WO2011103887A1 - Steuergerät für kleine netzwerke - Google Patents

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WO2011103887A1
WO2011103887A1 PCT/EP2010/001346 EP2010001346W WO2011103887A1 WO 2011103887 A1 WO2011103887 A1 WO 2011103887A1 EP 2010001346 W EP2010001346 W EP 2010001346W WO 2011103887 A1 WO2011103887 A1 WO 2011103887A1
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power
module
switching
consumer
control module
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PCT/EP2010/001346
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Nico Peterschmidt
Holger Peters
Jakob Schmidt-Reindahl
Original Assignee
Inensus Gmbh
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load
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    • H02J3/144—Demand-response operation of the power transmission or distribution network
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
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    • Y02B70/3225—Demand response systems, e.g. load shedding, peak shaving
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
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    • Y04S20/20—End-user application control systems
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    • Y04S50/00—Market activities related to the operation of systems integrating technologies related to power network operation or related to communication or information technologies
    • Y04S50/10—Energy trading, including energy flowing from end-user application to grid

Definitions

  • the present invention relates to a small power network controller for use as an interface between one or more
  • Power distributor for branching the electrical power from a supply line of the power generator or the small power network to a plurality of consumer lines, wherein the power distributor switching modules for connecting or disconnecting the respective consumer line, wherein the switching modules are switchable by a control module, which is a programmable microprocessor and a non-volatile Data storage, wherein the control module is connected to a sensor module for detecting voltage and currents of the power network and the control module single predetermined switching modules in the sense of stabilizing at least one of the sensor module obtained network parameter such as the grid frequency or
  • a generic control device is known from US 7 218 998 B1. This essentially serves to limit the energy consumption in a distribution system with overload sensors for current and voltage and switching elements for the remote shutdown of individual
  • the object of the invention is to provide a control device for small power grids of the type mentioned, which the energy flow in
  • the invention solves this problem in that the control unit over a consumer line over time flowing electrical energy
  • CONFIRMATION COPY and stores the values for the total energy consumption of the associated power consumer in the data memory, that the control unit has a prepayment module, with the advance payments of electricity customers can be detected, and according to a prepaid calculated new maximum value for a consumer line associated total energy consumption is stored, the control module the a load line associated switching module is configured shutdown, as soon as a predetermined and im
  • the electrical energy which has flowed via the respective consumer line can preferably be determined by integration via the respectively applied electrical power.
  • the values for the total energy consumption are stored in the non-volatile memory from time to time. As a result, the total energy consumption for each power customer is always available even after a power failure.
  • the prepayment module preferably contains a card reader for chip cards or memory cards, which are "charged” at a central point after payment of a certain amount of energy with a data packet representing this amount of energy, to then be read in the card reader of the prepayment module, wherein the respective power customer associated Maximum value for the total energy consumption is increased by the prepaid amount of energy, which enables the sale of prepaid energy packages to the electricity customers
  • the maximum value to be specified then corresponds to the amount of energy purchased by the electricity customer.
  • control module has a program-controlled microprocessor and a non-volatile data memory
  • adaptation and anytime-changing strategies for securing the quality of the power network are dependent on different ones
  • Pre-payment module further the respective consumer line of a power customer associated parameters such as maximum removable apparent or active power or consumption period can be selected by the power customer and / or read and stored.
  • the control unit preferably detects the apparent or active power received by a load line and stores it, wherein the control module is configured such that it switches off the associated switching module when the time-averaged apparent or active power is exceeded by a predetermined value. This ensures that an agreed with the power customer apparent or active power can not be permanently exceeded. This measure protects the
  • the controller has a display for displaying currently measured and / or stored parameters and / or consumption data, these data can be read, for example, by a service technician directly on the device without a reading device, such as a laptop would have to be connected. If the credit balances of individual electricity customers can be displayed on the display, these electricity customers can easily access their customers
  • all network data and / or consumption data can be stored and displayed and displayed in order to determine the quality of the power network and / or to determine the usage behavior of the power customers.
  • control device has digital and / or analog interfaces for the transmission of data.
  • data of the control unit and the permanent memory can be read out via such interfaces, but also read into the permanent memory,
  • Control unit in a value and break-proof, lockable
  • Measure allows the controller to be set up in publicly accessible areas so that the electricity customers have access to the controller day and night.
  • control unit according to the invention is not suitable for the alone
  • Control of small power grids but also for connection to a main power network for further branching of the main power network to the power customers.
  • the controller is programmed so that it gradually after a fault or power failure, the consumer lines
  • island grids are usually characterized by the fact that their power supply is kept to a strictly limited power plant capacity for cost reasons. If more power than the power plants in the off-grid can deliver at the same time, or provide more energy than the power plants in the period concerned, the power plants switch off due to congestion and thus put the island network completely out of service. Often there is dissatisfaction among electricity users about the low availability of electrical energy. As a result, electrical energy-related economic development processes in the community of users come to a standstill. This problem solves the invention in that it protects the power grid in case of overload by switching off individual households or consumers from collapse and thus the majority of electricity customers can continue to be supplied with electrical energy.
  • the sensor module allows the detection of the overload case, which can be used as an indicator, for example, the voltage drop, the current increase or preferably the drop in the mains frequency.
  • Control module is formed in a drop in the mains frequency below a predetermined value one or more switching modules off. Of the Fall of the grid frequency indicates the overload of the generator. By switching off a switching module, the associated load is dropped and thus reduces the overload of the power generator. Should the
  • the invention is further improved in terms of limiting the network frequency upwards by the control module at a rising mains frequency over a predetermined value one or more
  • Switching modules is designed switchable. By switching on the switching modules additional loads are added, which load the generator and thus reduce the grid frequency. As a result, a harmful to the generator or the other consumers exceeding the mains frequency and possibly an excessive increase in the mains voltage can be prevented. Even if this measure already by the switching modules
  • a water pump as an extra load to deliver water to a storage tank from where it is kept available for future use, including power generation to cover peak short-term loads.
  • Switching modules are each assigned a priority value and that the control module takes into account in the selection of the next switched on or off switching module whose priority value. Less important consumers receive a lower priority value, more important
  • control unit comprises a
  • Overcurrent protection device and the control module is designed such that it shuts off a switching module when in the assigned
  • Consumer line a predetermined current is exceeded. This measure ensures that a current agreed with the power customer is not exceeded and overall the load of the network is limited. Furthermore, the consumer cables are protected against overload.
  • control unit a The invention is further improved by the control unit a
  • Residual current device includes and the control module is configured such that it shuts off a switching module when fault currents occur in the associated load line.
  • Figure 1 a schematic representation of the invention
  • FIG. 2 an external perspective view of a device according to the invention
  • Control device in a preferred embodiment.
  • an inventive control device 1 is indicated by a dashed line.
  • a small power plant 2 is used to generate the
  • FIG. 1 symbolically shows only a single consumer 7.
  • Power distributor 5 is provided with switching modules 8, wherein each
  • Consumer line 6 has its own switching module 8. By means of the switching modules 8, the respective consumer line 6 and thus the consumer 7 can be switched off or switched from the electrical power supply.
  • a control module 9 is connected via control lines 10 to the switching modules 8. Furthermore, the control module 9 is connected to a sensor module 11 via signal lines 12.
  • Sensor module 11 is used to capture parameters of the power grid such as grid voltage and network currents. For this it is by means of a
  • the control module 9 comprises a microprocessor (not shown) and a non-volatile data memory 16.
  • the control module 9 is programmed to operate below a value of e.g. 98% of the given
  • Mains frequency usually 50 Hz, first decouples a consumer 7 by switching off the respective switching module 8 from the power supply, so as to reduce the load on the power plant 2. If this measure is not sufficient to raise the grid frequency again above the predetermined minimum value, the control module 9 switches off another consumer 7 until the desired effect has been achieved.
  • the control module 9 switches by pressing the corresponding switching module 8 a consumer. 7 to, which increases the load on the generator and leads to a reduction in the mains frequency.
  • the individual switching modules 8 are each assigned a priority value and the control module 9 is programmed so that it takes into account the priority value in the selection of the switching module 8 to be connected or disconnected next.
  • the priority values are in the data memory 16
  • the control module 9 first determines in which direction the deviation takes place. For example, falls below the power frequency is assumed to be an overload of the power plant 2 and as a countermeasure electrical loads are dropped. The control module 9 determines in a next step, which loads are switched on which consumer line 6 and which priority the respectively assigned
  • Switching module 8 has. Of the switching modules 8 is now selected with the lowest priority or determined at two equal priorities, a switching module 8 by random decision. This is switched off and then queried the course of the network frequency. If the deactivation does not yet result in a sufficiently positive tendency for the mains frequency, the method described is repeated in order to select and switch off the least priority of the remaining switched-on switching modules 8.
  • Switching modules determines the one with the highest priority and this switched.
  • the control module 9 is further programmed so that it from the
  • Sensor module 11 supplied network parameters with respect to in the Consumers monitored 6 flowing currents and switches off the respective switching module 8 when exceeding a preselected current, so as to ensure an overcurrent protection.
  • control module 9 is programmed so that it evaluates the network parameters supplied by the sensor module 11 as to whether fault currents occur that can be assigned to a load line 6 to then turn off the associated switching module 8 and thus to provide a residual current protection function.
  • the control module 9 is also programmed so that it evaluates the network parameters supplied by the sensor module 11 in terms of which apparent or active power flows in the various consumer lines 6.
  • the apparent or active power is from voltage, current and the
  • control module 9 switches off the load line 6 associated switching module 8 from.
  • control unit detects the electrical energy flowing over a load line 6 over time and stores the values for the total energy consumption of the associated power consumer in the data memory 16.
  • the stored data allow a check whether the
  • the control module 9 determines whether the total energy consumption associated with a particular consumer line 6 exceeds the associated maximum value. As soon as this is the case, the control module 9 switches off the switching module 8 assigned to the respective consumer line 6. This will result in more than the prepaid amount of energy
  • the control unit 1 is provided with a prepayment module 18 which is connected to the control module 9 via a data line 19.
  • the prepaid module has a card reader for reading smart cards 20 of the power customers. After paying a
  • the chip card 20 stores a data packet which can be read out by the card reader of the prepayment module 18 and further processed via the control module 9.
  • the control module 9 determines from the data packet in particular the prepaid Amount of energy and adds this to the im
  • Data memory 16 stored maximum value for the respective
  • Data memory 16 are stored. Such parameters may relate in particular to the consumption period.
  • the currently measured network parameters or consumption data of the respective consumers stored in the data memory 16 as well as other stored or currently determined parameters can be displayed on a display 21 and thus made accessible to a service technician without the technician having his own reading device bring along and should connect to the control unit 1.
  • the control unit is provided with a digital interface 22 for connection of an external device 24 and with an analog interface 23 for
  • Interfaces are used to read out data from the data memory 16 or to read out parameters that the sensor module 11 detects and provides.
  • the control unit 1 is housed in a further and break-resistant lockable housing 26 with sun and rain cover 27.
  • the housing 26 is provided with a lock 28 and thereby protected against unauthorized interference.
  • the control unit 1 is programmed so that it after a fault or a power failure, the
  • the net Selfene Power station 2 is connected and forms together with the control unit 1 and the consumer lines 6 an independent island grid.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Remote Monitoring And Control Of Power-Distribution Networks (AREA)

Abstract

Ein Steuergerät für kleine Stromnetze zur Verwendung als Schnittstelle zwischen einem oder mehreren Stromerzeugern (2) und einzelnen Stromverbrauchern (7) mit einem Energieverteiler (5) zum Verzweigen der elektrischen Leistung aus einer Einspeiseleitung (3) des Stromerzeugers oder des kleinen Stromnetzes (2) auf mehrere Verbraucherleitungen (6), wobei der Energieverteiler (5) Schaltmodule (8) zum Zu- oder Abschalten der jeweiligen Verbraucherleitung (6) aufweist, wobei die Schaltmodule (8) von einem Steuermodul (9) schaltbar sind, welches einen programmgesteuerten Mikroprozessor und einen nicht flüchtigen Datenspeicher (16) aufweist, wobei das Steuermodul (9) mit einem Sensormodul (11) zur Erfassung von Spannung und Strömen des Stromnetzes verbunden ist und das Steuermodul (9) einzelne vorbestimmte Schaltmodule (8) im Sinne einer Stabilisierung mindestens eines aus dem Sensormodul (11) gewonnenen Netzparameters wie beispielsweise der Netzfrequenz zu- oder abschaltend ausgebildet ist, wird dadurch verbessert, dass das Steuergerät die über eine Verbraucherleitung (6) im Laufe der Zeit fließende elektrische Energie erfasst und die Werte für den Gesamtenergieverbrauch des zugehörigen Stromverbrauchers im Datenspeicher (16) abspeichert, dass das Steuergerät ein Vorauszahlungsmodul (18) aufweist, mit dem Vorauszahlungen der Stromkunden erfassbar sind, und ein entsprechend einer Vorauszahlung berechneter neuer Maximalwert für den einer Verbraucherleitung (6) zugeordneten Gesamtenergieverbrauch abspeicherbar ist, wobei das Steuermodul (9) das einer Verbraucherleitung (6) zugeordnete Schaltmodul (8) abschaltend ausgestaltet ist, sobald ein vorgegebener und im Datenspeicher (16) gespeicherter Maximalwert für den Gesamtenergieverbrauch überschritten ist.

Description

Steuergerät für kleine Netzwerke
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuergerät für kleine Stromnetze zur Verwendung als Schnittstelle zwischen einem oder mehreren
Stromerzeugern und einzelnen Stromverbrauchern mit einem
Energieverteiler zum Verzweigen der elektrischen Leistung aus einer Einspeiseleitung des Stromerzeugers oder des kleinen Stromnetzes auf mehrere Verbraucherleitungen, wobei der Energieverteiler Schaltmodule zum Zu- oder Abschalten der jeweiligen Verbraucherleitung aufweist, wobei die Schaltmodule von einem Steuermodul schaltbar sind, welches einen programmgesteuerten Mikroprozessor und einen nicht flüchtigen Datenspeicher aufweist, wobei das Steuermodul mit einem Sensormodul zur Erfassung von Spannung und Strömen des Stromnetzes verbunden ist und das Steuermodul einzelne vorbestimmte Schaltmodule im Sinne einer Stabilisierung mindestens eines aus dem Sensormodul gewonnenen Netzparameters wie beispielsweise der Netzfrequenz zu- oder
abschaltend ausgebildet ist,
Ein gattungsgemäßes Steuergerät ist aus der US 7 218 998 B1 bekannt. Dieses dient im Wesentlichen zum Begrenzen des Energieverbrauchs in einem Verteilersystem mit Überlastsensoren für Strom und Spannung und Schaltelementen zum ferngesteuerten Abschalten einzelner
Verbrauchergruppen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Steuergerät für kleine Stromnetze der eingangs genannten Art anzugeben, welches den Energiefluss im
Stromnetz in Abhängigkeit von der Belastung durch Verbraucher, deren Zahlungsverhalten sowie ggf. weiterer Anforderungen steuern kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass das Steuergerät die über eine Verbraucherleitung im Laufe der Zeit fließende elektrische Energie
BESTÄTIGUNGSKOPIE erfasst und die Werte für den Gesamtenergieverbrauch des zugehörigen Stromverbrauchers im Datenspeicher abspeichert, dass das Steuergerät ein Vorauszahlungsmodul aufweist, mit dem Vorauszahlungen der Stromkunden erfassbar sind, und ein entsprechend einer Vorauszahlung berechneter neuer Maximalwert für den einer Verbraucherleitung zugeordneten Gesamtenergieverbrauch abspeicherbar ist, wobei das Steuermodul das einer Verbraucherleitung zugeordnete Schaltmodul abschaltend ausgestaltet ist, sobald ein vorgegebener und im
Datenspeicher gespeicherter Maximalwert für den
Gesamtenergieverbrauch überschritten ist.
Dadurch dass das Steuergerät die über eine Verbraucherleitung im Laufe der Zeit fließende elektrische Energie erfasst und die Werte für den Gesamtenergieverbrauch des zugehörigen Stromverbrauchers
abspeichert, wird eine verbrauchsgerechte Bezahlung der elektrischen Energie ermöglicht. Dabei kann die über die jeweilige Verbraucherleitung geflossene elektrische Energie vorzugsweise durch Integration über die jeweils anliegend elektrische Leistung ermittelt werden. Die Werte für den Gesamtenergieverbrauch werden von Zeit zu Zeit im Permanentspeicher abgespeichert. Dadurch ist der Gesamtenergieverbrauch für jeden Stromkunden auch nach einem Stromausfall jederzeit abrufbar.
Das erfindungsgemäße Vorauszahlungsmodul enthält vorzugsweise ein Kartenlesegerät für Chipkarten bzw. Speicherkarten, die an einer zentralen Stelle nach Bezahlung einer bestimmten Energiemenge mit einem diese Energiemenge repräsentierenden Datenpaket„aufgeladen" werden, um dann im Kartenlesegerät des Vorauszahlungsmoduls ausgelesen zu werden, wobei der dem jeweiligen Stromkunden zugeordnete Maximalwert für den Gesamtenergieverbrauch um den vorausbezahlten Energiebetrag erhöht wird. Dies ermöglicht den Verkauf von vorausbezahlten Energiepaketen an die Stromkunden. Der hier vorzugebende Maximalwert entspricht dann der vom Stromkunden erworbenen Energiemenge.
Durch die Maßnahme, dass das Steuermodul einen programmgesteuerten Mikroprozessor und einen nicht flüchtigen Datenspeicher aufweist, wird die Anpassung und jederzeitige Änderung von Strategien zur Sicherung der Qualität des Stromnetzes in Abhängigkeit von verschiedenen
Parametern ermöglicht. Des Weiteren ist die Speicherung der ermittelten und berechneten Daten und Parameter möglich, um beispielsweise eine spätere Auswertung als Grundlage für weitere Optimierungsstrategien durchführen zu können.
In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass über das
Vorauszahlungsmodul weitere der jeweiligen Verbraucherleitung eines Stromkunden zugeordnete Parameter wie beispielsweise maximal entnehmbare Schein- oder Wirkleistung oder Verbrauchszeitraum durch den Stromkunden auswählbar und/oder einlesbar und abspeicherbar sind.
Vorzugsweise erfasst das Steuergerät die von einer Verbraucherleitung aufgenommene Schein- oder Wirkleistung und speichert sie ab, wobei das Steuermodul derart ausgestaltet ist, dass es bei Überschreiten der zeitlich gemittelten Schein- oder Wirkleistung über einen vorbestimmten Wert das zugehörige Schaltmodul abschaltet. Hierdurch wird gewährleistet, dass eine mit dem Stromkunden vereinbarte Schein- oder Wirkleistung nicht dauerhaft überschritten werden kann. Diese Maßnahme schont die
Kapazität des Kraftwerks.
Wenn das Steuergerät ein Display zur Anzeige von aktuell gemessenen und/oder gespeicherten Parametern und/oder Verbrauchsdaten aufweist, können diese Daten beispielsweise durch einen Servicetechniker direkt am Gerät abgelesen werden, ohne dass ein Ablesegerät, beispielsweise ein Laptop angeschlossen werden müsste. Wenn auf dem Display die Guthaben einzelner Stromkunden anzeigbar sind, können diese Stromkunden sich auf einfache Weise über ihre
Restguthaben informieren.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass alle Netzdaten und/oder Verbrauchsdaten abspeicherbar und zur Qualitätsbestimmung des Stromnetzes und/oder zwecks Ermittlung des Nutzungsverhaltens der Stromkunden abrufbar und darstellbar sind.
Um die Daten auf einfache Weise abrufbar und auf andere Geräte zur Weiterverarbeitung übertragbar zu machen, wird vorgeschlagen, dass das Steuergerät digitale und/oder analoge Schnittstellen zur Übertragung von Daten aufweist. Selbstverständlich können über solche Schnittstellen nicht nur Daten des Steuergerätes und des Permanentspeichers ausgelesen, sondern auch in den Permanentspeicher eingelesen werden,
insbesondere zur Programmierung des Steuergeräts. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das
Steuergerät in einem werter- und aufbruchfesten, verschließbaren
Gehäuse mit Sonnen- und Regenschutz untergebracht ist. Diese
Maßnahme ermöglicht die Aufstellung des Steuergeräts in öffentlich zugänglichen Bereichen, so dass die Stromkunden Tag und Nacht Zugang zu dem Steuergerät haben.
Das erfindungsgemäße Steuergerät eignet sich nicht allein für die
Steuerung kleiner Stromnetze, sondern auch zum Anschluss an ein Hauptstromnetz zur weiteren Verzweigung des Hauptstromnetzes bis zu den Stromkunden. Mit Vorteil ist das Steuergerät derart programmiert, dass es nach einer Störung oder Stromausfall die Verbraucherleitungen schrittweise
zuschaltet. Diese Maßnahme ermöglicht das Anlaufen des Generators im Kraftwerk zunächst ohne Last und eine schrittweise Auflastung bis zur höchstzulässigen Last. Das schrittweise Zuschalten von
Verbraucherleitungen empfiehlt sich aber nicht nur nach einem
Netzausfall, sondern auch nach einem Kurzschluss auf der Lastseite und Auslösung von Leitungsschutzschaltern, in Folge von Fehlern bei der Leistungsmessung und Datenauswertung, nach falschem Anschluss der Mess- und/oder Schaltmodule oder nach einem Blitzeinschlag.
Inselnetze sind im Gegensatz zu Verbundnetzen in der Regel dadurch geprägt, dass zu ihrer Versorgung mit elektrischer Energie eine aus Kostengründen eng begrenzte Kraftwerkskapazität vorgehalten wird. Wird mehr Leistung bezogen als die Kraftwerke im Inselnetz zum selben Zeitpunkt liefern können, bzw. mehr Energie als die Kraftwerke in dem betreffenden Zeitraum liefern können, so schalten sich die Kraftwerke aufgrund von Überlastung ab und setzen das Inselnetz somit komplett außer Betrieb. Oft breitet sich unter den Stromnutzern Unzufriedenheit über die geringe Verfügbarkeit der elektrischen Energie aus. Als Resultat kommen mit elektrischer Energie in Verbindung stehende wirtschaftliche Entwicklungsprozesse in der Gemeinschaft der Nutzer zum Erliegen. Dieses Problem löst die Erfindung dadurch, dass sie das Stromnetz im Überlastfall durch Abschalten einzelner Haushalte bzw. Verbraucher vor dem Zusammenbruch bewahrt und somit der Großteil der Stromkunden weiter mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
Das Sensormodul ermöglicht das Erkennen des Überlastfalls, wobei als Indikator beispielsweise der Spannungsabfall, der Stromanstieg oder vorzugsweise der Abfall der Netzfrequenz herangezogen werden kann.
In Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das
Steuermodul bei einem Abfall der Netzfrequenz unter einen vorgegebenen Wert ein oder mehrere Schaltmodule abschaltend ausgebildet ist. Der Abfall der Netzfrequenz zeigt die Überlastung des Generators an. Durch Abschalten eines Schaltmoduls wird die zugehörige Last abgeworfen und damit die Überlastung des Stromerzeugers verringert. Sollte die
Abschaltung eines Schaltmoduls noch nicht den erforderlichen Anstieg der Netzfrequenz nach sich ziehen, so wird das nächste Schaltmodul abgeschaltet und sofort, bis sich die Netzfrequenz stabilisiert.
Die Erfindung wird im Hinblick auf die Begrenzung der Netzfrequenz nach oben noch verbessert, indem das Steuermodul bei einer ansteigenden Netzfrequenz über einen vorgegebenen Wert ein oder mehrere
Schaltmodule zuschaltend ausgebildet ist. Durch das Zuschalten der Schaltmodule werden zusätzliche Lasten zugeschaltet, die den Generator belasten und somit die Netzfrequenz verringern. Dadurch kann ein für den Generator oder die übrigen Verbraucher schädliches Überschreiten der Netzfrequenz und ggf. ein übermäßiger Anstieg der Netzspannung verhindert werden. Auch wenn diese Maßnahme bereits durch das
Zuschalten eines Ohm'schen Widerstandes erfolgen kann, wird
empfohlen, als zusätzliche Last beispielsweise eine Wasserpumpe zuzuschalten, die Wasser in einen Speicherbehälter fördert, von wo es für die weitere Verwendung verfügbar gehalten wird, beispielsweise auch für die Stromerzeugung zur Abdeckung von kurzfristigen Spitzenlasten.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass den
Schaltmodulen jeweils ein Prioritätswert zugeordnet ist und dass das Steuermodul bei der Auswahl des als nächstes zu- oder abzuschaltenden Schaltmoduls dessen Prioritätswert berücksichtigt. Weniger wichtige Verbraucher erhalten einen niedrigen Prioritätswert, wichtigere
Verbraucher einen höheren Prioritätswert. Die Strategie besteht nun darin, bei Bedarf immer das eingeschaltete Schaltmodul mit dem niedrigsten Prioritätswert als Nächstes abzuschalten bzw. im umgekehrten Fall immer das abgeschaltete Schaltmodul mit dem höchsten Prioritätswert als Nächstes zuzuschalten. Dadurch wird gewährleistet, dass die besonders wichtigen Verbraucher bevorzugt mit Energie versorgt werden.
In Weiterbildung der Erfindung umfasst das Steuergerät eine
Überstromschutzeinrichtung und das Steuermodul ist derart ausgestaltet, dass es ein Schaltmodul abschaltet, wenn in der zugeordneten
Verbraucherleitung eine vorgegebene Stromstärke überschritten ist. Diese Maßnahme gewährleistet, dass eine mit den Stromkunden vereinbarte Stromstärke nicht überschritten wird und insgesamt die Belastung des Netzes begrenzt ist. Des Weiteren werden die Verbraucherleitungen gegen Überlast geschützt.
Die Erfindung wird noch verbessert, indem das Steuergerät eine
Fehlerstromschutzeinrichtung umfasst und das Steuermodul derart ausgestaltet ist, dass es ein Schaltmodul abschaltet, wenn in der zugeordneten Verbraucherleitung Fehlerströme auftreten. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im
Einzelnen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Steuergerätes; Figur 2: eine perspektivische Außenansicht eines erfindungsgemäßen
Steuergerätes in einer bevorzugten Ausführungsform.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Steuergerät 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Ein Kleinkraftwerk 2 dient zur Erzeugung der
elektrischen Energie. Über eine Einspeiseleitung 3 gelangt die elektrische Energie über eine Hauptsicherung 4 zu einem Energieverteiler 5, welcher die elektrische Leistung auf mehrere Verbraucherleitungen 6 verteilt, die jeweils mit einem Verbraucher 7 verbunden sind. In der Darstellung von Figur 1 ist symbolisch nur ein einziger Verbraucher 7 gezeigt. Der
Energieverteiler 5 ist mit Schaltmodulen 8 versehen, wobei jede
Verbraucherleitung 6 ihr eigenes Schaltmodul 8 aufweist. Mittels der Schaltmodule 8 kann die jeweilige Verbraucherleitung 6 und damit der Verbraucher 7 von der elektrischen Energieversorgung abgeschaltet oder zugeschaltet werden. Ein Steuermodul 9 ist über Steuerleitungen 10 mit den Schaltmodulen 8 verbunden. Des Weiteren ist das Steuermodul 9 mit einem Sensormodul 11 über Signalleitungen 12 verbunden. Das
Sensormodul 11 dient zur Erfassung von Parametern des Stromnetzes wie Netzspannung und Netzströmen. Hierfür ist es mittels einer
Sensorleitung 13 sowohl mit dem Eingang 14 als auch mit den Ausgängen 15 des Energieverteilers 5 verbunden. Das Steuermodul 9 umfasst einen nicht gezeigten Mikroprozessor und einen nicht flüchtigen Datenspeicher 16. Das Steuermodul 9 ist so programmiert, dass es bei einem Abweichen der Netzfrequenz unter einen Wert von z.B. 98% der vorgegebenen
Netzfrequenz, in der Regel 50 Hz, zunächst einen Verbraucher 7 durch Abschalten des jeweiligen Schaltmoduls 8 von der Stromversorgung abkoppelt, um so die Belastung des Kraftwerkes 2 zu verringern. Sollte diese Maßnahme nicht ausreichen, um die Netzfrequenz wieder über den vorgegebenen Mindestwert anzuheben, so schaltet das Steuermodul 9 einen weiteren Verbraucher 7 ab, bis der gewünschte Effekt erzielt ist.
Im umgekehrten Fall, nämlich wenn der Generator des Kraftwerks 2 aufgrund einer zu geringen Belastung zu schnell dreht und daher die Netzfrequenz über einen vorbestimmten Maximalwert von z.B. 102% der Nennfrequenz nach oben abweicht, schaltet das Steuermodul 9 durch Betätigung des entsprechenden Schaltmoduls 8 einen Verbraucher 7 zu, der die Last am Generator vergrößert und zu einer Verringerung der Netzfrequenz führt. Zur Optimierung des beschriebenen Stabilisierungsprogramms ist den einzelnen Schaltmodulen 8 jeweils ein Prioritätswert zugeordnet und das Steuermodul 9 ist so programmiert, dass es bei der Auswahl des als nächstes zu- oder abzuschaltenden Schaltmoduls 8 den Prioritätswert berücksichtigt. Die Prioritätswerte sind im Datenspeicher 16
abgespeichert.
Gerät nun ein Netzparameter, insbesondere die Netzfrequenz nach oben oder unten aus dem Bereich tolerierbarer Abweichungen heraus, so stellt das Steuermodul 9 zunächst fest, in welche Richtung die Abweichung erfolgt. Beispielsweise bei Unterschreiten der Netzfrequenz ist von einer Überlastung des Kraftwerkes 2 auszugehen und als Gegenmaßnahme sind elektrische Lasten abzuwerfen. Das Steuermodul 9 stellt in einem nächsten Schritt fest, welche Lasten auf welcher Verbraucherleitung 6 zugeschaltet sind und welche Priorität das jeweils zugeordnete
Schaltmodul 8 aufweist. Von den Schaltmodulen 8 wird jetzt das mit der geringsten Priorität ausgewählt oder bei zwei gleich großen Prioritäten ein Schaltmodul 8 durch Zufallsentscheidung bestimmt. Dieses wird abgeschaltet und darauf hin der Verlauf der Netzfrequenz abgefragt. Wenn aus der Abschaltung noch keine ausreichend positive Tendenz für die Netzfrequenz resultiert, wird das beschriebene Verfahren wiederholt, um aus den verbliebenen zugeschalteten Schaltmodulen 8 das mit der geringsten Priorität auszuwählen und abzuschalten.
Im umgekehrten Fall, nämlich wenn die Netzfrequenz nach oben aus dem tolerierbaren Bereich herausläuft, wird unter den abgeschalteten
Schaltmodulen dasjenige mit der höchsten Priorität bestimmt und dieses zugeschaltet.
Das Steuermodul 9 ist weiterhin so programmiert, dass es die vom
Sensormodul 11 gelieferten Netzparameter in Bezug auf die in den Verbraucherleitungen 6 fließenden Stromstärken überwacht und bei Überschreiten einer vorgewählten Stromstärke das jeweilige Schaltmodul 8 abschaltet, um so einen Überstromschutz zu gewährleisten.
Des Weiteren ist das Steuermodul 9 so programmiert, dass es die vom Sensormodul 11 gelieferten Netzparameter dahingehend auswertet, ob Fehlerströme auftreten, die einer Verbraucherleitung 6 zugeordnet werden können, um daraufhin das zugeordnete Schaltmodul 8 abzuschalten und so eine Fehlerstromschutzfunktion zu bieten. Das Steuermodul 9 ist darüber hinaus so programmiert, dass es die vom Sensormodul 11 gelieferten Netzparameter dahingehend auswertet, welche Schein- oder Wirkleistungen in den verschiedenen Verbraucherleitungen 6 fließen. Die Schein- oder Wirkleistung wird aus Spannung, Strom und der
Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom berechnet, welche über das Sensormodul 11 messbar ist. Bei Überschreiten eines
vorbestimmten Wertes für die Schein- oder Wirkleistung in einer bestimmten Verbraucherleitung 6 schaltet das Steuermodul 9 das der Verbraucherleitung 6 zugeordnete Schaltmodul 8 ab.
Durch die Integration eines kostengünstigen Mess- und
Abrechnungssystems für elektrische Energie und Leistung werden die Stromkunden zum sparsamen und das Inselnetz schonenden Umgang mit elektrischer Energie angeregt. Zudem wird ihnen die Möglichkeit offen gehalten, ein breites Leistungsband für leistungsstarke elektrische
Verbraucher zu nutzen, wenn auch nur kurzzeitig und zu bestimmten Tageszeiten. Aus diesem Grund ist vorgesehen, dass das Steuergerät die über eine Verbraucherleitung 6 im Laufe der Zeit fließende elektrische Energie erfasst und die Werte für den Gesamtenergieverbrauch des zugehörigen Stromverbrauchers im Datenspeicher 16 abspeichert. Die gespeicherten Daten ermöglichen eine Überprüfung, ob die
vorausbezahlte Energiemenge bereits verbraucht ist oder nicht. Hierfür ist ein der vorausbezahlten Energiemenge entsprechender Maximalwert für jeden Stromkunden separat ebenfalls im Datenspeicher 16 abgelegt. Das Steuermodul 9 ermittelt, ob der einer bestimmten Verbraucherleitung 6 zugeordnete Gesamtenergieverbrauch den zugehörigen Maximalwert übersteigt. Sobald dies der Fall ist, schaltet das Steuermodul 9 das der jeweiligen Verbraucherleitung 6 zugeordnete Schaltmodul 8 ab. Dadurch wird ein über die vorausbezahlte Energiemenge hinausgehender
Energieverbrauch verhindert.
Das Steuergerät 1 ist mit einem Vorauszahlungsmodul 18 versehen, welches über eine Datenleitung 19 mit dem Steuermodul 9 verbunden ist. Das Vorauszahlungsmodul weist ein Kartenlesegerät auf zum Lesen von Chipkarten 20 der Stromkunden. Nach dem Bezahlen eines
Energiepaketes kann die Chipkarte 20 an einer zentralen Verkaufsstelle „aufgeladen" werden. Dabei wird auf der Chipkarte 20 ein Datenpaket gespeichert, welches vom Kartenleser des Vorauszahlungsmoduls 18 ausgelesen und über das Steuermodul 9 weiterverarbeitet werden kann. Das Steuermodul 9 bestimmt aus dem Datenpaket insbesondere die vorausbezahlte Energiemenge und addiert diese zu dem im
Datenspeicher 16 gespeicherten Maximalwert für den jeweiligen
Stromkunden. Aus dem Datenpaket können des Weiteren Werte für die maximal entnehmbare Schein- oder Wirkleistung oder sonstige mit dem jeweiligen Stromkunden vereinbarte Parameter entnommen und im
Datenspeicher 16 abgespeichert werden. Solche Parameter können insbesondere den Verbrauchszeitraum betreffen. Die aktuell gemessenen Netzparameter oder im Datenspeicher 16 abgelegte Verbrauchsdaten der jeweiligen Verbraucher sowie sonstige gespeicherten oder aktuell ermittelten Parameter können auf einem Display 21 dargestellt und somit einem Servicetechniker zugänglich gemacht werden, ohne dass der Techniker ein eigenes Ablesegerät mitbringen und am Steuergerät 1 anschließen müsste. Auf dem Display 21 können auch die Guthaben einzelner Stromkunden angezeigt werden, um diesen eine einfache Kontrolle ihrer Restguthaben zu ermöglichen. Das Steuergerät ist mit einer digitalen Schnittstelle 22 zum Anschluss eines externen Gerätes 24 und mit einer analogen Schnittstelle 23 zum
Anschluss eines weiteren externen Gerätes 25 versehen. Die
Schnittstellen dienen zum Auslesen von Daten aus dem Datenspeicher 16 bzw. zum Auslesen von Parametern, die das Sensormodul 11 ermittelt und bereitstellt. Wie man am besten in Figur 2 erkennt, ist das Steuergerät 1 in einem weiter- und aufbruchfesten verschließbaren Gehäuse 26 mit Sonnen- und Regenschutz 27 untergebracht. Das Gehäuse 26 ist mit einem Schloss 28 versehen und dadurch vor unbefugten Eingriffen geschützt.
Tritt trotz des beschriebenen Netzmanagements ein Zusammenbruch des Inselnetzes auf, so muss das Stromnetz neu hochgefahren werden. Dies funktioniert nur zuverlässig, wenn ein lastfreies Anfahren des Kraftwerkes garantiert ist und sich die Lasten nach der Anfahrprozedur schrittweise zuschalten. Aus diesem Grund ist das Steuergerät 1 derart programmiert, dass es nach einer Störung oder einem Stromausfall die
Verbraucherleitungen 6 schrittweise zuschaltet.
Des Weiteren ist auch ein Mischbetrieb des Netzes einerseits als Inselnetz und andererseits zur Verzweigung eines Hauptstromnetzes machbar. Solange das Hauptstromnetz genügend Energie liefert, wird das
netzeigene Kraftwerk 2 abgeschaltet und das Steuergerät 1 dient lediglich zur weiteren Verzweigung der elektrischen Leistungen aus dem
Hauptstromnetz. Sobald die Energieversorgung durch das
Hauptstromnetz ungenügend ist oder ganz ausfällt, wird das netzeigene Kraftwerk 2 zugeschaltet und bildet zusammen mit dem Steuergerät 1 und den Verbraucherleitungen 6 ein unabhängiges Inselnetz.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Steuergerät
2 Kraftwerk
3 Einspeiseleitung
4 Hauptsicherung
5 Energieverteiler
6 Verbraucherleitungen
7 Verbraucher
8 Schaltmodul
9 Steuermodul
10 Steuerleitungen
11 Sensormodul
12 Signalleitung
13 Sensorleitung
14 Eingang
15 Ausgänge
16 Datenspeicher
17 Datenleitung
18 Vorauszahlungsmodul
19 Datenleitung
20 Chipkarte
21 Display
22 digitale Schnittstelle
23 analoge Schnittstelle
24 externes Gerät
25 externes Gerät
26 Gehäuse
27 Sonnen- und Regenschutz
28 Schloss

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Steuergerät für kleine Stromnetze zur Verwendung als Schnittstelle zwischen einem oder mehreren Stromerzeugern (2) und einzelnen Stromverbrauchern (7) mit einem Energieverteiler (5) zum
Verzweigen der elektrischen Leistung aus einer Einspeiseleitung (3) des Stromerzeugers oder des kleinen Stromnetzes (2) auf mehrere Verbraucherleitungen (6), wobei der Energieverteiler (5)
Schaltmodule (8) zum Zu- oder Abschalten der jeweiligen
Verbraucherleitung (6) aufweist, wobei die Schaltmodule (8) von einem Steuermodul (9) schaltbar sind, welches einen
programmgesteuerten Mikroprozessor und einen nicht flüchtigen Datenspeicher (16) aufweist, wobei das Steuermodul (9) mit einem Sensormodul (11) zur Erfassung von Spannung und Strömen des Stromnetzes verbunden ist und das Steuermodul (9) einzelne vorbestimmte Schaltmodule (8) im Sinne einer Stabilisierung mindestens eines aus dem Sensormodul (11) gewonnenen
Netzparameters wie beispielsweise der Netzfrequenz zu- oder abschaltend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät die über eine Verbraucherleitung (6) im Laufe der Zeit fließende elektrische Energie erfasst und die Werte für den
Gesamtenergieverbrauch des zugehörigen Stromverbrauchers im Datenspeicher (16) abspeichert, dass das Steuergerät ein
Vorauszahlungsmodul (18) aufweist, mit dem Vorauszahlungen der Stromkunden erfassbar sind, und ein entsprechend einer
Vorauszahlung berechneter neuer Maximalwert für den einer Verbraucherleitung (6) zugeordneten Gesamtenergieverbrauch abspeicherbar ist, wobei das Steuermodul (9) das einer
Verbraucherleitung (6) zugeordnete Schaltmodul (8) abschaltend ausgestaltet ist, sobald ein vorgegebener und im Datenspeicher (16) gespeicherter Maximalwert für den Gesamtenergieverbrauch überschritten ist.
Steuergerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass über das Vorauszahlungsmodul (18) weitere der jeweiligen
Verbraucherleitung (6) eines Stromkunden zugeordnete Parameter wie beispielsweise maximal entnehmbare Schein- oder Wirkleistung oder Verbrauchszeitraum durch den Stromkunden auswählbar und/oder einlesbar und abspeicherbar sind.
Steuergerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es die von einer Verbraucherleitung (6) aufgenommene Schein- oder Wirkleistung erfasst und speichert und dass bei Überschreiten der zeitlich gemittelten Schein- oder Wirkleistung über einen
vorbestimmten Wert das Steuermodul (9) das zugehörige
Schaltmodul (8) abschaltend ausgestaltet ist.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Display (21) zur Anzeige von aktuell gemessenen und/oder gespeicherten Parametern und/oder
Verbrauchsdaten aufweist.
Steuergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Display (21) die Guthaben einzelner Stromkunden anzeigbar sind.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Netzdaten und/oder Verbrauchsdaten abspeicherbar und zur Qualitätsbestimmung des Stromnetzes und/oder zwecks Ermittlung des Nutzungsverhaltens der
Stromkunden abrufbar und/oder darstellbar sind.
7. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es digitale (22) und/oder analoge
Schnittstellen (23) zur Übertragung von Daten aufweist.
8. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem werter- und aufbruchfesten, verschließbaren Gehäuse (26) mit Sonnen- und Regenschutz (27) untergebracht ist.
9. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Verzweigung eines Hauptstromnetzes verwendbar ist.
10. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einer Störung oder einem
Stromausfall die Verbraucherleitungen (6) schrittweise zuschaltend ausgestaltet ist.
11. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (9) bei einem Abfall der Netzfrequenz unter einen vorgegebenen Wert ein oder mehrere Schaltmodule (8) abschaltend ausgebildet ist.
12. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (9) bei einem Ansteigen der Netzfrequenz über einen vorgegebenen Wert ein oder mehrere Schaltmodule (8) zuschaltend ausgebildet ist. 3. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Schaltmodulen (8) jeweils ein
Prioritätswert zugeordnet ist und dass das Steuermodul (9) bei der Auswahl des als nächstes zu- oder abzuschaltenden Schaltmoduls (8) dessen Prioritätswert berücksichtigt. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Überstromschutzeinrichtung umfasst und dass das Steuermodul (9) ein Schaltmodul (8) abschaltend ausgestaltet ist, wenn in der zugeordneten Verbraucherleitung (6) eine vorgegebene Stromstärke überschritten ist.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Fehlerstromschutzeinrichtung umfasst und dass das Steuermodul (9) ein Schaltmodul (8) abschaltend ausgestaltet ist, wenn in Verbindung mit der
zugeordneten Verbraucherleitung (6) Fehlerströme auftreten.
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