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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Stromverbrauchs
von mit einem Elektrizitätsnetz
verbundenen elektrischen Geräten.
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Die
Kontrolle des Energieverbrauchs, insbesondere des Stromverbrauchs,
ist ein Problem, das vom Verbraucher immer mehr wahrgenommen wird. So
besteht gegenwärtig
ein konkret formuliertes Bedürfnis
seitens der Stromversorger, ihren Verbrauchern, egal ob Privatkunden
oder Firmenkunden, eine detaillierte Aufstellung des Stromverbrauchs
der von ihnen benutzten elektrischen Geräte zu liefern. Eine solche
Aufstellung würde
die Kosten des Stromverbrauchs sowie die Benutzungszeit von jedem
Gerät während der
Rechnungsperiode anzeigen. Ferner könnten den Verbrauchern auch
statistische Daten wie die stündlichen
Kosten der Benutzung eines Geräts,
die durchschnittliche tägliche
Benutzungsdauer des Geräts,
die Gesamtkosten des Stromverbrauchs des Geräts seit seiner Inbetriebnahme,
usw. geliefert werden.
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Gegenwärtig basiert
das am kostengünstigsten
zum Erreichen dieses Zieles durchzuführende Verfahren auf einer
kontinuierlichen Messung der auf dem Netz verbrauchten globalen
Momentanleistung und auf dem Erfassen der Unterspannungssetzungen
und Außerspannungssetzungen
von jedem Gerät
durch Beobachtung der Schwankungen bei der verbrauchten Leistung.
Nachdem die Unterspannungssetzungen und die Außerspannungssetzungen von jedem
Gerät ermittelt
wurden, kann daraus leicht der Stromverbrauch von jedem Gerät abgeleitet
werden, da dieser dem Produkt der verbrauchten Leistung und der
Betriebszeit des Geräts
(elektrische Energie) entspricht.
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1 veranschaulicht
die Durchführung
dieses herkömmlichen
Verfahrens und stellt ein Elektrizitätsnetz 1 auf schematische
Art und Weise dar. Das Netz 1 einphasigen Typs, umfasst
einen Stromzähler CPT1,
einen Phasenleiter P1 und einen Nullleiter N1 und teilt sich hier
durch einen Sicherungskasten FB1, der die Sicherungen F1 bis F6
umfasst, in die sechs Abschnitte T1 bis T6. Die elektrischen Geräte E1 bis E3
sind mit dem Abschnitt T1 verbunden, die elektrischen Geräte E4 und
E5 sind mit dem Abschnitt T2 verbunden, und die Geräte E6, E7,
E8, E9 sind mit den Abschnitten T3, T4, T5 beziehungsweise T6 verbunden.
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Ein
digitaler Wattmesser 2, der mit einem Rechenmittel 3 wie
einem Mikrocomputer verbunden ist, ist zwischen dem Zähler CPT1
und dem Trennpunkt des Netzes angeordnet. Der Wattmesser 2 stellt
auf wiederkehrende Weise, zum Beispiel jede Zehntelsekunde, die
verbrauchte Momentanleistung bereit, die die aktive Leistung Pa
(UIcosφ)
und die reaktive Leistung (UIsinφ)
umfasst, wobei U die Amplitude der Wechselspannung auf dem Netz,
I die Stromamplitude, und φ die
Phasenverschiebung Strom/Spannung ist.
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Da
jedes Gerät
eine bestimmte während
einer Lernphase gemessene verbrauchte Leistung aufweist, ermöglichen
es die Schwankungen der verbrauchten aktiven Leistung Pa und der
reaktiven Leistung Pb dem Mikrocomputer 3, die Geräte, die unter
Spannung oder außer
Spannung gesetzt wurden, zu erkennen. So ermöglicht es, wie im in 2 veranschaulichten
Beispiel gezeigt, eine positive Schwankung dP1 der verbrauchten
aktiven Leistung Pa an einem Zeitpunkt t1, festzustellen, dass das
Gerät E2,
beispielsweise ein Staubsauger, dessen Verbrauch der Schwankung
dP1 entspricht, unter Spannung gesetzt wurde. An den Zeitpunkten
t2 und t3, ermöglichen
es die positiven Schwankungen dP2 und dP3 der verbrauchten Leistung,
festzustellen, dass die Geräte
E4 und E6, zum Beispiel eine Lampe und ein Ofen, ebenfalls unter
Spannung gesetzt wurden. An einem Zeitpunkt t4, ermöglicht es
die negative Schwankung dP4, die dP1 entspricht, festzustellen,
dass das Gerät
E4 außer
Spannung gesetzt wurde, und die negativen Schwankungen dP5 und dP6, die
dP1 beziehungsweise dP3 entsprechen, an den Zeitpunkten t5 und t6
ermöglichen
es, festzustellen, dass die Geräte
E2 und E6 außer
Spannung gesetzt wurden, usw.
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Beispiele
für Verfahren
zum Erkennen von elektrischen Geräten, die auf einem Messen des Stromverbrauchs
basieren, werden von den Patentschriften
US 5 483 153 ,
US 4 858 141 , und FR 2 680 875 beschrieben.
Insbesondere beschreibt die Patentschrift
US 5 483 153 im Bezug auf die darin
enthaltenen
2 und
6 unterschiedliche „Unterschriften" des Stromverbrauchs
oder Schwankungen der in Watt ausgedrückten Leistungskurve, deren
Bestimmung ein präzises
und komplexes Messen eines Momentanverbrauchs oder des Energieverbrauchs erfordert.
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Obwohl
sie in der Theorie zufrieden stellend sind, erweisen sich die Durchführungen
der Verfahren zum Erkennen von Geräten durch Messen der Leistung
als schwierig und weisen einen hohen Prozentsatz an Fehlern bei
der Erkennung der Geräte auf,
wenn diese im Wesentlichen den gleichen Verbrauch oder beim Einschalten
das gleiche Verbrauchsprofil aufweisen. Man glaubte, diesen Nachteil
durch eine Beobachtung der Schwankungen der reaktiven Leistung korrigieren
zu können
(da zwei Geräte,
die den gleichen Verbrauch in aktiver Leistung aufweisen, nicht
notwendigerweise den gleichen Verbrauch in reaktiver Leistung aufweisen)
aber die dadurch erreichte Verbesserung stellt lediglich eine Teillösung dar.
So können
zwei Haushaltselektrogeräte
wie beispielsweise eine Waschmaschine und ein Geschirrspüler, die
jeweils unterschiedliche elektrische Elemente wie Widerstände, einen
Motor, elektronische Kreise umfassen, zwei ähnliche elektrische Elemente
enthalten und miteinander verwechselt werden.
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Ziel
dieser Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beheben. Genauer ausgedrückt, ist
das Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das verlässlicher
ist, als das oben beschriebene Verfahren, was das Erkennen der unter
oder außer
Spannung gesetzten Geräte
betrifft.
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Genauer
ausgedrückt,
zielt diese Erfindung darauf ab, ein zusätzliches Mittel zu Analyse
anders als die Schwankung der verbrauchten Leistung bereitzustellen,
das das Erkennen der unter oder außer Spannung gesetzten Geräte ermöglicht.
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Dieses
Ziel wird erreicht durch ein Verfahren zum Messen des Stromverbrauchs
von mindestens einem elektrischen Element in einem Elektrizitätsnetz,
wobei das Verfahren einen wiederkehrenden Schritt des Messens der
globalen Momentanleistung, die im Netz verbraucht wird, und mindestens
einen Schritt zum Erfassen eines Unterspannungssetzens oder Außerspannungssetzens
des elektrischen Elementes umfasst, wobei der Schritt zum Erfassen
des Unterspannungssetzens oder Außerspannungssetzens einen Schritt
zum Erfassen von mindestens einem elektrischen Hochfrequenzsignal
umfasst, das für
das elektrische Element repräsentativ
und von dem Stromverbrauch des elektrischen Elements unabhängig ist
und im Netz zum Zeitpunkt des Unterspannungssetzens oder Außerspannungssetzens des
elektrischen Elementes erzeugt wird.
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Bei
einer Ausführungsform
wird das elektrische Signal auf natürliche Weise durch das elektrische
Element erzeugt und stellt einen elektrischen Störimpuls dar.
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Bei
einer Ausführungsform
wird das elektrische Signal durch einen Kreis erzeugt, der Hochfrequenzsignale
erzeugt und mit dem elektrischen Element, dem Unterspannungssetzen
und/oder Außerspannungssetzen
des elektrischen Elements verbunden ist.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst der Schritt zum Erfassen des Hochfrequenzsignals einen Schritt
zum Aufzeichnen des Hochfrequenzsignals in einer digitalen Form
und einen Schritt zum Erkennen des Hochfrequenzsignals.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst der Schritt zum Erfassen des Unterspannungssetzens oder
Außerspannungssetzens
des elektrischen Elements ferner einen Prüfschritt, der darin besteht,
die Schwankung der Momentanleistung, die im Netz bei dem Unterspannungssetzen
oder Außerspannungssetzen
des elektrischen Elementes verbraucht wird, mit einem vorbestimmten
Wert der vom elektrischen Element verbrauchten Leistung zu vergleichen.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst der Prüfschritt
einen Schritt zum Vergleichen der Schwankung der im Netz verbrauchten
aktiven Leistung mit einem vorbestimmten Wert der vom elektrischen
Element verbrauchten aktiven Leistung und einen Schritt zum Vergleichen
der Schwankung der im Netz verbrauchten reaktiven Leistung mit einem
vorbestimmten Wert der vom elektrischen Element verbrauchten reaktiven
Leistung.
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Bei
einer Ausführungsform
ist das elektrische Element ein Element eines elektrischen Gerätes, welches
mehrere elektrische Elemente umfasst, die geeignet sind, voneinander
unabhängig
unter Spannung oder außer
Spannung gesetzt zu werden.
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Diese
Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum Messen des Stromverbrauchs
von mindestens einem elektrischen Element in einem Elektrizitätsnetz,
welche Mittel zum Messen der globalen im Netz verbrauchten Momentanleistung
und Mittel zum Erfassen eines Unterspannungssetzens oder Außerspannungssetzens
des elektrischen Elements umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zum Erfassen Mittel zum Erfassen eines elektrischen Hochfrequenzsignals
umfassen, welches für
das elektrische Element repräsentativ
und von dessen Stromverbrauch unabhängig ist und das im Netz zum Zeitpunkt
des Unterspannungssetzens oder Außerspannungssetzens des elektrischen
Elementes erzeugt wird.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung Mittel zum digitalen Aufzeichnen der Hochfrequenzsignale,
die im Netz erscheinen, wobei sie jedem gespeicherten Hochfrequenzsignal
das Datum und die Uhrzeit seiner Erfassung zuordnet.
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Bei
einer Ausführungsform
werden die Mittel zum Aufzeichnen angeordnet, um auch Werte der globalen,
im Netz verbrauchten Momentanleistung aufzuzeichnen, die durch die
Mittel zum Messen gemessen werden, wobei jedem gespeicherten Wert das
Datum und die Uhrzeit der Messung zugeordnet wird.
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Bei
einer Ausführungsform
werden die Mittel zum Aufzeichnen angeordnet, um das Profil der Spannung
oder des Stromes im Netz nach Hochpassfilterung gemäß eines
zeitlichen Beobachtungsfensters von bestimmter Breite fortlaufend
in einem Pufferspeicher aufzuzeichnen, und um den Inhalt des Pufferspeichers
in einem Massespeicher aufzuzeichnen, wenn ein Hochfrequenzsignal
im Beobachtungsfenster erscheint.
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Bei
einer Ausführungsform
bestehen die Mittel zum Aufzeichnen aus einer autonomen Aufzeichnungsvorrichtung,
welche angeordnet ist, um über
einen Ausgang den Inhalt des Massespeichers bereitzustellen und
in der Folge den Inhalt des Massespeichers zu löschen, wobei die Mittel zum
Messen in die autonome Aufzeichnungsvorrichtung integriert oder mit
dieser über
einen Datenübertragungskanal
verbunden sind.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung ein Berechnungsmittel, welches mit den Aufzeichnungsmitteln
verbunden ist und angeordnet ist, um die aufgezeichneten Hochfrequenzsignale
zu erkennen und den Verbrauch des elektrischen Elementes ausgehend
von den Daten für
das Unterspannungssetzen und/oder das Außerspannungssetzen des elektrischen
Elementes und den Schwankungen der verbrauchten Leistung zu berechnen.
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Bei
einer Ausführungsform
umfassen die Mittel zum Erfassen des Unterspannungssetzens und Außerspannungssetzens
des elektrischen Elementes einen Kreis zur Ausgabe von Hochfrequenzsignalen,
der mit dem elektrischen Element verbunden und angeordnet ist, um
beim Unterspannungssetzen und/oder Außerspannungssetzen des elektrischen
Elements ein Hochfrequenzsignal im Netz zu erzeugen.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung mindestens eine Verstärkervorrichtung, die an einem
bestimmten Punkt des Netzes angeschlossen und angeordnet ist, um
ein Hochfrequenzsignal zu verstärken,
das von einer elektrischen Vorrichtung ausgegeben wird, welche von
den Mitteln zum Erfassen des Hochfrequenzsignals entfernt ist.
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Wohlgemerkt
bezeichnet der Ausdruck „Unterspannungssetzen" in dieser Anmeldung
die Tatsache, dass das betrachtete Element oder Gerät aktiviert
(Einschalten, Anschalten, Beleuchten...) wird und nicht nur die
Tatsache, dass der Anschluss des Elements mit dem Netz verbunden
ist.
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Diese
Gegenstände,
Eigenschaften und Vorteile und andere Elemente dieser Erfindung
werden in der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens der Erfindung
und eines Ausführungsbeispieles
einer Vorrichtung zum Messen des Verbrauchs unter Anwendung dieses
Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren detailliert
ausgeführt,
in denen:
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die
oben beschriebene 1 ein Elektrizitätsnetz darstellt,
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2 ein
Verbrauchsdiagramm der im Netz der 1 verbrauchten
aktiven Leistung darstellt und ein herkömmliches Verfahren zum Messen
des Stromverbrauchs von mit dem Netz verbundenen elektrischen Elementen
veranschaulicht,
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3 ein
elektrisches Hochfrequenzsignal darstellt, das von einem elektrischen
Element bei seiner Unterspannungssetzung oder Außerspannungssetzung ausgegeben
wird,
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4 ein
Elektrizitätsnetz
darstellt, das eine der Erfindung entsprechende Vorrichtung zum
Messen des Verbrauchs umfasst,
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5 das
elektrische Schema einer in 4 schematisch
dargestellten Vorrichtung zum Erfassen und zur Speicherung der Hochfrequenzsignale
ist, und
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6 die
Struktur eines in 5 in Form eines Blocks dargestellten
Pufferspeichers darstellt.
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Beschreibung des Verfahrens
der Erfindung
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Es
ist bekannt, dass jedes elektrische Element, insbesondere Widerstand,
Motor, Pumpe, Transformator, Glühbirne,
elektrischer oder elektronischer Kreis... von seinem elektrischen
Versorgungseingang aus gesehen, eine komplexe Impedanz aufweist
und bei seiner Unterspannungssetzung oder Außerspannungssetzung ein elektrisches
Hochfrequenz-Störsignal
von sehr kurzer Dauer erzeugt, das elektromagnetischen Ursprungs
ist. Ein solches Signal, das unabhängig vom Stromverbrauch des
elektrischen Elements ist, nimmt die Form eines Wechselimpulses
in der Größenordnung
von 20 MHz und einer Dauer in der Größenordnung von 250 Nanosekunden
an, dessen Amplitude von einem Duzend Millivolt bis zu einigen Volt
(bei einer Spannung von 220 Volt) reichen kann, je nach reaktiver
Komponente (Selbstinduktion oder Kapazität) des Elements und der von
ihm absorbierten Leistung.
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Zur
Information wurde in 3 die Form eines durch ein Bügeleisen
bei seiner Unterspannungssetzung ausgegebenen elektrischen Störsignals,
das mit Hilfe eines Oszilloskops gemessen wurde, dargestellt.
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Ein
solcher elektrischer Impuls bildet eine Art von „Unterschrift" des Elements, welche
repräsentativ
ist für
seine Unterspannungssetzung oder seine Außerspannungssetzung. In der
Praxis weisen zwei Elemente der gleichen Art und mit ähnlicher
Leistung nie die gleiche Unterschrift auf, da diese abhängig ist von
unterschiedlichen Faktoren, wie der Länge des Kabels, das die Elemente
mit dem elektrischen Netz verbindet, der Art des Schalters, der
ihre Unterspannungssetzung gewährleistet,
der Länge
des Abschnitts des Netzes, mit dem sie verbunden sind, usw..
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Diese
Erfindung beabsichtigt die Nutzung der Existenz eines solchen Hochfrequenzsignals zum
Erfassen der Unterspannungssetzungen und Außerspannungssetzungen von elektrischen
Geräten
oder Elementen von diesen Geräten.
Im Allgemeinen stellt das Erfassen der durch ein Gerät oder ein
Element eines Geräts
ausgegebenen Impulsunterschrift ein sichereres und wirksameres Erkennungskriterium
dar als eine einfache Analyse der verbrauchten Leistung.
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Dennoch
wird der Schritt zum Erkennen von jedem auf dem Netz ausgegebenen
Impuls vorzugsweise zur Prüfung
durch einen herkömmlichen Schritt
zum Vergleichen der Schwankung der verbrauchten Momentanleistung
mit der Nennleistung des erkannten Geräts, die vorzugsweise in aktiver Leistung
Pa und reaktiver Leistung Pr gemessen wird, ergänzt. Dieser zusätzliche
Schritt, der im herkömmlichen Verfahren
die einzige Möglichkeit
zur Erkennung des Geräts
darstellte, ermöglicht
es gegebenenfalls, einen Zweifel in Bezug auf die Unterschrift auszuräumen. Wie
später
erläutert
werden wird, ermöglicht
es dieser Schritt vor allem, das Speichern von durch bestimmte Geräte zyklisch
ausgegebenen Störimpulsen,
die nicht Unterspannungssetzungen oder Außerspannungssetzungen entsprechen,
im Speicher zu vermeiden.
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Das
Erfassen und das Erkennen eines Hochfrequenzsignals, das auf dem
Netz ausgegeben wird und eine Impulsunterschrift bildet, ist folglich
ein wesentlicher Schritt, der das Verfahren der Erfindung vom Stand
der Technik unterscheidet. Ein solches Erfassen umfasst einen Schritt
zum eigentlichen Erfassen des Impulses und einen Schritt zum eigentlichen Erkennen
des Impulses durch Vergleich mit einem während einer Lernphase vorgespeicherten
Impulsmodell.
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In
einer ersten Phase hat die Anmelderin unterschiedliche Vorversuche
durchgeführt,
um die Richtigkeit und Durchführbarkeit
des Verfahrens zu prüfen.
Die Versuche wurden mit Hilfe eines digitalen Oszilloskops, das
durch einen Hochpass-Isolationstransformator mit dem Elektrizitätsnetz verbunden wurde,
durchgeführt.
Mit diesem Netz wurden ungefähr
dreißig
Geräte
verbunden, insbesondere Lampen und verschiedene Haushaltselektrogeräte. Das durch
das digitale Oszilloskop ausgegebene Signal wurde von einem Mikrocomputer
analysiert. Gleichzeitig lieferte ein digitaler Wattmesser dem Mikrocomputer
die durch das Netz verbrauchte globale Momentanleistung mit einer
Messfrequenz in der Größenordnung
von einer Sekunde. Während
einer Lernphase und einer Phase zur Speicherung der Impulsprofile
wurde festgestellt, dass ein komplexes elektrisches Gerät wie eine
Waschmaschine ein Dutzend unterschiedlicher Unterschriften erzeugen kann,
je nach Waschgang, der gerade durchgeführt wird (Vorwäsche, Heizen,
Hauptwäsche,
Wasserablauf, Spülung,...)
aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Elemente, die in einem
solchen Gerät vorhanden
sind (Widerstände,
Motor, Pumpe, Elektroventil, Mikroprozessor...). Andere Geräte hingegen geben
eine einzige Unterschrift aus. Nachdem die unterschiedlichen Unterschriften
im Mikrocomputer aufgezeichnet wurden und gemeinsam eine Datenbank
zum Erkennen der Impulse gebildet haben, konnte die Bewertungsphase
des Verfahrens durchgeführt
werden und die auf dem Netz erfassten Impulse wurden durch den Mikrocomputer
mit Hilfe einer an sich herkömmlichen
Art von Algorithmus zur Signalkorrelation mit den vorgespeicherten
Impulsen verglichen. Die erhaltene Erfolgsquote, d. h. der Prozentsatz
an nicht fehlerhaften Erkennungen, lag in einer Größenordnung
von 90%, was für
ein Versuchssystem, das eine Datenbank reduzierter Größe für das Erkennen
der Impulse verwendet, ein hervorragendes Ergebnis darstellt.
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Nachdem
die wesentlichen Eigenschaften des Verfahrens erklärt wurden,
besteht das Ziel der Erfindung nun in der Bereitstellung eines Systems, das
eine Durchführung
dieses Verfahrens beim Verbraucher ermöglicht, ohne dass dabei ein
Laborgerät wie
ein Oszilloskop verwendet werden muss.
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Durchführung des Verfahrens der Erfindung
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4 stellt
ein Elektrizitätsnetz 10 dar,
das mit demjenigen übereinstimmt,
das in 1 dargestellt wird. Das Netz 10, welches
hier einphasig ist, umfasst einen Stromzähler CPT1, einen Phasenleiter P1
und einen Nullleiter N1, und teilt sich durch den Sicherungskasten
FB1 in die sechs Abschnitte T1 bis T6. Die elektrischen Geräte E1 bis
E9 sind wie in der Einleitung beschrieben mit den Abschnitten T1
bis T6 verbunden.
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Das
Verfahren der Erfindung wird durchgeführt mit Hilfe einer Vorrichtung
zum Messen, welche einen digitalen Wattmesser 11, eine
Vorrichtung 12 zum Erfassen und Speichern der Impulse und einen Mikrocomputer 13 umfasst,
der der Mikrocomputer des Verbrauchers sein kann (zum Beispiel ein
Mikrocomputer der Familie einer Privatperson oder irgendein Computer
eines Unternehmens). Der Wattmesser 11 ist zwischen dem
Zähler
CPTl und dem Trennpunkt des Netzes geschaltet. Die Vorrichtung 12 ist
hier, wie der Wattmesser, zwischen dem Zähler CPTl und dem Trennpunkt
des Netzes geschaltet aber sie kann auch an einem beliebigen Punkt
des Netzes geschaltet werden, da sich die Hochfrequenzimpulse, die
durch die Geräte
ausgegeben werden, in allen Abschnitten des Netzes propagieren.
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Die
Vorrichtung 12 speichert die auf dem Netz erscheinenden
Hochfrequenzimpulse, die durch die Unterspannungssetzungen und Außerspannungssetzungen
der Geräte
E1 bis E9 und der Elemente, aus denen sie bestehen, entstehen, in
einem Massespeicher 12–1.
Jeder Impuls wird in digitaler Form unter Zuordnung eines Datums
gespeichert. Ein Datum umfasst das Jahr, den Monat, den Tag und die
Stunde, in der der Impuls erfasst und gespeichert wurde, vorzugsweise
mit einer Genauigkeit in der Größenordnung
von einer Hundertstelsekunde. Bei einem fakultativen aber vorteilhaften
Aspekt der Erfindung, speichert die Vorrichtung 12 ebenfalls
die durch den Wattmesser 11 gelieferten Werte der verbrauchten
aktiven Leistung Pa und der verbrauchten reaktiven Leistung Pr im
Massespeicher 12–1.
Hier sind die Werte Pa, Pr in einem Register PREG des Wattmessers 11 verfügbar und
werden durch die Vorrichtung 12 mit Hilfe einer parallelen
Verbindung 14 gelesen. Die Werte Pa, Pr werden im Register
PREG in regelmäßigen Intervallen
gelesen, zum Beispiel jede Sekunde, und werden im Massespeicher 12–1 mit
Zuordnung des Speicherdatums gespeichert. Der Inhalt des Speichers 12–1 wird
durch die Vorrichtung 12 zum Mikrocomputer 13 auf
dessen Anfrage hin durch eine serielle Verbindung 15 entweder
in Form einer Kabelverbindung oder mit Funkübertragung übertragen. Nach dem Datentransfer
löscht
die Vorrichtung 12 den Inhalt des Speichers 12–1.
Vorzugsweise ist die Speicherkapazität des Massespeichers 12–1 ausreichend
groß,
um erfasste Impulse und die Leistungswerte Pa, Pr im Falle eines
Abschaltens des Mikrocomputers 13, zum Beispiel wenn der
Verbraucher abwesend ist, über
einen Zeitraum von mehreren Wochen zu speichern.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 12 wird in 5 veranschaulicht.
Die Vorrichtung 12 erhält
die Spannung U des Abschnitts, die auf einen Spannungsteiler angewendet
wird, der die drei Widerstände 20, 21, 22 aufweist,
sowie einen Versorgungskreis 23, der die Gleichspannungsversorgung VCC
der Vorrichtung 12 liefert. Die reduzierte Spannung, die
an den Anschlüssen
des Widerstands 21 vorhanden ist, wird auf die Primärseite eines
Hochpass-Isolationstransformators 24 angewendet,
der über
eine Grenzfrequenz in der Größenordnung
von 150 KHz verfügt.
Die Sekundärseite
des Transformators 24 wird am Eingang eines nachfolgenden
Verstärkers 25 verbunden,
dessen Ausgang mit einem Digital-Analogwandler 26 verbunden
ist. Der Ausgang des Wandlers 26, hier auf 8 Bit, liefert
ein Abtastsignal Us, das an einen Speicherschaltkreis 27 gesendet
wird.
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Der
Speicherschaltkreis 27 ist ein logischer Schaltkreis, der
eine schnelle Taktfrequenz aufweist und beispielsweise in der Form
einer monolithischen integrierten Schaltung des FPGA-Typs ausgeführt ist.
Der Speicherschaltkreis 27 umfasst einen sequentiellen
Schaltkreis SEQ, der mit einem Quarzoszillator, der mit einer Frequenz in
der Größenordnung von
100 MHz oszilliert, einem Pufferspeicher MEM1, hier mit 256 Bytes,
einem zusätzlichen
Pufferspeicher MEM2, ebenfalls mit 256 Bytes, und einem logischen
Komparator COMP versehen ist. Die Speicher MEM1 und MEM2 sind Offset-Speicher,
die jeweils durch die Ladesignale LORD1, LOAD2 und die Offset-Signale
SHIFT1, SHIFT2, die durch den SEQ Kreis geliefert werden, gesteuert
werden. Der Sequenzer SEQ wendet ein Abtastsignal SMPL von 100 MHz
auf den Wandler 26 an und das Abtastsignal Us wird auf
den Eingang IN1 des Speichers MEM1 angewendet. Der Ausgang OUT1
des Speichers MEM1 ist mit dem Eingang IN2 des Speichers MEM2 verbunden.
Der Komparator COMP erhält
auf einem ersten Eingang ein binäres
Wort THR, das eine Erfassungsschwelle bildet, und auf einem zweiten
Eingang ein dem Offset-Speicher MEM1 entnommenes binäres Wort
MBYT, vorzugsweise ein Wort, das in der Nähe der Mitte des Speichers
liegt, zum Beispiel das Wort mit dem Rang 128. 6 zeigt
ein Beispiel einer Ausführungsart
der Speicher MEM1, MEM2 durch parallele Nebeneinanderstellung von
acht Schieberegistern SREG1 bis SREG8 mit jeweils 256 Bits, acht
parallelen Zellen von jedem der Register, die eine Speicherreihe
bilden.
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Die
Vorrichtung 12 umfasst ebenfalls einen Mikrocontroller
MC und einen Speicher MEM3, der den Massespeicher 12–1,
beispielsweise ein FLASH-Speicher, dessen Adresseingang ADIN durch
den Mikrocontroller MC gesteuert wird, bildet. Der Mikrocontroller
MC verfügt über seinen
eigenen Taktgenerator-Kreis und wird mit einer Frequenz betrieben,
die schwächer
ist als diejenige des Erfassungskreises 27, zum Beispiel
20 MHz. Der Datenbus DBUS des Mikrocontrollers MC ist mit dem Dateneingang
DTIN des Speichers MEM3 und dem Ausgang des zusätzlichen Speichers MEM2 des Kreises 27 verbunden.
Der Datenbus DBUS ist ebenfalls mit einem asynchronen seriellen
Port des UART-Typs (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)
verbunden, der mit dem Ausgang des Mikrocomputers 13 sowie
durch die parallele Verbindung 14 mit dem Register PREG
des Wattmessers 11 verbunden ist. Die Verbindung 14 umfasst
hier 8 Adern zur Datenübertragung
und eine Ader für
die Steuerung, durch die der Mikrocontroller ein Lesesignal READP
des Registers PREG überträgt.
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Die
Vorrichtung 12 funktioniert wie folgt. Das Abtastsignal
Us, das durch den Wandler 26 geliefert wird, wird Wort
für Wort
(1 Wort = 1 Abtastwert) im Speicher MEM1 gespeichert. Dieser Vorgang
wird unter der Kontrolle des Kreises SEQ durchgeführt, der
nach der Übertragung
von jedem Abtastimpuls SMPL ein Ladesignal LOAD1 und ein Offset-Signal SHIFT1
auf den Speicher MEM1 anwendet. Der Speicher MEM1 bildet somit einen
Umlaufspeicher des FIFO-Typs („first
in first out") in
dem das Abtastsignal Us, permanent umläuft. Der Speicher MEM1 definiert
somit ein Beobachtungsfenster, dessen Breite dem Produkt des Abtastzeitraums
und der Anzahl an Abtastwerten, die er enthält, entspricht, was hier einem
Fenster der Größenordnung
von 2,56 Mikrosekunden entspricht, und ausreichend breit ist, um
Impulse von einer Dauer von weniger als einer Mikrosekunde einzufangen.
Wenn kein Hochfrequenzimpuls vorhanden ist, ist das Signal Us wegen der
durch den Transformator 24 gewährleisteten Hochpassfilterung
nahe null und das der Mitte des zeitlichen Fensters entnommene Wort
MBYT liegt unter der Schwelle THR. Wenn ein Impuls durch ein elektrisches
Gerät auf
das Netz ausgegeben wird, kopiert das Signal Us das Profil des Impulses
und das Wort MBYT überschreitet
die Schwelle THR. Der logische Komparator COMP liefert dann ein
Signal DETECT an den Kreis SEQ und dieser lädt den Inhalt des Speichers
MEM1 in den zusätzlichen
Speicher MEM2 und übermittelt
anschließend
dem Mikrocontroller MC ein Signal PLSDET, das anzeigt, dass ein Impuls
in den Speicher MEM2 übertragen
wurde. Der Mikrocontroller MC überträgt dann
den Inhalt des Speichers MEM2 in den Massespeicher MEM3 mit Hilfe
des Signals SHIFT2, wobei dem gespeicherten Signal wie bereits oben
angegeben das Datum seiner Speicherung zugeordnet wird. Gleichzeitig
mit diesen Vorgängen
zur Speicherung der Impulse, liest der Mikrocontroller MC auf zufällige Weise
jede Sekunde das Register PREG des Wattmessers und speichert die
Momentanleistungswerte Pa, Pr im Speicher MEM3. Vorteilhafterweise
prüft der
Mikrocontroller nach jeder Speicherung eines Impulses, dass die
auf dem Netz vor und nach dem Impuls verbrauchte Leistung Pa, Pr
eine Schwankung aufweist. Wenn der Mikrocontroller keine Leistungsschwankung
feststellt, löscht
er den gespeicherten Impuls aus dem Speicher MEM3. So entsprechen
die Impulse nicht den Unterspannungssetzungen oder Außerspannungssetzungen
von Geräten
und belegen nicht unnötig den
Speicher MEM3. Wie oben angegeben, wird der Inhalt des Speichers
MEM3 in regelmäßigen Intervallen
an den Mikrocomputer 13 übermittelt und der Speicher
MEM3 anschließend
gelöscht.
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In
der Praxis erfordert die Nutzung der durch den Kreis 12 gespeicherten
Daten (erfasste Impulse und verbrauchte Leistung) durch den Mikrocomputer das
Erstellen einer indexierten Datenbank, die für jedes der Geräte E1 bis
E9 die Beschreibung des Geräts
und eine oder mehrere für
die Unterspannungssetzungen oder Außerspannungssetzungen repräsentative
Unterschriften und einen oder mehrere Werte der verbrauchten aktiven
Leistung Pa und der verbrauchten reaktiven Leistung Pr, umfasst,
wobei jeder Wert der verbrauchten Leistung einer Unterschrift zugeordnet
wird. Das Erstellen einer solchen Datenbank während einer Lernphase ist an
sich vergleichbar mit demjenigen des Verfahrens des Stands der Technik,
obwohl hier die Unterschriften der Geräte berücksichtigt werden.
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Eine
erste Ausführungsform
der Lernphase besteht darin, dem Mikrocomputer die Liste der verbundenen
Geräte
und ihrer theoretischen Nennleistung zu liefern. Der Mikrocomputer
speichert zunächst
Paare von Unterschriften/verbrauchten Leistungen Pa, Pr, ohne zu
wissen, um welche Geräte
es sich handelt und verbindet dann ein aus einer Unterschrift und
einer verbrauchten Leistung bestehendes Paar mit jedem Gerät durch
Annäherung
der festgestellten verbrauchten Leistung und der theoretischen Nennleistung.
Der durch den Wattmesser 11 gemessene Wert der verbrauchten
Leistung ersetzt den zunächst
gelieferten theoretischen Wert der verbrauchten Leistung. In bestimmten
Fällen
kann der Mikrocomputer den Benutzer auffordern, Unterspannungssetzungen
und Außerspannungssetzungen
vorzunehmen, um Zweifel auszuräumen.
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Eine
andere, herkömmlichere
Form der Lernphase besteht einfach darin, dem Mikrocomputer die
Liste der verbundenen Geräte
zu liefern. Der Mikrocomputer fordert dann den Benutzer auf, jedes Gerät ein oder
mehrere Male unter Spannung und außer Spannung zu setzen, um
die durch jedes Gerät ausgegebene
Unterschrift und die verbrauchte Leistung aufzuzeichnen.
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Dem
Fachmann wird es klar erscheinen, dass diese Erfindung geeignet
ist, in unterschiedlichen Varianten und Ausführungsformen verwendet zu werden.
Insbesondere, kann die Vorrichtung 12 mit einem analogen
Impulsdetektor ausgerüstet
werden, der am Ausgang des Verstärkers 1 als
Ersatz für den
Komparator COMP angeordnet ist. Der Wattmesser 11 kann
in der Form einer elektronischen Karte mit gedruckter Schaltung
in die Vorrichtung 12 integriert werden, wobei die Einheit
lediglich eine einzige Verbindung mit dem Netz erfordert. Die Vorrichtung 12 kann
mit einem Modem ausgerüstet
sein und die im Speicher MEM3 aufgezeichneten Daten direkt über das
Internet an einen Server übertragen.
Ein solcher Server ist in der Lage, über eine bedeutende Datenbank
zu verfügen,
die basierend auf den durch eine große Anzahl von ähnlichen,
bei anderen Verbrauchern installierten Vorrichtungen erstellt wurde und
die ein schnelles Erkennen der unterschiedlichen Geräte basierend
auf den erfassten Unterschriften sowie eine detaillierte Berechnung
des Verbrauchs gewährleisten
kann. Bei einer Variante werden die Daten durch den Mikrocomputer 13 an
den Server übermittelt.
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Außerdem kann
das der Erfindung entsprechende Verfahren auch auf dreiphasische
Netze angewandt werden, indem eine Impulserfassung und eine Messung
der Leistung in jeder Phase des Netzes bereitgestellt wird.
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Zuletzt
werden bei noch einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung
die Hochfrequenzsignale, die eine Unterschrift bilden, die das Erkennen des
Unterspannungssetzens oder Außerspannungssetzens
eines elektrischen Geräts
ermöglicht,
auf künstliche
Art mit Hilfe eines mit dem elektrischen Gerät verbundenen Impulsgenerator-Kreises
erzeugt. Diese Ausführungsform
kann in Betracht gezogen werden, wenn ein elektrisches Gerät, zum Beispiel
eine Lampe mit geringer Leistung, nur einen Impuls mit einer schwachen
Amplitude erzeugt. Die Impulsgenerator-Vorrichtung kann ein einfacher
Kreis RC oder LC sein, der eingegliedert ist in eine Zwischensteckdose,
die zwischen dem Stecker des Gerätes
und der Wandsteckdose des Stromnetzes angeordnet ist, oder ein Induktionssystem
ohne auf der Anschlussleitung des Gerätes angeordneten Kontakt. Die
Vorrichtung gibt einen besonderen Impuls aus, wenn der Strom in
der Steckdose oder in der Anschlussleitung erscheint oder verschwindet.
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Andererseits
können
Impulsverstärker
des Repeater-Typs in Netzabschnitten großer Länge, in denen sich die Impulse
abschwächen,
bevor sie die Vorrichtung 12 erreichen, installiert werden,
zum Beispiel in Netzabschnitten, die den Strom in einem Haus mit
mehreren Etagen, die einen einzigen Zähler im Untergeschoss haben,
verteilen.
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In
einer entwickelteren Variante, gibt die Impulsgenerator-Vorrichtung kodierte
Hochfrequenzsignale aus, zum Beispiel eine Folge von Impulsen, die eine
bestimmte Anzahl von Impulsen umfasst und eine nur einmal existierende
Unterschrift bildet. Ein solcher Impulsgenerator-Kreis ist in der
Reichweite des Fachmanns und kann beispielsweise mit Hilfe eines
Oszillators, eines logischen Schaltkreises und eines kleinen Transformators
hergestellt werden. Außerdem
kann ein solcher kodierter Impulsgenerator-Kreis in alle Arten von
Haushaltselektrogeräten durch
die Hersteller selbst mit einem reduzierten Herstellungspreis eingebaut
werden, indem der Transformator des Versorgungskreises der Geräte verwendet
wird, um das kodierte Signal auf dem Netz zu übertragen. Unter der Annahme,
dass die Verwendung solcher Impulsgenerator-Kreise allgemein verbreitet
wäre, könnte das
der Erfindung entsprechende Verfahren auf Zeit auf vollständig digitale
Art durchgeführt
werden und lediglich auf einem Erfassen der künstlich ausgegebenen kodierten
Impulse basieren. Es ist ebenfalls möglich, ein Erfassen von auf
natürliche
Art durch bestimmte Geräte
ausgegebenen Störsignalen
mit einem Erfassen der kodierten Signale, die durch andere mit einem
Impulsgenerator-Kreis ausgerüstete
Geräte
ausgegeben werden, zu kombinieren.