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Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung von Strömen in einzelnen Leitungen an einer Stromverteilerstelle. Es handelt sich insbesondere um eine Messstelle in einem Stromverteilungsnetz. Die Erfindung betrifft weiter die Verarbeitung und/oder Weiterleitung von Messwerten. Die Erfindung kann insbesondere in End- oder Zwischenverteilungsnetzen zum Anschluss einzelner Verbraucher oder Verteiler verwendet werden, beispielsweise in einem öffentlichen Stromverteilungsnetz oder in nicht öffentlichen Stromverteilungsnetzen, beispielsweise private Netze der Industrie. Bei der Verteilung von Strom, insbesondere in öffentlichen Netzen, haben sich die Anforderungen im Laufe der Zeit stark verändert und es sind weitere Veränderungen zu erwarten, die auch eine Anpassung der verwendeten Messtechnik erforderlich machen. Dabei spielt die Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle, so dass es auf die Kosten aller Komponenten, auch der der Messtechnik, ankommt.
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Bei vielen Stromverteilungsnetzen werden nach dem Stand der Technik in kleineren Verteilungsstellen, an welchen Stromleitungen sich verzweigen, keine Strommessungen durchgeführt, mit deren Daten man ein Stromverteilungsnetz überwachen, steuern oder regeln könnte. Strommessungen werden zwar bei Endverbrauchern oder in großen Verteilern eingesetzt, um Verbrauchswerte, Wirkleistung und/oder Blindleistung zu ermitteln oder sicherheitsrelevante Ereignisse feststellen zu können, was relativ viel Aufwand erfordert, jedoch werden solche Messsysteme bisher nicht flächendeckend für die Steuerung oder Regelung von Stromverteilungsnetzen eingesetzt, unter anderem aus wirtschaftlichen Überlegungen. Änderungen in der Art der Energieversorgung durch dezentrale Stromerzeugung und in der Art der Verbraucher, z. B. wegen E-Mobilität, machen aber eine bessere Regelung und Nutzung von Versorgungsnetzen wünschenswert.
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Eine genaue Betrachtung bekannter und vorhandener Messsysteme zeigt, dass es nicht für alle Zwecke erforderlich ist, kontinuierlich und mit hoher zeitlicher Auflösung Ströme in Leitungen zu messen, wie dies aus Sicherheitsgründen an manchen Stellen erforderlich ist. Auch heute vorhandene Messsysteme messen zwar in vielen Fällen mit hoher zeitlicher Auflösung, aber weiterverarbeitet und/oder gespeichert werden schließlich oft nur über die Zeit gemittelte Werte (z. B. 1 Minuten- oder 15 Minutenwerte). Die Verwendung solcher Messsysteme für zusätzliche Zwecke würde also erfordern, dass sogenannte Stromwandler zur Erfassung des Stromflusses in einem Leiter/Kabel dauerhaft mit einem analogen Messeingang einer Auswerteeinheit verbunden werden, obwohl für viele Zwecke keine kontinuierliche Messung erforderlich ist. Die Kosten für solche Systeme verhindern eine breitere Anwendung auf eine Vielzahl von Messstellen.
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Dieses Problem soll durch die vorliegende Erfindung reduziert werden. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen eine Vielzahl von Messstellen in einem Stromverteilungsnetz kostengünstig betrieben werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgaben dienen eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist und deren Einzelmerkmale in technisch sinnvoller Weise auch miteinander kombiniert werden können, sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben. Außerdem wird ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung der Erfindung in Anspruch 12 angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Messung der in einer Vielzahl von Leitungen fließenden Ströme eines Stromverteilungsnetzes, wobei jede zu beobachtende Leitung mit einem eigenen, vorzugsweise analogen, Stromsensor ausgestattet ist, der den in der Leitung fließenden Strom mit einer vorgebbaren zeitlichen Auflösung messen kann, wobei für die Sensoren in einem begrenzten räumlichen Segment mindestens ein Multiplexer vorhanden ist, der die Messwerte in einer vorgebbaren Abfolge an eine Auswerteeinheit weiterleiten kann.
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Die Vorrichtung weist in einer ersten Ausführungsvariante Kommunikationsmittel zur Weiterleitung von verarbeiteten Messwerten nach vorgebbaren Kriterien an eine Zentrale auf.
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In weiteren Ausführungsvarianten weist die Vorrichtung mindestens ein Speichermittel zur Aufzeichnung und späteren Entnahme von verarbeiteten Messwerten auf, wobei das Speichermittel innerhalb des begrenzten räumlichen Segmentes angeordnet ist. Ein solches Speichermittel ermöglicht eine lokale Speicherung der Daten. Das Speichermittel kann beispielsweise ein entnehmbares Speichermedium sein (bspw. eine SD-Karte), welches bei einer Wartung des Stromverteilers entnommen und einer weiteren Auswertung zugeführt werden kann.
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Durch den Multiplexer kann die Erfindung in Fällen, in denen es nicht nötig ist, eine permanente und lückenlose Überwachung der fließen Ströme durchzuführen, zu Kosteneinsparungen führen. Mehrere Stromsensoren können mit Hilfe des Multiplexers nacheinander mit der Auswerteeinheit verbunden werden. Dann werden jeweils für ein bestimmtes (bekanntes bzw. durch den Multiplexer vorgegebenes Zeitintervall) Echtzeitdaten ermittelt. Diese Echtzeitdaten können als Signalproben betrachtet werden. Die so entstehenden Signalproben können mit einer geeigneten Software zu Mittelwerten aggregiert oder in anderer geeigneter Weise verarbeitet werden. Dies ist für viele Kontroll- oder Überwachungszwecke ausreichend.
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Das begrenzte räumliche Segment kann beispielsweise ein Stromverteiler und insbesondere ein Gehäuse eines Stromverteilers sein, in welchem eine übergeordnete Leitung auf eine Mehrzahl von Leitungen unterverteilt wird.
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Bevorzugt ist die Auswerteeinheit zur gleichzeitigen Auswertung von mindestens drei Stromsensoren von drei Phasen eines Dreiphasen-Wechselstromes ausgelegt und von dem Multiplexer mit Sensorsignalen verschiedener Leitungen beaufschlagbar. Falls sinnvoll kann auch noch ein vierter Kanal für die Auswertung des Stromes in dem zugehörigen neutralen Rückleiter vorgesehen werden. Auf diese Weise kann eine komplette Leitung für Dreiphasen-Wechselstrom zeitweise aufgeschaltet werden.
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In Ausführungsvarianten der beschriebenen Vorrichtung ist es auch möglich, dass von einer Abgangsleitung mit drei Phasen für einen Dreiphasen-Wechselstrom nur eine Phase mit einem Stromsensor ausgestattet ist, der einen Bestandteil der hier beschriebenen Vorrichtung bildet. In Stromverteilnetzen findet normalerweise ein Ausgleich oder zumindest eine möglichst gleichmäßige Verteilung von Last auf die drei Phasen statt. Insofern kann es für eine (ungefähre) Messung der elektrischen Leistung ausreichend sein nur eine von drei Phasen zu überwachen und es kann dann in einer Auswerteinheit davon ausgegangen werden, dass die Last der anderen beiden Phasen dieser Last entspricht.
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Besonders bevorzugt ist der Multiplexer für erforderliche Umschaltungen zwischen den Stromsensoren mit bidirektionalen Halbleiterschaltern ausgestattet und weist darüber hinaus bevorzugt Schutzeinrichtungen gegen undefinierte Leerlaufspannungen und/oder Überspannungen auf. Halbleiterschalter wirken im Prinzip wie mechanische Relais, sind aber einfacher elektronisch anzusteuern und verschleißfester.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Multiplexer von der Auswerteeinheit über eine Steuerleitung steuerbar und verbindet die jeweils anliegenden Stromsensoren über Sensorleitungen mit der Auswerteeinheit. Auf diese Weise kann ein Zeitplan, nach dem die Stromsensoren mit der Auswerteeinheit verbunden werden, von dieser geändert werden, insbesondere auch als Reaktion auf gemessene Werte der einzelnen Stromsensoren.
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Bevorzugt existiert eine Steuerleitung zwischen der Auswerteinheit und dem Mulitplexer, die für eine bidirektionale Kommunikation eingerichtet ist, so dass nicht nur Steuerinformationen von der Auswerteinheit an den Multiplexer übergeben werden können, sondern auch Informationen über den Betriebsstatus des Multiplexers zurück an die Auswerteinheit gegeben werden können. Die Auswerteinheit und der Multiplexer können über ein Bussystem miteinander verbunden sein, welches für eine bidirektionale Kommunikation eingerichtet ist (z.B. eines der folgenden Bussysteme: I2C, SPI, ModBUS, UART). An dem Multiplexer und der Auswerteinheit können jedoch auch digitale Ein- und Ausgänge vorgesehen sein, so dass Steuerbefehle von der Auswerteinheit an den Multiplexer über eine erste Leitung/Gruppe von Leitungen übertragen werden und so dass Informationen von dem Multiplexer an die Auswerteinheit über eine zweite Leitung oder Gruppe von Leitungen übertragen werden.
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Die Rückmeldung von Information über den Status des Multiplexers an die Auswerteinheit ist insbesondere zur Fehlerdiagnose ausgesprochen wichtig, weil bei einer Fehlfunktion des Multiplexers unter Umständen eine falsche Zuordnung von Daten zu bestimmten Stromsensoren erfolgt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass man auch einen Multiplexer als standardisiertes Bauteil bauen kann, der mit weiteren gleichartigen Multiplexern zu größeren Strukturen verbunden werden kann (sogenanntes Kaskadieren). So kann man mehrere in reihe angeordnete Multiplexer mittels einer erweiterten Ansteuerungs- und Auswerteeinheit verbinden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Erfassung von in einer Vielzahl von Leitungen eines Stromverteilungsnetzes fließenden Strömen, wobei jede zu beobachtende Leitung mit einem eigenen Stromsensor oder mehreren Stromsensoren ausgestattet ist und wobei mittels mindestens eines Multiplexers alle oder jeweils nur ein Teil der Stromsensoren zeitweise mit einer Auswerteeinheit verbunden wird, wobei weiter die Auswertung von Messsignalen der jeweils verbundenen Stromsensoren nach vorgebbaren Kriterien erfolgt, wobei die Stromsensoren nach einem vorgebbaren Zeitplan oder aufgrund einer lokal ermittelten Schaltfolge jeweils mit der Auswerteeinheit verbunden werden.
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Die ausgewerteten Messergebnisse können über eine Kommunikationseinheit an eine Zentrale weitergeleitet werden.
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Die Messergebnisse können auch innerhalb des begrenzten räumlichen Segmentes (lokal) gespeichert und für eine spätere Entnahme und Auswertung bereitgehalten werden.
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Bevorzugt bewirkt die Kommunikationseinheit eine Übertragung der Messergebnisse mittels üblicher Übertragungswege, insbesondere über Datenleitungen oder drahtlos.
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Wenn die Stromsensoren analoge Signale erzeugen ist es besonders vorteilhaft, dass der Multiplexer mittels bidirektionaler Halbleiterschalter (auch als SSR - Solid State Relais - bezeichnet) eine Umschaltung zwischen den einzelnen Stromsensoren bewirkt. So kann der Multiplexer einfach angesteuert werden und hat einen geringen Verschleiß.
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Bevorzugt haben die Stromsensoren eine zeitliche Auflösung, die die Messung von Verbrauchswerten, Wirkleistung, Blindleistung und/oder sicherheitsrelevanten Ereignissen ermöglichen würde, jedoch berechnet die Auswerteeinheit daraus bei Aufschaltung einzelner Stromsensoren nur verarbeitete Werte, die nur in Zeitabständen an die Zentrale weitergeleitet werden. So können bewährte Sensoren eingesetzt werden, aber es fallen wegen der Benutzung in Intervallen und der Verarbeitung nur begrenzte Datenmengen an, die weitergeleitet oder lokal gespeichert werden müssen.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung gibt die Auswerteschaltung anhand von verarbeiteten Messwerten oder aufgrund anderer Kriterien wie z.B. Relevanz der angeschlossenen Verbraucher, der Stromsensoren die Reihenfolge, Dauer und/oder Häufigkeit der Aufschaltung bestimmter Stromsensoren durch den Multiplexer vor oder verändert den Zeitplan nach Bedarf.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird in einem Stromverteiler jede zu einem Endverbraucher oder Zwischenverteiler abgehende Leitung mit einem (oder für drei phasige Messungen mit drei) Stromsensor/en ausgestattet, wobei alle Stromsensoren über einen Multiplexer zeitweise mit einer Auswerteeinheit (vorzugsweise 3-phasig) verbunden werden und deren lokal ermittelten und bevorzugt verarbeitete Messwerte lokal gespeichert und / oder bei Bedarf zusätzlich an eine Zentrale zur Überwachung, Steuerung und/oder Regelung der Stromverteilung weitergeleitet werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung das obige Verfahren ausführt.
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Die Auswerteeinheit enthält typischerweise neben Analog/Digital-Wandlern, und Signalverarbeitungskanälen auch einen Mikroprozessor oder ein ähnliches Bauteil (z. B. ein sogenanntes Field Programmable Gate Array - FPGA), die mittels eines Computerprogramms gesteuert werden. Hier sind auch typische Schnittstellen angeordnet, die das System kompatibel zum Anschluss an unterschiedliche Standards (z.B. I2C, SPI, ModBUS, UART) machen. Die Auswerteeinheit ordnet dabei insbesondere die ermittelten Signalproben den Leitungen zu und aggregiert die Signalproben in geeigneter Weise zu Mittelwerten oder stellt die Signalproben in anderen auswertbaren Formaten zur Verfügung.
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Ein Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:
- 1 schematisch den Aufbau und das Umfeld einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In einem räumlich begrenzten Bereich, beispielsweise dem Gehäuse eines Stromverteilers 1 befinden sich Verteilerschienen 2 für die Verteilung von Dreiphasen-Wechselstrom auf mehrere Verbraucher V1, V2, ..., Vn oder Kabelabgänge zu Unterverteiler, wobei die Leitungen für die einzelnen Phasen mit R, S, T bezeichnet sind und der neutrale Rückleiter mit N. Zu jedem Verbraucher V1, V2, ..., Vn zweigen Entsprechende Leitungen R, S, T, N ab, wobei sich an jeder ein Stromsensor 3 befindet. Dabei handelt es sich bevorzugt um Spulen, die um oder an dem entsprechenden Leiter angeordnet sind und in denen Ströme induziert werden, wenn in der zugehörigen Leitung ein Wechselstrom fließt. Die Verteilerschienen, die meist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen, befinden sich auf gleicher Spannung, die daher für jede Schiene und damit verbundene Leitungen bei Bedarf nur einmal gemessen werden muss, was nur einen geringen Aufwand erfordert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht jedem Stromsensor 3 eine eigene Auswerteeinheit zugeordnet, sondern es gibt für eine Vielzahl von Stromsensoren 3 nur eine Auswerteeinheit 5. Diese enthält im Falle von Dreiphasen-Wechselstrom vorzugsweise drei oder vier gleichzeitig arbeitende Auswertungseinheiten zur Bestimmung der Ströme in drei Dreiphasenleitungen R, S, T bzw. auch zur zusätzlichen Bestimmung des Stromes in einem neutralen Rückleiter N. Mittels eines Multiplexers 4 werden die Stromsensoren 3 ausgewählt, die jeweils über Messleitungen 9 mit der Auswerteeinheit 5 verbunden sein sollen. Der Multiplexer 4 wird über eine Steuerleitung 10 angesteuert, so dass die jeweils verbundenen Stromsensoren 3 von der Auswerteeinheit 5 vorgegeben werden können. Die Steuerleitung 10 ist bevorzugt keine reine unidirektionale Leitung, sondern ermöglicht auch die Rückübermittlung von Informationen bezüglich des Status des Multiplexers an die Auswerteinheit. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die Steuerleitung mit einem Bussystem ausgebildet ist oder indem die Steuerleitung jeweils Eingangsleitungen und Ausgangsleitungen vom Multiplexer umfasst. Im einfachsten Fall werden beispielsweise alle Stromsensoren 3 in vorgebbaren zeitlichen Abständen und für vorgebbare Zeitintervalle (Zeitplan) mit der Auswerteeinheit 5 verbunden. Wenn jedoch die Auswertung der Ströme in den einzelnen Leitungen ergibt, dass diese unterschiedlich belastet sind oder sich der darin fließende Strom unterschiedlich schnell ändert, so können andere zeitliche Abstände und/oder Intervalle für einzelne Stromsensoren 3 vorgegeben werden. Sollten es sich ergeben, dass einzelne Leitungen nicht mehr gemessen werden müssen kann z.B. auch eine Leitung dauerhaft zugeschaltet werden ohne die Verteilerstelle vor Ort anpassen zu müssen.
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Die von der Auswerteeinheit 5 ausgewerteten und verarbeiteten Messwerte der Stromsensoren 3 können kontinuierlich oder nach vorgebbaren Kriterien an eine Zentrale 12 zur Überwachung und/oder Steuerung und/oder Regelung des Stromverteilungsnetzes weitergeleitet werden. Dazu werden die weiterzuleitenden Daten über eine Datenleitung 11 an eine Kommunikationseinheit 6 geleitet, die die Daten mit einem geeigneten Kommunikationsanschluss 7 (Datenleitung, Funkverbindung etc.) weitergibt. Hier können vor allem geeignete Kommunikationswege, die den jeweiligen Standards entsprechen, vorgesehen werden.
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Um aus den mit den Stromsensoren gewonnen Informationen auch z.B. Wirk- u. Blindleistung ermitteln zu können, weist die Vorrichtung auch einen Spannungssensor 13 auf. Die Spannungen sind für alle Abgänge gleich, so dass nur ein (gemeinsamer) Spannungssensor für alle Abhänge erforderlich ist.
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Hier auch dargestellt ist ein Speichermittel 14 in welchem die Daten von der Auswerteeinheit 5 abgelegt werden und für eine spätere Entnahme bereitgehalten werden können. Das Speichermittel 14 kann beispielsweise eine entnehmbare SD-Karte umfassen.
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Der Multiplexer 4, der im gezeigten Ausführungsbeispiel analoge Signale von den jeweils gewünschten Stromsensoren 3 zu der Auswerteeinheit 5 durchschaltet, kann insbesondere mit bidirektionalen Halbleiterschaltern ausgestattet sein, die Signale durchleiten, wenn sie angesteuert werden. Alle Stromsensoren 3 werden an dem Multiplexer 4 angeschlossen, wobei dieser typische Sicherheitseinrichtungen 8 für jede Messleitung 9 zur Vermeidung von undefinierten Spannungen oder Überspannungen aufweisen kann. Mittels sogenannter Burden-Widerstände können die Messleitungen, wenn sie gerade nicht durchgeschaltet sind, in definierten Spannungsbereichen gehalten werden. Sogenannte TVS-Dioden können zur Ableitung von Überspannungen vorhanden sein.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt die kostengünstige Ausstattung von bisher nicht mit Messtechnik ausgestatteten oder nur teil ausgestatteten Stationen/Unterverteilern von Stromverteilungsnetzen mit Stromsensoren, aus denen Informationen für eine verbesserte Überwachung und/ oder Steuerung des Netzwerkes gewonnen und bei Bedarf an eine Zentrale weitergeleitet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromverteiler
- 2
- Verteilerschienen
- 3
- Stromsensoren
- 4
- Multiplexer
- 5
- Auswerteeinheit
- 6
- Kommunikationseinheit
- 7
- Kommunikationsanschluss
- 8
- Sicherheitseinrichtungen
- 9
- Messleitungen
- 10
- Steuerleitung
- 11
- Datenleitung
- 12
- Zentrale
- 13
- Spannungssensoren
- 14
- Speichermittel
- R, S, T, N
- Dreiphasenleitungen
- V1 ... Vn
- Verbraucher/Verteiler
