DE19654620A1 - Verfahren und Einrichtung zur gleichmäßigen Lastverteilung in Unterverteilungen von öffentlichen oder privaten Verteilungsnetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zur Steuerung eines gleichmäßigen Energieverbrauchs und der Einsparung von Elektroenergie sowie zur Erhöhung der Energiequalität in Unterverteilungen von öffentlichen oder privaten Verteilungsnetzen.

Um einen zuverlässigen Betrieb von technologischen Prozessen und Produktionsanlagen zu gewährleisten, ist die Energiezuführung sicher und ausreichend zu bemessen. Um dies zu erreichen, sind die Versorgungsleitungen in Teilabschnitte unterteilt, die in der Regel von mehreren Unterverteilungen eingespeist werden. Die einzelnen Verbraucher werden in Abhängigkeit von örtlichen Bedingungen sowie technologischen Verknüpfungen an eine oder verschiedene Unterverteilungen angeschaltet. Unabhängig davon, ob die Teilabschnitte separat oder durchgeschaltet mit einem Energieanschluß versehen sind, können alle Verbraucher, die nicht miteinander technologisch gekoppelt sind, beliebig zugeschaltet oder abgeschaltet werden. Dadurch können zeitliche Überlappungen von Energieentnahmen durch große Lasten und/oder Anfahrvorgängen großer Antriebe auftreten. Somit entstehen Lastspitzen bzw. ein Energieausgleich zwischen Leistungsentnahmen und rückgespeister Bremsenergie von rückspeisefähigen Umrichterantrieben innerhalb der Unterverteilungen kann nur sporadisch stattfinden. Das bedeutet einerseits, daß die Versorgungsnetze auf die maximal mögliche Energieabnahme ausgelegt werden müssen und für entnommene Lastspitzen erhöhte Tarife seitens der Energieversorgungsunternehmen zur Anwendung kommen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, die es gestatten, Lastspitzen in den Verteilungsnetzen zu vermeiden und einen gezielten Energieausgleich zwischen Leistungsentnahme und Bremsenergie von rückspeisefähigen Umrichterantrieben zu ermöglichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 2. Nach der Lehre des Anspruchs 1 werden durch den Leitrechner die eingespeicherten Informationen zum technologischen Prozeß und mathematischen Modellen für jedes Verbraucherkennlinienfeld die von den Verbrauchern/Verbrauchergruppen übermittelten, sowie mit ihrer speziellen Identifikation versehenen Statusberichte, die mindestens folgende Informationen

• - Verbraucheridentifikation
• - Leistung
• - Bremsstrom
• - Drehzahl
• - Temperatur
• - technologische Bedingungen
• - Drehrichtung

enthalten in Echtzeit verarbeitet werden, wobei nach einem vorgegebenen Algorithmus eine Optimierung des Betriebes durch Koordinierung der Leistungsentnahmen und Rückspeisevorgängen der Verbraucher vorgenommen wird. Die so ermittelten Ergebnisse werden als Befehle über einen Systembus zur Steuerung an die jeweiligen Steuereinrichtungen übermittelt. Diese ermitteln die Stellgrößen zur Steuerung der Verbraucher, und übermitteln die einzustellenden Werte über einen Feldbus an die Stelleinheiten, über die jeder Verbraucher verfügt, zur Steuerung der Verbraucher/Verbrauchergruppen.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Vermeidung von Lastspitzen und einer gleichmäßigen Lastverteilung in Verteilungsnetzen ist im Anspruch 2 beschrieben. Für die Einrichtung findet ein hierarchisch aufgebautes Prozeßleitsystem mit drei Ebenen Verwendung, das in der Leitebene einen Leitrechner, in der Steuerungsebene Steuereinrichtungen und in der Prozeßebene Stelleinheiten aufweist, von die jeweils eine Stelleinheit einem Verbraucher zugeordnet ist.

Die Energieversorgung der Verbraucher erfolgt über eine Hauptverteilung auf Mittelspannungsebene und mehrere Unterverteilungen auf der Niederspannungsebene.

Der Leitrechner verarbeitet alle von den Verbrauchern, über die Steuereinrichtungen, eingehenden Informationen in Echtzeit und gibt Steuerbefehle an die Steuereinrichtungen aus, die über einen Feldbus Stelleinheiten gekoppelt sind. Die empfangenen Befehle werden in den Stelleinheiten in Stellgrößen für die Verbraucher umgesetzt.

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Darstellung der entnommenen Leistung und des resultierenden Stromes im Verteilungsnetz,

Fig. 1a) Leistungsentnahmen mehrerer Verbraucher ohne Koordinierung,

Fig. 1b) Leistungsentnahmen mehrerer Verbraucher mit Koordinierung,

Fig. 1c) Leistungsentnahmen und Rückspeisung von Verbrauchern ohne Koordinierung,

Fig. 1d) Leistungsentnahmen und Rückspeisung von Verbrauchern mit Koordinierung,

Fig. 2: Einrichtung zur Begrenzung von Lastspitzen und zur Koordinierung von Leistungsentnahmen und Rückspeisung von Verbrauchern.

In der Fig. 1 wird die entnommene Leistung und der resultierende Strom einer Verteilung HV1 am Beispiel eines Zementwerkes bei unterschiedlicher Betriebsweise dargestellt.

Die Fig. 1a zeigt den möglichen Stromverlauf und die Leistungsentnahme in einem Verteiler bei gleichzeitigem Betreiben mehrerer großer Verbraucher V3, V4 und Unterverteilungen UV1, UV2. Die auftretende Lastspitze ist deutlich erkennbar.

In Fig. 1b wurde durch ein Eingreifen der erfindungsgemäßen Einrichtung ein gleichzeitiges Betreiben mehrerer und/oder Anfahrvorgänge großer Antriebe V3, V4 verhindert, so daß keine Lastspitzen auftreten und eine über einen längeren Zeitraum gleichmäßige Belastung der Verteilung durch ein nacheinander erfolgendes Anschalten der Verbraucher an der Verteilung HV1 erreicht wird. Fig. 1c zeigt den möglichen Stromverlauf und die Leistungsentnahme in einer Verteilung bei gleichzeitigem Anfahren und Rückspeisung verschiedener Verbraucher. Die auftretende Lastspitze ist erkennbar, ein Energieausgleich von Leistungsentnahme und Rückspeiseenergie findet nicht statt. Da die Rückspeiseenergie durch keinen anderen Verbraucher aufgenommen wird und eine Rückspeisung in das Drehstromnetz nicht möglich ist, muß die Bremsenergie über Widerstände in Wärmeenergie umgesetzt und als Verluste abgeführt werden.

Fig. 1d zeigt dagegen den möglichen Stromverlauf und die Leistungsentnahme in einer Verteilung bei gleichzeitiger Leistungsaufnahme und Rückspeisung verschiedener Verbraucher unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es tritt keine Lastspitze auf, ein Energieausgleich von Leistungsentnahme und Rückspeiseenergie findet statt, da die Rückspeiseenergie des gebremsten Umrichterantriebes durch die gezielt nacheinander angeschalteten Verbraucher als Leistung aufgenommen wird.

In der Fig. 2 wird die Einrichtung zur Begrenzung von Lastspitzen und zur Koordinierung von Leistungsentnahmen und Rückspeisevorgängen von Verbrauchern an der Verteilung HV1 dargestellt.

Das Verteilungsnetz wird aus einem Netz eines Energieversorgungsunternehmen gespeist. Am Einspeisepunkt wird mittels Stromwandler M1 die entnommene Leistung ermittelt. Über einen Transformator wird die Hochspannung auf Mittelspannung transformiert und eine bzw. mehrere Hauptverteilungen HV1 gespeist. Im gewählten Beispiel wird nur eine Hauptverteilung dargestellt. An die Hauptverteilung HV1 sind verschiedene Unterverteilungen UV1, UV2 über weitere Transformatoren angeschaltet, die die Mittelspannung auf Niederspannung transformieren. Weiterhin sind auch große Verbraucher V3, V4 direkt an die Hauptverteilung HV1 angeschlossen. An die Unterverteilungen UV1, UV2 sind jeweils mehrere Verbraucher V1.1, V1.2, V1.3, V1.4 bzw. V2.1, V2.2, V2.3, V2.4 angeschlossen. Diese Verbraucher sind gegebenenfalls technologisch gekoppelt und sind u. a. Förderantriebe, Heizungen, Lüfter. Die großen Verbraucher (V3, V4), die direkt an der Hauptverteilung (HV1) angeschlossen sind, stellen beispielsweise den Ofenantrieb und den Antrieb für Zementmühlen dar. Alle Verbraucher V1.1 bis V1.4, V2.1 bis V2.4, V3, V4 verfügen jeweils über eine Stelleinheit SE1.1 bis SE1.4, SE2.1 bis SE2.4, SE3, SE4.

Alle Stelleinheiten SE1.1 bis SE1.4, SE2.1 bis SE2.4, SE3, SE4 sind über einen Feldbus mit der zugehörigen Steuereinrichtung SPS verbunden. Die Steuereinrichtung SPS ist ihrerseits über einen Systembus mit dem Leitrechner LR verbunden.

Die Stelleinheiten SE1.1 bis SE1.4, SE2.1 bis SE2.4, SE3, SE4 bestehen im wesentlichen aus einem Schalter und/oder Stellgliedern, die z. B. Spannung, Frequenz, Strom des jeweiligen Verbrauchers verstellen. Der Summenstrom der Verbraucher/Verbrauchergruppen V1, V2, V3, V4 wird jeweils an einem Wandler M2, M3, M4, M5 ermittelt.

Im Verteilungsnetz, das in mehrere Hauptverteilungen HV1 und Unterverteilungen UV1, UV2 aufgeteilt ist, befinden sich mehrere Verbraucher/Verbrauchergruppen V1, V2, V3, V4.

Bei einem unkoordinierten und zeitlich überlappenden Anfahren der beiden Verbraucher V3, V4 und verschiedener Verbraucher V1.3, V1.4 der Verbrauchergruppe V1 an der Unterverteilung UV1 entsteht eine Lastspitze entsprechend Fig. 1a.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch Koordinierung von Leistungsentnahmen und Rückspeisevorgängen aller im Verteilungsnetz befindlichen Verbraucher erreicht, daß einerseits keine Überlappungen von Leistungsentnahmen der Verbraucher auftreten, die eine Überschreitung einer zulässigen Leistungsgrenze verursachen würden und andererseits gezielt Überlappungen von Leistungsentnahmen und Rückspeisevorgängen verschiedener Verbraucher entsprechend Fig. 1d erreicht werden, wodurch ein Energieaustausch zwischen einem an laufenden Verbraucher V3 und einem rückspeisenden Verbraucher V4 ermöglicht wird.

Die sich im Verteilungsnetz befindenden Verbraucher übermitteln mindestens folgende Informationen, die den Status des Verbrauchers definieren, werden an den Leitrechner LR übermittelt:

• - Verbraucheridentifikation
• - Leistung
• - Bremsstrom
• - Drehzahl
• - Temperatur
• - technologische Bedingungen
• - Drehrichtung.

Im Leitrechner sind weitere, zur Lösung der Optimierungsaufgabe notwendige Informationen gespeichert, wie beispielsweise

• - Daten zum technologischen Prozeß
• - mathematische Modelle für jedes Verbraucherkennlinienfeld.

Der Leitrechner LR verarbeitet in Echtzeit alle Informationen nach einem vorgeschriebenen Algorithmus und ständig aktualisierten Optimierungs-Rechen­ ergebnissen. Als Lösungsmethoden werden sowohl algebraische Optimierungsmethoden als auch heuristische Methoden (Nutzung von Erfahrungswissen) eingesetzt. Der Optimierungsalgorithmus enthält zwei Etappen:

• - Situationserkennung
• - Abarbeitung vorgefertigter und abgespeicherter Steuerfunktionen in Abhängigkeit von der Situation, die erkannt wurde.

Das ermittelte Ergebnis wird genutzt, um die Verbraucher in ihren Aktionen, Leistungsentnahmen und Rückspeisevorgängen zu beeinflussen.

Um einen resultierenden Stromverlauf entsprechend Fig. 1b zu erreichen, wird beispielsweise wie folgt verfahren: Der Verbraucher V3 läuft gerade an und wird in einigen Sekunden, innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls Δt, seine Beschleunigung beenden, weil er seine für diesen technologischen Prozeß vorgesehene Drehzahl nahezu erreicht hat, und wird dann nur noch einen geringen Strom aufnehmen. In diesem Augenblick wird der Verbraucher V4 zugeschaltet; durch den Leitrechner wird überprüft, ob eine Verzögerung des Anlaufs des Verbrauchers V4 für einen maximalen Zeitraum von Δt unter Berücksichtigung aller Nebenbedingungen möglich ist. Bei einem positiven Ergebnis dieser Überprüfung wird ein Befehl ausgegeben, der ein Anlaufen des Verbrauchers V4, verzögert wird bis der Verbraucher V3 seine Beschleunigung beendet hat.

Oder es wird durch den Leitrechner LR erkannt, daß die Verbraucher V3 und V4 fast gleichzeitig anlaufen/beschleunigen werden und zum Zwecke der Spitzenstrombeschneidung an der Meßstelle M1 wird die Anlaufleistung beider Verbraucher V3 und V4 oder nur für einen Verbraucher, in Abhängigkeit von der Technologie, zurückgesetzt.

Die Herabsetzung der Anlaufleistung erfolgt für einen oder beide Verbraucher durch Übermittlung entsprechender Steuerbefehle vom Leitrechner LR an die jeweilige Steuereinrichtung SPS, welche die Stellgrößen zur Steuerung der Verbraucher ermittelt, und die einzustellenden Werte an die Stelleinheiten (SE1, SE2, SE3, SE4) zur Steuerung der Verbraucher/Verbrauchergruppen (V1, V2, V3, V4) ermittelt, die ein Überschreiten des vorgegebenen Summenstromes am Wandler M1 verhindern.

Zur Vervollkommnung des Algorithmus und verbesserten Optimierung der Prozesse zur Koordinierung des Fahrregimes werden selbstlernende Systeme eingesetzt.

Die vom Leitrechner ausgegebenen Befehle werden über den Systembus zu den Steuereinrichtungen (SPS) und Feldbus zu den Stelleinheiten (SE1, SE2, SE3, SE4) übertragen.

Eine weitgehende Beeinflussung und Koordinierung der Leistungsentnahmen und Rückspeisevorgängen führt dazu, daß Lastspitzen vermieden werden und insbesondere durch den Austausch von Leistungsentnahmen und Rückspeiseenergie der Energieverbrauch sinkt. Andererseits ist es möglich bei gleichem integralen Energieverbrauch bzw. bei gleicher Anzahl der Verbraucher preisgünstigere Verteilungsnetze einzusetzen, da bisher erforderliche Überdimensionierungen entfallen können.

Claims (2)

1. Verfahren zur gleichmäßigen Lastverteilung in Verteilungsnetzen, wobei ein hierarchisch gegliedertes Leitsystem verwendet wird, das aus der Leitebene mit Leitrechner (LR), der Steuerungsebene mit Steuereinrichtungen (SPS) und der Prozeßebene mit Stelleinheiten (SE1, SE2, SE3, SE4) für jeweils einen Verbraucher (V1, V2, V3, V4) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitrechner die eingespeicherten Informationen

• - technologischer Prozeß
• - mathematische Modelle für jedes Verbraucherkennlinienfeld

und die von den Verbrauchern/Verbrauchergruppen übermittelten sowie mit ihrer speziellen Identifikation versehenen Statusberichte empfangenen Informationen

• - Verbraucheridentifikation
• - Leistung
• - Bremsstrom
• - Drehzahl
• - Temperatur
• - technologische Bedingungen
• - Drehrichtung

in Echtzeit verarbeitet und nach einem vorgegebenen Algorithmus eine Optimierung des Betriebes durch Koordinierung der Leistungsentnahmen und Rückspeisevorgängen der Verbraucher vornimmt und danach die ermittelten Befehle zur Steuerung an die jeweiligen Steuereinrichtungen (SPS), welche die Stellgrößen zur Steuerung der Verbraucher ermitteln, und die einzustellenden Werte an die Stelleinheiten (SE1, SE2, SE3, SE4) zur Steuerung der Verbraucher/Verbrauchergruppen (V1, V2, V3, V4) übermittelt.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1,

• 2.1 bestehend aus einem hierarchisch aufgebauten Prozeßleitsystem mit drei Ebenen:
  • - in der Leitebene ein Leitrechner (LR),
  • - in der Steuerungsebene Steuereinrichtungen (SPS),
  • - in der Prozeßebene Stelleinheiten (SE1, SE2, SE3) von die jeweils einem Verbraucher (V1, V2, V3, V4) zugeordnet sind,
• 2.2 die Energieversorgung der Verbraucher (V1, V2, V3, V4) erfolgt über eine eine Hauptverteilung (HV1) auf Mittelspannungsebene und Unterverteilungen (UV1, UV2),
• 2.3 der Leitrechner (LR) verarbeitet alle eingehenden Informationen in Echtzeit und gibt Steuerbefehle an die Steuereinrichtungen (SPS),
• 2.4 die Stelleinrichtungen (SE1, SE2, SE3, SE4) sind
  • - über einen Feldbus mit den Steuereinrichtungen (SPS) gekoppelt, um Informationen an den Leitrechner (LR) zu übermitteln und die Steuerbefehle zu empfangen,
  • - die empfangenen Befehle werden in den Stelleinheiten (SE1, SE2, SE3, SE4) in Stellgrößen für die Verbraucher (V1, V2, V3, V4) umgesetzt.