Das Enertex® KNX Smartmeter (4TE-Hutschiene) ist ein Zweirichtungszähler zur Messung der Wirk- und Blindenergie bzw. -leistung, Messung von Strömen und Spannungen sowie zur Analyse der Netzqualität. Die Messung erfolgt entweder im Dreiphasensystem oder in drei unabhängigen Einphasensystemen mit der Genauigkeitsklasse 1 (1%).
Mehr als nur ein Energiezähler – ein hochgenaues Messgerät
Ein Zweirichtungszähler ist in der Lage, den Bezug und die Einspeisung von Wirkleistung getrennt zu erfassen. Der Enertex® KNX Smartmeter misst die Wirkleistung, die Blindleistung und die Scheinleistung und berechnet den Leistungsfaktor im Gerät.
Energiezähler sind am Markt entweder direkt oder indirekt messend (über Wandler) verfügbar. Die direkte Messung hat den Nachteil, dass die Messung oft über einen Shunt (Widerstand) erfolgt, sodass die Messung je nach fließendem Strom 8..15 Watt an Leistung benötigt. Demgegenüber ist die indirekte Messung über einen Stromwandler deutlich im Vorteil: Hier werden nur 1..3 Watt an Leistung fällig. Die Stromwandler selbst sind ungenauer als etwa die Widerstandsmessung bzw. bei gleicher Genauigkeit erheblich teuerer.
Das Enertex® KNX Smartmeter misst mit Rogowski-Spulen, die im Lieferumfang enthalten sind. Diese hoch präzisen und linearen Messwandler vereinen die Vorteile der erzielbaren Genauigkeitsklasse der Widerstandsmessung mit extrem geringen Verlusten. Die Messung mit Rogowski-Spulen generiert Verluste in <0,01W, also faktisch verlustfrei.
In der Genauigkeitsklasse 1 nach EN 62053-11 sind Genauigkeitsanforderungen für den Messbereich zwischen 2% und 100% des Nennstromes festgelegt. Die Genauigkeit 1% wird nur zwischen 10% und 100% gefordert. Für kleinere Ströme wird 1,5% gefordert. Werden keine Wandler mitgeliefert, bezieht sich die Genauigkeit nur auf das Gerät bzw. muss ein entsprechender Wandler eingebaut werden, mindestens Klasse 0,5s.
Die Elektronik des Enertex® KNX Smartmeters arbeitet mit 24 Bit Auflösung. Dadurch sind sehr kleine Ströme bis hin zu 0.002% des Nennstromes (= 2mA bei der 85A Variante) präzise messbar. Die mitgelieferten Stromsensoren (Rogowski-Spulen), die im Werk auf das Gerät kalibriert werden, dürfen direkt am Netzeinspeisepunkt installiert werden.
Die damit erzielte Genauigkeit des Enertex® KNX Smartmeters ist zukunftsweisend: Bei 0,017% Nennstrom (10mA) liegt die Genauigkeit der gesamten Messkette bei 2%, minimal 0,5 mA. Selbst bei 0.002% Messstrom ist die Auflösung noch 0,5mA oder anders ausgedrückt: Der Smartmeter misst hier etwa auf 120mW genau.
Das Enertex® KNX Smartmeter wird ausschließlich über den Bus versorgt. Daher kann das Gerät selbst dann Ströme und Spannungen messen, wenn an den Spannungsmesseingängen keine 230V Netzspannung anliegt bzw. die Spannung freigeschaltet wurde.
Der Messbereich der Wirkleistung erstreckt sich von 0,2W bis 19.550W bzw. 58.650W (dreiphasig). Sämtliche Messwerte (Strom, Spannung, Wirkleistung, Blindleistung, Wirkenergie, Blindenergie, Leistungsfaktor, THD-U, THD-I, Netzoberschwingungen, Schieflast, Nullstrom, Netzfrequenz) werden auf dem KNX-Bus dargestellt. Das Enertex® KNX Smartmeter benötigt für Messwerk und KNX Kommunikation insgesamt ca. 0,3 W an Leistung vom KNX Bus.
Energiezähler für die PV Anlage
Abbildung 1: Anschluss des Smartmeters in einem Wohnhauses mit PV-Anlage
Die Installation des Smartmeters erfolgt in diesem Beispiel dreiphasig am Hausanschluss. In der Regel werden dann die Stromsensoren direkt nach dem Stromzähler des Energieversorgers installiert. Gleiches gilt für die Spannung. Die Verwendung des Smartmeters als Zweirichtungszähler erlaubt für ein Wohnhaus mit einer PV-Anlage die Erfassung des Bezugs und der Einspeisung. Die täglichen Energiekosten und die tägliche Einspeisevergütung für die PV-Anlage können am Bus dargestellt werden. Damit können die Energiekosten und Energieerträge beispielsweise über die letzten 6 Monate in einem Diagramm visualisiert werden. Der Verlauf der eingespeisten Energie, der Verlauf der aus dem Netz bezogenen Energie und deren Bilanz über die letzten 24 Stunden werden ausgegeben.
Mit Hilfe der Vorgabe von Grenzwerten im Gerät kann ein einfaches Lastmanagement umgesetzt werden kann. Das Enertex® KNX Smartmeter trägt damit dazu bei, dass die in der PV-Anlage erzeugte Energie vorzugsweise zur Versorgung der eigenen Verbraucher genutzt wird anstatt sie (für einen relativ niedrigen Einspeisetarif) ins Netz einzuspeisen. Das genaue Vorgehen samt Parametrierung kann im Handbuch ausführlich nachgelesen werden. In einer möglichen Visualisierung können diese Daten übersichtlich dargestellt werden, um so die aktuellen Verbrauchs- und Erzeugungswerte schnell auswerten zu können. Die Applikation des Smartmeters bietet hier flexibel parametrierbare Zwischenzähler, die sowohl Energie wie auch Kosten summieren können.
Abbildung 2: Visualisierung Zählerstände
Abbildung 2 zeigt die Visualisierung von Zählerständen beispielhaft mit dem Enertex® EibPC. Mit diesem Visualisierungsmodul kann die Erzeugung von PV Anlagen bzw. Vergütung und Bezug direkt dargestellt werden. Dazu ist der Verbrauch bzw. die Kosten in der linken Tabelle angezeigt.
Datenaufzeichnung auf SD Karte
Energiewerte bzw. Messgrößen zur Überwachung der Netzqualität werden für weitere Offline Analysen auf einer SD-Karte in Textform aufgezeichnet. Die Daten können variabel von einer Minute bis hin zu Tagen parametriert werden. Auf die mitgelieferte SD Karte passen ca. 30 Jahre Aufzeichnungen im Minutentakt.
Netzanalyse und Netzqualität
Im Enertex® KNX Smartmeter ist ein digitaler Signalprozessor (DSP) eingebaut. Dieser erlaubt es, im Gerät auch komplexe Berechnungen auszuführen, wie es sonst nur bei hochwertigen Netzanalysegeräten möglich ist.
Im Idealfall ist Strom und Spannung sinusförmig. Aufgrund von Schaltnetzteilen, Umrichtern oder nichtlinearen Verbrauchern (Gleichrichter, Transformatoren etc.) kommt es aber zu Abweichungen der Sinusform. Gut erkennbar ist dies im linken Plot der Abbildung 2, die Teil der Visualisierung der Messdaten des Enertex® KNX Smartmeters mit dem Enertex® EibPC ist.
Abbildung 3: Verzerrungen der Sinusform
Diese Abweichungen davon werden mit sog. Oberschwingungen (ganzahligen Vielfachen von 50 Hz, n=2 bedeute 100 Hz) angegeben – man kann sich den Zeitverlauf als Überlagerung der einzelnen Frequenzanteile vorstellen (Fouriertransformation). Mit diesem „Verschmutzungsgrad“ der Stromversorgung kann auf Probleme und Gefahren für und mit eigenen Verbrauchern hingewiesen werden. Je mehr Oberschwingungsanteile vorhanden sind, desto verzerrter sind Strom und Spannung und desto „verschmutzer“ ist die Stromversorgung.
Stromoberschwingungen verursachen Überhitzung von Transformatoren, Schaden an Kondensatoren (Schaltnetzteile, Fernseher…), Fehlauslösung FI oder Leitungsschutz.
Spannungsoberschwingungen verursachen Verluste und Schäden, Probleme beim Motoranlauf und Nulldurchgangsstörungen (Schaltnetzteile…). Im Enertex® KNX Smartmeter werden die Oberschwingungen und die Verzerrungen berechnet und auf den Bus ausgegeben bzw. auf die interne SD Karte gespeichert.
Auf der Suche nach „Leistungsfressern“
Aufgrund der hohen Auflösung der Messung sind die üblichen Standbyverluste von verschiedenen Verbrauchern sehr einfach zu ermitteln, auch wenn der Einbauort der Hauptverteiler ist. Hierzu können die entsprechenden Messwerte am Bus betrachtet werden.
Da die prozentuale Abweichung der Wirkleistungsaufnahme am Einspeisepunkt des Hauses bei Abschalten der Standbyverluste (komplettes Trennen vom Netz) nicht allzu hoch sein wird, kann dabei auf ein Objekt in der KNX Applikation zurückgegriffen werden. Dieses fordert die Messwerte des Smartmeters explizit an. Wenn dann die Messgrößen visualisiert und ausgewertet werden, kann der Verbrauch verdeutlicht werden.
Abbildung 4: Messwerte des Enertex® KNX Smartmeter visualisiert mit dem Enertex® EibPC
Das Enertex® KNX Smartmeter misst:
- Ströme in den Phasen L1/L2/L3
- Spannungen in den Phasen L1/L2/L3
- Wirkleistungen in den Phasen L1/L2/L3
- Verzerrungsfaktor THD-U der Spannungen n den Phasen L1/L2/L3
- Verzerrungsfaktor THD-I der Ströme n den Phasen L1/L2/L3
Der Verlauf dieser Größen kann nun mit jeder beliebigen Visualisierung dargestellt werden. In Abbildung 4 ist dies wieder mit dem Enertex® EibPC realisiert. Über die 2. Schalterreihe kann die Größe ausgewählt werden. Im Diagramm können rechts auch per Zoom der Verlauf zeitlich genauer aufgelöst werden und einzelne Phasen abgewählt werden.
In der linken oberen Tabelle werden jeweils die aktuellen Messwerte aufgeführt, wobei hier auch Blindleistung, Scheinleistung und Leistungsfaktor dargestellt werden. Wenn das zur Verfügung gestellte ETS-Projekt genutzt wird, so werden die Werte bei Änderung von 10% auf den Bus gesendet. Um einen aktuellen Leistungswert anzufordern, -beispielsweise wenn ein kleiner Verbraucher zu- bzw. abgeschaltet wird -, betätigt man den linken oberen Knopf. Dann werden die Messwerte vom Enertex® Smartmeter angefragt und sofort in der Tabelle aktualisiert. Auf diese Weise kann der Verbrauch von Kleinstverbrauchern direkt an der Einspeisestelle über den Smartmeter kontrolliert werden.
Varianten für 85A und 630A
Das Enertex® KNX Smartmeter gibt es in zwei Varianten:
- Messung von Strömen bis 85A und
- Messung von Strömen bis 630A.
Die 85A Variante wird mit Durchsteck-Sensoren, die 630A Variante mit Verschluss-Sensoren geliefert. Die Verschluss-Sensoren können ohne Stromunterbrechung bzw. Leitungsauftrennung in das System eingebracht werden.
Fazit
Das Enertex® KNX Smartmeter ist ein hochgenauer Zweirichtungszähler, der flexibel zur Leistungsüberwachung, Energiekostenkontrolle eingesetzt werden kann. Daneben bietet die reichhaltige KNX Applikation die einfache Möglichkeit, Energie- und Lastmanagement direkt im Gerät zu realisieren. In Kombination mit einer Visualisierung wie den Enertex® EibPC ergeben sich weitere Anwendungsszenarien.
Die Präzision der Messung ist einzigartig und erlaubt die Validierung des Energieverbrauchs auch von Kleinstverbrauchern direkt an der Einspeisestelle.
Die Aufzeichnung der Messdaten auf SD Karte bietet die Möglichkeit der Validierung rechnergestützt ohne KNX Bus.
Die Analysen hinsichtlich Netzqualität sind ein weiteres Alleinstellungsmerkmal dieses Geräts.
