DE102010023810A1

DE102010023810A1 - Verfahren und Anordnung zum Messen und Steuern von Energie in lokalen Verteilnetzen

Info

Publication number: DE102010023810A1
Application number: DE102010023810A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-06-16
Also published as: DE102010023810B4

Abstract

In der Energieversorgung findet ein Paradigmenwechsel statt: wurde bisher die Stromerzeugung vom Verbrauch gesteuert (wir erzeugen so viel Strom, wie gerade benötigt wird), so muss heute der Verbrauch von der Stromerzeugung gesteuert werden (wir müssen so viel Strom verbrauchen, wie gerade zur Verfügung steht). Die Erfindung beschreibt daher ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen Strömen und zum Steuern von Verbrauchern sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und ein entsprechendes Speichermedium, welche insbesondere eingesetzt werden können, um ein geeignetes Verhältnis von Stromerzeugung und Verbrauch in abgeschlossenen Bereichen z. B. Wohnungen, Häusern oder Fabriken herzustellen. Unter diesem Gesichtspunkt sind klassische Zähler, die als Ein-Wege oder Zwei-Wege Zähler den Bezug oder die Lieferung aus dem/in das Stromnetz zählen nicht mehr adäquat. Vielmehr muss das lokale Stromnetz heute wie ein globales betrachtet werden, das ebenfalls von Stromerzeugern und Stromlieferanten lebt. Daher wird heute an Stelle eines Stromzählers ein Strommanagement System benötigt, das der der Erfindung zu Grunde liegende ternäre Zähler realisiert. Das Funktionsprinzip ist in beschrieben. Der ternäre Zähler ist in der Lage produzierten und verbrauchten Strom in lokalen Verteilsystemen zu messen, und gegebenenfalls steuernd auf Verbraucher einzuwirken, um möglichst effizienten Energieverbrauch zu realisieren.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen elektrischer Verbrauchsdaten sowie ein entsprechendes Messprodukt und Speichermedium, welches eingesetzt wird, um die Messwerte unterschiedlicher Stromverbräuche aufzunehmen, daraus Steuerungsimpulse zu generieren und damit die Abrechnung und die Steuerung elektrischer und anderer Energieverbraucher entscheidend zu vereinfachen und zu verbilligen.
Stand der Technik
Heute eingesetzte Strom-Messverfahren betreffen die Messung von bezogenem Strom (1-Richtungszähler) für Einrichtungen ohne Stromerzeugung (reine Verbrauchsmessung) oder 2-Richtungszähler, die zusätzlich den gelieferten Strom (die Einspeisung) messen. Die heutige Technik ist in : „Stand der Technik” dargestellt.
Nun erleben wir gerade, nicht zuletzt durch die Förderung der alternativen Energien, einen Paradigmenwechsel in der Energiesteuerung. Wurde bisher die Stromerzeugung durch den Stromverbrauch bestimmt, so muss zukünftig so viel Strom verbraucht werden, wie gerade zur Verfügung steht. Siehe dazu „Paradigmenwechsel”
Ein untrüglicher Nachweis dieses Paradigmenwechsels ist in Deutschland die Absicht, den Eigenverbrauch stärker zu subventionieren, was einen Anreiz schaffen soll, die selbst erzeugte Energie auch selbst zu verbrauchen und so das Verteilnetz von der Aufgabe zu entlasten, überflüssigen Strom zu vernichten.
Problemstellung
Aber der Eigenverbrauch kann mit heutigen Einrichtungen nicht ermittelt werden. Hilfsweise werden bei Stromeinspeisung die Daten zu Rate gezogen, die die Energiewandler liefern, bei Photovoltaik beispielsweise der Wechselrichter. Die Daten, die diese Art von Geräten liefern, sind allerdings aus technologischen Gründen so ungenau, dass eine Abrechnung darüber nur sehr mangelhaft erfolgen kann. Ein Korrelieren mit den Bezugs- und Lieferdaten ist ebenfalls kaum möglich, da diese Daten sich nicht im Besitz des Kunden befinden und eine Kommunikation mit dem Messgerät des Messstellenbetreibers, der, wie in gezeigt, im Besitz der Messstelle ist, selten möglich ist. Außerdem werden die Wandler häufig nur ungenügend an Kommunikationsnetze angebunden, so dass ihre Daten nur lokal zur Verfügung stehen.
Lösung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen von Bezug, Lieferung, Produktion, Verbrauch und Eigenverbrauch von Strom und dessen Parametern sowie ein Messprodukt und ein entsprechendes Speichermedium zu entwickeln, durch welche die Nachteile, die sich aus der jetzigen Art der Messung ergeben, überwunden werden und korrekte Daten lokal verarbeitet und per Internet sicher weitergereicht werden können.
Speziell wird durch die Erfindung ein Verfahren bereitgestellt werden, welches eine einheitliche Behandlung der verschiedenen Messungen bereitstellt, dabei aber die miteinander verknüpften Messwerte korrekt in dem dafür vorgesehenen Speicher ablegt. Darüber hinaus soll durch die Erfindung eine Anordnung zur Verfügung gestellt werden, welche eine einfache und kostengünstige Anwendung des Verfahrens realisiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1, 10, 16, 22 und 23 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass weitere Unterzähler integriert werden können, die die Verbräuche an bestimmten Stellen des Netzes messen, besondere Verbräuche ermitteln können und so mithelfen können, Stromverbräuche zu reduzieren und letztlich den CO2 Ausstoß zu reduzieren. Besonders hingewiesen sei auch auf die Möglichkeit, steuernd auf die Verbraucher einzuwirken, so dass Energiespitzen abgebaut und somit die produzierte Energie besser genutzt werden kann.
Insgesamt lassen sich die benötigten Strom Messwerte

– Bezug,
– Lieferung,
– Verbrauch,
– Eigenverbrauch und
– Produktion

Der hierin enthaltene Vorschlag spezifiziert eine Anordnung der Messgeräte derart, dass entweder der Strom am Stromnetz und der verbrauchte Strom gemessen werden, oder der produzierte und der verbrauchte Strom.
Prinzipieller Aufbau
Der prinzipielle Aufbau einer Energieerzeugungsanlage mit Verbrauch ist in : „Prinzipieller Aufbau” beschrieben. Folgende Komponenten sind im prinzipiellen Aufbau zu finden:

– M1 Zähler an Stromnetz,
– M2 Verbrauchszähler und
– M3 Produktionszähler.

Diese Abbildung zeigt die drei Zähler mit ihren jeweiligen Verbindungen. Dabei sind die Werte

– Bezug und
– Lieferung

– Produktion und
– Verbrauch

Der ternäre Zähler
Die Ermittlung aller fünf Werte erfolgt über den in dieser Schrift beschriebenen ternären Zähler, wie er in : „Der ternäre Zähler” beschrieben ist. Er besteht aus zwei Messwerken, wobei einer ein Zwei-Richtungs- und der zweite ein Ein-Richtungszähler ist. Der zweite Zähler kann auch als Zwei-Richtungszähler ausgelegt sein, so dass auch Verbrauch der Produktionsanlage, hervorgerufen z. B. durch Wechselrichter, ermittelt werden kann.
Angeschlossen wird der Zähler durch einen speziellen Klemmenblock (ternärer Klemmenblock), der im Gegensatz zum herkömmlichen Zähler drei Anschlüsse pro Phase enthält. Erheblicher Vorteil dieser Anschlusstechnik ist, dass für beide Zähler nur ein Zählerfeld benötigt wird, so dass er herkömmliche Zähler leicht ersetzen kann.
Die Anschlussmöglichkeiten für steckbare Zähler (eHZ) beinhaltet diesen Vorteil nicht. Es müssen zwei Zählerfelder verwendet werden.
Der dritte Funktionsblock umfasst die Intelligenz der ternären Zählers:

– CPU Stellt die zentrale Rechenleistung zur Verfügung. Sie erledigt Aufgaben wie z. B. Ablesen der Zähler, abspeichern, authentifizieren von Messdaten sowie die Kommunikation. Ein Teil dieser Funktionen finden unter der Plombe des Zählers statt, was zur Folge hat, dass die Software in einen zugelassenen und einen nicht zugelassenen Teil zerlegt wird.
– MEM: Speicher, der im Wesentlichen der Aufnahme der Messdaten dient. Hier werden neben den aktuellen Zählerdaten wie z. B. Zählerstände und Qualitätsdaten des ternären Zählers auch historische Daten wie z. B. Minuten, Stunden und Tageswerte gespeichert. Weiterhin werden dort Konfigurationsdaten wie Tarifierung und Schaltprogramme untergebracht. Zentraler Bestandteil ist eine Datenbank, die die Daten mit Zeitstempel versieht, geordnet ablegt und einfaches Auslesen gestattet. Abrechnungsrelevante Daten werden signiert, wenn sie nicht bereits signiert sind, und so abgelegt, dass die Authentität gewahrt bleibt.
– COM Der Kommunikationsteil der Anlage stellt die Verbindung zu – Unterzählern, – Kontrollgeräten und dem – lokalen Netz zur Verfügung. Er ist so ausgelegt, dass ein einfaches Erweitern der Anlage im Feld möglich ist. Das gilt sowohl für Hardware, die durch Addition neuer Interfaces für Zähler, Kontrollgeräte und Kommunikationsnetze an neue Anforderungen anpassbar ist, als auch für die Software, die durch laden neuer Software an neue Bedürfnisse anpassbar ist. Für die Signierung gelten besondere Bedingungen.

Anwendungsbeispiel 1
In der ersten Anordnung, die mit dem ternären Zähler aufgebaut werden kann, werden Produktion und Eigenverbrauch berechnet aus den Messdaten von Stromnetz (Lieferung-Bezug) und Verbrauch.
Diese Anordnung wird von Messstellenbetreibern verwendet, die die errechneten Daten (Produktion und Eigenverbrauch) dem Anlagenbetreiber (Kunden) zur Verfügung stellen können.
: „Anordnung Messtellenbetreiber” zeigt die Anordnung, die ein Messstellenbetreiber benötigt.
Der ternäre Zähler wird auf der einen Seite an das Stromnetz angeschlossen und zählt so den Bezugs- und den Liefer-(Einspeise-)Strom. Der zweite Anschluss misst den Verbrauch und der dritte Anschluss liefert Daten über den produzierten Strom. Der Eigenverbrauch wird errechnet. Die Rechenvorschrift ist der : „Ermittlung von Eigenverbrauch und Produktion” zu entnehmen.
Anwendungsbeispiel 2
Die zweite Anordnung wird eingesetzt, wenn die Stromerzeugung und das Stromnetz von unterschiedlichen Betreibern bereitgestellt werden. Der Betreiber der Anlage (Kunde) erhält dann seine Daten (Produktion, Verbrauch und Eigenverbrauch) unabhängig vom Messstellenbetreiber und darüber hinaus noch die Daten, die den Messstellenbetreiber interessieren (Bezug und Lieferung).
In : „Anordnung Anlagenbetreiber” wird eine Anordnung gezeigt, die es dem Anlagenbetreiber erlaubt, die Stromdaten ohne den Messstellenbetreiber zu ermitteln.
Dabei wird der Anschluss C direkt hinter dem Zähler des Messstellenbetreibers angeschlossen. Der Anschluss B misst den Verbrauch und Anschluss A die Produktion. Auch hier wird der Eigenverbrauch rechnerisch ermittelt. Die Rechenvorschrift ist aus : „Ermittlung von Eigenverbrauch und Bezug/Lieferung” zu entnehmen.
In beiden Anordnungen kann der zweite Zähler im ternären Zähler als Zwei-Wege Zähler ausgelegt sein, so dass auch der Verbrauch der Energieerzeuger messbar ist. Dabei kann die augenblickliche Produktion negativ werden, nämlich dann, wenn z. B. ein Wechselrichter weniger Strom produziert, als er verbraucht und was noch wichtiger ist, der Anlagenbetreiber bekommt einen Produktionswert, der nicht die geschönten Werte des Energieerzeugers (der Eigenverbrauch z. B. des Wechselrichters wird üblicherweise nicht ausgewiesen) anzeigt, sondern die tatsächlichen (abrechenbaren) Werte. Allerdings reicht bereits ein Zählwerk ohne Rücklaufsperre aus, um diese Werte zu bekommen.
Vorteile der Erfindung
Die Vorteile der Erfindung liegen klar auf der Hand:
Bei wachsendem Anteil der Haushalte mit Stromerzeugung sei es durch Photovoltaik oder andere Technologien werden immer mehr zusätzliche (Produktions-)Zähler benötigt. Ein ternärer Zähler integriert diesen Zähler in den am Verteilnetz hängenden Stromzähler. Dadurch werden auf der einen Seite die Kosten für die Zähler gesenkt, aber was noch viel wichtiger ist, es wird nur ein Zählerplatz benötigt, häufig ist gar kein Platz für einen zweiten Zähler.
Da der Eigenverbrauch aus zwei Zählern (z. B. aus Produktion und Verbrauch) berechnet werden muss, ist bei herkömmlichen Zählern eine Kommunikation zwischen beiden Zählern notwendig, insbesondere dann, wenn man aus Produktion und Eigenverbrauch Energiesteuerungen vornehmen will. Bei Integration beider Zähler in einen Ternären Zähler entfällt diese Kommunikation natürlich.
Der wesentliche Vorteil des ternären Zählers liegt aber in seiner Fähigkeit aus den gemessenen Werten Steuerungsinformation zu ziehen und so den Energieverbrauch drastisch zu senken. Das Netz eines Kunden wird sich in Zukunft nur geringfügig vom Verteilnetz unterscheiden, so dass Steuerungsmöglichkeiten, wie z. B. das Aufladen eines Elektromobils, unverzichtbar sein werden.
Glossar

Anlagenbetreiber

Kunde mit eigener Energieerzeugung

Bezug

Strom, der aus dem Stromnetz bezogen wird

Eigenverbrauch

Strom, der von dem produzierten Strom selbst verbraucht wird

Ein-Richtungszähler

Misst den Stromfluss in eine Richtung

eHZ

elektronische Haushaltszähler

Lieferung (Einspeisung)

Strom, der vom Anlagenbetreiber in das Stromnetz geliefert wird (siehe Einspeisung).

Messstellenbetreiber

Rolle zum Ablesen von Zählern

Produktion

Strom, der von den Stromerzeugern geliefert wird.

Ternärer Zähler (Ternary Meter)

Stromzähler, der an drei Stromnetze angeschlossen werden kann.

Verbrauch

Strom, der von den Verbrauchern verbraucht wird.

Zwei-Richtungszähler

Misst den Stromfluss in zwei Richtungen

Bezugszeichenliste

A–C

Anschlüsse an Ternären Zähler

COM

Kommunikations Modul

CPU

Zentrales Verarbeitungssystem

L1–3

Phase 1 bis 3

MEM

Speicher für Messdaten/Konfiguration

Claims

Verfahren zum Messen und Kontrollieren von Strömen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Stromzähler drei unterschiedliche Stromnetze gemessen werden können, die Stromkreise mit zwei Messwerken gemessen werden, die beiden Messwerke an einem Eingang miteinander verbunden sind, eine Recheneinheit für die Verarbeitung der Messdaten und die Kontrolle anderer Geräte zur Verfügung steht, die Messdaten in einem Speicher abgelegt werden können, weitere Messgeräte (Unterzähler) angeschlossen werden können, und andere Geräte überwacht werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten gemeinsam verarbeitet und korreliert werden können,
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Messwerte aus anderen Zählern (Submetern) gewonnen werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerke entweder ein-phasig oder dreiphasig messen können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen auch aus anderen Geräten wie z. B. Wechselrichtern oder Stromgenerationen gewonnen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Netze über eine spezielle (ternäre) Klemmleiste angeschlossen werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgeräte neben Verbrauch und Leistung auch Strom-Qualitätsdaten liefern können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass abrechnungsrelevante Messwerte authentisiert an eine Datenzentrale übertragen werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die übertragenen Daten gesichert und optional auch verschlüsselt übertragen werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten in einem lokalen Speicher (MEM) gespeichert werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten für unterschiedliche Perioden abgelegt werden z. B. für Sekunden, Minuten, Viertelstunden, Stunden etc..
Verfahren nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbewahrungszeiten für die einzelnen Messperioden unterschiedlich lang sind. Je größer die Messperiode, desto länger ist die Aufbewahrungszeit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten so gespeichert sind, dass ein einfaches Auffinden möglich ist, z. B. mittels Datenbank Speicherung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass lokale und entfernte Anwendungen auf die gespeicherten Daten zugreifen können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugriff geschützt erfolgt, d. h. jeder Anwender hat spezifische Zugriffsrechte, die es ihm erlauben auf spezifische Messdaten zuzugreifen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben den drei integrierten Zählern auch weitere Unterzähler (Submeter) angeschlossen werden können.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterzähler nicht nur Strom, sondern auch andere Flüsse wie z. B. Gas und Wasser zählen können.
Verfahren nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten der Unterzähler im gleichen Datenspeicher wie die Stromdaten abgelegt werden.
Anordnung mit mindestens einem ternären Zähler, der derart eingerichtet ist, dass er den Strom von und zum Stromnetz, sowie den lokalen Verbrauch misst, wobei Eigenverbrauch und Produktion aus den Messdaten des ternären Zählers ermittelt werden und die gemessenen und ermittelten Daten im Datenspeicher abgelegt werden.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein ternärer Zähler Produktion und Verbrauch misst, so dass Eigenverbrauch, Bezug und Lieferung aus diesen Messdaten ermittelbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtungen des ternären Zählers in programmierbarer Logik oder als integrierter Baustein ausgelegt sind.
Computerprogramm-Produkt, das ein computerlesbares Speichermedium umfaßt, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zum Messen von Stromdaten durchzuführen, wobei die Messdaten optional zunächst authentisiert werden, dann typisiert werden, und danach in geeigneter Weise in der Datenbank des ternären Zählers abgelegt werden.
Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zum Speichern von Messdaten durchzuführen, wobei zu speichernde Daten nach Speicherperiode und Zeit abgelegt werden, die Speicher nach Perioden bereinigt werden und die Daten mittels geeigneter Zugangsverfahren externen Anwendungen zugänglich gemacht werden.