DE102019103234A1

DE102019103234A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern von Komponenten in einem Netzzweig

Info

Publication number: DE102019103234A1
Application number: DE102019103234.2A
Authority: DE
Inventors: Ingo Stadler; Eberhard Waffenschmidt
Original assignee: Technische Hochschule Koeln
Current assignee: Technische Hochschule Koeln
Priority date: 2019-02-11
Filing date: 2019-02-11
Publication date: 2020-08-13
Also published as: EP3925049A1; US11652350B2; US20210384734A1; WO2020164663A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern von Komponenten in einem Netzzweig eines elektrischen Stromversorgungsnetzes mit einer Netzzweigsteuereinheit zum Begrenzen einer Belastung in dem Netzzweig enthaltend eine Netzzustandsermittlungseinrichtung, mittels derer mindestens ein einen Netzzustand des Netzzweiges kennzeichnender physikalischer Parameter ermittelbar ist, eine Steuereinrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals, mittels dessen ein elektrischer Strom zwischen dem Netzzweig und einer an einem Anschlusspunkt desselben angeschlossenen Komponente in Abhängigkeit von dem Netzzustand beeinflussbar ist, wobei den Komponenten Kommunikationsmittel zum Senden und/oder Empfangen von Daten zugeordnet sind und dass die Steuereinrichtung zumindest einer der Komponenten die ermittelten Parameter der mehreren Komponenten auswertet und in Abhängigkeit von dem Auswerteergebnis die Steuersignale der zugeordneten Komponenten desselben Netzzweiges erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern von Komponenten in einem Netzzweig eines elektrischen Stromversorgungsnetzes mit einer Netzzweigsteuereinheit zum Begrenzen einer Belastung in dem Netzzweig enthaltend eine Netzzustandsermittlungseinrichtung, mittels derer mindestens ein einen Netzzustand des Netzzweiges kennzeichnender physikalischer Parameter ermittelbar ist, eine Steuereinrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals, mittels dessen ein elektrischer Strom zwischen dem Netzzweig und einer an einem Anschlusspunkt desselben angeschlossenen Komponente in Abhängigkeit von dem Netzzustand beeinflussbar ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern von Komponenten in einem Netzzweig eines elektrischen Stromversorgungsnetzes, wobei eine Belastung des Netzzweiges bestimmende Messwerte ermittelt werden und ein Steuersignal zur Anpassung einer Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe der an dem Netzzweig angeschlossenen Komponente.
Aus der DE 20 2016 006 211 U1 ist eine Messanordnung zur spektralaufgelösten Messung der Impedanz von Stromnetzen bekannt, die den Einsatz von Opto-Triacs vorsieht. Eine bauliche Kopplung mit an dem Netz angeordneten Komponenten, wie beispielsweise Einspeisern und Lasten ist nicht vorgesehen.
Aus der DE 10 2014 216 020 A1 ist eine Vorrichtung zum Steuern von Lasten, nämlich einem elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, bekannt, die ein Ladegerät aufweist, mittels dessen in Abhängigkeit von einer ermittelten Netzimpedanz ein Ladestrom des Energiespeichers reduziert werden kann. Die Vorrichtung umfasst eine Netzzustandsermittlungseinrichtung, mittels derer durch Messung von Spannungswerten bei unterschiedlichen Ladeströmen die Netzimpedanz ermittelt werden kann.
Aus der DE 10 2013 217 743 A1 ist eine Vorrichtung zum Steuern von Komponenten in einem Netzzweig eines elektrischen Stromversorgungsnetzes bekannt, die eine Netzzweigsteuereinheit zum Begrenzen einer Belastung in dem Netzzweig vorsieht. Die Netzzweigsteuereinheit umfasst zum einen eine Netzzustandsermittlungseinrichtung, mittels derer Messwerte bzw. physikalische Parameter ermittelbar sind, aus denen ein Netzzustand des Netzzweiges ableitbar sind. Ferner umfasst die Netzzweigsteuereinheit eine Steuereinrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals, mittels dessen ein Lade- oder Einspeisestrom einer an einem Anschlusspunkt des Netzzweiges angeschlossenen Komponente beeinflussbar ist. Die bekannte Vorrichtung ermöglicht eine Stromsteuerung der an dem Netzzweig angeschlossenen Komponente in Abhängigkeit von der Auslastung des Netzzweiges. Eine koordinierte Stromsteuerung mehrerer an demselben Netzzweig angeschlossener Komponenten ist nicht vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern von Komponenten in einem Netzzweig derart anzugeben, dass die Lade- und/oder Einspeiseleistung von mehreren, an demselben Netzzweig angeschlossenen Komponenten optimiert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass den Komponenten Kommunikationsmittel zum Senden und/oder Empfangen von Daten zugeordnet sind und dass die Steuereinrichtung zumindest einer der Komponenten die ermittelten Parameter der mehreren Komponenten auswertet und in Abhängigkeit von dem Auswerteergebnis die Steuersignale der zugeordneten Komponenten desselben Netzzweiges erzeugt.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein koordiniertes Steuern des Ladens und/oder Einspeisens von Komponenten eines Netzzweiges ermöglicht wird. Bei den Komponenten kann es sich um Einspeiser oder Lasten handeln, die jeweils steuerbar sind von einer derselben zugeordneten und vorzugsweise integrierten Netzzweigsteuereinheit. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht insbesondere das optimale Laden von mehreren Lasten, die an demselben Netzzweig angeschlossen sind. Grundgedanke der Erfindung ist es, aus netztechnischer Sicht die optimale Ladung (Ladestrom, Ladezeit) der Lasten zu ermöglichen. Wenn die Lasten beispielsweise als Elektrofahrzeuge ausgebildet sind, sinkt bei hoher Ladeleistung der Gleichzeitigkeitsfaktor, so dass die summarische Netzbelastung nur unwesentlich steigt. In Abhängigkeit von der Netzbelastung an dem Netzzweig kann somit beispielsweise ein Elektrofahrzeug mit hoher Ladeleistung kürzer aufgeladen werden, so dass die Netzleitung schneller zum Laden für andere Elektrofahrzeuge frei wird. Die Erfindung ermöglicht somit einem Kunden die Zubilligung einer relativ hohen Ladeleistung für das Elektrofahrzeug, wenn nicht zu viele Elektrofahrzeuge gleichzeitig an dem Netzzweig angeschlossen sind und ebenfalls eine Ladeleistung anfordern. Die Erfindung ermöglicht insofern eine optimale Steuerung des Lade- bzw. Einspeisestroms von den Komponenten, die an demselben Netzzweig über verschiedene Anschlusspunkte angeschlossen sind. Die Erfindung ermöglicht eine vorhandene Netzkapazität optimal auszunutzen, um eine möglichst hohe Ladeleistung für die Lasten des Netzzweiges zur Verfügung zu stellen. Hierbei wird auch berücksichtigt, dass Komponenten an dem Netzzweig angeschlossen sind, die nicht über eine Netzzweigsteuereinheit verfügen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine dezentrale Steuerung der Lade- bzw. Einspeiseleistung des Netzzweiges. Da die jeweils einer Komponente zugeordneten Netzzweigsteuereinheiten miteinander kommunizieren können, wird nach bestimmten Kriterien eine der Netzzweigsteuereinheiten als Master-Netzzweigsteuereinheit bestimmt, während die anderen Netzzweigsteuereinheiten als Slave-Netzzweigsteuereinheiten bestimmt sind. Die Master-Netzzweigsteuereinheit hat die Aufgabe, die Ermittlung und Auswertung der Parameterbestimmung bzw. des Messergebnisses vorzunehmen und aus dem Auswerteergebnis ein Steuersignal zur Ansteuerung sowohl der direkt mit der Master-Netzzweigsteuereinheit verbundenen Komponente als auch der jeweils mit den Slave-Netzzweigsteuereinheiten verbundenen Komponenten zu erzeugen. Die Master-Netzzweigsteuereinheiten und die Slave-Netzzweigsteuereinheiten sind dazu eingerichtet, über entsprechende Kommunikationsschnittstellen miteinander zu kombinieren, d. h. Messwerte zu senden und/oder zu empfangen. Die Priorisierung der Master-Netzzweigsteuereinheit bewirkt, dass die für die Erzeugung der Steuersignale erforderlichen Messdaten in der Master-Netzzweigsteuereinheit gesammelt, bewertet, ausgewertet werden und hieraus die entsprechenden Steuersignale erzeugt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Netzzustandsermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Netzimpedanz eine vorgesehene Netzimpedanzermittlungseinrichtung auf, die das Ausführen von zwei Spannungsmessungen bei unterschiedlichen bekannten Lastwerten an demselben Anschlusspunkt vorsieht. Aus den beiden Spannungsmessungen kann auf einfache Weise die Netzimpedanz berechnet werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Netzimpedanzermittlungseinrichtung derart eingerichtet, dass sie eine absolute Netzimpedanz ermitteln kann. Hierzu wird während eines vorgegebenen Zeitraums, beispielsweise 24 Stunden, die Netzimpedanz gemessen. Der höchste dabei auftretende Wert wird als Referenzwert für die geringste Last des Netzzweiges angenommen. Bei weiteren Messungen wird dann der Referenzwert parallel zu der eigentlichen Lastimpedanz betrachtet. Da die Lastimpedanz als parallel geschaltet zu dem Referenzwert angesehen werden kann, wird aus dem gemessenen Lastwert und dem Referenzlastwert die Lastimpedanz ermittelt. Mit Hilfe der Lastimpedanz kann dann die Belastung des Stromversorgungsnetzes bzw. die Netzimpedanz ermittelt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist eine Netzzustandsermittlungseinrichtung eine Spannungswinkelermittlungseinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, den Phasenwinkel zwischen der Netzspannung und der Spannung der Komponente am Anschlusspunkt zu ermitteln. Vorteilhaft können hierdurch Lastsprünge in dem Netzzweig erkannt werden, die bei der Auswertung zur Ermittlung des Steuersignals berücksichtigt werden können.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Netzzustandsermittlungseinrichtung eine Netzbelastungseinrichtung auf, die das Ermitteln von Netzbelastungen an unterschiedlichen Anschlusspunkten ermöglicht. Hierzu werden Messdaten der an unterschiedlichen Anschlusspunkten angeschlossenen Komponenten bzw. Netzzustandsermittlungseinrichtungen genutzt. In einer Initialisierungsphase wird die Leitungsimpedanz zwischen zwei Anschlusspunkten ermittelt. In der darauffolgenden Betriebsphase wird die Netzbelastung, d. h. der Netzstrom unter Berücksichtigung der Leitungsimpedanz ermittelt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Kommunikationsmittel, über die die Netzzweigsteuereinheiten miteinander kommunizieren, Mittel zur Authentisierung bzw. Authentifizierung auf, so dass die Echtheit der Kommunikationspartner untereinander überprüft und/oder bestätigt ist.
Zur Lösung der Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Anzahl von Komponenten desselben Netzzweiges Messwerte gesendet und/oder empfangen werden, dass die Messwerte ausgewertet werden und dann die für die Ansteuerung der mehreren Komponenten bestimmten Steuersignale entsprechend einer Netzzweigoptimierungsvorschrift erzeugt und an die Komponenten gesendet werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Netzzweigzustand an mehreren Anschlusspunkten von unterschiedlichen Komponenten (Lasten und/oder Einspeisern) überprüft und entsprechend einer Netzzweigoptimierungsvorschrift Steuersignale für die Komponenten desselben Netzzweiges ermittelt, die an die jeweiligen Netzzweigsteuereinheiten der Komponenten oder direkt den Komponenten übertragen werden. Mittels der Steuersignale, die beispielsweise Lade- und/oder Einspeiseleistungswerte sein können, werden die Komponenten angesteuert, so dass zum einen Lade- bzw. Einspeiseerfordernisse der jeweiligen Komponenten erfüllt werden und zum anderen eine Überlastung des Netzzweiges verhindert wird. Vorteilhaft kann die vorhandene Netzkapazität im Netzzweig optimal ausgenutzt werden, um möglichst hohe Ladeleistungen der Komponenten zur Verfügung zu stellen.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Steuersignale in lediglich einer einzigen Netzzweigsteuereinheit, die einer einzigen Komponente zugeordnet ist. Die Optimierung der Lade-/Einspeiseleistung in dem Netzzweig erfolgt somit in einem selbst organisierenden bzw. dezentralen Netzwerk. Der Geräteaufwand ist hierdurch gering.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Netzzweiges mit einer Mehrzahl von an unterschiedlichen Anschlusspunkten angeschlossenen Komponenten (Einspeisern, Lasten),
2 ein Ersatzschaltbild des Netzzweiges,
3 ein Ersatzschaltbild am Anschlusspunkt A1 und
4 ein Ablaufplan zur Bestimmung des Netzzustandes am Anschlusspunkt A1.

Ein Netzzweig 1 ist über eine Transformator 2 mit einem übergeordneten Netz 3 eines Stromversorgungsnetzes verbunden. In dem Netzzweig 1 sind eine Mehrzahl von Komponenten (Einspeisern, Lasten) an unterschiedlichen Anschlusspunkten angeschlossen. Eine erste Komponente K1 ist mit dem Netzzweig 1 an einem Anschlusspunkt A1 verbunden. Eine zweite Komponente K2 ist an einem Anschlusspunkt A2 mit dem Netzzweig 1 verbunden. Weitere Komponenten Kn sind an den Anschlusspunkten An mit dem Netzzweig 1 verbunden. Die Komponenten K1, K2, Kn sind vorzugsweise als Lasten, beispielsweise aufladbare Akkus von Elektrofahrzeugen, ausgebildet.
Den Komponenten K1, K2, Kn sind jeweils Netzzweigsteuereinheiten N1, N2, Nn zugeordnet, mittels derer ein Ladestrom bzw. eine Ladeleistung der jeweiligen Komponente steuerbar ist. Die Komponenten K1, K2, Kn sind somit als steuerbare Komponenten ausgebildet, deren Ladeleistung in Abhängigkeit von dem aktuellen Netzzustand verändert werden kann.
Darüber hinaus sind in dem Netzzweig 1 weitere Komponenten Km angeordnet. Diese Komponenten Km sind über Anschlusspunkte Am an dem Netzzweig 1 angeschlossen. Den Komponenten Km ist im Unterschied zu den Komponenten K1, K2, Kn keine Netzzweigsteuereinheiten zugeordnet. Diese Komponenten Km sind somit nicht steuerbar.
Die Netzzweigsteuereinheiten N1, N2, Nn sind vorzugsweise in den Komponenten K1, K2, Kn integriert angeordnet bzw. bilden mit derselben eine gemeinsame Baueinheit bzw. sind in einem gemeinsamen Gehäuse mit den Komponenten K1, K2, Kn angeordnet.
Grundsätzlich können die Komponenten K1, K2, Kn, Km als Lasten (z. B. Akkumulatoren von Elektrofahrzeugen, Wärmepumpen) oder als Einspeiser (Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen, Kraftwärmekopplungsanlagen) ausgebildet sein.
Die jeweils den Komponenten K1, K2, Kn zugeordneten Netzzweigsteuereinheiten N1, N2, Nn sind gleich ausgebildet, wobei exemplarisch in 1 die der ersten Komponente K1 zugeordnete Netzzweigsteuereinheit N1 detailliert dargestellt ist. Die Netzzweigsteuereinheit N1 dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Begrenzen einer Belastung in dem Netzzweig 1, da es sich bei der Komponente K1 um eine Last handelt. Die Netzzweigsteuereinheit N1 umfasst eine Steuereinrichtung 4 zur Erzeugung eines Steuersignals S1, mittels dessen ein Ladestrom I bzw. eine Ladeleistung, die von dem Netzzweig 1 entnommen wird, eingestellt wird. Das Steuersignal S1 wird in der Steuereinrichtung 4 in Abhängigkeit von dem aktuellen Netzzustand des Netzzweiges 1 erzeugt, wobei der Netzzustand durch eine Netzzustandsermittlungseinrichtung 5 ermittelt wird. Die Netzzustandsermittlungseinheit 5 ist dazu eingerichtet, mindestens einen physikalischen Parameter, die den Netzzustand bestimmen, zu ermitteln. Als physikalische Parameter können dienen: Netzspannung, eigener Stromverbrauch, Netzimpedanz, Spannungswinkeländerung etc.
Ferner umfasst die Netzzweigsteuereinheit N1 eine Sende-/Empfangseinrichtung 6, zum Senden und/oder Empfangen von Daten betreffend der physikalischen Parameter bzw. von Netzzustandsdaten. Die Sende-/Empfangseinrichtung 6 der jeweiligen steuerbaren Komponenten K1, K2, Kn dienen als Kommunikationsmittel zum Austausch von Daten bzw. Messdaten zwischen den Netzzweigsteuereinheiten N1, N2, Nn bzw. den Steuereinrichtungen 4 der jeweiligen Netzzweigsteuereinheiten N1, N2, Nn. Der aktuelle Netzzustand kann in Abhängigkeit der mittels der Sende-/Empfangseinrichtung 6 ausgetauschten Daten erfolgen, wobei beispielsweise die entsprechenden Messdaten der angeschlossenen Komponenten K1, K2, Kn in der Steuereinrichtung 4 der ersten Netzzweigsteuereinheit N1 gesammelt und ausgewertet werden. Die ermittelten Messdaten werden entsprechend einer Netzzweigoptimierungsvorschrift ausgewertet bzw. in der Steuereinrichtung 4 der ersten Netzzweigsteuereinheit N1 werden Steuerdaten S1, S2, Sn entsprechend der Netzzweigoptimierungsvorschrift erzeugt und zu den jeweiligen Komponenten K1, K2, Kn übertragen. Die Steuerung der Komponenten K1, K2, Kn in dem Netzzweig 1 erfolgt somit dezentral mittels der den Komponenten K1, K2, Kn zugeordneten Netzzweigsteuereinheiten N1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient die der ersten Komponente K1 zugeordnete Netzzweigsteuereinheit N1 als Master-Netzzweigsteuereinheit N1, die die Steuersignale S1, S2, Sn erzeugt, während die anderen den steuerbaren Komponenten K2, Kn zugeordneten Netzzweigsteuereinheiten N1, Nn als Slave-Netzzweigsteuereinheiten N2, Nn die weiteren Messdaten bereitstellen und die Steuersignale S2, Sn empfangen und in den Komponenten K2, Kn umsetzen.
Die Netzzustandsermittlungseinrichtung 5 der Netzzweigsteuereinheiten N1, N2, Nn kann beispielsweise eine Netzimpedanzermittlungseinrichtung umfassen, mittels derer eine Netzimpedanz Z_g an den jeweiligen Anschlusspunkt A1, A2, An bestimmt werden kann. Hierzu werden im kurzen Abstand hintereinander zwei Spannungsmessungen bei unterschiedlich bekannten Lastwerten der jeweiligen Komponenten K1, K2, Kn durchgeführt. Grundlage für die Bestimmung der Netzimpedanz Z_g ist die Erkenntnis, dass mit zunehmendem Laststrom die Lastspannung sinkt und eine Steigung, mit der die Lastspannung sinkt, proportional zur Netzimpedanz Z_g und von der Netzspannung U_N unabhängig ist. Die Netzimpedanz Z_g ergibt sich dann aus dem Quotienten der Spannungsdifferenz und der Stromdifferenz der beiden Messungen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Netzzustandsermittlungseinrichtung 4 eine Netzimpedanzermittlungseinrichtung zur Ermittlung der absoluten Netzimpedanz Z_g aus dem zeitlichen Verlauf aufweisen. Hierzu wird die Netzimpedanz Z_g über einen längeren Zeitraum, beispielsweise mindestens 24 Stunden, gemessen und aufgezeichnet. Der höchste dabei auftretende Wert wird als Referenzlastwert Rref für die geringste Last aufgenommen. Bei allen weiteren Messungen wird der Referenzwert Rref als parallel zu den eigentlichen Lastimpedanzen R_Last betrachtet und entsprechend der Parallelschaltung von Impedanzen vom gemessenen Wert Rmess abgezogen. Es gilt $R_{Last} = 1 / (1 / R_{mess} - 1 / R_{ref}) .$
Alternativ oder zusätzlich kann die Netzzustandsermittlungseinheit 5 eine Spannungswinkelermittlungseinrichtung aufweisen, die das Ermitteln einer Periodendauer T und einer Netzspannung U_N an dem jeweiligen Anschlusspunkt A1, A2, An in einem Zeitintervall vorsieht, in dem mindestens eine Laständerung an dem Anschlusspunkt eintritt.
Bei sprunghaften Änderungen der Last K1 ergibt sich auch eine sprunghafte Änderung der Phasenlage der Spannung U1. Wenn dies innerhalb von ein oder zwei Perioden der Netzfrequenz passiert, verlängern sich diese Perioden um den Wert der Phasenwinkeländerung. Mit einer präzisen Messung der Periodendauer lassen sich somit solche Lastsprünge feststellen. Durch Messung des Spannungsverlaufs U1 und der zusätzlichen Messung der Periodendauer T kann festgestellt werden, ob ein Spannungssprung durch eine Laständerung im untersuchten Netzzweig 1 aufgetreten ist oder durch eine Spannungsänderung im übergeordneten Netz. Eine Spannungswinkeländerung tritt nur dann auf, wenn sich der Laststrom I im betrachteten Netzzweig ändert. Eine Änderung der Netzspannung U_N im übergeordneten Netz wird keine Phasenwinkeländerung der Spannung U1 bewirken. Es ist somit möglich, einem Spannungssprung U1 eine Laständerung zuzuordnen, wenn gleichzeitig mit dem Sprung eine kurzzeitige Verlängerung oder Verkürzung der Periodendauer T der Wechselspannung auftritt. Die Spannungswinkelermittlungseinrichtung weist somit Auswertemittel auf, mittels derer sprunghafte Änderung der Periodendauer T während der Laständerung detektierbar sind. Auf diese Weise sind Lastsprünge in dem Netzzweig 1 erkennbar und nicht im übergeordneten Netz.
Zusätzlich oder alternativ kann die Netzzustandsermittlungseinrichtung 5 eine Netzbelastungseinrichtung aufweisen, wobei unter Einschaltung der Sende-/Empfangseinrichtung 6 mehrerer Komponenten K1, K2, Kn die Netzbelastung ermittelt werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Ermittlung der Netzbelastung unter Berücksichtigung der ersten Komponente K1 und der zweiten Komponente K2. Anhand von 4 wird die Ermittlung der Netzbelastung im Folgenden näher erläutert.
In einem ersten Schritt 7 erfolgt ein Austausch von Messwerten zwischen der ersten Komponente K1 und der zweiten Komponente K2. Der Austausch der Messwerte erfolgt in einer Initialisierungsphase, in der die Leitungsimpedanz Z_L zwischen den Anschlusspunkten A1 und A2 ermittelt werden soll. Anfangs wird davon ausgegangen, dass die Komponenten K1, K2 ausgeschaltet sind. In den Netzzustandsermittlungseinrichtungen 5 der Netzzweigsteuereinheiten N1, N2 werden die jeweiligen Spannungen U₁, U₂ an den Anschlusspunkten A1, A2 gemessen und gespeichert als Referenzwerte. Nachfolgend wird vereinbart, dass lediglich eine der beiden Komponenten K1, K2 eingeschaltet wird, nämlich der Komponente K2. Nachfolgend werden die jeweiligen Spannungen U₁, U₂ an den Anschlusspunkten A1, A2 gemessen und dann die Spannungsdifferenz zu den jeweiligen Referenzspannungen ermittelt. Die Komponenten K1, K2 tauschen diese Differenzspannungen aus und vergleichen sie. In Abhängigkeit von dem Ergebnis lassen sich die Positionen der beiden Komponenten K1, K2 relativ zueinander im Netzzweig bestimmen. Ist beispielsweise die Spannungsdifferenz bei der eingeschalteten Komponente K2 größer, bedeutet dies, dass über der Leitung Z_L zwischen den Komponenten K1, K2 eine zusätzliche Spannungsdifferenz U_L auftritt und damit ein zusätzlicher Stromfluss zwischen dem Anschlusspunkt A1 und dem Anschlusspunkt A2. Daraus lässt sich folgern, dass die eingeschaltete Komponente K2 weiter vom Netzanschluss entfernt ist als die inaktive Komponente K1.
Wenn die Spannungsdifferenzen gleich sind, aber die beiden Spannungen U1, U2 unterschiedlich, bedeutet dies, dass über der Leitung zwischen den Komponenten K1, K2 keine zusätzliche Spannungsdifferenz auftritt und damit kein zusätzlicher Stromschluss zwischen dem Anschlusspunkt A1 und dem Anschlusspunkt A2 erfolgt. Daraus lässt sich folgern, dass die aktive Komponente K2 näher am Netzanschluss als die inaktive Komponente K1 ist.
Sind die Spannungsdifferenzen ΔU₁, ΔU₂ gleich, aber auch beide Spannungen U₁, U₂ gleich, bedeutet dies, dass keine zusätzliche Last jenseits der Komponente K2 angeschlossen ist oder dass beide Komponenten K1, K2 an demselben Anschlusspunkt A1 bzw. A2 angeschlossen sind.
Wenn bei der inaktiven ersten Komponente K1 kein zusätzlicher Spannungsabfall festzustellen ist, hat die erste Komponente K1 zwar einen Kontakt über die Kommunikationsverbindung mit dem Netzzweig 1, befindet sich aber in einem anderen Netzzweig oder auf einer anderen Drehstrom-Phase. In diesem Fall müssen beide Komponenten K1, K2 als Einzelgeräte in ihrem jeweiligen Netzzweig oder in ihrer Phase betrachtet werden. Bei dieser Variante ist das Verfahren beendet.
Wenn keine zusätzliche Spannungsdifferenz auftritt, wird nun die erste Komponente K1 aktiv geschaltet und die zweite Komponente K2 inaktiv. Bei einem dieser beiden Versuche sollte die Spannungsdifferenz der aktiven Komponente K1 oder K2 größer sein als bei der inaktiven Komponente K1, K2.
Im vorliegenden Fall misst die aktive Komponente K2 zusätzlich den eigenen Strombezug und teilt dies der anderen Komponente K1 mit. Aus der zusätzlichen Spannungsdifferenz ΔU_L und des Stromes I₂ der Komponente K2 lässt sich dann direkt der Betrag der Leitungsimpedanz Z_L berechnen. Nach dem ohmschen Gesetz ergibt sich dann für die Leitungsimpedanz Z_L: $Z_{L} = Δ U_{L} / I_{2} .$
Auf diese Weise wird die Leitungsimpedanz Z_L im Schritt 8 ermittelt und abgespeichert.
Die berechnete Leitungsimpedanz Z_L wird gespeichert und zur Ermittlung der Netzbelastung in der nachfolgend beschriebenen Betriebsphase verwendet.
Wenn diese Initialisierungsphase für mehr als zwei Komponenten K1, K2 durchgeführt wird, kann entsprechend die Reihenfolge der Komponenten entlang des Netzzweiges 1 eindeutig bestimmt werden. Ferner können die Leitungsimpedanzen Z_L zwischen den jeweiligen Anschlusspunkten A1, A2, An der Komponenten berechnet werden.
In der Betriebsphase werden in einem Schritt 9 regelmäßig zum gleichen Zeitpunkt die Netzspannung U₁, U₂ an den Anschlusspunkten A1, A2 gemessen und unter den Komponenten K1, K2 ausgetauscht. Aus der Spannungsdifferenz ΔU_L zwischen den benachbarten Komponenten K1, K2 und der ermittelten Leitungsimpedanz Z_L zwischen den Komponenten K1, K2 lässt sich dann im Schritt 10 näherungsweise nach dem ohmschen Gesetz der Betrag des Stromes I auf der Leitung zwischen den Komponenten K1, K2 berechnen: $I = Δ U_{L} / Z_{L}$
Die Berechnung erfolgt nur näherungsweise, weil ΔU_L sich aus der Differenz der Beträge der jeweiligen Spannungen U₁, U₂ berechnet. Für eine präzise Berechnung müsste man die Differenz der komplexen Spannungen ermitteln und dann deren Betrag verwenden, was bei einem Niederspannungsnetz aber nicht notwendig ist.
Mit dem nun ermittelten Strom I kann die Netzbelastung „hinter“ der ersten Komponente K1 zuverlässig bestimmt werden. Da der Strom I₁ der ersten Komponente K1 ebenfalls bekannt ist, lässt sich der Netzstrom IN in der Zuleitung zur ersten Komponente K1 ermitteln. Lediglich Lasten, die zwischen der ersten Komponente K1 und dem Netzanschluss liegen, können nicht berücksichtigt werden.
In Abhängigkeit von der ermittelten Netzbelastung können dann die Steuersignale S1, S2, Sn in der Master-Netzzweigsteuereinheit N1 ermittelt und zu der ersten Komponente K1 direkt und über die Sende-/Empfangseinrichtungen 6 weiter zu den weiteren Komponenten K2, Kn übertragen werden. Die Übertragung der jeweiligen Steuersignale S2, Sn erfolgt, nachdem zwischen den Sende-/Empfangseinrichtungen 6 der entsprechenden Komponenten K1, K2, Kn eine Authentifizierung bzw. Authentisierung stattgefunden hat, so dass die Echtheit der Kommunikationspartner K1, K2, Kn vorliegt. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 6 können so eingerichtet sein, dass die Kommunikation über den Netzzweig 1 erfolgt oder über eine Funkverbindung. Vorteilhaft benötigen diese beiden Kommunikationswege keine zusätzlichen Anschlüsse und Verbindungsleitungen. Alternativ kann die Kommunikation zwischen den Sende-/Empfangseinrichtungen 6 der Komponenten K1, K2, Kn über eine gesonderte Datenverbindung, z.B. Glasfaserkabel und/oder z.B. eine Internetverbindung, erfolgen. Beispielsweise können die Sende-/Empfangseinrichtungen 6 der Komponenten K1, K2, Kn miteinander über ein auf ein zu dem Netzzweig 1 führendes Stromkabel aufmoduliertes (Breitband-Datensignal) kommunizieren (Powerline Communication PLC).
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Steuersignale S1, S2, Sn auch in einer zentralen Einheit, die an den Netzzweig 1 oder an dem Netz angeschlossen ist, erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202016006211 U1 [0003]
DE 102014216020 A1 [0004]
DE 102013217743 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Steuern von Komponenten in einem Netzzweig (1) eines elektrischen Stromversorgungsnetzes mit einer Netzzweigsteuereinheit (N1, N2, Nn) zum Begrenzen einer Belastung in dem Netzzweig (1) enthaltend - eine Netzzustandsermittlungseinrichtung (5), mittels derer mindestens ein einen Netzzustand des Netzzweiges (1) kennzeichnender physikalischer Parameter ermittelbar ist, - eine Steuereinrichtung (4) zur Erzeugung eines Steuersignals (S1, S2, Sn), mittels dessen ein elektrischer Strom (I₁, I₂) zwischen dem Netzzweig (1) und einer an einem Anschlusspunkt (A1, A2, An) desselben angeschlossenen Komponente (K1, K2, Kn) in Abhängigkeit von dem Netzzustand beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass den Komponenten (K1, K2, Kn) Kommunikationsmittel (6) zum Senden und/oder Empfangen von Daten zugeordnet sind und dass die Steuereinrichtung (4) zumindest einer der Komponenten (K1) die ermittelten Parameter der mehreren Komponenten (K1, K2, Kn) auswertet und in Abhängigkeit von dem Auswerteergebnis die Steuersignale (S1, S2, Sn) der zugeordneten Komponenten (K1, K2, Kn) desselben Netzzweiges (1) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Netzzweigsteuereinheiten (N1, N2, Nn) eine einzige Master-Netzzweigsteuereinheit (N1) und mehrere Slave-Netzzweigsteuereinheiten (N2, Nn) umfasst, wobei die Master-Netzzweigsteuereinheit (N1) in Abhängigkeit von dem ermittelten Netzzustand das Steuersignal (S1) für die mit der Master-Netzzweigsteuereinheit (N1) verbundene Komponente (K1) und die Steuersignale (S2, Sn) mit der Slave-Netzzweigsteuereinheit (N2, Nn) verbundene Komponente (K2, Kn) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzzustandsermittlungseinrichtung (5) eine Netzimpedanzermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Netzimpedanz (Z_g) aufweist, die das Ausführen von zwei Spannungsmessungen bei unterschiedlich bekannten Lastwerten an demselben Anschlusspunkt (A1) vorsieht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzzustandsermittlungseinrichtung (5) eine Netzimpedanzermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Netzimpedanz (Z_g) aufweist, - die das Ermitteln einer Referenz eines Referenzlastwertes (R_ref) während eines vorgegebenen Referenzzeitraums vorsieht, wobei der Referenzlastwert (R_ref) dem maximalen Wert innerhalb des Referenzzeitraums entspricht, - die das Subtrahieren des Referenzlastwertes (R_ref) von einem gemessenen Lastwert (R_mess) zur Bestimmung des Lastwertes (R_Last) vorsieht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzzustandsermittlungseinrichtung (5) eine Spannungswinkelermittlungseinrichtung umfasst, - die das Ermitteln einer Periodendauer (T) und einer Netzspannung (U_N) an dem Anschlusspunkt (A1) in einem Zeitintervall vorsieht, in dem mindestens eine Laständerung an dem Anschlusspunkt (A1) eintritt, - die Auswertemittel vorsieht, mittels derer sprunghafte Änderung der Periodendauer (T) während der Laständerung detektierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Netzzweigsteuereinheiten (N1, N2, Nn), die mit unterschiedlichen Komponenten (K1, K2) und an unterschiedlichen Anschlusspunkten (A1, A2) angeordnet sind, derart eingerichtet sind, dass - in einer Initialisierungsphase die Netzzweigsteuereinheiten (N1, N2, Nn) über die Kommunikationsmittel (6) entsprechend einer Messvorschrift ermittelten Messwerte austauschen und/oder auswerten zur Ermittlung der Leitungsimpedanz (Z_L), - in einer Betriebsphase die Spannung (U₁, U₂) an den unterschiedlichen Anschlusspunkten (A1, A2) gemessen und über die Kommunikationsmittel (6) ausgetauscht und/oder in einer der Netzzweigsteuereinheit (5) ausgewertet wird zur Bestimmung des Stromes (I) zwischen den unterschiedlichen Anschlusspunkten (A1, A2) unter Berücksichtigung der in der Initialisierungsphase ermittelten Leitungsimpedanz (Z_L).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (S1, S2, Sn) Lade- und/oder Einspeiseleistungswerte umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsmittel (6) Mittel zur Authentifizierung und/oder Authentisierung der Netzzweigsteuereinheiten (N1, N2, Nn) des Netzzweiges (1) untereinander aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander kommunizierenden Komponenten (K1, K2, Kn) entweder als Lasten oder als Einspeiser ausgebildet sind.
Verfahren zum Steuern von Komponenten (K1, K2, Kn) in einem Netzzweig (1) eines elektrischen Stromversorgungsnetzes, wobei eine Belastung des Netzzweiges (1) bestimmende Messwerte ermittelt werden und ein Steuersignal (S1, S2, Sn) zur Anpassung einer Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe der an dem Netzzweig (1) angeschlossenen Komponente (K1, K2) in Abhängigkeit von den Messwerten erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Anzahl von Komponenten (K1, K2, Kn) desselben Netzzweiges (1) Messwerte gesendet und/oder empfangen werden, dass die Messwerte ausgewertet werden und dann die für die Ansteuerung der mehreren Komponenten (K1, K2, Kn) bestimmten Steuersignale (S1, S2, Sn) entsprechend einer Netzzweigoptimierungsvorschrift erzeugt und an die Komponenten (K1, K2, Kn) gesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Steuersignale (S1, S2, Sn) in einem einzigen direkt an einer Komponente (K1) angeschlossenen Netzzweigsteuereinheit (N1) erfolgt.