DE69217641T2

DE69217641T2 - Elektrisches Energieverteilungssystem von höher Qualität

Info

Publication number: DE69217641T2
Application number: DE69217641T
Authority: DE
Inventors: Jean-Noel Fiorina; Jean-Jacques Pillet
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1992-11-18
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2012-11-19
Also published as: EP0550348A1; DE69217641D1; JPH0630535A; EP0550348B1; ES2099237T3; CA2083123A1; FR2684250B1; FR2684250A1; US5477091A

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Verteilung elektrischer Energie hoher Qualität an mehrere Verbraucher aus einem elektrischen Wechelstrom- Verteilernetz.
Insbesondere im Bereich der EDV und der Elektronik erfordert eine immer größere Anzahl von Geräten eine elektrische Energieversorgung hoher Qualität, d.h. im wesentlichen eine ununterbrochen verfügbare, an das jeweilige Gerät angepaßte und störungsunempfindliche Energieversorgung.
Das Problem der Verfügbarkeit wird zur Zeit im allgemeinen mit Hilfe einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage (USV) gelöst, die zwischen das Wechselstromnetz (50 oder 60 Hz) und das betreffende Gerät geschaltet wird. Die Energie wird dem Gerät über die USV in Form eines Wechselstroms mit bestimmter Frequenz und Amplitude zugeführt, die im allgemeinen den Werten des einspeisenden Netzes entsprechen. Die USV umfaßt eine, normalerweise über das Netz aufgeladene Batterie, die bei einem Netzausfall die Stromversorgung für eine bestimmte Zeit, beispielsweise im zweistelligen Minutenbereich, gewährleistet. Um längere Netzausfälle zu überbrücken, können eine als Notstromversorgung ausgelegte Netzersatzanlage oder ein zweites Netz anstelle des vorübergehend nicht verfügbaren Netzes auf den Eingang der USV geschaltet werden.
Um die teure und mit einem hohen Platzbedarf verbundene Verwendung einer USV-Anlage pro Gerät zu vermeiden, wird häufig nur eine USV mit angepaßter Leistung mehreren Geräten oder Verbrauchern zugeordnet, die parallel an den Ausgang der USV angeschlossen sind. Die Energie ist dann zwar verfügbar, ihre Qualität jedoch nicht in allen Fällen zufriedenstellend. Bei einer solchen Konfiguration können nämlich bestimmte Verbraucher Störungen erzeugen, die die parallel angeschlossenen Verbraucher beeinträchtigen. Diese wechselseitigen Störungen können durch Verwendung von Oberwellenfiltern und/oder Trenntransformatoren auf der Einspeiseseite jedes Geräts begrenzt werden, wodurch die Installation erneut verteuert und komplizlert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Verteilung elektrischer Energie hoher Qualität zu schaffen, das diese Nachteile nicht autweist.
In der Druckschrift EP-A-409.226 ist ein System zur Steuerung der Stromversorgung mehrerer Verbraucher, beispielsweise eines Gebäudes beschrieben. Dieses System umfaßt mehrere, über eine Verbindungsmatrix mit mehreren Verbrauchern verbundene Umformer. Die Stromversorgung der Umformer kann aus einem Gleichspannungsnetz erfolgen. Mit Hilfe von Energiespeichermitteln können Ausfälle des Wechselspannungsnetzes überbrückt werden. Zwei Kommunikationsstromkreise, von denen einer als Hochgeschwindigkeitskreis ausgelegt ist, erlauben die Steuerung des Systems durch einen Rechner, der die Umformer und die Verbindungsmatrix so ansteuert, daß die Versorgung der Lasten in Abhängigkeit von deren jeweiligem Bedarf optimiert wird.
Diese Aufgabe wird durch den Patentanspruch 1 erfüllt.
Dieses System ist insbesondere für die Verteilung elektrischer Energie hoher Qualität in einem Gebäude oder einem Industrie- oder Gewerbebetrieb geeignet. Das System umfaßt ein Zentralmodul für das Gebäude oder die Betriebsstätte, und der Gleichstrom-Verteilerbus stellt diese Energie jedem Verbraucher zur Verfügung. Ein oder mehrere Endmodule mit im Vergleich zum Zentralmodul geringerer Leistung und damit geringen Abmessungen können in jedem Raum eingesetzt werden, wobei jedes Endmodul an den individuellen Bedarf des jeweiligen Verbrauchers, insbesondere in bezug auf Frequenz (Wechselspannung mit 50 Hz, 60 Hz oder einer anderen Frequenz, Gleichspannung) und Amplitude (220 V oder anderer Wert) angepaßt werden kann. Ein Endmodul kann zur Versorgung eines oder mehrerer empfindlicher Verbraucher dienen. Die Endmodule gewährleisten eine vollständige Betriebsisolierung zwischen den an verschiedene Endmodule angeschlossenen Verbrauchern und stellen unter normalen Betriebsbedingungen die Qualität der an den Verbraucher gelieferten Spannung sicher. In der Praxis wird jedes Büro eines Gebäudes zum einen über das herkömmliche Wechselstromnetz und zum anderen über das Gleichstromnetz hoher Qualität versorgt. Ein solches System hat den Vorteil, erweiterbar zu sein, wobei die Anzahl der an den Gleichstrom- Verteilerbus angeschlossenen Endmodule in Abhängigkeit vom jeweiligen Bedarfleicht angepaßt werden kann.
Mehrere Ausfürungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
Figur 1 eine stark schematisierte Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems;
Figur 2 eine besondere Ausführungsvariante des Zentralmoduls des Systems aus Figur 1;
Figur 3 und 4 zwei besondere Ausführungsvarianten der Endmodule des Systems aus Figur 1;
Figur 5 einen Anschlußkasten zur Verbindung eines Endmoduls mit dem Verteilerbus;
Figur 6 ein redundant ausgelegtes Verteilersystem;
Figur 7 ein redundant ausgelegtes Zentralmodul;
Figur 8 eine schematische Ansicht einer anderen besonderen Ausführungsvariante des Systems.
Das in Figur 1 gezeigte Verteilersystem umfaßt ein Zentralmodul 1, das ein Gleichstrom-Verteilernetz einspeist. Die Struktur des Gleichstrom-Verteilernetzes ist an die Netztopologie der auszurüstenden Betriebsstätte angepaßt, so daß der Gleichstrom an sämtliche Verbrauchspunnte, z.B. die Büros eines Gebäudes oder die Gebäude eines Betriebsstandorts verteilt wird. An das Gleichstrom-Verteilernetz werden keine hohen Anforderungen gestellt, da es nicht direkt an der Herstellung der Endqualität mitwirkt. Die Struktur des Gleichstrom-Verteilernetzes kann beispielsweise entsprechend einer Stern-, Ring-, Bus- oder sonstigen Topologie ausgelegt sein.
Gemäß der in den Figuren gezeigten, besonderen Ausführungsvariante besteht sie aus einem, durch zwei Leiter, nämlich einen Plusleiter (2) und einen Minusleiter (3), schematisch dargestellten Gleichstrom-Verteilerbus. An den Verteilerbus sind Endmodule angeschlossen, von denen drei (4, 5, 6) in Figur 1 dargestellt sind.
Das Zentralmodul 1 wird aus einem Wechselstrom-Verteilernetz 7 mit elektrischer Energie versorgt. Bei einem länger andauernden Ausfall des Netzes 7 kann eine Notstromversorgung, beispielsweise eine Netzersatzanlage 8, über einen Umschalter 9 auf den Eingang des Zentralmoduls geschaltet werden.
Das Zentralinodul 1 umfaßt im wesentlichen einen WS-GS-Umformer 10 und eine, als Batterie 11 ausgebildete unabhängige Gleichstromquelle, die parallel an den Ausgang des Umformers 10 geschaltet ist. Es bildet auf diese Weise eine ununterbrochen verfügbare Dauer-Gleichstromquelle. Die Autonomiezeit der Batterie ist an die Betriebsbedingungen des Systems angepaßt. Diese Autonomiezeit kann typischerweise etwa zwischen 1 und 120 Minuten variieren, wobei die Netzersatzanlage 8 bei einem längeren Ausfall von Netz 7 die Stromversorgung übernimmt.
In der Umgebung jedes Verbrauchspunkts wird die in Form eines ununterbrochen verfügbaren Gleichstroms vorliegende Energie lokal und individuell in eine elektrische Energie hoher Qualität umgeformt. Dies erfolgt mit Hilfe von Endmodulen, die aus GS-GS- oder GS-WS-Uruformern mit angepaßter Leistung bestehen. Aufgabe der Endmodule ist es einerseits, die an den zugeordneten Verbraucher angepaßte Spannung mit einer insbesondere hinsichtlich Amplitude, Frequenz und Klirrfaktor hohen Qualität zu erzeugen und andererseits die gegenseitige Betriebsisolierung der Verbraucher untereinander zu gewährleisten. Die Umformung der aus einem Gleichstromnetz entnommenen Energie gewährleistet automatisch die Betriebsisolierung der auf der Abgangsseite der einzelnen Umformer angeschlossenen Verbraucher. Durch einen Verbraucher verursachte Störungen, Oberwellen, Kurzschlüsse usw. werden nämlich nicht auf die Einspeiseseite, in das Gleichstrom-Verteilernetz übertragen und können somit von diesem Netz nicht an die anderen Verbraucher übertragen werden. Darüber hinaus gewährleistet der Umformer die Qualität der auf seiner Abgangsseite bereitgestellten Energie selbst bei Auftreten von Störungen im einspeiseseitigen Gleichstromnetz.
Bei der in Figur 1 gezeigten besonderen Ausführungsvariante ist das Endmodul 4 als GS-GS-Umformer ausgelegt, der einen Gleichstrom an den zugeordneten Verbraucher liefert, welcher zur Erzielung einer bestimmten Amplitude ausgeregelt werden kann. Die Endmodule 5 und 6 sind als GS- WS-Umformer ausgelegt, die jeweils eine Einphasen- bzw. Dreiphasen- Wechselspannung mit bestimmter Frequenz und Amplitude liefern.
Je nach Leistung und Netztopologie des Gebäudes können die Endmodule in einem Anschlußkasten oder direkt in den Steckdosen installiert werden. Ein in einem Anschlußkasten installiertes Endmodul kann über ein lokales Netz zur Energieverteilung hoher Qualität eine bestimmte Anzahl von in der Nähe aufgestellten Geräten emspeisen. Um eine Verschlechterung der Qualität der an den Verbraucher gelieferten Energie zu verhindern, muß dieses lokale Netz hinsichtlich Länge, Anzahl von Abgängen und Anzahl von Schutzorganen begrenzt sein.
Die Endmodule geringer Leistung, von beispielsweise unter 5000 VA, können gegebenenfalls in die Steckdosen integriert und über einen Unterverteilerbus eingespeist werden, der über einen Anschlußkasten an den Verteilerbus angeschlossen ist und durch Sockelleisten, Blindböden oder Zwischenwände des auszurüstenden Raums verdeckt wird. In bestimmten Fällen kann ein Endmodul auch direkt in ein zu versorgendes Gerät eingebaut werden.
In jedem Fall muß der Einbau spezieller Steckdosen vorgesehen werden, die mit herkömmlichen Steckdosen nicht kompatibel sind, um in ungewolltes Einspeisen unempfindlicher Verbraucher über das Verteilersystem hoher Qualität zu verhindern.
Gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der über das Zentralmodul 1 in den Verteilerbus eingespeisten Gleichspannung um eine ungeregelte Gleichspannung, die höher ist als der doppelte Wert der maximalen Wechselspannung, welche am Ausgang eines Endmoduls zur Verfügung stehen muß. Beträgt diese maximale Wechselspannung 220 V, liegt also in der gleichen Größenordnung wie die normalerweise vom Wechselspannungs-Verteilernetz gelieferte Spannung, so beträgt die an den Bus zwischen die Leiter 2 und 3 angelegte Gleichspannung +/-350 V. Ist die Gleichspannung kleiner, müssen in den GS-WS-Umformern der Endmodule 5, 6 platzraubende und teure Autotransformatoren verwendet werden. Weist die Gleichspannung hingegen eine ausreichende Amplitude auf, können die Endmodule mit trausformatorfreien Umformern bestückt sem.
Gemäß Figur 1 verbindet ein, schematisch mit 12 gekennzeichneter Kommunikationsbus das Zentralmodul 1 mit jedem der Endmodule 4, 5 und 6. Der Bus 12 kann gemäß jeder bekannten Auslegung eines Zweiweg- Kommunikationsbusses, insbesondere in Form der unter den Markennamen BATIBUS und J-BUS bekannten lokalen Bussysteme ausgebildet sein. Auf diese Weise ist es möglich, sämtliche Informationen zwischen den Modulen auszutauschen. Eine Verbindung 13 ermöglicht die Informationsübertragung zwischen dem Zentralmodul 1 und einem, außerhalb des Systems angeordneten Überwachungsorgan 14. Alternativ kann das Uberwachungsorgan 14 unter Umgehung des Zentralmoduls an den Kommunikationsbus 12, gegebenenfalls über eine Schnittstelle zwischen dem systeminternen Kommunikationsbus 12 und einem komplexeren externen Kommunikationsbus angeschlossen werden. Die Informationsübertragung zwischen den einzelnen Endmodulen und den jeweils zugeordneten Verbrauchern kann über, beispielsweise in Form von seriellen Kommunikationsbussen ausgelegte Verbindungen 15 erfolgen. Eine Verbindung 15 kann z.B. an einen LAN-Server angeschlossen sein. Die Endmodule sind darüber hinaus mit verschiedenen Kommunikationsmitteln wie Leuchtmeldern, Kontakten usw. bestückt.
Mit Hilfe dieser Kommunikationsmittel kann eine systeminterne Kommunikation gewährleistet werden, die erforderlich ist, um sämtliche Systembestandteile miteinander zu koordinieren. Diese interne Kommunikation wird vorzugsweise, zum einen durch eine verbraucherbezogene Kommunikation, beispielsweise in Form von audiovisuellen Mitteln (Leuchten, akustische Alarme usw.) und/oder elektrischen Mitteln (Kontakte, serielle Verbindungen) und zum anderen durch eine auf den Systembetreiber bezogene Kommunikation vervollständigt, die lokal oder dezentral ausgefrut sein kann.
Der Kommunikationsbus kann bei großen Systemen aus mehreren Bussen bestehen oder durch jedes andere Kommunikationsmittel, insbesondere unter Einsatz von Trägerstromverfahren ersetzt werden, wobei in diesem Fall die zu übertragenden Informationen dem Gleichstrom im Verteilerbus 2, 3 überlagert werden.
Das Uberwachungsorgan 14 kann ein in der Nähe des Zentralmoduls angeordnetes Steuerpult aufweisen, um insbesondere Routine- und Prüfoperationen zu ermöglichen. Es kann darüber hinaus dezentral, insbesondere beim Systembetreiber angeordnete Überwachungseinrichtungen umfassen, um diesen bei Systemstörungen zu warnen. Die Kommunikation zwischen dem Zentralmodul, dem lokalen Steuerpult und den dezentralen Überwachungseinrichtungen kann mit Hilfe jedes geeigneten Mittels erfolgen, beispielsweise mittels eines Busses der in Figur dargestellten Art, oder per Telefon, Funk, Bildschrimtext usw.
Figur 2 zeigt eine detaillierter dargestellte, besondere Ausführungsvariante des Zentralmoduls 1. Das an den Eingang des Moduls angeschlossene Netz ist als Dreiphasennetz L1, L2, L3 mit Neutralleiter N ausgelegt. Der WS- GS-Umformer 10 ist über einen Lasttrenner oder einen Leistungsschalter 16 an das Netz angeschlossen, der manuell oder über eine Steuerschaltung 17 des Zentralmoduls automatisch angesteuert werden kann. Die Steuerschaltung 17 wird am Eingang mit den, die Spannungen am Eingang des Moduls (an L1, L2, L3 und N) abbildenden Signalen V1 bis V4 beaufschlagt und legt geeignete Steuersignale auf die Steuerklemmen A1 bis A8 des Umformers 10, um die gewünschten Gleichspannungen an den Verteilerbus zu liefern. Der Verteilerbus umfaßt einen Plusleiter 2, einen Minusleiter 3 und einen Neutralleiter N, der direkt mit dem Neutralleiter des einspeiseseitigen Dreiphasennetzes verbunden ist. Der Umformer 10 ist so ausgelegt, daß er an den Leitern 2 und 3 eine in bezug auf den Neutralleiter N symmetrische Spannung von +/- 350 V bereitstellt. Aufgrund dieser Symmetrie kann die Komplexität der Endmodule verringert werden.
Der Umformer kann so über die Steuerschaltung 17 angesteuert werden, daß im einspeiseseitigen Netz eine Sinusspannung aufrechterhalten bleibt. Zu diesem Zweck ist die Steuerschaltung 17 mit Stromwandlern (nicht dargestellt) verbunden, die den Strom in den Leitern des Einspeisenetzes messen und gegebenenfalls vorhandene Abweichungen von der Sinusform kompensieren.
Die Batterie 11 ist über eine Ladereglerschaltung 18, deren Steuerklemmen B1-B2 mit Steuersignalen der Steuerschaltung 17 beaufschlagt werden, an den Verteilerbus 2, 3, N angeschlossen. Bei fehlerfreiem Betrieb des Netzes wird die Batterie 11 im Bedarfsfall aufgeladen. Die Steuerschaltung 17 steuert die Ladung der Batterie unter Berücksichtigung der Batterie- Klemmenspannung (Eingang Vb der Schaltung 17) und des Batterie- Ladestroms (Eingang ib der Schaltung 17), so daß der Strom während des Ladevorgangs begrenzt wird. Bei der Ausführungsvariante gemäß Figur 2 wird die Batterie über die Gleichspannung aufgeladen, es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, die Ladung unter Verwendung von zwei Gleichrichtern direkt über das Netz durchzuführen, wobei ein Gleichrichter flir die Ladung der Batterie und der andere für die Einspeisung des Gleichstromnetzes eingesetzt wird.
Die erforderliche Energie wird also dem öffentlichen Netz oder einer anderen unabhängigen Spannungsquelle 8 über einen Gleichrichter entnommen, der vorzugsweise mit Sinusentnahme arbeitet, um keine Rückwirkungen auf das einspeiseseitige Wechselspannungsnetz zu verursachen. Diese Energie wir z.T. lokal, im Zentralmodul 1 genutzt, um den Ladezustand der Batterie 11 aufrechtzuerhalten. Der größte Teil dieser Energie wird dem Gleichstrom-Verteilernetz als Gleichstrom zugeführt, der durch die Batterie ununterbrochen verfügbar ist.
Erfaßt die Steuerschaltung 17 anhand der ihren Eingangen V1-V4 zugeführten Signale einen Fehler im Wechselspannungsnetz, so bewirkt sie die Unterdrückung der die Klemmen Al bis A6 des Umformers 10 beaufschlagenden Steuersignale. Die Batterie 11 übernimmt dann, von der Schaltung 17 gesteuert, über den Laderegler 18 die Einspeisung des Verteilerbusses in Abhängigkeit von den Ausgangsspannungen des Zentralmoduls (Eingänge V4, V5, V6 der Schaltung 17). Die Steuersignale der Klemmen A7 und A8 werden aufrechterhalten, um die Verfügbarkeit einer Neutralleiterspannung zu gewährleisten.
Die Steuerschaltung 17 erzeugt darüber hinaus Informationen, die den Zustand des Wechselspannungsnetzes (Vergleich der Spannungswerte des Wechselspannungsnetzes mit programmierbaren Schwellwerten), der Netzersatzanlage, des Zentralmoduls und insbesondere den Betrieb über die unabhängige Spannungsquelle abbilden. Sie überwacht insbesondere die Autonomiezeit der Batterie 11 unter Verwendung der Meßwerte flir Ib, Vb und der Batterietemperatur, deren Wert ihr von einem Temperaturftihler über einen Eingang Tb zugeführt wird. Sie erzeugt ein den Ablauf der Autonomiezeit anzeigendes Voralarmsignal, das dazu dient, die Verbraucher über das bevorstehende Ende der Energiereserve der unabhängigen Spannungsquelle des Systems zu informieren. Sie kann auch den fehlerfreien Betriebszustand des Ladereglers, die Temperatur des Batterieraums und den Alterungsgrad der Batterie überwachen. Darüber hinaus kann sie eine Zugangskontrolle für den Betriebsraum, in dem sie installiert ist, durchführen. Diese Informationen können über den Kommunikationsbus 12 an die Endmodule sowie über die Verbindung 13 an ein Überwachungsorgan 14 übertragen werden, wobei die erforderlichen Kommunikationsschnittstellen in die Steuerschaltung 17 integriert sind.
Des weiteren empfängt die Steuerschaltung 17 über den Kommunikationsbus 12 Informationen der Endmodule sowie über die Verbindung 13 Informationen des Überwachungsorgans 14 und kann diese Informationen verarbeiten und übertragen. Sie kann beispielsweise einen Befehl zum zwangsweisen Umschalten auf Batteriebetrieb zur Überprüfung des Systems, emen Befehl zum Einschalten einer Zugangs-Alarmsirene usw. empfangen.
Ein Dreiphasen-GS-WS-Endmodul ist in Figur 3 detaillierter dargestellt. Es umfaßt eine Steuerschaltung 19, deren Eingänge mit Signalen, welche die Eingangs-Gleichspannungen (V8 bis V1O) abbilden, die ihr über den, in der beschriebenen besonderen Ausführungsvariante als Dreileitersystem (2, 3, N) ausgebildeten Verteilerbus zugeführt werden, mit Signale, welche die Ausgangs-Wechselspannungen (V11bis V13 und V10 für den Neutralleiter, der den Eingang und den Ausgang gemainsam ist), mit Signalen, welche die Ausgangs-Wechselströme (I1 bis 13) abbilden, sowie mit Signalen beaufschlagt werden, die ihr über den Bus 12 und gegebenenfalls über die Verbindung 15 zugeführt werden. Die Steuerschaltung 19 erzeugt aus diesen Eingangssignalen Signale A9 bis A14 zur Ansteuerung des GS-WS-Umformers sowie dessen Betriebszustand abbildende Informationen. Die Übertragung dieser Informationen erfolgt über geeignete Kommunikationsschnittstellen, die in die Steuerschaltung 19 integriert sind.
Ein Einphasen-GS-WS-Endmodul ist in Figur 4 dargestellt. Analog zum oben genannten Modul enthält es eine Steuerschaltung 20, deren Eingänge mit Signalen, welche die Eingangs-Gleichspannungen (V14, V15, V17), die Ausgangs-Wechselspannungen (V16, V17) und den Ausgangsstrom (I4) abbilden, sowie mit Informationen beaufschlagt werden, die über den Bus 12 und die Verbindung 15 übertragen werden. Die Steuerschaltung 20 erzeugt daraus Signale A15 und A16 zur Ansteuerung des GS-WS-Umformers sowie Informationen, die dessen Betriebszustand abbilden. Wie oben sind die geeigneten Kommunikationsschnittstellen in die Steuerschaltung 20 integriert.
Die wichtigsten, von der Steuerschaltung eines Endmoduls erzeugten Informationen betreffen:
- Das Vorhandensein und den fehlerfreien Betrieb des Endmoduls sowie seiner zur Steuerschaltung gehörenden Kommunikationsorgane. Bezüglich der Kommunikationsorgane werden insbesondere ihre Einspeisung sowie ihre korrekte Adressierung überwacht. Das Zentralmodul oder externe Überwachungsorgan führt diesbezüglich eine periodische Abfrage jedes Endmoduls durch.
- Das Vorhandensein und die Einhaltung festgelegter Toleranzgrenzen der Spannung auf der Abgangsseite des Endmoduls.
- Die Überwachung des hohen Qualitätsniveaus der an den Verbraucher gelieferten Spannung insbesondere hinsichtlich der Amplitude, der Frequenz und der Unterbrechungs- und Verzerrungsfreiheit.
- Das Vorhandensein oder Fehlen von Überlasten auf der Abgangsseite des Endmoduls, wobei diese Information durch Vergleich der die Ausgangsströme (I1 bis 13, 14) abbildenden Signale mit, gegebenenfalls programmierbaren, festgelegten Schwellwerten gewonnen wird. Bei Vorhandensein einer Überlast kann die Steuerschaltung des Endmoduls einen Abwurf bestimmter, von ihm eingespeister Lasten veranlassen.
- Das Vorhandensein und die Einhaltung festgelegter Toleranzgrenzen der Gleichspannung auf der Einspeiseseite des Endmoduls.
- Informationen (Spannungen, Ströme oder Leistung), die eine Messung der vom Endinodul gelieferten Energie ermöglichen. Die Schaltung kann Impulse erzeugen, die einer bestimmten verbrauchten Energiemenge, beispielsweise 1 kWh, entsprechen.
- Die Schaltung überträgt darüber hinaus eine Abschaltanforderung des Verbrauchers, wodurch das Management der Energie hoher Qualität auf einer übergeordneten Hierarchiestufe (Zentralmodul oder Überwachungsorgan) ermöglicht wird.
Des weiteren empfängt die Steuerschaltung eines Endmoduls über das Kommunikationsnetz vom Zentralmodul stammende Informationen, insbesondere bei Umschaltung des Zentralmodus auf Batteriebetrieb und bei Auslösung eines Voralarms aufgrund des Ablaufs der Autonomiezeit. Eine Voralarminformation zeigt dem betreffenden Endinodul an, daß es nach einer bestimmten Zeit von beispielsweise 2 min unabhängig vom Zustand des einspeiseseitigen Gleichstrom-Verteilernetzes abschalten muß. Die bei Umschaltung des Zentralmoduls auf Batteriebetrieb jedem Modul zugeordnete Autonomiezeit kann in Abhängigkeit vom jeweils zugeordneten Verbraucher individuell festgelegt werden. Diese individuelle Festlegung kann am Überwachungsorgan 14, beispielsweise mit Hilfe einer konfigurierbaren Tabelle erfolgen, in der die jedem Endmodul zugeordnete Autonomiezeit angegeben wird. In diesem Fall wird vom Zentralmodul ein Voralarmsignal für jedes Endmodul erzeugt, um diesem den bevorstehenden Ablauf seiner Autonomiezeit anzuzeigen, sowie für sämtliche Endmodule, um den Ablauf der Batterie-Autonomiezeit anzuzeigen oder als Schutzfunktion bei unvorhergesehener Verschlechterung des Batteriezustands oder fehlerhafter Programmierung der Autonomiezeit eines bestimmten Endmoduls zu dienen. Ein solches System weist eine hohe Betriebsflexibilität auf und erlaubt eine Bemessung der Batterieleistung in Abhängigkeit von der Summe der erforderlichen Autonomiezeiten der einzelnen Verbraucher. Dies führt zu einer wesentlichen Einsparung im Vergleich zur einfachen Berücksichtigung nur einer Autonomiezeit für sämtliche Endmodule, die entsprechend der längsten erforderlichen Autonomiezeit gewählt wird.
Nach einer nicht dargestellten vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung bildet der gleiche Kommunikationsbus vom Typ BATIBUS sowohl den Bus 12 als auch die Verbindung 13 und ist an die Endmodule, an das Zentralmodul sowie an eine zum Überwachungsorgan 14 gehörende Untereinheit angeschlossen. Diese Untereinheit steuert die Anwendersoftware und kommuniziert mit den übrigen Komponenten des Überwachungsorgans 14, beispielsweise mit einer Schnittstelle zur Fernsteuerung über einen lokalen Bus vom Typ JBUS. An die gleiche Fernsteuerungs-Schnittstelle können gegebenenfalls mehrere Untereinheiten angeschlossen werden. Die Fernsteuerungs-Schnittstelle ist an verschiedene, lokal vorhandene Steuerorgane, beispielsweise an ein Steuergerät oder eine Bildschirmtexteinheit, oder an dezentral angeordnete Organe z.B. über das Fernsprechnetz angeschlossen.
Das Überwachungsorgan 14 ermöglicht so die lokale oder dezentrale Konfiguration des Systems zur Energieverteilung hoher Qualität. Es ermöglicht insbesondere die Identifizierung verschiedener Endmodule, die individuelle Festlegung ihrer Autonomiezeiten, die Festlegung der als Ereignisse, Fehler und Alarme zu interpretierenden Informationen sowie die Bestimmung der im Alarmfall zu benachrichtigenden Nummern und gegebenenfalls deren automatische Anwahl. Es zentralisiert darüber hinaus die zu registrierenden und/oder zu übertragenden Informationen, insbesondere die Informationen bezüglich des Betriebs der verschiedenen Systemkomponenten (Überlast, Qualitätstoleranz,...) und der Energiemessung. Die Kommunikationsschnittstelle ist vorzugsweise auch an einen lokalen Drucker angeschlossen, um die verschiedenen Ereignisse aufzeichnen und Alarmprotokolle erstellen zu können.
Das Überwachungsorgan kann auch externe Anrufe zur Abfrage des Systemzustands annehmen und gegebenenfalls Befehle an das System weiterleiten, um beispielsweise ein Endinodul mit einer bestimmten Adresse ein- oder auszuschalten, einen Batterietest durchzuführen, usw.
Durch Verwendung von Filtern auf der Einspeiseseite jedes Endmoduls können Netzrückwirkungen und wechselseitige Störungen zwischen den Verbrauchern unterdrückt werden. Figur 5 zeigt eine vorzugsweise Ausführungsvariante, bei der jedes Endmodul, von denen nur eines 4 dargestellt ist, über einen Anschlußkasten 21 an den Verteilerbus angeschlossen ist. Der Anschlußkasten 21 umfaßt ein Abschaltorgan, einen Schalter 22, mit dem das Endmodul ein- oder ausgeschaltet werden kann. Dieses Abschaltorgan kann manuell oder über Fernbetätigung angesteuert werden, um beispielsweise bei Erfassung eines Funktionsfehlers im Endmodul 4 dieses Modul vom System zu trennen. Der Kasten 21 umfaßt darüber hinaus ein, beispielsweise als LC-Glied ausgebildetes Tiefpaßfilter 23, das zwischen jeden der Leiter 2 und 3 des Verteilerbusses und den entsprechenden Eingang des Moduls geschaltet ist. In jeden der Leiter, welche die Leiter 2 und 3 des Verteilerbusses mit dem entsprechenden Eingang verbinden, ist ein Schutzorgan, beispielsweise eine Sicherung F, geschaltet. Dieses Schutzorgan kann gegebenenfalls vorzugsweise im Endmodul anstatt im Anschlußkasten installiert werden.
Zur Verbesserung der Verfügbarkeit des Systems aus Verbrauchersicht können bestimmte Komponenten redundant ausgelegt sein.
Figur 6 zeigt ein Beispiel eines redundant ausgelegten Verteilersystems mit zwei Zentralmodulen 1 und 1a. Alle Endmodule sind parallel an die Verteilerbusse 2, 3, N bzw. 2a, 3a, N angeschlossen, welche über einen Anschlußkasten 24 an die beiden Zentralmodule angeschlossen sind. Ein, als elektromechanischer oder elektronischer Leistungsschalter oder als Sicherung ausgebildetes Abschaltorgan 25 bzw. 25a ist auf der Einspeiseseite der ersten Anschlußkästen 24 in jeden der Leiter 2, 3, 2a, 3a der Verteilerbusse eingesetzt. Bei Ausfall eines der Zentralmodule öffnet das entsprechende Abschaltorgan. Im Anschlußkasten ist der Pluseingang (+) des Endmoduls 5 über eine Sicherung F mit der Kathode zweier Dioden D1 und D2 verbunden, deren Anoden an die Leiter 2 bzw. 2a angeschlossen sind. Gleichermaßen ist der Minuseingang (-) des Endmoduls über eine Sicherung F mit der Anode zweier Dioden D3 und D4 verbunden, deren Kathoden jeweils an die Leiter 3 bzw. 3a angeschlossen sind. Der Neutralleitereingang N des Endmoduls ist an die Neutralleiter der beiden Busse angeschlossen, während sein Kommunikationseingang über eine geeignete Schnittstelle 26 an die zugeordneten Kommunikationsbusse 12 bzw. 12 a angeschlossen ist. Diese Schnittstelle kann gegebenenfalls in das Enmodul integriert sein. Den Schaltern 22 des Anschlußkastens 21 aus Figur 5 ähnliche Schalter können im Kasten 24 installiert werden, um das Endmodul von den beiden Verteilerbussen zu trennen. Gleichermaßen werden Filter vorzugsweise im Anschlußkasten installiert oder in das Endmodul integriert.
Die redundante Auslegung kann auch auf andere Systemkomponenten übertragen werden. Auf diese Weise ist es möglich, ein redundantes System herzustellen, das nur em Zentralmodul umfaßt, dessen Verteilerbus jedoch ab dem Ausgang des Zentralmoduls doppelt ausgeführt ist, um zwei Verteilerbusse zur Verfügung zu stellen, an die die Endmodule genauso wie bei der in Figur 6 gezeigten Anordnung angeschlossen werden.
Entsprechend Figur 7 kann die redundante Auslegung auch innerhalb des Zentralmoduls vorgenommen werden, insbesondere um die Wartung des Systems zu ermöglichen. Hier werden zwei Umformer 10 und 10a über das gleiche Wechselspannungs-Eingangsnetz L1, L2, L3, N eingespeist. Ihre Ausgänge werden über Dioden D5 bis D8 parallelgeschaltet, um den gleichen Verteilerbus 2, 3, N einzuspeisen. Das gezeigte Zentralmodul 27 enthält eine einzige Batterie 11, die über zwei Ladereglerkreise 18 bzw. 18a an die Ausgänge von zwei Umformern 10 und 10a, vor deren Anschlußpunkten an den Verteilerbus, angeschlossen sind.
Die Verfügbarkeit des redundant ausgelegten Zentralmoduls gemäß Figur 7 kann weiter erhöht werden, indem zwei getrennt eingespeiste Batterien in das Modul eingesetzt werden, wobei eine Batterie über den Umformer 10 und die andere über den Umformer 10a eingespeist wird.
Das System kann darüber hinaus eine Synchronisationsverbindung 28 (siehe Figur 8) umfassen, über die ein als Synchronisier-Taktgeber 29 dienendes Zeitglied an jedes der mit einem GS-WS-Umformer bestückten Endmodule angeschlossen wird. Physikalisch kann dieses Zeitglied 29 gegebenenfalls im Zentralmodul 1 angeordnet sein. Das Zentralmodul 1 beaufschlagt über den Kommunikationsbus 12 jedes der mit einem GS-WS-Umformer bestückten Endmodule mit Informationen, die mit einer an jeden dieser Umformer angepaßten Phasenverschiebung seine Synchronisierung mit den vom Taktgeber 29 gelieferten Synchronisiersignalen ermöglichen. Das Zentraimodul kann auf diese Weise die von den verschiedenen Umformern aufgenommenen Stromspitzen im Gleichstrom-Verteilerbus zeitlich verteilen, wodurch die Enkopplungskondensatoren minimal dimensioniert werden können.
Um die Verfügbarkeit des Systems zu erhöhen, kann jedem GS-WS- Umformer ein Notumschalter 30 zugeordnet werden. Der Eingang des Notumschalters 30 ist über eine Verbindung 31 mit einer nicht dargestellten Wechselspannungsquelle verbunden. Bei dieser Wechselspannungsquelle kann es sich um den Ausgang einer an das Wechselspannungsnetz angeschlossenen herkömmlichen USV-Anlage handeln. Der Ausgang eines Notumschalters 30 ist parallel zum Ausgang des zugeordneten Umformers an den Eingang des zugeordneten Verbrauchers 32 angeschlossen. Der Notumschalter 30 wird über die Steuerschaltung des zugeordneten Endmoduls angesteuert, wobei die Synchronisiersignale sowie die über den Kommunikationsbus 12 an die Steuerschaltung übermittelten Informationen verwendet werden, um die Umschaltung der Stromversorgung des Verbrauchers 32 vom Endmodul auf den Notumschalterzweig und umgekehrt optimal zu synchronisieren. Auf diese Weise ist es möglich, kurzzeitige Überlasten auftufangen oder den Umformer bei Ausfall zu puffern. Die Notumschalter sind vorzugsweise als elektronische Schütze ausgeführt, da diese kürzere Schaltzeiten aufweisen als elektromechanische Schütze.

Claims

1. System zur Verteilung elektrischer Energie hoher Qualität an mehrere Verbraucher aus einem elektrischen Wechelstrom-Verteilernetz (7), wobei das System ein den Wechselstrom des Wechselstromnetzes in Gleichstrom umformendes und mindestens eine unabhängige Gleichstrom-Ersatzenergiequelle zur Bildung einer Energiequelle mit ununterbrochen verfügbarer Gleichspannung umfassendes Zentralmodul (1), ein an das Zentralmodul (1) angeschlossenes Gleichstrom-Verteilernetz (2, 3, N), mehrere, an das Gleichstrom-Verteilernetz angeschlossene, in der Nähe der mit ihnen verbundenen Verbraucher (32) angeordnete und den Gleichstrom des Gleichstrom-Verteilernetzes in einen Wechselstrom (5, 6) oder Gleichstrom (4) bestimmter Frequenz und Amplitude umformenden Endmodule (4, 5, 6) sowie Kommunikationsmittel (12) zur Übertragung von den Zustand des Systems abbildenden Informationen mindestens zwischen jedem Endmodul (4, 5, 6) und dem Zentralmodul (1) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zustand des Systems abbildenden Informationen vom Zentralmodul erzeugte Informationen, die die Umschaltung des Systems auf einen Betrieb über die unabhängige Energiequelle (11) anzeigen, sowie eine den Ablauf der Autonomiezeit anzeigende Voralarminformation umfassen, welche den Ablauf der Autonomiezeit jedes der Endmodule abbildende Voralarmsignale umfaßt, wobei jedem Endmodul eine bestimmte Autonomiezeit zugeordnet ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ablauf der Autonomiezeit anzeigende Voralarminformation ein Voralarmsignal umfaßt, das den Ablauf der Autonomiezeit der unabhängigen Gleichstrom-Ersatzenergiequelle (11) abbildet.

3. System nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zustand des Systems abbildenden Informationen von den Endmodulen erzeugte Informationen umfassen, die das Vorhandensein und den fehlerfreien Betrieb der Endmodule (4, 5, 6) abbilden.

4. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zustand des Systems abbildenden Informationen von den Endmodulen erzeugte Informationen umfassen, die das Vorhandensein und die Einhaltung festgelegter Toleranzgrenzen einer Spannung auf der Einspeiseseite der Endmodule (4, 5, 6) und der Spannung sowie des Stroms auf der Abgangsseite der Endmodule (4, 5, 6) abbilden.

5. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zustand des Systems abbildenden Informationen die Messung der von jedem Endmodul (4, 5, 6) an den zugeordneten Verbraucher gelieferten Energie betreffende Informationen umfassen.

6. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikationsmittel an ein zentrales, systemexternes Uberwachungsorgan (14) angeschlossen sind.

7. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralmodul (1) eine in bezug auf den Neutralleiter (N) des Netzes symmetrische Gleichspannung liefert, wobei das Gleichstrom-Verteilernetz drei Leiter (2, 3, N) umfaßt, darunter einen Neutralleiter (N), der direkt mit dem Neutralleiter des Netzes verbunden ist.

8. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Endinodul (4, 5, 6) über einen zugeordneten Anschlußkasten (21) mit darin enthaltenen Tiefpaßfiltern (23) und Kurzschluß-Schutzorganen (F) an das Gleichstrom-Verteilernetz (2, 3, N) angeschlossen ist.

9. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikationsmittel einen, nicht mit dem Gleichstrom-Verteilernetz (2, 3, N) identischen Kommunikationsbus (12) umfassen.

10. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikation mit Hilfe von Trägerströmen erfolgt, die dem Gleichstrom im Gleichstrom-Verteilernetz (2, 3, N) überlagert werden.

11. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es Synchronisiermittel (28, 29) umfaßt, die an die den Gleichstrom in Wechselstrom umformenden Endmodule angeschlossen sind, um ihnen Synchronisiersignale zuzuführen, wobei das Zentralmodul (1) jedem, an die Synchronisiermittel angeschlossenen Endmodul Informationen zu seiner Synchronisierung mit den Synchronisiersignalen bei jeweils angepaßter Phasenverschiebung zuführt.