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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verteilen
elektrischer Energie in einem Energieversorgungsnetz.
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Aus
der
DE 10 2005
001 143 A1 ist ein Verfahren zur verbraucherindividuellen
Lieferung elektrischer Energie bekannt. Dieses Verfahren soll dazu beitragen,
die Energieverteilung so zu steuern, dass eine effiziente und zugleich
gleichmäßige Auslastung eines Netzes vorliegt.
Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass durch einen bidirektionalen
Datenaustausch zwischen einzelnen Verbrauchern und einer gemeinsamen
Steuerzentrale in Abhängigkeit von Daten, welche die verschiedenen
Verbraucher zur Verfügung stellen, die Energiefreigabe
an die Verbraucher geregelt wird. Das aus der
DE 10 2005 001 143 A1 bekannte
Verfahren geht von einer uneingeschränkten Funktionsfähigkeit
des elektrischen Netzes aus.
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Eine
Anordnung zur Regelung der elektrischen Leistung einer Installation
ist beispielsweise aus der
EP
0 688 080 B1 bekannt. Diese Anordnung umfasst Messmittel
zur Messung des Stroms in einem über einen Leistungsschalter
an ein Verteilernetz angeschlossenen Hauptstromkreis einer Installation.
Der Hauptstromkreis speist vorrangige sowie mehrere nicht vorrangige
Stromkreise. Zur gezielten Unterbrechung des Stroms in den nicht
vorrangigen Stromkreisen sind mit den Messmitteln zusammenwirkende
Lastabwurf- und wiederaufnahmemittel vorgesehen. Eventuelle Störungen
im Verteilernetz, an welches der Hauptstromkreis angeschlossen ist,
sind nicht Gegenstand der
EP
0 688 080 B1 .
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Störungen
in einem elektrischen Energieverteilungsnetz können auf
Ausfälle von Anlagen zur Stromerzeugung oder -verteilung,
in Ausnahmefällen auch auf die gezielte Abschaltung von
Leitungen, zurückzuführen sein. In allen Fällen
kann eine zu nächst relativ geringe Störung oder
Abweichung vom Normalbetrieb zur Überlastung primär
nicht betroffener Teile des Stromversorgungsnetzes führen.
Diese Überlastung ist dann Ursache für die automatische Abschaltung
weiterer, weitaus größerer Teile des Netzes, so
dass von einem Dominoeffekt gesprochen werden kann.
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Da
die international vernetzten elektrischen Energieversorgungssysteme
keine für alle Zwecke ausreichende Versorgungssicherheit
gewährleisten können, sind elektrische Verbraucher,
an deren Verfügbarkeit besonders hohe Anforderungen gestellt werden,
in der Regel an eine Notstromversorgung angeschlossen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem besonders günstigen
Aufwand-Nutzen-Verhältnis die Versorgungssicherheit elektrischer
Energieversorgungsnetze zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein
mit dieser Vorrichtung durchführbares Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruchs 6. Im Folgenden im Zusammenhang mit der
Vorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der
Erfindung gelten sinngemäß auch für das Verfahren
und umgekehrt.
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Die
Vorrichtung zum Verteilen elektrischer Energie umfasst eine mit
einem Energieversorgungsnetz zusammenwirkende zentrale Steuereinheit
sowie mindestens eine dezentrale Steuereinheit. Die zentrale Steuereinheit
ist zur Umschaltung zwischen zwei Betriebsmodi des Energieversorgungsnetzes, nämlich
einem Normalbetriebsmodus und einem Notstromversorgungsmodus, vorgesehen.
Im Normalbetriebsmodus sind die an das Energieversorgungsnetz angeschlossenen
Verbraucher uneingeschränkt mit elektrischer Energie versorgbar.
Droht beispielsweise aufgrund eines Ausfalls eines Kraftwerks oder
einer Höchstspannungsleitung eine Überlastung
des Netzes, welche einen Ausfall weiterer Teile des Netzes zur Folge
hätte, so schaltet die zentrale Steuereinheit auf den Notstromversorgungs modus
um und sendet ein entsprechendes Signal an alle dezentralen Steuereinheiten.
Mit dezentralen Steuereinheiten sind beispielsweise einzelne Wohngebäude
oder Industrieanlagen ausgerüstet. Innerhalb der Gebäude
beziehungsweise Anlagen sind Verbraucher mit unterschiedlicher Priorität
mit Energie zu versorgen. Ein erster Anschluss ist zur Versorgung nicht
priorisierter Verbraucher vorgesehen, während ein zweiter
Anschluss der Versorgung priorisierter Verbraucher mit elektrischer
Energie dient. Im Notstromversorgungsmodus wird der erste Anschluss mittels
der mit der zentralen Steuereinheit zusammenwirkenden dezentralen
Steuereinheit automatisch vom Netz getrennt, so dass nur noch ein
Teil der Verbraucher, nämlich die priorisierten Verbraucher, mit
elektrischer Leistung zu versorgen ist. Die Belastung des Netzes
ist auf diese Weise drastisch reduziert, wodurch die Wahrscheinlichkeit
eines auf Überlastung zurückzuführenden
Ausfalls minimiert ist. In vielen Fällen ist daher eine
gesonderte Notstromversorgung elektrischer Geräte entbehrlich.
Die Notstromversorgung ist quasi in das Netz des Energieversorgungsunternehmens
integriert, womit eine passive Notstromversorgung im EVU-Netz realisiert ist.
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Die
Erfindung ist auch anwendbar auf kleinere, abtrennbare Netze, in
welchen mit vorhandenen Energieerzeugungsanlagen, zum Beispiel einem Blockheizkraftwerk,
eine Notstromversorgung aufrechterhalten werden kann. Generell ist
durch die Möglichkeit, eine Stromversorgung mit hoher Betriebssicherheit
ohne paralleles Netz oder dezentrale Notstromversorgungen zu gewährleisten,
ein hohes Einsparpotential gegeben. Eine gesonderte, netzunabhängige
Stromversorgung ist nur noch in wenigen, besonders kritischen Ausnahmefällen
erforderlich.
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Die
Trennung der nicht priorisierten, insbesondere nicht sicherheitsrelevanten,
Verbraucher vom Energieversorgungsnetz erfolgt mittels eines von
einer Leitstelle des Energieversorgungsunternehmens (EVU) aus fernbetätigbaren
Lastschalters. Um die Schaltvorgänge des Lastschalters,
das heißt das Abschalten sowie das – ebenfalls
vom EVU ausgelöste – Zu schalten des entsprechenden,
nicht priorisierten Stromkreises, mit besonders hoher Zuverlässigkeit
durchzuführen, weist der Lastschalters in bevorzugter Ausgestaltung
zwei Aktuatoren auf. Jeder Aktuator ist dazu vorgesehen, einen bestimmten Schaltzustand
des Lastschalters herbeizuführen. Ohne Energiezuführung
verbleibt der als bistabiler Schalter ausgebildete Lastschalter
im eingestellten Zustand.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung sind Anschlüsse für
Verbraucher unterschiedlicher Versorgungspriorität mit
einem gemeinsamen, mit der dezentralen und damit auch mit der zentralen
Steuereinheit zusammenwirkenden Installationsbus verbunden. Damit
ist die Möglichkeit gegeben, die Zuordnung elektrischer
Verbraucher zu Gruppen unterschiedlicher Versorgungspriorität
auf besonders komfortable Weise softwaretechnisch zu ändern.
Unabhängig davon, ob die elektrischen Geräte über
einen Installationsbus verknüpft sind, ist es vorteilhaft, die
Möglichkeit vorzusehen, die Versorgungspriorität eines
elektrischen Verbrauchers von der zentralen Steuereinheit aus, das
heißt vom EVU aus, zu ändern.
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Die
Einteilung von elektrischen Anschlüssen und Geräten
nach Versorgungspriorität hat nicht notwendigerweise in
genau zwei Gruppen zu erfolgen. Vielmehr ist es ebenso möglich,
eine höhere Anzahl von Gruppen zu bilden, die danach geordnet
sind, mit welcher Priorität eine Versorgung der betreffenden Anschlüsse
beziehungsweise Geräte mit Elektrizität sicherzustellen
ist. Bei einem Engpass in der Stromversorgung wird zunächst
die Gruppe niedrigster Versorgungspriorität vom Netz genommen.
Zu dieser Gruppe können beispielsweise elektrische Speicherheizungen
zählen. Nur im Fall weiterhin drohender Überlastung
des Netzes wird die Gruppe der nächst höheren
Versorgungspriorität von der Stromversorgung getrennt.
Elektrische Einrichtungen, deren Ausfall besonders hohe materielle
oder sonstige Schäden verursachen würde, bleiben
unter praktisch allen Umständen am Netz.
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In
vielen Fällen liegt es in der Disposition des Kunden des
Energieversorgungsunternehmens, verschiedene elektrische Verbraucher
unterschiedlichen Prioritätsstufen zuzuordnen. Das EVU
kann hierauf eingehen, indem es dem Kunden anbietet, Strom unterschiedlicher
Versorgungssicherheit zu verschiedenen Tarifen zu beziehen. Beispielsweise
legt der Kunde fest, welche elektrische Leistung mit nahezu hundertprozentiger
Sicherheit zur Verfügung stehen muss. Für die
Bereitstellung dieser Leistung, als Maximal-Notstrom-Leistung bezeichnet,
kann die Zahlung einer gesonderten Bereitstellungsgebühr
vereinbart werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die
verbrauchte Energie, welche über einen besonders gesicherten
Anschluss, den sogenannten EVU-Notstrom-Anschluss, bezogen wird,
zu einem Spezialtarif, der höher als der sonstige Tarif
ist, zu berechnen. Ändert der Kunde seinen mit dem EVU
geschlossenen Vertrag, indem beispielsweise eine größere
Leistung im gesicherten Modus bezogen wird und/oder zusätzliche
Geräte an die dezentrale, vom EVU bereitgestellte Notstromversorgung
angeschlossen werden, so nimmt das EVU die entsprechenden Änderungen
an der Elektroinstallation des Kunden, in bevorzugter Weise per
Fernsteuerung, vor.
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Um
elektrische Geräte an die vom EVU bereitgestellte Notstromversorgung
anzuschließen, ist im einfachsten Fall eine einzige zusätzliche,
ausfallsichere Steckdose installiert, die beispielsweise in einem
Zählerschrank untergebracht sein kann. Der Kunde kann dann
bei einem allgemeinen Stromausfall nach Bedarf elektrische Geräte,
beispielsweise ein Gefriergerät, an die Notstromversorgung
anschließen. Bei größeren Anlagen, die
eine Vielzahl elektrischer Geräte umfassen, welche an eine
Notstromversorgung angeschlossen sein müssen, sowie in
Fällen, in denen jegliche Unterbrechung der Stromversorgung
zu vermeiden ist, ist es dagegen zweckmäßiger,
die im versorgungssicheren Modus zu betreibenden Geräte über
fest installierte Leitungen an der EVU-Notstrom-Versorgung anzuschließen.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die EVU-Notstrom-Versorgung
zwar einen Großteil der in den letzten Jahren aufgetretenen
Stromausfälle abdeckt, jedoch bei einem lo kalen Defekt,
z. B. ein physikalischer Leitungsumbruch, in einem Netz-Zweig keine Ausfallsicherheit
bieten kann. Es gibt somit Anwendungsbereiche, beispielsweise in
Krankenhäusern, in denen zusätzliche, dezentrale
Notstromversorgungen notwendig bleiben. In sehr vielen, weniger
sensiblen Gebieten, ist jedoch die sehr geringe Ausfallwahrscheinlichkeit
der EVU-Notstrom-Versorgung hinnehmbar. Dies betrifft beispielsweise
Kühl- oder Gefrierschränke, Heizungssteuerungen
und – umwälzpumpen, Telekommunikations- und Datenverarbeitungseinrichtungen,
Notbeleuchtungen, Ladegeräte für Akkumulatoren,
sowie Geräte der Unterhaltungselektronik.
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Wird,
nachdem ein Energieversorgungsunternehmen die Stromversorgung auf
Notstrombetrieb umgeschaltet hat, der Normalbetrieb nach Identifikation
und Behebung der Fehlerursache wieder aufgenommen, so werden die
vorübergehend vom Netz genommenen Verbraucher vorzugsweise
sukzessive wieder zugeschaltet. Durch die zeitlich gestaffelte Zuschaltung
der Verbraucher, vorzugsweise nach Versorgungsprioritäten
geordnet, wird eine Überlastung durch Einschaltströme
zuverlässig vermieden.
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Die
von der zentralen Steuereinheit ausgesandten Signale, welche das
Abschalten oder Zuschalten elektrischer Verbraucher auslösen,
sind beispielsweise über das Energieversorgungsnetz, als dem
Wechselstrom überlagerte, höherfrequente Signale,
oder über von der Stromverteilung unabhängige,
drahtgebundene und/oder drahtlose Telekommunikationseinrichtungen übermittelbar.
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Die
im Notstromversorgungsmodus einem Abnehmer zur Verfügung
stehende elektrische Leistung ist auf wesentlich weniger als die
Hälfte, vorzugsweise auf weniger als 10%, der im Normalbetriebsmodus
zur Verfügung stehenden Leistung begrenzt. Damit wird das
Energieversorgungsnetz im Fall drohender Überlastung sehr
schnell stabilisiert.
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Der
Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass bei einer Überlastung
eines elektrischen Energieversorgungsnetzes im Unterschied zum Stand
der Technik keine vollständige Abschaltung erfolgt, sondern
das Netz mit reduzierter Leistung, welche zur Versorgung wichtiger,
beispielsweise sicherheitsrelevanter, Verbraucher ausreicht, weiterbetrieben
wird. Damit ist eine Notstromversorgung auf Basis des vorhandenen
Energieversorgungsnetzes gegeben.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Energieversorgungsnetzes
mit Notstromversorgung,
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2 eine
dezentrale Steuereinheit der Vorrichtung nach 1 sowie
angeschlossene Verbraucher,
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3 einen
ferngesteuerten Lastschalter der Steuereinheit nach 2,
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Energieversorgungsnetzes
mit Notstromversorgung,
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5 eine
dezentrale Steuereinheit der Vorrichtung nach 4 sowie
angeschlossene Verbraucher,
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6 Details
der dezentralen Steuereinheit nach 5.
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Einander
entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit
den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 und 4 zeigen
in schematisierter Darstellung jeweils ein Energieversorgungsnetz 1,
das zur Verteilung von in mindestens einem Kraftwerk 2 erzeugter
elektrischer Energie an eine Mehrzahl an Abnehmer 3 vorgesehen
ist. Bei den Abnehmern 3 kann es sich beispielsweise, wie
dargestellt, um einzelne Haushalte oder um Industriebetriebe handeln.
Ein Niederspannungsnetz 4 als Teil des Energieversorgungsnetzes 1 ist über
ein Umspannwerk 5 sowie Hochspannungsleitungen 6 und/oder Höchstspannungsleitungen
an das Kraftwerk 2 angeschlossen. Eine zentrale Steuereinheit 7 des
Energieversorgungsnetzes 1 ist in nachstehend noch näher
erläuterter Weise datentechnisch mit mindestens einem Teil
der Abnehmer 3 verknüpft. Darüber hinaus ist
die zentrale Steuereinheit 7 mit einem System zur Erfassung
von Zuständen im Energieversorgungsnetz 1 verknüpft
oder integraler Bestandteil eines solchen Systems. Damit ist die
zentrale Steuereinheit 7 insbesondere in der Lage, eine
drohende Überlastung innerhalb des Energieversorgungsnetzes 1 zu detektieren.
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Die
vom Abnehmer 3 bezogene elektrische Energie wird mittels
eines Zählers 8 erfasst. Der Zähler 8 ist
im Ausführungsbeispiel nach 1 einer Stromanschlusseinheit 9 sowie
einer Notstromanschlusseinheit 10 vorgeschaltet. Abweichend hiervon
kann auch jeder Anschlusseinheit 9, 10 ein gesonderter
Stromzähler zugeordnet sein. In jedem Fall stehen zur Versorgung
in 1 nicht dargestellter elektrischer Geräte über
die Stromanschlusseinheit 9 beziehungsweise über
die Notstromanschlusseinheit 10 ein erster Anschluss 11,
als Normalstromanschluss bezeichnet, sowie ein zweiter Anschluss 12,
welcher als Notstromanschluss fungiert, zur Verfügung.
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Der
Aufbau der Stromanschlüsse 11, 12 der Vorrichtung
nach 1 geht genauer aus 2 hervor.
Danach ist der dem Abnehmer 3 zugeleitete Strom (dreiphasiger
Wechselstrom) mittels Hausanschlusssicherungen 13 (drei
63 A Sicherungen) begrenzt. Diese Begrenzung betrifft ausschließlich
den Normalbetrieb des Energieversorgungsnetzes 1. In diesem
Betriebsmodus wird die dem Abnehmer 3 zur Verfügung
stehende Elektrizität größtenteils über
die Stromanschlusseinheit 9, in welche ein Lastschalter 14 integriert
ist, bereitgestellt. Der Lastschalter 14 ist ferngesteuert,
wobei die Auslösung durch die zentrale Steuereinheit 7 erfolgt.
Insgesamt stellt die Stromanschlusseinheit 9 eine dezentrale
Steuereinheit dar, welche in ein Datenverarbeitungsnetzwerk eingebunden
ist, deren Kernkomponente, die zentrale Steuereinheit 7,
nicht notwendigerweise durch ein einziges Gerät gebildet
ist. Vielmehr kann die zentrale Steuereinheit 7, abweichend
von der vereinfachten Darstellung (1) auch
als komplexeres Datenverarbeitungssystem realisiert sein.
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Die
elektrischen Verbraucher, welche mit Hilfe der dezentralen Steuereinheit 9,
in die der Lastschalter 14 eingebunden ist, bei Bedarf,
das heißt bei Umschaltung vom Normalbetriebsmodus auf den Notstromversorgungsmodus,
vom Energieversorgungsnetz 1 trennbar sind, sind insgesamt
mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnet. Es handelt sich hierbei
um große Teile der herkömmlichen Hausinstallation.
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Im
Gegensatz zur Gruppe der Verbraucher 15, welche hinsichtlich
der Notwendigkeit einer ausfallsicheren Stromversorgung niedrig
priorisiert sind, bleiben Verbraucher 16 im Notstromversorgungsmodus
in Betrieb. Beispielsweise handelt es sich bei den über
die Notstromanschlusseinheit 10 mit elektrischer Energie
versorgten Geräten um ein Telefon, einen Gefrierschrank,
ein Notlicht sowie eine Heizungssteuerung. Der gesamte Notstromkreis,
das heißt der Notstromanschluss 12, ist mit einer
Sicherung 17 (4 A Sicherung) abgesichert. Die im Notstromkreis
zur Verfügung stehende elektrische Leistung ist somit um
mehr als den Faktor zehn geringer als die im Normalbetriebsmodus
verfügbare Leistung.
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Der
prinzipielle Aufbau des Lastschalters 14, welcher zur ferngesteuerten
Abschaltung und Zuschaltung der nicht an die EVU-Notstrom-Versorgung angeschlossenen
Verbraucher 15 vorgesehen ist, geht aus 3 hervor.
Ein Schaltelement 18, das eine elektrisch leitende Verbindung
herstellen sowie lösen und damit den Normalstromanschluss 11 aktivieren
beziehungsweise deaktivieren kann, ist mittels zweier in entgegengesetzte
Richtungen wirkender Aktuatoren 19, 20 betätigbar.
Dabei wird der erste Aktuator 19, auch als Öffnungsaktuator
bezeichnet, ausschließlich zum Umschalten in den Notstromversorgungsmodus
und der zweite Aktuator 20, auch als Schließaktuator
bezeichnet, ausschließlich zum Umschalten in den Normalbetriebsmodus
benötigt. Wird keiner der Aktuatoren 19, 20 des
als ferngesteuerter elektromechanischer Schütz ausgebildeten
Lastschalters 14 bestromt, so verharrt der Lastschalter 14 im
zuvor eingestellten, definierten Zustand.
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Im
Ausführungsbeispiel nach den 4 bis 6 wirkt
die dezentrale Steuereinheit 9 mit einer Bussteuerung 21 eines
Installationsbusses 22 zusammen. Die Eigenschaften der
Bussteuerung 21 sind softwaretechnisch, wie durch ein zum
Betrieb der Bussteuerung 21 verwendetes Programm 23 angedeutet,
veränderbar. Insbesondere betrifft dies die Zuordnung einzelner
Verbraucher 15, 16 zu den verschiedenen Anschlüssen 11, 12.
Soll beispielsweise ein Verbraucher 15, der bislang an
einem Normalstromanschluss 11 angeschlossen ist, etwa aufgrund einer
geänderten sicherheitstechnischen Beurteilung, künftig
im sicheren Modus, das heißt notstromversorgt, betrieben
werden, so ist kein Abklemmen des Verbrauchers 15 und erneutes
Abklemmen an anderer Stelle erforderlich. Vielmehr ist es ausreichend,
die geänderte Zuordnung von Verbrauchern 15, 16 zu
Anschlüssen 11, 12 im Programm 23 festzulegen.
Die Bussteuerung 21 stellt hierzu eine bedienerfreundliche
Eingabemaske zur Verfügung.
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Der
Aufbau des Lastschalters 14 im Ausführungsbeispiel
nach den 4 bis 6 entspricht dem
Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3. Entsprechendes
gilt für die Dimensionierung der verschiedenen, für
die Normalstromversorgung beziehungsweise für die Notstromversorgung
verwendeten Sicherungen 13, 17.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005001143
A1 [0002, 0002]
- - EP 0688080 B1 [0003, 0003]