断开信号；并且所述开关装置被布置，使得在存在接通信号时建立在配电网和电气负载之间的电流，而在存在断开信号时则中断在配电网和电气负载之间的电流。

所述发明利用了这样的知识，即，根据网络负荷和能源供应，供电网的（以及由此建筑物的配电网的）电压和/或频率（在下文中单独地或者概括地也称为“网络参数”）在围绕额定值的标准化了的容差带内波动。在电能过剩的情况下检测到相对于额定值升高了的电压或频率，而在电能不足时电压或频率相对于额定值轻微地下降。按照本发明的电气设备的特别优点在于，为了控制电气负载的接通和断开，不需要与存在于建筑物的配电网中的电表和/或在供能网络中的上一级控制的额外的通信连接，原因是，控制器特性直接从建筑物的配电网中的监控的网络参数中得到。通过本发明，由此给出了一种电气设备，使得分布式地并且独立地获知，何时在供能网络中产生能量过剩和能量不足，并且对其电能需求进行调整。

按照本发明的电气设备的优选扩展，开关装置具有延迟单元，所述延迟单元这样被布置，使得在存在接通信号时将通过开关装置的电流的建立延迟借助随机计时器所给定的时间段。

由此可以实现，即使在接通多个电气负载时在电压或频率上升超过上阈值时也不会产生不期望的需求高峰，所述需求高峰可能又会带来在供电网中的电压下降或频率下降。为此，开关装置具有带有随机计时器的延迟元件，所述随机计时器产生随机的时间段作为对接通信号的反应，电气负载的接通以所述随机的时间段被延迟。由此实现了，电气负载不是同时接通，而是逐渐地被接通。

在该关联中，此外可以设置，所述延迟单元被构造为如果在给定时间段内监控的电压和/或频率超过上阈值则中断给定的时间段的过程。

以这种方式，如果在供能网络中不再存在电能过剩，则可以中断其他的电气负载的接通，所述其他的电气负载由于为其所给定的时间段还在持续所以还没有被接通。由此仅仅当电压或频率大于上阈值而显示出能量过剩时，才连接其他的电气负载。

在该关联中，另一个优选的实施形式设置了，为了确定时间段而这样设置随机计时器，使得监控的电压和/或频率越高，则给定的时间段越短。

通过这样根据监控的网络参数的高低来调整随机计时器可以有利地实现，在监控的网络参数的数值上升时将单个的电气负载快速地接通，原因是监控的网络参数的较高数值意味着相应高的、在供电网中可用的过剩能量。

根据按照本发明的电气设备的再一个优选实施形式也可以设置，这样布置所述开关装置，使得如果存在接通命令则也生成接通信号，所述接通命令指示了不依赖于监控的电压和/或频率地在配电网和电气负载之间建立电流。

所述接通命令在此可以例如通过电气负载的用户手动地或者由电气负载自身自动地生成。例如可以设置，具有冷冻柜形式的电气负载在超过最大允许的上位温度时通过接通命令不依赖于电网中的负载情况而强制接通。同样地，例如洗衣机在其装载之后在最大等待时间过去后可以通过接通命令而不依赖于在电网中的负载情况来调用开始洗衣过程。

按照本发明的电气设备的再一个优选实施例此外设置了，所述电气设备具有显示装置，所述显示装置对接通信号的存在和/或断开信号的存在进行光学地显示。

由此可以有利地为电能的终端用户指示出供电网的各种状态，由此其可以相应地调整其消费行为并且例如在电网中的电能过剩时接通在随后的时间内总归要接通的其他电气设备。

根据按照本发明的电气设备的再一个优选的实施形式，此外设置了，电气负载和电气设备构成了共同的结构单元。

在这种情况下，电气负载（例如冰箱、热水器或者洗衣机）包含带有监控装置的电气设备并且由此可以直接地连接到建筑物的配电网上。

为了也能够根据电网负载接通和断开存在的电气负载，按照替换的实施形式建议了，所述电气设备具有与开关装置相连接的输出触点，所述输出触点适合用于电气负载的电连接。

在这种情况下，电气设备近似形成了前接装置，所述前接装置例如可以连接在建筑物的配电网的插座上并且自身具有其他的、通过开关装置根据监控的网络参数可连接的用于电气负载的接头。既然针对监控装置和开关装置所布置的结构部件可以相对小地被实施，这样的前接装置的尺寸同样也可以保持较小（例如相应于通常的插座适配器）。

最后根据按照本发明的电气设备的再一个优选构造，所述监控装置可以被构造为，根据电气负载的运行状态形成对于构造断开信号而使用的下阈值。

例如可以在这种情况下根据通过断开是否可能出现不期望的运行状态来断开电气负载即。例如在冷冻柜作为电气负载的情况下，可以由冷冻柜的“储能器储备”、也就是当前的冷冻物品温度与最大允许的温度之间的距离来构成下阈值的高度。在较高的储能器储备、也就是例如较低的冷冻物品温度的情况下，可以使用较高的下阈值的数值，以便在网络参数低于额定值时较小波动的情况下就产生断开信号。

附图说明

下面结合实施例进一步阐述本发明。其中，

图1示出了电气设备的第一实施例的示意方块图，所述电气设备具有连接的电气负载；

图2示出了电气设备的第二实施例的示意方块图，所述电气设备集成在电气负载中；以及，

图3示出了具有配电网的建筑物的示意图，在所述配电网上连接了多个电气负载。

具体实施方式

图1示出了电气负载10，所述电气负载在输入端一侧连接在建筑物的没有进一步示出的配电网11上。电气设备10具有输出触点12，通过电气连接在所述输出触点上连接了电气负载13，所述电气负载在图1中仅仅示例性地以电动机的形式示出。总起来说，电气负载可以是可连接在建筑物的配电网上的电气设备（在家用中，例如制冷设备或者取暖设备、热水器、空调、水泵、洗衣机和洗碗机，但是也包括在工业运行中的工业锅炉和其他设备）。

为了根据建筑物的配电网所连接的供电网的各种负载情况而对电气负载13进行控制，电气设备10具有开关装置14，所述开关装置能够建立或者中断在配电网11和电气负载13之间的电流。此外，电气设备10包含监控装置15，所述监控装置被布置，用于对在配电网一侧存在于电气设备10上的、具有电压和/或频率形式的网络参数进行监控。

依据监控的网络参数即能够获得供电网的负载情况，所述负载情况也反映在建筑物的连接在供电网上的配电网中。电压或频率通常对应于额定值，但是也允许在额定值附近在窄的容差带中波动。如果监控的电压或频率位于容差带的上部区域（大于额定值），则在供能网络中存在电能过剩。相应地，对于位于容差带的下部区域中（小于额定值）的监控网络参数值，可以得知在供能网络中电能不足。

电气设备10利用了该效应，方法是，当监控的电压或频率的值在上阈值之上（在容差带的上部区域中）时监控装置15发送接通信号S_ein至开关装置14的控制输入端16，从而促使所述开关装置（例如通过接通触点）建立在配电网11和输出触点12之间的电气连接并且由此允许了到电气负载13的电流。相应地，当电压或频率的数值低于下阈值（在容差带的下部区域中）时监控装置15产生断开信号S_aus并且将其发送至开关装置14的控制输入端16，从而促使所述开关装置中断在配电网11和电气负载13之间的电流。

通过电气设备10的工作方式实现了，一方面当在供电网中电能过剩时将连接在后的电气负载接通，而另一方面当在供电网中（例如基于通过再生能源发生器的较少或者甚至错误地供给）电能不足时将连接在后的电气负载断开。电气设备的特别优点在于，为了对开关装置进行控制，不需要与供能网的电表或者控制装置进行通信连接。

图2示出了电气设备20的另一个实施例。尽管按照图1的电气设备10在一定程度上用作分离的电气负载13的前接装置，而按照图2的电气设备20和连接在后的电气负载21形成了共同的单元。

按照图2的电气设备20的基本工作方式与已经针对图1所阐述的工作方式相一致，由此在针对图2描述时将重点放在存在的不同点上。

就像按照图1的电气设备10一样，按照图2的电气设备也具有开关装置22，所述开关装置22一方面通过由监控装置23产生的接通信号S_ein以及另一方面通过由监控装置23产生的断开信号S_aus来控制。然而与按照图1的描述不同，接通信号S_ein首先传输至延迟元件24，所述延迟元件将接通信号S_ein到开关装置22的传输以预定的时间段进行延迟。在此，所述时间段通过由延迟单元所包含的（未具体示出的）随机计时器来确定，所述随机计时器包含随机发生器并且作为对在延迟元件24上输入端一侧存在的接通信号S_ein的反应来将随机确定的时间段确定为延迟元件24的参数。接通信号S_ein到开关装置22的传输被延迟了该随机确定的时间段。其目的在于，在多个像电气负载21一样根据监控的网络参数被接通的电气负载的情况下，也不产生因为同时接通所有电气负载引起的负载峰值。反之，借助随机给定的延迟时间，逐渐地接通电气负载，从而保证了供能网络的稳定性。

此外可以设置，当监控的网络参数随着给定的时间段流逝而下降到低于上阈值（也就是结束了电能过剩）时，所述时间段的过程被中断。这引起了，当在供能网络中存在电能过剩时，分别仅仅将通过该过剩所能服务的那么多的电气负载进行接通。

此外，可以这样布置延迟元件24，使得监控的电压或频率的数值越高，则确定的时间段越小。以这种方式可以在电能具有大的过剩的情况下相对快地接通多个电气负载。

与接通信号S_ein不同，由监控装置23直接地（也就说，无需延迟元件的中间连接）将断开信号S_aus传输给开关装置22。

在按照图2的实施例中，此外设置了，如果电气设备21想要强制通过开关装置22接通，则所述电气设备自身生成接通命令B_ein。这样布置开关装置22，使得所述开关装置在存在接通命令B_ein时生成至电气负载的电流。如果否则会发生电气负载21的非期望的运行状态时，例如当冷冻柜的温度已经达到了最大允许的数值时，则可以通过电气负载21例如产生这样的接通命令B_ein。此外，在允许的等待时间结束之后，例如在洗衣机装载之后，也可以生成接通命令B_ein，以便可以为电气负载21的用户提供可接受的结果（例如，在洗衣机装载之后最多三个小时之内结束洗衣过程）。

接通命令B_ein此外还可以由电气负载21的用户手动地、例如通过设置在电气设备20上的键控器来生成。

此外，按照图2的电气设备20具有光学显示装置35，所述显示装置可以由监控装置23控制，以便为电气设备20的用户显示接通信号S_ein和/或断开信号S_aus的存在。这可以例如通过绿色的（存在接通信号）和/或红色的（存在断开信号）LED来实现。电气设备20的用户可以根据光学显示装置25的状态来相应地匹配其能量消费行为并且有目的地接通或断开其他的耗电器。

图3最终示出了具有配电网31的建筑物30的示意图，所述配电网连接在此外未进一步示出的供电网33上的转接点32上。在转接点32的附近设置了中央电表34，所述电表对与建筑物30的配电网31相关的电能进行确定。

在建筑物30的配电网31上（在图3中仅仅示例性地示出）连接了具有洗衣机35和冷冻箱36形式的电气负载。其他的电气负载在图3中没有示出，但是可以自然地出现。

冷冻柜36（例如按照上述两个实施例之一所述）包含集成的电气设备，而洗衣机35通过被实施为前接装置的设备37来与配电网相连接。电气负载35和36的控制的工作方式相应于按照图1和图2的解释并且由此在此不应当重复。特别指出的是，对于所述的与网络负载相关的对电气负载35和36的控制来说，丝毫不需要与电表34或者与供电网33的控制装置的通信连接。

一般认为，具有储能特性的特别的电气负载，例如制冷和冷冻设备、热水器、工业锅炉或者热泵，所述电气负载与缓冲存储器一起工作，适合于按照在此描述的工作方式避免在供电网中的负载峰值，方法是，在能量过剩阶段尽可能地满足其能量需求，而在供能网络中能量紧张的时间内尽可能地延迟其再次接通。但是在日常运行中可以在极限内推迟其接通的其他电气设备、例如洗衣机和洗碗机可以在进行所述控制时做出有价值的贡献以便优化供能网络。

对于关于极限值、例如冷冻物品温度、加热、装载情况等被控制的电气设备，如果在能量过剩的时间内将该极限值提高到最大允许的数值，这是有优势的，以便在随后的较少能量供应的时间阶段内由于低于最小允许数值而尽可能地避免接通。该最小数值也可以与能量供应相关地通过所述电气设备降低到最低允许的极限值，以便在能量下降时尽可能地避免连通。

按照电气负载的类型此外可以将“释放类型”（“Abwurfklassen”）作为监控装置的参数使用，以便特别地确定下阈值的高度。由此例如可以为电气负载（其断开会有较小的效果）分配这样的释放类型，对于该释放类型相应地可以使用下阈值的较高数值（也就是对应于较低偏差的阈值）。相应地可以为电气负载（其断开是不期望的）分配不同的释放类型，对于该释放类型使用下阈值的较低数值。同样地可以关于上阈值来调整所述过程。

在具有储能功能的电气负载中，此外可以动态地依据各个运行情形来匹配下阈值。例如在这种情况下可以根据通过断开是否可能发生不期望的运行状态来断开电气负载。在冷冻柜作为电气负载的情况下，例如下阈值的高度可以由冷冻柜的“储能器储备”、也就是当前冷冻物品温度与最大允许温度之间的距离来形成。在高的储能器储备、也就是例如低的冷冻物品温度的情况下，可以为下阈值使用较高的温度，从而在网络参数低于额定值的小波动时也产生断开信号。

此外，供电网运营商为了激励终端用户使用所描述的电气设备，可以提供关于电能的不同费率，所述费率与各种电网状态相匹配。

所描述的电气设备的其他优点在于，不像其他的用于对供能网络的运行进行优化的系统那样从总的供能网络的状态中得到其工作方式，而是从具体的局部能量供应中例如在考虑附近的大耗能器和附近的再生能源的反作用的情况下进行网络优化。由此使供能网络中的传输损耗进一步最小化。

Claims (9)

1.一种电气设备（20），用于连接到建筑物的与供电网相连的配电网，所述电气设备具有

-开关装置（22），通过所述开关装置能够接通和断开电气负载（21），其特征在于，

-所述电气设备（20）包含监控装置（23），所述监控装置被布置，以便监控配电网一侧存在于所述电气设备（20）上的电压和/或频率，并且如果监控的电压和/或频率超过上阈值就生成接通信号，而如果监控的电压和/或频率低于下阈值就生成断开信号，并且

-所述开关装置（22）被布置，以便在存在所述接通信号时生成在所述配电网和所述电气负载（21）之间的电流，并且在存在所述断开信号时断开在该配电网和该电气负载（21）之间的电流。

2.按照权利要求1所述的电气设备（20），其特征在于，

-所述电气设备（20）具有延迟元件（24），所述延迟元件被这样布置，使得其在存在接通信号的情况下将通过所述开关装置（22）的电流的建立以借助随机计时器所给定的时间段进行延迟。

3.按照权利要求2所述的电设备（20），其特征在于，

-所述延迟元件（20）被布置，以便如果在给定时间段内所监控的电压和/或频率低于上阈值，则中断给定的时间段的过程。

4.按照权利要求2或3所述的电气设备（20），其特征在于，

-所述随机计时器这样被布置以便确定时间段，使得监控的电压和/或频率越高，则给定的时间段越短。

5.按照上述权利要求中任一项所述的电气设备（20），其特征在于，

-所述开关装置（22）被布置，以便如果存在接通命令则也生成接通信号，所述接通命令指示了不依赖于监控的电压和/或频率地在所述配电网和所述电气设备（21）之间建立电流。

6.按照上述权利要求中任一项所述的电气设备（20），其特征在于，

-所述电气设备（20）具有显示装置（25），所述显示装置光学地显示出接通信号的存在和/或断开信号的存在。

7.按照上述权利要求中任一项所述的电气设备（20），其特征在于，

-所述电气负载（21）和所述电气设备（20）形成共同的结构单元。

8.按照权利要求1至6中任一项所述的电气设备（20），其特征在于，

-所述电气设备（20）具有与所述开关装置（22）相连的输出触点，所述输出触点适合用于所述电气负载（21）的电气连接。

9.按照上述权利要求中任一项所述的电气设备（20），其特征在于，

-所述监控装置（20）被布置，以便根据所述电气负载（21）的运行状态来构造用于形成所述断开信号的下阈值。

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