DE102012023424B4 - Energy distribution system with a control device - Google Patents

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Abstract

Energieverteilungsanlage mit einer Steuervorrichtung (5),
an die mindestens eine elektrische Energiequelle (10) und mindestens ein elektrischer Energiespeicher (11) anschließbar ist,
die Spannungswandler (7, 8, 9) aufweist, die die von der Energiequelle (10) und dem Energiespeicher (11) eingespeiste Spannungen in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung wandeln, deren Spannungshöhe und Frequenz derart ist, dass die Wechselspannung zur Versorgung einer lokalen Installation (3) und zur Einspeisung in ein Spannungsversorgungsnetz (1) geeignet ist, und die aus der Spannung der Energiequelle (10) eine Spannung zum Laden des Energiespeichers (11) generieren,
wobei die lokale Installation (3) über eine Umschaltvorrichtung (20) mit dem Spannungsversorgungsnetz (1) („Netzbetrieb“) oder mit einer aus der Energie von Energiequelle (10) und/oder Energiespeicher (11) von den Spannungswandlern (7, 8, 9) generierten Wechselspannung („Inselbetrieb“) verbindbar ist,
wobei zu den Spannungswandlern (7, 8, 9) ein einziger Wechselrichter (7) gehört, der im Netzbetrieb als Stromquelle Energie in das Spannungsversorgungsnetz (1) einspeist und der im Inselbetrieb als Spannungsquelle die lokale Installation (3) versorgt,
wobei im Netzbetrieb die Umschaltvorrichtung (20) die lokale Installation (3) mit dem Spannungsversorgungsnetz (1) verbindet und ein Trennschalter (30) den Ausgang des Wechselrichters (7) mit dem
Spannungsversorgungsnetz (1) verbindet,
wobei im Inselbetrieb die Umschaltvorrichtung (20) die lokale Installation (3) mit dem Ausgang des Wechselrichters (7) verbindet und der Trennschalter (30) den Ausgang des Wechselrichters (7) vom Spannungsversorgungsnetz (1) trennt,
wobei die Umschaltvorrichtung (20) aus einem ersten und einem zweiten steuerbaren elektromechanischen Schalter (21, 22) besteht, die gegen gleichzeitiges Einschalten gegeneinander verriegelt sind,
wobei der Trennschalter (30) aus einem dritten und einem vierten steuerbaren elektromechanischen Schalter (31, 32) besteht, die parallel gesteuert werden, und dass zur Ausbildung von Schaltkontakten des Trennschalters (30) Schließerkontakte des dritten und vierten Trennschalters (31, 32) in Reihe geschaltet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ersten und zweiten steuerbaren elektromechanischen Schalter (21, 22) der Umschaltvorrichtung (20) gegen gleichzeitiges Einschalten mehrfach gegeneinander verriegelt sind.

Figure DE102012023424B4_0000
Energy distribution system with a control device (5),
to which at least one electrical energy source (10) and at least one electrical energy store (11) can be connected,
the voltage converter (7, 8, 9), which convert the energy from the source (10) and the energy storage (11) fed into a single- or multi-phase AC voltage whose voltage level and frequency is such that the AC voltage to supply a local Installation (3) and for feeding into a power supply network (1) is suitable, and from the voltage of the power source (10) generate a voltage for charging the energy store (11),
wherein the local installation (3) via a switching device (20) with the power supply network (1) ("network operation") or with one of the energy from the energy source (10) and / or energy storage (11) from the voltage transformers (7, 8, 9) generated alternating voltage ("island operation") is connectable,
wherein the voltage transformers (7, 8, 9) include a single inverter (7), which in the network operation feeds energy into the power supply network (1) as the power source and supplies the local installation (3) as a voltage source in isolated operation,
wherein in network operation, the switching device (20) connects the local installation (3) to the power supply network (1) and a circuit breaker (30) connects the output of the inverter (7) with the
Power supply network (1) connects,
wherein in island operation the switching device (20) connects the local installation (3) to the output of the inverter (7) and the disconnecting switch (30) disconnects the output of the inverter (7) from the power supply network (1),
wherein the switching device (20) consists of a first and a second controllable electromechanical switch (21, 22), which are locked against each other against simultaneous switching,
wherein the circuit breaker (30) consists of a third and a fourth controllable electromechanical switch (31, 32) which are controlled in parallel, and that to form switch contacts of the circuit breaker (30) normally open contacts of the third and fourth circuit breaker (31, 32) in Are connected in series,
characterized,
in that the first and second controllable electromechanical switches (21, 22) of the switching device (20) are repeatedly locked against each other against simultaneous switching on.
Figure DE102012023424B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieverteilungsanlage mit einer Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an energy distribution system with a control device according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Energieverteilungsanlage ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 000 502 A1 bekannt.Such an energy distribution system is known from the German patent application DE 10 2010 000 502 A1 known.

Das Patentdokument US 2011 / 0 148 205 A1 offenbart eine Energieverteilungsanlage mit einer Steuervorrichtung, an die mindestens eine elektrische Energiequelle und mindestens ein elektrischer Energiespeicher anschließbar ist, die Spannungswandler aufweist, die die von der Energiequelle und dem Energiespeicher eingespeiste Spannungen in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung wandeln, deren Spannungshöhe und Frequenz derart ist, dass die Wechselspannung zur Versorgung einer lokalen Installation und zur Einspeisung in ein Spannungsversorgungsnetz geeignet ist, und die aus der Spannung der Energiequelle eine Spannung zum Laden des Energiespeichers generieren, wobei die lokale Installation über eine Umschaltvorrichtung mit dem Spannungsversorgungsnetz („Netzbetrieb“) oder mit einer aus der Energie von Energiequelle und/oder Energiespeicher von den Spannungswandlern generierten Wechselspannung („Inselbetrieb“) verbindbar ist, und wobei zu den Spannungswandlern ein einziger Wechselrichter gehört, der im Netzbetrieb als Stromquelle Energie in das Spannungsversorgungsnetz einspeist und der im Inselbetrieb als Spannungsquelle die lokale Installation versorgt.The patent document US 2011/0 148 205 A1 discloses an energy distribution system with a control device to which at least one electrical energy source and at least one electrical energy storage is connectable, the voltage converter which convert the voltages fed from the energy source and the energy storage voltages in a single- or multi-phase AC voltage whose voltage level and frequency is such in that the AC voltage is suitable for supplying a local installation and for feeding into a power supply network, and that generate a voltage for charging the energy store from the voltage of the energy source, the local installation being connected via a switching device to the power supply network ("mains operation") or one of the energy from the energy source and / or energy storage of the voltage transformers generated AC voltage ("island operation") is connectable, and wherein the voltage transformers include a single inverter, which in network operation al s power source feeds energy into the power grid and supplies the local installation as a voltage source in isolated mode.

Eine Energieverteilungsanlage kann insbesondere mit einer regenerativen Energiequelle verbunden sein, und bildet dann einen Teil beispielsweise einer Photovoltaik- oder eine Windkraftanlage aus. Die folgende Erläuterung bezieht sich rein beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf eine Photovoltaikanlage.A power distribution system may in particular be connected to a regenerative energy source, and then forms a part of, for example, a photovoltaic or a wind turbine. The following explanation relates purely by way of example and without limiting the general public to a photovoltaic system.

Photovoltaikanlagen zur zumindest unterstützenden Energieversorgung von Gebäuden finden zunehmende Verbreitung. Die elektrische Leistungsabgabe eines Photovoltaikgenerators unterliegt über den Tagesverlauf starken Schwankungen und entspricht daher praktisch nie genau dem momentanen Energiebedarf der im Gebäude installierten Verbraucher, welche im Folgenden zusammenfassend mit einem lokalen Leitungsnetz als lokale Installation bezeichnet werden.Photovoltaic systems for the at least supportive energy supply of buildings are becoming increasingly widespread. The electrical output of a photovoltaic generator is subject to fluctuations over the course of the day and therefore practically never exactly corresponds to the instantaneous energy consumption of the consumers installed in the building, which are referred to in the following as a local installation as a local installation.

So kann eine Photovoltaikanlage während der hellen Tagesstunden eine elektrische Leistung erzeugen, die weit über den elektrischen Leistungsbedarf der lokalen Installation hinausgeht, so dass überschüssige elektrische Energie in ein öffentliches Spannungsversorgungsnetz eingespeist werden kann. In der übrigen Zeit kann es dagegen notwendig sein, zum Ausgleich von Energiedefiziten, dem öffentlichen Spannungsversorgungsnetz elektrische Energie zu entnehmen.Thus, a photovoltaic system can generate an electric power during the light hours of the day, which goes far beyond the electrical power requirements of the local installation, so that excess electrical energy can be fed into a public power grid. In the rest of the time it may be necessary to remove electrical energy from the public power supply network to compensate for energy shortages.

Photovoltaikanlagen mit einer sogenannten Eigenverbrauchsoptimierung weisen als Energiespeicher Akkumulatoren auf, welche mehrere Kilowattstunden elektrischer Energie speichern können. Die Einspeisung bzw. Entnahme elektrischer Energie aus dem öffentlichen Spannungsversorgungsnetz erfolgt hier nur noch dann, wenn das Pufferungsvermögen des Energiespeichers überschritten wird oder wenn dies aufgrund von tageszeitbezogenen Stromtarifen einträglich ist.Photovoltaic systems with a so-called self-consumption optimization have accumulators as energy storage, which can store several kilowatt hours of electrical energy. The supply or removal of electrical energy from the public power grid takes place here only when the buffering capacity of the energy storage is exceeded or if this is due to daytime electricity tariffs profitable.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 62 955 A1 ist eine Anordnung für das Energiemanagement einer unterbrechungsfreien Stromversorgung bekannt. Die Anordnung ist mit einem Spannungsversorgungsnetz verbunden und weist zudem einen Generator und einen Gleichstromspeicher auf. Die Anordnung arbeitet in verschiedenen Betriebsarten, bei der eine Last entweder aus dem Spannungsversorgungsnetz, durch den Generator oder durch den Gleichstromspeicher versorgt wird, oder bei der vom Generator erzeugte Energie in das Spannungsversorgungsnetz eingespeist wird. Um dieses zu ermöglichen, besitzt die Anordnung zwei eigenständige Wechselrichter. Einer dieser Wechselrichter, in dem Dokument als Netz-Parallel-Wechselrichter bezeichnet, arbeitet als Stromquelle und speist Strom in das Spannungsversorgungsnetz ein. Seine Spannung folgt dabei der Spannung des Netzes. Ein zweiter Wechselrichter dient als eine Spannungsquelle und versorgt bei einem Netzausfall die Last aus der Spannung des Generators oder des Gleichstromspeichers.From the German patent application DE 101 62 955 A1 An arrangement for the energy management of an uninterruptible power supply is known. The arrangement is connected to a power supply network and also has a generator and a DC storage. The arrangement operates in various modes in which a load is supplied either from the power grid, through the generator or through the DC storage, or is fed into the power grid at the power generated by the generator. To make this possible, the arrangement has two independent inverters. One of these inverters, referred to in the document as a grid-parallel inverter, operates as a power source and feeds power into the power grid. Its tension follows the tension of the net. A second inverter serves as a voltage source and, in the event of a power failure, supplies the load from the voltage of the generator or DC storage.

In dieser Schrift wird zudem ein Wechselrichter erwähnt, der in verschiedenen Betriebsarten als Strom- oder als Spannungsquelle arbeiten kann. Ein solcher Wechselrichter, der seine Betriebsart wechseln kann, wird in diesem Dokument jedoch als gefährlich beschrieben, weil durch eine solche Auslegung eine Spannung auf das Spannungsversorgungsnetz geschaltet werden kann, während dieses abgeschaltet ist und gewartet wird. Hierdurch können Personen, die am vermeintlich spannungsfrei geschalteten Netz arbeiten, gefährdet werden.In this document, an inverter is also mentioned, which can operate in different modes as a current or voltage source. However, such an inverter, which can change its operating mode, is described in this document as dangerous, because such a design, a voltage can be switched to the power supply network while it is turned off and is maintained. This can endanger persons who work on the alleged de-energized network.

Energieverteilungsanlagen, welche zur Realisierung unterschiedlicher Betriebsarten mehrere Wechselrichter aufweisen, besitzen jedoch einen relativ komplexen Aufbau und sind daher relativ kostenaufwändig.Energy distribution systems, which have several inverters for realizing different operating modes, however, have a relatively complex structure and are therefore relatively expensive.

Es stellte sich die Aufgabe, eine Energieverteilungsanlage zu schaffen, die einerseits einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist, andererseits aber einen hohen Sicherheitslevel garantiert.It set itself the task to create an energy distribution system, on the one hand a simple and inexpensive construction, but on the other hand guarantees a high level of security.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die ersten und zweiten steuerbaren elektromechanischen Schalter der Umschaltvorrichtung gegen gleichzeitiges Einschalten mehrfach gegeneinander verriegelt sind.This object is achieved in that the first and second controllable electromechanical switch of the switching device are repeatedly locked against each other against simultaneous switching.

Für den Betrieb der Energieverteilungsanlage sind zwei mögliche Betriebsarten vorgesehen, nämlich erstens der Betrieb mit Ankopplung an das Spannungsversorgungsnetz, im vorliegenden Text kurz als Netzbetrieb bezeichnet, und zweitens der vom Spannungsversorgungsnetz abgekoppelte Betrieb, der hier als Inselbetrieb benannt ist. Der Inselbetrieb ermöglicht bei einem Netzausfall einen Betrieb von Verbrauchern einer lokalen Installation über einen gewissen Zeitraum aus der Energie eines Generators und/oder eines Energiespeichers.For the operation of the power distribution system, two possible modes are provided, namely, first, the operation with coupling to the power supply network, referred to herein briefly as network operation, and secondly the decoupled from the power supply operation, which is named here as island operation. The island operation allows in a power failure operation of consumers of a local installation over a period of time from the energy of a generator and / or an energy storage.

Der Erfindung sieht mindestens einen Trennschalter vor, welcher den Ausgang des einzigen Wechselrichters sicher vom Spannungsversorgungsnetz trennen kann, sowie eine Umschaltvorrichtung, welche die lokale Installation entweder mit dem Spannungsversorgungsnetz oder mit dem Ausgang des Wechselrichters verbindet.The invention provides at least one circuit breaker which can safely disconnect the output of the single inverter from the power supply network, and a switching device which connects the local installation either to the power supply network or to the output of the inverter.

Sowohl der Trennschalter als auch die Umschaltvorrichtung sind durch steuerbare elektromechanische Schalter ausgebildet, welche die genannten Verbindungen allpolig herstellen oder trennen. In einer bevorzugten Ausführung sind sowohl der Trennschalter als auch die Umschaltvorrichtung durch jeweils zwei unabhängig voneinander steuerbare Schütze realisiert.Both the circuit breaker and the switching device are formed by controllable electromechanical switch, which connect or disconnect said compounds all poles. In a preferred embodiment, both the circuit breaker and the switching device are realized by two independently controllable contactors.

Für einen besonders sicheren Betrieb ist es vorteilhaft, wenn das gleichzeitige Einschalten bestimmter elektromechanischer Schalter ausgeschlossen (verriegelt) ist. Die Verriegelung kann, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird, auf mechanischem oder elektrischem Weg erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, mehrere unabhängig wirkende Verriegelungsarten vorzusehen und miteinander zu kombinieren.For a particularly safe operation, it is advantageous if the simultaneous switching on certain electromechanical switch is excluded (locked). The locking can, as will be explained in more detail below, done by mechanical or electrical means. It is particularly advantageous to provide a plurality of independently acting locking types and to combine them.

Durch die alleinige Verwendung elektromechanischer Schalter kann es beim Umschalten zwischen Netz- und Inselbetrieb jeweils zu einer kurzzeitigen (in der Größenordnung von etwa einer Sekunde) Unterbrechung der Spannungsversorgung der lokalen Installation kommen, die für die allermeisten Verbraucher akzeptabel ist. Die Erfindung verzichtet hier ausdrücklich auf die Schaffung einer vollständig unterbrechungsfreien Stromversorgung zugunsten eines einfachen Aufbaus und einer hohen Betriebssicherheit.The sole use of electromechanical switches can lead to a short-term (on the order of about one second) interruption of the voltage supply of the local installation when switching between mains and island operation, which is acceptable to most consumers. The invention expressly dispenses with the provision of a completely uninterruptible power supply in favor of a simple structure and high reliability.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die 1 bis 3 zeigen jeweils in Form eines Blockschaltbilds den Aufbau einer Energieverteilungsanlage, die elektrische Energie zur Versorgung einer lokalen Installation, welche etwa durch die Gesamtheit der elektrischen Anlagen und Verbraucher eines Gebäudes gegeben sein kann, bereitstellt und die darüber hinaus elektrische Energie in ein öffentliches Spannungsversorgungsnetz einspeisen kann. Die 4 erläutert in einer Schaltskizze verschiedene Möglichkeiten zur Verriegelung elektromechanischer Schalter.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. The 1 to 3 each show in the form of a block diagram of the structure of an energy distribution system, the electrical energy to supply a local installation, which may be given by the entirety of the electrical systems and consumers of a building, provides and can also feed electrical energy into a public power grid. The 4 explains in a circuit diagram various possibilities for locking electromechanical switches.

Zentrales Element der in den 1 bis 3 dargestellten Energieverteilungsanlage ist eine Steuervorrichtung 5, an die ein Solargenerator 10 und ein Energiespeicher 11 anschließbar sind. Der Solargenerator 10 besteht aus einer Vielzahl von, hier nicht im Einzelnen dargestellten, Photovoltaikmodulen, welche wiederum jeweils eine Vielzahl von Solarzellen aufweisen. Der Solargenerator 10 wandelt Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie um, wobei die abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit vom momentanen Lichteinfall im Tagesverlauf variieren kann.Central element of the 1 to 3 shown power distribution system is a control device 5 to which a solar generator 10 and an energy store 11 can be connected. The solar generator 10 consists of a variety of, not shown here in detail, photovoltaic modules, which in turn each have a plurality of solar cells. The solar generator 10 converts radiant energy of the sun into electrical energy, whereby the emitted electrical power can vary in the course of the day depending on the momentary incidence of light.

Um die Leistungsabgabe der Energieverteilungsanlage besser an den Bedarf der lokalen Installation 3 anzupassen, ist der Energiespeicher 11 vorgesehen, der vorzugsweise aus einer Zusammenschaltung von Akkumulatoren mit einer Gesamtkapazität in der Größenordnung mehrerer Kilowattstunden besteht. Der Energiespeicher 11 kann durch die vom Solargenerator 10 abgegebene elektrische Energie geladen werden. Darüber hinaus kann er in Zeiten, in denen der Leistungsbedarf der lokalen Installation 3 die abgegebene Leistung des Solargenerators 10 überschreitet, die fehlende Leistung ausgleichen. Sowohl dem Solargenerator 10 als auch dem Energiespeicher 11 ist innerhalb der Steuervorrichtung 5 jeweils ein DC/DC-Wandler 8, 9 zugeordnet, welche die vom Solargenerator 10 beziehungsweise dem Energiespeicher 11 abgegebenen Spannungen auf das zur Einspeisung in das öffentliche Spannungsversorgungsnetz 1 erforderliche Spannungsniveau bringen. Die Ausgangsspannungen der DC/DC-Wandler 8, 9 werden von einem DC/AC-Wandler 7, der nachfolgend als Wechselrichter 7 bezeichnet ist, in eine zur Versorgung der lokalen Installation 3 oder zur Einspeisung in das Spannungsversorgungsnetz 1 geeignete mehrphasige Wechselspannung umgewandelt. Der DC/DC-Wandler 9 ist bidirektional ausgeführt, um ein Laden des Energiespeichers 11 aus der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 8 zu ermöglichen.To better match the power output of the power distribution system to the needs of local installation 3 adapt, is the energy storage 11 is provided, which preferably consists of an interconnection of accumulators with a total capacity in the order of several kilowatt hours. The energy storage 11 can by the solar generator 10 discharged electrical energy to be charged. In addition, he can at times when the power requirements of the local installation 3 The output power of the solar generator 10 exceeds, compensate for the lack of performance. Both the solar generator 10 as well as the energy storage 11 is inside the control device 5 one DC / DC converter each 8th . 9 assigned to those from the solar generator 10 or the energy storage 11 delivered voltages to that for feeding into the public power grid 1 bring required voltage level. The output voltages of the DC / DC converters 8th . 9 be from a DC / AC converter 7 , the following as an inverter 7 is designated in one to supply the local installation 3 or for feeding into the power supply network 1 converted suitable multi-phase AC voltage. The DC / DC converter 9 is bidirectional to charge the energy storage 11 from the output voltage of the DC / DC converter 8th to enable.

Die Ausgangsspannung des Wechselrichters 7 wird auf eine Ausgangsleitung 18 geführt, die über einen Solarenergiezähler 4 mit einem Verbindungsknotenpunkt 16 der Hauptleitung 15 verschaltet ist. Der Solarenergiezähler 4 dient zur Ermittlung der von dem Solargenerator 10 und dem Energiespeicher 11 in die lokale Installation 3 bzw. das Spannungsversorgungsnetz 1 eingespeisten Energiemenge.The output voltage of the inverter 7 is on an output line 18 led, which has a solar energy meter 4 with a Connection node 16 the main line 15 is interconnected. The solar energy meter 4 is used to determine the from the solar generator 10 and the energy storage 11 in the local installation 3 or the power supply network 1 supplied amount of energy.

In die Hauptleitung 15, welche die Verbindung zwischen dem öffentlichen Spannungsversorgungsnetz 1 und der der lokalen Installation 3 herstellt, ist ein bidirektional messender elektronischer Energiezähler 2 eingeschleift, der sowohl die aus dem öffentlichen Spannungsversorgungsnetz 1 bezogene als auch die in das öffentliche Spannungsversorgungsnetz 1 eingespeiste Energiemenge erfasst.Into the main 15 connecting the public power grid 1 and the local installation 3 is a bidirectional measuring electronic energy meter 2 looped in, both from the public power grid 1 as well as those in the public power supply network 1 entered amount of energy detected.

Der Ausgang des Wechselrichters 7 ist außerdem mit einer Backupleitung 17 verbunden, die zu Schaltkontakten eines elektromechanischen Schalters 22 einer Umschaltvorrichtung 20 führt. In die Backupleitung 17 sind zudem Schaltkontakte eines Fehlerstromrelais 14 eingefügt. Das Fehlerstromrelais 14 wird durch die Steuervorrichtung 5 eingeschaltet und unterbricht im Falle auftretender Fehlerströme während des Inselbetriebs die Backupleitung 17 selbsttätig. Im Netzbetrieb wird der Trennschalter 30 für eine Fehlerstromabschaltung genutzt.The output of the inverter 7 is also with a backup line 17 connected to the switching contacts of an electromechanical switch 22 a switching device 20 leads. In the backup line 17 are also switching contacts of a residual current relay 14 inserted. The residual current relay 14 is through the control device 5 switched on and interrupts the backup line in case of fault currents occurring during island operation 17 automatically. In mains operation, the circuit breaker 30 used for a residual current cut-off.

Die in den 1 bis 3 vereinfacht dargestellten Wechselstrom- und -spannungsführenden Leitungen 15, 17, 18 umfassen neben einem Neutralleiter sämtliche zur Energieverteilungsanlage gehörenden Phasenleiter und sind daher für die üblichen dreiphasigen Spannungsnetze vieradrig ausgeführt.The in the 1 to 3 simplified illustrated alternating current and voltage leading lines 15 . 17 . 18 comprise in addition to a neutral all belonging to the power distribution system phase conductors and are therefore designed four-wire for the usual three-phase voltage networks.

Die Steuervorrichtung 5 besitzt Sensoren 12, 13 für mehrere elektrische Größen, darunter zumindest die Spannung U auf der Ausgangsleitung 18 und der Ausgangsstrom I des Wechselrichters 7. Der Stromsensor 12 und der Spannungssensor 13 geben ihre Ausgangssignale auf Eingänge eines hier nicht dargestellten Mikrocontrollers, der als Bestandteil der Steuervorrichtung 5 die inneren und äußeren Abläufe der Steuervorrichtung 5 kontrolliert. Der Stromsensor 12 ist zur Fehlerstromerkennung vorgesehen, das heißt, wenn die Summe aller Ströme, die durch ihn hindurch fließen, ungleich null sind, wird ein Messsignal zur Ansteuerung des Fehlerstromrelais 14 generiert.The control device 5 has sensors 12 . 13 for several electrical quantities, including at least the voltage U on the output line 18 and the output current I of the inverter 7 , The current sensor 12 and the voltage sensor 13 give their output signals to inputs of a microcontroller, not shown here, as part of the control device 5 the inner and outer processes of the control device 5 controlled. The current sensor 12 is intended for fault current detection, that is, when the sum of all the currents flowing through it are not equal to zero, becomes a measurement signal for driving the residual current relay 14 generated.

Die Steuervorrichtung 5 steuert insbesondere eine Umschaltvorrichtung 20 an, welche zwei steuerbare elektromechanische Schalter 21, 22, ausgeführt als Schütze oder Relais, aufweist, sowie auch einen in die Ausgangsleitung 18 geschalteten Trennschalter 30, welcher aus mindestens zwei elektromechanischen Schaltern 31, 32 mit in Reihe geschalteten Schaltkontakten besteht. Die Polzahl der elektromechanischen Schalter 21, 22, 31, 32 entspricht mindestens der Leiteranzahl der daran angeschlossenen Leitungen 15, 17, 18, so dass die Schalter 21, 22, 31, 32 die Leitungen 15, 17, 18 allpolig trennen bzw. miteinander verbinden können.The control device 5 controls in particular a switching device 20 on which two controllable electromechanical switches 21 . 22 , designed as contactors or relays, as well as one in the output line 18 switched disconnector 30 , which consists of at least two electromechanical switches 31 . 32 consists of series-connected switch contacts. The number of poles of the electromechanical switches 21 . 22 . 31 . 32 corresponds at least to the number of conductors of the cables connected to it 15 . 17 . 18 so the switches 21 . 22 . 31 . 32 the wires 15 . 17 . 18 disconnect or connect to each other.

Die 1 zeigt die Energieverteilungsanlage in einem inaktiven Zustand, in dem lediglich der geschlossene Schalter 21 der Umschaltvorrichtung 20 die lokale Installation 3 mit dem Spannungsversorgungsnetz 1 verbindet. Der Schalter 22 der Umschaltvorrichtung 20, sowie die Schalter 31 und 32 des Trennschalters 30 sind nicht angesteuert und daher offen, so dass die Steuervorrichtung 5 und damit auch der Photovoltaikgenerator 10 und der Akkumulator 11 vollständig von der Hauptleitung 15 getrennt sind. Diese Betriebsart ist eher unüblich und kann bei einem Fehler der Steuervorrichtung 5, des Photovoltaikgenerator 10 oder des Akkumulators 11 als Notbetriebsart vorgesehen sein.The 1 shows the power distribution system in an inactive state in which only the closed switch 21 the switching device 20 the local installation 3 with the power supply network 1 combines. The desk 22 the switching device 20 , as well as the switches 31 and 32 of the disconnector 30 are not driven and therefore open, so the control device 5 and with it the photovoltaic generator 10 and the accumulator 11 completely off the main line 15 are separated. This mode is rather uncommon and may be at a fault of the control device 5 , the photovoltaic generator 10 or the accumulator 11 be provided as emergency mode.

Die 2 verdeutlicht als Standardbetriebsart den Netzbetrieb der Energieverteilungsanlage. Der Trennschalter 30 ist hier geschlossen, so dass der Ausgang des Wechselrichters 7 nun über den Zähler 4 am Verbindungsknotenpunkt 16 der Hauptleitung 15 angeschlossen ist.The 2 illustrates as the standard mode of operation of the network operation of the power distribution system. The circuit breaker 30 is closed here, so that the output of the inverter 7 now over the counter 4 at the connection node 16 the main line 15 connected.

Im Netzbetrieb verhält sich der Wechselrichter 7 wie eine Stromquelle; Netzspannung und Netzfrequenz werden vom Spannungsversorgungsnetz 1 eingeprägt. Insofern ist eine Steuerung oder Regelung der Netzspannung und Netzfrequenz nicht erforderlich und auch gar nicht möglich. Die Aufgabe des Wechselrichters 7 ist es, seinen Ausgangsstrom I in Phase zum Netzspannungsverlauf in das Spannungsversorgungsnetz 1 einzuspeisen. Je nach den Anforderungen des Netzbetreibers muss der Wechselrichter 7 auch Blindleistung in das Spannungsversorgungsnetz 1 einspeisen können, so dass sich zwischen der Netzspannung und dem Ausgangsstrom I eine Phasenverschiebung einstellen kann.In mains operation, the inverter behaves 7 like a power source; Mains voltage and mains frequency are supplied by the power supply network 1 imprinted. In this respect, a control or regulation of the mains voltage and mains frequency is not required and not at all possible. The task of the inverter 7 is it, its output current I in phase to the mains voltage profile in the power supply network 1 feed. Depending on the requirements of the grid operator, the inverter must 7 also reactive power in the power supply network 1 can feed, so that between the mains voltage and the output current I can set a phase shift.

Die 3 soll den Inselbetrieb der Energieverteilungsanlage verdeutlichen, in welchem die Verbraucher der lokalen Installation 3 vollständig unabhängig vom Spannungsversorgungsnetz 1 betrieben werden. Für den Inselbetrieb muss die lokale Installation 3 vollständig vom Spannungsversorgungsnetz 1 getrennt sein, weil im Falle eines Ausfalls der Erzeugungseinheiten im Spannungsversorgungsnetz 1 die am Spannungsversorgungsnetz 1 verbliebenen Lasten (außerhalb der lokalen Installation 3) die Ausgangsspannung des Wechselrichters 7 sonst kurzschließen würden.The 3 should clarify the island operation of the power distribution system, in which the consumers of the local installation 3 completely independent of the power supply network 1 operate. For island operation, the local installation must be done 3 completely from the power supply network 1 be disconnected because in case of failure of the generating units in the power grid 1 the at the power supply network 1 remaining loads (outside the local installation 3 ) the output voltage of the inverter 7 otherwise short circuit.

Diese vollständige Trennung wird erstens durch den geöffneten Trennschalter 30 bewirkt, der die Hauptleitung 15 vom Ausgang des Wechselrichters 7 trennt und zweitens durch die Umschaltung der beiden gekoppelten Schalter 21, 22 der Umschaltvorrichtung 20. Über den geschlossenen Schalter 22 der Umschaltvorrichtung 20 sowie die geschlossenen Kontakte des Fehlerstromrelais 14 ist die lokale Installation 3 im Inselbetrieb direkt an den Ausgang des Wechselrichters 7 angeschaltet.This complete separation is firstly through the open circuit breaker 30 causes the main 15 from the output of the inverter 7 separates and secondly by the switching of the two coupled switches 21 . 22 the switching device 20 , About the closed switch 22 the switching device 20 as well as the closed Contacts of the residual current relay 14 is the local installation 3 in island mode directly to the output of the inverter 7 turned on.

Im Inselbetrieb wird der Wechselrichter 7 als Spannungsquelle betrieben, was bedeutet, dass Netzspannung und Netzfrequenz nun vom Wechselrichter 7 geregelt werden. Dabei wird nur noch genau soviel Strom in die lokale Installation 3 eingespeist, dass sich der gewünschte Spannungsverlauf in der jeweiligen Lastsituation einstellt.In island operation, the inverter is 7 operated as a voltage source, which means that grid voltage and grid frequency is now from the inverter 7 be managed. Only the same amount of power is needed in the local installation 3 fed, that sets the desired voltage curve in the respective load situation.

Zur Erfüllung gesetzlicher Vorgaben und darüber hinausgehender Sicherheitsanforderungen ist es vorteilhaft oder sogar notwendig, die verwendeten elektromechanischen Schalter 21, 22, 31, 32 einerseits redundant auszuführen und andererseits zur Vermeidung von Fehlsteuerungen das gleichzeitige Einschalten bestimmter Kombinationen von Schaltern 21, 22, 31, 32 durch eine Verriegelung auszuschließen.To meet legal requirements and beyond safety requirements, it is advantageous or even necessary, the electromechanical switch used 21 . 22 . 31 . 32 on the one hand perform redundant and on the other hand, to avoid false control, the simultaneous switching on certain combinations of switches 21 . 22 . 31 . 32 to exclude by a lock.

Bei der erfindungsgemäßen Energieverteilungsanlage gemäß den 1 bis 3 ist besonders eine Verriegelung der wechselseitig schaltenden Schalter 21 und 22 der Umschalteinrichtung 20 vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist es, diese Schalter 21, 22 als Schütze auszuführen, die eine gegenseitige mechanische Einschaltverriegelung aufweisen.In the power distribution system according to the invention according to the 1 to 3 is particularly a locking of the mutually switching switch 21 and 22 the switching device 20 provided. It is particularly advantageous, these switches 21 . 22 as contactors, which have a mutual mechanical switch-lock.

Eine Verriegelung gegen gemeinsames Einschalten sollte zudem für den Trennschalter 30 und das Fehlerstromrelais 14 vorgesehen werden.A lock against common switching should also for the disconnector 30 and the residual current relay 14 be provided.

Die beiden Schalter 31, 32 des Trennschalters 30 schalten zwar stets gemeinsam ein und aus, werden aber durch die Steuervorrichtung 5 dazu unabhängig voneinander angesteuert, um durch vollständige Redundanz eine hohe Ausfallsicherheit zu gewährleisten. Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Funktionsprüfung eines derartigen Trennschalters 30 ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2012 018 411 A1 dargelegt.The two switches 31 . 32 of the disconnector 30 Although always switch on and off together, but are by the control device 5 independently controlled in order to ensure a high degree of reliability through full redundancy. An advantageous possibility for functional testing of such a circuit breaker 30 is in the non-prepublished German patent application DE 10 2012 018 411 A1 explained.

4 zeigt soll das Prinzip der mehrfachen Verriegelung von steuerbaren Schaltern gegen ein gleichzeitiges Einschalten verdeutlichen. Skizzenhaft dargestellt sind zwei elektromechanische Schalter R1, R2, die als Relais oder Schütze ausführbar sind, welche jeweils mehrere Arbeitskontakte K1, K2 aufweisen. Die hier unbeschaltet dargestellten Arbeitskontakte K1, K2 werden bei einer Energieverteilungsanlage zum Trennen und Verbinden von Phasen- und Neutralleitern verwendet. 4 shows is to illustrate the principle of multiple locking of controllable switches against simultaneous switching. Sketchy illustrated are two electromechanical switches R1 . R2 , which are executable as a relay or contactors, each of which several working contacts K1 . K2 respectively. The working contacts shown here unconnected K1 . K2 are used in an energy distribution system for separating and connecting phase and neutral conductors.

Darüber hinaus besitzt jeder Schalter R1, R2 wenigstens einen Öffnerkontakt VK1, VK2, über die die Ansteuerspannung U+ des jeweils anderen Schalters R2, R1 geführt ist. Die Ansteuerung der Schalter R1, R2 erfolgt über jeweils einen Steuerkontakt SK1, SK2, der in Reihe mit dem Öffnerkontakt VK2, VK1 des jeweils anderen Schalters R2, R1 geschaltet ist. Die Steuerkontakte SK1, SK2 sind als Umschaltkontakte eines Hilfsrelais HR ausgeführt, welches durch die Steuereinrichtung 5 angesteuert wird. Die Steuerkontakte SK1, SK2 bewirken, dass je nach Ansteuerungszustand des Hilfsrelais HR immer nur einer der beiden Schalter R1, R2 mit der Ansteuerspannung U+ verbunden ist.In addition, each switch has R1 . R2 at least one normally closed contact CC1 . CC2 , via which the drive voltage U + the other switch R2 . R1 is guided. The control of the switches R1 . R2 via a control contact SK1 . SK2 in series with the normally closed contact CC2 . CC1 the other switch R2 . R1 is switched. The control contacts SK1 . SK2 are as changeover contacts of an auxiliary relay MR executed, which by the control device 5 is controlled. The control contacts SK1 . SK2 cause, depending on the control state of the auxiliary relay MR only one of the two switches R1 . R2 with the drive voltage U + connected is.

Durch die umschaltenden Steuerkontakte SK1, SK2 ergibt sich eine erste Verriegelung der Schalter R1, R2 bereits bei der Ansteuerung durch das Hilfsrelais. Eine zweite Verriegelung der Schalter R1, R2 wird dadurch erzielt, dass der bei einem angesteuerten Schalter R1, R2 offene Öffnerkontakt VK1, VK2 das Anziehen des jeweils anderen Schalters R2, R1 verhindert. Diese zweite Verriegelung ist auch dann wirksam, wenn die erste Verriegelung durch die Steuerkontakte SK1, SK2 durch einen technischen Defekt ausfallen sollte.Through the switching control contacts SK1 . SK2 This results in a first locking of the switch R1 . R2 already with the control by the auxiliary relay. A second lock the switch R1 . R2 is achieved by that of a controlled switch R1 . R2 open normally closed contact CC1 . CC2 the tightening of the other switch R2 . R1 prevented. This second lock is also effective when the first lock by the control contacts SK1 . SK2 should fail due to a technical defect.

Als weitere Maßnahme kann eine mechanische Verriegelung vorgesehen werden. Bei räumlich nebeneinander angeordneten Schaltern R1, R2 bewirkt eine Zwangskopplung M der Schaltmechaniken, dass immer nur eines der beiden Schalter R1, R2 sich im eingeschalteten Zustand befinden kann.As a further measure, a mechanical lock can be provided. In spatially juxtaposed switches R1 . R2 causes a forced coupling M the switching mechanisms that only one of the two switches R1 . R2 can be in the on state.

Die Schalter R1, R2 gegeneinander zu verriegeln, also eine gemeinsame Aktivierung bestimmter Schalter R1, R2 zu verhindern, ist für eine korrekte und sichere Funktion einer Energieverteilungsanlage erforderlich.The switches R1 . R2 to lock against each other, so a common activation of certain switches R1 . R2 To prevent this, it is necessary for a correct and safe functioning of a power distribution system.

Besonders vorteilhaft ist es, Schalter R1, R2 mehrfach gegeneinander zu verriegeln, so dass auch auftretende Fehler nicht zu sicherheitskritischen Zuständen führen können. Durch eine doppelte oder sogar dreifache Verriegelung von Schaltern kann so eine Einfehlersicherheit oder ein sogar darüber hinausgehender Sicherheitslevel erreicht werden.It is particularly advantageous switch R1 . R2 lock against each other several times, so that occurring errors can not lead to safety-critical conditions. By double or even triple locking of switches so a single-fault security or even beyond security level can be achieved.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
SpannungsversorgungsnetzPower supply network
22
Energiezähler (bidirektional)Energy meter (bidirectional)
33
lokale Installationlocal installation
44
SolarenergiezählerSolar energy meters
55
Steuervorrichtungcontrol device
66
Phasenleiterphase conductor
77
Wechselrichter (DC/AC-Wandler)Inverter (DC / AC converter)
88th
DC/DC-WandlerDC / DC converter
99
DC/DC-Wandler (bidirektional)DC / DC converter (bidirectional)
7, 8, 97, 8, 9
SpannungswandlerDC converter
1010
Photovoltaikgenerator (Generator)Photovoltaic generator (generator)
1111
Akkumulator (Energiespeicher)Accumulator (energy storage)
1212
Stromsensorcurrent sensor
1313
Spannungssensorvoltage sensor
12, 1312, 13
Sensorensensors
1414
Fehlerstromrelais(kontakte)Fault current relays (contacts)
1515
Hauptleitungmain
1616
VerbindungsknotenpunktConnection node
1717
Backupleitungbackup line
1818
Ausgangsleitungoutput line
15, 17, 1815, 17, 18
Leitungencables
2020
Umschaltvorrichtungswitching
21, 2221, 22
(elektromechanische) Schalter(electromechanical) switches
3030
Trennschalterdisconnectors
31, 3231, 32
(elektromechanische) Schalter(electromechanical) switches
HRMR
Hilfsrelaisauxiliary relay
II
Ausgangsstromoutput current
K1, K2K1, K2
Arbeitskontaktemake contacts
MM
Mechanische VerriegelungMechanical lock
R1, R2R1, R2
(elektromechanische) Schalter(electromechanical) switches
SK1, Sk2SK1, Sk2
Steuerkontaktecontrol contacts
UU
Ausgangsspannungoutput voltage
U+U +
Ansteuerspannungdriving voltage
VK1, VK2VK1, VK2
ÖffnerkontakteNC contacts

Claims (9)

Energieverteilungsanlage mit einer Steuervorrichtung (5), an die mindestens eine elektrische Energiequelle (10) und mindestens ein elektrischer Energiespeicher (11) anschließbar ist, die Spannungswandler (7, 8, 9) aufweist, die die von der Energiequelle (10) und dem Energiespeicher (11) eingespeiste Spannungen in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung wandeln, deren Spannungshöhe und Frequenz derart ist, dass die Wechselspannung zur Versorgung einer lokalen Installation (3) und zur Einspeisung in ein Spannungsversorgungsnetz (1) geeignet ist, und die aus der Spannung der Energiequelle (10) eine Spannung zum Laden des Energiespeichers (11) generieren, wobei die lokale Installation (3) über eine Umschaltvorrichtung (20) mit dem Spannungsversorgungsnetz (1) („Netzbetrieb“) oder mit einer aus der Energie von Energiequelle (10) und/oder Energiespeicher (11) von den Spannungswandlern (7, 8, 9) generierten Wechselspannung („Inselbetrieb“) verbindbar ist, wobei zu den Spannungswandlern (7, 8, 9) ein einziger Wechselrichter (7) gehört, der im Netzbetrieb als Stromquelle Energie in das Spannungsversorgungsnetz (1) einspeist und der im Inselbetrieb als Spannungsquelle die lokale Installation (3) versorgt, wobei im Netzbetrieb die Umschaltvorrichtung (20) die lokale Installation (3) mit dem Spannungsversorgungsnetz (1) verbindet und ein Trennschalter (30) den Ausgang des Wechselrichters (7) mit dem Spannungsversorgungsnetz (1) verbindet, wobei im Inselbetrieb die Umschaltvorrichtung (20) die lokale Installation (3) mit dem Ausgang des Wechselrichters (7) verbindet und der Trennschalter (30) den Ausgang des Wechselrichters (7) vom Spannungsversorgungsnetz (1) trennt, wobei die Umschaltvorrichtung (20) aus einem ersten und einem zweiten steuerbaren elektromechanischen Schalter (21, 22) besteht, die gegen gleichzeitiges Einschalten gegeneinander verriegelt sind, wobei der Trennschalter (30) aus einem dritten und einem vierten steuerbaren elektromechanischen Schalter (31, 32) besteht, die parallel gesteuert werden, und dass zur Ausbildung von Schaltkontakten des Trennschalters (30) Schließerkontakte des dritten und vierten Trennschalters (31, 32) in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten steuerbaren elektromechanischen Schalter (21, 22) der Umschaltvorrichtung (20) gegen gleichzeitiges Einschalten mehrfach gegeneinander verriegelt sind.Energy distribution system with a control device (5), to which at least one electrical energy source (10) and at least one electrical energy store (11) can be connected, the voltage converter (7, 8, 9), that of the energy source (10) and the energy storage (11) converted voltages into a single- or multi-phase AC voltage whose voltage level and frequency is such that the AC voltage for supplying a local installation (3) and for feeding into a power supply network (1) is suitable, and from the voltage of Energy source (10) generate a voltage for charging the energy store (11), wherein the local installation (3) via a switching device (20) to the power supply network (1) ("network operation") or one of the energy from energy source (10) and / or energy storage (11) of the voltage transformers (7, 8, 9) generated AC voltage ("island operation") is connectable, wherein the voltage w (7, 8, 9) a single inverter (7) is included, which feeds power in the network operation as power in the power supply network (1) and the local installation (3) supplies in island operation as a voltage source, wherein in the network operation, the switching device (20 ) connects the local installation (3) with the power supply network (1) and a circuit breaker (30) connects the output of the inverter (7) to the power supply network (1), wherein in island operation, the switching device (20) the local installation (3) the output of the inverter (7) connects and the disconnector (30) the output of the inverter (7) from the power supply network (1) separates, wherein the switching device (20) consists of a first and a second controllable electromechanical switch (21, 22), which are locked against simultaneous switching against each other, wherein the circuit breaker (30) of a third and a fourth controllable electromechanical switch r (31, 32) which are controlled in parallel, and in that to form switch contacts of the circuit breaker (30) normally open contacts of the third and fourth disconnectors (31, 32) are connected in series, characterized in that the first and second controllable electromechanical Switch (21, 22) of the switching device (20) against simultaneous switching multiple times against each other are locked. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Ansteuerspannung (U+) des ersten bzw. des zweiten steuerbaren Schalters (21, 22, R1, R2) über jeweils einen Öffnerkontakt (VK2, VK1) des zweiten bzw. ersten steuerbaren Schalters (22, 21, R2, R1) geführt ist.Energy distribution system after Claim 1 , characterized in that in each case the control voltage (U +) of the first and the second controllable switch (21, 22, R1, R2) via one NC contact (VK2, VK1) of the second or first controllable switch (22, 21, R2 , R1). Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmechaniken des ersten und des zweite steuerbaren Schalters (21, 22, R1, R2) durch eine mechanische Verriegelungsvorrichtung (M) miteinander verbunden sind.Energy distribution system after Claim 1 , characterized in that the switching mechanisms of the first and the second controllable switch (21, 22, R1, R2) by a mechanical locking device (M) are interconnected. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine software- und/oder hardwaremäßig realisierte Ansteuerlogik eine Ansteuerung des ersten bzw. zweiten steuerbaren Schalters (21, 22, R1, R2) immer zusammen mit einer Abschaltung des zweiten bzw. ersten steuerbaren Schalters (22, 21, R2, R1) ausführt.Energy distribution system after Claim 1 , characterized in that a software and / or hardware implemented control logic driving the first or second controllable switch (21, 22, R1, R2) always together with a shutdown of the second or first controllable switch (22, 21, R2 , R1). Energieverteilungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerlogik durch wechselseitig schaltende Steuerkontakte (SK1, SK2) eines Hilfsrelais (HR) ausgebildet ist.Energy distribution system after Claim 4 , characterized in that the control logic by mutually switching control contacts (SK1, SK2) of an auxiliary relay (HR) is formed. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit Schaltkontakten des zweiten steuerbaren Schalter (22) der Umschaltvorrichtung (20) die Schaltkontakte eines Fehlerstromrelais (14) geschaltet sind. Energy distribution system after Claim 1 , characterized in that in series with switching contacts of the second controllable switch (22) of the switching device (20), the switching contacts of a residual current relay (14) are connected. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Schalter (21, 22, 31, 32, R1, R2) Phasen- und Neutralleiter allpolig trennen bzw. verbinden.Energy distribution system after Claim 1 , characterized in that the electromechanical switches (21, 22, 31, 32, R1, R2) phase and neutral conductors disconnect and connect all poles. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (10) ein Photovoltaikgenerator ist.Energy distribution system after Claim 1 , characterized in that the energy source (10) is a photovoltaic generator. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (11) ein elektrischer Akkumulator ist.Energy distribution system after Claim 1 , characterized in that the energy store (11) is an electrical accumulator.
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