DE102012010512A1

DE102012010512A1 - Elektro-Energiemanagementverfahren für Netzschutz, Lastverteilung und automatisches Notstromnetz

Info

Publication number: DE102012010512A1
Application number: DE201210010512
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2013-07-18
Also published as: DE202011102796U1

Abstract

Das Verfahren verwendet die lokalen Netzparameter Spannung und Frequenz sowie deren zeitliche Änderung, um durch lokale Steuergeräte die Verbraucherlast und die eventuelle dezentrale Stromeinspeisung lokal zu regeln, arbeitet ohne Außensteuerung, d. h. autark und stellt direkt bei den Verbrauchern mehrere Stromkreise zur Verfügung: z. B. einen Normalstromkreis, einen Last-Verteilungs-Stromkreis und einen Notstromkreis. Reicht die Einspeiseleistung auch nicht für die Notversorgung, werden alle Verbraucher zum Zweck des Netzschutzes abgeschaltet (= Netzschutzbetrieb).

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein neuartiges Elektro-Energiemanagementverfahren für Netzschutz, Lastverteilung und automatisches Notstromnetz.
Stand der Technik
Elektroenergie läßt sich nicht speichern, es darf nie mehr oder weniger in die Stromnetze eingespeist werden als in dem entsprechenden Moment entnommen wird. Die Toleranz dabei ist sehr gering.
Werden die netzweit vereinbarten Toleranzen überschritten, müssen die entsprechenden Teilnetze abgeschaltet und sobald möglich wieder hochgefahren werden. Wenn die Abschaltung nicht rechtzeitig erfolgt, bricht das Netz selbst zusammen. Auch nach extrem kurzen Netzzusammenbrüchen oder Abschaltungen dauert das wieder Hochfahren lange, was zu großen wirtschaftlichen Schäden führt.
Bisher wird der größte Stromanteil von Großkraftwerken produziert und von Verbrauchern abgenommen, die von außen unbeeinflußbar sind. Inzwischen steigt die Zahl der dezentralen kleinen Stromeinspeiser stark an.
Die Großkraftwerke brauchen lange um einsatzbereit zu sein, die dezentralen Einsgeiser wie Wind- und Solar-Kraftwerke sowie Kraftwärmekopplungsanlagen erhöhen die Netzleistung. Zugleich erschweren sie die Regelung der Stromnetze wegen ihrer unstetigen Verfügbarkeit.
Die aktuelle Lösung für diese Problematik sind intelligente Netze „smart grid” und „smart metering”, wobei die dezentralen Einspeiser und möglichst viele Verbraucher über Fernsteuerungssignale oder Netzzustandstelegramme verbunden werden, um die Netzlast so auszuregeln, daß sie stets im Toleranzbereich bleibt.

Nachteile bei dieser Technik sind:
viele lokale nicht kompatible Systeme, Abhängigkeit von den jeweiligen Fernsteuerzentralen, dadurch eingeschränkte Systemstabilität Gefahr von Bedienfehlern oder Übertragungsfehlern, Möglichkeit von Sabotage durch Eingriff in Befehls- oder Meßwertübermittlung, hohe Kosten und unsichere Investitionen, da noch kein allgemeiner Standard besteht. Systemvergleich:

Stand der Technik	erfindungsgemäßes Verfahren
viele lokale nicht kompatible Systeme	ein System, weltweit verwendbar, mit allen Systemen verträglich
zu lange Entscheidungskette über EVU – Zentrale, Datenübertragung, Schaltgerät	kürzestmöglicher Entscheidungsweg im Steuer-Gerät
Problem allgemeine Normen zu finden	benötigt nur Netzparameter als Norm
Investitions – unsicher da Standard nötig, aber nicht existiert	Investitionssicher, da kein Standard notwendig
Systemänderung im (Teil-)Netz nur komplett möglich	Systemänderung auch parallel zum Bestehenden schrittweise möglich
abhängig von Steuerzentralen gesteuert	autark, wird lokal durch Netzzustand gesteuert
Bedienfehler- und Sabotagegefahr	absolut failsave, da keine Einflußmöglichkeit
Netzstörungen schwer auszugleichen	Netzstörungen werden lokal ausgeregelt
Schweres langsames Netz-Hochfahren	Sekundenschnelles Hochfahren
kein Notstromsystem	automatisches preiswertes Notstromsystem
Bei Netz-Crash komplizierte, oft unmögliche Einbindung dezentraler Einsgeiser	Bei Netz-Crash vollautomatische Einbindung aller restlichen Einsgeiser

Das hier vorgestellte Verfahren hat einen völlig neuartigen Ansatz und vermeidet damit alle im vorigen Absatz genannten Nachteile.:
Da Stromnetze mit definierten Spannungen und Frequenzen arbeiten, läßt sich aus diesen und ihren zeitbezogenen Änderungen an jeder Stelle im Netz mit einer Netzüberwachungsschaltung die Netzauslastung ablesen.
Das neue Elektroenergiemanagement-Verfahren verwendet diese Daten, um die abgenommene Leistung auf der Verbraucherseite und die dezentrale Stromeinspeisung lokal zu regeln. Es arbeitet ohne Außensteuerung, d. h. autark und dezentral und stellt direkt bei den Verbrauchern jeweils 3 Stromkreise zur Verfügung: einen Normalstromkreis, einen Lastverteilungsstromkreis und einen Notstromkreis.
Das Elektroenergiemanagement-Verfahren verwendet 2 Schaltgerätetypen

1. das lokale Steuergerät wird in jedem Haushalt bzw. in den entsprechenden Bereichen von Industriellen Anlagen eingebaut. (Beispiel in 2).
2. das Ortsanbindungsgerät wird eingebaut um die mit lokalen Steuergeräten ausgerüsteten Benutzergruppen oder lokalen Bereiche mit anderen oder gleichartigen Stromnetzen zu verbinden oder um hauseigene Stromerzeuger mit dem lokalen Netz zu verbinden, wobei dieses Netz dann ebenfalls über ein Ortsanbindungsgerät mit dem Verbundnetz zu verbinden ist. (Siehe 3)

zu 1.
Die Funktion des lokalen Steuergerätes zeigt 1, es arbeitet wie folgt.:

a. Normalbetrieb mit voller Nutzbarkeit aller Stromkreise besteht, solange die Netzbelastung unkritisch ist.
b. Lastverteilungsbetrieb mit (stufenweiser) Abschaltung oder Taktung der lokalen Lastverteilungsstromkreise für wenig zeitkritische stromintensive Geräte besteht, solange die Netzüberwachung im lokalen Steuergerät eine erste kritische Netzbelastungsstufe erkennt.
c. Notstrombetrieb mit Abschaltung der lokalen Lastverteilungsstromkreise und Normalstromkreise besteht, solange die Netzüberwachung im lokalen Steuergerät eine zweite kritische Netzbelastungsstufe erkennt.

Dann wird nur noch der Notstromkreis mit einem (lokal vereinbarten) Kontingent an Netzenergie versorgt, wobei kurze Überlastspitzen (Motoranlauf etc.) toleriert werden.
Die zulässige Dauerbelastung des Notstromnetzes ist ausgelegt für den Betrieb der wichtigsten Systeme wie Kommunikation, PC, Licht, Wasserpumpen, Heizungssteuerungen etc.

d. Netzschutzbetrieb mit totaler Abschaltung aller Stromkreise besteht, solange die Netzüberwachung im lokalen Steuergerät eine dritte kritische Netzbelastungsstufe erkennt, um den völligen Netzzusammenbruch zu vermeiden bzw. ein schnelles Hochfahren des Stromnetzes zu ermöglichen.

Netzschutzbetrieb besteht auch, solange die Netzüberwachung im lokalen Steuergerät eine unzulässige Über- oder Unterspannung erkennt.
zu 2.
Die Ortsanbindungsgeräte werden verwendet, wie in 3 dargestellt. Sie sorgen dafür, daß lokale Bereiche in denen eigene Elektroenergieeinspeiser vorhanden sind, deren Strom zuerst intern nutzen können, ehe der überschüssige Strom in das Verbundnetz zurückgespeist wird.
Die Ortsanbindungsgeräte sind zwar prinzipiell gleich aufgebaut wie die lokalen Steuergeräte, werden aber für ihren jeweiligen Einsatz angepaßt, da z. B. die beiden Ortsanbindungsgeräte in 3 etwas unterschiedliche Aufgaben haben.
Das Gerät am Ortseingang sorgt im Notfall dafür, daß die ortsintern erzeugte Leistung zuerst im Ort zur Verfügung gestellt wird und das Ortsanbindungsgerät bei Ziffer 13 sorgt dafür, daß zuerst der hauseigene Notstromkreis versorgt wird, ehe die Restenergie dem Ortsbereich (Ziffer 12) bzw. dem Gesamtnetz zur Verfügung gestellt wird.
Allgemeines zum Verfahren
Innerhalb jedes Verbundnetzes sind Frequenz, und Spannungstoleranzen vereinbart. Diese Werte dienen allen Steuergeräten als „Fenster” innerhalb dessen Lastverteilungsnetz und Notnetz gestartet werden.
Durch die schnelle stufenweise Lastrücknahme beim Verbraucher, können mit dem die mit diesem Verfahren ausgerüsteten Netze nicht zusammenbrechen, solange darin noch ein einziger Einsgeiser vorhanden ist, der die „Netz-Leerlauf-Verlust-Leistung” aufbringen kann.
Konventionelle Netze müssen nach Zusammenbrüchen durch Abschaltung in viele Teilnetze aufgeteilt werden, da sonst ein Neustart nicht möglich ist, weil die Verbraucher selbst noch am Netz hängen. Dadurch dauern Neustarts von großen Netzen nach kurzzeitigen Zusammenbrüchen typisch 15 min–90 min.
Mit einem System nach dem hier vorgestellten Verfahren versorgte Netze sind wegen des Netzschutzbetriebes im Bereich von Sekunden wieder hochgefahren. Für einen Notstrom-Betrieb ist ca. 5%–10% der installierten Netzleistung ausreichend.
Alle Steuergeräte reagieren im Millisekundenbereich, können aber um Netzschwingen zu vermeiden mit definierten Zeitkonstanten arbeiten. Außerdem werden deshalb auch die Schaltschwellen statistisch verteilt.
Auch Notfalls-Szenarien und Einsgeiser–Vertragsregeln lassen sich einprogrammieren. Alle Programmierungen erfolgen nur werksseitig.
Da keine Fernsteuerung, Fernprogrammierung oder manuelle Beeinflussung möglich ist, entfällt jede Bedienfehler- oder Sabotagegefahr.
Da dieses Verfahren bei teilweisem Parallelbetrieb mit beliebigen sonstigen Elektro-Energie-Management-Systemen keine Einschränkungen für die Verbraucher bewirkt, kann eine Umrüstung darauf, bzw. eine Neuinstallation Schritt für Schritt erfolgen.
Wegen der obengenannten Nachteile der bisherigen Systeme ist eine komplette Umrüstung aber anzuraten um diese Nachteile zu vermeiden, da das neue System nur zu dem Grad wirksam wird, zu dem es installiert ist.
Außerdem ist bei einem Parallelbetrieb die Steuerungsmöglichkeit für die konventionellen Netzanteile verringert.
Bezugszeichenliste
Fig. 1 „Ablaufplan”

: enthält keine Bezugszeichen


1: Stromzähler
2: lokales Steuergerät
3: Lastrelais Lastverteilung
4: Lastrelais Normalbetrieb
5: Sicherung Notstrom
6: Sicherung Lastverteilung
7: Sicherung Normalbetrieb
8: plombierte Bereiche
9: Wohnungsnetzeinspeisung

1: Großkraftwerke
2: Internationale Einspeisung
3: Konventionelle Netzverbindung
4: Ortsanbindungs-Steuergerät
5: Verbundnetz
6: Lokales Ortsnetz
7: Haushalt mit lokalem Steuergerät
8: Hauseigene Stromerzeugung
9: Ortschaft mit konventioneller Versorgung
10: Solar, Wind-, KWK-Versorgung kommunal
11: Autostart Notstromaggregat kommunal
12: Lokaler Bereich einer Ortschaft mit dem hier vorgestellten Elektro-Energie-Management-Verfahren
13: Anbindung für hauseigene Stromversorgung

: „Elektro-Energie-Management Verfahren, Anwendungsbeispiel”
1: Großkraftwerke
2: Internationale Einspeisung
3: Konventionelle Netzverbindung
4: Ortsanbindung
5: Verbundnetz
6: Lokales Ortsnetz
7: Haushalt mit lokalem Steuergerät
8: Hauseigene Stromerzeugung
9: Ortschaft mit konventioneller Versorgung
10: solar, Wind-, KWK-Versorgung kommunal
11: Autostart Notstromaggregat kommunal
12: Lokaler Bereich einer Ortschaft mit dem hier vorgestellten Elektro-Energie-Management-Verfahren
13: Anbindung für hauseigene Stromversorgung

Claims

Universelles, preiswertes und sicheres Stromverteilungs-Management-Verfahren zur Lastanpassung und Bereitstellung eines Notnetzes Gekennzeichnet dadurch, daß die Stromverbraucher mit dem Stromnetz über spezielle fest vorprogrammierte, nicht fernsteuerbare, externe oder interne Schalteinrichtungen mit eingebauter Netzlasterkennung verbunden werden, welche ihnen je nach Netzlastzustand einen oder mehrere Stromwege zur Verfügung stellen,
Universelles, preiswertes und sicheres Stromverteilungs-Management-Verfahren zur Lastanpassung und Bereitstellung eines Notnetzes Gekennzeichnet dadurch, daß alle regionalen, mit diesen Schalteinrichtungen ausgerüsteten Bereiche jeweils über spezielle fest vorprogrammierte, nicht fernsteuerbare Ortsanbindungseinrichtungen mit eingebauter Netzlasterkennung mit dem überregionalen Netz verbunden werden können,
Universelles, preiswertes und sicheres Stromverteilungs-Management-Verfahren zur Lastanpassung und Bereitstellung eines Notnetzes Gekennzeichnet dadurch, daß die Ortsanbindungseinrichtungen die vorrangige lokale Nutzung von lokalen Stromeinspeisungen ermöglichen können,
Universelles, preiswertes und sicheres Stromverteilungs-Management-Verfahren zur Lastanpassung und Bereitstellung eines Notnetzes Gekennzeichnet dadurch, daß in allen mit dieser Technik ausgerüsteten Bereichen automatisch lokale Stromerzeuger eingebunden werden können,
Universelles, preiswertes und sicheres Stromverteilungs-Management-Verfahren zur Lastanpassung und Bereitstellung eines Notnetzes Gekennzeichnet dadurch, daß weder bei Stromerzeugern noch bei Stromleitungen Zusatzinvestitionen nötig sind,
Universelles, preiswertes und sicheres Stromverteilungs-Management-Verfahren zur Lastanpassung und Bereitstellung eines Notnetzes Gekennzeichnet dadurch, daß das Hochfahren der Stromnetze unabhängig von der Einspeiseleistung in Sekunden möglich ist,
Universelles, preiswertes und sicheres Stromverteilungs-Management-Verfahren zur Lastanpassung und Bereitstellung eines Notnetzes Gekennzeichnet dadurch, daß die Netzstabilität weder durch Fehlbedienung noch durch Sabotage beeinflußbar ist,
Universelles, preiswertes und sicheres Stromverteilungs-Management-Verfahren zur Lastanpassung und Bereitstellung eines Notnetzes Gekennzeichnet dadurch, daß während der Umrüstung vorhandener Stromverteilungs-Management-Verfahren beide Verfahren nebeneinander verwendbar sind,
Universelles, preiswertes und sicheres Stromverteilungs-Management-Verfahren zur Lastanpassung und Bereitstellung eines Notnetzes Gekennzeichnet dadurch, daß dieses Verfahren weltweit bei allen Stromnetzen verwendbar ist.