DE102021005189A1

DE102021005189A1 - Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Zustandsgrößen von Nieder - und Mittelspannungs-Netzen

Info

Publication number: DE102021005189A1
Application number: DE102021005189.0A
Authority: DE
Inventors: Rene Grandits; Günter Sam; Peter Wratil; Jakob Fürst
Original assignee: Konzept 59 GmbH
Current assignee: Konzept 59 GmbH
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben, mit dem man relevante Zustandsgrößen von Nieder- und Mittelspannungs-Netzen per Funkverbindung an eine Auswertestation übertragen kann, um relevante Kenngrößen - wie z.B. Spannungs- oder Strom-Zustände sowie Kurz- oder Erdungsschlüsse - zeitnah zu erkennen. Das Verfahren beschreibt eine Technik, die überall dort zu Einsatz kommen kann, wo man derzeit kabelgebundenen Verbindung einsetzt. Mit dem Verfahren werden umständliche Leitungsführungen oder komplizierte Wartungsvorgänge deutlich reduziert und mit zusätzlichen Diagnoseeinrichtungen versehen, so dass sich eine Kostenreduzierung und eine Erhöhung des Komforts ergeben. Zusätzlich können bei Messungen der Hochspannung auf den Leitungen die Risiken von möglichen elektrischen Überschlägen reduziert werden.

Description

Der konsequente Ausbau der Energieversorgung mittels umweltfreundlicher und regenerativer Energien führt zu einer weitreichenden Dezentralisierung der Energieeinspeisungen in die Versorgungsnetze. Als neue alternative, umweltfreundliche Energieeinspeiser sind hier vor allem Windenergieanlagen (WAE) und Solaranlagen (Photovoltaik-Anlage) zu nennen. Die dazugehörigen Netztopologien weisen ein im erheblichen Maße gestiegene Verästelung auf, die bei möglichen Netzfehlern die Versorgung ganzer Netzbereiche gefährden. Mögliche Kurz-, Erdschlüsse, der Ausfall von Phasen oder die asymmetrische Belastung müssen daher schnell detektiert und bestenfalls auch vom Verursacherort her erkannt werden (siehe hierzu [1]).
Um den Zustand der Netze und der damit verbunden Kenngrößen zu erfassen, werden die Netzleitungen der Nieder- und Mittelspannung mit Stromsensoren versehen, die ihre Daten an erdgebundene Analysegeräte übertragen (siehe hierzu [2]). Derartige Geräte sind oftmals nicht nur in der Lage, die Ströme, Spannungen oder hochfrequente Transienten zu erkennen, sondern können auch selbst Pulsortungsverfahren (oder ähnliche Verfahren) zur Verfügung stellen, deren Technik einen Aufschluss über den Fehlerort angeben.
Die Verbindung zwischen den Sensoren, die sich als Stromsensoren auf den Netzleitungen befinden, sind in der Regel durch elektrische Kabel realisiert. Diese heute üblichen Kabelverbindungen führen allerdings zu umfangreichen Problemen, die durch komplizierte Verkabelungen, unübersichtliche Leitungsführungen, nahezu unmögliche Anpassung an Ortsveränderungen und schlechte Diagnose geprägt sind.
Diese Patentanmeldung macht es sich daher zur Aufgabe, diese Kabelverbindungen durch drahtlose Verbindungen zu ersetzen. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass die drahtlosen Verbindungen sehr preisgünstig realisiert werden können, damit ein Austausch von kabelgebundenen Techniken zu Drahtlosverbindungen nicht zu enormen Kosten führt. Trotz dieser einfachen und damit preisgünstigen Technik müssen die drahtlosen Verbindungen alle Daten in einem Echtzeitverfahren übertragen, damit eine richtige zeitliche Zuordnung der Zustände innerhalb mehrerer Netzleiten erfolgen kann. Durch die im Sender integrierte Schaltungstechnik ist man zusätzlich in der Lage, die relevanten Kenngrößen zu verarbeiten, so dass man die zu übertragende Datenmenge deutlich reduzieren kann.
Zwar sind heute bereits Übertragungen von Kenngrößen auf Netzleitungen bekannt (siehe hierzu [3]), aber hier werden lediglich die Leitungen selbst zum Datenverkehr genutzt. Ferner sind Funkverbindungen bekannt, die Messwerte von elektrischen Verbrauchern übertragen um beispielsweise Stromabrechnungen zu erleichtern. Allerdings sind diese dort verwendeten Techniken nicht in der Lage, Daten synchron und in Echtzeit zu übermitteln (siehe hierzu [4]).
Des Weiteren gibt es heute bereits Module, die über die bekannten Techniken wie Bluetooth oder WLAN Daten in einfachster Weise drahtlos übermitteln. Allerdings kann man mit derartigen Techniken keinerlei Daten übertragen, die einen Echtzeitbezug aufweisen, da die hohen Schwankungszeiten bei einer kontinuierlichen Übertragung keine zeitliche Zuordnung der Kenngrößen mehr erlauben. Auch die synchrone Abstimmung der einzelnen ist bei der Verwendung dieser Übertragungstechnologien (Bluetooth, WLAN) sehr aufwendig oder gar unmöglich.
Das hier beschrieben Verfahren basiert darauf, dass die Stromsensoren an den Hochspannungs-, Nieder- und Mittelspannungsleitungen mit zusätzlichen intelligenten Einheiten versehen werden, die einerseits die relevanten Daten aus den Stromsignalen direkt vor Ort verarbeiten und anderseits die so deutlich reduzierte Datenmenge als Sendeinformation zur drahtlosen Übertragung zur Verfügung stellen. Durch diese Reduzierung der Daten auf ein notwendiges Minimum kann man beispielweise die zur Verfügung stehenden Funknetze mit deren verwendeten Technologien und deren Bandbreiten in einfachster Form verwenden. Zusätzlich wird in hoher Priorität ein Synchronsignal übertragen, so dass man die einzelnen Sendersignale ohne Schlupffehler am Empfänger aufbereiten kann.
Erfindungsgemäß besteht damit jeder intelligente, drahtlose Stromsensor (Einheit) aus dem Stromerfassungssensor (Strommessung) selbst, aus einer Vorverarbeitungseinheit, bestehend aus dem Sensor zur Aufnahme der elektrischen Messgrößen (Sensor), dem Netzteil (N), der Verarbeitungs-Logik (Ver. Log.) und der Sendeeinheit (S) mit der Antenne (A). Die einzelnen Einheiten sind der 1 zu entnehmen. Zur Messung jeder Phase sind alle Einheiten (Einheit 1 bis 3) identisch aufgebaut. Deren Daten werden über eine drahtlose Verbindung mittels der Antennen (A1 bis A3) zu den Empfängern (Empf. 1 bis Empf. 3) gesendet. Deren empfangene Daten gelangen dann parallel in die Auswerte-Einheit, die die zu visualisierende Ausgangsgröße darstellt oder gegebenenfalls notwendige Aktionen einleitet.
In der 2 ist das Verfahren der Datenverarbeitung und die damit verbundenen Datenreduzierung dargestellt. Hierbei sei angemerkt, dass es sich nur um Beispiele handelt die identisch oder in veränderter Form in die applikative Verarbeitung eingebaut werden können. Die 2 stellt einen Stromverlauf während einer gesamten Sinus-Welle (A) von 0 bis 360° dar. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz entspricht das einer Zeitdauer von 20 Millisekunden. Die Kurvenform (A) stellt das ideale Stromsignal als Sinus-Kurve dar. Mögliche Änderungen, die auf Fehler im Netz hinweisen sind in den Kurvenformen (B) und (C) zu sehen. Bei B ist beispielsweise die Amplitude zu gering oder bei (C) liegen höherfrequente Störungen oder Oszillationen vor. Die senderseitige Verarbeitungs-Logik erfasst die Signale über den Zeitraum (D) und generiert ein Datenpaket, das nur die gewünschten relevanten Daten enthält (z.B. Effektivwert, Spitzenwert, Frequenzspektrum größer 50 Hz, Ausfall einer gesamten Halbwelle usw.). Nach wie vor kann man auch diskret die Amplitudenwerte erfassen (E) und in einem Speicher der Verarbeitungs-Logik aufheben. Mit dem Erreichen eines bestimmten Triggerpunktes (hier S1) übermittelt der Sender eine Synchronisationskennung von der Einheit 1 zum Empfänger 1. Da diese Synchronisation ein kurzes Datenpaket darstellt und von allen Sendern (Einheit 1 bis 3) in gleicher Form gesendet wird, kann die empfangsseitige Auswerte-Einheit die zeitliche Abfolge genau reproduzieren. Erst nach der Synchronisation (S1) erfolgt die Datenübertragung der gewünschten Daten (DT1). Es besteht auch die Möglichkeit, die Datenübertragung vollkommen asynchron an den Empfänger zu übermitteln (DT2) und dann die Synchronisation auszuführen (S2).
Durch dieses Verfahren kann man die heute extrem preisgünstigen Sende - und Empfangs-Module (Hardware identisch oder ähnlich zu Bluetooth oder WLAN) einsetzen. Man nutzt also die bestehenden Module in den freigegebenen Frequenzbändern, ohne auf die nicht akzeptablen Software-Techniken (z.B. Frequency Hopping) zurückgreifen zu müssen. Eine bidirektionale Übertragung ist nicht zwingend notwendig.
Literaturangaben:

[1]: Gernot Druml: Innovative Methoden zur Erdschlussortung und Petersen-Spulen Regelung, Institut für Elektrische Anlagen Technische Universität Graz, November 2012
[2]: SICAM FCM: Kurz- und Erdschlussanzeiger mit Richtungserfassung für Low-Power-Sensoren, Siemens AG
[3]: Patent EP 3 364 548 B1 : VERFAHREN UND SYSTEM ZUR DATENÜBERTRAGUNG ÜBER EINE HOCH- ODER MITTELSPANNUNGSLEITUNG
[4]: Patent EP 1 850 500 A1 : Datenerfassungs-und Steuerungssystem mit Datenübertragung über Funkstrecken und elektrische Energieverteilnetze und Verfahren hierzu

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

EP 3364548 B1 [0010]
EP 1850500 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Zustandsgrößen von Nieder- und Mittelspannungs-Netzen, dadurch gekennzeichnet, dass man die derzeit weit verbreiteten kabelgebundenen Verbindungen zwischen den spannungsführenden Stromnetzleitungen im Nieder- und Mittelspannungsbereich durch drahtlose Funkverbindungen ersetzt, die bei der Übertragung eine zeitliche Synchronisierung zulassen, so dass sie in ihrer Datenqualität den kabelgebundenen Leitungstechniken entsprechen.
Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsverfahren derart einfach aufgebaut sind, so dass der Datenverkehr auf ein Minimum reduziert werden kann und damit die verfügbaren Bandbreiten innerhalb der verwendbaren Frequenzbänder auch bei der Abtastung mehrerer Leitungen klein gehalten werden können.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl bei der Abtastung der Signalzustände als auch bei der Übertragung ein spezieller Synchronisationsalgorithmus verwendet wird, so dass auch bei längeren oder schwankenden Laufzeiten der drahtlosen Verbindung stets eine eindeutige Zuordnung der Zustände aller zusammengehörigen Phasen ermöglicht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung mit Funkverbindungen stattfinden kann und dass ebenfalls ähnlich Übertragungsverfahren (z.B. IR-Übertragung) möglich sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die an den zu messenden Leitungen verwendeten Sensoren, die Stromversorgung für die Sender der drahtlosen Übertragung direkt aus dem Netz selbst erzeugen, so dass keine zusätzliche Fremdversorgung notwendig ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenverkehr über die drahtlose Verbindung auch unidirektional ablaufen kann und damit komplizierte bidirektionale Verbindungen oder Verfahren zur Zeitsynchronisation nicht notwendig sind. Ein bidirektionaler Datenverkehr ist ebenfalls möglich aber nicht notwendig.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Abtastung der zu messenden Kenngrößen mit hoher Genauigkeit erfolgt, so dass sie der Übertragung kabelgebundener Verbindungen nicht nachsteht.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die relevanten Kenngrößen (wie beispielweise Effektivwerte, spezielle Strom- oder Spannungsspitzen) direkt im Sensor durch eine intelligente Verarbeitungseinheit ermittelt werden können, so dass man nur noch notwendige Daten übertragen muss.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine spezifische Synchronisationsinformation von Sender zum Empfänger übertragen wird, so dass am Empfänger eine eindeutige zeitliche Zuordnung ermöglicht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Verbindung gegenüber einer kabelgebunden Verbindung eine hohe Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen aufweist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die drahtlose Kommunikation Daten übermittelt werden, die zur Diagnose herangezogen werden können, damit sowohl die Verdrahtung als auch die Wartung oder Umbau deutlich vereinfacht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man die Sender und deren Logik-Einheiten auf eine gewünschte Datenverarbeitung (mit eventueller Datenreduzierung) programmieren kann.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Sensoren bei unterschiedlichen Netzfrequenzen erfolgen kann (beispielsweise neben 50 Hz auch bei 60 Hz, 16 2/3 Hz oder 400 Hz).