DE19827345B4

DE19827345B4 - Verfahren zur Ableitung der Wirkleistung elektrischer Verbraucher

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Publication number: DE19827345B4
Application number: DE1998127345
Authority: DE
Inventors: Christian Fuenfgeld
Original assignee: Fuenfgeld Christian Dipl-Ing
Current assignee: Fuenfgeld Christian Dipl-Ing
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2018-06-20
Also published as: DE19827345A1

Abstract

Verfahren zur Ableitung der Wirkleistung elektrischer Verbraucher unter Benutzung von Strommesswandlern und einer Recheneinheit, bei dem
(1) zunächst
– zu bewerten ist, ob die Anzahl der notwendigen Messstellen gemäß einem Kriterium hoch oder niedrig ist,
– für jede der Messstellen ein zu bewertender Kennwert, wie der Elektrizitätsverbrauch oder Leistungsbedarf, festgelegt wird, wobei
(1.1) diejenigen Messstellen, die mit ihrem jeweiligen Kennwert an der oberen zulässigen Grenze liegen, eliminiert und einzeln erfasst werden,
(1.2) sowie im Fall einer niedrigen Anzahl der Messstellen auch diese einzeln erfasst werden, und,
(1.3) falls vorhanden, verbleibende Messstellen unter Beachtung ihrer örtlichen Lage zueinander und des – auf Grund ihrer installierten Leistung, ihres Einsatzortes und ihrer Einsatzhäufigkeit – zu erwartenden Verbrauchs bewertet, sortiert und gruppenweise zu mindestens einer Verbrauchergruppe zusammengefasst werden,
(2) allen diesen einzelnen Verbrauchern und – bei Vorhandensein – der mindestens einen Verbrauchergruppe jeweils ein Strommesswandler zugeordnet wird,...

Description

Die Erfindung betrifft eine für das betriebliche Energie-Management hinreichend genaue Ermittlung der Wirkleistung, und daraus mit allgemein bekannten Formeln ableitbar auch der Wirkarbeit, betrieblicher elektrischer Verbraucher. Diese angenäherten Wirkleistungs- und -arbeitswerte sind hinreichend genau, um als Eingangsgröße für betriebliche Energie- bzw. Last-Management-Systeme zu dienen und darin korrekte Schalt- und Betriebsempfehlungen für das betriebliche Energie-Management ableiten zu können.

Das aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 00 188 A1 bekannte Verfahren beschreibt die Einwirkung auf einen elektrischen Verbraucher zur Beeinflussung des momentanen Leistungsbezugs. Dies kann z. B. durch das EVU auf Basis einer Rundsteueranlage erfolgen. Der dort unter Anspruch 1 genannte „Bezugsgrenzwert" ist vergleichbar mit dem hier genannten Wirkleistungswert. Dieser „Bezugsgrenzwert" wird z. B. wie dort in Anspruch 3 per Impulszähler oder dort in Anspruch 5 per Elektrizitätszähler festgestellt. Gerade hier setzt die Erfindung an. Die Installation von Zählern ist insbesondere bei solchen mit fernauslesbaren Datenausgängen teuer. Die Erfindung stellt den in der DE 196 00 188 A1 verwendeten „momentanen Leistungswert" zum Vergleich mit einem „Bezugsgrenzwert" in guter Näherung bereit. Damit hat die DE 196 00 188 A1 nichts zu tun.

In der deutschen Patentschrift DE 40 19 523 C2 ist ein Konzept beschrieben, bei dem die Anschlussleitungen elektrischer Verbraucher mit „Stromflussfühlern" versehen sind. Sofern mehrere Verbraucher erfasst sind, werden die Signale der „Stromflussfühler" in einem „Steuergerät" zu einem Summensignal zusammengefasst. Bei Überschreitung eines Grenzwertes für das Summensignal werden die einzelnen Verbraucher durch „steuerbare Schalter" vom Netz getrennt. „Stromflussfühler", „steuerbare Schalter" und Überlastungsschalter bilden eine Baueinheit (vgl. Sp. 9 Z. 51–54).

Bei diesem aus der DE 40 19 523 C2 bekannten Verfahren werden des weiteren „Stromflusssignale" zur Ableitung von Schalthandlungen verwendet. Dies erfolgt, wie in der Schaltelementdarstellung der Abbildungen angedeutet, an ohmschen Verbrauchern (z B. Bauteil 11 in 1 oder 3-fach in Bauteil 48, 2). Gerade für induktive Verbraucher, bei denen der Leistungsfaktor cos φ im Gegensatz zu ohmschen Verbrauchern ungleich 1,0 ist, wurde das in der Erfindung beschriebene Näherungsverfahren entwickelt. Die in DE 40 19 523 C2 praktizierte Auswertung der Stromflussfühler als bestimmende Größe für die Leistungsermittlung an ohmschen Verbrauchern ist trivial und inzwischen nur im Gesamtzusammenhang der Schaltung interessant.

Daneben sind in der DE 40 19 523 C2 die Schalthandlungen oder die Möglichkeiten zur Einflussnahme auf die momentane Höhe des Energieverbrauchs beschrieben. Beides ist nicht Gegenstand der Erfindung, die die DE 40 19 523 C2 bezüglich der induktiven Verbraucher gut ergänzen könnte.

Bekannt sind Energie-Management-Systeme, die eine Vielzahl von technischen und wirtschaftlichen Parametern mit teilweise hohem technischen Aufwand ermitteln und überwachen /beispielhafte Quelle: HABE94/. Ziel der Erfindung ist, den technischen und wirtschaftlichen Aufwand zur Messung der Wirkleistung als eine Eingangsgröße in ein Energie-Management-System zu reduzieren und diese Systeme damit entweder bei gleicher Anzahl von Messstellen kostengünstiger oder aber bei gleichen Kosten differenzierter gestalten zu können. Dieses betrifft insbesondere Energie-Management-Systeme, deren hauptsächliche Funktionalität die Überwachung der Spitzenlast darstellt und nicht Systeme, die gleichzeitig z. B. die Blindleistungskompensation vornehmen oder Asymmetrien der Last beziehungsweise die Qualität der Elektrizitätsversorgung überwachen.

In allen Produktionsbetrieben sind induktive und ohmsche Elektrizitätsverbraucher eingesetzt. Diese wirken mit Blind-, Schein- und Wirkleistung gemäß der bekannten physikalisch-technischen Grundlagen auf die elektrischen Versorgungsnetze. Es ergeben sich Wirk-, Blind- und Scheingrößen, die über bekannte mathematische Methoden mit dem Leistungsfaktor cos φ berechenbar sind.

Diese sind z.B.: PW = PB·sin φ PW = PS·cos φ = U·I·cos φ,wobei I der mit Strommesswandlern zu messende Strom ist.

Diese Zusammenhänge gehören ebenso wie alle anderen aus dem Zeigerdiagramm der Wirk- und Blindgrößen (z.B. 0) abgeleiteten mathematischen Zusammenhänge seit Jahrzehnten zum Grundwissen des Fachmanns und bedürfen keines gesonderten Nachweises.

Bekannt ist auch, dass ohmsche Verbraucher für das Auftreten von Wirkgrößen im Netz sorgen, wohingegen induktive Verbraucher das Netz mit Blindgrößen belasten, die im Netz zwischen Erzeuger und Verbraucher pendeln. Der Proportionalitätsfaktor zwischen Wirk- und Scheingröße wird als Leistungsfaktor bezeichnet und entspricht dem Wert der cosinus-Funktion des elektrischen Lastwinkels φ (cos φ) zwischen Wechselspannung und -strom. Der Winkel zwischen Schein- und Wirkgröße in der graphischen Darstellung beider Größen (vgl. 0) ist ebenfalls der Lastwinkel φ.

Der im Rahmen des betrieblichen Energie-Managements zu messende, zu kontrollierende und zu optimierende Wirkleistungsbezug, als eine maßgebliche Kostengröße /HABE94/, lässt sich nicht direkt messen. An einem Wechselspannungsleiter sind lediglich Strom und Spannung direkt messbar, woraus Scheinleistung sowie Leistungsfaktor und damit Wirkleistung berechnet werden können.

Um die Höhe der Wirkleistungen der eingesetzten elektrischen Verbraucher zu Zwecken des betrieblichen Energie-Managements zu bestimmen, werden Wirkleistungs-Messwandler mit Strom- und Spannungseingängen eingesetzt werden (Beispielhafte Quelle: /MBS98/. Diese sind in vielen Bauformen am Markt erhältlich, bestimmen aus Strom- und Spannungsmessungen den Leistungsfaktor cos φ und geben deren Produkt als zur Wirkleistung proportionales Signal aus. Diese Wirkleistungs-Messwandler liefern genaue Werte, sind aber verhältnismäßig teuer, so dass unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten oftmals nur der Gesamt- Energiebezug und eventuell die wichtigsten Verbraucher bzw. Verbrauchergruppen erfasst werden können. Unter Umständen besteht die Möglichkeit, mehrere Verbraucher zu Verbrauchergruppen zusammenfassen zu können, um bei erhöhtem Bauaufwand (Zusammenlegung der Anschlussleitungen, Messschlaufen u.a.m.) die Anzahl der Messstellen reduzieren zu können.

Alternativ zur Verwendung von Wirkleistungs-Messwandlern möglich ist die separate, hoch aufgelöste Messung von Strom und Spannung mit einfachen Sensoren und die rechnerische Auswertung ihrer Zeitverläufe in einer zentralen Recheneinheit. Aus der Zeitdifferenz der Nulldurchgänge gleicher Kurvenflanken der gemessenen Wechselsignale kann der Lastwinkel φ und damit der Leistungsfaktor cos φ bestimmt werden. Das Produkt aus Strom, Spannung und Leistungsfaktor ist wiederum die Wirkleistung. Dieses Prinzip wird so in Wirkleistungs-Messwandlern eingesetzt und ließe sich prinzipiell auch in separaten Messungen realisieren, was aber hohen rechentechnischen Aufwand bedeutet.

Beide beschriebenen Varianten, der Einsatz dezentraler Wirkleistungs-Messwandler und auch die zentrale Auswertung hoch aufgelöster Zeitverläufe von Strom und Spannung, kommen aus wirtschaftlichen Gründen nur für eine geringe Anzahl von Messstellen in Betracht. Sie liefern zwar je Messstelle sehr genaue Resultate hinsichtlich der Wirkleistung, lassen aber wegen der geringen Anzahl von Messstellen nur ungenaue Rückschlüsse auf die Laststruktur zu.

Ein Problem heute bekannter Energie-Management-Systeme für Industriebetriebe ist, dass nicht genügend Kenntnisse über die Laststruktur vorliegen (mangelnde Differenziertheit der Messung) und die exakte Kenntnis der Wirkleistung an wenigen Messstellen nicht notwendig ist, denn der betriebliche Gesamtverbrauch kann durch ein Energie-Management-System nicht mit derselben Exaktheit geregelt werden. Die erfindungsgemäß angenäherten Eingangsgrößen des Energie-Management-Systemsliefern eine gute Datenbasis für die Laststruktur bei hinreichender Annäherung der Wirkleistung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Arbeitsverfahren anzugebens mit dem die Einzelkosten je Wirkleistungs-Messstelle an ein- und mehrphasigen Wechselspannungsnetzen maßgeblich reduziert und damit bei gleichen Kosten die Anzahl der Messpunkte entscheidend erhöht werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, indem für Wirkleistungs-Messstellen lediglich Strommessungen eingerichtet werden, deren Messsignale einer Recheneinheit zugeleitet werden, um mit Hilfe von Kennwerten Näherungswerte für die Wirkleistungswerte der einzelnen Messstellen zu erhalten, diese abzugleichen sowie auf Plausibilität zu prüfen und als Grundlage für energiewirtschaftliche Betrachtungen und Entscheidungen im Energie-Management zur Verfügung zu stellen.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass Einzeleinflüsse durch diese höhere Anzahl der Messstellen deutlicher dargestellt werden können und feiner abgestimmte Maßnahmen im betrieblichen Energie-Management erreicht werden. Damit ist gleichzeitig das Verhältnis Aufwand zu Nutzen bei der Ermittlung von Größe und Struktur des Wirkleistungseinsatzes als Bewertungsgröße der Energieökonomie eines Unternehmens entscheidend zu verbessern.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt
0 Vektor-Diagramm der zweidimensionalen Bilanzierung nach Wirk- und Blindgrößen.
1 Zeitlicher Ablauf der Bewertung der einzelnen Messstellen und der Ermittlung der Anzahl der für die Aufgabe notwendigen Messstellen.
2 Einordnung der Recheneinheit in die Abfolge der Signalverarbeitung
3 zeitliche Abfolge der Verfahrensschritte zur Bestimmung des relevanten Stromsignals zur Wirkleistungsabschätzung
4 Einordnung der Spannungsmessung und Parametrierung des Gesamtsystems in den Ablauf des Verfahrens
5a Ablauf der Wirkleistungsbilanzierung und Einordnung der cos φ-Anpassung mit Speicherung und Protokollierung,
5b Ablauf der Wirk- und Blindleistungsbilanzierung mit Einordnung der cos φ-Anpassung, -Speicherung und Protokollierung,
6 Zeitlicher Ablauf der cos φ-Anpassung.
Innerhalb des Verfahrens wird zunächst die Anzahl der im Rahmen des betrieblichen Energiemanagements notwendigen Messstellen bewertet (vgl. 1, erste Abfrage), wobei bei Vorliegen einer geringen Anzahl von Messstellen diese einzeln erfasst werden. Bei einer relativen Vielzahl von Messstellen wird im nächsten Schritt deren Elektrizitätsverbrauch beziehungsweise Leistungsbedarf bewertet (vgl. 1, zweite Abfrage). Messstellen mit hohem Verbrauch beziehungsweise Leistungsbedarf werden aus energiewirtschaftlicher Sicht zweckmäßigerweise einzeln erfasst, um relevante Fehlergrößen zu minimieren.
Als dritter Schritt schließlich wird der konstruktive, bautechnische und organisatorische Aufwand sowie eventuelle Produktionsausfälle des Zusammenschlusses der verbleibenden, das heißt, nicht als "einzeln zu messen" gekennzeichneten Meßstellen bewertet (vgl. 1, dritte Abfrage). Bei hohem technischen Aufwand müssen auch die verbleibenden Messstellen einzeln erfasst werden, womit die Gesamtzahl der Messstellen aus der Summe der Sammel- und der Einzelmessstellen berechnet wird. Im weiteren wird diese Gesamtzahl der Messstellen bewertet (vgl. 1, vierte Abfrage). Bei einer geringen Anzahl von Messstellen können diese in herkömmlicher Weise mit Wirkleistungs-Messwandlern ausgestattet werden (vgl. 2, Pfad 1). Bei einer hohen Anzahl von Messstellen empfiehlt sich die Ausrüstung mit Strom-Messwandlern (vgl. 2, Pfad 2), die ein der Scheinleistung proportionales Messsignal ausgeben. Dieses Signal wird als leistungsproportionales Signal einer Recheneinheit (vgl. 2, Recheneinheit) aufgegeben, wo es mit den zugehörigen Werten für Spannung und Leistungsfaktor cos φ multipliziert wird. Im Ergebnis der rechentechnischen Verknüpfung wird ein angenäherter Wirkleistungswert ausgegeben (vgl. 2, Annäherung der Wirkleistung), der innerhalb eines Toleranzbereiches mit dem tatsächlichen Wirkleistungswert übereinstimmt.
Mit der Bestimmung und Verwendung des angenäherten Wirkleistungswertes wird eine Ungenauigkeit der eigentlichen Messgröße (Wirkleistung) gezielt in Kauf genommen. Die Ungenauigkeit besteht darin, dass der der Recheneinheit aufgegebene Kennwert zwar auf die Messstelle abgestimmt ist, aber den aktuellen Betriebszustand nicht vollständig wieder geben kann. Damit liegt der für das Energie-Management bereit gestellte Messwert in einem Toleranzbereich um den tatsächlichen Messwert (vgl. 2, Annäherung der Wirkleistung und 2, genaue Wirkleistung; dort jeweils dargestellt als Zeitverlauf.) Die Ungenauigkeit ist durch die mögliche Anpassung der Kennwerte gemäß den Ansprüchen 9 und 10 im Ergebnis der Plausibilitätsprüfung begrenzt.
Zur Konditionierung der technischen Vorrichtung zur Ermittlung der angenäherten Wirkleistungsgrößen (bestehend aus Strom-Messwandlern und Recheneinheit/Computer) werden für charakteristische Betriebszustände der Verbraucher jeweils gültige charakteristische Kennwerte (Höhe des Wirkleistungsbezugs und Leistungsfaktor cos φ) in-situ bestimmt. Auch in charakteristischen Betriebszuständen können schwankende charakteristische Kennwerte auftreten, die dann über einen hinreichenden Zeitraum währen konstanter Betriebsweise der ein zu messenden Verbraucheranlage zu mitteln sind, so dass das globale Verhalten des zu bewertenden Verbrauchers gut wiedergegeben wird. Die so ermittelten charakteristischen Kennwerte (P_W und cos φ) werden im Systemrechner abgelegt und stehen dem System während des jeweiligen charakteristischen Betriebszustands der Verbraucheranlage zur Berechnung (P_W = P_S·cos φ) der angenäherten Wirkleistung (cos φ) und zur Plausibilitätskontrolle des berechneten Wertes (P_W) zur Verfügung.
Charakteristische Betriebszustände einer Energie verbrauchenden Produktionsanlage sind z.B. <Leerlauf>, <Aufheizen>, <konstante Produktion bei 50% Teillast> oder <konstante Produktion bei Vollast>. Jeder dieser Betriebszustände wird, ohne jede technische Kenntnis der Anlage, allein auf Basis produktionsbedingter Informationen Produktionsparameter (z.B. Durchsatz und Produktart) erkannt und ist durch jeweils eindeutig zuordnenbare charakteristische Kennwerte für die Bezugsleistung P_W und den Leistungsfaktor cos φ als charakteristischer Betriebszustand zu beschreiben.
Parallel zur Strommessung wird ein der Netzspannung des Gesamtsystems adäquates Signal bereitgestellt. Die Art der Ermittlung dieses Signals wird auf Grund experimenteller Untersuchungen vorbestimmt, indem zu verschiedenen Zeiten Messungen erfolgen, um Aussagen über die Konstanz der Netzspannung treffen zu können. Sind Schwankungen der Netzspannung unwesentlich, wird auf deren kontinuierliche Messung verzichtet, und es wird in der technischen Anlage ein diesem konstanten Grundwert (i.d.R. 230 V_AC) adäquates Signal herangezogen. Ist eine Schwankungsbreite von >5% der effektiven Nennspannung feststellbar, erfolgen in-situ-Messungen an ausgewählten Punkten und die Übermittlung der den erzielten Messgrößen (Netzspannung an verschiedenen Orten des Versorgungsnetzes) adäquaten Signale an die Recheneinheit. Für die in-situ-Messungen werden repräsentative Messstellen an Hand einer vorausgehenden Einzelbewertung der relevanten Verbraucher ausgewählt und festgelegt.
Je nach Ausmaß und Leistungsfähigkeit der technischen Vorrichtung und der gewünschten Detaillierung der Erfassung sowie der Dynamik der energieverbrauchenden Prozesse sollten innerhalb der Recheneinheit in einer Datenbank der charakteristischen Betriebszustände und Kennwerte mehrere Bereiche den Gesamtprozess der Verbraucheranlagen abschnittsweise abbilden. Für eine Produktionsanlage können dieses charakteristischen Betriebszustände beispielsweise die folgenden sein:
Die Wirkleistung P_W eines Verbrauchers wird durch Multiplikation der Effektivwerte von Strom (Eingangssignal der Strom-Messwandler), Spannung (Eingangssignal der Spannungs-Sensoren oder im System abgelegter konstanter Wert) und Leistungsfaktor cos φ (aus der Datenbank des Systems) nach der Gleichung P_W = U·I·cos φ ermittelt.
Die Bereitstellung des für diese Berechnung zu verwendenden Stromsignals ist vergleichbar mit der Vorschrift zur Auswahl der Messorte (Strom-Messwandler) und ist abhängig von der Art der Messstelle (vgl. 3).
Für die Ermittlung der Wirkleistung P_W an einem einphasigen Verbraucher wird gem. 3 (rechter Pfad) das Signal des in der Anschlussleitung des Verbrauchers installierten Strom-Messwandlers verwendet.
Für die Ermittlung der Wirkleistung P_W an einem symmetrisch belasteten dreiphasigen Netzanschluß wird gem. 3 (mittlerer Pfad) das an einem Leiter des Anschlusses stellvertretend gemessene Stromsignal mit dem Faktor 3 multipliziert und als Eingangssignal für obige Gleichung verwendet.
Für die Ermittlung der Wirkleistung P_W an einem unsymmetrisch belasteten dreiphasigen Netzanschluß wird gem. 3 (linker Pfad) die Summe aller drei Stromsignale des Verbraucheranschlusses berechnet und als Eingangssignal für obige Gleichung verwendet.
Diese näherungsweise bestimmten Wirkleistungswerte der Einzelverbraucher werden über Energiebilanzen von Bilanzgruppen auf Plausibilität geprüft.
Energiebilanzen können sowohl über Wirk- als auch Blindgrößen erfolgen und beziehen sich auf die innerhalb eines Zeitraumes durch eine Anlage verbrauchte Energiemenge, was gleichzusetzen ist mit elektrischer Arbeit. Basis einer Bilanzierung können sowohl Leistungs- als auch davon abgeleitete Arbeitswerte (Zeitintegral der Leistung) sein. Empfohlen wird die Verwendung von Leistungsbilanzen (bzw. Arbeitsbilanzen über kurze Perioden als Zwischenstufe zur reinen Energiebilanz) für eine grobe erste Einschätzung der Rechengenauigkeit beispielsweise als Kontrollgröße am Bildschirm eines betrieblichen Energie-Daten-Erfassungssystems. Zur Verringerung der Auswirkung der statistisch auftretenden Abweichungen der gemessenen und rechnerisch verarbeiteten Werte wird für die wirksame Beurteilung des Verfahrens und der Genauigkeit der verwendeten Parameter die Verwendung von Arbeitsbilanzen längerer Perioden empfohlen.
Bilanzgruppen werden dadurch gebildet, dass zum Beispiel an Trafostationen oder Unterstationen der betrieblichen Elektroenergieverteilung Wirkleistungs-Messwandler (Stations-Messstelle) vorhanden sind und von diesen Station u.U. eine willkürlich zusammengestellte Verbrauchergruppe versorgt wird.
In der Energiebilanz werden die Wirkleistungswerte der Stations-Messstelle (Eingangssignal proportional zum Energiebezug der Station d.h. aller von dort versorgten Verbraucher) mit der Summe der angenäherten Wirkleistungswerte aller von dieser Station versorgten Verbraucher verglichen (vgl. 5a).
Die äußeren Verbrauchsparameter der Stations-Mess-Stelle werden insgesamt charakterisiert durch die Wirkgröße W und den Lastwinkel φ. Dieser äußere Lastwinkel φ wird erfindungsgemäß entweder parallel zur eingespeisten Wirkgröße gemessen (weiteres Ausgangssignal des Wirkleistungs-Messwandlers) oder durch eine Blindstrom-Kompensationsanlage konstant gehalten (dann ist cos φ_a fest in der Systemdatenbank abgelegt).
Die bilanzierende Betrachtung aller Einzelwerte erfolgt, indem in einem sinnbildlichen Vektor-Diagramm (0), in dem in der Waagerechten die Ohmschen (Wirk-)Größen und in der Senkrechten die induktiven (Blind-)Größen dargestellt werden, die äußere Scheingröße, definiert durch diesen Lastwinkel und ihrer Projektionslänge auf der Ohmschen Achse (Wirkgröße) als Vergleichsnormal eingetragen wird. In dieser Darstellung sind Wirkleistung und -arbeit synonym verwendbar und „neutral" als Wirkgröße bezeichnet (ebenso auch Blind- und Scheinleistung und -arbeit).
Endpunkt des Zeigers der Stations-Messstelle ist der Punkt B mit den Außenabschnitten Ba (Blindgröße, senkrecht) und Wa (Wirkgröße, waagerecht). Zusätzlich werden alle Verbrauchsgrößen der Verbrauchergruppe (hier beispielhaft 5 Verbraucher eingetragen) einschließlich der Blindstromkompensation im Diagramm abgetragen. Dazu ist jeweils die Zeigerlänge eindeutig bekannt, da sie der gemessenen Scheingröße entspricht. Hinsichtlich der Orientierung werden erfindungsgemäß folgende Annahmen getroffen:

• Verbrauchsgrößen der Blindstromkompensationsanlage verlaufen senkrecht zur Ohmschen Achse.
• Verbrauchsgrößen der Verbraucher sind orientiert gemäß ihres aus dem jeweils festgelegten charakteristischen Leistungsfaktor bestimmten Lastwinkels φ_ι.(i = 1..5 im Beispiel gemäß 0)

Erfindungsgemäß erfolgt die Bilanzierung aus Addition der äußeren Verbrauchsgröße mit der Größe der Blindstromkompensationsanlage, die beginnend am Punkt B angetragen wird. Damit wird Punkt A erreicht, der als Referenzgröße für die Summation der Einzelverbaucher anzusehen ist.
Ausgehend vom Ursprung des Koordinationssystems werden die Zeiger der Scheingrößen der Einzelverbaucher geometrisch addiert, womit Punkt A' erreicht ist, der in der Regel nicht deckungsgleich ist mit Punkt A, dem Referenzpunkt, um den ein zulässiger Toleranzbereich gezogen wird, der die zulässige Ungenauigkeit der Gesamtbilanz des Systems beschreibt. Der Toleranzbereich wird als Quadrat angenommen, d.h., mit ΔW_max ist betragsmäßig identisch ΔB_max. Auch Rechtecke mit ΔW_max different zu ΔB_max sind möglich.
Die horizontale Abweichung ΔW ist der Bilanzfehler, der den Toleranzabstand ΔW_max. um den gemessenen Wert der eingespeisten Wirkgröße nicht überschreiten darf. Zusätzlich zu den Wirkgrößen werden auch die Blindgrößen bilanziert, so daß sich analog eine vertikale Abweichung ΔB und die maximale einseitige Abweichung von ΔB_max ergibt.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedingt für Verbrauchergruppen, die an einer Blindstromkompensationsanlage angeschlossen sind, die Messung des in diese fließenden Stromes und damit der entsprechenden Scheingröße S, die als vollständig kapazitativ und damit im Zeigerdiagramm senkrecht angenommen wird. Damit erfolgt die Bilanz doppelt und verbessert die Kontrolle der einzelnen Leistungsfaktoren durch die zweidimensionale Betrachtung wesentlich.
Als Gütekriterium D des Systems und der Bestimmung der Leistungsfaktoren wird die Wurzel aus der Summe der Quadrate der einzelnen Abweichungen ermittelt, indem gilt:
Wenn nun
d. h., wenn der Gütefaktor D der Gesamtbilanz außerhalb des Toleranzbereiches liegt (also D > D_max), sollte eine Korrektur der Leistungsfaktoren und ggf. auch eine neue Definition der Betriebszustände, für die sie definiert sind, der Verbraucher der Verbrauchergruppe vorgenommen werden.
Im Ergebnis der Energiebilanz erfolgt die Einschätzung des Bilanzfehlers (vgl. 0, Entfernung der Punkte A und A' und der Einhaltung der angegebenen Toleranzbereiche ± Δ W_max (für die Bilanz über die Wirkgrößen) und ± Δ B_max (für die Bilanz über die Blindgrößen), was in 5b als Verfahrensablauf dargestellt ist.
Liegt der Punkt A', die geometrische Summe der angenäherten Wirkleistungswerte, außerhalb des in 0 grau markierten Toleranzbereichs so sind die charakteristischen Parameter gem. 6 anzupassen.
Im Rahmen der Plausibilitätsprüfung sind grundsätzlich 2 Betrachtungen in verschiedenen Detaillierungsstufen möglich (vgl. 5b, Abfragen zu P_Wges und P_Bges). (1): ausschließliche Bilanzierung über die Wirkgrößen (vgl. 5b, linker Pfad, Abfrage zu P_Wges) und (2): Bilanzierung über Wirk- und Blindgrößen (vgl. 5b, linker und rechter Pfad, Abfragen zu P_Wges und P_Bges).
Die Anpassung der Leistungsfaktoren cos φ erfolgt gem. 6 derart, dass innerhalb der Recheneinheit Veränderungen des cos φ um ein betriebsbeziehungsweise vorhabenspezifisch festgelegtes Inkrement x (vgl. 6, Abfrage P_Wi > P_W ff.) vorgenommen werden, bis der Bilanzfehler im Toleranzbereich liegt oder die Grenzen Δ_Max, cos φ_min oder cos φ_max erreicht sind. Inkrement X, Δ_Max, cos φ_min und cos φ_max werden aus der Datenbank bereitgestellt in die auch ein ggf. veränderter Leistungsfaktor cos φ (für einen Verbraucher und einen charakteristischen Betriebszustand) zurück gespeichert wird (vgl. 5b, Abspeicherung der Änderung). Vor einer Anpassung der Leistungsfaktoren wird gem. 6 eine Rangfolge der Bearbeitung der in der Bilanzgruppe zusammengefassten Verbraucher aufgestellt. Verbraucher, die zuerst betrachtet werden sind solche, deren aktuell verwendeter cos φ-Wert am weitesten von den Grenzwerten cos φ_min und cos φ_max abweicht.
Um zu vermeiden, dass falsche Betriebszustände der einzelnen Verbraucher ständige Korrekturen der Leistungsfaktoren und damit ein Schwingen des Systems hervorrufen, wird zunächst festgestellt, ob sich alle Verbraucher in einem charakteristischen Betriebszustand befunden haben. Ist das nicht der Fall, so ist eine manuelle Bearbeitung notwendig. Die Bilanzierung sollte unter der Bedingung wiederholt werden, dass zunächst die Leistungsfaktoren für die tatsächlichen Betriebszustände ermittelt und zur Basis der neuen Betrachtung dem Rechner übermittelt werden.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden:
In einer Betriebsanlage mit über 100 Elektrizitätsverbrauchern, versorgt von 6 Transformatoren aus 3 räumlich getrennten Unterstationen, sind Eingangsdaten für das betriebliche Energie-Management-System bereitzustellen.
Auf Grund der räumlichen Enge in den Unterstationen und der weiteren Verteilung der Anschlüsse potentiell sinnfällig zusammenfassbarer Verbraucher sowie der notwendigen ständigen Verfügbarkeit der Anlagen war die bautechnische Zusammenlegung zu Verbrauchergruppen nicht möglich. Es sind die notwendigen Verfahrensschritte gemäss der 1 zu treffen. Bei erheblicher monetärer Einsparung werden an allen zu messenden Verbrauchern, bedarfsgerecht 1 oder 3, Stromwandler gemäß der Schritte in 3 installiert, durch in-situ-Messungen die Eingangsparameter des Systems gemäß 4 bestimmt und die Bilanzierung gemäß 5a und 5b eingerichtet. Referenz war die von den Trafos in die Unterstationen eingespeiste Wirkleistung WA. Bilanzräume sind jeweils die Unterstationen. Das System arbeitet gemäß der Darstellung bei Anwendung der einzelnen Komponenten nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag mit einer Genauigkeit < 20 % im ¼ – Stunden-Takt bei einer erheblichen Einsparung aus einer veränderten Betriebsweise der einzelnen Verbraucher. Im Ergebnis der Untersuchungen sind die notwendigen Verfahrensschritte gemäß 6 einzuleiten. Das Gesamtsystem bietet damit die Möglichkeit der Ableitung weiterer technischen Maßnahmen gemäß 2.
Quellenangabe:

/MBS98/ Prospekt Stromwandler/ Messumformer der Fa. MBS Sulzbach Messwandler GmbH, Bachstraße 51, D 74429 Sulzbach; Einlegeblatt Leistungsmessgeräte.
/HABE94/ Haberstroh, O. Lastspitzen glattgebügelt – Energie-Management-System für die Starkstromtechnik, Elektrische Energietechnik 3, 39. Jahrgang, Juli 1994.

Claims

Verfahren zur Ableitung der Wirkleistung elektrischer Verbraucher unter Benutzung von Strommesswandlern und einer Recheneinheit, bei dem (1) zunächst – zu bewerten ist, ob die Anzahl der notwendigen Messstellen gemäß einem Kriterium hoch oder niedrig ist, – für jede der Messstellen ein zu bewertender Kennwert, wie der Elektrizitätsverbrauch oder Leistungsbedarf, festgelegt wird, wobei (1.1) diejenigen Messstellen, die mit ihrem jeweiligen Kennwert an der oberen zulässigen Grenze liegen, eliminiert und einzeln erfasst werden, (1.2) sowie im Fall einer niedrigen Anzahl der Messstellen auch diese einzeln erfasst werden, und, (1.3) falls vorhanden, verbleibende Messstellen unter Beachtung ihrer örtlichen Lage zueinander und des – auf Grund ihrer installierten Leistung, ihres Einsatzortes und ihrer Einsatzhäufigkeit – zu erwartenden Verbrauchs bewertet, sortiert und gruppenweise zu mindestens einer Verbrauchergruppe zusammengefasst werden, (2) allen diesen einzelnen Verbrauchern und – bei Vorhandensein – der mindestens einen Verbrauchergruppe jeweils ein Strommesswandler zugeordnet wird, der für die jeweiligen charakteristischen Betriebszustände dieser Verbraucher und – bei Vorhandensein – dieser mindestens einen Verbrauchergruppe, wie Leerlauf, Aufheizen, konstante Produktion/Teillast, Volllast, jeweils ein der Scheinleistung proportionales Messsignal ausgibt, (3) dieses jeweilige Signal als stromproportionales Signal einer Recheneinheit zugeleitet wird, (4) in der Recheneinheit das Produkt aus strom- und spannungsproportionalen Werten sowie aus Leistungsfaktor cos φ gebildet wird und (5) dadurch ein Näherungswert für den Wirkleistungswert bestimmt wird, welcher (6) bei einem durch die Recheneinheit mit einer Plausibilitätsprüfung der berechneten Leistungswerte in Form einer Energiebilanz erfolgenden Abgleich von sowohl Wirk- als auch Blindleistung mehrerer näherungsweise bestimmter Verbraucher und – bei Vorhandensein mindestens einer Verbrauchergruppe – dieser mindestens einen Verbrauchergruppe mit der gemessenen Wirk- und Blindleistung, wie der eines zentralen Versorgungsstrangs oder einer Unterstation, für jeden dieser Verbraucher und – bei Vorhandensein mindestens einer Verbrauchergruppe – für diese mindestens eine Verbrauchergruppe, ein aus deren maschinentechnischen Parametern, wie Leistungsfaktor, Art der Stromanwendung und damit maximale/minimale Leistungsfaktoren, resultierender Korrekturwert für den bisher verwendeten Leistungsfaktor cos φ ermittelt wird, um mit dem so ermittelten Verbrauchswert für jeden Verbraucher und – bei Vorhandensein mindestens einer Verbrauchergruppe – für diese mindestens eine Verbrauchergruppe, der die bilanzierte Wirkleistung darstellt, eine Basis für energiewirtschaftliche Betrachtungen und Entscheidungen des betrieblichen Energie-Managements, wie hinsichtlich korrekter Schalt- und Betriebsempfehlungen, zu erhalten, wobei eine Reduzierung der Einzelkosten je Wirkleistungs-Messstelle und damit eine entscheidende Erhöhung der Messpunkte möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zu bewertende Kennwert der Wirkarbeitsbedarf beispielsweise eines Jahres oder eines Produktionszyklus' ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zu bewertende Kennwert die Wirkleistung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Ermittlung der Leistungsfaktoren für charakteristische Betriebszustände der Verbraucher und – bei Vorhandensein mindestens einer Verbrauchergruppe – dieser mindestens einen Verbrauchergruppe in-situ, wie im Rahmen der Einrichtung des Systems, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ermittlung der Wirkleistung an einem einphasigen Verbraucher und – bei Vorhandensein mindestens einer einphasigen Verbrauchergruppe – an dieser mindestens einen einphasigen Verbrauchergruppe durch Bildung des Produkts aus Spannung U, Strom I und dem jeweils gültigen Leistungsfaktor in der Recheneinheit durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ermittlung der Wirkleistung an einem gleichmäßig belasteten mehrphasigen Verbraucher und – bei Vorhandensein mindestens einer mehrphasigen Verbrauchergruppe – an dieser mindestens einen mehrphasigen Verbrauchergruppe durch Bildung des Produkts aus Spannung U, Strom I, dem jeweils gültigen Leistungsfaktor und der Zahl der Phasen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der äußere Lastwinkel φ des jeweiligen Verbrauchers und – bei Vorhandensein mindestens einer Verbrauchergruppe – dieser mindestens einen jeweiligen Verbrauchergruppe durch eine Blindstrom-Kompensationsanlage konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem – bei Vorhandensein mindestens zweier Verbrauchergruppen - die Einleitung dieser mindestens zwei Verbrauchergruppen in einzelne Verbrauchergruppen auf der Grundlage von deren spezifischen technischen Parametern, wie Anlagentyp, Produktionsbereich, Bearbeitungsschritte, Betriebsweise, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Korrektur auf der Basis des resultierenden Korrekturwertes der charakteristischen Kennwerte jedes Verbrauchers und – bei Vorhandensein mindestens einer Verbrauchergruppe – jeder dieser mindestens einen Verbrauchergruppe die jeweils aus deren maschinentechnischen Parametern, wie Leistungsfaktor, Art der Stromanwendung und damit maximale/minimale Leistungsfaktoren, fest zu legenden Grenzen cos φ_min und cos φ_max sowie die – bezogen auf den bisher verwendeten charakteristischen Kennwert – relativen Grenzen der zulässigen Korrektur Δ_max nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Leistungsfaktor cos φ um ein festgelegtes Inkrement x unter Beachtung der jeweiligen verbrauchertypischen Grenzen cos φ_min und cos φ_max verändert wird, so dass ein im Rahmen des Abgleichs aufgrund der Plausibilitätsprüfung ermittelter Bilanzfehler in einem festgelegten Toleranzbereich plus/minus ΔW_max für den Abgleich der Wirkgrößen und plus/minus ΔB_max für den Abgleich der Blindgrößen liegt.