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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen und verbraucherorientierten
Minimierung des Gesamtstromverbrauchs und der Leistungsspitze einer
Gruppe von an einem Leistungsversorgungsnetz angeschlossenen einzelnen
elektrischen Verbrauchern.
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In
gewerblichen und industriellen Anlagen und Gebäuden entstehen durch das zeitliche
willkürliche
oder automatische Einschalten von elektrischen Geräten mit
größerer Leistungsaufnahme
große, vom
Leistungsversorgungsnetz (Stromnetz) zu liefernde Leistungen, deren
monatlicher Höchstwert von
dem Energieversorgungsunternehmen durch entsprechende Zähleinrichtungen
gemessen wird. Hierbei wird der monatliche Höchstwert der gesamten Leistungsaufnahme
je Tarifintervall von dem Energieversorgungsunternehmen registriert
und entsprechend berechnet. Während
in privaten Haushalten und Unternehmen mit geringem Leistungsbedarf der
Tarif zur Berechnung der gelieferten Leistung aus einem Grundpreis,
der sich aus der Höhe
der installierten Leistung berechnet, und aus dem Arbeitspreis für die abgenommene
Arbeit (in kWh) zusammensetzt, berücksichtigt der Leistungspreis-Tarif für Großverbraucher
auch die auftretende Spitzenleistung. Bei diesem speziellen Tarif
setzt sich der Strompreis aus dem Leistungspreis für die innerhalb
einer vorbestimmten Bezugszeit in Anspruch genommene Höchstleistung
(entweder in kW oder in kVA) und dem Arbeitspreis für die tatsächlich bezogene
elektrische Arbeit (in kWh) zusammen. Da für den Großverbraucher somit auch eine
Leistungsspitze für die Strompreisberechnung
seitens des Energieversorgungsunternehmen berücksichtigt wird, ist es erforderlich,
durch Schwankungen der Leistungsaufnahme je Zeiteinheit auftretende
Leistungsspitzen (maximale Gesamtleistungsaufnahme) auf einem möglichst
niedrigen Niveau zu halten. Da elektrische Großverbraucher und insbesondere
elektrothermische Verbraucher in einem Gebäude oder in einem gesamten
Unternehmen sich beispielsweise durch Thermostaten, Druckgeber und
dergleichen selbsttätig
zyklisch steuern, tritt in Verbindung mit manueller Betätigung bestimmter
Geräte
durch den Benutzer ein zufälliges,
gleichzeitiges und selbständiges
Einschalten vieler Geräte
auf, so dass durch dieses gleichzeitige Einschalten (Gleichzeitigkeitsgrad)
eine erhebliche Leistungsspitze auftritt und sich dies auf das zu
bezahlende Leistungsmaximum des Monats nachteilig auswirkt.
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In
diesem Zusammenhang ist aus der gattungsbildenden Druckschrift
GB 2 296 607 A eine Leistungssteuerungsvorrichtung
bekannt, bei der eine Vielzahl von Steuerungsknoten mit zugehörigen elektrischen
Lasten in Form eines sternförmigen
Netzes mit einer zentralen Erfassungseinrichtung zur Erfassung der
momentan verbrauchten Gesamtleistung der eingeschalteten Lasten
angeschlossen ist. Die dem einzelnen Steuerungsknoten zugeordneten elektrischen
Lasten werden in vorbestimmter Weise in Abhängigkeit von der zentral erfaßten Gesamtleistung
zu- oder abgeschaltet oder in ihrer Leistungsaufnahme vermindert,
wobei die Abschaltkriterien im voraus festgelegt sind. Die zentrale
Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Gesamtleistung gibt ein Warnsignal
auf der Basis der erfaßten
Gesamtleistung aus, wenn diese eine maximale Leistung überschreitet.
Die Abschaltung oder Leistungsverminderung der Geräte erfolgt
im Gerät
selbst in Abhängigkeit
von einer zentralen Steuerung. Die zentrale Steuerung wird insbesondere
bewirkt durch das von der Erfassungseinrichtung ausgegebene Leistungswarnsignal,
das die gemessene Gesamtleistung bewertet. Die Steuerung eines einzelnen
Geräts
erfolgt somit unabhängig
von anderen Geräten
durch eine zentrale Maßnahme.
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Aus
der Druckschrift
DE
40 27 919 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
selektiven Abtrennen von Leistungsabschnitten in Energieversorgungsnetzen
bekannt, bei welchen ein Datenvergleich zwischen davor und dahinter
liegenden Leitungsabschnitten jeweils bezüglich einer dazwischenliegenden
Einheit erfolgt. Bei einem Überstrom vergleicht
jede Steuereinheit ein Stromphasensignal ihrer Nachbarsteuereinheiten
und trennt in Abhängigkeit
vom Vergleichsergebnis die fehlerhafte Stelle auf der entsprechenden
Seite vom Netz.
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Aus
der Druckschrift
EP
0 053 383 A1 ist ferner ein Verfahren zur rechnergesteuerten Überwachung
des auf eine einstellbare maximale Grenzleistungsaufnahme beschränkten Gesamtstromverbrauchs
einer Gruppe von an einem Stromnetz angeschlossenen einzelnen Stromverbrauchern
bekannt, bei welchem eine zentrale Steuerungsvorrichtung die Betriebszustände der
einzelnen Stromverbraucher erfasst und entsprechende Abschaltvorgänge oder Umschaltvorgänge auf
geringere Leistungsaufnahme einzelner Verbraucher steuert. Im einzelnen
wird die Leistungsaufnahme der jeweiligen Stromverbraucher gemessen
und die Summe der gemessenen Leistungsaufnahmen wird mit einer vorbestimmten Grenzleistungsaufnahme
verglichen, wobei entsprechende Schaltvorgänge bei Überschreiten der vorgegebenen
Grenzleistungsaufnahme vorgenommen werden. Über Leitungsverbindungen zur
zentralen Steuerungsanlage übertragen
die Stromverbraucher ihre jeweiligen Schalt- und Betriebszustände, und
es werden innerhalb jeder Messperiode die einzelnen Stromverbraucher
nach ihren momentanen Schalt- und
Betriebszuständen
abgefragt. Entsprechend einer für
jeden Verbraucher bestimmten Prioritätsziffer bezüglich des
Zu- oder Abschaltens er folgt bei einer zu erwartenden Überschreitung
der Grenzleistungsaufnahme eine prioritätsorientierte Abschaltung bzw. eine
Umsteuerung jeweiliger Stromverbraucher während einer festgelegten Zeitspanne
auf eine geringere Leistung.
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Ferner
ist es aus verschiedenen, auf dem Markt angebotenen Systemen und
Verfahren zur Leistungsbegrenzung bekannt, eine zentrale Steuereinheit
vorzusehen, um gezielt definierte, prioritätsbehaftete Schalthandlungen
in Bezug auf eine durch den Anwender vorgegebene Grenzleistungsaufnahme
je Tarifintervall zu steuern.
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Aus
der Firmendruckschrift "KBR
OPTIMAX 2 Energiekontrollsystem",
Ausgabe 01/97 ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer Energiesteuerung
bekannt, die dezentral mit Unterstationen arbeitet, welche über eine
Bus-Leitung mit dem Energiekontrollsystem verbunden sind. Durch
eine optimale Verwaltung nach Leistung, Priorität und Schaltzeit greift das
Energiekontrollsystem in die zu optimierenden Anlagen einschließlich der
zu steuernden einzelnen elektrischen Verbraucher ein. Hierbei verwaltet das
Energiekontrollsystem als Zentraleinheit sämtliche Zusatzfunktionen wie
Anzeige wichtiger Informationen, Ansteuern eines Ferndruckers und
der zugeschalteten Unterstationen und deren Parameter und schaltet
diese entsprechend den Optimierungskriterien (Stufenleistung, Rangfolge,
Messperioden, Sperrzeit, Mindesteinschaltzeit, minimale und maximale Ausschaltzeit)
zu oder ab, wobei auch Steuerungsmaßnahmen des Energieversorgungsunternehmens berücksichtigt
werden können.
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Aus
der Firmendruckschrift "KBR
informiert", Ausgabe
10/96 wird des weiteren eine unter dem Namen MULTIMAX auf dem Markt
angebotene Einrichtung beschrieben, bei der die erforderlichen Abschaltungen
zur Beschränkung
der Leistungsspitze unter Berücksichtigung
von in einem zentral angeordneten Hauptgerät programmierten Eigenschaften
wie Priorität,
bisherige Abschaltquote, minimale und maximale Ein-/Ausschaltzeiten
gesteuert werden. Die Einrichtung ermöglicht es dem Benutzer, bis
zu 32 Verbraucher zur Senkung der Leistungsspitze in den Optimierungsprozess
einzubeziehen. Ferner übernimmt die
Zentraleinheit die Messung und Berechnung der momentanen Leistungsaufnahme
und der aktuellen Grenzleistungsvorgaben, wobei der Leistungsmesseingang
der zu überwachenden
Leitungen direkt der Zentraleinheit ohne Verwendung einer BUS-Leitung zugeordnet
ist.
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Mit
den vorstehend beschriebenen Systemen können in einem Verbund arbeitende
elektrische Großverbraucher
in der Weise gesteuert werden, dass gleichzeitiges Einschalten einer
Vielzahl von Geräten
vermieden und die zur Strompreisberechnung herangezogene Leistungsspitze
vermindert wird. Sämtliche
der vorstehend angegebenen Systeme bedienen sich einer zentralen
Steuerungseinrichtung zur Steuerung der erforderlichen Schaltvorgänge der
einzelnen Verbraucher. Dies erfordert einen erheblichen Verkabelungsaufwand
innerhalb des Systems. Ferner ist die Wirksamkeit des Systems sehr
empfindlich gegenüber
Störungen
der zentralen Steuerungseinrichtung. Liegt eine Störung oder
ein völliger
Ausfall der zentralen Steuerungseinrichtung vor, dann ist keine
Steuerung zur Optimierung des Energieverbrauchs und zur Senkung
der Leistungsspitze möglich.
Sämtliche
angeschlossene Verbraucher müssen,
sofern dies im individuellen Gerät
vorgesehen ist, autark ohne Steuerung bedient werden. Dies kann
jedoch in ungünstigen
Fällen
zu einer erheblich vergrößerten Leistungsspitze
führen,
so dass der Strompreis ansteigt. Ferner werden bei Störungen oder
Ausfall der zentralen Steuerungseinheit Notabschaltmaßnahmen
erforderlich.
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Aus
der Firmendruckschrift "Siemens
SIMEAS M, intelligentes Energie-Management", Ausgabe 1997 ist ferner ein Energie-Managementsystem bekannt,
das aus einer zentralen Steuerungseinheit und bis zu 15 Unterstationen
besteht, die ihrerseits bis zu je 8 Schaltkreise bedienen können. Die
zentrale Steuerungseinheit und die Unterstationen sind über eine
BUS-Leitung miteinander verbunden. Die Betriebszeiten und Schalthandlungen
je Schaltkreis werden in der zentralen Steuerungseinheit hinterlegt, wobei
eine genaue Staffelung der Abschaltungen nach betrieblichen Erfordernissen
(Prioritäten)
gesteuert wird. Ferner erhält
die zentrale Steuerungseinheit direkt Leistungsmessinformationen
bezüglich der
gemessenen Gesamtleistungsaufnahme der zugeschalteten Verbraucher,
so dass bei Ausfall der zentralen Steuerungseinrichtung ebenfalls
die Leistungsberechnung und ein Leistungsvergleich mit einem Spitzenleistungssollwert
und spezielle Schalthandlungen eingestellt werden müssen oder
ein Notbetrieb eingerichtet werden muss.
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Somit
ist aus allen bekannten Energie-Managementsystemen die Verwendung
einer zentralen Steuerungseinheit bekannt, die einerseits einen
erhöhten
Verkabelungsaufwand der einzelnen Geräte erfordert und andererseits
bei einer Störung
der zentralen Steuerungseinheit einen Notbetrieb erfordert. Eine
wirksame Steuerung der einzelnen Verbraucher zur Verminderung einer übermäßigen Leistungsspitze
ist somit nicht gewährleistet.
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur automatischen und verbraucherorientierten
Minimierung des Gesamtstromverbrauchs und der Leistungsspitze einer Gruppe
von an einem Stromnetz angeschlossenen Verbrauchern der eingangsgenannten
Art derart auszugestalten, dass auf einfache Weise ohne Verwendung
einer zentralen Steuerungseinrichtung eine sichere Steuerung der einzelnen
Verbraucher bei vermindertem Gesamtaufwand gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen
Mitteln gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst
das Verfahren zur automatischen und verbraucherorientierten Minimierung
des Gesamtstromverbrauchs und der Leistungsspitze einer Gruppe von
an einem Leistungsversorgungsnetz angeschlossenen Verbrauchern das Überwachen
jedes einzelnen Verbrauchers und das Erfassen seines Betriebszustands
und Ermitteln der jeweiligen Leistungsaufnahme. Dies wird durch die
dem Verbraucher selbst zugeordnete (lokale) Steuerungseinrichtung
bewirkt, die ihrerseits über
ein Übertragungsmedium
mit den Steuerungseinrichtungen, die den anderen Verbrauchern zugeordnet
sind, verbunden ist. Mittels des Übertragungsmediums findet ein
ständiger
Datenaustausch zwischen den Steuerungseinrichtungen der einzelnen
Verbraucher statt, wobei entsprechend der zentral erfassten Momentanleistungsaufnahme
sämtlicher
betriebener Verbraucher dieser (auch tarifintervallbezogene) Messwert
jeder elektronischen Steuerungseinrichtung zugeführt und dort bis zu einer Erneuerung
des Werts gespeichert wird. Jeder der einem Verbraucher zugeordneten
Steuerungseinrichtungen vergibt für den jeweiligen Verbraucher
entsprechend den Eigenschaften und des Betriebszustands des Verbrauchers
eine momentan gültige
Wichtigkeit für
die Schaltbedingungen (Zu- oder Abschaltung, Umschaltung auf größere oder
geringere Leistung), wobei diese momentan gültige Wichtigkeit den anderen
Steuerungseinrichtungen der jeweiligen Verbraucher zugeführt und
gespeichert wird. Das Zuführen
einer aktualisierten Wichtigkeit bewirkt eine Erneuerung der gespeicherten
Daten. Die jeweiligen Verbraucher nehmen in Abhängigkeit von der zugeführten jeweiligen
Wichtigkeit der einzelnen Verbraucher ihrerseits die zur Senkung
der Leistungsspitze erforderlichen Schaltmaßnahmen vor.
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Auf
diese Weise ist gewährleistet,
dass unter Verzicht auf eine zentrale Steuerungseinheit, die sämtliche
Daten verarbeitet, verwaltet und sämtliche Schaltbefehle den einzelnen
Verbrauchern zuführt, erfindungsgemäß die Verarbeitung
der anfallenden Daten dezentral durchgeführt wird, wobei die Steuerungseinrichtungen
der einzelnen Verbraucher miteinander bezüglich eines Datenaustauschs
in Verbindung stehen. Tritt in diesem Fall eine Störung oder ein
völliger
Ausfall der Steuereinrichtung eines Verbrauchers oder des Verbrauchers
selbst auf, so ist trotz dieses Ausfalls eine weitere gezielte Steuerung der übrigen,
fehlerfrei arbeitenden Verbraucher sichergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren
und die Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens stellen somit ein gegenüber Störungen wesentlich unempfindlicheres
System bereit, das darüber
hinaus auch einen geringeren Verkabelungsaufwand erfordert. Auch
unter Verzicht auf eine zentrale Steuerungseinheit kann jederzeit
und unabhängig
von Störungen
einzelner Verbraucher eine optimale Steuerung, d. h. ein optimales
Energie-Management durchgeführt
werden.
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In
den jeweiligen Unteransprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 den
grundsätzlichen
dezentralen Aufbau einer Vorrichtung, bei der das Verfahren zur
automatischen und verbraucherorientierten Minimierung des Gesamtstromverbrauchs
und der Leistungsspitze einer Gruppe von elektrischen Verbrauchern
angewendet wird,
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2 den
grundsätzlichen
Aufbau eines elektrischen Verbrauchers einschließlich der zugeordneten Steuerungseinrichtung,
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3 die
Beschaltung einer Vielzahl elektrischer Verbraucher in Verbindung
mit einem Übertragungsmedium
und einem Leistungsversorgungsnetz,
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4 ein
Ablaufbeispiel zur Steuerung der unterschiedlichen Verbraucher im
Hinblick auf eine Begrenzung der Leistungsspitze,
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5 eine
graphische Darstellung zur Veranschaulichung einer Wichtigkeitsskala,
wie sie in dem Verfahren verarbeitet wird, und
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6 eine
graphische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus eines Energie-Managementsystems
gemäss
dem Stand der Technik.
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1 zeigt
den grundsätzlichen
Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur automatischen
und verbraucherorientierten Minimierung des Gesamtstromverbrauchs
und der Leistungsspitze einer Gruppe von an einem Leistungsversorgungsnetz
(Starkstromversorgung, Stromnetz) angeschlossenen einzelnen elektrischen
Verbrauchern. Gemäss 1 führen eine
Leistungserfassungseinrichtung 1 und eine zu Redundanzzwecken eventuell
vorgesehene weitere Leistungserfassungseinrichtung 2 mittels
entsprechender Messeinrichtungen 4 eine Leistungsmessung
an dem Leistungsversorgungsnetz durch. Diese Leistungsmessung umfasst
insbesondere die Erfassung einer momentanen Spitzenleistung und
gegebenenfalls des Tarifintervalls. Mit dem Leistungsversorgungsnetz
sind eine Vielzahl einzelner Geräte
G1 bis Gn verbunden und werden mittels des Leistungsversorgungsnetzes
mit der entsprechenden elektrischen Leistung versorgt. Jedes Gerät besteht
aus einer Steuerungseinrichtung S1 bis Sn und dem eigentlichen elektrischen Verbraucher
V1 bis Vn. Die Steuerungseinrichtung S1 bis Sn in Form einer elektronischen,
auf Mikroprozessortechnik basierenden Steuerungseinrichtung, kann
werkseitig bereits in den Geräten
G1 bis Gn, d. h. zusammen mit dem elektrischen Verbraucher V1 bis
Vn angeordnet sein oder kann an einem anderen Ort, vorzugsweise
in der Nähe
des Verbrauchers V1 bis Vn vorgesehen und diesem zugeordnet sein.
Die elektronischen Steuerungseinrichtungen S1 bis Sn der jeweiligen
Geräte
G1 bis Gn sind mittels einer Übertragungseinrichtung 3 (Übertragungsmedium)
in Form eines Datenbusses verbunden.
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Ferner
sind sämtliche
Steuerungseinrichtungen S1 bis Sn mit den Leistungserfassungseinrichtungen 1 und 2 über die Übertragungseinrichtung 3 verbunden.
Auf diese Weise können
die einzelnen Steuerungseinrichtungen S1 bis Sn der Vielzahl der Geräte G1 bis
Gn miteinander Daten austauschen und können Daten über den Datenbus 3 von
der Leistungserfassungseinrichtung 1 (und 2) empfangen. Insbesondere
wird von den Leistungserfassungseinrichtungen 1 und 2 die
aktuelle Gesamtleistung (Leistungsaufnahme) der elektrischen Verbraucher
V1 bis Vn den Steuerungseinrichtungen 51 bis Sn der Geräte G1 bis
Gn zugeführt.
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Durch
die Verwendung einer oder mehrerer Leistungserfassungseinrichtungen 1 und 2,
die gegebenenfalls ihre jeweiligen individuellen Meßergebnisse
zum Zwecke einer Redundanz vergleichen und die auf der Basis einer
mikroprozessor-gesteuerten Erfassungseinrichtung aufgebaut sind,
wird für
die Steuerungseinrichtungen S1 bis Sn eine aktuelle Leistungsaufnahme
und auch ein aktueller Leistungsrestbetrag (Leistungsguthaben) angezeigt,
wobei diese Angaben auf einer Trendberechnung über das Tarifintervall (von
beispielsweise 15 min.) basieren können.
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2 zeigt
die Anordnung eines Geräts
G1 bis Gn bestehend aus einem der Verbraucher V1 bis Vn und der
jeweils einem Verbraucher zugeordneten Steuerungseinrichtung S1
bis Sn. Die Steuerungseinrichtung S1 bis Sn empfängt mittels der Übertragungseinrichtung 3 in
Form eines Datenbusses die mittels der Leistungserfassungseinrichtungen 1 und 2 erfaßte Leistungsaufnahme
und des Leistungsrestbetrags. In Abhängigkeit von einer Verarbeitung
dieser Information innerhalb der Steuerungseinrichtung S1 bis Sn
werden, sofern erforderlich, Schaltbefehle erzeugt, die dem Verbraucher
V1 bis Vn zugeführt werden,
so daß die
in der zugehörigen
Steuerungseinrichtung 51 bis Sn ermittelten Schaltmaßnahmen am
jeweils zugeordneten Verbraucher V1 bis Vn umgesetzt werden. Hierbei
wird der Verbraucher V1 bis Vn entweder an das elektrische Leistungsversorgungsnetz 5 geschaltet
(Zuschaltung) oder davon abgeschaltet (Abschaltung) oder auf eine
größere oder
geringere Leistungsaufnahme umgeschaltet.
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Ein
gemeinsamer Betrieb mehrerer Geräte G1
bis Gn ist in 3 veranschaulicht, wobei die
Geräte
sowohl mit dem Übertragungsmedium 3 als
auch mit dem Leistungsversorgungsnetz 5 verbunden sind.
Die Leistungserfassungseinrichtungen 1 und 2 erfassen
mittels der Meßeinrichtung 4 (Stromwandler)
die aktuelle Leistungsaufnahme im Leistungsversorgungsnetz, d.h.
die momentane Gesamtleistungsaufnahme sämtlicher zugeschalteter Geräte G1 bis Gn
bzw. der Verbraucher V1 bis Vn.
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In
Abhängigkeit
von der Funktion des jeweiligen Geräts G1 bis Gn vergleicht die
zugehörige
Steuerungseinrichtung S1 bis Sn den aktuellen Leistungsmeßwert mit
den für
den zugehörigen
Verbraucher V1 bis Vn selbstgestellten Vorgaben und nimmt geeignete
Schalt- oder Regelungsmaßnahmen
vor, die in einem spezifischen Steuerungsprogramm hinterlegt sind.
Somit verarbeitet die Steuerungseinrichtung S1 bis Sn mittels ihres
spezifischen Steuerungsprogramms gespeicherte Daten, gespeicherte
momentane und veränderliche
Daten wie die mittels der Leistungserfassungseinrichtung zugeführte Gesamtleistungsaufnahme
sowie den Leistungsrestbetrag, die jeweilige Verbrauchernummer oder
Gerätenummer
und die Wichtigkeitsskala, die nachstehend noch im einzelnen beschrieben
wird.
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Die
Steuerungseinrichtung S1 bis Sn führt dabei folgende Maßnahmen
durch: Speichern von zugeführten
Daten (Gesamtleistung, Leistungsrestbetrag), Messung des Betriebszustands
des Verbrauchers und Umsetzen von Schaltbefehlen zur Erzielung eines
vorbestimmten oder berechneten Schaltzustand des Verbrauchers V1
bis Vn in Hinblick auf eine Anpassung der Leistungsaufnahme des
Verbrauchers V1 bis Vn an die zulässige Gesamtleistungsaufnahme
der Verbrauchergruppe.
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Insbesondere
werden die Abschaltphasen der Verbraucher V1 bis Vn in Rahmen der
momentanen, individuellen Möglichkeiten
derart gesteuert und insbesondere verlängert, so daß über ein
Zeitintervall der Leistungsbezug vermindert wird, jedoch eine Betriebsbeeinträchtigung
durch die Steuerung weitgehend ausgeschlossen ist.
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Einzelne
Betriebzustände
der jeweiligen Verbraucher V1 bis Vn, beispielsweise eine Anheizphase
oder eine Betriebsphase (volle oder verminderte Leistungsaufnahme),
werden bereits bei der Grundparameterprogrammierung der jeweiligen
Steuerungseinrichtung S1 bis Sn als wichtig oder weniger wichtig
eingestuft und in dieser Form programmiert. Die dem jeweiligen Verbraucher
V1 bis Vn zugeordnete Steuerungseinrichtung S1 bis Sn erfaßt aus den vergangenen
und aktuellen Betriebszuständen
und Meßdaten
(beispielsweise bezüglich
des Gerätethermostaten
oder des Ein- und Ausschalters) in Verbindung mit der abgelaufenen
Zeit, welcher Betriebszustand des Verbrauchers V1 bis Vn vorliegt,
insbesondere welche Betriebsphase gerade beginnt, bereits vorliegt
oder in Kürze
ansteht. In jeweiligen bestimmten oder ermittelten Betriebszuständen wird
eine zeitliche Dauer zugeordnet.
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Eine
derartige Vorgehensweise ist in 4 dargestellt,
wobei anhand von vier Geräten
G1 bis G4 zu verschiedenen Zeitpunkten jeweilige, wechselnde Betriebszustände (Anheizen,
Betriebsphase, Abschaltphase) angegeben sind.
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Signalisiert
hier zum einen ein Soll/Istwertvergleich von zulässiger und momentaner Gesamtleistungsaufnahme
der Verbrauchergruppe, wahlweise mit oder ohne Einrechnung eines
Tarifintervalls eine entsprechende Unterschreitung der Leistungsaufnahme
sowie einen Restleistungsbetrag in Form eines Leistungsguthabens,
so kann die zugehörige Steuerungseinrichtung
S1 bis Sn des entsprechenden Verbrauchers V1 bis Vn die gewünschte Leistungsaufnahme
für eine
nächste
Betriebsphase freigeben und den Verbraucher V1 bis Vn zuschalten.
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Ergibt
andererseits der Soll/Istwertvergleich der erfaßten Momentanleistungsaufnahme
mit dem Höchstwert
der zulässigen
Gesamtleistungsaufnahme ein zu geringes Guthaben, dann signalisiert
die dem betroffenen Verbraucher V1 bis Vn zugeordnete Steuerungseinrichtung
S1 bis Sn im Fall einer erforderlichen Zuschaltung des Verbrauchers
V1 bis Vn eine große
Wichtigkeit infolge der Dringlichkeit der Einschaltung oder auch,
in Abhängigkeit
von der Art des Verbrauchers der Umschaltung auf einer Leistungserhöhung, und
fordert damit global die Freigabe einer Leistung in der gewünschten
Größenordnung. Alle
zu diesem Zeitpunkt steuerbaren, d.h. eingeschalteten und stromverbrauchenden
Geräte
G1 bis Gn, beginnend mit der geringsten Wichtigkeit, vermindern
nun nach deren individuellen und momentanen Möglichkeiten die jeweils eigene
Leistung, bis ein Leistungsguthaben entsprechend der Anforderung durch
die die große
Wichtigkeit signalisierende Steuerungseinrichtung S1 bis Sn zur
Verfügung
steht. Dabei wird bei dem ständig
durchgeführten
Soll/Istwertvergleich der Gesamtleistungsaufnahme sämtlicher Verbraucher
V1 bis Vn mit dem zulässigen
Leistungsmaximum eine entsprechende Unterschreitung des Leistungsmaximums
und somit ein Guthaben angezeigt, worauf die anfordernde Steuerungseinrichtung S1
bis Sn mit der gerade höchsten
Wichtigkeit den jeweils zugeordneten Verbraucher V1 bis Vn in gewünschter
Weise zuschalten kann.
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In
dem in 4 gezeigten Ablaufbeispiel zur Gerätesteuerung
soll eine vorgegebene maximale Leistungsaufnahme der Gesamtanlage
(Geräte 1...4) eingehalten
werden. Vor dem Zeitpunkt 00:00 sind drei Geräte G1 bis G3 eingeschaltet.
Zu dem Zeitpunkt 00:00 wird Gerät 4 als
weiteres Gerät
durch einen Bediener eingeschaltet.
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Die
dem Gerät 4 zugeordnete
Steuerungseinrichtung S4 meldet an das Übertragungsmedium 3 eine
Anforderung mit höchster
Wichtigkeit und wartet nun auf die Freigabe der entsprechenden Leistung,
d.h. auf die entsprechende Abschaltung oder Leistungsverminderung
durch die anderen Geräte G1
bis G3. Da angenommen wird, daß zum
Zeitpunkt 00:00 das Leistungsmaximum der Gerätegruppe G1 bis G4 erreicht
ist und somit keine höhere
Leistung dem Leistungsversorgungsnetz 5 entnommen werden
soll, kann Gerät
G4 nur eingeschaltet werden, wenn ein steuerbares Gerät vom Leistungsversorgungsnetz
getrennt (abgeschaltet) wird oder ein Gerät oder mehrere Geräte auf eine
vermindere Leistungsaufnahme geschaltet werden. Durch die globale Übertragung
und Meldung der Anforderung mittels des Übertragungsmediums 3 und
des in jedem Gerät (zugehörige Steuerungseinrichtung)
vorliegenden Wichtigkeitsgrads wird ermittelt, daß sich das
Gerät G2
in der am wenigsten wichtigen Wichtigkeitsstufe befindet (Zeitpunkt
00:01). Das Gerät
G2 ist seit einer vorbestimmten Zeitdauer (3 min.) aufgeheizt und konnte
somit eine ausreichende Energiemenge für die Überbrückung einer kurzen erzwungenen
Ausschaltzeitdauer aufnehmen und speichern.
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Infolge
der geringen Wichtigkeit schaltet sich somit Gerät G2 selbständig ab und beginnt intern
die Ausschaltdauer zu zählen
und setzt sich anschließend
am Ende der selbständig
ermittelten, für
den jeweils vorliegenden Produktionsprozeß dieses Geräts G2 maximal
erlaubten Ausschaltdauer an die oberste Stelle der Wichtigkeitsskala,
um dann wieder eine ausreichende Leistung zu fordern, so daß eine unerwünschte und
unnötige
Abkühlung
und damit eine Störung
des Gesamtbetriebs der Verbrauchergruppe vermieden wird.
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Die
ständige
Leistungserfassung mittels der Leistungserfassungseinrichtungen 1 und 2 im
Hinblick auf die Gesamtleistungsaufnahme der Gerätegruppe, bestehend aus den
Geräten
G1 bis G4 erfaßt eine
Leistungsverminderung und übermittelt
diesen verminderten Leistungsmeßwert
unmittelbar dem Übertragungsmedium,
so daß diese
Information von den jeweiligen Steuerungseinrichtungen S1 bis S4 der
jeweiligen Geräte
G1 bis G4 eingelesen und vorübergehend
bis zur nächsten
Erneuerung gespeichert wird. Da nun genügend Leistung zur Zuschaltung
des zur Zeit wichtigsten Geräts
G4 frei ist, wird dieser Sachverhalt durch die Steuerungseinrichtung S4
des Geräts
G4 erkannt, worauf die Steuerungseinrichtung S4 selbständig den
Verbraucher V4 des Geräts
G4 zuschaltet und somit die Anheizphase einleitet. Damit ist der
Beginn der normalen Betriebsphase des Geräts G4 erreicht.
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Stehen
Geräte
zur Verfügung,
die anstelle einer völligen
Abschaltung des Verbrauchers vom Leistungsversorgungsnetz 5 eine
abgestufte oder stufenlose Leistungsumschaltung ermöglichen,
so ermittelt die zugehörige
Steuerungseinrichtung immer die momentan maximal mögliche Abschaltleistung
(Leistungsverminderung) und schaltet diese für eine ebenfalls zu ermittelnde
Zeitdauer ab. Im allgemeinen ist bei elektrothermischen Geräten größerer Leistungsaufnahme
die maximale Abschaltdauer um so kürzer, je höher die Abschaltleistung ist,
wobei eine minimale Leistungsverminderung eine längere Abschaltdauer ermöglicht,
ohne daß es
zu einer für den
Bediener erkennbaren Betriebsbeeinträchtigung kommt.
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5 zeigt
die Vergabe einer Wichtigkeitsskala in Form der Blattziffern 1 bis
n. Im vorstehend angegebenen Beispiel gemäß 4 war eine
Gruppe von vier Geräten
G1 bis G4 zu steuern. Gemäß 5 können grundsätzlich n
Geräte
gesteuert werden, wobei in jedem Gerät ein einziger Platz in der Wichtigkeitsskala
zugeordnet wird.
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Vorzugsweise
wird die automatische Wichtigkeitssteuerung, die jeweils in dem
den betroffenen Verbraucher V1 bis Vn zugeordneten Steuerungseinrichtungen
S1 bis Sn durchgeführt
wird, bei einer Anzahl von n Geräten
des Gesamtsystems derart aufgebaut, daß auch genau n Wichtigkeiststufen
vergeben werden können
und somit jedem Gerät
ein Platz in der Wichtigkeitsskala zugeordnet wird. Symbolisch steht
dabei das Gerät
mit dem höchsten
Wichtigkeitsgrad, d.h. das nun mit Leistung zu versorgende Geräte ganz
oben und das Gerät
mit der geringsten Wichtigkeit (Gerät könnte bei Bedarf abgeschaltet werden)
ganz unten in der Wichtigkeitsskala. Dieser Aufbau der Wichtigkeitsskala
ist in allen in den Geräten
G1 bis Gn zugeordneten Steuerungseinrichtungen S1 bis Sn genau gleich.
Der Dateninhalt der Wichtigkeitsskala, der die Basis für die Prioritätssteuerung
des Zu- und Abschaltens der jeweiligen Verbraucher V1 bis Vn bildet,
wird stets sofort bei einer Wichtigkeitsveränderung in allen Steuerungseinrichtungen
S1 bis Sn aktualisiert. Hierbei wird durch die Steuerungseinrichtung
des Geräts,
das eine Wichtigkeitsänderung
durch Einschalten (manuell oder über einen
Thermostaten) erfahren hat, die in jeweiligen Daten mittels des Übertragungsmediums
den übrigen
Steuerungseinrichtungen der zugehörigen Geräte übertragen und dort bis zur
nächsten
Erneuerung gespeichert. Ermittelt eine Steuerungseinrichtung S1 bis
Sn eines Geräts
G1 bis Gn eine Zuschaltung des zugehörigen Verbrauchers V1 bis Vn,
so setzt es sich immer an die Spitze der Wichtigkeitsskala im Hinblick auf
ein baldmögliches
Zuschalten des betroffenen Verbrauchers V1 bis Vn und vergibt sich
selbst die Nummer 1 als höchsten
Wichtigkeitswert und schiebt die Wichtigkeitswerte der weiteren
Geräte
in ihrer Wichtigkeit einen Platz nach unten. Voraussetzung hierfür ist stets,
daß die
Geräte,
deren Wichtigkeitsplatz nach unten verschoben werden soll, bereits eine
Zuschaltung erfahren haben und keine weiteren Geräte mehr
auf eine Zuschaltung warten.
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Die
am Ende der Wichtigkeitsskala stehenden Geräte betreffen die Abschaltrangfolge,
wobei das Gerät
mit der momentan geringsten Wichtigkeit bei Auftreten einer Leistungsknappheit
(geringes Leistungsguthaben) oder bei einem erforderlichen Umverteilungsprozeß, wenn
beispielsweise ein Gerät
neu auf Zuschaltung wartet, abgeschaltet werden.
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Durch
den vorstehend beschriebenen Aufbau der Wichtigkeitsskala ist sichergestellt,
daß kein Gerät G1 bis
Gn mehrere Plätze
beanspruchen kann und sich andererseits jedes Gerät stets
an einer definierten Position innerhalb der Wichtigkeitsskala befindet.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung zur automatischen und verbraucherorientierten
Minimierung des Gesamtstromverbrauchs und der Leistungsspitze einer
Gruppe von an dem Leistungsversorgungsnetz 5 angeschlossenen
einzelnen elektrischen Verbrauchern V1 bis Vn benötigt entsprechend
der vorstehenden Beschreibung keine übergeordnete zentrale Steuerungseinrichtung
oder Zentraleinheit zur Erzeugung von Befehlen zur Auslösung der
Steuerungs- und Regelungsmaßnahmen.
Vielmehr wird jedem Verbraucher V1 bis Vn eine Steuerungseinrichtung
S1 bis Sn, vorzugsweise in Form eines Mikrocomputers, zugeordnet,
wobei auch eine einzige Steuerungseinrichtung mehreren, in der Funktion
zueinander passenden Verbrauchern zugeordnet werden kann, die im
wesentlichen als ein Verbraucher geschaltet werden sollen. Die betreffende
Steuerungseinrichtung muß dazu
in entsprechender Weise ausgelegt sein und verfügt über die Informationen zu den
jeweiligen Leistungsaufnahmen der einzelnen Verbraucher und deren
funktionsabhängigen
Schaltzeiten.
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Somit
wird einem Verbraucher V1 bis Vn eine autarke intelligente Steuerungseinrichtung
(oder Regelungseinrichtung) zugeordnet, die durch individuelle Programmierung
auf der Basis geräteinterner Meßwerte und
von außen
zugeführter
Meßwerte
die Steuerung über
den Verbraucher V1 bis Vn ausübt und
die momentane Leistungsaufnahme auf ein vargegebenes Minimum bzw.
unter ein vorgegebenes Maximum vermindert. Durch die ständige Erfassung der
produktionsabhängigen
Gerätebetriebsdaten
und die spezielle Steuerung mittels der Steuerungseinrichtungen
kann das jeweilige Gerät
G1 bis Gn völlig selbständig und
bedarfsgerecht ein- und ausgeschaltet und/oder in der Höhe der Leistungsaufnahme
angepaßt,
vermindert und damit optimiert werden. Bei jedem elektrothermostatisch
geregelten Gerät
wird zumindest der Schaltzustand der oder des Thermostaten mittels
der zugehörigen
Steuerungseinrichtung abgefragt und es wird durch Schalten eines
oder mehrere Leistungsrelais die Wärmeleistung vollständig oder
in Stufen zu- oder abgeschaltet. Liegt die Möglichkeit einer stufenlosen
Leistungseinstellung vor, so kann dies ebenfalls mittels einer entsprechend
ausgelegten Steuerungseinrichtung entweder digital oder analog erzielt
werden. Infolge des thermischen Speichervermögens der elektrischen Verbraucher
V1 bis Vn können
die jeweiligen Heizeinrichtungen der Verbraucher zeitweilig von
der Leistungszufuhr getrennt werden, ohne daß eine merkbare Beeinträchtigung
ihrer Funktion auftritt und häufig
ohne daß dies
durch den Bediener erkannt wird.
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Jedes
zu steuernde elektrische Gerät
G1 bis Gn oder einer kleinere Gruppe von örtlich und funktionell zusammengehörigen Geräten wird
mit der vorstehend beschriebenen dezentralen Steuerungseinrichtung
ausgestattet, so daß der
Verbraucher V1 bis Vn in Verbindung mit der dezentralen Steuerungseinrichtung
S1 bis Sn eine intelligente und autarke Einheit in Form eines Geräts G1 bis
Gn bildet und sich bis auf diese speziellen Funktionen äußerlich
nicht von einem nicht in der vorliegenden Weise ausgerüsteten Gerät unterscheidet.
Zum Zwecke der Nachrüstung
kann die Steuerungseinrichtung in Form eines Mikrocomputers auch
extern in der Nähe
des Verbrauchers plaziert werden, wobei die Steuerungseinrichtung
und der zugehörige
Verbraucher über
elektrische Leitungsverbindungen zum Erfassen, Steuern und Regeln
in Verbindung stehen.
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Die
einzelnen Steuerungseinrichtungen S1 bis Sn stehen miteinander und
mit den Leistungserfassungseinrichtungen 1 und 2 mittels
des Übertragungsmediums 3 miteinander
in Verbindung. Durch die gezielte zeitliche Steuerung, d.h. das
betriebszustandsorientierte Ein- oder Ausschalten oder Leistungsvermindern
von Geräten
G1 bis Gn wird die Gleichzeitigkeit aller systemgesteuerten, eingeschalteten
und leistungsaufnehmenden elektrischen Verbraucher derart vermindert,
daß die
Leistungsschwankungen und damit die Leistungsspitzen der Gesamtanlage
nachhaltig gesenkt werden, so daß die gesamten Kosten für den Bezug
der elektrischen Arbeit erheblich vermindert werden.
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Das Übertragungsmedium
besteht vorzugsweise aus:
- a) einem Feldbus,
einem Netzwerk auf Zweidraht- oder ähnlicher Basis, einem Telefonnetz,
- b) einer Funkverbindung,
- c) einem gebäudeinternen
Starkstromnetz oder Lichtnetz (ein- oder dreiphasig), das neben
der elektrischen Leistung durch Aufmodulieren eines Nutzsignals
Daten übertragen
kann,
- d) einer Infrarotlichtübertragungseinrichtung,
oder
- e) einem Lichtwellenleiter.
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Insbesondere
werden mittels des Übertragungsmediums
Daten zwischen den Steuerungseinrichtungen S1 bis Sn übertragen,
beispielsweise die in einer Steuerungseinrichtung aktualisierte
Wichtigkeitsskala, sowie der mittels der Leistungserfassungseinrichtungen 1 und 2 erfaßte momentane Leistungswert
und ein Leistungsrestbetrag. Da keine zentrale Steuerungseinheit
vorgesehen ist, werden keine im fehlerfreien normalen Betrieb erzeugten
Abschaltbefehle übertragen.
Denkbar ist hier lediglich die Übertragung
eines zentralen Abschaltbefehls als Notfallmaßnahme.
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Die
jeweiligen Steuerungseinrichtungen S1 bis Sn der zugehörigen Verbraucher
V1 bis Vn werden durch eine entsprechende Programmierung dem jeweiligen
Verbraucher zugeordnet. Hierbei können bei der Konfigurierung
der gesamten Vorrichtung kundenspezifische Wünsche berücksichtigt werden. Für jede Steuerungseinrichtung
können
individuell gültige
Betriebs- und/oder Grenzparameter in Hinblick auf eine individuelle
zeitliche und/oder temperaturrelevante Schalt- oder Regelungsschwelle bestimmt werden.
Ferner finden globale und aktuelle Meßwerte, die vorzugsweise über das Übertragungsmedium
den einzelnen Steuerungseinrichtungen zugeführt werden, Verwendung. Sämtliche
gerätespezifischen
und durch die Funktion des jeweiligen Verbrauchers vorgegebenen
Betriebsparameter werden bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung
im jeweiligen Speicherbereich der einem Verbraucher zugeordneten
Steuerungseinrichtung nicht-flüchtig
gespeichert und werden zusammen mit zeitweilig gespeicherten, ständig erneuerten
Meßwerten
verarbeitet.
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Somit
sind in jeder Steuerungseinrichtung S1 bis Sn der Geräte G1 bis
Gn die jeweils gerätespezifischen
Daten sowie die Wichtigkeitsskala vorhanden, so daß bei Ausfall
eines Geräts
die Daten bei den übrigen
verbleibenden Geräten
gespeichert sind und nicht verlorengehen. Insbesondere kann die Steuerung
der Gesamtleistungsaufnahme im Hinblick auf eine Vermeidung der Überschreitung
einer maximalen Grenzleistungsaufnahme auch mit einer geringeren
Anzahl von Geräten
durchgeführt
werden, da bei der Störung
eines Geräts
oder mehrerer Geräte
diese den Gesamtablauf der Steuerung nicht stören. Auf diese Weise ist auch
bei Störungen
die Funktionstüchtigkeit
des Verfahrens und der Vorrichtung gewährleistet.