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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung von elektrischen Netzen durch ein System zur Beeinflussung des elektrischen Energieverbrauchs größerer Verbraucher, insbesondere zur Ladung von Elektrofahrzeugen. Die Erfindung betrifft außerdem ein zugehöriges Verfahren zur Stabilisierung von elektrischen Netzen durch Charakterisierung des vorhandenen Netzwerkes und Berechnung geeigneter Korrektursignale zur Ansteuerung größerer Verbraucher, insbesondere zur Optimierung der Ladestrategie von Elektrofahrzeugen.
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Im Stand der Technik sind aktive Netzfilter zur verbrauchernetzseitigen Minderung von Oberschwingungen bekannt. Dabei handelt es sich um eigenständige und großvolumige Geräte, die einen Energiestrom abzweigen, speichern und daraus eine zusätzliche, zeitlich veränderte Spannung gewinnen, welche der Versorgungsspannung überlagert wird. Eine Berücksichtigung der angeschlossenen Verbraucher findet bestenfalls bei der Auslegung und Inbetriebnahme statt. Wandlungsverluste zur Herstellung einer Kompensationsspannung werden als Wärme abgeführt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind eigenständige Geräte, die Kunden nach dem häufigen Auftreten von Geräteausfällen oder nach einer Rüge durch das Energieversorgungsunternehmen EVU mit erhöhtem Aufwand nachträglich aufstellen. Der hier vorgestellte Ansatz lässt sich als eigene Baugruppe einer in der Herstellung befindlichen Schaltanlage hinzufügen oder nachträglich direkt in der Schaltanlage des angeschlossenen Prozesses nachrüsten.
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Aus
DE 10 2009 052 031 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb von an einer elektrischen Spannung angeschlossenen Geräten bekannt mit den Schritten:
- - Abnehmen wenigstens eines Teils der sich periodisch ändernden elektrischen Spannung in Form eines elektrischen Signals;
- - Filtern des elektrischen Signals;
- - Bildung eines modifizierten Steuersignals aus dem gefilterten elektrischen Signal der Spannung, wobei zur Bildung des modifizierten Steuersignals periodisch wiederkehrende Punkte des elektrischen Signals der Netzspannung verwendet werden;
- - Verwendung des modifizierten Steuersignals zum Synchronisieren einer Steuerungseinrichtung, welche das elektrische Gerät steuert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben.
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Die vermehrte Anschaltung von nicht-linearen Verbrauchern bewirken störende Rückwirkungen auf die versorgenden Netze durch harmonische Störungen mit Oberwellen vielfacher Ordnung.
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Daneben werden durch Schwankung der Energieaufnahme und -abgabe der elektrischen Verteilnetze weitere sporadisch auftretende, transiente Störungen induziert:
- 1. Spannungsüberhöhung
- 2. Transienten durch Gewitter oder durch Lastabwurf von Verbrauchern
- 3. Spannungsmangel durch zu viel Abnahme oder den Ausfall von Kraftwerken, Leitungen oder Transformatoren.
- 4. Frequenzschwankungen
- 5. Sternpunkt-Verschiebungen
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Netzrückwirkungen von Verbrauchern zu minimieren und ein Mittel gegen die zunehmend absinkende Netzqualität bereitzustellen. Die Qualität der elektrischen Versorgung wird mit der Erfindung erhöht, wobei Investitionskosten verringert und Geräteausfälle durch elektrische Störungen vermindert werden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es darüber hinaus, zu einer Absicherung der Energieversorgung beizutragen, selbst wenn Anforderungen an Verteilnetze durch den vermehrten Einsatz von Elektrofahrzeugen steigen. Die Erfindung stellt mögliche Evolutionsschritte für Systeme zur Ladung von Elektrofahrzeugen dar.
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Die Aufgabe wird die Vorrichtung betreffend mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Das Verfahren betreffend wird die Aufgabe mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Die Vorrichtung zur Stabilisierung von elektrischen Netzen durch ein System zur Beeinflussung des elektrischen Energieverbrauchs größerer Verbraucher, insbesondere zur Ladung von Elektrofahrzeugen umfasst ein Anschlussnetzwerk N1, ein ausgleichendes, aktives Netzwerk N2 und ein benachbartes, passives Netzwerk N3, wobei das Anschlussnetzwerk N1 Bestandteil des ausgleichenden, aktiven Netzwerks N2 ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das ausgleichende, aktive Netzwerk N2 eingerichtet ist zur Kombination einer zeitlich variablen Energieaufnahme von Frequenzumrichtern und anderen Leistungsstellern mit einer Impedanz von angeschlossenen Energieverbrauchern. Dabei ist eine auch als ANC MeasureThis bezeichnete Mess- und Analysevorrichtung zum Messen und Analysieren eines zeitlichen Verlaufs von Spannungen und Strömen einer Versorgung im Anschlussnetzwerk N1 und zur Charakterisierung der umgebenden Netzwerke vorgesehen. Zudem ist ein auch als ANC Corrector bezeichnetes Rechenwerk zur Ermittlung eines Korrektursignals, insbesondere eines möglichst vorteilhaften Korrektursignals, vorgesehen. Außerdem ist eine auch als ANC Modify bezeichnete Modifikationsvorrichtung zur Modifikation eines Stellsignals für einen Leistungssteller vorgesehen, wobei des Weiteren ein auch als ANC Amplifier bezeichneter Leistungssteller vorgesehen ist, der eine Energieversorgung mit einem Energieverbraucher verbindet. Zudem ist eine auch als ANC Gateway bezeichnete bidirektionale Übertragungsvorrichtung zur Übertragung von Zielparametern und Störungsmeldungen vorgesehen, welche mit einem Netzanschluss verbunden ist und mit dem Rechenwerk bidirektional verbunden ist. Bevorzugt ist wenigstens ein weiteres benachbartes, passives Netzwerk N4 vorgesehen.
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Das Verfahren zur Stabilisierung von elektrischen Netzen durch Charakterisierung, Berechnung und Korrektur der Ansteuerung größerer Verbraucher umfasst ein das Anschlussnetzwerk (N1) ausgleichendes, aktives Netzwerk (N2) und ein benachbartes, passives Netzwerk (N3). Erfindungsgemäß erfolgt mittels des ausgleichenden, aktiven Netzwerks N2 eine Kombination einer zeitlich variablen Energieaufnahme von Frequenzumrichtern und anderen Leistungsstellern mit einer Impedanz von angeschlossenen Energieverbrauchern. Zudem wird mittels der Mess- und Analysevorrichtung ein zeitlicher Verlauf von Spannungen und Strömen der Versorgung im Anschlussnetzwerk N1 gemessen und analysiert und es erfolgt eine Charakterisierung der umgebenden Netzwerke. Außerdem wird mittels des Rechenwerks ein vorzugsweise möglichst vorteilhaftes Korrektursignal ermittelt und mittels der Modifikationsvorrichtung ein Stellsignal für einen Leistungssteller modifiziert, wobei mittels des Leistungsstellers die Energieversorgung mit dem Energieverbraucher verbunden ist oder wird. Außerdem werden mittels der bidirektionalen Übertragungsvorrichtung Zielparameter und Störungsmeldungen übertragen.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Pulsieren von Spannungsamplituden vermeidbar ist und dass ein vorhandenes Pulsieren selbsttätig ausgleichbar ist.
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Vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist zudem, dass eine Zeitverzögerung zwischen einer Messung einer Netzstörung und einer Reaktion, also einer Bereitstellung von Kompensationsströmen, sehr gering oder nicht vorhanden ist.
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Vorteilhaft ist der Einsatz der Erfindung, da eine zunehmend absinkende Netzqualität durch die vermehrte Anschaltung von nicht-linearen Verbrauchern zu verzeichnen ist, die als störende Rückwirkung anhaltende harmonische Störungen mit Oberwellen vielfacher Ordnung über die versorgenden Transformatoren hinweg auf die versorgenden Netze bewirken.
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Die Qualität der elektrischen Versorgung wird mit der Erfindung erhöht, wobei Investitionskosten verringert und Geräteausfälle durch elektrische Störungen vermindert werden.
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Daneben werden durch Schwankung der Energieaufnahme und -abgabe der elektrischen Verteilnetze weitere sporadisch auftretende, transiente Störungen induziert:
- 1. Spannungsüberhöhung
- 2. Transienten durch Gewitter oder durch Lastabwurf von Verbrauchern
- 3. Spannungsmangel durch zu viel Abnahme oder den Ausfall von Kraftwerken, Leitungen oder Transformatoren
- 4. Frequenzschwankungen
- 5. Stempunkt-Verschiebungen
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Die erfindungsgemäße Lösung, in jedem größeren elektrischen Verbraucher in einem ausgleichenden, aktiven Netzwerk N2 eine eigenständige Kompensationseinrichtung zu integrieren, nutzt die in der jeweiligen Anlage bereits vorhandene Leitungsführung aus, so dass ein Aufwand für eine Gesamtkompensation drastisch sinkt.
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Erfindungsgemäß werden Nachrichten und Signale zwischen einem Energieversorger und einer Anzahl angeschlossener elektrischer Verbraucher bidirektional über ein Gateway ausgetauscht.
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Aus der Summe der Rückmeldungen angeschlossener Verbraucher mittels des Gateways lassen sich sehr viel exakter als im Stand der Technik eine mögliche Netzstörung vorhersagen und Gegenmaßnahmen anregen.
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Durch einen dezentralen Ansatz bleibt der Gesamtverbund von Anlagen, beispielsweise in einer Gemeinde oder in einer Fabrik oder in einem Haushalt, dynamisch immer auf dem bestmöglichen Stand.
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Kern der Erfindung ist ein System zur aktiven Netzpflege, auch bezeichnet als ActiveNetCare oder ANC. Dies beschreibt eine Kombination einer zeitlich variablen Energieaufnahme von Frequenzumrichtern und anderen Leistungsstellern mit einer Impedanz angeschlossener Energieverbraucher zu einem ausgleichenden Netzwerk N2.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine erste schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Fahrzeug,
- 2 eine detaillierte schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 3 einen schematischen ersten Auszug aus vorgenannter schematischer Darstellung,
- 4 einen schematischen zweiten Auszug,
- 5 einen schematischen dritten Auszug,
- 6 einen schematischen vierten Auszug und
- 7 einen schematischen fünften Auszug.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine erste schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Fahrzeug. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stabilisierung von elektrischen Netzen unter Ausnutzung einer Regelenergie dient für ein System zur Ladung von Elektrofahrzeugen. Ziel ist es, durch den zeitlichen Verlauf der Leistungsaufnahme aktiv zu einer Verbesserung der Netzqualität beizutragen. Die Verbesserung der Netzqualität wird auch als ActiveNetCare oder als ANC bezeichnet.
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Die Vorrichtung zur Stabilisierung von elektrischen Netzen umfasst eine Mess- und Analysevorrichtung 1, ein Rechenwerk 2, eine Modifikationsvorrichtung 3, einen Leistungssteller 4 und eine Übertragungsvorrichtung 5.
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2 zeigt eine detaillierte schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, also einen schematischen Aufbau zum AvtiveNetCare.
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Es wird vorgeschlagen, dass vorhandene, elektrische Verbraucher mit einer vorgeschalteten Vorrichtung dezentral eine Kompensation von Netzstörungen vornehmen. Alle elektrisch betriebenen Geräte, die auf einen größeren Energiespeicher wirken, eignen sich zur aktiven Netzpflege. Folgende elektrische Verbrauchseinrichtungen eignen sich besonders, weil kurzzeitige, überlagerte Änderungen an deren Leistungsaufnahme keinen nennenswerten Einfluss auf die gespeicherte Energie, beispielsweise Ladung, Temperatur, mechanische Energie und so weiter, haben:
- - Ladeeinrichtungen für elektrisch betriebene Fahrzeuge,
- - elektrische Beheizungseinrichtungen wie Öfen, Wassererwärmer und Infrarot-Erwärmungseinrichtungen,
- - größere elektrische Antriebe wie Lüftungen und Pumpen,
- - alle elektrischen Verbrauchseinrichtungen mit großen Zeitkonstanten.
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Um vorgenanntes Zusammenwirken mit anderen Worten in einer Analogie zu beschreiben: Für den Betreiber einer Waschmaschine ist es unerheblich, dass der Leistungssteller die dort eingebaute Heizung für wenige Millisekunden herunterregelt, solange dafür kein Black-Out geschieht oder auch nur der Netzwerk-Router im Haus nicht wegen EMV-Einstreuung oder Unterspannung gestört wird.
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Die Vorrichtung zur Stabilisierung von elektrischen Netzen umfasst ein Anschlussnetzwerk N1, ein ausgleichendes, aktives Netzwerk N2 und ein benachbartes, passives Netzwerk N3, wobei das Anschlussnetzwerk N1 Bestandteil des ausgleichenden, aktiven Netzwerks N2 ist. Die Vorrichtung zur Stabilisierung von elektrischen Netzen umfasst außerdem ein weiteres benachbartes, passives Netzwerk N4.
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Die Vorrichtung zur Stabilisierung von elektrischen Netzen umfasst die Mess- und Analysevorrichtung 1 zum Messen und Analysieren eines zeitlichen Verlaufs von Spannungen und Strömen einer Versorgung im Anschlussnetzwerk N1, das Rechenwerk 2 zur Ermittlung eines Korrektursignals, die Modifikationsvorrichtung 3 zur Modifikation eines Stellsignals für einen Leistungssteller, den Leistungssteller 4, der eine Energieversorgung mit einem Energieverbraucher verbindet und die Übertragungsvorrichtung 5 zur Übertragung von Zielparametern und Störungsmeldungen. Außerdem zeigt 2 zwei Regler 6 sowie schematisch dargestellt zwei Prozesse 7, die jeweils einen Energieverbraucher darstellen. Das Anschlussnetzwerk N1 steht in Wirkverbindung mit einem auch als EVU bezeichneten Energieversorger 8. Rundsteuersignale 9 von/an dem Energieversorger 8 sind neben der Übertragungsvorrichtung 5 dargestellt. Neben der Übertragungsvorrichtung 5 sind zudem andere Netzwerke 10 wie GSM, LTE, LAN oder WLAN dargestellt.
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Der Aufbau und die Funktionsweisen der in 2 dargestellten Komponenten werden in den folgenden Figuren genauer erläutert.
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3 zeigt dazu einen schematischen ersten Auszug aus vorgenannter schematischer Darstellung. Die dargestellte, auch als ,ANC MeasureThis' bezeichnete Komponente umfasst eine Mess- und Analyseeinrichtung 1 für Spannungen und Ströme der Versorgung im Anschlussnetzwerk N1.
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Hier wird vorgeschlagen, für eine größere Vielzahl von Verbrauchern jeweils eigenständige Messeinrichtungen, die ein Anschlussnetzwerk N1 bilden, vorzusehen. Die Aufgabe in diesem Segment ist es, durch Bereitstellen von Messwerten und ermittelten Parametern das angeschlossene Netzwerk hinreichend zu charakterisieren. Die vorliegenden Messwerte für alle Spannungen dargestellter Außenleiter U1, U2, U3 und eines Nullleiters UN, vorteilhafterweise gegen das Erdpotenzial PE gemessen, ermöglichen zusammen mit Strom messwerten I1, I2, I3, IN erst eine vollständige Beschreibung des Verbrauchernetzwerks. Ein Aussteuerwert A ist zwischen der Modifikationsvorrichtung 3 und der Mess- und Analysevorrichtung 1 dargestellt.
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Die Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren dar, bei denen die Ermittlung quasistastischer Kennwerte (Oberwellenanteil innerhalb von Bewertungszeiträumen) für eine größere Unterverteilungen und für stationäre Prozesse erfolgt, wobei die im Stand der Technik bekannte Mittelung von Messwerten über einen längeren Zeitraum nachteilig ist, da die Phasenlagezuordnungen ihrer ermittelten Messwerte häufig unbekannt bleiben.
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Erfindungsgemäß wird eine Messtechnik um eine Kombination mit der zeitlich genauen Erfassung und einer Modellbildung für das Netzwerk erweitert. Die aus den Messwerten errechnete Modellierung des Netzwerkes erfolgt hinsichtlich zweier Betrachtungsweisen:
- - transiente Merkmale TM
- - periodische Merkmale PM
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ANC MeasureThis erstellt eine Parametrierung für transiente Merkmale TM, die die transiente Robustheit des Netzwerkes beschreibt mit Häufigkeit, Dauer und Höhe von
- - Spannungsüberhöhung
- - spontanen Abweichungen von der idealen Sinusform (z.B. durch Gewitter oder durch Lastabwurf von Verbrauchern)
- - Spannungsmangel (durch zu viel Abnahme oder den Ausfall von Kraftwerken, Leitungen oder Transformatoren)
- - Frequenzschwankungen
- - Sternpunkt-Verschiebungen
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Diese Informationen werden später in nachgelagerten Rechenwerken dazu genutzt, um schwächere Netzwerke durch frühzeitigeres Schließen der Leistungssteller und damit einer Begrenzung der Leistungsabnahme vor einem ,black-out‘-Spannungszusammenbruch zu schützen.
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Zur periodischen Modellbildung für periodische Merkmale PM erstellt ANC MeasureThis eine Frequenzanalyse des angeschlossenen Netzwerkes. Als grundlegende Analyse wird zyklisch die wirklich vorliegende Netzfrequenz und erfindungsgemäß ihre Lage zur genauen, internen Uhrzeit ermittelt (f0, phi_0). Die Kenntnis über die Lage der periodischen Schwingung bezogen auf die wirkliche Zeit hat erhebliche Vorteile bei der Modellierung des versorgenden Systems und nachfolgend bei der Berechnung einer entgegenwirkenden Schaltfolge am Leistungssteller. Die ermittelte Frequenz f0 liegt in der EU üblicherweise zwischen 49,5Hz und 50,5Hz und ist innerhalb einer mit dem Energieversorger 8 ausgehandelten und einer über Normen vorgegebenen Spanne.
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In einem Netzwerk mit einer zu kleinen Netzfrequenz ist bei der Anschaltung großer Verbraucher zu beachten, dass das übergeordnete Versorgungsnetz Schwierigkeiten hat, weiter erhöhte Leistungen zu liefern, daher besteht der Bedarf für einen Eingriff in den versorgten Verbraucher.
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Erfindungsgemäß wird bei kleinen Werten der Netzfrequenz dem nachfolgenden Anlagenteil, dem auch als ANC Corrector bezeichneten Rechenwerk 2, ein Signal für erkannten Spannungsmangel übergeben.
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Im Rechenwerk 2 werden die Ausgleichsmaßnahmen für das gesamte ActiveNetCare-System errechnet. Vorteilhaft ist es, bei Spannungsmangel der nachfolgenden Modifikationsvorrichtung 3 ein Signal zu übermitteln, die Rampenanstiegszeit angemessen zu verlängern.
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In der Folge wird der nachfolgende Prozess nicht mehr mit größtmöglicher Leistungsaufnahme versorgt und dem Energieversorger 8 wird Gelegenheit gegeben, entsprechend nachzuregeln.
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Vorteilhaft ist die Kombination aus der Messung der Spannungsmangelzeiten (transientes Merkmal) und der Netzfrequenz (periodisches Merkmal) durch die Erhöhung der Aussagewahrscheinlichkeit der Modellbildung.
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Auch bei dem Auftreten von Spannungsüberhöhungen kann auf die Robustheit des versorgenden Netzes geschlossen werden: Treten die erhöhten Spannungen zyklisch mit jeder Halbwelle auf, dann sollte als abgeleitete Maßnahme der angeschlossene Prozess erfindungsgemäß möglichst mehr Energie aufnehmen als üblich, damit das Netz stabilisiert wird. Begründet wird dieses Vorgehen dadurch, dass dann anscheinend zwischen dem Netzanschlusspunkt des Verbrauchers und dem einspeisenden Kraftwerk eine geringe Leitungskapazität besteht und das Kraftwerk seine Netzfrequenz beibehält zu Lasten der korrekten Spannungshöhe. Für jedes der angegebenen transienten Phänomene lässt sich eine in Parametern gefasste Beschreibung als transiente Merkmale TM angeben, die in einer Matrix die Robustheit des Netzwerkes zyklisch beschreibt. Diese Parameter werden dem nachfolgenden Rechenwerk 2 als Signal zur Verfügung gestellt, der für alle übermittelten Parameter ein Korrektursignal ermittelt.
- || TM || =
- || Spannungsüberhöhung(t),
Spannungsmangel(t),
Frequenzschwankungen(t),
Sternpunkt-Verschiebungen(t) ||
für alle t = t_0 + delta_t * N
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Bekannt ist das Auftreten von Oberwellen in elektrischen Versorgungsnetzen. Dies qualifiziert zu ermitteln, ist eine der wichtigsten Aufgaben von ANC MeasureThis. Beginnend mit der schon beschriebenen Ermittlung der Netzfrequenz f0 und ihrer aktuellen Lage zur Zeit, werden dazu auch die Vielfachen (0,01 bis 100 * f_0) im Frequenzraum ermittelt und in Parametern beschrieben. Erfindungsgemäß werden die Oberwellen nicht einfach über feste Vielfache der Nennfrequenz 50Hz ermittelt, sondern die Frequenz-Analyse in Abhängigkeit von der gefundenen Grundfrequenz des Netzes durchgeführt. Idealisiert stellen sich Oberwellen als Vielfache der aktuellen Netzfrequenz ein, seien diese nun 49,5Hz oder 50,5Hz. Durch nichtlineare Effekte in realen Netzen sind auch die Phasenlagen der Oberwellen nicht einfach Null bezogen auf die zugrundeliegende Netzfrequenz, sondern weichen davon leicht, aber nicht vernachlässigbar ab. Erfindungsgemäß wird zusammen mit der Frequenzanalyse eine Messung der jeweiligen Stromstärke durchgeführt. Dies ist vorteilhaft, um den Einfluss von nichtlinearen, von der Stromstärke abhängigen Gliedern im Stromkreis zu erfassen.
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Dadurch ist es möglich, viele Oberwellenanteile quantitativ hinsichtlich Amplitudenverhältnis und Phasenlage als wichtigen Parametersatz in diesem Modul zu ermitteln. Vorzugsweise ist vorgesehen, dieses von der ersten bis zur mindestens vierzigsten, besser bis zur maximal errechenbaren Oberwelle zu berechnen. Die Beschreibung der periodischen Merkmale PM im gemessenen Netzwerk wird durch folgende Matrix wiedergegeben:
|| PM || = || Frequenz f , Amplitude(f), Phasenlage(f), Strom(f) ||
für f = 0,01 *f_0... 100 * f_0
Daraus ergibt sich für die Einzelfrequenz f ein Mindestbereich von 0,5 Hz bis 5kHz. Die Höhe der oberen überwachbaren Frequenz hängt von der Leistungsfähigkeit der Algorithmen und der eingesetzten Hardware ab. Es ist bevorzugt vorgesehen, die Berechnungen auf ein Logikbauteil (FPGA, DSP) mit einer austauschbaren Firmware zu verlagern, welches in vorteilhafter Ausführung austauschbar gestaltet ist.
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Erfindungsgemäß überwacht ANC MeasureThis als Gütekriterium für diese Modellierung das Ergebnis zyklisch hinsichtlich der Übereinstimmung mit den grundlegenden Messwerten. Das Modell muss die wirklichen Messwerte, abzüglich der transienten Anteile, hinreichend genau wiedergeben. Ist dies nicht der Fall, führt ANC MeasureThis eine erneute Berechnung und Approximation durch.
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Erfindungsgemäß vergleicht ANC MeasureThis die Netzgrößen des unbeanspruchten Netzes mit denen des mit dem Prozess belasteten Netzwerkes, um eine Beschreibung des versorgten Prozesses 7 zu gewinnen. Diese Beschreibung ist im Mindestfall die Impedanz des versorgten Verbrauchers Z_N2.
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Vorteilhaft ist die Beschreibung der Verbraucherimpedanz unter Berücksichtigung der mehreren ermittelten Teilfrequenzen und ihrer Amplitudenverhältnisse und Phasenlagen.
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Noch vorteilhafter ist eine weitere Detaillierung hinsichtlich der Stromaufnahme des Verbrauchers bezogen auf Teilfrequenzen und einzelne Leiterströme. Erfindungsgemäß verwendet ANC MeasureThis dazu die Zeiträume, in denen die Werte der angeschlossenen Strommessung zum Verbraucher innerhalb definierter Klassengrenzen liegen.
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Ziel ist die Ermittlung einer Beschreibung der angeschlossenen Verbraucher durch deren Übertragungsfunktion. Die Inverse der Übertragungsfunktion ist eine Grundlage zur Berechnung von Korrektursignalen (2).
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Beispielhaft und im idealisierten, einfachsten Fall ergibt sich ein ohmscher Verbraucher ohne jegliche Kennlinien-Nichtlinearität. Dessen Impedanz wäre dann durch einen reinen Realteil hinreichend beschrieben.
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Zum Ausgleich von Netzstörungen würde in einem folgenden Anlagenteil bei einer Spannungsspitze die Einschaltdauer verlängert werden, bei Spannungsmangel würde die Leistungsendstufe während des Spitzenwertes der Spannung kurz ausgeschaltet werden. Um zu vermeiden, dass Eingriffe bei solch ohmschen Verbrauchern ihrerseits zu Störaussendungen führen, sollten nachfolgende Leistungssteller 4 wie ANC Amplify mit einem numerisch bekannten Entlastungsnetzwerk ausgestattet sein. Dieses Entlastungsnetzwerk sollte mit einer hinreichenden, variablen Speicherkapazität ausgestattet werden.
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In realen Prozessen sind ideale Verbraucher nicht zu erwarten, sondern nur Verbraucher mit einer Übertragungsfunktion, die zumindest durch Amplitudenverhältnisse und Phasenlagen in Abhängigkeit von der Grundfrequenz f_0 beschrieben werden.
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Als weiteres Ergebnis liefert ANC MeasureThis damit die Impedanz des versorgten Verbrauchers Z_N2 als Übertragungsfunktion des angeschlossenen Prozesses 7 an den nachfolgenden ANC Corrector, das Rechenwerk 2. Diese Übertragungsfunktion als Impedanz des versorgten Verbrauchers Z_N2 enthält ein Kennfeld für Frequenz, Stromstärke und Temperatur mit den jeweiligen Parametern für die Amplitudenverhältnisse und Phasenlagen und wird auch als Impedanz des Verbrauchernetzwerkes bezeichnet.
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∥ Z_N2 || = || Frequenz f,
Amplitudenverhältnisse(f),
Phasenlage(f),
vorteilhaft: Temperatur(f),
vorteilhaft: Strom(f) ||
für f = 0,01 *f_0...100*f_0
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4 zeigt einen schematischen zweiten Auszug aus 2 zur Erläuterung des auch als ANC Corrector bezeichneten Rechenwerks 2, insbesondere zur Vorrichtung und zum Verfahren zur Berechnung wirksamer Korrektursignale. Der ANC Corrector ist eine Komponente des ActiveNetCare.
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Aus der Beobachtung, dass Verbraucher eine Rückwirkung auf das umliegende Versorgungsnetz bewirken, kann geschlossen werden, dass eine geeignet geregelte Energieaufnahme der Verbraucher eine positive Wirkung auf die Versorgungsnetze haben kann.
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Die Berechnung der optimalen Einwirkung auf den über Leistungssteller 4 angeschlossenen Verbraucher ist die Aufgabe des als ANC Corrector bezeichneten Rechenwerks 2. Anhand von verschiedenen Anforderungen, auch als Zielmodell Z bezeichnet, an die erwünschte, positive Rückwirkung wird ein Korrektursignal ermittelt, dass von der nachgelagerten Modifikationsvorrichtung 3 aufgenommen und zusammen mit dem Stellsignal des Prozessreglers in ein Stellsignal für den Leistungssteller 4 gewandelt wird.
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Als Eingangssignale stehen die Matrizen transiente Merkmale TM, periodische Merkmale PM und Impedanz des versorgten Verbrauchers Z_N2 zyklisch zur Verfügung.
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Zur Abschwächung von Oberwellen, die durch die Mess- und Analysevorrichtung 1 im Anschlussnetzwerk N1 ermittelt wurden, wird die Lastaufnahme sowohl über längere Zeiträume als auch im Kurzzeit-Bereich moduliert (in kleinen Teilen der Netzperiode).
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Dadurch, dass die Zeitdauern der Eingriffe kürzer sind als die Zeitkonstanten der versorgten Prozesse, können die gewünschten Prozesse weiter betrieben werden. Eine extern ausgelöste Lastreduktion bewirkt allenfalls eine Verlangsamung des Prozesses.
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Periodische Ausgleichssignale GP:
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Zwar sind auch andere Möglichkeiten denkbar, eine Korrektur durch Schaltsignale zu erzeugen, aber da sich Schaltvorgänge durch die nachfolgende Impedanz des versorgten Verbrauchers Z_N2 und Z_LS erst später als die Korrekturmaßnahme auswirken, müsste die Korrektur aus Eingangsgrößen berechnet werden, die vor der Ausgabe, also in der Zukunft anhand von gemessenen Werten zur Verfügung stehen. Dies ist nicht möglich. Daher wird die Berechnung mit den Teilfrequenzen und den zugehörigen Phasenverschiebungen so durchgeführt, dass die Teilstörungen mit der inversen Übertragungsfunktion der restlichen Prozessstrecke berechnet werden.
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In einem Anwendungsbeispiel wird im Anschlussnetzwerk N1 eine Teilfrequenz von 150Hz einer Phasenlage von 30° mit einem Anteil von 10% der Sternspannung (=23Volt) gemessen. Zum Ausgangssignal an den Leistungssteller 4 wird dann ein Korrektursignal von 10% und eine Phasenlage von - 30° addiert. An einem ohmschen Verbraucher sinkt dann die auftretende Störspannung zur Frequenz 150Hz.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die Berechnung innerhalb eines Kennfeldes unter Berücksichtigung der aktuellen Stromstärke der jeweiligen Leiter durchgeführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die Berechnung innerhalb eines Kennfeldes unter Berücksichtigung der bekannten Temperatur, beispielsweise Prozesstemperatur und/oder Umgebungstemperatur, durchgeführt.
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Erfindungsgemäß werden für jede Teilfrequenz die aus der zugehörigen inversen Übertragungsfunktion gebildeten Korrektursignale entsprechend einer Gewichtungsfunktion GT überlagert.
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Zum Ausgleich von transienten Störungen wird zusätzlich eine weitere Gewichtungsfunktion GT gebildet und als Korrektursignal auf die nachfolgende Modifikationsvorrichtung 3 weitergeleitet.
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Im Beispiel des vermindert leistungsfähigen Versorgungsnetzes wird dort die Stromgrenze des Prozesses vermindert, so dass die Spitzenwerte der Leistungsaufnahme über eine längere Zeit vermindert werden können, wodurch das Netz weiter stabilisiert wird.
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Die Aufgabe, durch geschickt gewählte Gewichtungsfunktionen GT und Periodische Ausgleichssignale GP ein Minimum der periodischen Merkmale PM und der transienten Merkmale TM zu erreichen, lässt sich durch eine aus Anlagenkennwerten errechnete oder mit einer empirisch ermittelten Startbedatung erreichen. In einer weiteren, vorteilhaften Ausführung wird diese Aufgabe durch Unterstützung eines künstlichen neuronalen Netzes gelöst, welches innerhalb der Vorrichtung durch ein eigenes vollständiges Rechenwerk ausgeführt sein kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden Berechnungen in einem ausgelagerten, externen Rechenwerk durchgeführt und als sogenannte Cloud-Service zur Optimierung bereitgestellt. Erfindungsgemäß werden die Werte einer Startbedatung immer weiter optimiert. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von künstlicher Intelligenz dadurch, dass immer wieder neue Rekursionen möglich sind, weil das Ergebnis der vorangegangenen Iteration immer wieder zyklisch von der Mess- und Analysevorrichtung 1 berichtet wird. Die Abweichungen vom idealen Zielzustand des versorgenden Netzes sollen mithilfe des neuronalen Netzes minimiert werden.
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Dabei wird die genaue Zeit im Eingangsvektor des neuronalen Netzes berücksichtigt, welche dann das neuronale Netz nicht nur die elektrischen Größen des Verbrauchers einlernen kann, sondern auch das zeitliche Verhalten des Anwenders (Schichtplan, Prozessablauf, zeitliche Gewohnheiten und dergleichen).
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Die Optimierungsaufgabe wird durch mindestens eine Schicht, vorteilhafter durch mehrere Schichten von Neuronen gelöst. Dies ermöglicht die Eliminierung von Störungen, die durch bisher unbekannte gemeinsame Ursachen bedingt sind.
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Die ermittelten Gewichtungsfunktionen GT und die Periodischen Ausgleichssignale GP hängen vom Zielmodell Z ab. Dies sind einerseits die Freiheit von störenden Oberwellen und andererseits die Schonung des versorgenden Netzes.
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Die Zielmodelle für das versorgende Netz sind umschaltbar gestaltet.
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Eine Situation mit Spannungsmangel- oder -überschuss- kann aus der Netzfrequenz und dem Spannungsverlauf geschlossen werden, aber auch der Energieversorger 8, also das Energieversorgungsunternehmen EVU, oder der Betreiber der versorgenden Transformatorstation kann sich Strategien der angeschlossenen, aktiven Verbraucher auswählen. Zur notwendigen Nachrichten-Übermittlung stehen neben Rundsteuersignalen 9, die erweitert werden können, auch andere Netzwerke 10 wie GSM, LTE, LAN, WLAN oder 5G zur Verfügung, die von der Übertragungsvorrichtung 5 aufgenommen und an das Rechenwerk 2 als Korrekturvorrichtung weitergeleitet werden.
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5 zeigt einen schematischen dritten Auszug aus 2, nämlich die als ,ANC Modify‘ bezeichnete Komponente des ActiveNetCare, insbesondere die Modifikationsvorrichtung 3, zur Erläuterung von höherfrequenten Eingriffen in den Regelkreis des versorgten Prozesses.
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ANC Modify als Modifikationsvorrichtung 3 beschreibt ein eigenständig nutzbares Steuerungsbauteil, dass das Stellsignal Y des Reglers 6 aufnimmt und mit Korrekturen an eine Leistungsendstufe als Leistungssteller 4 weitergibt.
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Für bereits ausgelegte und für bereits ausgeführte Prozesse kann diese Einheit nachgerüstet werden, in dem der Reglerausgang von den Leistungsendstufen getrennt und ANC Modifier integriert wird. Diese Leistungsendstufe wird üblicherweise als elektronisches Schaltelement, beispielsweise Thyristor, IGBT, MosFET, ausgeführt, es sind aber auch fluidische Ventile möglich.
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Allen Leistungsstellern 4 gemeinsam ist die durch ein Stellsignal Y gesteuerte Verbindung der Energiezufuhr mit einem Aktor. Dieser Aktor bewirkt eine Zustandsänderung im erwünschten Prozess (Ladung, Spannung, Temperatur, Druck, Massenstrom etc.). In Abhängigkeit von den ermittelten Prozessgrößen und Regelabweichungen erzeugt der Regler 6 neue Stellsignale Y, wodurch die Regelkreise des Prozesses 7 geschlossen werden.
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Für jedwede Beeinflussung der Energiezufuhr, die durch einen langsameren Prozess gedämpft wird, ergibt sich keine prinzipielle Einschränkung des gewünschten Prozesses. Die Ausgabe von ANC Modify ist das zeitlich veränderliche Ansteuersignal für die Leistungssteller 4 ANC Amplify. Da üblicherweise mehr als ein, sondern mehrere (n) Ausgangstransistoren (IGBT, MosFet...) in einem Leistungssteller 4 zum Einsatz kommen, ist die Ausgabe in einer Matrix für die Ansteuerwerte AM zu beschreiben:
|| AM || = || Ansteuersignal n || für n = 1... Kanalzahl
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Bereits beschrieben wurde die Reaktion auf schwache Versorgungsnetze:
Der ANC Corrector sendet ein spezielles Ausgangssignal YC, das von ANC Modify empfangen und in eine größere Rampenanstiegszeit umgesetzt wird, mit der der Ausgang, also Ansteuerwert AM dem Eingang, also Stellsignal Y, folgt. Analog verringert sich die Rampenanstiegszeit bei einem anderen Ausgangssignal YC für vermehrte Leistungszufuhr.
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Analog kann auch der Eingangskanal, also das Stellsignal Y, mit einem Skalierungsfaktor versehen werden, der wiederum vom Ausgangssignal YC gesteuert wird. Bevorzugt werden Sternpunktverschiebungen dadurch ausgeglichen, dass die einzelnen Phasen der Verbraucher in geeigneter Weise mit mehr oder weniger Leistung versorgt werden, und dadurch im Gesamtnetz wieder eine Symmetrie erzeugt wird. Für den Ausgleich von Dreiecksschaltungen ist der Algorithmus in der Firmware des Bausteins implementiert.
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6 zeigt einen schematischen vierten Auszug aus 2, zur Erläuterung des als ANC Amplify bezeichneten Leistungsstellers 4.
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Der ANC Leistungssteller 4 verbindet die bereitgestellte Energie mit den Aktoren, die den gewünschten Prozess 7 bewirken.
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Hier sind verschiedene Charakteristiken des Entlastungsnetzwerkes umschaltbar gestaltet. Dies kann einerseits dadurch realisiert werden, dass unabhängige Kombinationen von IGBT oder Ausgangstransistoren mit eigenen Spulen oder Kondensatoren angesteuert werden, die wiederum die gewünschte harte oder weiche Charakteristik erzeugen. In den meisten Anwendungsfällen wird es vorteilhaft sein, in Abhängigkeit vom Eingangssignal, also dem Ansteuerwert AM, jeweils Kondensator- oder Spulenelemente dem Entlastungsnetzwerk additiv zuzuschalten.
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7 zeigt einen schematischen fünften Auszug aus 2, zur Erläuterung der als ANC Gateway bezeichneten Übertragungsvorrichtung 5.
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Die Übertragungsvorrichtung 5 dient zwei Zielen: Erstens der Übertragung notwendiger Parameter vom Energieversorger 8 an die angeschlossenen Verbraucher, zweitens von der Rückmeldung der angeschlossenen Verbrauchernetze an den Energieversorger 8 zurück.
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Mit ActiveNetCare wird es erfindungsgemäß möglich, durch Übermittlung zulässiger Netzbelastungen und durch Vorgabe von Zielmodellen Z kontinuierlich den Gesamtverbrauch dynamisch und dezentral dem Netzzustand anzupassen.
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Dabei werden zyklisch über die Übertragungseinrichtung 5 Parameter vom Energieversorger 8 oder von einer vorgelagerten Transformatorstation an die Steuerung angeschlossener Verbraucher gesendet.
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Diese Parameter können sowohl Grenzwerte für die Netzbelastung, beispielsweise Stromstärken oder Anteile harmonischer Schwingungen, als auch Warnungen W über einen verschlechterten Netzzustand sein. Insofern können Informationen vom Energieversorger 8 an den Verbraucher einerseits mit einer Geschwindigkeitsregelanlage im Straßenverkehr, beispielsweise ein vom Energieversorger 8 bestimmtes, variables Tempolimit, und andererseits mit einem zyklisch aktualisierten Wetterbericht verglichen werden. Für die Lastplanung und das Monitoring des Energieversorgers 8 ist es hilfreich, die Netzzustände der Verbraucher zu kennen. Dazu werden die aktuellen Parameter des Verbrauchernetzes an einer ersten Position P1 aus Messungen mit Strom- und Spannungswandlern ermittelt, und über den Corrector als Rechenwerk 2 an die Übertragungsvorrichtung 5 weitergeleitet. Zusätzlich ist im ANC Gateway als Übertragungsvorrichtung 5 eine Kommunikationseinrichtung vorgesehen, die auch von anderen an die gleiche Einspeisung angeschlossenen Verbrauchern deren Statusmeldungen empfängt, und dann einen zusammenfassenden Datensatz an den Energieversorger 8 sendet. Diese Übertragung über das Gateway kann über andere Netzwerke 10, beispielsweise über das aktuell genormte (Funk-) Rundsteuerprotokoll, über PowerLine, über DSL, über LTE oder per separatem Netzwerkanschluss erfolgen. Aus der Summe der Rückmeldungen angeschlossener Verbraucher lässt sich sehr viel exakter eine mögliche Netzstörung vorhersagen und Gegenmaßnahmen vorausschauend anregen.
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Mittels der Übertragungsvorrichtung 5 können Betriebsmeldungen, Warnmeldungen, Störmeldungen und/oder ein Verträglichkeits-Nachweis übersendet werden.
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Von der Übertragungsvorrichtung 5 an das Rechenwerk 2 können Signale zu einer zulässigen Last übersendet werden. Von dem Rechenwerk 2 an die Übertragungsvorrichtung 5 können Signale zu einem Anlagenzustand übersendet werden.
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Beispielhaft wird eine Häufung von zufälligen Unterspannungen, die von den Verbrauchern gemeldet werden können, schon eine Spannungsmangelsituation erkennen lassen, bevor die Spannungsuntergrenzen im gesamten Versorgungsgebiet verletzt werden. Für Gegenmaßnahmen ist es bei einer Ausfallsituation oft schon zu spät, daher ist eine frühzeitige Warnung effizienter. Deshalb sendet bei jedem Einschalten eines Verbrauchers mit ActiveNetCare dessen Steuerung eine Statusmeldung an das ANC Gateway und bereitet das Netzwerk damit darauf vor, eine bekannte Last und Charakteristik aufzunehmen.
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Insofern können die im ANC Gateway gesammelten und übermittelten Informationen mit Wettersensoren verglichen werden, die an die Berechner des Wetterberichts aktuelle Werte liefern, beispielsweise ein Upstream von aktuellen Messwerten an den Energieversorger 8. Es ist möglich, diese Rückmeldungen der Verbrauchernetze an die Energieversorger 8 weiter zu definieren und zu standardisieren. Dadurch wird die notwendige Reserve innerhalb der Netze verringert, wodurch auf Seiten der Energieversorger 8 und der Abnehmer deutliche Kosteneinsparungen möglich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mess- und Analysevorrichtung
- 2
- Rechenwerk
- 3
- Modifikationsvorrichtung
- 4
- Leistungssteller
- 5
- Übertragungsvorrichtung
- 6
- Regler
- 7
- Prozess
- 8
- Energieversorger
- 9
- Rundsteuersignal
- 10
- anderes Netzwerk
- A
- Aussteuerwert
- AM
- Ansteuerwert
- GT
- Gewichtungsfunktion
- GP
- Periodisches Ausgleichssignal
- I1, I2, I3, IN
- Strommesswert
- N1
- Anschlussnetzwerk
- N2
- ausgleichendes aktives Netzwerk
- N3
- benachbartes passives Netzwerk
- N4
- weiteres benachbartes passives Netzwerk
- P1, P2
- erste Position, zweite Position
- PM
- periodisches Merkmal
- TM
- transientes Merkmal
- U1 bis U3
- Außenleiter
- UN
- Nullleiter
- W
- Warnung
- Y
- Stellsignal
- YC
- Ausgangssignal
- Z_N2
- Impedanz des versorgten Verbrauchers
- Z
- Zielmodell
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009052031 A1 [0004]
