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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung innerhalb eines mindestens einen elektrischen Speicher zumindest temporär aufweisenden Netzwerksegments eines Wechselspannungsnetzwerkes, wobei das Netzwerksegment über einen Transformator mit einer übergeordneten Netzwerkebene des Wechselspannungsnetzwerkes verbunden ist, die mit einer höheren Spannung betrieben wird als das Netzwerksegment, und wobei eine Leistungseinspeisung des elektrischen Speichers in das Netzwerksegment und/oder eine Leistungsentnahme des elektrischen Speichers aus dem Netzwerksegment in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Netzwerksegments erfolgt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Netzwerksegment für ein Wechselspannungsnetzwerk, wobei das Netzwerksegment mindestens einen elektrischen Speicher zumindest temporär aufweist und über einen mit einem Transformatorausgang eines Transformators elektrisch verbindbaren Kontakt mit einer übergeordneten Netzwerkebene des Wechselspannungsnetzwerkes verbindbar ist, die mit einer höheren Spannung betrieben wird als das Netzwerksegment, wobei der elektrische Speicher eine Kontrolleinrichtung zur Regelung einer Leistungseinspeisung des elektrischen Speichers in das Netzwerksegment und/oder eine Leistungsentnahme des elektrischen Speichers aus dem Netzwerksegment in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Netzwerksegments aufweist.
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Ein derartiges Verfahren und ein derartiges Netzwerksegment sind bekannt. Die
EP 0596988 A1 beschreibt ein als Ladesystem ausgebildetes Netzwerksegment, in dem ein als wiederaufladbare Batterie eines Elektrofahrzeugs ausgebildeter elektrischen Speicher angeordnet ist und ein Verfahren, bei dem eine Leistungseinspeisung des elektrischen Speichers in das Netzwerksegment und/oder eine Leistungsentnahme des elektrischen Speichers aus dem Netzwerksegment in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Netzwerksegments erfolgt.
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Durch zunehmende Stromerzeugung mittels nicht-kontinuierlich nutzbarer Energiequellen wie Wind und Sonne wächst der Bedarf an Regelleistung zur Stabilisierung des Stromnetzes. Zum Leistungsausgleich werden dabei zunehmend Einrichtungen zur regelbaren Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe auf einer Zeitskala von unter einer Sekunde bis zu einer Stunde benötigt. Dieser Ausgleich kann zum Beispiel durch zusätzliche Erzeugerleistung, schaltbare Lasten und/oder den Einsatz von elektrischen Speichern (elektrischen Energiespeichern) erreicht werden.
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Gleichzeitig nimmt die Anzahl der dezentralen Erzeuger wie zum Beispiel Blockheizkraftwerken (BHKW) und Photovoltaik-Anlagen und die Anzahl der dezentralen Speicher in Niederspannungs-Segmenten und in Mittelspannungs-Segmenten von Wechselspannungsnetzwerken der Energieversorger weiter zu.
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Insbesondere im Bereich der dezentralen elektrischen Speicher sind die durch an ein Wechselspannungsnetz anschließbaren (Plug-In) Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge zu erwartenden Speicherkapazitäten sehr groß und stellen ein enormes Potential für eine die einzelnen Netzwerksegmente übergreifende Leistungsregelung dar. Um als vollwertige Einrichtungen zur regelbaren Leistungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe genutzt zu werden, müssen die elektrischen Speicher der Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge durch zugeordnete Ladegeräte auch in der Lage sein, Leistung in das Netzwerksegment, in das sie eingebunden sind, einzuspeisen.
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Die Wechselspannungsnetze der Energieversorger sind für Leistungsflüsse von Netzwerksegmenten mit niedrigeren Spannungsebenen in übergeordneten Netzwerkebenen mit höheren Spannungen nicht geschaffen, so dass es zu technischen Problemen kommt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Leistungsregelung innerhalb eines Netzwerksegments und ein entsprechendes Netzwerksegment bereitzustellen, mittels derer dezentrale elektrische Speicher auf einfache Weise in die Bereitstellung von Regelleistung eingebunden werden können.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 10, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Auch beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Leistungseinspeisung des elektrischen Speichers in das Netzwerksegment und/oder eine Leistungsentnahme des elektrischen Speichers aus dem Netzwerksegment primär in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Netzwerksegments. Dabei wird dieser Betriebsparameter bevorzugt für die Leistungseinspeisung und die Leistungsentnahme verwendet. Zusätzlich erfolgt die Leistungseinspeisung erfindungsgemäß auch in Abhängigkeit einer Spannungsdifferenz zwischen einer Einspeisespannung an einem Einspeisepunkt des elektrischen Speichers und einer Transformatorausgangsspannung an einem mit dem segmentseitigen Transformatorausgang verbundenen Kontakt. Die Einspeisespannung und die Transformatorausgangsspannung beziehen sich auf dasselbe Bezugspotential, das im Folgenden „das Bezugspotential” genannt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die übergeordneten Netzwerkebene eine übergeordneten Netzwerkebene zur Versorgung mehrerer Netzwerksegmente ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungseinspeisung derart erfolgt, dass die Eispeisespannung die Transformatorausgangsspannung nicht überschreitet. Eine entsprechende Regelung der Leistungseinspeisung und/oder der Leistungsentnahme des elektrischen Speichers enthält somit einen „Wächter”, der darauf achtet, dass die Einspeisespannung stets in einem Spannungsfenster unterhalb oder maximal gleich der Transformatorausgangsspannung liegt. Das Laden des elektrischen Speichers oder der Betriebsstart weiterer steuerbarer/regelbarer elektrischer Einrichtungen kann dann direkt auf Grundlage des Betriebsparameters erfolgen. Reicht die Versorgungsleistung der übergeordneten Spannungsebene nicht aus, um den Leistungsbedarf des Netzwerksegments zu decken, so kann dies durch das Abschalten mindestens einer als elektrischer Verbraucher arbeitenden oder ausgebildeten elektrischen Einrichtung des Segmentes oder durch Leistungseinspeisung des elektrischen Speichers kompensiert werden. Jeder elektrische Speicher im Netzwerksegment speist bei unzureichender Versorgungsleistung der übergeordneten Netzwerkebene Strom und damit Leistung in das Netzwerksegment ein. Diese Einspeisung ist jedoch derart begrenzt, dass die Größe der Einspeisespannung die Größe der Transformatorausgangsspannung nicht überschreitet. Da sich beide Spannungen auf das gleiche Bezugspotential beziehen, fließt kein Strom vom Anschluss des elektrischen Speichers (dem Einspeisepunkt) zum Transformatorausgang. Es ist damit sichergestellt, das keine Leistung über den Transformator an die übergeordnete Netzwerkebene übertragen wird. Der Leistungsfluss zwischen Netzwerksegment und übergeordneter Netzwerkebene erfolgt nur vom Transformatorausgang in das Netzwerksegment hinein.
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Aus Sicht der übergeordneter Netzwerkebene werden mittels dieses Verfahrens die Leistungsflüsse von Netzwerksegment und übergeordneter Netzwerkebene günstigstenfalls zu Null geregelt, was in Bezug auf den Leistungsfluss einer Trennung dieser beiden Teile des Wechselspannungsnetzwerkes entspricht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Transformatorausgangsspannung an eine Kontrolleinrichtung des elektrischen Speichers signaltechnisch übermittelt wird. Insbesondere wird dafür eine im räumlichen Bereich des Netzwerksegments vorhandene Infrastruktur zur Signalübertragung genutzt. Mit Vorteil wird die Transformatorausgangsspannung zur Einstellung des Leistungsflusses des elektrischen Speichers über eine Leitung des Netzwerksegments und/oder über eine Funkverbindung an die Kontrolleinrichtung übermitteilt. Diese bildet anschließend die Spannungsdifferenz. Insbesondere erfolgt die signaltechnische Übermittelung über Powerline-Kommunikation und/oder Mobilfunk und/oder WLAN und/oder lokalen Bündelfunk. Die Datenübertragung über die Leitung des ersten Wechselspannungsnetzwerkes erfolgt bevorzugt über die Powerline-Kommunikation. Die Funkverbindung ist insbesondere eine Mobilfunkverbindung und/oder eine Verbindung mittels Wireless Local Area Network (WLAN) und/oder mittels lokalen Bündelfunks. Zusätzliche Signalleitungen sind nicht erforderlich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Betriebsparameter des Netzwerksegments eine Netzfrequenz des Netzwerksegments ist. Die Netzfrequenz ist ein zur Regelung einer Leistungseinspeisung des elektrischen Speichers in ein Netzwerk (oder ein Netzwerksegment) und/oder zur Regelung einer Leistungsentnahme des elektrischen Speichers aus einem Netzwerk (oder Netzwerksegment) bekannter Parameter. Solange die übergeordnete Netzwerkebene hinreichende Leistungsreserven aufweist, um das Netzwerksegment oder die Netzwerksegmente elektrisch mit Leistung zu versorgen, wird nur die Netzfrequenz als Kriterium für die Leistungsregelung herangezogen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Netzwerksegment mit Niederspannung und die übergeordnete Netzwerkebene mit Mittelspannung betrieben werden. Das Netzwerksegment weist eine erste Netzspannung von 100 Volt bis 500 Volt auf, bevorzugt eine Spannung von 400 Volt zwischen drei Außenleitern und 230 Volt Effektivspannung zwischen jedem der Außenleiter und einem Neutralleiter. Die übergeordnete Netzwerkebene weist eine zweite Netzspannung von 1 Kilovolt (1 kV) bis 45 Kilovolt (45 kV) auf, bevorzugt eine zweite Netzspannung von 3 kV (Kilovolt), 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV oder 30 kV.
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Gemäß einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Netzwerksegment mit Mittelspannung und die übergeordnete Netzwerkebene mit Hochspannung oder Höchstspannung betrieben werden. Das Netzwerksegment weist eine erste Netzspannung von 1 Kilovolt (1 kV) bis 45 Kilovolt (45 kV) auf, bevorzugt eine erste Netzspannung von 3 kV (Kilovolt), 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV oder 30 kV. Die übergeordnete Netzwerkebene weist (als Hochspannung) eine zweite Netzspannung von 50 Kilovolt (50 kV) bis 450 kV auf, insbesondere eine zweite Netzspannung von 60 kV, 110 kV, 220 kV oder 380 kV. Die übergeordnete Netzwerkebene weist (als Höchsspannung) eine zweite Netzspannung von 500 Kilovolt (500 kV) bis 1 Megavolt (1 MV) auf, bevorzugt eine Spannung von 500 kV oder 700 kV.
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Bevorzugt erfolgt eine Messung der Transformatorausgangsspannung mittels eines Tiefpassfilters. Der Tiefpassfilter weist eine auf die Zeitskala der Regelung angepasste Trennfrequenz auf und filtert alle Spannungsanteile der Transformatorausgangsspannung mit einer höheren Frequenz als dieser Trennfrequenz heraus. Der Tiefpassfilter vermeidet ein Schwingen des Regelkreises der Regelung. Kleinere Leistungsrückflüsse in Folge von Regelverzögerungen sind unkritisch.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrische Speicher ein trennbar an das Netzwerksegment anschließbarer elektrischer Speicher ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der elektrische Speicher eine wiederaufladbare Batterie (oder Akkumulator) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs ist.
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Das erfindungsgemäße Netzwerksegment weist mindestens einen elektrischen Speicher auf, der seinerseits eine Kontrolleinrichtung zur Regelung einer Leistungseinspeisung des elektrischen Speichers in das Netzwerksegment und/oder eine Leistungsentnahme des elektrischen Speichers aus dem Netzwerksegment in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Netzwerksegments besitzt. Diese Kontrolleinrichtung ist dazu eingerichtet, die Leistungseinspeisung auch in Abhängigkeit einer Spannungsdifferenz zwischen einer Einspeisespannung an einem Einspeisepunkt des elektrischen Speichers und einer Transformatorausgangsspannung am mit dem segmentseitigen Transformatorausgang leitend verbundenen Kontakt zu regeln. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Leistungseinspeisung derart erfolgt, dass die Eispeisespannung die Transformatorausgangsspannung nicht überschreitet.
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Insbesondere wird die Transformatorausgangsspannung an eine Kontrolleinrichtung des elektrischen Speichers signaltechnisch übermittelt. Mit Vorteil erfolgt die signaltechnische Übermittelung über Powerline-Kommunikation und/oder Mobilfunk und/oder WLAN und/oder lokalen Bündelfunk.
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Der Betriebsparameter des Netzwerksegments ist insbesondere eine Netzfrequenz der Spannung des Netzwerksegments. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Netzwerksegment mit Niederspannung und die übergeordnete Netzwerkebene mit Mittelspannung betrieben werden. Alternativ ist insbesondere vorgesehen, dass das Netzwerksegment mit Mittelspannung und die übergeordnete Netzwerkebene mit Hochspannung oder Höchstspannung betrieben werden.
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Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert und zwar zeigt die einzige
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Figur eine schematische Darstellung des wesentlichen Aufbaus eines Wechselspannungsnetzwerks mit mehreren Netzwerksegmenten und einer übergeordneten Netzwerkebene gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Figur zeigt ein Wechselspannungsnetzwerk 1, das mehrere Netzwerksegmente 3, 5, 7 und eine übergeordneten Netzwerkebene 9 aufweist. Die übergeordneten Netzwerkebene 9 ist eine übergeordneten Netzwerkebene zur Versorgung der Netzwerksegmente 3, 5, 7. Sie hat eine größere räumliche Ausdehnung als jedes einzelne der Netzwerksegmente 3, 5, 7. Diese sind – im Vergleich zur übergeordneten Netzwerkebene 9 – lokale Netzwerksegmente. Jedes der Netzwerksegmente 3, 5, 7 ist jeweils über einen zugeordneten Transformator 11 induktiv mit der übergeordneten Netzwerkebene 9 verbunden, wobei in der Figur nur das mit einem ersten Transformator 11 verbundene Netzwerksegment 3 im Detail dargestellt ist. Die (Netz-)Spannung des Netzwerksegments 3 ist niedriger als die (Netz-)Spannung der übergeordneten Netzwerkebene 9. Das dargestellte Netzwerksegment 3 ist ein Netzwerksegment mit Niederspannung betriebenes Netzwerksegment, die übergeordnete Netzwerkebene 9 ist eine mit Mittelspannung betriebene übergeordnete Netzwerkebene.
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Im Folgenden soll nur das dargestellte Netzwerksegment 3 betrachtet werden. Dieses Netzwerksegment 3 wird von einer Leitungsanordnung 13 mit mehreren Leitungen 15 und mehreren elektrischen Einrichtungen 17, 19, 21 gebildet. Die elektrischen Einrichtungen 17, 19, 21 sind somit im Netzwerksegment 3 angeordnet. Eine der elektrischen Einrichtungen 17 ist als elektrischer Speicher (elektrischer Energiespeicher) 23 und die anderen beiden elektrischen Einrichtungen 19, 21 sind als elektrische Verbraucher 25 ausgebildet. Die elektrischen Einrichtungen 17, 19, 21 sind mittels elektrischer Anschlüsse 27, 29, 31 mit den Leitungen 15 verbunden. Der elektrische Anschluss 27 des elektrischen Speichers 23 ist der Einspeisepunkt 33. Ein gemeinsames Bezugspotential des gezeigten Netzwerksegments 3 ist in der schematischen Darstellung als Bezugspunkt 35 dargestellt. Ein mit dem Transformatorausgang des dem dargestellten Netzwerksegment 3 zugeordneten Transformators 11 elektrisch leitend verbundener Kontakt 37 ist elektrisch ebenfalls mit einer Leitung 15 der Leitungsanordnung (Leitungsnetzwerk) 13 verbunden.
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Das Netzwerksegments 3 weist alle zur Leistungsregelung nötigen Komponenten auf: eine Kontrolleinrichtung 39 des elektrischen Speichers 23, die an die Powerline-Kommunikation angeschlossen ist, den Betriebsparameter und die Einspeisespannung ermitteln kann und die Leistung des elektrischen Speichers 23 regelt, eine Messeinrichtung 41, die die Transformatorausgangsspannung am Kontakt 37 misst, mittels eines Tiefpassfilters (nicht gezeigt) glättet und die Transformatorausgangsspannung U2 mittels Powerline-Kommunikation über die Leitungen 15 an die Kontrolleinrichtung 39 signaltechnisch übermittelt.
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Es ergibt sich folgende Funktion: Die Kontrolleinrichtung 39 bestimmt den Betriebsparameter des Netzwerksegments 3. Dieser Betriebsparameter ist die Netzfrequenz der im Netzwerksegment 3 anliegenden (Netz-)Spannung. Die Netzfrequenz dient als Regelgröße der Regelung des Leistungsflusses des elektrischen Speichers 23 durch die Kontrolleinrichtung 39. Die Kontrolleinrichtung 39 misst weiterhin die Einspeisespannung U1 am Einspeisepunkt 33 (Anschluss 27) gegen das Bezugspotential 35. Die Messeinrichtung 41 misst über den Tiefpassfilter die Transformatorausgangsspannung U2 am Kontakt 37 gegen das Bezugspotential 35 und übermittelt signaltechnisch die Transformatorausgangsspannung U2 der Kontrolleinrichtung 39 des elektrischen Speichers 23.
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Die Netzfrequenz wird von der Kontrolleinrichtung des elektrischen Speichers 23 als primäre Regelgröße zur Regelung der Strom- beziehungsweise Leistungsabgabe und/oder der Strom- beziehungsweise Leistungsaufnahme des elektrischen Speichers 23 genutzt. Als zusätzliches Kriterium wird jedoch auch die Spannungsdifferenz zwischen der am Einspeisepunkt 33 des Speichers 15 gemessenen Einspeisespannung U1 und der von der Messeinrichtung 41 übermittelten Transformatorausgangsspannung U2 genutzt. Beide Spannungen U1, U2 beziehen sich – wie gesagt – auf dasselbe Bezugspotential 35. Die erfindungsgemäße Regelung der Leistungseinspeisung und/oder der Leistungsaufnahme des elektrischen Speichers 23 enthält somit einen „Wächter”, der in der Kontrolleinrichtung 39 implementiert ist und darauf achtet, dass die Einspeisespannung U1 stets in einem Spannungsfenster unterhalb oder auf Höhe der Transformatorausgangsspannung U2 liegt. Das Laden des elektrischen Speichers 23 oder der Betriebsstart weiterer steuerbarer/regelbarer elektrischer Einrichtungen 19, 21 kann dann direkt auf Grundlage der Netzfrequenz erfolgen. Reicht die Versorgungsleistung der übergeordneten Netzwerkebene 9 nicht aus, so kann dies durch das Abschalten mindestens einer als elektrischer Verbraucher 25 arbeitenden oder ausgebildeten elektrischen Einrichtung 19, 21 des Netzwerksegments 3 oder durch Leistungseinspeisung des elektrischen Speichers 23 kompensiert werden.
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Davon unbenommen sind aktive Leistungseinspeisung oder Leistungsentnahme zur Teilnahme an einer „Strombörse”. Die entstehenden „Fahrpläne” für diesen Betrieb werden explizit an die elektrischen Verbraucher 25 und elektrischen Speicher 23 gesendet.
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Im laufenden Betrieb wird die Transformatorausgangsspannung U2 kontinuierlich an die Kontrolleinrichtung(en) 39 signaltechnisch übermittelt. Für die Primarregelung in Abhängigkeit von der Netzfrequenz wird von dem elektrischen Speicher 23 der Betriebsparameter – hier die Netzfrequenz – als Signal für den Beginn der Stromabgabe (Leistungseinspeisung) verwendet, wobei eine sofortige Wirkung erzielt werden kann und kein Risiko durch zu langsame oder gestörte Kommunikationskanäle entsteht. Ist die Übertragung des Signals mit der Transformatorausgangsspannung U2 ausgefallen, werden die Speicher bei Bedarf auf den letzten übermittelten Spannungswert geregelt.
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Der Übermittlungskanal für die Übermittlung des Spannungssignals der Transformatorausgangsspannung U2 kann auch verwendet werden, um im Fall einer Netzabschaltung des Netzwerksegments 3 und/oder der übergeordneten Netzwerkebene 9 ein Signal zur Abschaltung aller elektrischen Speicher 23 zu übersenden und damit ein sogenanntes „Islanding” zu vermeiden. Eine Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen (ENS) wird dadurch entbehrlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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