Betreiben einer Lastzone an einem Stromnetz

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Schaltmodul zum Betreiben einer Lastzone an einem Stromnetz, insbesondere an einem Gleichstromnetz.

Unter einer Lastzone wird hier und im Folgenden eine einzelne Last oder eine Baugruppe mehrerer Lasten verstanden, die dem Stromnetz zuschaltbar ist, um von dem Stromnetz mit Energie versorgt zu werden oder/und Energie in das Stromnetz einzu speisen. Die Verbindung einer Lastzone mit dem Stromnetz muss vor Überströmen geschützt werden, die beispielsweise infolge eines Kurzschlusses oder einer Überlastung entstehen können. Beispielsweise könnte die Verbindung mit einem Überstrom- schutzschalter geschützt werden, in dem eine Kennlinie hin terlegt ist, mit welcher das Abschalten der Lastzone durch das Auslösen des Überstromschutzschalters geregelt wird. Der Nachteil eines derartigen Vorgehens ist jedoch, dass Ab- schaltvorgänge ausgelöst werden können, welche bei einer ge naueren Analyse der Parameter vermeidbar gewesen wären. Es ist beispielsweise denkbar, dass es bei Lastspitzen zu sehr kurzzeitigen Überlastungen kommt, welche aufgrund der vorge gebenen Kennlinie zu Abschaltvorgängen führen, obwohl sie aufgrund ihrer kurzen Dauer toleriert werden könnten. Um der artige Lastspitzen zu durchfahren, werden heute träge Siche rungen beziehungsweise Schutzorgane mit einer Verzögerung eingesetzt. Diese arbeiten jedoch zu träge, um die Anforde rungen an zukünftige Stromnetze, insbesondere an Gleichstrom netze, zu erfüllen, welche ein schnelles Abschalten bei einer anhaltenden Überlastung und kein Abschalten bei einer nur sehr kurzzeitigen Überlast erfordern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere hinsichtlich des Überstromschutzes verbessertes Betreiben ei ner Lastzone an einem Stromnetz zu ermöglichen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Schaltmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Stromnetz mit den Merkmalen des An spruchs 13 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Last zone an einem Stromnetz wird zunächst ein Zeitfenster vorge geben und in einem Einrichtbetrieb der Lastzone wird wenigs tens ein Lastprofil erfasst und gespeichert, das einen zeit lichen Verlauf eines Lastzonenstroms , der in einem die Last zone mit dem Stromnetz verbindenden Strompfad fließt, oder einer Lastzonenspannung zwischen einem elektrischen Potential des Strompfads und einem Bezugspotential in dem Zeitfenster nach dem Schließen des Strompfads dokumentiert. Ferner wird anhand des wenigstens einen Lastprofils ein Toleranzbereich für den zeitlichen Verlauf wenigstens einer Betriebskenngröße der Lastzone in dem Zeitfenster definiert. In einem Normalbe trieb der Lastzone wird dann der zeitliche Verlauf der we nigstens einen Betriebskenngröße in dem Zeitfenster nach dem Schließen des Strompfads überwacht und der Strompfad wird ge öffnet, wenn der zeitliche Verlauf einer Betriebskenngröße in dem Zeitfenster nach dem Schließen des Strompfads außerhalb seines Toleranzbereichs liegt oder seinen Toleranzbereich verlässt .

Mit anderen Worten sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, in einem Einrichtbetrieb zunächst das Verhalten einer Lastzo ne beim Zuschalten zu einem Stromnetz kennenzulernen, indem wenigstens ein Lastprofil erfasst und gespeichert wird, das einen zeitlichen Verlauf eines Lastzonenstroms oder einer Lastzonenspannung der Lastzone in einem Zeitfenster nach dem Zuschalten der Lastzone zu dem Stromnetz dokumentiert. Anhand des wenigstens einen Lastprofils wird ein Toleranzbereich für den zeitlichen Verlauf wenigstens einer Betriebskenngröße der Lastzone in dem Zeitfenster definiert. Im späteren Normalbe- trieb der Lastzone wird bei jedem Zuschalten der Lastzone zu dem Stromnetz jede Betriebskenngröße, für die ein Toleranzbe reich definiert wurde, in dem vorgegebenen Zeitfenster nach dem Zuschalten überwacht und der Betrieb der Lastzone wird als sicher eingestuft, wenn der Verlauf jeder dieser Be triebskenngrößen in seinem Toleranzbereich bleibt. Die Last zone wird nur dann abgeschaltet, wenn der Verlauf einer Be triebskenngröße in dem Zeitfenster nach dem Zuschalten der Lastzone außerhalb seines Toleranzbereichs liegt oder seinen Toleranzbereich verlässt. Die Erfindung ermöglicht damit, lastzonenspezifische Toleranzbereiche für ein betriebssiche res Zuschalten von Lastzonen zu einem Stromnetz zu definie ren, indem die Toleranzbereiche lastzonenspezifischen Last profilen angepasst werden, die für die Lastzonen jeweils in einem Einrichtbetrieb ermittelt werden. Dadurch kann insbe sondere vorteilhaft verhindert werden, dass eine Lastzone beim Zuschalten zu einem Stromnetz aufgrund einer für sie ty pischen, kurzzeitig auftretenden Lastspitze abgeschaltet wird, obwohl dies eigentlich gar nicht notwendig ist.

Als Betriebskenngröße oder Betriebskenngrößen, für die je weils ein Toleranzbereich definiert wird, wird beziehungswei se werden beispielsweise eine Stromstärke des Lastzonen stroms, eine erste Ableitung der Stromstärke des Lastzonen stroms nach der Zeit, eine Höhe der Lastzonenspannung o- der/und eine erste Ableitung der Höhe der Lastzonenspannung nach der Zeit verwendet. Diese Größen sind besonders kriti sche Betriebskenngrößen einer Lastzone beim Zuschalten der Lastzone zu einem Stromnetz und eignen sich daher in besonde rem Maße zur Definition von Toleranzbereichen.

Als Zeitfenster wird beispielsweise eine Zeitdauer von weni ger als 100 ys vorgegeben. Dies berücksichtigt, dass Last spitzen typisch nur innerhalb eines sehr kurzen Zeitinter valls von weniger als 100 ys nach dem Zuschalten einer Last zone zu einem Stromnetz auftreten und daher Toleranzbereiche auch nur für dieses kurze Zeitintervall definiert werden brauchen . Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Strompfad mit einer elektronischen Schalteinheit geöffnet und geschlossen. Dies ermöglicht vorteilhaft ein sehr schnelles Trennen der Lastzone von dem Stromnetz im Fall, dass der zeitliche Verlauf einer Betriebskenngröße nach dem Zuschalten der Lastzone zu dem Stromnetz außerhalb seines Toleranzbe reichs liegt oder seinen Toleranzbereich verlässt.

Im Fall, dass der Strompfad mit einer elektronischen Schalt einheit geöffnet und geschlossen wird, wird vorzugsweise we nigstens ein Toleranzbereich kompatibel zu einer Safe Opera- ting Area der elektronischen Schalteinheit definiert. Ferner kann vorgesehen sein, eine Temperatur der elektronischen Schalteinheit zu erfassen und wenigstens einen Toleranzbe reich in Abhängigkeit von der Temperatur der elektronischen Schalteinheit zu definieren.

Mit einer Safe Operating Area einer elektronischen Schaltein heit wird ein Betriebsbereich zum sicheren Betrieb der

Schalteinheit verstanden. Eine Safe Operating Area ist übli cherweise als ein Bereich in einem Strom-Spannungs-Diagramm für einen in der elektronischen Schalteinheit fließenden Strom und eine an der elektronischen Schalteinheit anliegende Spannung definiert und eignet sich daher insbesondere zur De finition eines Toleranzbereichs für eine der oben genannten Betriebskenngrößen (Stromstärke des Lastzonenstroms , Höhe der Lastzonenspannung und deren erste Ableitungen nach der Zeit) . Durch die Kompatibilität des Toleranzbereichs mit der Safe Operating Area der elektronischen Schalteinheit wird vorteil haft verhindert, dass die elektronische Schalteinheit durch Lastspitzen bei dem Zuschalten der Lastzone zu dem Stromnetz beschädigt oder zerstört wird.

Eine Definition eines Toleranzbereichs in Abhängigkeit von einer Temperatur der elektronischen Schalteinheit ermöglicht vorteilhaft, den Einfluss der Temperatur auf die Funktionali- tat einer elektronischen Schalteinheit bei der Definition des Toleranzbereichs zu berücksichtigen.

Ein erfindungsgemäßes Schaltmodul zum Betreiben einer Lastzo ne an einem Stromnetz umfasst eine ansteuerbare elektronische Schalteinheit, eine Messeinheit, eine Speichereinheit, eine Auswerteeinheit und eine Steuereinheit. Die elektronische Schalteinheit ist zum Öffnen und Schließen eines Strompfads zwischen der Lastzone und dem Stromnetz eingerichtet und von der Steuereinheit ansteuerbar. Die Messeinheit ist dazu ein gerichtet, in einem vorgegebenen Zeitfenster nach dem Schlie ßen des Strompfads einen zeitlichen Verlauf eines in dem Strompfad fließenden Lastzonenstroms oder/und einen zeitli chen Verlauf einer Lastzonenspannung zwischen einem elektri schen Potential des Strompfads und einem Bezugspotential zu erfassen. Die Speichereinheit ist dazu eingerichtet, wenigs tens ein von der Messeinheit erfasstes Lastprofil zu spei chern, das einen zeitlichen Verlauf des Lastzonenstroms oder der Lastzonenspannung in dem Zeitfenster nach dem Schließen des Strompfads in einem Einrichtbetrieb der Lastzone dokumen tiert. Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, anhand des wenigstens einen Lastprofils einen Toleranzbereich für den zeitlichen Verlauf wenigstens einer Betriebskenngröße der Lastzone in dem Zeitfenster zu definieren. Insbesondere kann die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, wenigstens einen Toleranzbereich kompatibel zu einer Safe Operating Area der elektronischen Schalteinheit zu definieren. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, in einem Normalbetrieb der Lastzone den zeitlichen Verlauf jeder Betriebskenngröße, für die ein Toleranzbereich definiert ist, zu überwachen und den Strom pfad durch Ansteuern der Schalteinheit zu öffnen, wenn der zeitliche Verlauf einer Betriebskenngröße in dem Zeitfenster nach dem Schließen des Strompfads außerhalb seines Toleranz bereichs liegt oder seinen Toleranzbereich verlässt.

Das Schaltmodul kann ferner einen Temperatursensor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Temperatur der elektronischen Schalteinheit zu erfassen, und die Auswerteeinheit kann dazu eingerichtet sein, wenigstens einen Toleranzbereich in Abhän gigkeit von der Temperatur der elektronischen Schalteinheit zu definieren.

Ein erfindungsgemäßes Schaltmodul ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den oben bereits genann ten Vorteilen.

Ein erfindungsgemäßes Stromnetz weist ein erfindungsgemäßes Schaltmodul auf und kann insbesondere ein Gleichstromnetz sein .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels ei nes erfindungsgemäßen Schaltmoduls, durch das eine Lastzone mit einem Stromnetz verbunden ist,

FIG 2 eine Darstellung eines Toleranzbereichs für einen zeitlichen Verlauf einer Betriebskenngröße einer Lastzone,

FIG 3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Lastzone an einem Stromnetz.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit densel ben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltmoduls 1, durch das eine Last zone 3 mit einem Stromnetz 5 verbunden ist. Das Stromnetz 5 ist ein Gleichstromnetz mit zwei elektrischen Hauptleitungen 7, 9, die auf voneinander verschiedenen

Gleichspannungspotentialen liegen .

Die Lastzone 3 weist zwei Last _Z onenleitungen 11, 13 auf, die durch das Schaltmodul 1 jeweils mit einer Hauptleitung 7, 9 verbindbar sind.

Das Schaltmodul 1 weist zwei netzseitige Anschlüsse 15, 16, zwei lastzonenseitige Anschlüsse 17, 18, eine ansteuerbare elektronische Schalteinheit 19, eine Messeinheit 21, eine Speichereinheit 23, eine Auswerteeinheit 25, eine Steuerein heit 27 und einen Temperatursensor 29 auf.

Der netzseitige Anschluss 15 ist mit der Hauptleitung 7 ver bunden. Der netzseitige Anschluss 16 ist mit der Hauptlei tung 9 verbunden. Der lastzonenseitige Anschluss 17 ist mit der Lastzonenleitung 11 verbunden. Der lastzonenseitige An schluss 18 ist mit der Lastzonenleitung 13 verbunden.

Die Schalteinheit 19 ist zwischen den netzseitigen An

schluss 15 und den lastzonenseitigen Anschluss 17 geschaltet und zum Öffnen und Schließen eines Strompfads 20 zwischen der Lastzone 3 und dem Stromnetz 5 eingerichtet, der die Lastzo nenleitung 11 mit der Hauptleitung 7 verbindet. Die Schalt einheit 19 ist von der Steuereinheit 27 ansteuerbar. Bei spielsweise weist die Schalteinheit 19 wenigstens einen von der Steuereinheit 27 ansteuerbaren Bipolartransistor mit iso lierter Gate-Elektrode (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Tran sistor) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) auf .

Die Messeinheit 21 ist dazu eingerichtet, in einem vorgegebe nen Zeitfenster T nach dem Schließen des Strompfads 20 einen zeitlichen Verlauf eines in dem Strompfad 20 fließenden Last zonenstroms und einen zeitlichen Verlauf einer Lastzonenspan nung, die zwischen den Last _Z onenleitungen 11, 13 anliegt, zu erfasssen. Als Zeitfenster T wird beispielsweise eine Zeit dauer vorgegeben, die kleiner als 100 ys ist.

Die Speichereinheit 23 ist dazu eingerichtet, wenigstens ein von der Messeinheit 21 erfasstes Lastprofil zu speichern, das einen zeitlichen Verlauf des Lastzonenstroms oder der Lastzo nenspannung in dem Zeitfenster T nach dem Schließen des

Strompfads 20 in einem Einrichtbetrieb der Lastzone 3 doku mentiert .

Die Auswerteeinheit 25 ist dazu eingerichtet, anhand des we nigstens einen Lastprofils einen Toleranzbereich 33 für den zeitlichen Verlauf wenigstens einer Betriebskenngröße C der Lastzone 3 in dem Zeitfenster T zu definieren. Jeder Tole ranzbereich 33 wird insbesondere derart definiert, dass er kompatibel zu einer Safe Operating Area der elektronischen Schalteinheit 19 ist. Ferner kann die Auswerteeinheit 25 dazu eingerichtet sein, den wenigstens einen Toleranzbereich 33 in Abhängigkeit von einer Temperatur der elektronischen Schalt einheit 19 zu definieren.

Als Betriebskenngröße C oder Betriebskenngrößen C wird bezie hungsweise werden beispielsweise eine Stromstärke des in dem Strompfad 20 fließenden Lastzonenstroms , eine erste Ableitung der Stromstärke dieses Lastzonenstroms nach der Zeit t, eine Höhe der zwischen Last _Z onenleitungen 11, 13 anliegenden Last zonenspannung oder/und eine erste Ableitung der Höhe dieser Lastzonenspannung nach der Zeit t verwendet.

Die Steuereinheit 27 ist dazu eingerichtet, in einem Normal betrieb der Lastzone 3 den zeitlichen Verlauf jeder Betriebs kenngröße C, für die ein Toleranzbereich 33 definiert ist, zu überwachen und den Strompfad 20 durch Ansteuern der Schalt einheit 19 zu öffnen, wenn der zeitliche Verlauf einer Be triebskenngröße C in dem Zeitfenster T nach dem Schließen des Strompfads 20 außerhalb seines Toleranzbereichs 33 liegt oder seinen Toleranzbereich 33 verlässt. Der Temperatursensor 29 ist dazu eingerichtet, eine Tempera tur der elektronischen Schalteinheit 19 zu erfassen.

Figur 2 zeigt eine diagrammatische Darstellung eines Tole ranzbereichs 33 für einen Verlauf einer Betriebskenngröße C, in diesem Fall beispielsweise der Stromstärke des in dem Strompfad 20 fließenden Lastzonenstroms , in Abhängigkeit von der Zeit t in dem Zeitfenster T nach dem Schließen des Strom pfads 20. Der Toleranzbereich 33 ist durch eine Untergren ze 35 und eine Obergrenze 36 begrenzt, die unter Berücksich tigung der Safe Operating Area der elektronischen Schaltein heit 19 bestimmt werden.

Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Verfahrensschritten S1 bis S4 zum Betreiben der Lastzone 3 an dem Stromnetz 5 mit tels des in Figur 1 dargestellten Schaltmoduls 1.

In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Zeitfenster T vorgegeben .

In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird in einem Einricht betrieb der Lastzone 3 wenigstens ein Lastprofil mit der Mes seinheit 21 erfasst und mit der Speichereinheit 23 gespei chert, wobei jedes Lastprofil einen zeitlichen Verlauf eines Lastzonenstroms , der in dem Strompfad 20 fließt, oder einer Lastzonenspannung, die zwischen den Last _Z onenleitungen 11, 13 anliegt, in dem Zeitfenster T nach dem Schließen des Strom pfads 20 dokumentiert.

In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird von der Auswer teeinheit 25 anhand des wenigstens einen Lastprofils ein To leranzbereich 33 für den zeitlichen Verlauf wenigstens einer Betriebskenngröße C der Lastzone 3 in dem Zeitfenster T defi niert. Jeder Toleranzbereich 33 wird insbesondere derart de finiert, dass er kompatibel zu einer Safe Operating Area der elektronischen Schalteinheit 19 ist, und kann ferner in Ab hängigkeit von einer Temperatur der elektronischen Schaltein- heit 19 definiert werden. Als Betriebskenngröße C oder Be triebskenngrößen C wird beziehungsweise werden beispielsweise eine Stromstärke des in dem Strompfad 20 fließenden Lastzo nenstroms, eine erste Ableitung der Stromstärke dieses Last zonenstroms nach der Zeit t, eine Höhe der zwischen Lastzo nenleitungen 11, 13 anliegenden Lastzonenspannung oder/und eine erste Ableitung der Höhe dieser Lastzonenspannung nach der Zeit t verwendet.

In einem vierten Verfahrensschritt S4 werden in einem Normal betrieb der Lastzone 3 in dem Zeitfenster T nach dem Schlie ßen des Strompfads 20 mit der Messeinheit 21 der Lastzonen strom, der in dem Strompfad 20 fließt, und die Lastzonenspan nung, die zwischen den Last _Z onenleitungen 11, 13 anliegt, in

Abhängigkeit von der Zeit t und mit dem Temperatursensor 29 eine Temperatur der elektronischen Schalteinheit 19 gemessen. Ferner wird von der Steuereinheit 27 der zeitliche Verlauf jeder Betriebskenngröße C, für die in dem dritten Verfahrens schritt S3 ein Toleranzbereich 33 definiert wurde, in dem Zeitfenster T nach dem Schließen des Strompfads 20 überwacht und der Strompfad 20 wird geöffnet, wenn der zeitliche Ver lauf einer Betriebskenngröße C in dem Zeitfenster T nach dem Schließen des Strompfads 20 außerhalb seines Toleranzbe reichs 33 liegt oder seinen Toleranzbereich 33 verlässt. Der vierte Verfahrensschritt S4 wird nach jedem Schließen des Strompfads 20 in einem Normalbetrieb der Lastzone 3 erneut ausgeführt .

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.