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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Leitzentrale, eine dezentrale Einheit und ein virtuelles Kraftwerk. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine Leitzentrale, eine dezentrale Einheit und ein virtuelles Kraftwerk, bei denen geheimhaltungsbedürftige Daten der dezentralen Einheit vor Zugriff durch Dritte geschützt werden können.
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HINTERGRUND
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Ein virtuelles Kraftwerk ist ein Zusammenschluss von dezentralen Einheiten in einem Stromnetz, die über eine gemeinsame Leitzentrale koordiniert werden. Dabei koordiniert die Leitzentrale die dezentralen Einheiten und reagiert, wie ein einzelnes Kraftwerk, auf Netzzustandsänderungen und Regelenergieabrufe durch Übertragungsnetzbetreiber. Das virtuelle Kraftwerk ist ferner in der Lage, auf Preisänderungen an den Strommärkten zu reagieren und seine Laststeuerung entsprechend anzupassen. Dadurch ermöglicht das virtuelle Kraftwerk eine Einsparung von Energie und einer Reduzierung von Stromkosten.
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Bei den dezentralen Einheiten kann es sich um Stromproduzenten, wie Biogas-Windkraft-, Photovoltaik-, Kraft-Wärme-Kopplung- oder Wasserkraftanlagen, Stromspeicher, und Stromverbraucher handeln. Die Stromverbraucher können insbesondere Produktionsanlagen in einer Fabrik umfassen. In diesem Fall steuert die Leitzentrale Produktionsprozesse der Produktionsanlagen in Abhängigkeit von zur Verfügung stehender elektrischen Energie. Wenn beispielsweise in einem elektrischen Energienetz relativ wenig elektrische Leistung zur Verfügung steht, d. h., ein Engpass vorliegt, verringert die Leitzentrale den Energieverbrauch einer oder mehrerer dezentraler Einheiten. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Leitzentrale stromverbrauchende Komponenten einer Fabrik abschaltet oder in einen energiesparenden Betriebsmodus versetzt. Ebenso ist es möglich, dass die Leitzentrale Produktionsprozesse in einer Fabrik an einen prognostizierten Energiebedarf des Energienetzes anpasst. Dazu kann die Leitzentrale beispielsweise eine Ausführung von Produktionsprozessen, welche einen hohen Energiebedarf aufweisen, auf Tageszeiten verschieben, zu denen üblicherweise kein hoher Leistungsbedarf im Energienetz vorliegt. So kann durch eine intelligente Ansteuerung von elektrischen Verbrauchern in dezentralen Einheiten ein Gesamtenergieverbrauch des virtuellen Kraftwerks derart angepasst werden, dass kein zusätzliches Kraftwerk als Reserve betrieben werden muss.
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Zur Steuerung der dezentralen Einheiten, insbesondere von Produktionsanlagen in einer Fabrik, benötigt die Leitzentrale detaillierte Informationen zu Steuerungsprogrammen, Produktionsplänen und in den Produktionsanlagen eingesetzten elektrischen Maschinen. Aus Sicht der dezentralen Einheiten handelt es sich bei dem Betreiber der Leitzentrale jedoch in den meisten Fällen um eine externe Firma, welche die Anlagen der dezentralen Einheiten von extern steuert. Da es sich bei den Steuerungsprogrammen, Produktionsplänen und in den Produktionsanlagen eingesetzten elektrischen Maschinen oft um Betriebsgeheimnisse handelt, wollen Betreiber von dezentralen Einheiten solche Informationen nicht an Dritte weitergeben, was zu einem Hemmnis für den Ausbau virtueller Kraftwerke führt.
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Die Druckschrift
US 2019/0339681 A1 beschreibt ein System zum Steuern einer Vielzahl von Industrieanlagen mithilfe eines Cloud-Servers. Der Cloud-Server erhält dazu von den Industrieanlagen Daten betreffend in den Industrieanlagen eingesetzten Steuerungen und Antrieben, welche in dem Cloud-Server analysiert und verarbeitet werden.
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KURZER ABRISS
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Der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitzentrale, eine dezentrale Einheit und ein virtuelles Kraftwerk bereitzustellen, bei denen geheimhaltungsbedürftige Daten der dezentralen Einheit vor Zugriff durch Dritte geschützt werden können.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Leitzentrale für ein virtuelles Kraftwerk vorgeschlagen, die eine Speichervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl einer dezentralen Einheit zugeordnete, elektrische Leistungswerte zu speichern, und eine Auswahlvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen der in der Speichervorrichtung gespeicherten, elektrischen Leistungswerte auszuwählen, umfasst.
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Bei der Speichervorrichtung kann es sich um jede Art von digitalem Speichermedium handeln, das dazu eingerichtet ist, elektrische Leistungswerte zu speichern. Bei den elektrischen Leistungswerten kann es sich um einen Leistungsbedarf der dezentralen Einheit bzw. einer Produktionsvorrichtung in der dezentralen Einheit, beispielsweise eine Wirk-, Blind- und/oder Scheinleistung, handeln. Der elektrische Leistungswert kann insbesondere einen durchschnittlichen Leistungsbedarf der dezentralen Einheit bzw. einer Produktionsvorrichtung in der dezentralen Einheit, oder einen zeitlichen Verlauf einer erforderlichen Leistung der dezentralen Einheit bzw. einer Produktionsvorrichtung in der dezentralen Einheit umfassen.
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Da einer dezentralen Einheit zugeordnete, elektrische Leistungswerte nicht als geheimhaltungsbedürftig eingestuft werden, d.h., elektrische Leistungswerte keinen unmittelbaren Rückschluss auf in der dezentralen Einheit verwendete Steuerungsprogramme und Produktionsvorrichtungen zulassen, können dezentralen Einheiten zugeordnete, elektrische Leistungswerte dem Betreiber einer Leitzentrale ausgehändigt werden.
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Die Speichervorrichtung kann dazu eingerichtet sein, den elektrischen Leistungswerten zugeordnete Steuerungsdatensätze zum Steuern der dezentralen Einheit zu speichern, und/oder die Auswahlvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, einen der in der Speichervorrichtung gespeicherten, elektrischen Leistungswerte ohne Berücksichtigung des zugeordneten Steuerungsdatensatzes auszuwählen. Da die Auswahlvorrichtung die elektrischen Leistungswerte ohne Berücksichtigung des zugeordneten Steuerungsdatensatzes auswählt, kann verhindert werden, dass die Auswahlvorrichtung Einsicht in geheimhaltungsbedürftige Informationen hinsichtlich der Steuerungsdatensätze erhält. So sieht die Auswahlvorrichtung lediglich die zur Verfügung stehenden, elektrischen Leistungswerte, nicht jedoch die dahinterstehenden Steuerungsdatensätze bzw. Steuerungsprogramme. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich die Auswahlvorrichtung in einer Leitzentrale befindet, die aus Sicht der dezentralen Einheit von einer fremden Firma betrieben wird.
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Vorzugsweise umfasst die von der Steuerungsvorrichtung zu steuernde, dezentralen Einheit eine Produktionsanlage, beispielsweise eine Produktionsanlage mit einer Vielzahl von steuerbaren, elektrischen Maschinen in einer Fabrik. So kann der zugeordnete Steuerungsdatensatz ein oder eine Vielzahl von Steuerungsprogrammen für eine Produktionsvorrichtung in der dezentralen Einheit umfassen. Entsprechend kann es sich bei den Steuerungsdatensätzen um eines oder mehrere Steuerungsprogramme bzw. Betriebsprogramme, z.B. Programme für eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) handeln. Ein Steuerungsprogramm kann auch eine Steuerung einer kompletten Fabrik oder Produktionsstätte betreffen. So kann der zugeordnete Steuerungsdatensatz dazu eingerichtet sein, eine Vielzahl von elektrischen Maschinen in der dezentralen Einheit zu steuern. Ein Steuerungsprogramm kann insbesondere eine Produktionsstraße mit einer Vielzahl von elektrischen Maschinen einer Fabrik oder eine Produktionsstätte betreffen, welche eine Vielzahl von Produktionsstraßen aufweist. Insbesondere kann es sich bei den Steuerungsprogrammen um Steuerungen für die gleiche Produktionsvorrichtung handeln, wobei die Steuerungsprogramme einen unterschiedlichen Energiebedarf haben. Beispielsweise kann ein erstes Steuerungsprogramm eine Produktionsanlage mit maximaler Produktionsgeschwindigkeit steuern, wohingegen ein zweites Steuerungsprogramm die Produktionsanlage mit halber Produktionsgeschwindigkeit steuert. Ferner können verschiedene Steuerungsprogramme auch verschiedene Ausführungszeiten eines Produktionsprozesses betreffen. Beispielsweise betrifft ein erstes Steuerprogramm eine Steuerung einer Produktionsanlage von 8:00 Uhr bis 20:00 Uhr und ein zweites Steuerprogramm eine Steuerung der gleichen Produktionsanlage von 20:00 Uhr bis 8:00 Uhr, wobei ein Betrieb der Produktionsanlage von 20:00 Uhr bis 8:00 Uhr geringere Stromkosten verursacht und das elektrische Energienetz entlastet.
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Es ist auch möglich, dass ein Steuerprogramm einen negativen Leistungsbedarf verursacht, beispielsweise wenn ein Steuerungsprogramm eine elektrische Maschine einer dezentralen Einheit in einen generatorischen Betrieb versetzt. Dabei kann elektrische Energie aus zumindest einem Gleichspannungszwischenkreis in ein elektrisches Energienetz zurückgespeist werden.
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Um die in der Speichervorrichtung gespeicherten Steuerungsdatensätze unabhängig vom physikalischen Ort der Speichervorrichtung vor Zugriff durch Dritte zu schützen, kann die Speichervorrichtung dazu eingerichtet sein, der Auswahlvorrichtung Lesezugriff auf die in der Speichervorrichtung gespeicherten Steuerungsdatensätze zu verweigern. Dazu kann die Speichervorrichtung eine Vorrichtung zum digitalem Rechtemanagement (DRM) aufweisen. Insbesondere kann die Speichervorrichtung eine Trusted Platform Module (TPM) umfassen und in eine Trusted Computing Plattform (TC-Plattform) eingebunden sein.
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Die Speichervorrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, den dem ausgewählten, elektrischen Leistungswert zugeordneten Steuerungsdatensatz an die dezentrale Einheit zu senden. Das Senden des Steuerungsdatensatzes an die dezentrale Einheit kann mit Hilfe einer Sendevorrichtung über ein Kommunikationsnetzwerk erfolgen. In der dezentralen Einheit kann eine Kommunikationseinrichtung den Steuerungsdatensatz empfangen und an eine Steuerungsvorrichtung weiterleiten, die basierend auf dem empfangenen Steuerungsdatensatz eine Produktionsvorrichtung steuert.
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Um eine faire Lastverteilung innerhalb des virtuellen Kraftwerks zu ermöglichen, kann die Speichervorrichtung dazu eingerichtet sein, Information hinsichtlich mit den Steuerungsdatensätzen ausgeführten Steuerungen zu speichern, und die Auswahlvorrichtung dazu eingerichtet sein, den elektrischen Leistungswert unter Berücksichtigung der gespeicherten Information auszuwählen. So kann es sich bei der Information hinsichtlich mit den Steuerungsdatensätzen ausgeführten Steuerungen um historische Steuerungsinformation handeln, beispielsweise wie oft ein Steuerungsdatensatz in der Vergangenheit zur Steuerung einer Produktionsvorrichtung verwendet wurde. Dadurch kann vermieden werden, dass bei einen Energieengpass immer eine Steuerung der gleichen Produktionsvorrichtung geändert wird. Beispielsweise hat ein Aluminiumwerk einen hohen Energieverbrauch und damit ein hohes Einsparpotential. Aus Fairnessgründen sollte daher vermieden werden, dass das Aluminiumwerk viel öfter als andere dezentrale Einheiten abgeschaltet bzw. mit einem energietechnisch nachteiligen Steuerprogramm gesteuert wird.
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Um zu überprüfen, ob ein ausgewählter, elektrischer Leistungswert eines Steuerungsdatensatzes bzw. eines Steuerungsprogramms tatsächlich gegeben ist kann die Leitzentrale ferner eine Empfangsvorrichtung und eine Vergleichsvorrichtung umfassen. Die Empfangsvorrichtung empfängt von der dezentralen Einheit einen gemessenen, elektrischen Leistungswert, der zu dem zugeordneten Steuerungsdatensatz gehört, und die Vergleichsvorrichtung vergleicht den gemessenen, elektrischen Leistungswert mit dem ausgewählten, elektrischen Leistungswert. In Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis kann die Auswahl durch die Auswahlvorrichtung angepasst werden.
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Um keine Steuerungsdatensätze in der Leitzentrale speichern zu müssen kann die Auswahlvorrichtung dazu eingerichtet sein, den ausgewählten elektrischen Leistungswert an die dezentrale Einheit zu senden. In diesem Fall kann ein dem ausgewählten, elektrischen Leistungswert zugeordneter Steuerungsdatensatz in der dezentralen Einheit gespeichert werden, wobei eine Zuordnung von ausgewähltem, elektrischen Leistungswert zu Steuerungsdatensatz in der dezentralen Einheit, beispielsweise in einer Verarbeitungsvorrichtung in der dezentralen Einheit, erfolgt.
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Zum Schutz von in der Speichervorrichtung gespeicherten Daten, insbesondere von in der Speichervorrichtung gespeicherten Steuerungsdatensätzen, vor Zugriff durch Unbefugte können die Speichervorrichtung und die Auswahlvorrichtung in verschiedenen Netzknoten eines Kommunikationsnetzwerks angeordnet sein. Beispielsweise kann die Speichervorrichtung in einem Cloud-Server angeordnet sein, der dazu eingerichtet ist, über das Kommunikationsnetzwerk mit der Leitzentrale zu kommunizieren. Bei dem Kommunikationsnetzwerk kann es sich um jede Art von Netzwerk handeln, welches eine Kommunikation zwischen der Leitzentrale und dem Cloud-Server ermöglicht. Insbesondere kann es sich bei dem Kommunikationsnetzwerk um ein Weitverkehrsnetz, wie das Internet, handeln.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei der Speichervorrichtung um zwei separate Speichervorrichtungen, wobei einer erste Speichervorrichtung die Vielzahl von Steuerungsdatensätzen zum Steuern der dezentralen Einheit speichert und die zweite Speichervorrichtung die den Steuerungsdatensätzen jeweils zugeordneten, elektrischen Leistungswerte speichert. Insbesondere können sich die erste und die zweite Speichervorrichtung in zwei Netzknoten eines Kommunikationsnetzwerks befinden, beispielsweise die erste Speichervorrichtung mit den geheimhaltungsbedürftigen Steuerungsdatensätzen in einer dezentralen Einheit oder einem gesicherten Cloud-Server, und die zweite Speichervorrichtung mit den weniger geheimhaltungsbedürftigen, elektrischen Leistungswerten in der Leitzentrale des virtuellen Kraftwerks.
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Vorzugsweise ist die Leitzentrale redundant ausgebildet. Die Leitzentrale kann ferner Ist-Leistungen, Speicherstände und Bereitschaftszustände der vernetzten Einheiten des virtuellen Kraftwerks in Echtzeit empfangen. Über eine grafische Benutzeroberfläche können diese Daten visualisiert werden. Die Leitzentrale kann des Weiteren Netzinformation, Wetterdaten und/oder Preisinformation von Strombörsen in Echtzeit empfangen und verarbeiten, und diese Daten bei der Auswahl der elektrischen Leistungswerte durch die Auswahlvorrichtung berücksichtigen.
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In der Leitzentrale kann auch eine weitere grafische Benutzeroberfläche vorgesehen sein, auf welcher Bedienpersonal die dezentralen Einheiten als „digitale Zwillinge“ zusammen mit den jeweiligen elektrischen Leistungswerten angezeigt werden. Die Auswahl eines elektrischen Leistungswerts durch die Auswahlvorrichtung kann mit Hilfe der grafischen Benutzeroberfläche erfolgen, beispielsweise durch Anklicken eines angezeigten, elektrischen Leistungswerts durch das Bedienpersonal. Die Auswahlvorrichtung sendet dann den ausgewählten, elektrischen Leistungswert an eine zugehörige dezentrale Einheit. In diesem Fall kann die dezentrale Einheit basierend auf dem elektrischen Leistungswert den zugeordneten Steuerungsdatensatz aus der Speichervorrichtung der Leitzentrale erlangen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine dezentrale Einheit, die eine Produktionsvorrichtung, eine Kommunikationsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen Steuerungsdatensatz zu empfangen, und eine Steuerungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Produktionsvorrichtung zu steuern, umfasst.
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Vorzugsweise ist die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet, die Produktionsvorrichtung in Abhängigkeit von dem Steuerungsdatensatz zu steuern. Beispielsweise handelt es sich bei der Steuerungsvorrichtung um eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), welche ein Steuerprogramm zum Steuern der Produktionsvorrichtung ausführt. Bei der Produktionsvorrichtung kann es sich um eine oder eine Vielzahl von Produktionsanlagen in der dezentralen Einheit handeln, beispielsweise Produktionsanlagen einer Brauerei, Produktionsanlagen eines Stahlwerks, Produktionsanlagen einer Molkerei oder Produktionsanlagen einer Papierfabrik.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine dezentrale Einheit für ein virtuelles Kraftwerk, die eine Produktionsvorrichtung, eine Kommunikationsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Leistungswert zu empfangen, und eine Steuerungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Produktionsvorrichtung zu steuern, umfasst. Gemäß diesem Aspekt empfängt die Kommunikationsvorrichtung der dezentralen Einheit von der Leitzentrale nicht den Steuerungsdatensatz, sondern einen dem Steuerungsdatensatz zugeordneten elektrischen Leistungswert.
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Um den dem empfangenen, elektrischen Leistungswert zugeordneten Steuerungsdatensatz zu erlangen, kann die dezentrale Einheit eine Verarbeitungsvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, basierend auf dem empfangenen elektrischen Leistungswert einen Steuerungsdatensatz zu erlangen, wobei die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Produktionsvorrichtung in Abhängigkeit von dem erlangten Steuerungsdatensatz zu steuern.
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Das Erlangen des zugeordneten Steuerungsdatensatzes kann durch eine Anfrage der Kommunikationsvorrichtung in der dezentralen Einheit an die Speichervorrichtung, die sich in der Leitzentrale oder in einem mit der Leitzentrale in Kommunikationsverbindung stehenden Cloud-Server befindet, erfolgen. Dazu muss die Kommunikationsvorrichtung der dezentralen Einheit eine Leseberechtigung für die Speichervorrichtung haben. Es ist auch denkbar, dass der zugeordnete Steuerungsdatensatz ausschließlich oder zusätzlich in einer Speichervorrichtung in der dezentralen Einheit gespeichert ist. In diesem Fall bezieht die Verarbeitungsvorrichtung basierend auf dem von der Leitzentrale empfangenen, elektrischen Leistungswert den zugeordneten Steuerungsdatensatz von der Speichervorrichtung in der dezentralen Einheit und leitet diesen an die Steuerungsvorrichtung weiter.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Offenbarung umfasst die dezentrale Einheit eine Programmiervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, Steuerungsdatensätze und/oder jeweils zugeordnete, elektrische Leistungswerte an ein Speichervorrichtung zu senden und in der Speichervorrichtung Steuerungsdatensätze und/oder jeweils zugeordnete elektrische Leistungswerte zu löschen. Die Speichervorrichtung kann in der Leitzentrale oder in einem mit der Leitzentrale über ein Kommunikationsnetzwerk verbundenen Cloud-Server angeordnet sein. Es ist auch denkbar, dass sich die Speichervorrichtung in der dezentralen Einheit befindet, welche mit der Leitzentrale über ein Kommunikationsnetzwerk in Kommunikationsverbindung steht. Bei der Programmiervorrichtung kann es sich auch um einen Web-Client handeln, der über ein Kommunikationsnetzwerk mit der Speichervorrichtung in Kommunikationsverbindung steht. So kann beispielsweise ein Eigentümer einer dezentralen Einheit Steuerungsdatensätze bzw. Steuerprogramme programmieren und diese in der Speichervorrichtung ändern, sperren und/oder zur Auswahl für eine Auswahlvorrichtung in der Leitzentrale freigeben, ohne dass der Leitzentrale Informationen über die mit den Steuerungsdatensätzen bzw. Steuerungsprogrammen gesteuerten Elemente der dezentralen Einheit ausgehändigt werden müssen.
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Um trotz Steuerung der dezentralen Einheit durch die Leitzentrale Kontrolle über die Steuerungsarten zu behalten, kann die Programmiervorrichtung dazu eingerichtet sein, in der Speichervorrichtung Leseberechtigungen für ein Lesen von in der Speichervorrichtung gespeicherten, elektrischen Leistungswerten durch eine Auswahlvorrichtung in der Leitzentrale zu setzen und zu löschen. Wenn beispielsweise eine Produktionsanlage in einer dezentralen Einheit gewartet werden muss, so kann ein Eigentümer der dezentralen Einheit mit Hilfe der Programmiervorrichtung vorgeben, dass in der Speichervorrichtung gespeicherte Steuerungsprogramme, welche die zu wartende Produktionsanlage betreffen, der Auswahlvorrichtung während der Wartung nicht zur Auswahl angeboten werden. Es ist auch denkbar, dass für eine Wartung spezielle Steuerungsprogramme programmiert und zugeordnete, elektrische Leistungswerte während der Wartung der Auswahlvorrichtung zur Auswahl angeboten werden.
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Die Programmiervorrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, die Leseberechtigungen der Auswahlvorrichtung in der Speichervorrichtung zeitlich zu beschränken. So kann beispielsweise nachts von 22:00 Uhr bis 4:00 Uhr ein elektrischer Leistungswert nicht der Auswahlvorrichtung zur Auswahl angeboten werden, wenn ein diesem elektrischen Leistungswert zugeordnetes Steuerungsprogramm nicht mit einer Nachtschicht in einer Produktionsvorrichtung vereinbar ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein virtuelles Kraftwerk mit einer vorstehend beschriebenen Leitzentrale und einer oder einer Vielzahl vorstehend beschriebener dezentraler Einheiten. Bei den dezentralen Einheiten kann es sich um Stromproduzenten, wie Biogas- Windkraft-, Photovoltaik-, Kraft-Wärme-Kopplung- oder Wasserkraftanlagen, Stromverbraucher und/oder Stromspeicher handeln. So kann die Leitzentrale elektrische Leistungswerte für eine Vielzahl von dezentralen Einheiten auswählen.
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Die Kommunikation zwischen den vorstehend beschriebenen Elementen des virtuellen Kraftwerks über das bzw. die Kommunikationsnetzwerke kann mit Hilfe von gesicherten, getunnelten Datenverbindungen stattfinden. Die Tunnelverbindungen können das Internet nutzen, sind in diesem Fall aber hinsichtlich ihrer Protokolle vom übrigen Datenverkehr abgeschirmt.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der hier beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie aus den Figuren.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines virtuellen Kraftwerks mit einer Leitzentrale und drei dezentralen Einheiten;
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer dezentralen Einheit; und
- 3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines virtuellen Kraftwerks mit einer Leitzentrale und drei dezentralen Einheiten.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines virtuellen Kraftwerks mit einer Leitzentrale 10 und drei dezentralen Einheiten 20, 30 und 40.
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Die Leitzentrale 10 ist mit den dezentralen Einheiten 20, 30 und 40 über das Internet 60 verbunden. Datenkommunikation zwischen der Leitzentrale 10 und den dezentralen Einheiten 20, 30 und 40 erfolgt über gesicherte, getunnelte Datenverbindungen. Die dezentralen Einheiten 20, 30 und 40 sind über ein elektrische Netz 50, d.h., ein Netzwerk zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie, miteinander verbunden. Bei dem elektrischen Netz 50 kann es sich um ein Verbundnetz handeln, welches elektrische Leitungen, wie Freileitungen und Erdkabeln, und dazugehörige Einrichtungen, wie Schalt- und Umspannwerke, umfasst.
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Die Leitzentrale 10 wird von einer ersten Firma betrieben, die dezentrale Einheit 20 wird von einer zweiten Firma betrieben, die dezentrale Einheit 30 wird von einer dritten Firma betrieben und die dezentrale Einheit 40 wird von einer vierten Firma betrieben. Bei den ersten bis vierten Firmen handelt es sich um rechtlich eigenständige Firmen.
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Die erste Firma koordiniert und steuert über die Leitzentrale 10 die dezentralen Einheiten 20, 30 und 40. Insbesondere steuert die Leitzentrale 10 in den dezentralen Einheiten 20, 30 und 40 betriebene Produktionsanlagen.
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Die Leitzentrale 10 umfasst eine Speichervorrichtung 12, eine Auswahlvorrichtung 14, eine Kommunikationsvorrichtung 16, eine Netzinformationsvorrichtung 17, eine Vergleichsvorrichtung 18 und eine grafische Benutzeroberfläche 19. In der Leitzentrale 10 können weitere, in der 1 nicht gezeigte, Elemente und Vorrichtungen vorgesehen sein.
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In der Speichervorrichtung 12 sind eine Vielzahl elektrischer Leistungswerte gespeichert. Zusammen mit den elektrischen Leistungswerten sind in der Speichervorrichtung 12 den elektrischen Leistungswerten zugeordnete Steuerungsprogramme gespeichert. Bei den Steuerungsprogrammen handelt es sich um Programme zum Steuern von Produktionsanlagen in den dezentralen Einheiten 20, 30 und 40. Die elektrischen Leistungswerte geben an, welchen elektrischen Leistungsbedarf eine Ausführung eines Steuerungsprogrammes in einer dezentralen Einheit verursacht. Beispielsweise kann der elektrische Leistungswert angeben, welchen Leistungsbedarf ein Steuerungsprogramm bei einem einstündigen Betrieb einer Produktionsanlage verursacht. Entsprechend sind in der Speichervorrichtung 12 elektrische Leistungswerte mit zugeordneten Steuerungsprogrammen zum Steuern von jeweiligen Produktionsanlagen sämtlicher dezentraler Einheiten 20, 30 und 40 des virtuellen Kraftwerks gespeichert.
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Die Netzinformationsvorrichtung 17 empfängt von den dezentralen Einheiten 20, 30 und 40 Daten zur Netzauslastung und/oder Netzfrequenz des elektrischen Netzes 50. In Abhängigkeit von diesen Daten kann die Auswahlvorrichtung 14 einen der ihr angezeigten elektrischen Leistungswerte auswählen. Besteht beispielsweise in dem elektrischen Netz 50 ein Energieengpass, so kann die Auswahlvorrichtung 14 einen elektrischen Leistungswert auswählen, der einen geringeren, elektrischen Leistungswert als andere angezeigte elektrische Leistungswerte aufweist. Entsprechend wird das dem ausgewählten, elektrischen Leistungswert zugeordnete Steuerungsprogramm in der entsprechenden dezentralen Einheit ausgeführt.
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Zur Auswahl eines elektrischen Leistungswertes durch die Auswahlvorrichtung 14 werden dieser nur elektrische Leistungswerte ohne zugeordnete Steuerungsprogramme angezeigt. Dies bedeutet, dass die den angezeigten, elektrischen Leistungswerten zugeordneten Steuerungsprogramme der Auswahlvorrichtung 14 nicht zugänglich bzw. für sie nicht sichtbar sind. Insbesondere ist es dem Betreiber der Leitzentrale 10 nicht möglich, die den elektrischen Leistungswerten zugeordneten Steuerungsprogramme mit den in den Steuerungsprogrammen enthaltenen Detailinformationen in Augenschein zu nehmen.
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Die Auswahl eines elektrischen Leistungswertes durch die Auswahlvorrichtung 14 kann mit Hilfe der grafische Benutzeroberfläche 19 erfolgen. Beispielsweise wird einer Bedienpersonen auf der grafischen Benutzeroberfläche 19 eine Vielzahl elektrischer Leistungswerte angezeigt und die Bedienpersonen kann durch Anklicken eines der angezeigten, elektrischen Leistungswerte einen elektrischen Leistungswert auswählen. Insbesondere können auf der grafischen Benutzeroberfläche digitale Zwillinge der dezentralen Einheiten 20, 30 und 40 angezeigt werden. Ferner können in den als digitale Zwillinge angezeigten, dezentralen Einheiten 20, 30 und 40 zur Verfügung stehende elektrische Leistungswerte angezeigt werden. Eine Anzeige von den den elektrischen Leistungswerten zugeordneten Steuerungsprogrammen erfolgt auf der grafischen Benutzeroberfläche 19 jedoch nicht. Eine Bedienpersonen kann einen jeweiligen elektrischen Leistungswert durch Anklicken auf der grafischen Benutzeroberfläche 19 auswählen.
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Zur Geheimhaltung der Steuerungsprogramme vor dem Betreiber der Leitzentrale 10 können in der Speichervorrichtung 12 Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Auswahlvorrichtung 14 bzw. die grafische Benutzeroberfläche 19 Lesezugriff auf die in der Speichervorrichtung 12 gespeicherten, elektrischen Leistungswerte hat, jedoch keinen Lesezugriff auf die in der Speichervorrichtung 12 gespeicherten Steuerungsprogramme. Dazu kann die Speichervorrichtung 12 eine Vorrichtung zum digitalem Rechtemanagement (DRM) umfassen (in 1 nicht gezeigt).
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer dezentralen Einheit 20. Bei der dezentralen Einheit 20 kann es sich um die in der 1 gezeigte dezentrale Einheit 20 handeln. Beispielsweise handelt es sich bei der dezentralen Einheit 20 um eine Brauerei, bei der dezentralen Einheiten 30 um ein Aluminiumwerk und bei der dezentralen Einheit 40 um einen Milch verarbeitenden Betrieb. In den dezentralen Einheiten 20, 30 und 40 können nicht nur Stromverbraucher, sondern zusätzlich auch Stromerzeuger und/oder Stromspeicher betrieben werden. Insbesondere ist es möglich, dass elektrische Maschinen der Produktionsanlagen als Verbraucher oder Generator arbeiten. In der dezentralen Einheit 20 können weitere, in der 2 nicht gezeigte, Elemente und Vorrichtungen vorgesehen sein.
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Die dezentrale Einheit 20 umfasst eine Produktionsvorrichtung 21, eine Kommunikationsvorrichtung 25, eine Steuerungsvorrichtung 26, eine Verarbeitungsvorrichtung 27 und eine Programmiervorrichtung 28. Bei der Produktionsverrichtung 21 handelt es sich um eine Produktionsanlage mit zwei elektrischen Maschinen 22 und 23. Die dezentralen Einheiten 30 und 40 können ähnlich wie die dezentrale Einheit 20 aufgebaut sein. Insbesondere können sich die dezentrale Einheit 20 und die dezentralen Einheiten 30 und 40 nur durch die Art der Produktionsverrichtung 21 unterscheiden.
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Die Steuerungsvorrichtung 26 steuert die Produktionsanlage 21, d. h. die elektrischen Maschinen 22 und 23, mit Hilfe zweier Steuerungsprogramme. Ein erstes Steuerungsprogramm steuert die elektrische Maschine 22 und ein zweites Steuerungsprogramm steuert die elektrische Maschine 23. Eine Steuerung der elektrischen Maschine 22 mit dem ersten Steuerungsprogramm erfordert durchschnittlich pro Stunde eine Leistung von L1 Watt, und eine Steuerung der elektrischen Maschine 23 mit dem zweiten Steuerungsprogramm erfordert durchschnittlich pro Stunde eine Leistung von L2 Watt. Die elektrischen Maschinen 22 und 23 können unabhängig voneinander betrieben werden. Es ist ferner möglich, einen Betrieb der elektrischen Maschine 22 während einer Tageszeit auf ein Betrieb der elektrische Maschine 22 zu einer Nachtzeit zu verschieben.
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Besteht in dem elektrische Netz 50 ein Energieengpass, so reduziert die Leitzentrale 10 den Energieverbrauch in dem virtuellen Kraftwerk, d. h. in mindestens einer der dezentralen Einheiten 20, 30 und 40. Der Auswahlvorrichtung 14 werden dazu eine Vielzahl elektrischer Leistungswerte der dezentralen Einheiten 20, 30 und 40 angezeigt. Unter den angezeigten elektrischen Leistungswerten befinden sich die elektrischen Leistungswerte L1 und L2. Der Auswahlvorrichtung 14 werden zur Auswahl der elektrischen Leistungswerte keine Informationen hinsichtlich der den elektrischen Leistungswerten zugeordneten Steuerungsprogramme bzw. welche elektrische Maschinen mit den Steuerungsprogrammen gesteuert werden angezeigt.
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Die Auswahlvorrichtung 14 bestimmt mit Hilfe der Netzinformationsvorrichtung 17, dass eine Reduzierung des Energiebedarfs in dem elektrische Netz 50 um den Wert L1 den Engpass in dem elektrische Netz 50 ausgleichen könnte. Entsprechend wählt die Auswahlvorrichtung 14 den elektrischen Leistungswerte L1 aus, was zur Folge hat, dass die Leitzentrale 10 die dezentrale Einheit 20 anweist, das dem elektrischen Leistungswert L1 zugeordnete Steuerungsprogramm auszuführen, was zu einer temporären Abschaltung der elektrischen Maschine 22 führt. Entsprechend wird die sonst von der elektrischen Maschine 22 verbrauchte Energie nicht verbraucht. Es ist auch denkbar, dass das auszuführende Steuerungsprogramm Steuerungsbefehle umfasst, die den Betrieb der elektrischen Maschine 22 von einer Tageszeit auf eine Nachtzeit verschiebt, zu der gemäß einer Prognose der Netzinformationsvorrichtung 17 die Auslastung des elektrischen Netzes 50 gering ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können der elektrischen Maschine 22 zwei Steuerungsprogramme zugeordnet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die elektrische Maschine 22 mit unterschiedlichen Auslastungen betrieben wird. Beispielsweise handelt es sich bei der elektrischen Maschine 22 um ein Kühlaggregat zum Brauen von Bier, welches zur Bierproduktion mit zwei verschiedenen Temperaturen betrieben werden kann. Das erste Steuerungsprogramm betrifft dabei eine erste Auslastung der elektrischen Maschine 22 mit einem durchschnittlichen Leistungsbedarf pro Stunde von L3 Watt, und das zweite Steuerungsprogramm betrifft eine zweite Auslastung der elektrischen Maschine 22 mit einem durchschnittlichen Leistungsbedarf pro Stunde von L4 Watt, wobei der elektrische Leistungswert L4 kleiner als der elektrischen Leistungswert L3 ist.
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In diesem Fall werden der Auswahlvorrichtung 14 die elektrischen Leistungswerte L3 und L4 (ohne die zugeordneten Steuerungsprogramme) als Alternativen angezeigt. Die Auswahlvorrichtung 14 kann dann bei einem Energieengpass in dem elektrischen Netz 50 den elektrischen Leistungswert L4 anstatt dem elektrischen Leistungswert L3 auswählen, was zur Folge hat, dass die elektrische Maschine 22 mit einer geringeren Leistung betrieben wird.
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Wie vorstehend beschrieben erfolgt diese Auswahl durch die Auswahlvorrichtung 14 ohne ein Wissen in der Leitzentrale 10, welche elektrische Maschine 22, 23 in der dezentralen Einheit 20 durch die Steuerungsvorrichtung 26 gesteuert wird, bzw. mit welchem Steuerungsprogramm die elektrischen Maschinen 22, 23 durch die Steuerungsvorrichtung 26 gesteuert werden. Folglich kann eine Geheimhaltung von Betriebsgeheimnissen der dezentralen Einheiten 20, 30 und 40 gegenüber der Leitzentrale 10 gewährleistet werden, wobei dennoch eine Steuerung in Abhängigkeit einer aktuellen Auslastung des elektrischen Netzes 50 erfolgt und Energie eingespart werden kann.
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Zur Steuerung der Produktionsanlage 21 bzw. der elektrischen Maschinen 22 und 23 durch die Steuerungsvorrichtung 26 mit einem Steuerungsprogramm ist es möglich, dass die Steuerungsvorrichtung 26 über die Kommunikationsvorrichtung 25 das entsprechende Steuerungsprogramm von der Speichervorrichtung 12 empfängt. Dazu kann die Kommunikationsvorrichtung 16 in der Leitzentrale 10 das Steuerungsprogramm verschlüsselt aus der Speichervorrichtung 12 lesen und dieses an die Kommunikationsvorrichtung 25 senden, wo eine Entschlüsselung erfolgt und das entschlüsselte Steuerungsprogramm der Steuerungsvorrichtung 26 zur Steuerung der Produktionsanlage 21 bzw. der elektrischen Maschinen 22 und 23 zugeführt wird.
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Es ist auch denkbar, dass die Steuerungsprogramme zusätzlich oder alternativ in der dezentralen Einheit 20 vorhanden sind, d. h. in einer Speichervorrichtung in der dezentralen Einheit 20 (in 2 nicht gezeigt) gespeichert sind. In diesem Fall sendet die Speichervorrichtung 12 über die Kommunikationsvorrichtung 16 nur den von der Auswahlvorrichtung 14 ausgewählten elektrischen Leistungswert an die dezentrale Einheit 20. Die Verarbeitungsvorrichtung 27 liest dann basierend auf dem empfangenen, elektrischen Leistungswert aus der Speichervorrichtung in der dezentrale Einheit 20 das zugeordnete Steuerungsprogramm. Dieses Steuerungsprogramm wird anschließend von der Verarbeitungsvorrichtung 27 an die Steuerungsvorrichtung 26 gesendet, die daraufhin die Produktionsanlage 21, beispielsweise die elektrische Maschine 22, mit dem dem elektrischen Leistungswert L3 zugeordneten Steuerungsprogramm steuert.
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Um zu überprüfen, ob die in der Speichervorrichtung 12 gespeicherten, elektrischen Leistungswerte tatsächlich mit den verbrauchten Leistungen übereinstimmen, kann die Kommunikationsvorrichtung 16 in der Leitzentrale 10 einen gemessenen, elektrischen Leistungswert empfangen, der zu einem zugeordneten Steuerungsprogramm gehört. Dazu kann beispielsweise in der in der 2 gezeigten dezentralen Einheit 20 eine Leistungsmessvorrichtung vorgesehen sein (in 2 nicht gezeigt), die einen durchschnittlichen Leistungsverbrauch der elektrischen Maschinen 22 und 23 misst. Die Vergleichsvorrichtung 18 vergleicht diesen gemessenen, elektrischen Leistungswert mit dem ausgewählten, elektrischen Leistungswert, d. h. dem elektrischen Leistungswert, der in der Speichervorrichtung 12 gespeichert ist. Ergeben sich Unterschiede, so kann die Vergleichsvorrichtung 18 dies dem Betreiber der Leitzentrale 10 und/oder der dezentralen Einheit 20 signalisieren. Insbesondere ist ein solcher Unterschied ein Hinweis, dass zur Sicherung der Netzstabilität des elektrischen Netzes 50 die Steuerungsprogramme bzw. die zugeordneten, elektrischen Leistungswerte überprüft werden müssen.
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Damit der Betreiber der dezentralen Einheit 20 trotz Abgabe der Steuerung an die Leitzentrale 10 noch Einfluss auf seine hausinterne Produktion hat, ist in der dezentralen Einheit 20 die Programmiervorrichtung 28 vorgesehen. Die Programmiervorrichtung 28 muss sich nicht physikalisch in der dezentralen Einheit 20 befinden, sondern kann beispielsweise über einen Web-Client mit der dezentralen Einheit 20 bzw. der Leitzentrale 10 in Kommunikationsverbindung stehen. Zum Schutz von Betriebsgeheimnissen hat die Leitzentrale 10 keinen Zugriff auf die Programmiervorrichtung 28.
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In der Programmiervorrichtung 28 können jeweilige Steuerungsprogramme für die Steuerungsvorrichtung 26 programmiert werden. Des Weiteren können in der Programmiervorrichtung 28 den programmierten Steuerungsprogrammen elektrische Leistungswerte zugeordnet werden. Die Programmiervorrichtung 28 kann mit Hilfe der Kommunikationsvorrichtung 25 die programmierten Steuerungsprogramme zusammen mit den zugeordneten elektrischen Leistungswerten über das Internet 60 an die Speichervorrichtung 12 senden, wo diese gespeichert werden. Für den Fall, dass die Steuerungsprogramme in der dezentralen Einheit 20 gespeichert werden, ist es auch denkbar, dass nur die zugeordneten elektrischen Leistungswerte von der Kommunikationsvorrichtung 25 über das Internet 60 an die Speichervorrichtung 12 gesendet werden.
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Zusätzlich ist es möglich, dass die Programmiervorrichtung 28 schon in der Speichervorrichtung 12 gespeicherte, elektrische Leistungswerte und/oder zugeordnete Steuerungsprogramme löscht, oder durch neue elektrische Leistungswerte und/oder zugeordnete Steuerungsprogramme ersetzt.
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Der Programmiervorrichtung 28 ist es auch möglich, in der Speichervorrichtung 12 Leserechte für die Auswahlvorrichtung 14 zum Lesen von in der Speichervorrichtung 12 gespeicherte, elektrische Leistungswerte zu setzen bzw. zu löschen. Insbesondere ist es der Programmiervorrichtung 28 möglich, Leserechte der Auswahlvorrichtung 14 zeitlich zu beschränken. So ist es denkbar, dass bestimmte elektrische Leistungswerte der Auswahlvorrichtung 14 nur zu einer bestimmten Tageszeit oder nur an bestimmten Tagen zur Auswahl angeboten werden. Insbesondere kann die Programmiervorrichtung 28 dazu eingerichtet sein, eine DRM-Vorrichtung in der Speichervorrichtung 12 zu steuern.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines virtuellen Kraftwerks mit einer Leitzentrale 10 und drei dezentralen Einheiten 20, 30 und 40.
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Das Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 in dem sich die Speichervorrichtung 12 nicht in der Leitzentrale 10, sondern in einem weiteren Netzknoten des Internets 60, d. h. in einem Cloud-Server 70 befindet. Der Cloud-Server 70 ist speziell durch Zugriffe von außen gesichert. Dies kann mit Hilfe einer Verschlüsselung der gespeicherten Daten erfolgen. Durch die physikalische Trennung zwischen Leitzentrale 10 und Cloud-Server 70 kann ferner auf einfachere Weise sichergestellt werden, dass der Betreiber der Leitzentrale 10 keinen Zugriff auf die in der Speichervorrichtung 12 gespeicherten Steuerungsprogramme erhält.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat die Auswahlvorrichtung 14 nur Lesezugriff auf die in der Speichervorrichtung 12 gespeicherten, elektrischen Leistungswerte, jedoch keinen Lesezugriff auf die in der Speichervorrichtung 12 gespeicherten Steuerungsprogramme.
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Die Programmiervorrichtung 28 der dezentralen Einheit 20 (siehe 2) steht über das Internet 60 mit dem Cloud-Server 70 in Kommunikationsverbindung und kann elektrische Leistungswerte bzw. zugeordnete Steuerungsprogramme in der Speichervorrichtung 12 speichern bzw. löschen, und auch Lesezugriffsberechtigungen durch die Auswahlvorrichtung 14 auf die in der Speichervorrichtung 12 gespeicherten, elektrischen Leistungswerte setzen bzw. löschen.
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Die vorliegende Offenbarung hilft die Akzeptanz und den Ausbau virtueller Kraftwerke voranzubringen, wodurch überregionale Stromtrassen entlastet werden können und ein Neubau von Kraftwerken vermieden werden kann. Da Betreiber dezentraler Einheiten keine Angst mehr haben brauchen, dass sie bei Abgabe von Steuerungsberechtigungen an die Leitzentrale auch Betriebsgeheimnisse an den Betreiber der Leitzentrale abgeben müssen, können mehr Betreiber dezentraler Einheiten davon überzeugt werden, ihre dezentrale Einheit in ein virtuelles Kraftwerk zu integrieren.
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In den vorgestellten Beispielen sind unterschiedliche Merkmale und Funktionen der vorliegenden Offenbarung getrennt voneinander sowie in bestimmten Kombinationen beschrieben worden. Es versteht sich jedoch, dass viele dieser Merkmale und Funktionen, wo dies nicht explizit ausgeschlossen ist, miteinander frei kombinierbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2019/0339681 A1 [0005]
