DE19731150A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben und Überwachen diskontinuierlich betriebener elektrischer Verbraucher über Starkstromleitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betreiben und Überwachen diskontinuierlich betriebener elektrischer Verbraucher über Starkstromleitungen.

Bekannt sind Verfahren, die die Veränderung der Kurvenform der Netzspannung zur Informationsübertragung benutzen (vgl. Patentschrift AEG Berlin Nr. 706 270). Diesem Verfahren haftet der Nachteil an, daß auf Grund der im Sender ent­ stehenden Verlustleistung nur ein begrenzter Leistungsbereich wirtschaftlich sinn­ voll nutzbar ist. Außerdem werden die Verbraucher in ihrem Betriebsverhalten durch die Spannungsabsenkung negativ beeinflußt, so daß die Wechselwirkung zwischen Datensicherheit und Betriebsverhalten unbedingt zu beachten ist. Die ebenfalls hier beschriebene Ausblendung von Netzspannungshalbwellen bzw. -perioden ist jedoch bei variabler ohmsch-induktiver Last für die Übertragung komplexer Steuerfunktionen nicht geeignet, weil kein definierter Zusammenhang zwischen dem Informationsgehalt des Signals und der empfangenen Spannungs­ zeitfläche besteht.

Weiterhin sind Verfahren (vgl. Auslegeschrift GE 20 02 339) bekannt, mit denen über Rundsteuersender Programme und Schaltbefehle über die Netzleitung zu einer Schaltanlage übertragen werden. Damit ist es möglich, bestimmte Schalt­ handlungen zu festgelegten Schaltzeiten in einer Schaltanlage bzw. einem Schaltgerät auszuführen. Diese Signale werden üblicherweise in der Mittel­ spannungsebene eingebracht und bedürfen hinsichtlich des Frequenz- und Amplitudenspektrums der Genehmigung des örtlichen Energieversorgers, um Wechselwirkungen mit anderen Verbrauchern zu vermeiden.

Ebenfalls bekannt sind sogenannte Power-Line-Modems, mit denen ähnlich der Rundsteuertechnik hochfrequente Signale im Frequenzbereich von einigen Kilo­ hertz der Netzspannung überlagert werden. Bei diesem Verfahren wirkt sich die Signaldämpfung über Kabelkapazitäten besonders nachteilig aus, so daß die er­ reichbaren Übertragungswege abhängig von der orts- und lastabhängigen Netzimpedanz und im allgemeinen auf wenige hundert Meter begrenzt sind.

Die genannten Verfahren sind auf Grund der aufgezeigten Nachteile und der für die Realisierung entstehenden Kosten für den Betrieb von Beleuchtungsanlagen, wie z. B. Straßen- und Objektbeleuchtung, nur bedingt geeignet. Ziel der Erfin­ dung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit der es möglich ist, die genannten Nachteile zu vermeiden.

Ausgangspunkt dabei ist die Überlegung, daß es bei Beleuchtung, die diskonti­ nuierlich, also vorwiegend während der Dunkelheit, betrieben wird, es aus­ reichend ist, die Beleuchtung bzw. einzelne Komponenten des Gesamtsystems in einem vorgegebenen Zeitraster adressiert zu beeinflussen, wobei die Informa­ tionsübertragung über die stets vorhandene Netzleitung erfolgen soll. Neben dem definierten Aus- und Einschalten (auch Leistungsreduzierung) soll die Funktions­ tüchtigkeit der angeschlossenen Verbraucher (z. B. Hochdruckentladungslampen überwacht und protokolliert werden. Mit der exakten Steuerbarkeit von Beleuch­ tungsanlagen lassen sich erhebliche Energieeinsparungen sowie eine Redu­ zierung der CO₂-Emission erreichen. Des weiteren ist es möglich, durch Überwa­ chung der Leuchten die Sicherheit im Verkehrsbereich zu erhöhen und die War­ tungsarbeiten zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, zum Betrieb und zur Überwachung diskontinuierlich betriebener Verbraucher, die sich in einem strahlenförmigen Netz befinden, ausgehend von einem Mastermodul, Steuersignale über die vorhan­ dene Netzleitung zu den in allen Verbrauchern vorhandenen Slavemodulen zu senden. Dabei sollen die Verbraucher über Einzel- und Gruppenadressen vom Master aus unidirektional adressierbar sein. Die Einzeladressen (Hardwareadressen) sind jeweils einem Verbraucher zugeordnet und ermöglichen somit eine eindeutige Identifizierung, über die die Funktionstüchtigkeit des ange­ schlossen Verbrauchers geprüft werden kann. Über die Gruppenadressen (Softwareadressen) werden Verbraucher, die gleiche Funktionen (Schalthandlungen) realisieren sollen, zusammengefaßt. Damit können die Sen­ devorgänge und Dateneingaben reduziert werden. Allen angeschlossenen Slavemodulen ist zusätzlich zur Hard- und Softwareadresse eine gemeinsame Kommandoadresse zugeordnet, mit der die Umschaltung von dem Programmier­ in den Timermodus erfolgt. Außerdem können unter Verwendung der Komman­ doadresse Direktbefehle an die Slavemodule ausgegeben werden. Ein Block­ schaltbild einer solchen Anordnung ist in der Fig. 1 dargestellt.

In diskontinuierlich betriebenen Systemen ist es daher sinnvoll, während der Ausschaltzeit bzw. kurz vor dem Wiedereinschalten diese Betriebsweise der ein­ zelnen Systemkomponenten festzulegen. Dies geschieht durch Programmierung der jeweiligen auf bestimmte Softwareadressen eingestellten Slavemodule. Die Programmierung kann entweder der Festlegung des Betriebsregimes für die be­ vorstehende Einschaltzeit des Gesamtsystems oder aber der Feststellung der Funktionstüchtigkeit aller oder einzelner Systemkomponenten dienen. Es ist dazu notwendig, sowohl Energie als auch Informationen, die relativ komplexe Daten­ strukturen beinhalten, über das Energienetz zu übertragen.

Erfindungsgemäß wird ein diskretes binäres Signal gemäß Fig. 2 und Fig. 3, welches unmittelbar über die vorhandene Netzleitung übertragen werden kann, dadurch erzeugt, daß für die Generierung des einen Signalpegels eine ungerade Anzahl von Spannungshalbwellen ausgeblendet bzw. stark abgesenkt wird und daß unmittelbar nach dem Absenken bzw. Ausblenden Spannungsperioden, die für die Signalübertragung nicht relevant sind, eingefügt werden, und daß für die Erzeugung des anderen Signalpegels nicht beeinflußte Spannungsperioden be­ nutzt werden. Somit können aus diesen Signalpegeln die zur Informationsüber­ tragung erforderlichen Bitfolgen zusammengesetzt und über die Netzleitung über­ tragen werden. Mit dieser Verfahrensweise wird bei transformatorischer Ankopp­ lung des Slavemoduls erreicht, daß dem Netz keine Gleichströme entnommen werden, und daß die Synchronisation und die Energieversorgung des Empfängers auch bei langen Datenströmen gewährleistet bleibt.

In Fig. 4 ist das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Dabei ist das Mastermodul 1 sowohl mit dem speisenden Wechsel- bzw. Drehstromnetz 10, dem Lichtsensor 12 und den angeschlossenen Slavemo­ dulen 13 elektrisch verbunden. Das Mastermodul 1 besteht aus dem Rechnermo­ dul 2, der Echtzeituhr 3, den Spannungssensoren 4, den Stromsensoren 5, dem Leistungsteil 6, dem Hauptschalter 7, dem Parallelschalter 8 sowie einem Strom­ versorgungsmodul 9. Am Ausgang des Mastermoduls 1 sind die Verbraucher 17 sowie das Slavemodul 13 über ein Starkstromkabel 11 angeschlossen. Die Slavemodule 13 bestehen aus einem programmierbaren Schaltkreis 14, der Schalteinheit 15 und der Stromversorgung 16.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles zur Steuerung einer Straßenbeleuchtungsanlage näher beschrieben werden.

Auf Grund der angestrebten Funktionalität - Leistungssteuerung und Funktions­ kontrolle der Betriebsmittel - wird das System im folgenden als Power Control und Service-System (PCS-System) bezeichnet. Gegeben sei eine Straßenbe­ leuchtungsanlage, die sich auf Grund ihrer örtlichen Lage und der vorhandenen kommunalen Funktionseinheiten in fünf Gruppen einordnen läßt. Diese sind Straßenkreuzung, Hauptstraße, Nebenstraße, Theaterplatz und Schule. Somit er­ geben sich fünf Softwareadressen, die unterschiedliche Beleuchtungsaufgaben zu realisieren haben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Beispiel wie folgt ge­ löst. Die höchste Priorität wird den Kreuzungsbereichen zugeordnet. Dem gemäß erhalten diese die Gruppenadresse eins. Die zweithöchste Priorität wird der Hauptstraße und der Schule zugeordnet. Diese erhalten daher die Gruppen- bzw. Softwaredressen zwei und drei. Schließlich werden noch die Nebenstraßen und das Theater den Softwareadressen vier und fünf zugeordnet. Fig. 5 zeigt das im Beispiel zu realisierende Betriebsregime für die aufgeführten Adressen.

Die Ein- und Ausschaltzeitpunkte (tein, taus) werden durch Lichtsensor oder über ein Zeitglied dem Mastermodul, im folgenden PCS-Manager genannt, vorgege­ ben. Die Schaltzeitpunkte zwischen der Ein- und Ausschaltzeit sind in dem PCS-Manager mittels Programmiersoftware gespeichert und können über eine serielle bzw. parallele Rechnerschnittstelle beliebig verändert werden. Unmittelbar nach Erhalt des Einschaltsignals überträgt der PCS-Manager die erforderlichen Daten an die Slavemodule, im folgenden PCS-Controller genannt, in der in Fig. 2 oder Fig. 3 dargestellten Art und Weise an die vergebenen Softwareadressen. Damit ist das Betriebsregime des Gesamtsystems festgelegt. Nach dem Senden der Kommandoadresse und eines ersten Befehlskodes werden alle PCS-Controller als Timer aktiviert und arbeiten ab diesem Zeitpunkt (tein*) gemäß dem ihnen übermittelten Programm.

Im Ausführungsbeispiel sind dazu sieben Befehle, bestehend aus Schaltzeitpunkt und entsprechendem Befehlskode, pro Gruppenadresse vorgesehen. Der ein­ stellbare Zeitraster ist den Anforderungen der Stadtbeleuchtung angepaßt und beträgt fünf Minuten. Durch die übertragenen acht Bit ergibt sich somit eine maximale Zeitverzögerung von etwa 21 Stunden.

Soll jedoch vor der Programmierung ein Funktionstest der PCS-Module und der an sie angeschlossenen elektrischen Verbraucher, z. B. Hochdruckentladungs­ lampen, erfolgen, ist statt dem Timermodus zunächst ein Serviceintervall, mit dem jeder einzelne defekte Leuchtpunkt detektiert werden kann, abzuarbeiten. Dazu wird vom PCS-Manager über die Kommandoadresse und einem zweiten Befehls­ kode dieser Service eingeleitet. Während dem Serviceintervall werden alle vor­ handenen Einzel- bzw. Hardwareadressen nacheinander ein- und wieder ausge­ schalten. Die im PCS-Manager vorhandene Stromsensorik ermittelt den Funkti­ onsstatus jedes einzelnen Leuchtpunktes und stellt die Ergebnisse dieser Über­ prüfung nach Bedarf über die serielle bzw. parallele Schnittstelle zur Verfügung. Als weitere Option können auch einzelne Leuchtpunkte einer Sonderprüfung durch Aussenden der Kommandoadresse, der Einzel- bzw. Hardwareadresse und eines dritten Befehlskodes unterzogen werden. Mit diesem Service an der Hard­ wareadresse ist eine spezielle Diagnose möglich. Durch Anwendung der ge­ nannten Prüfmodi ist eine komplette Überprüfung aller angeschlossenen Be­ triebsmittel möglich.

Im Serviceintervall empfiehlt es sich, die Leuchtpunkte nur kurzzeitig ein- und auszuschalten, um die Gesamtzeit des Serviceintervalles bei der maximalen Hardwareadressenanzahl auf einen angemessenen Zeitraum zu begrenzen. Werden im Serviceintervall Unregelmäßigkeiten an einer Hardwareadresse fest­ gestellt, erfolgt vom PCS-Manager der Service an dieser Hardwareadresse, um den Fehler exakt zu bestimmen.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, über die Kommandoadresse und einem vierten Befehlskode alle Verbraucher unmittelbar ohne vorherige Programmierung einzu­ schalten.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsan­ ordnung. Dabei ist der PCS-Manager 1 sowohl mit dem speisenden Wechsel- bzw. Drehstromnetz 10, dem Lichtsensor 12 und den angeschlossenen PCS-Controllern 13 elektrisch verbunden. Der PCS-Manager 1 besteht aus dem Rech­ nermodul 2, der Echtzeituhr 3, den Spannungssensoren 4, den Stromsensoren 5 dem Leistungsteil 6, dem Hauptschalter 7, dem Parallelschalter 8 sowie dem Stromversorgungsmodul 9. Am Ausgang des PCS-Managers 1 sind die Leuch­ ten 18 sowie die PCS-Controller 13 über ein Starkstromkabel 11 angeschlossen. Die PCS-Controller 13 bestehen aus der Stromversorgung 17 und einem Einchip­ mikrorechner 14, einem Relais 15 und dem Triac 16, wobei der Einchipmikro­ rechner 14 die Signalauswertung und Signalspeicherung sowie die Ansteuerung des Relais 15 und des Triac 16 übernimmt.

Wenn das Rechnermodul 2 des PCS-Managers 1 eine Übereinstimmung zwischen programmierter Zeit und der Echtzeituhr 3 feststellt oder ein Signal vom Lichtsensor 12 erhält, beginnt die Aktivierung des PCS-Systems. Diese wird durch das Schließen des Hauptschalters 7 und Überprüfung der Anschlußspannung über den Spannungssensor 4 eingeleitet. Das Anlegen der Betriebsspannung an die PCS-Controller 13 hat zur Folge, daß die Einchipmikrorechner 14 ein Power-On-Reset durchführen und dabei die Ausgaben über das Relais 15 und den Triac 16 sperrt und anschließend auf vom PCS-Manager 1 gesendete Signale wartet. Sofern der PCS-Manager 1 keine Unregelmäßigkeiten in der Betriebs­ spannung und den Betriebsströmen bei abgeschalteter Beleuchtungsanlage fest­ stellt, öffnet er das den Leistungsteil 6 überbrückende Parallelschütz 8 und sendet alle in seinem Programmspeicher abgelegten Programmierbefehle an alle Grup­ pen- bzw. Softwareadressen. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, erfolgt das Sen­ den der Kommandoadresse mit dem Kommandokode, der die PCS-Module 13 veranlaßt, vom Empfangsmodus in den Timermodus zu wechseln. Damit ist der Sendevorgang beendet und der Rechnermodul 2 des PCS-Managers 1 schließt den Parallelschalter 8.

Die sich nunmehr im Timermodus befindenden PCS-Controller 13 führen nun die im RAM des Einchip-Mikrorechners 14 abgelegten Zeit- und Befehlsfolgen derart aus, daß das Relais 15 und der Triac 16 die angeschlossenen Leuchten 18 in die Betriebszustände "Ein", "Aus" oder "Leistungsreduziert" schaltet. Dieser Betriebs­ zustand bleibt so lange erhalten, bis das Timerprogramm abgearbeitet ist oder ein erneuter Power-On-Reset erfolgt.

Die Betriebsart Servicebetrieb unterscheidet sich vom Timerbetrieb dadurch, daß das Senden der Timerbefehlsfolge entfällt und das ausschließlich die Komman­ doadresse mit einem Servicebefehl gesendet wird. Beim Service für alle Lampen werden durch die PCS-Controller 13, beginnend mit der Hardwareadresse eins, alle Leuchten 18 nacheinander kurzzeitig ein- und ausgeschalten. Über den Stromsensor 5 kann somit einfach die Funktion der Lampe als Ja-Nein-Aussage ermittelt werden. Für die genaue Bestimmung eines Betriebszustandes ist der Service an der Hardwareadresse vorgesehen. Bei diesem wird zusätzlich zur Kommandoadresse die Hardwareadresse sowie der entsprechende Servicebefehl gesendet. Der angesprochene PCS-Controller 13 schaltet die über die Hardware­ adresse adressierte Leuchte 18 über das Relais 15 solange in den "Ein"-Zustand bis vom PCS-Manager 1 ein Power-On-Reset ausgelöst wird. In dieser Zeit be­ steht die Möglichkeit, den Stromverlauf in der Leuchte exakt zu messen und aus­ zuwerten.

Die Ausführung des vierten Befehlskodes, dem sofortigen Einschalten aller Ver­ braucher, erfolgt analog dem Servicebetrieb, indem von dem PCS-Manager 1 nur die Kommandoadresse mit dem zugehörigen Einschaltbefehl an die PCS-Con­ troller 13 übertragen wird.

Claims (6)

1. Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben und Überwachen diskonti­ nuierlich betriebener elektrischer Verbraucher über Starkstromleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ausschaltzeit bzw. kurz vor dem Wiederein­ schalten die Betriebsweise der einzelnen Systemkomponenten durch Program­ mierung der jeweiligen auf bestimmte Kommandoadressen, Gruppenadressen und Einzeladressen eingestellten Slavemodule festgelegt wird, und daß durch diese Programmierung entweder das Betriebsregime für die bevorstehende Ein­ schaltzeit des Gesamtsystems festgelegt oder aber die Funktionstüchtigkeit aller oder einzelner Systemkomponenten festgestellt wird, und daß dazu sowohl Energie als auch Informationen über das Energienetz übertragen werden, und daß ein diskretes binäres Signal, welches unmittelbar über die vorhandene Netz­ leitung übertragen werden kann, dadurch erzeugt wird, daß für die Generierung des einen Signalpegels eine ungerade Anzahl von Spannungshalbwellen ausge­ blendet bzw. stark abgesenkt wird, und daß unmittelbar nach dem Absenken bzw. Ausblenden Spannungsperioden, die für die Signalübertragung nicht relevant sind, eingefügt werden, und daß für die Erzeugung des anderen Signalpegels nicht beeinflußte Spannungsperioden benutzt werden, und daß aus diesen Signalpegeln die zur Informationsübertragung erforderlichen Bitfolgen zusam­ mengesetzt und über die Netzleitung übertragen werden können, und daß bei transformatorischer Ankopplung des Empfängers erreicht wird, daß dem Netz keine Gleichströme entnommen werden, und daß die Synchronisation und die Energieversorgung des Empfängers auch bei langen Datenströmen gewährleistet bleibt.

2. Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben und Überwachen diskonti­ nuierlich betriebener elektrischer Verbraucher über Starkstromleitungen nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mastermodul sowohl mit dem spei­ senden Wechsel- bzw. Drehstromnetz, einem Lichtsensor und den angeschlos­ senen Slavemodulen elektrisch verbunden ist, und daß das Mastermodul aus einem oder mehreren Rechnermodulen, einer Echtzeituhr, Spannungssensoren, Stromsensoren, einem oder mehreren Leistungsteilen zur Ausblendung bzw. Ab­ senkung der Netzspannung, einem oder mehreren Hauptschaltern, einem oder mehreren Parallelschaltern sowie einem oder mehreren Stromversorgungs­ modulen besteht, und daß am Ausgang des Mastermoduls elektrische Ver­ braucher, die sich in Serie in Energieflußrichtung hinter den Slavemodulen be­ finden, über ein Starkstromkabel angeschlossen sind, und daß die Slavemodule aus einem oder mehreren programmierbaren Schaltkreisen, einer oder mehrerer Schalteinheiten und einer oder mehrerer Stromversorgungen bestehen.

3. Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben und Überwachen diskonti­ nuierlich betriebener elektrischer Verbraucher über Starkstromleitungen nach An­ spruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Mastermodul verwendeten Leistungsteile aus Halbleiterbauelementen aufgebaut sind.

4. Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben und Überwachen diskonti­ nuierlich betriebener elektrischer Verbraucher über Starkstromleitungen nach An­ spruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Mastermodul verwendeten Haupt- und Parallelschalter sowohl aus mechanischen als auch aus Halbleiter­ schaltern aufgebaut sind.

5. Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben und Überwachen diskonti­ nuierlich betriebener elektrischer Verbraucher über Starkstromleitungen nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbaren Schaltkreise des Slavemoduls als Einchipmikrorechner ausgeführt sind, und daß eine Echtzeituhr als exakte Zeitbasis hinzugefügt wird.

6. Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben und Überwachen diskonti­ nuierlich betriebener elektrischer Verbraucher über Starkstromleitungen nach An­ spruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mastermodul über einen Per­ sonal-Computer als auch über ein Modem programmiert und seine Daten eben­ falls über diese Geräte ausgelesen werden können.