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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Stromertrags- und/oder Verbrauchsgrößen in einem
Niederspannungsnetz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Niederspannungsnetze
werden in Abhängigkeit
von der jeweiligen Anwendung mit einphasigen oder dreiphasigen Spannungen
im Bereich von 230 V bzw. 400 V bis zu einer Obergrenze von 1000
V betrieben. Sie dienen in der Regel zur Versorgung von Endverbrauchern
und sind in verschiedenen Arten ausgebildet. Niederspannungsnetze
beginnen in der Regel an einer Transformatorenstation in unmittelbarer
Nähe von
Wohn- oder Gewerbegebieten, in denen die Spannung der überregionalen
Hochspannungsnetze von 10 kV bzw. 20 kV für ein Drehstromnetz mit einer
Phasenspannung von 230 V gegen einen geerdeten Sternpunkt und einer
Außenleiterspannung
von 400 V zwischen jeweils zwei Außenleitern transformiert werden.
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Sonderformen
derartiger Netze sind Niederspannungs-Industrienetze mit einer Spannung
von 400 V, 500 V bzw. 700 V, bzw. Großgebäudenetze, die an ein Mittelspannungsnetz
angeschlossen sind und über
einen eigenen Transformator verfügen,
der in das interne Niederspannungsnetz einspeist. Niederspannungsnetze
werden auch zur Nachrichtenübertragung,
insbesondere zur Übertragung
so genannter Rundsteuersignale oder in einigen Ländern zur Übertragung höherfrequenter
Datensignale mittels eines Trägerfrequenzmodems
benutzt.
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Über Verteilerpunkte
zweigt das Niederspannungsnetz in kleinere Unternetze auf, welche
die Verbraucherstromversorgung im engeren Sinne bilden.
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Beispiele
hierfür
sind die Stromversorgungen in einem Wohnhaus. Innerhalb des Unternetzes befinden
sich weitere Unterverteiler, insbesondere an Steigleitungen angeschlossene
Etagenverteiler, Verteiler für
abgeschlossene Unterbereiche, insbesondere Wohnungen oder andere
Raumkomplexe.
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Eine
Messung von Verbrauchsgrößen in derartigen
Unternetzen erfolgt üblicherweise
durch in die Unternetze geschaltete elektrisch kontaktierte Drehstromzähler (so
genannte Ferraris-Zähler).
Diese befinden sich an zweckmäßigen Punkten,
z. B. in einem Schaltschrank eines Hauses, und führen für einzelne Mietparteien, Wohnungen
und dergleichen Einheiten eine Verbrauchsmessung aus. Eine Verbrauchsmessung
mit einer solchen Vorrichtung für
noch kleinere Teilbereiche lohnt wegen des damit verbundenen Aufwandes
nicht und wird in der Regel auch nicht ausgeführt.
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Verbrauchsmessungen
für einzelne
Verbraucher, d. h. für
einzelne Stromanschlüsse
und Steckdosen, sind mit so genannten Energiekostenmessgeräten möglich. In
Abhängigkeit
von deren Ausführungsform
werden diese entweder in einen Stromanschluss, d. h. in eine Steckdose,
eingesteckt, oder mittels Stromzangen für eine gewisse Zeit an einzelne
Leitungen angeklemmt.
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Derartige
Lösungen
befriedigen allerdings keineswegs. Es können nur kurzzeitige Messungen an
einer Entnahmestelle oder einem Verteiler vorgenommen werden. Eine
korrekte Ermittlung und Darstellung des Stromverbrauchs auf der
Ebene des jeweiligen Teilnetzes oder sogar eine Aufzeichnung des
Verbrauchs über
einen längeren
Zeitraum sind unmöglich.
Energiekostenmessgeräte,
die sich in Steckdosen einstecken lassen und gewisse Speicherfunktionen
für Messwerte
aufweisen können, sind
nur für
jeweils eine Steckdose vorgesehen und können zur Berechnung oder zum
Verfolgen eines Stromverbrauchs in einem beliebig ausgebildeten Teilnetz
mit mehreren Verbrauchern nicht verwendet werden.
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Derartige
Vorrichtungen sind auch nicht zweckmäßig, wenn ein Stromertrag einer
lokalen Stromquelle im Niederspannungsnetz, etwa eines Generators
oder einer Solaranlage in oder an einem Gebäude, gemessen oder über einen
längeren
Zeitraum verfolgt werden soll.
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Aus
den genannten Nachteilen und Problemen ergibt sich die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe, eine Anordnung zur Messung von Stromertrags- und/oder Verbrauchsdaten
in einem Niederspannungsnetz anzugeben, mit der grundsätzlich auf beliebigen
Ebenen, Teilbereichen, Verbrauchs- bzw. Einspeisestellen des Niederspannungsnetzes
Verbrauchsgrößen und/oder
Stromertragsgrößen auf einfache,
kostengünstige
und kontinuierliche Weise gemessen werden können. Eine langfristige Verfolgung
dieser Größen soll
dabei möglich
sein.
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Die
Aufgabe wird mit einer Anordnung zur Messung von Stromertrags- und/oder Verbrauchsdaten
in einem Niederspannungsnetz gelöst.
Die erfindungsgemäße Anordnung
zeichnet sich durch mindestens eine vor und/oder nach einem Verteilerpunkt des
Niederspannungsnetzes an einer Leitung eines Stromkreises installierte
Messeinheit aus. Diese umfasst einen kontaktlosen Stromwandler zur
Erfassung eines Stromflusses und einen internen Messsignalumsetzer
in Verbindung mit einem Erfassungsgerät mit einem Messwertspeicher
und einer Schnittstelle für
einen bidirektionalen Datenaustausch mit einer externen Datenerfassungs-
und Auswerteeinheit.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es, an zweckmäßig ausgewählten, aber
an sich beliebig gewählten
Leitungen des Niederspannungsnetzes eine Anordnung aus mindestens
einer kontaktlos arbeitenden Messeinheit und einem Erfassungsgerät anzuordnen,
die den Stromfluss und/oder die elektrische Spannung in der Leitung
und damit den Stromverbrauch bzw. den Stromertrag misst sowie die
Bestimmung daraus abgeleiteter Größen ermöglicht und die dabei registrierten
Messwerte an eine externe Datenerfassungs- und Auswerteeinheit übertragt. Der
Datenaustausch zwischen Messeinheit und Datenerfassungs- und Auswerteeinheit
erfolgt bidirektional. Die Messeinheit bzw. das Erfassungsgerät werden
von der Datenerfassungs- und Auswerteeinheit angesprochen und zum
Auslesen der ermittelten Messdaten abgefragt.
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Jede
Messeinheit enthält
einen kontaktlosen, von der Leitung galvanisch isolierten Stromwandler.
Eine elektrisch leitende Kontaktierung ist nicht notwendig. Die
Messeinheit kann grundsätzlich an
jeder beliebigen Stelle innerhalb des Niederspannungsnetzes angeordnet
sein, so dass an diesem Punkt Stromertrags- bzw. Verbrauchsgrößen ermittelt
werden können.
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Der
Messsignalumsetzer ist zweckmäßigerweise
als ein durch ein Schieberegister aktivierter A/D-Wandler ausgebildet.
Dieser setzt das analoge Stromsignal des Stromwandlers ein digitales
Messsignal um.
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Der
Messwertspeicher ist als ein von dem Schieberegister aktivierter
Speicher- und Vergleicherschaltkreis
zum Ermitteln und Speichern eines Messwertes in Form eines in einem
Abtastintervall ermittelten Maximalwertes ausgebildet. Das Schieberegister
löst an
der Messeinheit eine Vielzahl von Einzelmessungen zum Abtasten des
durch den Stromwandler gelieferten und durch den A/D-Wandler digitalisierten
Messsignals aus. Der dabei ermittelte Maximalwert des digitalisierten
Messsignals bildet den von der Messeinheit ermittelten Messwert.
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Die
Schnittstelle an dem Erfassungsgerät für den bidirektionalen Datenaustausch
ist zweckmäßigerweise
eine serielle Schnittstelle, insbesondere eine RS232-, RS422- oder
eine USB-Schnittstelle. Die Übertragungsprotokolle
für derartige
Schnittstellen sind für
eine bidirektionale Datenübertragung standardisiert.
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Die
externe Datenerfassungs- und Auswerteeinheit ist zweckmäßigerweise
ein mit einer Abfrage- und Auswertesoftware ausgestattetes Computersystem,
insbesondere ein Personalcomputer. Derartige Computersysteme sind üblicherweise
mit allen erforderlichen Schnittstellen zur Datenübertragung ausgestattet.
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Zweckmäßigerweise
ist mindestens eine Messeinheit als eine Spannungsmesseinheit ausgebildet.
Bei einer derartigen Messeinheit ist anstelle des Stromwandlers
ein Spannungswandler zum Erzeugen eines Spannungsmesssignals mit
einer zur Netzspannung proportionalen Signalspannung für ein Erfassen
einer Netzspannung vorgesehen. Die Spannungsmesseinheit dient dazu,
die innerhalb des Netzes auftretenden Spannungsschwankungen zu registrieren.
Damit wird die Voraussetzung geschaffen, dass zusammen mit den gemessenen
Strömen die
von Strom und Spannung abhängenden
Verbrauchs- bzw. Ertragsgrößen, insbesondere
Leistungen, präzise
zu errechnet werden können.
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Der
Spannungswandler kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein. Bei
einer ersten Ausführungsform
ist der Spannungswandler als eine Spannungsteilerschaltung ausgebildet.
Bei einer weiteren Ausführungsform
ist der Spannungswandler als ein Messtransformator mit einer festen
Last ausgebildet.
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Ein
Verfahren zum Betreiben einer Anordnung zum Messen von Stromertrags- und/oder Verbrauchsdaten
in einem Niederspannungsnetz mit den genannten Merkmalen zeichnet
sich durch folgende Verfahrensschritte aus: Es wird ein Anforderungssignal
von der Datenerfassungs- und Auswerteeinheit an die jeweils eine
Messeinheit gesendet. Daraufhin erfolgt ein Abtasten einer durch
den A/D-Wandler erzeugten digitalisierten Sinuswelle eines vom Stromwandler
und dem mindestens einen Spannungswandler gelieferten Messsignals
und ein Speichern eines dabei ermittelten Maximalwertes als Messwert.
Als Antwort wird der in dem Messwertspeicher gespeicherte Messwert über die
Schnittstelle an die externe Datenerfassungs- und Auswerteeinheit übertragen.
Es erfolgt ein Speichern und Umrechnen des Messwertes in momentane
und/oder zeitlich verfolgbare Stromertrags und/oder Verbrauchsgrößen, insbesondere
Leistung, Energieertrag, Energieverbrauch und/oder Kosten. Die berechneten
Ertrags-, bzw. Verbrauchsgrößen werden
in einer geeigneten Weise dargestellt und aufbereitet.
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Bei
mehreren Messeinheiten erfolgt das Senden des Anforderungssignals
nacheinander getaktet an jede einzelne Messeinheit.
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Es
muss dabei keine ständige
Messung der zu ermittelnden Größen erfolgen,
vielmehr können die
Messungen in wiederkehrenden Zeiträumen, insbesondere an gewissen
Stichtagen, Tageszeiten oder bei Bedarf erfolgen.
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Zur
Aufbereitung und Darstellung der berechneten Stromertrags- und/oder
Verbrauchsgrößen wird
zweckmäßigerweise
ein interaktiver Netzplan, insbesondere in Form eines Gebäudegrundrisses,
mit einer Anzeige der Stromkreise, Messeinheiten, Stromerzeuger
und/oder Verbraucher erzeugt und die Stromertrags- und/oder Verbrauchsgrößen aufgeschlüsselt auf
einzelne Räume
und/oder einzelne Stromkreise des Gebäudegrundrisses angezeigt. Diese
Visualisierung ermöglicht
es, die gemessenen bzw. berechneten Größen schnell und einfach abzufragen,
wobei für
den Benutzer die Bereiche der jeweiligen Teilnetze und deren Verbraucher übersichtlich
werden.
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Zur
Aufbereitung und Darstellung der berechneten Stromertrags- und/oder
Verbrauchsgrößen kann
auch auf die Erzeugung einer Stromertrags- und/oder eine Verbrauchsverlaufskurve
mit einer Darstellung einer Änderung
einer Stromertrags- und/oder Verbrauchsgröße über einer Folge von Zeitintervallen,
insbesondere eine Darstellung einer Leistungsverlaufs- einer Energieverlaufs- oder einer Kostenverlaufskurve,
zurückgegriffen
werden. Zeitliche Entwicklungen der gemessenen bzw. berechneten
Größen werden
dadurch sichtbar.
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Zweckmäßigerweise
erfolgt außerdem
eine Darstellung eines Gesamtstromertrages und/oder einer Gesamtverbrauchsgröße, insbesondere
einer Stromstärke,
eines Energiebetrages, einer Leistung und/oder Gesamtkosten mit
einer Aufschlüsselung und
Darstellung der Anteile der einzelnen Messeinheiten, insbesondere
in Form eines Tortendiagramms bzw. Balkendiagramms. Damit können Anteile
einzelner Stromquellen und vor allem einzelner Verbraucher an den
Stromerträgen
bzw. an den Verbrauchsdaten, übersichtlich
dargestellt werden.
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Die
Messanordnung und das Verfahren zum Betreiben der Messanordnung
sollen im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es werden für
gleiche bzw. gleich wirkende Teile bzw. Verfahrensschritte die gleichen
Bezugszeichen verwendet. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 bis 5.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Anordnung mehrerer Messeinheiten in einem Teilnetz
eines Niederspannungsnetzes,
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2 ein
beispielhaftes Blockdiagramm einer Messeinheit und eines Erfassungsgerätes mit den
darin enthaltenen Teilen,
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3 eine
genauere Darstellung der Teilkomponenten der Einzelteile einer Messeinheit,
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4 ein
beispielhafter Ablaufplan einer Messwerterfassung, Übertragung
und Auswertung,
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5 eine
beispielhafte Visualisierung zur Messwertauswertung.
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1 zeigt
ein Teilnetz eines Niederspannungsnetzes. Das Teilnetz kann je nach
konkreter Gestaltung sehr unterschiedlich ausgebildet sein. In den
nachfolgenden Ausführungsbeispielen
wird von einem Teilnetz ausgegangen, das die Stromversorgung für mehrere
Wohnräume
einer Wohnung abdeckt. Die nachfolgenden Erläuterungen sind in entsprechender
Weise auch auf andere Teilnetze, beispielsweise für Gewerberäume und
Werkstätten,
Gebäudenetze
und dergleichen Teilnetze übertragbar.
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In
dem hier vorliegenden Fall einer Wohnung ist an einer Steigleitung
innerhalb eines Hauses ein Verzweigungspunkt 1 angeordnet.
Dieser weist die dafür üblichen
schaltungstechnischen Einrichtungen, insbesondere Sicherungen, Schutzschalter
und dergleichen weitere Mittel zum Schalten bzw. Abtrennen des Teilnetzes
auf.
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Von
diesem Verzweigungspunkt zweigen die je einen Stromkreis 3 bildenden
Leiter ab, die zu den einzelnen Verbrauchsstellen und Stromanschlüssen, d.
h. Steckdosen, mit Lüsterklemmen
bewehrte Kabelenden und dergleichen Anschlüsse, führen. In dem hier gezeigten
Beispiel sind dies eine Reihe von Außenleitern, die eine Spannung
gegenüber
einem geerdeten Sternpunkt aufweisen. Die Außenleiter, sowie die entsprechenden,
hier nicht dargestellten Neutralleiter und Schutzleiter bilden das
Teilnetz des Wohnungsbereiches. Die Außenleiter weisen in einem Niederspannungsnetz
eine Wechselspannung von 230 V zur Versorgung von Wohnräumen auf.
Für diese
ist eine rote, graue oder schwarze Isolierung festgelegt. Der Neutralleiter
ist blau und der Schutzleiter grün-gelb
gestreift isoliert. Ein Außenleiter
und der Neutralleiter sind an jeder Anschlussstelle 3a des Teilnetzes
zu finden. Die Anschlussstelle 3a ist in der Regel eine
Innenraum- oder Badsteckdose in der bekannten Ausführungsform
als Steckdose mit einem Schutzkontakt, oder ein Starkstromanschluss,
der zur Stromversorgung von Elektroherden oder anderen Heizgeräten zur
Anwendung kommt.
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Aus
einem für
die Wohnung geltenden Installationsplan ist die Zuordnung der Leitungen 2 zwischen
Verzweigungspunkt und Anschlussstelle 3a bekannt. Jeder
dieser Leitungen 2 weist eine Messeinheit 4 auf.
Diese Messeinheit ist galvanisch getrennt an jeder Leitung 2 angeordnet
und misst den in der Leitung fließenden Strom. Für Verbrauchsmessungen
ist die Leitung 2 zweckmäßigerweise einer der Außenleiter.
Wird die Messeinheit an einem Schutzleiter angebracht, dient die
so gebildete Anordnung als Sensor für einen infolge von Leitungsdefekten
fließenden
Strom. Mehrere dieser Messeinheiten sind mit einem Erfassungsgerät 7a gekoppelt, das
an den Messeinheiten Messprozeduren auslöst und die dabei ermittelten
Messwerte entgegen nimmt und an eine Datenverarbeitungs- und Auswerteeinheit 9 weiterleitet.
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Die
externe Datenerfassungs- und Auswerteeinheit 9 registriert
die von den Messeinheiten gelieferten Messdaten, rechnet diese in
Verbrauchsgrößen um und
stellt diese Verbrauchsgrößen dar.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm einer beispielhaften Messeinheit. Die Messeinheit
enthält
einen Stromwandler und/oder einen Spannungswandler 5.
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Der
Stromwandler weist die Form eines Hohlzylinders auf und ist ringförmig auf
die Leitung 2 geschoben. Grundsätzlich kann zur Realisierung
des Stromwandlers auf die aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen
für Wechselstromsensoren
zurückgegriffen
werden.
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Es
können
dabei Stromwandler für
verschiedene Messbereiche, beispielsweise Bereiche von 0 bis 20
A, 0 bis 50 A oder 0 bis 200 A verwendet werden. Im Ergebnis der
kontaktlosen Strommessung liefert der Stromwandler einen Spannungswert.
Dieser liegt in der Regel im Bereich von 0 bis 5 V.
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Anstelle
des Stromwandlers oder zusammen mit ihm kann bei einigen Messeinheiten
ein Spannungswandler vorgesehen sein, der eine laufende Messung
der in dem Teilnetz anliegenden Spannung ausführt. Die so ausgebildete Messeinheit
dient als Spannungsmesseinheit. Die von dem Spannungswandler generierten
Signale liegen ebenfalls als Spannungswerte im Bereich von 0 bis
5 V vor. Der Spannungswandler ist hierfür entweder als eine Spannungsteilerschaltung
oder als ein Messtransformator mit einer definierten Last ausgebildet.
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Ein
Messsignalumsetzer 6 setzt das von dem Stromwandler bzw.
Spannungswandler 5 erzeugte analoge Messsignal in einen
digitales Signal um und übergibt
das digitalisierte Signal an das Erfassungsgerät 7a.
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Ein
im Erfassungsgerät 7a enthaltener
Speicher- und Vergleicherschaltkreis 7 speichert und vergleicht
die digitalisierten Spannungssignale während eines Messzyklus und
erzeugt einen Messwert. Eine Schnittstelle 8, insbesondere
ein USB-Anschluss, oder eine andere Schnittstelle vom seriellen
bidirektionalen Typ, stellt eine Verbindung zwischen der Messeinheit
und der externen Datenerfassungs- und Auswerteeinheit 9 her.
Wie in der Figur angedeutet ist, können weitere Messeinheiten 4 an
das Erfassungsgerät 7a angefügt sein
und von diesem angesteuert werden. Es ist auch ebenso möglich, dass
zumindest eine Messeinheit und das Erfassungsgerät in einem Gehäuse untergebracht
sind.
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Wie
in 3 gezeigt, enthält der Messsignalumsetzer 6 einen
A/D-Wandler 11. Der A/D-Wandler digitalisiert das von dem
Strom- bzw. Spannungswandler gelieferte Messsignal. Das Messsignal
liegt als eine Wechselspannung vor. Der A/D-Wandler wird durch in
dem Erfassungsgerät 7a gelegenen Schieberegister 10 für ein zweckmäßiges Messintervall,
zweckmäßigerweise
von ca. 1,5 Sinuswellen des in der Leitung 2 fließenden Wechselstroms,
aktiviert. Dabei wird während
dieser Zeit eine große
Anzahl von Strom- bzw. Spannungsmessungen ausgeführt und die digitalisierte
Sinuswelle des Messsignals abgetastet. Bei einer in deutschen Niederspannungsnetzen üblichen
Frequenz des Wechselstroms von 50 Hz beträgt das durch 1,5 Sinuswellen
definierte Zeitintervall ca. 0,03 s. Es erfolgt keine Gleichrichtung.
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Bei
einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel
weist der A/D-Wandler eine Busbreite von 8 bit auf. Das gelieferte
Eingangssignal, also die dort anliegende Spannung, wird dabei in
einen entsprechenden digitalen Wert umgewandelt. Bei einer Busbreite von
beispielsweise 8 bit liegt der dafür verfügbare Wertevorrat im Bereich
von 0 bis 255. Bei einem Stromwandler im Messbereich von 0 bis 20
A ergibt sich bei einem Stromfluss von 20 A in der gemessenen Leitung
und einer daraus resultierenden Spannung von 5 V als Messsignal
ein digitaler Wert von 255.
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Der
Speicher- und Vergleicherschaltkreis 7 enthält ein Vergleichsglied 12 und
ein Speicherglied 13. Das Vergleichsglied 12 führt die
Abtastung des digitalisierten Messsignals aus und ermittelt einen
maximalen Signalwert. Bei einem anliegenden Anforderungssignal wird
ein im Speicherglied 13 vorliegender Wert auf 0 zurückgesetzt.
Der A/D-Wandler liefert dann das erste digitalisierte Messsignal.
Das Vergleichsglied vergleicht dieses Messsignal mit dem bereits
im Speicherglied vorliegenden Wert. Falls dieser Wert größer ist,
wird der dort gegebene Wert überschrieben
und der größere Wert
als neuer Wert gespeichert. Mit Abschluss des Abtastintervalls liegt damit
im Speicherglied das im Abtastintervall maximale Messsignal in digitaler
Form vor. Dieser Maximalwert wird als Messwert an die Datenerfassungs- und
Auswerteeinheit gesendet.
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Bei
diesem Verfahrensablauf sendet die Datenerfassungs- und Auswerteeinheit
ein Anforderungssignal in festen Intervallen, beispielsweise bei 16
Messeinheiten aller 2 Sekunden, ein Anforderungssignal. Die Lände dieses
Intervalls ist prinzipiell beliebig und kann durch eine entsprechende
Software festgelegt werden. Sie muss jedoch mindestens so lang sein,
dass nacheinander für
jede Messeinheit im betrachteten Teilnetz die beschriebenen Messschritte,
d. h. das Digitalisieren und Abtasten des Messsignals, die Ermittlung
des maximalen Signalwertes und die anschließende Übermittlung des Messwertes,
ausführbar
ist.
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Wie
erwähnt
ist mindestens eine der Messeinheiten als eine Spannungsmesseinheit
ausgebildet. Die Spannungsmesseinheit kann dabei unmittelbar an
dem Verzweigungspunkt angeordnet sein, an dem das Teilnetz vom Hauptnetz
abzweigt. Dieser misst die zwischen einem der Phasen des Teilnetzes und
dem Neutralleiter bzw. die zwischen zwei Phasen anliegende elektrische
Spannung von 0 bis ca. 250 Volt bzw. von 0 bis ca. 400 Volt.
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Die
weitere Messsignalverarbeitung entspricht dabei den vorhergehenden
Ausführungen
zur Arbeitsweise der Messeinheit.
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Die
Strom- und Spannungsmessung an den Messeinheiten bzw. der mindestens
einen Spannungsmesseinheit erfolgt während des selben Messintervalls.
Die Länge
des Messintervalls beträgt
dabei zweckmäßigerweise
etwa 1 bis 10 Sekunden. Bei jeder dieser Messungen wird damit ein
Strom- und ein zugehöriger
aktuell im Teilnetz anliegender Spannungsmesswert geliefert. Über eine
Multiplikation der gemessenen Strom- und Spannungsmesswerte erfolgt
schließlich
die Berechnung eines realen Leistungswertes.
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Die
Länge des
Schieberegisters muss dabei der Anzahl der Messeinheiten im betrachteten
Teilnetz entsprechen. Das Schieberegister aktiviert nacheinander
jede Messeinheit für
ein festgelegtes, für
die Messung ausreichendes Abtastintervall, zweckmäßigerweise
in der zeitlichen Länge
von 1,5 Sinuswellen des im Teilnetzes fließenden Wechselstroms.
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Weil
das Schieberegister die Messeinheiten nacheinander aktiviert, ist
eine gesonderte Identifizierung der Messeinheiten dadurch nicht
notwendig. Die von allen Messeinheiten ermittelten Messwerte werden
in einer festgelegten Reihenfolge an die Datenerfassungs- und Auswerteeinheit
gesendet. Dort erfolgt die Zuordnung der einlaufenden Messwerte zu
den einzelnen Messeinheiten bzw. Messstellen aufgrund der im Schieberegister
festgelegten und in einer Zuordnungstabelle logisch den einzelnen Messstellen
zugeordneten Reihenfolge. So kann beispielsweise in der Zuordnungstabelle
festgelegt sein, dass der durch das Schieberegister als Messwert Nummer
1 bestimmte Wert dem Wohnzimmer, der als Messwert Nummer 2 bestimmte
Wert dem Kinderzimmer bzw. der als Messwert Nummer 5 bestimmte Wert
der Küche
bzw. den jeweiligen Teilnetzen zugeordnet ist.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
ist das Speicherglied im Erfassungsgerät als ein Pufferspeicher ausgebildet,
der alle in einem gewissen Zeitraum ermittelten Messwerte zusammen
mit einer Zeitangabe zwischenspeichert und bei Abruf über die Schnittstelle 8 ausgibt.
Das Speicherglied ist in diesem Fall zum Speichern der entsprechenden
Datenmengen in seiner Speicherkapazität hinreichend groß dimensioniert
und kann zweckmäßigerweise durch
eine zusätzliche
Speichereinheit ergänzt
sein.
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Das
Erfassungsgerät
kann extern programmierbar sein. Es ist dann möglich, Betriebsparameter, insbesondere
Grenzwerte, in dem Speicher der Messeinheit vorzugeben. Hierzu ist
ein programmierbarer Festwertspeicher 13a vorgesehen, in
dem vorgegebene Grenzwerte und ein Identifikationssignal für die Messeinheit
gespeichert werden können.
Die Vergabe eines Identifikationssignals an das Erfassungsgerät 7a ist
besonders dann zweckmäßig, wenn
das Teilnetz groß ist
und mehrere Erfassungsgeräte
eingesetzt werden, um eine größere Anzahl von
Messeinheiten zu steuern.
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Eine
weitere mögliche
Erweiterung des Erfassungsgerätes 7a stellt
ein Modul 8a für
eine drahtlose bidirektionale Datenübertragung dar, das an die Schnittstelle
der Messeinheit angefügt
werden kann oder auch ein Bestandteil der Schnittstelle ist. Dabei kann
insbesondere auf eine WLAN-Technologie zurückgegriffen werden. Es ist
in diesem Zusammenhang auch möglich,
mehrere Erfassungsgeräte
an ein gemeinsames Gerät
zur drahtlosen Datenübertragung
zu koppeln und über
dieses Gerät
die Kommunikation mit der externen Datenerfassungs- und Auswerteeinheit
auszuführen.
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Als
Datenerfassungs- und Auswerteeinheit kommt insbesondere ein üblicher
Personal Computer zum Einsatz. Dieser verfügt über eine entsprechende Schnittstelle
zur bidirektionalen Kommunikation mit den Erfassungsgeräten und
eine Datenerfassungs- und Auswertesoftware zum Verarbeiten der von
den Messeinheiten übermittelten
Messdaten. Dies sind insbesondere serielle Schnittstellen, vorzugsweise USB-
oder RS-Schnittstellen für
drahtgebundene Datenübertragungen,
bzw. interne oder extern mit der Messeinheit verbundene Mittel zur
drahtlosen Datenübertragung,
insbesondere WLAN-Module.
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4 zeigt
einen beispielhaften einfachen Ablaufplan zum Betreiben der in den 1 bis 3 gezeigten
Anordnung. In einem mit dem Bezugszeichen 15 beschriebenen
Schritt wird ein Anforderungssignal von der Datenerfassungs- und Auswerteeinheit
an eine der Messeinheiten übermittelt.
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Das
Anforderungssignal wird in einem festgelegten Zeittakt von der Datenerfassungs-
und Auswerteeinheit an das Erfassungsgerät gesendet und aktiviert den
oben beschriebenen Messprozess. Das Senden des Anforderungssignals
kann von einem Benutzer manuell gestartet bzw. beendet werden, oder
automatisch über
einen Timer zu einer festgesetzten Anfangs- und Endzeit ausgelöst bzw. abgebrochen werden.
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Das
timergesteuerte Senden des Anforderungssignals ist besonders dann
zweckmäßig, wenn regelmäßig wiederkehrende
Prozeduren zur Bestimmung eines Stromverbrauchs im Teilnetz ausgeführt werden
sollen. Das vom Nutzer manuell ausgelöste Senden des Anforderungssignals
erlaubt eine zu einem beliebigen Zeitpunkt ausführbare Bestimmung eines Momentanverbrauchs.
Dies kann insbesondere dann nützlich
sein, wenn der Energieverbrauch eines momentan aktiven elektrischen
Verbrauchers mit höherer
Leistungsaufnahme, beispielsweise eines neu installierten Computers
oder einer neuen Zimmerbeleuchtung, bestimmt oder besonders energieintensive
Netzgeräte
sowie Leitungsdefekte ermittelt werden sollen.
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Nach
dem Start des Messprozesses sendet die Datenerfassungs- und Auswerteeinheit
im festgelegten Zeittakt das Anforderungssignal an das Erfassungsgerät 7a.
Dort wird das Schieberegister gestartet, das nacheinander in einer
festgelegten Reihenfolge die einzelnen Messeinheiten aktiviert und
von dort die digitalisierten Messsignale abruft. Daraufhin werden
wie vorhergehend beschrieben die einzelnen Messwerte in dem Erfassungsgerät bestimmt
und an die Datenerfassungs- und Auswerteeinheit übermittelt.
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Im
Ergebnis empfängt
die Datenerfassungs- und Auswerteeinheit 9 eine Reihenfolge
von den jeweiligen Verbrauchern zugeordneten Messwerten und speichert
diese. Über
einen Faktor wird der zunächst
noch digital vorliegende Messwert wieder in einen Stromstärkewert
umgerechnet. Durch ein Anpassen des Faktors können dabei Messungenauigkeiten
korrigiert werden. Diese Anpassung erfolgt zweckmäßigerweise über einen
eichenden Abgleich mit den tatsächlichen
Verbrauchs- und Stromstärkewerten
am vorhandenen Stromzähler
im Teilnetz.
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Die
so ermittelten Strommesswerte ergeben dabei für jede Messstelle eine Stromverlaufskurve, der
im Zeittakt der ausgesendeten Anforderungssignale neue Werte hinzugefügt werden.
Kleine Zeittakte mit entsprechend kleinen Messintervallen erhöhen dabei
die Genauigkeit und das Erkennen von schnellen Veränderungen
im Stromverbrauch, die zum Beispiel durch das Zu- oder Abschalten von Geräten zustande
kommen. Große
Zeittakte mit entsprechend größeren Messintervallen
verringern die Rechenzeit und den benötigten Speicherplatz und eignen
sich zum Verfolgen von Verbrauchsgrößen über längere Zeiträume.
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In
einem in der Figur mit dem Bezugszeichen 16 bezeichneten
Schritt werden die Messwerte 17, gegebenenfalls zusammen
mit dem die Messeinheit und/oder das Erfassungsgerät 7a eindeutig
identifizierenden Identifikationssignal 18 über die
Schnittstelle 8 an die Datenverarbeitungs- und Auswerteeinheit übertragen.
Die Messwerte 17 aus der Messeinheit 4 sind die
unmittelbaren Rohdaten über
den Stromfluss in der Leitung. Diese werden in der Datenverarbeitungs-
und Auswerteeinheit in tatsächliche Verbrauchsdaten
wie vorhergehend beschrieben umgerechnet. Das Identifikationssignal 18 gewährleistet,
dass durch das Anforderungssignal tatsächlich die richtige Messeinheit
bzw. das Erfassungsgerät 7a abgefragt
worden ist. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn das Teilnetz
ausgedehnt ist und mehrere Erfassungsgeräte 7a vorhanden sind.
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Die
abgefragten Messwerte werden in einem offenen Array in einer Datenbankstruktur
innerhalb der Datenverarbeitungs- und Auswerteeinheit gespeichert.
Zur richtigen Einordnung und zum Aufruf der Messwerte in und aus
der Datenbank wird auf die logische Zuordnungstabelle in der Datenverarbeitungs-
und Auswerteeinheit zurückgegriffen.
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In
einem mit dem Bezugszeichen 19 bezeichneten weiteren Verfahrensschritt
erfolgt das Umrechnen der Messwerte in tatsächliche Verbrauchsgrößen. Hierzu
wird auf die aus der elektrotechnischen Messtechnik gebräuchlichen
Berechnungsformeln zurückgegriffen.
Die Berechnung der Verbrauchsgrößen kann
dabei über
die von jeder einzelnen Messeinheit gelieferten Messwerte und damit auf
jeden einzelnen Verbraucher im Netz oder zusammengefasst für die Messwerte
mehrerer oder aller Messeinheiten und damit für mehrere oder alle Verbraucher
erfolgen.
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Über entsprechende
Anpassungen der Software in der Datenerfassungs- und Auswerteeinheit sind
ohne weiteres verschiedene Zeitpunkte bzw. Zeiträume für die Verbrauchsmessungen an
ausgewählten
Messeinheiten möglich,
indem die erfassten Messwerte entsprechend unterdrückt, kumuliert
oder auf eine andere Weise verarbeitet werden. So ist beispielsweise
die Bestimmung eines Energieverbrauchs quasi permanent arbeitender
elektrischer Geräte
im Haushalt, wie zum Beispiel eines Kühlschranks, für regelmäßig wiederkehrende
Verbrauchsermittlungen zweckmäßig, während der
Verbrauch gewisser nur zeitweise aktiver elektrischer Geräte, wie
zum Beispiel einer Waschmaschine, immer dann gemessen werden muss,
wenn diese im Betrieb sind.
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Über eine
softwareseitig gegebene interne Zuordnungstabelle mit der logischen
Zuordnung zwischen der Position der Messeinheit in der Signalreihenfolge
der übertragenen
Messwerte einerseits und dem vom Nutzer definierten Standort des
elektrischen Verbrauchers mit der Bezeichnung des Verbrauchers andererseits,
z. B. „fünftes Messsignal
im Zeitintervall-Küchenverbraucher”, wird
der an den einzelnen Messeinheiten ermittelte Energieverbrauch sofort
eindeutig identifizierte Verbrauchern zugeordnet. Der Nutzer muss
dabei grundsätzlich nicht
mehr wissen, an welchem Ort sich der Verbraucher im Netz befindet.
Dies setzt allerdings voraus, dass die Zuordnung zwischen elektrischem
Verbraucher und Messeinheit die logischer Zuordnung innerhalb der
Zuordnungstabelle nicht verändert
wird.
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Es
versteht sich, dass mehrere Stromverlaufskurven und Verbrauchswerte
zusammengefasst werden können,
um beispielsweise einen Gesamtenergieverbrauch des zu analysierenden
Teilnetzes oder eines Abschnittes des Teilnetzes mit mehreren Verbrauchern
zu bestimmen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Gesamtbeitrag
aller elektrischen Geräte
innerhalb eines Wohnzimmers, Kinderzimmers und Schlafzimmers zum
Gesamtenergieverbrauch der Wohnung zu bestimmen ist. Dies lässt sich über entsprechende
Anpassungen der Software leicht realisieren.
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Die
Verbrauchsgrößen, wie
zum Beispiel Ladung (in Amperestunden) und/oder Energieverbrauch
(in Kilowattstunden) können
als momentaner Wert oder als zeitliches Mittel für einen oder mehrere Verbraucher
zusammengefasst ermittelt werden. Liegen Tarifinformationen für die Verbrauchsgrößen vor, kann
eine Kostenberechnung ausgeführt
werden. Zusammen mit einem kalkulatorischen Programm können die
Kostenberechnungen für
Prognosen verwendet werden, mit denen sich Voraussagen über zu erwartende
Kosten in einem Abrechnungszeitraum gewinnen lassen.
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Natürlich ist
auch eine einfache Anzeige der Messwerte 17 für jeden
einzelnen Verbraucher oder mehrerer zusammengefasster Verbraucher
im Netz als Momentanwert der Stromstärke (zum Beispiel in Ampere)
bzw. der momentanen Leistungsaufnahme (zum Beispiel in Kilowatt)
möglich.
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Die
errechneten Verbrauchsgrößen werden abschließend in
einem Verfahrensschritt 20 für eine Darstellung aufbereitet
und geeignet visualisiert.
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5 zeigt
ein einfaches Beispiel zur Visualisierung errechneter Verbrauchswerte.
Die Figur zeigt Elemente in einer graphischen Benutzeroberfläche und
deren Inhalte. In einem ersten Fenster ist ein Grundriss 22 einiger
durch das Teilnetz versorgter Räume,
beispielsweise einer Wohnung, dargestellt. Der Grundriss enthält eine
schematische Darstellung der innerhalb der Räume verlegten Leitungen 23 mit den
durch die Leitungen geschalteten Steckdosen 23a.
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Die
Grundrissdarstellung ist interaktiv. Mit einem Mauszeiger 24 lassen
sich die einzelnen Räume des
Grundrisses anklicken und dabei Verbrauchsinformationen abrufen.
Für eine
Darstellung der Verbrauchsgrößen an einzelnen
Steckdosen 23a wird ein Mausklick auf das jeweilige im
Grundriss angedeutete Steckdosensymbol ausgeführt.
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Alternativ
können
wie bereits vorhergehend ausgeführt,
elektrische Verbraucher des Zimmers selbst angewählt und deren Verbrauchsdaten
abgefragt werden. Die 5 zeigt dazu ein Textfeld 23b mit
einer Reihe von in dem ausgewählten
Zimmer vorhandenen Verbrauchern, die durch die Auswertungssoftware
logisch mit einzelnen Steckdosen, also Messeinheiten, verknüpft sind.
Der Benutzer wählt
innerhalb der Legende den ihn interessierenden Verbraucher, z. B. „Fernseher” aus, wobei
das Programm die Verbrauchsdaten zu der dem Gerät „Fernseher” entsprechenden Steckdose
abruft und anzeigt.
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Die
Verbrauchsdaten selbst können
auf verschiedene Weise angezeigt werden. In 5 sind drei
Beispiele dargestellt. Innerhalb der graphischen Darstellung des
Grundrisses sind für
die jeweiligen Einzelräume
Tortengraphiken 26 angezeigt. Diese zeigen einen jeweiligen
Anteil der Räume
bzw. der darin befindlichen Verbraucher am Gesamtverbrauch der gezeigten
Wohnung bzw. des innerhalb der Wohnung befindlichen Niederspannungsnetzes,
an.
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Eine
weitere Möglichkeit
ist die Anzeige einer zeitlichen Verlaufskurve 25 eines
Verbrauchsparameters entweder über
einen einzelnen Verbraucher, alle Verbraucher in einem oder mehreren
Räumen oder
aller Verbraucher in der gesamten Wohnung, d. h. über dem
gesamten Teilnetz.
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Schließlich besteht
die Möglichkeit
einer Ausgabe der Verbrauchsgrößen in Textform. 5 zeigt
dazu eine Auflistung 27 in einem Fenster. Die Auflistung
zeigt bei diesem Beispiel für
ein Kinderzimmer einen Jahresendverbrauch in den Verbrauchsgrößen Energie
(in der Einheit kWh) und Kosten (in der Einheit Euro) an. Des Weiteren
ist ein wöchentlicher
Verbrauchsdurchschnitt ebenfalls in den Verbrauchsgrößen Energie
(in der Einheit kWh) und Kosten (in der Einheit Euro) sowie ein
Spitzenverbrauch eines einzelnen Verbrauchers, in diesem Falle eines
an einer Steckdose A angeschlossenen Computers, mit einem Zahlenwert
und mit einem Datum aufgeführt.
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Die
Verwendung der Messelemente ist nicht auf Verbrauchsmessungen eingeschränkt. Es
ist einsichtig, dass eine Verwendung der beschriebenen Konfigurationen
auch dann möglich
ist, wenn ein Stromertrag einer lokalen Spannungsquelle innerhalb
des Niederspannungsnetzes zu erfassen und auszuwerten ist. Dies
ist beispielsweise bei Photovoltaik-Anlagen, Notstromaggregaten
und dergleichen weiteren Anordnungen möglich. In diesem Fall befinden
sich die Messelemente an von den Spannungsquellen abführenden
Leitungen und registrieren den dort auftretenden Stromfluss.
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Die
erwähnten
Ausführungsformen
lassen sich auch im Rahmen sicherungstechnischer Einrichtungen des
Niederspannungsnetzes verwenden. Dies betrifft insbesondere die
Signalisierung eines zu hohen, einen oberen Grenzwert übersteigenden Stromflusses
in der überwachten
Leitung, bzw. den Nachweis eines Leitungsdefektes mit einem endlichen,
als off-Grenzwert bezeichneten Stromfluss bei vom Netz abgetrennten
Verbrauchern.
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Eine
solche Anwendung lässt
sich ohne weiteres mit der beschriebenen Anordnung realisieren. Hierzu
genügt
es, innerhalb der Software der Datenerfassungs- und Auswerteeinheit
Grenzwerte für
den registrierten Stromfluss in jeder der Leitungen zu definieren.
Wird einer der beiden Grenzwerte überschritten, dann wird auf
der Datenerfassungs- und Auswerteeinheit ein Warnsignal ausgegeben.
Dabei wird insbesondere angezeigt, an welcher Messeinheit der irreguläre Stromfluss
registriert worden ist.
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Eine
andere Möglichkeit
zur Implementieren einer Grenzwertüberwachung mittels der vorgestellten
Ausführungsformen
ist ein Einspeichern von Grenzwerten in den Speicher- und Verteilungsschaltkreis
bzw. den Festwertspeicher des Erfassungsgeräts 7a. Dies kann insbesondere über die
bidirektionale Schnittstelle der Messeinheit ausgeführt werden.
Alternativ dazu können
Grenzwerte aber auch softwareseitig in der Datenerfassungs- und
Auswerteeinheit vorgegeben werden.
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Zur
Signalisierung eines irregulären
Stromflusses kann die Erfassungseinheit 7a mit einer Signalisierungseinrichtung,
beispielsweise einem Summer gekoppelt sein, die bei dem Überschreiten
derartiger Grenzwerte ein Signal ausgibt. Ebenso ist es möglich, diese
Signalausgabe an eine Sicherungseinrichtung zu übertragen, von der aus eine
sofortige Trennung der betreffenden Leitung vom Niederspannungsnetz
ausgeführt
wird.
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Weitere
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
An den dargestellten beispielhaften Ausführungsformen können im
Rahmen fachlichen Handelns Änderungen
vorgenommen werden, die ebenfalls in den Bereich des erfindungsgemäßen Grundgedankens
fallen.
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- 1
- Verzweigungspunkt
- 2
- Leitung
- 3
- Stromkreis
im Teilnetz
- 3a
- Anschlussstelle
- 4
- Messeinheit
- 5
- Stromwandler/Spannungswandler
- 6
- Messsignalumsetzer
- 7
- Speicher-
und Vergleicherschaltkreis
- 7a
- Erfassungsgerät
- 8
- serielle,
bidirektionale Schnittstelle
- 8a
- Modul
für drahtlose
Datenübertragung
- 9
- Datenerfassungs-
und Auswerteeinheit
- 10
- Schieberegister
- 11
- A/D-Wandler
- 12
- Vergleichsglied
- 13
- Speicherglied
- 13a
- Festwertspeicher
- 15
- Anforderungssignal
senden
- 16
- Messwert
und Identifikationssignal übertragen
- 17
- Messwert
- 18
- Identifikationssignal
- 19
- Umrechnen
in Verbrauchsgrößen
- 20
- Verbrauchsgrößen aufbereiten,
visualisieren
- 22
- Grundrissdarstellung
- 23
- Verlegte
Leitungen
- 23a
- Steckdosen
- 23b
- Legende
- 24
- Mauszeiger
- 25
- Verlaufskurve
- 26
- Tortengraphik
- 27
- Auflistung