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Die Erfindung betrifft eine Transformatoranordnung für die Ortsnetz-Spannungsversorgung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Transformatoranordnung für die Ortsnetz-Spannungsversorgung.
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Die herkömmliche Stromerzeugung aus beispielsweise fossilen Energieträgern war zu praktisch 100% zentral und die derzeitigen Stromnetze sind auf diese Situation ausgelegt. Es ist dabei stets mit einem Spannungsabfall vom Ortsnetz-Transformator hin zu den Anschlüssen wie Privathaushalten zu rechnen.
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Derzeit findet aber die Erzeugung von Strom aus regenerativen Quellen einen großen Zuwachs. Im Gegensatz zur althergebrachten Stromerzeugung erfolgt ein nicht unerheblicher Teil der Erzeugung von Strom aus regenerativen Quellen dezentral, beispielsweise in privaten Haushalten oder Kleinanlagen statt.
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Dadurch kann es zunehmend zu der bisher unmöglichen Situation kommen, dass sich der Spannungsabfall entlang von Stichleitungen im Ortsnetz umkehrt, wofür jedoch das Ortsnetz nicht ausgelegt ist. Die Folge sind Spannungsüberhöhungen im Ortsnetz, die die Grenze von 10% der Sollspannung überschreiten können. Auch im Mittelspannungsnetz sind Spannungsüberhöhungen möglich, beispielsweise durch angeschlossene Windenergieanlagen. Diese ziehen ebenfalls eine erhöhte Spannung im Niederspannungsnetz (Ortsnetz) nach sich.
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Eine bekannte Möglichkeit, mit diesen Problemen umzugehen, besteht in dem deutlichen Ausbau der Ortsnetze, d.h. einer Erhöhung des im Ortsnetz verlegten Kabelquerschnitts. Das führt zu einer Verringerung des Spannungsabfalls über die Kabel und damit auch zu einer Verringerung von Spannungsüberhöhungen im Ortsnetz. Dies ist jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Transformatoranordnung sowie ein Verfahren zum Betrieb der Transformatoranordnung anzugeben, mit denen das eingangs genannte Problem vermindert wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Transformatoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine Lösung hinsichtlich des Verfahrens besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8.
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Die erfindungsgemäße Transformatoranordnung für die Ortsnetz-Spannungsversorgung weist einen Transformator zur Wandlung einer Primär- in eine gegenüber der Primärspannung niedrigere Sekundärspannung zur Ortsnetzversorgung auf. Die Primärspannung ist dabei eine Mittelspannung im Bereich einiger kV, beispielsweise 10 kV, 20 kV oder 30 kV. Die Sekundärspannung ist eine Spannung zur lokalen Versorgung eines Ortsnetzes oder Stadtnetzes, beispielsweise 230V einphasig bei 400V Leiter-Leiter-Spannung.
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Die Transformatoranordnung umfasst weiterhin eine Stelleinrichtung zur Anpassung des Verhältnisses zwischen der Primär- und der Sekundärspannung. Diese wird typischerweise so ausgelegt sein, dass die Sekundärspannung in Schritten variierbar ist. Weiterhin umfasst die Transformatoranordnung eine Steuereinrichtung zur Erfassung der Spannung wenigstens einer der Phasen. Die Erfassung kann dabei auf Seite der Primärspannung erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Erfassung der Spannung allerdings auf der Sekundärseite, da dabei bedingt durch die geringere Sekundärspannung vorteilhaft ein geringerer Messaufwand erforderlich ist.
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Die Steuereinrichtung steuert die Stelleinrichtung anhand des oder der gemessenen Werte wobei die Steuerung derart erfolgt, dass eine Abweichung von im Ortsnetz auftretenden Spannungswerten von einem vorgebbaren Sollspannungswert für das Ortsnetz verringert wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Transformators in einer Transformatoranordnung für die Ortsnetz-Spannungsversorgung, die zur Wandlung einer Primär- in eine gegenüber der Primärspannung niedrigere Sekundärspannung ausgestaltet ist, werden die folgenden Schritte durchgeführt:
- – Erfassung der Spannung wenigstens einer Phase mittels einer lokal in der Transformatoranordnung vorgesehenen Steuereinrichtung,
- – Vergleich der erfassten Werte für die Spannung mit Sollwerten und Ermittlung eines Steuersignals aus dem Vergleich mittels der Steuereinrichtung,
- – Steuerung einer lokal im Transformator vorgesehenen Stelleinrichtung zur Anpassung der Höhe der Sekundärspannung anhand des Steuersignals.
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Vorteilhaft wird hierdurch erreicht, dass eine Anpassung der Arbeit eines Transformators derart ermöglicht wird, dass Überspannungen im Ortsnetz vermieden werden. Das gilt sogar dann, wenn ein Rückfluss von Energie aus dezentralen regenerativen Energieerzeugern in die Mittelspannungsebene erfolgt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Stelleinrichtung, Steuereinrichtung und Transformator in unmittelbarer örtlicher Nähe zueinander aufgebaut. Sie können dabei beispielsweise eine bauliche Einheit bilden, also als ein Gesamtgerät gestaltet sein. Alternativ kann beispielsweise die Steuereinrichtung ein externes und vom Transformator separates Gerät sein, das aber in direkter Umgebung des Transformators angeordnet ist.
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Dadurch erfolgt vorteilhaft die Steuerung der Arbeit des Transformators ausschließlich aus lokal beim Transformator verfügbaren Informationen, indem die Spannung im Bereich des Transformators erfasst und verarbeitet wird. Eine Fernsteuerung ist also vorteilhaft nicht erforderlich. Ebenso ist keine Fernmessung beispielsweise von Spannungsdaten erforderlich.
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Dabei sind die folgenden zwei Ausgestaltungen einzeln oder zusammen möglich:
Die Messung der Spannung hat dabei folgenden Zweck: Mittels der Messung der Spannung wenigstens einer der Phasen wird ermittelt, ob auf der Mittelspannungsebene eine Veränderung der Spannung gegenüber dem Sollwert eingetreten ist, beispielsweise durch Einspeisung aus Windenergieanlagen oder auch im Fehlerfall, d.h. bei Auftreten eines Kurzschlusses. Da die Höhe der Mittelspannung unmittelbar die Höhe der Niederspannung beeinflusst, ist hier eine Korrektur durch die Stelleinrichtung vorteilhaft.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Erfassung der Spannung für alle Phasen durchgeführt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn neben den Absolutwerten der Spannung auch die Spreizung der Werte, d.h. Abstand der gemessenen Spannungen untereinander berücksichtigt wird bei der Steuerung der Stelleinrichtung.
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Zusätzlich zur Messung der Spannung kann auch eine Messung des Stroms erfolgen: Mittels der Messung des Stroms auf wenigstens einer der Phasen wird ermittelt, wie die Lastsituation auf Seiten der Niederspannung ist. Der gemessene Strom ist dabei die Differenz aus verbrauchtem und erzeugtem Strom im Ortsnetz. Je nach Lastsituation im Ortsnetz sinkt die Spannung im Ortsnetz oder steigt an, wobei die Veränderung der Spannung mit dem Abstand vom Transformator meist zunimmt.
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Sowohl die Spannung als auch der Strom können dabei anstelle einer Messung an einer der Phasen auch an allen drei Phasen gemessen werden. Eine solche Messung hat den Vorteil, dass die Steuereinrichtung alle Spannungen und Ströme berücksichtigen kann. Es ist damit ausgeschlossen, Veränderungen der Lastsituation im Ortsnetz bzw. Mittelspannung zu übersehen, weil sie in der falschen Phase auftreten. Weiterhin ist es von Vorteil, dass eine Spreizung der gemessenen Werte für die Phasen berücksichtigt werden kann. Mit Spreizung ist dabei beispielsweise die Differenz zwischen dem größten und kleinsten Wert gemeint.
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In einer Weiterbildung der Erfindung findet eine dreiphasige Erfassung des Stroms in wenigstens einer, insbesondere allen, Ausgangsleitungen der Sekundärseite der Transformatoranordnung statt. Damit wird mit anderen Worten der Strom nicht mehr auf der Sammelschiene für die komplette Sekundärseite erfasst, sondern in den einzelnen Stichleitungen getrennt voneinander. Auch dies kann neben der einphasigen Messung dreiphasig erfolgen. Hierdurch wird es möglich, die Lastsituation im Ortsnetz genauer zu ermitteln. Damit kann beispielsweise ein Ausgleich einer Spannungsveränderung vorgenommen werden, die bei einer Messung an der Sammelschiene nicht aufgefallen wäre. Ebenso kann vermieden werden, dass ein Ausgleich einer Spannungsveränderung durchgeführt wird, die zwar im Mittel eine Annäherung an die Sollspannung bewirkt, aber für einzelne Teile des Ortsnetzes ein Verlassen des erlaubten Spannungsbereichs von 100% +/– 10% der Sollspannung bewirkt.
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Die Stelleinrichtung ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung derart beschaffen, dass sie eine Erhöhung der ortsnetzseitigen Spannung des Transformators um einen festen Betrag oder Relativwert sowie eine Erniedrigung um den gleichen Betrag oder Relativwert erlaubt. D.h. es sind genau drei Spannungsniveaus verfügbar.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen. Dabei zeigen
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1 eine Transformatoranordnung,
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2 einen Verlauf von Strom im Ortsnetz gegen maximale Veränderung der Spannung im Ortsnetz.
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1 zeigt eine Transformatoranordnung 14 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Transformatoranordnung 14 umfasst einen Transformator 20 zur dreiphasigen Wandlung einer Mittelspannung, die mittels dreier Mittelspannungsanschlüsse 15 aus der überregionalen Mittelspannungsversorgung geliefert wird, in eine Niederspannung zur Versorgung von Ortsnetzabschnitten 10 ... 12 eines Ortsnetzes. Die Mittelspannung soll in diesem Beispiel 20 kV betragen, während die Niederspannung die in Deutschland übliche dreiphasige Versorgung mit 230 V gegen den Neutralleiter ist. Der Transformator 20 ist dazu eingangsseitig mit den Mittelspannungsanschlüssen 15 und ausgangsseitig mit Sammelschienen 24 zur Verteilung der Niederspannung verbunden.
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Von den Sammelschienen 24 aus bestehen die üblichen Verbindungen zu den Ortsnetzabschnitten 10 ... 12 des Ortsnetzes. Diese Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 umfassen im vorliegenden Beispiel jeweils eine Reihe von privaten Haushalten, die mit Niederspannung versorgt werden. Dabei hat in diesem Beispiel ein Teil der Haushalte beispielsweise Photovoltaik-Anlagen und kann somit Strom erzeugen und zurückspeisen. Sowohl der Verbrauch von Energie auf Seiten der Haushalte als auch die Zurückspeisung verändert die Spannung in Teilen des jeweiligen Ortsnetzabschnitts 10 ... 12. Am deutlichsten ist dabei die Veränderung normalerweise an dem Punkt des Ortsnetzabschnitts 10 ... 12, der am weitesten von der Transformatoranordnung 14 entfernt ist.
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2 zeigt eine Modellierung des Einflusses von Einspeisung und Zurückspeisung auf die Spannung in einem Ortsnetzabschnitt 10 ... 12. Der Graph der 2 zeigt dabei auf der x-Achse den Strom, der in den Ortsnetzabschnitt 10 ... 12 fließt oder von diesem zurückgespeist wird und auf der y-Achse die relative Veränderung der Spannung am fernsten Punkt eines gedachten Ortsnetzabschnitts 10 ... 12 durch den Stromfluss. Dabei wurde ein erster Extrempunkt 22 berechnet aus der Annahme der maximalen Last, d.h. des maximal denkbaren Verbrauchs aller angeschlossenen Verbraucher ohne jegliche dezentrale Energieerzeugung und Rückspeisung. Dabei fließt ein Strom von 220 A in den Ortsnetzabschnitt 10 ... 12. Die relative Spannungsänderung beträgt in diesem Fall 1,5%; die Spannung ist also am fernsten Punkt des Ortsnetzabschnitts 10 ... 12 etwa 1,5% geringer als am Transformator.
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Ein zweiter Extrempunkt 23 wurde bestimmt aus der worst-case-Annahme maximaler Rückspeisung ohne Last. Dabei wurde von einer Rückspeisung von 650 A ausgegangen, was zu einer Spannungserhöhung am fernsten Punkt von 3,5% führt. Die sich ergebenden Punkte wurden durch eine Kennlinie 21 verbunden. Die tatsächliche Veränderung der Spannung wird zumeist durch die Vermischung von Zurückspeisung von Last geringer sein als die bei den Extrempunkten 22, 23, aber die Kennlinie 21 erlaubt eine Annahme für die Spannungsänderung aus dem Strom, der am Transformatoranordnung 14 fließt.
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Die Transformatoranordnung 14 enthält eine Steuereinrichtung 18, ausgestaltet zur dreiphasigen Messung des Stroms in die Ortsnetzabschnitte 10 ... 12. Die Steuereinrichtung 18 ist dazu in zweckmäßiger Weise mit den Sammelschienen 24 verbunden. Die gemessenen Stromwerte werden an eine Steuerungseinrichtung 18 weitergegeben, mit der die Steuereinrichtung 18 verbunden ist.
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Zusätzlich misst die Steuereinrichtung 18 die Spannung einer Phase an den Sammelschienen 24. Sowohl die Steuereinrichtung 18 als auch die Spannungsmessvorrichtung 17 sind dabei in der Transformatoranordnung 14 realisiert und angeordnet und greifen zur Messung auch nur auf dort vorhandenen Anschlüsse und Leitungen zu. Es ist also keine Verbindung nach außen nötig oder vorgesehen.
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Die Steuereinrichtung 18 ist ausgestaltet, die eingehenden Messwerte auszuwerten. So wird der Spannungswert mit dem Sollspannungwert von 230 V oder 400 V verglichen. Tritt eine Änderung der Mittelspannung auf, so wird diese über den Transformator 20 direkt an die Niederspannungsseite weitergegeben. Daher ermittelt die Steuerungseinrichtung 18, ob eine Maßnahme ergriffen werden muss, um die Niederspannung anzupassen. Weiterhin werden die gemessenen Werte für den Strom auf Niederspannungsseite anhand der Kennlinie 21 ausgewertet und daraus die Spannungsänderung ermittelt, die sich durch Last und Energieerzeugung auf der Niederspannungsseite ergibt. Beide Spannungsänderungen, also die durch Mittelspannung als auch die aus den Ortsnetzabschnitten 10 ... 12 selbst, werden zusammen berücksichtigt.
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Beispielsweise wird die stärkste Spannungsabweichung vom Sollwert in den verschiedenen Ortsnetzabschnitten 10 ... 12 ermittelt. Überschreitet diese einen Schwellwert, so sorgt die Steuerungseinrichtung 18 für eine Veränderung der Spannung. Die Steuerungseinrichtung prüft dabei in diesem Beispiel auch, ob zusammengenommen eine der Spannungen am fernsten Punkt Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 den erlaubten Bereich von +/–10% der Sollspannung verlässt und zwar auch nach der Veränderung der Spannung. Mit anderen Worten berücksichtigt die Steuerungseinrichtung 18 auch die Spreizung der gemessenen Stromwerte, d.h. deren Abstand voneinander. Weist beispielsweise einer der Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 eine deutliche Spannungserhöhung auf und ein anderer der Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 eine deutliche Spannungsabsenkung, so ist eine Anpassung der Spannung möglicherweise nicht sinnvoll.
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In diesem Fall ist es möglich, dass die Transformatoranordnung 14 eine Möglichkeit besitzt, ein Warnsignal an eine Leitstelle abzugeben oder die Problemsituation für eine spätere Auswertung in einem Protokoll zu speichern.
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Um eine Anpassung der Spannung zu erreichen, steuert die Steuerungseinrichtung 18 eine Stelleinrichtung 19. Diese Stelleinrichtung 19 passt das Windungsverhältnis des Spannungsumsetzers 20 an. Im vorliegenden Beispiel ist die Stelleinrichtung 19 ausgestaltet, neben dem normalen Windungsverhältnis zur Transformation der Mittelspannung zur Niederspannung bei jeweils Sollwert auch Transformationen zu 6% mehr oder 6% weniger Spannung vornehmen zu können. Damit kann die Steuereinrichtung im vorliegenden Beispiel eine Schaltung zu mehr Spannung vornehmen, wenn sich aus beispielsweise einer abgesenkten Mittelspannung und einer starken Einspeisung auf Ortsnetzseite eine summierte Spannungsänderung von mehr als 9% – fern von der Transformatoranordnung 14 – ergibt. Nach der Erhöhung der Spannung mittels der Stelleinrichtung 19 um 6% verbleibt dann eine Spannung, die nahe der Transformatoranordnung 14 in beispielhaften Zahlen – 2% höher ist als die Sollspannung und fern des Transformators 14 um ca. 3% gegenüber der Sollspannung abgesenkt.
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Die Stelleinrichtung 19, die Steuereinrichtung 18 und der Transformator 20 sind vorteilhaft in örtlichem Zusammenhang realisiert, beispielsweise als eine Transformatorstation. Die Transformatoranordnung 14 ist dadurch unabhängig von äußeren Signalen, d.h. sie benötigt keine von außen vorzugebenden Befehle und keine von außen kommenden Messsignale. Es ist zweckmäßig, die in 2 gezeigte Kennlinie für jeden der Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 zu ermitteln und in der Transformatoranordnung zu hinterlegen, beispielsweise in einer Speichereinheit der Steuerungseinrichtung 18.
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Die Transformatoranordnung 14 dieses Beispiels führt eine einphasige Messung der Spannung durch, um Veränderungen der Mittelspannung zu erkennen. Daneben wird eine dreiphasige Messung des Stroms in Richtung der Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 vorgenommen. Dies ist ein vorteilhafter Kompromiss aus Genauigkeit der Messung gegen Aufwand. Zur Seite der Mittelspannung hin ist es typsicherweise ausreichend, einphasig zu messen. Auf Seite der Niederspannung ist dagegen eher zu erwarten, dass zwischen den Phasen Unterschiede im Stromfluss auftreten. Durch die Messung in allen Phasen werden diese Unterschiede berücksichtigt.
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Es gibt abweichend vom beschriebenen Ausführungsbeispiel jedoch auch andere Ausführungsmöglichkeiten. Diese werden im Folgenden kurz dargestellt. Dabei bleiben die im Ausführungsbeispiel vorhandenen Komponenten weitgehend die gleichen.
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So ist es auch möglich, die Spannung aller Phasen zu messen. Hierdurch kann erreicht werden, dass Unterschiede in der Spannung zwischen den Phasen auch dort erkannt werden. So kann in genauerer Weise auf die Absolutwerte und auch auf die Spreizung der Spannungswerte reagiert werden. Hierzu ist die Steuereinrichtung 18 entsprechend anzupassen; es muss die Auswertung einer erhöhten Zahl von Messwerten vorgenommen werden.
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Weiterhin kann im Sinne einer Vereinfachung anstelle der dreiphasigen Strommessung eine einphasige Strommessung durchgeführt werden. Dadurch wird der Mess- und der Auswertungsaufwand reduziert. Bestimmte Betriebssituationen auf Seiten der Niederspannung werden in diesem Fall aber nicht detektiert.
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Ein Ausbau der Detektionsmöglichkeiten der Transformatoranordnung 14 ist dadurch möglich, dass die Strommessung auf der Niederspannungsseite nicht mehr an der Sammelschiene 24, sondern sogar einzeln für jeden der Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 durchgeführt wird. Hierdurch wird ein Wert für jeden der Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 gewonnen und die Transformatoranordnung 14 kann mit erhöhter Genauigkeit reagieren bzw. Problemsituationen genauer erkennen, in denen die Steuermöglichkeiten nicht mehr ausreichen.
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Noch genauer wird die Auswertung der Situation der Ortsnetzabschnitte 10 ... 12, wenn die Strommessung nicht nur einzeln für die Ortsnetzabschnitte 10 ... 12, sondern dazu auch noch für jede der Phasen durchgeführt wird. Hierdurch ist der Messaufwand nochmals erhöht, aber die Situation der Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 kann sehr genau ermittelt werden. Unvorteilhafte Spannungsanpassungen durch die Steuerungseinrichtung 18 werden hierdurch nahezu vollständig vermeidbar und Anpassungen im Ortsnetz werden – sofern die Transformatoranordnung 14 Probleme speichert oder meldet – vereinfacht, da die Probleme bereits genauer bekannt sind. Unvorteilhafte Spannungsanpassungen sind beispielsweise solche, bei denen der Spannungsverlauf in einem der Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 verbessert wird, dadurch aber gleichzeitig die Spannung in einem anderen der Ortsnetzabschnitte 10 ... 12 die Toleranzgrenzen verletzt.
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Dabei ist es für den Fachmann ersichtlich, dass die Strommessung – sofern sie nicht einzeln pro Ortsnetzabschnitt 10 ... 12 erfolgen soll – zu beiden Seiten des Spannungsumsetzers 20 erfolgen kann. Ebenso kann die Spannungsmessung grundsätzlich zu beiden Seiten des Spannungsumsetzers 20 erfolgen. Die gemessenen Werte müssen dafür in für sich genommen bekannter Weise ausgewertet und umgerechnet werden. Allerdings bringt die Messung auf Seite der Mittelspannung einen erhöhten Aufwand mit sich.
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Als weitere Vereinfachung des gezeigten Transformators 14 kann die Strommessung ganz entfallen. In diesem Fall wird die Situation auf der Niederspannungsseite nicht weiter ausgewertet. Die dennoch vorhandene Spannungsmessung erlaubt eine Reaktion auf Veränderungen auf Seiten der Mittelspannung. Dabei kann die Spannungsmessung wie bereits dargelegt einphasig oder dreiphasig erfolgen.
