Entwicklung und Umsetzung einer ... - HAW Hamburg

Maik Ingendorf

Entwicklung und Umsetzung einer

Messdatenerfassung für eine Photovoltaik-Anlage

unter Einsatz eines Realtime-Systems

Bachelorthesis

Fakultät Technik und Informatik

Department Informations- und

Elektrotechnik

Faculty of Engineering and Computer Science

Department of Information and

Electrical Engineering

Maik Ingendorf

Entwicklung und Umsetzung einer

Messdatenerfassung für eine Photovoltaik-Anlage


Bachelorthesis eingereicht im Rahmen der Bachelorprüfung im Studiengang Informations- und Elektrotechnik am Department Informations- und Elektrotechnik der Fakultät Technik und Informatik der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Betreuender Prüfer : Prof. Dr.-Ing. Michael Röther Zweitgutachter : Prof. Dr. rer. nat. Henning Dierks

Abgegeben am 29. November 2013

I

Maik Ingendorf

Thema der Bachelorthesis

Entwicklung und Umsetzung einer Messdatenerfassung für eine Photovoltaik-Anlage


Stichworte

Photovoltaik-Anlage, Datenerfassung, Realtime-System, CompactRIO, FPGA,

LabVIEW, Spannungswandler, Stromwandler, Installationsplanung

Kurzzusammenfassung

In dieser Bachelorarbeit wird die Entwicklung eines Messdatenerfassungssystems

dargestellt. Hierzu sind die notwendigen Anpassungen der aufzunehmenden

Messgrößen und das Softwarekonzept dokumentiert. Abschließend ist eine

Installationsplanung für die Integration der Messtechnik in die bestehende

Photovoltaik-Anlage aufgeführt.

Maik Ingendorf

Title of the paper

Processing and implementation of a data logging for a photovoltaic-system in use of

a real-time system

Keywords

Photovoltaic-system, data logging, real-time system, CompactRIO, FPGA, LabVIEW,

voltage transducer, current transducer, installation concept

Abstract

This Bachelor Thesis presents the development of a data logging. For this purpose

the essential assimilations of incorporated measurements as well as the software-

concept are documented. As a conclusion an installation concept for integration of

the metrology to the photovoltaic-system is presented.

Inhaltsverzeichnis II

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis V

Abbildungsverzeichnis VI

Tabellenverzeichnis VIII

1 Einleitung 1

1.1 Aufgabenstellung .......................................................................................... 1

1.2 Gesamtüberblick der PV-Anlage ................................................................... 1

1.2.1 PV-Module auf dem Dach ......................................................................... 3

1.2.2 Schaltschrank im Raum 15.80 ................................................................... 3

1.2.3 Schnittstelle zum Datenbankserver ........................................................... 4

1.3 Aufbau der Arbeit .......................................................................................... 5

2 Grundlagen 6

2.1 Begriffsklärung .............................................................................................. 6

2.2 Datenerfassungssystem ................................................................................ 6

2.2.1 Systemeingang .......................................................................................... 7

2.2.2 Systemverarbeitung ................................................................................... 7

2.2.3 Systemausgang ......................................................................................... 9

2.3 Erstellen von Platinen ................................................................................... 9

2.4 Field Programmable Gate Arrays (FPGA) ................................................... 13

3 Hardware 15

3.1 CompactRIO ............................................................................................... 15

3.2 Meteorologische Sensoren ......................................................................... 16

3.3 Strom- und Spannungswandler ................................................................... 17

4 Vorbereitung der Messgrößen 20

4.1 Anpassung der Wechselrichterausgangswerte (AC) ................................... 20

4.1.1 Messung der Ströme mittels Stromwandler LA 55-P ............................... 21

4.1.2 Messung der Spannungen mittels Spannungswandler LV 25-P .............. 22

4.1.3 Platinenlayout .......................................................................................... 23

4.1.4 Testmessungen an den AC-Wandlerplatinen .......................................... 26

4.1.5 Genauigkeit der AC- Messwandler .......................................................... 31

4.2 Anpassung der Wechselrichtereingangswerte (DC).................................... 35

4.2.1 Strommessung mittels Stromwandler LA 55-P ........................................ 37

Inhaltsverzeichnis III

4.2.2 Spannungsmessung mittels Spannungswandler LV 25-P ....................... 37

4.2.3 Platinenlayout .......................................................................................... 37

4.2.4 Testmessungen an der DC-Wandlerplatine ............................................. 38

4.2.5 Genauigkeit der DC-Messwandler ........................................................... 41

4.3 Spannungsversorgung der Sensoren .......................................................... 42

5 Software 45

5.1 Konzept zur Realisierung der Datenerfassung ............................................ 47

5.1.1 Datenerfassung mittels FPGA ................................................................. 47

5.1.2 Verarbeitung der Messgrößen auf dem RT-Controller ............................. 49

5.1.3 Konditionierung der Messwerte ............................................................... 51

5.1.4 Genauigkeitsbetrachtung ......................................................................... 52

5.2 Datenerfassung mittels FPGA ..................................................................... 52

5.2.1 Erfassung der meteorologischen-, DC- und AC-Werte ............................ 53

5.2.2 Erfassung der Phasenverschiebung und Effektivwerte ........................... 56

5.3 Kommunikation zwischen FPGA und Controller ......................................... 59

5.3.1 Grundsätze .............................................................................................. 59

5.3.2 Realisierung ............................................................................................ 61

5.4 Verarbeitung der Daten auf dem Real Time Controller ............................... 64

5.4.1 Zuordnungsverteilung der Messgrößen ................................................... 65

5.4.2 Konditionierung der Messwerte ............................................................... 66

5.4.3 Korrektur der Pyranometermesswerte ..................................................... 68

5.4.4 Sammeln der Messwerte für den Messsystemausgang .......................... 70

5.4.5 Performance Ratio ................................................................................... 71

5.4.6 Messwertübergabe am Messsystemausgang ......................................... 72

5.4.6.1 Entfernen nicht gelöschter CSV-Dateien .......................................... 73

5.4.6.2 Erstellen von Dateinamen ................................................................ 76

5.4.6.3 Speichern der CSV-Dateien ............................................................. 77

5.4.7 Bereitstellung der Messwerte für die Kurzzeitauswertung ....................... 80

5.4.8 DC-Werte als Zentralstrang und Überwachung der WR .......................... 80

5.5 Offene Punkte ............................................................................................. 82

6 Integration der Messtechnik in die PV-Anlage 84

6.1 Positionen der Messtechnik auf dem Dach ................................................. 84

6.2 Installation der Messtechnik im Schaltschrank ............................................ 88

Inhaltsverzeichnis IV

7 Zusammenfassung 91

Literaturverzeichnis IX

A Anhänge XI

A-1: Übersicht der Messwerte mit ihrem Speicherintervall .................................... XII

A-2: Schaltplan AC-Stromwandlerplatine ............................................................. XIV

A-3: Schaltplan AC-Spannungswandlerplatine ..................................................... XV

A-4: Ermittlung der Phasenverschiebungen und der Induktionen ........................ XVI

A-5: Schaltplan DC-Wandlerplatine ................................................................... XVIII

A-6: Kennlinien der temperaturbedingten Abweichungen der CMP21 ................. XIX

A-7: cRIO-Signalbelegung der Analogeingangsmodule ........................................ XX

A-8: Klemmleisten Belegung ................................................................................ XXI

Eigenständigkeitserklärung XXIV

V

Abkürzungsverzeichnis

AI ............................................................................................................... Analog Input CLB .................................................................................. konfigurierbarer Logik-Block cRIO ......................................................................................................... CompactRIO CSV ..................................................................................... Comma-Separated Values DMA .......................................................................................... Direct Memory Access EOF .............................................................................................................. End of File FGV ................................................................................. Funktionale Globale Variable FIFO ....................................................................................................... FirstInFirstOut FPGA ......................................................................... Field Programmable Gate Array FTP .............................................................................................File Transfer Protocol FXP ............................................................................................................. Fixed-Point LabVIEW ................................. Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench LUT .......................................................................................................... look-up table NC ......................................................................................................... Not Connected NI .................................................................................................. National Instruments PR .................................................................................................. Performance Ratio PV ............................................................................................................. Photovoltaik RT ................................................................................................................ Real Time STR .................................................................................................................... Strang SubVI ................................................................................................... Unterprogramm VHDL ................. Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language WR ........................................................................................................ Wechselrichter

VI

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1-1: Darstellung der PV-Anlage in 4 Blöcken ...................................................... 2

Abb. 1-2 : Aufnahme der Wechselrichterausgangsgrößen .......................................... 4

Abb. 2-1: Messkette .................................................................................................... 7

Abb. 2-2: Abtastung einer Sinuskurve mit bis zu 2 fSignal ............................................ 8

Abb. 2-3: Beispiel einer Lochrasterplatine ................................................................. 11

Abb. 2-4 : Beispiel eines Platinenlayouts .................................................................. 12

Abb. 2-5: Aufbau eines FPGAs ................................................................................. 13

Abb. 3-1: CompactRIO, Chassis, Spannungsmesskarte, Strommesskarte (v.l.n.r) ... 16

Abb. 3-2: Verwendete Sensoren und Messumformer ................................................ 17

Abb. 3-3: Messprinzip Hallspannung und Funktionsweise Kompensationswandler .. 18

Abb. 3-4: Stromwandler LA 55-P, Spannungswandler LV 25-P ................................ 19

Abb. 4-1: Strommessung mittels Shuntwiderstand .................................................... 21

Abb. 4-2: AC-Stromwandlerplatine ............................................................................ 25

Abb. 4-3: AC-Spannungswandlerplatine ................................................................... 25

Abb. 4-4: Messaufbau der Testmessung an den AC-Wandlerplatinen ...................... 26

Abb. 4-5: Oszilloskopaufnahme der Strom- und Spannungsmessung an WR 3 ....... 27

Abb. 4-6: Kennlinien der Messgrößen und der Messwerte des WR 1 ....................... 29

Abb. 4-7: Strom- und Spannungskennlinien des WR 1 mit Korrekturen .................... 30

Abb. 4-8: Oszilloskopaufnahme der Phasenverschiebungsmessung ........................ 31

Abb. 4-9: DC-Wandlerplatine..................................................................................... 38

Abb. 4-10: Messaufbau der Testmessung an der DC-Platine ................................... 39

Abb. 4-11: Kennlinien der Messgrößen und der Messwerte des STR 2 .................... 40

Abb. 4-12: Strom- und Spannungskennlinien des STR 2 mit Korrekturen ................. 40

Abb. 5-1: Verteilung der Softwaresequenzen auf das Echtzeitsystem CompactRIO . 46

Abb. 5-2: Datenerfassungskonzept ........................................................................... 47

Abb. 5-3: Auslastung FPGA, Auszug des Kompilationsprotokolls von LabVIEW ...... 53

Abb. 5-4: Schleife Messdatenerfassung NI9203 ....................................................... 54

Abb. 5-5: Aufbau FGV SubVI .................................................................................... 57

Abb. 5-6: Überblick Phasenwinkel ............................................................................. 59

Abb. 5-7: Einstellungen der Datenerfassungsschleifen ............................................. 63

Abb. 5-8: Blockdiagramm Verteilung_LowSpeed(Sub VI).vi ..................................... 66

Abb. 5-9: Pt-100-Thermometer (l.), Messung der Temperatur (rot) mittels cRIO (r.) . 68

Abb. 5-10: Bestimmung des Korrekturbereichs der CMP21 Korrektur ...................... 69

Abbildungsverzeichnis VII

Abb. 5-11: Anpassung_Bestrahlungsstärke(SubVI).VI .............................................. 70

Abb. 5-12: Programmablauf zum Erstellen einer CSV-Datei ..................................... 72

Abb. 5-13: Löschen nach Anzahl der Dateien ........................................................... 75

Abb. 5-14: Übersicht der Datenindikatoren und deren Inhalt ..................................... 77

Abb. 5-15: Beispiel eines Fehlerzustandes ............................................................... 81

Abb. 6-1: Halterungen für Temperatur/Feuchte-Messfühler (l.) und Pyranometer

(m.+r.) ........................................................................................................................ 85

Abb. 6-2: Gewählter Mast (l.), Spiegel (r.u.) und Querarm mit Messgrößengeber (r.o.)

.................................................................................................................................. 87

Abb. 6-3: Installationsplan Schaltschrank im Raum 15.80 ........................................ 90

VIII

Tabellenverzeichnis

Tab. 4-1: Ausgangströme und Dimensionierung der AC-Stromwandler .................... 22

Tab. 4-2: Dimensionierung der Vorwiderstände der AC-Spannungswandler ............ 23

Tab. 4-3: Dimensionierung der Messwiderstände der AC-Spannungswandler ......... 23

Tab. 4-4: Steckerbelegung SV1 ................................................................................ 24

Tab. 4-5: Simulation der Wechselrichterströme ......................................................... 28

Tab. 4-6: (Standard-)Abweichung und Korrekturfaktor der AC-Wandler ................... 30

Tab. 4-7: Dimensionierung der Vorwiderstände der DC-Spannungswandler ............ 37

Tab. 4-8: (Standard-)Abweichung und Korrekturfaktor der DC-Wandler ................... 41

Tab. 4-9: PHOENIX CONTACT Netzteil ± 15 V ........................................................ 43

Tab. 4-10: Typ DS1725 Netzteil 12 V an Bezugsmasse ........................................... 43

Tab. 4-11: Typ DS1725 Netzteil 12 V galvanisch getrennt von Bezugsmasse .......... 44

Tab. 5-1: Zusammenfassung der Parameter für Strom- und Spannungswandlung ... 51

Tab. 5-2: Schleifenparameter der Messdatenerfassung ............................................ 56

Tab. 5-3: Übersicht der zu verarbeitenden Datenmengen ......................................... 61

Tab. 5-4: Systemzustände der Wechselrichter .......................................................... 82

Tab. 6-1: Zugehörigkeiten Pyranometer .................................................................... 86

1

1 Einleitung

Im Jahr 1989 wurde erstmalig auf dem Dach des E-Hochhauses Berliner Tor 7 der

Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Hamburg eine Photovoltaik-

Anlage (PV-Anlage) installiert. Diese ist im Rahmen einer Bachelorarbeit im

Wintersemester 2012/13 komplett erneuert worden. Um die Anlage wissenschaftlich

nutzen und auswerten zu können, wird eine umfangreiche Messtechnik benötigt. Die

Erfassung von Messdaten und deren Speicherung in einer Datenbank soll eine

Analyse über mehrere Jahre bzw. Jahrzehnte ermöglichen.

1.1 Aufgabenstellung

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung, labormäßige Inbetriebnahme und Test einer

Messdatenerfassung für die Photovoltaik-Anlage, welche die Messwerte einer

Datenbank und einer Kurzzeitauswertung zur Verfügung stellt.

Hierzu wird auf Grundlage der im Rahmen einer Vorgängerarbeit beschafften

Messtechnik und der dort definierten Anforderungen an die Messdatenerfassung ein

Umsetzungskonzept entworfen, in Betrieb genommen und ausgiebig getestet. Die

Datenerfassung und Aufbereitung erfolgt mittels des Echtzeitsystems

CompactRIO (cRIO) der Firma National Instruments (NI). Die Umsetzung muss dabei

so dokumentiert werden, dass eine kurze und unkomplizierte Einarbeitung in das

Echtzeitsystem möglich ist, um eine spätere Erweiterung der Messwerte bzw. eine

Visualisierung der Kurzzeitauswertung realisieren zu können.

Das Messdatenerfassungssystem soll so gestaltet sein, dass nach Abschluss dieser

Arbeit alle Komponenten an den dafür vorgesehenen Stellen auf dem Dach bzw. im

Schaltschrank montiert werden können.

1.2 Gesamtüberblick der PV-Anlage

Vereinfacht kann die gesamte PV-Anlage, wie in Abb. 1-1 in vier Blöcken dargestellt

werden. Die Messdatenerfassung und –verarbeitung erfolgt auf dem Dach bzw. im

Schaltschrank, der sich im Raum 1580 befindet.

Einleitung 2

Abb. 1-1: Darstellung der PV-Anlage in 4 Blöcken

Die aufbereiteten Daten werden entweder in der Kurzzeitauswertung visualisiert oder

in der Datenbank gespeichert. Dies ist Gegenstand zweier gesonderter

Bachelorarbeiten. Zusätzlich zu den bereits auf dem Dach aufgestellten PV-Modulen

sind die in Block 1 farblich markierten Sensoren für

Sonneneinstrahlung (gelb)

Modultemperatur (rot)

Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit (blau)

Windgeschwindigkeit und Windrichtung (grün)

geplant.

Einleitung 3

Die in Block 2 auf der rechten Seite dargestellten Komponenten werden nach

Abschluss dieser Arbeit in den links abgebildeten Schaltschrank integriert. Ebenfalls

farblich hervorgehoben sind hier

das Echtzeitsystem Compact-RIO (magenta)

der Sensor zur Ermittlung der Schaltschranktemperatur (braun)

die Platinen zur Aufnahme von Strom- und Spannungswerten (oliv).

Auf die einzelnen Sensoren und Komponenten wird in Kapitel 3 näher eingegangen.

Das Kurzzeitauswertungsprogramm kann auf einem wie in Block 3 dargestellten

Computer ausgeführt werden. Dieser und der in Block 4 abgebildete

Datenbankserver können an jedem Standort, der über den entsprechenden

Netzwerkzugang verfügt, betrieben werden. Das Datenbanksystem wird in der

Bachelorarbeit „Durchsatz-optimierter Datentransfer und Datenbereitstellung für

hochfrequente Photovoltaik-Messdaten“ behandelt.

1.2.1 PV-Module auf dem Dach

Auf dem Dach des E-Hochhauses sind zwei Modulstränge mit je sieben PV-Modulen

installiert. Bei den Modulen der Firma SOLARWATT handelt es sich um

monokristalline Siliziumzellen mit einer Nennleistung von 250 WP1 [Sol11]. Die

Modulstränge haben einen Azimutwinkel von 0 ° und einen Neigungswinkel von 60 °.

Der vordere Modulstrang ist als Strang 1 definiert. Bei einem Modulwirkungsgrad von

14,42 % und einer Gesamtfläche von 23,28 m² haben die PV-Module eine

Gesamtleistung von 3,36 kWP. [Lüd13], S 27

1.2.2 Schaltschrank im Raum 15.80

Im Schaltschrank der PV-Anlage sind im Wesentlichen drei Wechselrichter und ein

Steckfeld zur Auswahl der Betriebsart vorhanden. Mit dem Steckfeld kann zwischen

Zentralwechselrichterbetrieb und Strangwechselrichterbetrieb gewählt werden. Für

den Zentralwechselrichterbetrieb werden die beiden Modulstränge im Steckfeld in

Reihe geschaltet, sodass sich ein Gesamtstrang ergibt. Dieser Strang wird in den

Zentralwechselrichter (WR 1) eingespeist. Es handelt sich um einen Wechselrichter

1

Wp - Leistung von PV-Modulen unter Standard-Testbedingungen (Zelltemperatur = 25 °C, Bestrahlungsstärke = 1000 W/m², Sonnenlichtsspektrum gemäß AM = 1,5)

Einleitung 4

des Typs Sunny Boy 3000TL Single Tracker von der Firma SMA. Beim Strangbetrieb

speist jeder Strang einen Wechselrichter des Typs Sunny Boy 1600TL ebenfalls von

SMA. Strang 1 wird mit dem Wechselrichter 2 verbunden und Strang 2 mit dem

Wechselrichter 3. In Abb. 1-2 sind die Ausgangsgrößen eines Wechselrichters im

Betrieb dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der Strom stark verrauscht ist. Dies gilt

es im späteren Verlauf zu berücksichtigen.

Abb. 1-2 : Aufnahme der Wechselrichterausgangsgrößen

1.2.3 Schnittstelle zum Datenbankserver

Das auf dem Datenbankserver ausgeführte Datenbankmanagementsystem soll die

Messdaten von dem Messdatenerfassungssystem abholen. Hierzu kann die

Netzwerkdose des CompactRIOs als physikalische Schnittstelle zum

Datenbankserver gesehen werden. Auf Grund der unterschiedlichen zeitlichen

Änderungen der Messgrößen, werden diese in drei Kategorien aufgenommen und je

einer Datei bereitgestellt. Nach einer Minute werden die Messgrößen in neuen

Dateien abgelegt.

Einleitung 5

Zusätzlich zu den Messgrößen werden in der Datenbank PV-Anlagen

charakterisierende Werte, wie die Ausgangsleistungen der Wechselrichter (WR) oder

der Performance Ratio (PR) gespeichert. Eine vollständige Liste aller Daten, die in

der Datenbank gespeichert werden und deren Speicherintervall ist im Anhang A-1 zu

finden.

1.3 Aufbau der Arbeit

Diese Arbeit ist in sieben Kapitel gegliedert. Zunächst wird einleitend die

Aufgabenstellung bekanntgegeben und ein Gesamtüberblick der PV-Anlage

vorgestellt. Hier werden die PV Module auf dem Dach, der Schaltschrankraum und

die Schnittstelle zum Datenbankserver grob erläutert.

Das zweite Kapitel dient zur Erläuterung der Grundlagen. Nach einer allgemeinen

Begriffserklärung erfolgt eine grundlegende Erläuterung von dem

Datenerfassungssystem, dem Erstellen von Platinen sowie dem so genannten Field

Programmable Gate Array (FPGA). Dem dritten Kapitel ist eine Beschreibung der

Hardware zugeordnet.

Im Anschluss wird im vierten Kapitel die Vorbereitung der Messgrößen kleinschrittig

präsentiert. Das fünfte Kapitel enthält die Beschreibung des Softwarekonzepts und

dessen Realisierung. Im vorletzten sechsten Kapitel folgt eine Installationsplanung

zur Integration der Messtechnik in die PV-Anlage. Abschließend folgt eine

Zusammenfassung der gesamten Arbeit. Diese Arbeit kann als Ganzes oder in

einzelnen Kapiteln gelesen werden. Das Lesen der Vorgängerarbeit wird als

Grundlage vorgeschlagen.

6

2 Grundlagen

Im Folgenden werden wichtige Begriffe und die Grundsätze einer

Messdatenerfassung erläutert. Des Weiteren werden das Erstellen einer Platine und

die Funktionsweise eines FPGAs beschrieben.

2.1 Begriffsklärung

Um Missverständnisse auf Grund unterschiedlicher Definitionen zu vermeiden,

werden nachstehend einige in dieser Arbeit verwendete Begriffe wiedergegeben.

Messgröße

Die Messgröße ist der Wert, der aufgenommen werden soll, wie zum Beispiel

die Windrichtung.

Messwert

Der Messwert ist der Wert, der am Ausgang des Datenerfassungssystems

anliegt.

Genauigkeit

Die Genauigkeit beschreibt die Abweichung des Messwerts in Bezug auf die

Messgröße.

Konditionierung

Die Konditionierung ist der Prozess, in dem das Abbild einer Messgröße

mathematisch auf die Messgröße zurückgeführt wird, sodass anschließend

der Messwert der Messgröße entspricht.

2.2 Datenerfassungssystem

Ein Messdatenerfassungssystem beinhaltet immer eine Messkette. Diese setzt sich

aus drei Hauptbestandteilen zusammen, welche weiter unterteilt werden können. In

Abb. 2-1 ist die Messkette bestehend aus den drei Blöcken Eingang, Verarbeitung

und Ausgang -kurz EVA- und einer möglichen Unterteilung dargestellt.

Grundlagen 7

Abb. 2-1: Messkette

2.2.1 Systemeingang

Am Eingang eines Messsystems können sowohl analoge als auch digitale Signale

anliegen. Für die weitere Verarbeitung der Eingänge ist es jedoch wichtig, ob die

Eingänge

zeitkontinuierlich

d.h. zu jeder Zeit kann eine Messgröße aufgenommen werden

oder

zeitdiskret

d.h. die Messgröße kann nur zu bestimmten Zeitpunkten gemessen werden

sind.

Des Weiteren ist es notwendig zu wissen, ob das Signal der Messgröße

wertekontinuierlich

d.h. ein Signal kann jeden beliebigen Wert annehmen

oder

wertediskret

d.h. ein Signal kann nur bestimmte Werte annehmen, sodass ein Sinus eine

Treppenform annimmt

ist.

Die in dieser Arbeit betrachteten Messgrößen werden ausschließlich analog

abgebildet. Analoge Signale sind zeit- und wertekontinuierlich, dadurch kann

theoretisch zu jedem beliebigen Zeitpunkt jeder beliebige Wert gemessen werden.

2.2.2 Systemverarbeitung

In der Messsystemverarbeitung werden die am Eingang anliegenden Messgrößen

aufgenommen, aufbereitet und anschließend ausgegeben. Die Verarbeitung kann in

mehrere Messsysteme unterteilt sein. So kann z.B. eine Messgröße erst

Grundlagen 8

Analog/Analog, anschließend Analog/Digital gewandelt und das digitale Signal dann

für die Ausgabe vorbereitet werden. Bei der Analog/DigitalWandlung wird aus einem

zeit- und wertekontinuierlichen Signal ein zeit- und wertediskretes Signal. Damit

Rückschlüsse auf die Messgröße möglich sind, muss das Nyquist-Theorem

eingehalten werden. Dies besagt, dass die Frequenz mit der das Signal abgetastet

wird mindestens doppelt so groß sein muss, wie die größte auftretende Frequenz im

Signal (s. Gleichung (2-1)) [Wer10], S 77 f. In der Praxis wird nicht empfohlen nur mit

der doppelten Signalfrequenz abzutasten.

(2-1)

Wird dies nicht eingehalten, können bei der Rekonstruktion Aliasfrequenzen

entstehen. Die Ursache dafür ist in Abb. 2-2 zu erkennen. Bei der Interpolation der

Abtastpunkte, die nicht das Nyquist-Theorem erfüllen, werden nicht alle

Nulldurchgänge erkannt.

Abb. 2-2: Abtastung einer Sinuskurve mit bis zu 2 fSignal 2

Durch die Abtastungen erhält man nur die einzelnen Datenpunkte. Mit diesen

Datenpunkten kann anschließend im digitalen System weiter gearbeitet werden.

2 [Pla13], geändert

Grundlagen 9

2.2.3 Systemausgang

Am Ausgang des Datenerfassungssystems können die Signale von anderen

Systemen abgeholt werden. In diesem Fall wäre der Ausgang die Schnittstelle zum

nächsten System. Die Signale können am Ausgang auch auf Displays angezeigt

oder auf einem Speicher in Form einer Datei abgelegt werden. Bei den Signalen

kann es sich um Messwerte, Steuersignale oder andere berechnete Werte handeln.

Diese Werte sind wertediskret und zeitdiskret oder zeitkontinuierlich. Sollte im

gesamten Datenerfassungssystem keine Analog/Digital- oder Digital/Analog-

Wandlung stattfinden, können auch wertediskrete Signale am Ausgang anliegen.

2.3 Erstellen von Platinen

Platinen (Leiterplatten) sind in der heutigen Zeit ein elementarer Bestandteil der

Technik. Im digitalen Zeitalter wird alles durch Elektronik gesteuert. Um die immer

kleiner werdenden Bauteile einer Schaltung miteinander zu verbinden und die

Schaltungen sicher in Gehäusen zu integrieren, werden diese auf Platinen realisiert.

Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierenden Materialien, in der Regel aus

Kunststoffen. Aus einer dünnen elektrisch leitenden Schicht zwischen den einzelnen

Kunststoffschichten werden die Leiterbahnen geätzt. Die Schaltungselemente

werden durch Pads (Lötflächen) elektrisch mit der Schaltung verbunden und die

Lötstelle dient zusätzlich als Befestigung auf der Platine. Größere Bauelemente

können zusätzlich mittels Verschraubungen, Kleber oder Kabelbinder mit der Platine

verbunden werden.

Mit der Hilfe von Layoutsoftware, wie z.B. EAGLE von der Firma CadSoft, wird die

Erstellung von Platinen vereinfacht. Die einzelnen Elemente der gewünschten

Schaltungen können aus einer Bauteilbibliothek ausgewählt werden. Sind Bauteile

nicht vorhanden, können diese in der Bibliothek angelegt werden. Hierzu müssen die

Abmessungen des Bauteils und die Positionen sowie die Durchmesser der

elektrischen Kontakte bekannt sein, um diese in den integrierten Zeicheneditor zu

übertragen. Im Zeicheneditor können zudem die Eigenschaften der vorhandenen

Bauteile angepasst werden.

Grundlagen 10

Die Entwicklung der Platinen gliedert sich in folgende fünf Schritte:

1. Auswahl der benötigten Bauteile und Erstellen eines Schaltplans

Je nach Funktion der zu erstellenden Schaltung ist es erforderlich, einzelne

Bauteile, Vor- und Messwiderstände bzw. Filter zu berechnen. Da die

errechneten Bauteilwerte nicht immer mit einem Bauelement erreicht werden

können, kommen meist Kombinationen mehrerer Bauelemente zum Einsatz.

Auf Grund dieser Bauteilkombinationen erhöht sich die Anzahl der auf der

Platine unterzubringenden Elemente.

Zum Schutz der Platine wird ein Überspannungsschutz empfohlen. Allen im

Schaltplan dokumentierten Bauelementen wird eine eindeutige Bezeichnung

zugewiesen, damit im späteren Verlauf die Bauteildaten dem jeweiligen

Bauelement zugeordnet werden können.

2. Erstellen einer Testplatine

An Hand des im ersten Schritt erstellten Schaltplans, wird als Nächstes eine

Testplatine erstellt. Wenn zusätzlich zur Funktion der Leiterplatte zum

Zeitpunkt der Entwicklung bereits bekannt ist, an welchem Ort und unter

welchen Bedingungen die Platine eingesetzt wird, kann dies in die

Bauteilanordnung einfließen. Zum Erstellen von kleineren Testplatinen werden

in der Regel sogenannte Lochrasterplatinen verwendet. Diese haben in

regelmäßigen Abständen Löcher, durch die die Kontakte der Bauteile

durchgesteckt werden können. Auf der Rückseite werden die Elemente

verlötet und mit den Leiterbahnen verbunden. Die Leiterbahnen können mit

Lötzinn gezogen oder in Form von Drahtbrücken realisiert werden.

Grundlagen 11

Abb. 2-3: Beispiel einer Lochrasterplatine

3. Prüfen der Erfüllung der Spezifikationen der Platine sowie der

Bauteilanordnung

Die fertige Testplatine kann jetzt unter Laborbedingungen getestet werden.

Hierbei wird geprüft, ob die Spezifikationen der Schaltung eingehalten werden.

Es können während der Entwicklung des Schaltplans durch eine Simulation

der Schaltung erste Fehler gefunden und korrigiert werden. Der Test an der

eingesetzten Hardware ist jedoch unabdingbar.

Sind die Spezifikationen eingehalten, kann überprüft werden, ob die

Positionen der Bauelemente zu verändern sind.

4. Erstellen des Schaltplans und Layouts in einer Software

Dieser Schritt wird beispielhaft an der Software EAGLE der US-Firma CadSoft

erklärt.

Nachdem eventuell notwendige Änderungen in den Schaltplan eingearbeitet

wurden, kann dieser in eine Software übernommen werden. Dazu wird zuerst

geprüft, ob die benötigten Bauteile in der Bauteilbibliothek vorhanden sind. Ist

dies nicht der Fall, werden zuerst die fehlenden Bauelemente angelegt und in

der Bibliothek gespeichert.

Grundlagen 12

Sind alle Elemente vorhanden, kann der Schaltplan mit dem Schaltplan-Editor

gezeichnet werden. Um die späteren Einstellungen des Platinenlayouts zu

erleichtern, können die Schaltungsbestandteile ähnlich der Anordnung auf der

Platine platziert werden.

Im Layout-Editor erfolgt die Bestimmung der Anordnung der Bauelemente und

der Verlauf der Leiterbahnen. Die einzelnen Bestandteile der Schaltung

werden mit Bezeichnung und Verbindungen aus dem Schaltplan-Editor

übernommen. Aus den Verbindungen werden nach der Positionierung der

Elemente die Leiterbahnen. Je nach zu erwartendem Signal auf einer

Leiterbahn werden die Breite der Bahn und der Abstand zu den umliegenden

Elementen eingestellt. Um die einzelnen Leiterbahnen kreuzungsfrei über die

Platine führen zu können, sind in der Regel mindestens zwei

Leiterbahnebenen in einer Platine vorgesehen.

Aus dem fertigen Layout entsteht die endgültige Platine.

Abb. 2-4 : Beispiel eines Platinenlayouts

5. Testen der fertiggestellten Platine

Nach dem Bestücken der geätzten Platine ist erneut zu überprüfen, ob die

Spezifikationen der Schaltung eingehalten werden.

Grundlagen 13

2.4 Field Programmable Gate Arrays (FPGA)

Field Programmable Gate Arrays (FPGA) bestehen aus mehreren konfigurierbaren

Logik-Blöcken (CLB), die je nach Anwendung vom Nutzer konfiguriert werden. Die

Kommunikation zwischen den CLBs erfolgt über programmierbare Verbindungen. Mit

den Eingabe- oder Ausgabeblöcken können die Schaltungseingänge bzw. -ausgänge

mit der Schaltlogik verbunden werden. Durch die programmierbaren Verbindungen

kann die Logik auf mehrere CLBs verteilt werden.

Bei der Virtex-5 FPGA-Familie des Halbleiterherstellers Xlininx besteht ein CLB aus

mehreren Grundbausteinen (Slice). Ein Slice besteht aus vier Look-Up Tables (LUT)

mit den dazugehörigen Registern. Mit einer LUT kann eine beliebige logische

Verknüpfung mit bis zu vier Eingangsvariablen generiert werden. Somit kann mit

einem Slice eine boolesche Gleichung mit 16 Variablen umgesetzt werden. Die

Konfigurationen der LUTs und die Verbindungen werden bei jedem Start des FPGAs

aus einem RAM-Speicher geladen.

Abb. 2-5: Aufbau eines FPGAs3

3 [Sch],geändert

Grundlagen 14

Die Programmierung eines FPGAs erfolgt mit Hilfe geeigneter Software. Je nach

Software wird die Schaltung über eine grafische Oberfläche oder eine

hardwarebeschreibende Programmiersprache eingegeben. Aus der Schaltung wird

dann die Konfiguration des FPGAs erzeugt und als Bitstrom in dem FPGA

zugewiesenen RAM-Speicher abgelegt.

Der Einsatz von FPGAs hat die Vorteile, dass:

die Schaltung im Vergleich zur diskreten Realisierung zuverlässiger wird, da

weniger Bauteile benötigt werden.

im Gegensatz zu individuellen Designs, FPGAs als Standardbauelemente

leicht zu erhalten sind. Es entfallen die längeren Lieferzeiten vom

Halbleiterhersteller.

der Prüfaufwand einer Schaltung durch den hardwaregeprüften FPGA

reduziert wird.

Änderungen in der Schaltung sich durch Änderungen im Programm schnell

realisieren lassen.

FPGAs auf Grund ihrer Architektur sehr schnell sind.

[Fri09], S. 205 ff.

15

3 Hardware

In diesem Kapitel wird die zur Realisierung eingesetzte Messtechnik beschrieben.

Auf die in der Vorgängerarbeit aufgeführte Technik wird nur zusammenfassend und

ergänzend eingegangen [Lüd13], S. 69 ff.

3.1 CompactRIO

Das cRIO NI9024 hat einen 800 MHz Prozessor und ist mit insgesamt 512 MB

Arbeitsspeicher ausgestattet. Mit insgesamt 4 GB internen Speicher ist genügend

Kapazität vorhanden, die Software, fünf Minuten maximal aufgelöste Daten zur

Kurzzeitauswertung und zusätzlich die Daten für die Datenbank bei Nichtabholung

aufzubewahren. Kombiniert ist das cRIO mit dem 8-Slot-Chassis NI9114 [Nat10a]. Im

Chassis befindet sich ein Virtex-5 LX50 FPGA mit 48 Multiplikatoren und

28.800 LUTs Es ist eine ungültige Quelle angegeben.

Auf einem FPGA werden Logikschaltungen in elektronischen Gattern verknüpft. Da

sie nach ihrer Programmierung wie ein integrierter Schaltkreis funktionieren, ist es

möglich, mehrere Operationen echt parallel auszuführen. Die Umwandlung der

Software in VHDL4 und die anschließende Programmierung des FPGAs für dieses

System übernimmt LabVIEW5.

Zur Messdatenerfassung befinden sich in den Steckplätzen des Chassis je zwei

Messkarten des Typs NI9215 und NI9203. Mit einem Analogeingangsmodul NI9215

können synchron bis zu vier Kanäle mit 100 kSamples/s pro Kanal mit 16 Bit bei

einem Messbereich von ± 10 V aufgelöst werden. 100 kSamples/s bedeuten, dass

von dem anliegenden Signal 100.000 Werte pro Sekunde aufgenommen werden.

[Nat10b]

Die Messkarte NI9203 hat acht analoge Kanäle. Die Karte kann nacheinander mit bis

zu 200 kSample/s Daten mit 16 Bit aufnehmen [Nat10c]. Von den möglichen ± 20 mA

des Messbereichs wird in dieser Arbeit ausschließlich der positive Teil genutzt.

Das CompactRIO ist mit 55 °C das Gerät mit der niedrigsten maximalen

Betriebstemperatur im Schaltschrank. Um die Funktionsfähigkeit des gesamten

4VHDL – Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language, Programmiersprache

für FPGAs 5 Vergleich Kapitel 5

Hardware 16

Messdatenerfassungssystems zu gewährleisten, muss darauf geachtet werden, dass

die cRIO-Temperatur diesen Wert nicht übersteigt. [Nat10a], S. 2

Abb. 3-1: CompactRIO, Chassis, Spannungsmesskarte, Strommesskarte (v.l.n.r)6

3.2 Meteorologische Sensoren

Wie in Kapitel 1.2 gezeigt, sind als meteorologische Messgrößengeber Sensoren für

Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Windrichtung,

Sonneneinstrahlung (Pyranometer) und Modultemperatur vorhanden.

Die Pyranometer sind mit einem 10K Thermistor ausgestattet, welcher die

Korrekturen der temperaturbedingten Messfehler ermöglicht [KIP12].

Zusätzlich wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Sensor für die Bestimmung der

Schaltschranktemperatur bestellt. Dieser ist ebenfalls ein temperaturabhängiger

Widerstand des Typs PT100 in Vierleitertechnik, sodass hier der gleiche analoge

Messumformer wie für die Modultemperatur genutzt werden kann. „Der

Messumformer wandelt das temperaturabhängige Widerstandssignal des Sensors in

ein Normsignal […]“ [THE10], S. 1. Als Normsignal am Ausgang aller

meteorologischen Messgrößengeber liegen 4 mA bis 20 mA an. Bei Messgrößen

außerhalb des im jeweiligen Datenblatt spezifizierten Messbereichs wird bei

Unterschreitung das Minimum und bei Überschreitung das Maximum des

Normsignals ausgegeben. Sollten an einem der Ausgänge Werte außerhalb dieses

Bereiches anliegen, weist dies auf eine nicht korrekte Funktion des Sensors hin. In

diesem Fall ist die Ursache für den Fehler zu ermitteln.

In Abb. 3-2 sind alle verwendeten Sensoren und Messumformer dargestellt, wobei

die Sensoren in der oberen Reihe für die Aufnahme des Wetters auf dem Dach

dienen. Die Elemente der unteren Reihe werden in den Schaltschrank integriert.

6 [Nat10a], [Nat13b], [Nat10b], [Nat10c] (v.l.n.r)

Hardware 17

Abb. 3-2: Verwendete Sensoren und Messumformer7

3.3 Strom- und Spannungswandler

Um die Ströme und Spannungen an den Ein- und Ausgängen der Wechselrichter

messen zu können, ist es notwendig, die Messbereiche an die Messkarten des

cRIOs anzupassen. Weiterhin ist eine galvanische Trennung zwischen Messsystem

und der zu messenden Größe erforderlich, um ersteres zu schützen.

Da bei Messungen über Shuntwiderstände keine galvanische Trennung gegeben

wäre, wird die Wandlung mittels Halleffekt-Wandlern der Firma LEM realisiert. Der

Halleffekt macht sich die auf die Elektronen wirkende Lorentzkraft zunutze. Die

Lorentzkraft lenkt in einer stromdurchflossenen Platte, je nach Richtung des

orthogonal zur Platte stehenden Magnetfeldes, die fließenden Elektronen ab. Über

die beiden Enden der Platte kann dadurch, so wie in Abb. 3-3 links dargestellt, ein

Potentialunterschied in Form der Hallspannung gemessen werden. Ist der durch die

Platte fließende Strom wie in den eingesetzten Wandlern in Betrag und Richtung

konstant, wird durch die Veränderung des primären Magnetfeldes ein Abbild der zu

messenden Größe geschaffen.

7 [THE12b], [THE12a], [THE09b], [THE09a], [KIP12] (o.v.l.n.r), [THE10], [THE08], [KIP01](u.v.l.n.r)

Hardware 18

Abb. 3-3: Messprinzip Hallspannung und Funktionsweise Kompensationswandler8

Sowohl bei dem Stromwandler LA 55-P als auch bei dem Spannungswandler

LV 25-P handelt es sich um Kompensationswandler. In ihnen wird mit der

Hallspannung eine Elektronik gesteuert, die einen Strom s durch die Spule auf der

Ausgangsseite des Wandlers treibt (s. Abb. 3-3, Funktionsweise

Kompensationswandler). Die Spule ist um den Kern gewickelt, der den magnetischen

Fluss des primären Magnetfeldes durch den Hallsensor lenkt. Der Strom s ist ein

Abbild der zu messenden Größe, wenn das Magnetfeld der Spule das Magnetfeld

der Messgröße aufhebt, also kompensiert. Die Kompensationswandler haben den

Vorteil, dass durch die Aufhebung der Magnetfelder keine Messfehler durch

Magnetismus auftreten. Ein weiterer Vorteil ist, dass am Messausgang ein Strom

anliegt. So kann je nach Anwendung direkt der Strom s oder über einen Widerstand

gegen das Bezugspotential eine Spannung ausgewertet werden.

In dieser Arbeit werden beide Möglichkeiten genutzt. Die Elektronik auf der

Sekundärseite beider Wandlertypen benötigt eine Spannungsversorgung im Bereich

von ± 12 V bis ± 15 V.

Der Stromwandler LA 55-P hat einen Nennstrom PN von 50 A und ein

Wandlerverhältnis KN von 1:1000, sodass bei Nennstrom am Ausgang 50 mA zur

Verfügung stehen.

8 [LEM06]

Hardware 19

Abb. 3-4: Stromwandler LA 55-P, Spannungswandler LV 25-P9

Mit den Spannungswandlern LV 25-P sind Messungen im Nennspannungsbereich

von 10 V bis 500 V möglich. Auf Grund der Tatsache, dass der Wandler wie ein

Stromwandler funktioniert, ist die zu messende Nennspannung UP = UN auf einen

Nennstrom PN von 10 mA am Wandler auszulegen [LEM12]. Durch das

Wandlerverhältnis KN von 2500:1000 liegen bei Nennstrom 25 mA am Ausgang ( S)

an. Unter Berücksichtigung des Vorwiderstandes R1, des Widerstandes der

Primärspule RP und des Wandlerverhältnisses kann so auf die Messgröße

geschlossen werden.

(3-1)

9 [Dig13a], [Dig13b]

20

4 Vorbereitung der Messgrößen

Da durch die Analogeingangsmodule im Datenerfassungssystem alle Messsignale

nur in den Bereichen ± 10 V oder ± 20 mA aufgenommen werden können, müssen

die Signale, die nicht als Normsignal vorliegen, entsprechend angepasst werden.

Hinzu kommt, dass alle Messungen an einer Strommesskarte NI9203 über ein

Potential gemessen werden. Um dies zu ermöglichen, sind alle Massen der

Messwandler zu einem Bezugspotential zusammenzuführen.

4.1 Anpassung der Wechselrichterausgangswerte (AC)

Um die Wechselgrößen in der Auswertung direkt aufeinander beziehen und z.B. die

Leistung richtig bestimmen zu können, ist es notwendig, die Signale zeitgleich

aufzunehmen. Da eine synchrone Messung mit der Spannungsmesskarte NI9215

erfolgen muss, ist es erforderlich, die zu messenden Größen auf ± 10 V abzubilden.

Hierzu werden die in Kapitel 3.3 vorgestellten Kompensationswandler genutzt und

mit einem entsprechenden Messwiderstand Rm so ausgelegt, dass über den

Widerstand ± 10 V abfallen. Die Messungen mit Hilfe von Spannungsteilern und

Shuntwiderständen zu realisieren, hätte zu keiner galvanischen Trennung zwischen

Messsystem und Messgröße geführt. Des Weiteren wäre es nicht möglich gewesen,

den Messbereich der Analogeingangsmodule nahezu vollständig auszunutzen.

Zudem ist bei der Strommessung über einen Shuntwiderstand immer ein Rauschen

auf der Stromkurve, wie in Abb. 4-1 zu sehen ist. Die Kompensationswandler weisen

unter Verwendung von Messwiderständen mit kleinen Toleranzbereichen eine

höhere Genauigkeit auf.

Vorbereitung der Messgrößen 21

Abb. 4-1: Strommessung mittels Shuntwiderstand

4.1.1 Messung der Ströme mittels Stromwandler LA 55-P

Der maximale Ausgangsstrom max liegt für die beiden Wechselrichter für den

Strangbetrieb bei 8,9 A [SMAb] und für den Zentralwechselrichter bei 13,1 A [SMAa].

Für die Auslegung der Messwandler ist jedoch die maximale Amplitude îmax zu

berücksichtigen, sodass 12,586 A bzw. 18,526 A als Grundlage für die Bemessung

dienen.

Die Auflösung der Ströme lässt sich verbessern, indem der Nennstrom PN

größtmöglich ausgenutzt wird. Mit einer zweiten Wicklung der Leitung durch den

LA 55-P verdoppelt sich das Magnetfeld und somit auch der genutzte Messbereich.

Diese Wicklung ist in der Konditionierung zu berücksichtigen. Um beim Austausch

der Leitungen zwischen den Wechselrichtern und dem Einspeisepunkt in das

Energienetz keine Einschränkungen in der Wahl des Leitungstyps zu haben, wird auf

eine mögliche dritte Wicklung bei den Strangwechselrichtern verzichtet.

Durch das Wandlerverhältnis KN kann der Strom S mit der Gleichung (4-1) bestimmt

werden. Mit Hilfe des ohmschen Gesetzes und des Spannungsbereiches der

Eingangskarte am cRIO, kann mittels Gleichung (4-2) der benötigte Messwiderstand

Rm bestimmt werden.


(4-1)

(4-2)

Die Tab. 4-1 beinhaltet die Ergebnisse der Berechnungen und die getroffene

Auswahl der Widerstände. Die Auswahl kleiner Messwiderstände stellt sicher, dass

der Spannungsbereich am Messwiderstand Rm von ± 10 V nicht überschritten wird.

Signal S Rm errechnet Rm gewählt Rm gemessen

WR 1 37,052 mA 269,891 Ω 250 Ω 249,966 Ω

WR 2 25,172 mA 397,267 Ω 330 Ω 0,32933 kΩ

WR 3 25,172 mA 397,267 Ω 330 Ω 0,33011 kΩ

Tab. 4-1: Ausgangströme und Dimensionierung der AC-Stromwandler

4.1.2 Messung der Spannungen mittels Spannungswandler LV 25-P

Die Nennspannungen von 230 V, welche an den Ausgängen der Wechselrichter

anliegen, werden wie die Ströme auf ± 10 V abgebildet. Durch die Funktionsweise

des Spannungswandlers ist es notwendig, dass der durch den Messwandler

fließende Strom PN mittels Vorwiderstand R1 auf ± 10 mA begrenzt wird. Auch bei

diesem Typ muss die maximale Amplitude berücksichtigt werden. So ergibt sich für

alle drei Messwandler ein Vorwiderstand von 32,5 kΩ.

In Tab. 4-2 sind die gewählten und die genutzten Widerstände aufgeführt. Es wurden

größere Widerstände gewählt, damit PN im Betrag nicht größer als 10 mA werden

kann. Der niedrige Strom auf der Primärseite verhindert größere Leistungsverluste

durch die Messtechnik. Die Verlustleistung beträgt 3,25 W pro Vorwiderstand R1. Auf

Grund dieser Verlustleistung müssen die gewählten Widerstände R1 für diese

Leistung ausgelegt sein.


Signal R1 errechnet R1 gewählt R1 + Rp gemessen

WR 1 32,5 kΩ 12+22 kΩ 34,2110 kΩ

WR 2 32,5 kΩ 12+22 kΩ 34,0981 kΩ

WR 3 32,5 kΩ 12+22 kΩ 34,1057 kΩ

Tab. 4-2: Dimensionierung der Vorwiderstände der AC-Spannungswandler

Um den Messwiderstand am Ausgang des Wandlers mit Gleichung (4-2) bestimmen

zu können, ist zuerst S laut Gleichung (4-3) zu berechnen.

(4-3)

Die Ergebnisse der errechneten und ausgewählten Messwiderstände sowie die

Ströme S sind in Tab. 4-3 dargestellt. Da die errechneten 400 Ω außerhalb des

angegebenen Bereichs für Messwiderstände des LV 25-P liegen, wurden 330 Ω

gewählt [LEM12].

Signal S Rm errechnet Rm gewählt Rm gemessen

WR 1 25 mA 400 Ω 330 Ω 0,33018 kΩ

WR 2 25 mA 400 Ω 330 Ω 0,33004 kΩ

WR 3 25 mA 400 Ω 330 Ω 0,33014 kΩ

Tab. 4-3: Dimensionierung der Messwiderstände der AC-Spannungswandler

4.1.3 Platinenlayout

Die ausgewählten Strom- und Spannungswandler werden auf zwei Platinen verteilt.

Somit ergeben sich eine Strom- und eine Spannungswandlerplatine. Der Austausch

der Spannungsversorgung für die Messwandler LV 25-P und deren Ergebnisse findet

über ein Flachbandkabel statt.

Die Steckerbelegung des Kabels (SV1) ist in Tab. 4-4 veranschaulicht. Als

Spannungsversorgung kommen ± 15 V ± 1 % zum Einsatz. Innerhalb einer

Spannung von ± 15 V ± 5 % haben die Kompensationswandler die geringste

angegebene Messtoleranz [LEM09][LEM12]. Auf der AC-Spannungswandlerplatine

sind lediglich die LV 25-P mit den dazugehörigen Vor- und Messwiderständen

angeordnet. Auf der AC-Stromwandlerplatine sind zusätzlich zu den LA 55-P und


ihren Messwiderständen noch die Anschlüsse für die Spannungsversorgung und die

Datenleitung untergebracht.

Pin Signal Pin Signal

1 U_WR3 2 NC

3 NC10 4 U_WR2

5 - 15 V 6 - 15 V

7 NC 8 U_WR1

9 + 15 V 10 + 15 V

11 NC 12 NC

13 GND 14 GND

Tab. 4-4: Steckerbelegung SV1

Um Fehler im Bezugspotential und Störeinflüsse durch mehrere Masseleitungen zu

vermeiden, ist die Masse des verwendeten ± 15 V – Netzteils das Bezugspotential für

die Messungen. Des Weiteren werden die Teilflächen der nicht genutzten Unterseite

der Platine als Massefläche ausgeführt.

Nach der Bestimmung der benötigten Widerstandswerte sind auf Grundlage der in

[Brü13] A4.3 und A4.4 gegebenen Schaltpläne die in Abb. 4-2 und Abb. 4-3

dargestellten Platinen entwickelt worden. Mit Hilfe von Lochrasterplatinen wurde

zunächst überprüft, ob eine fachgerechte Verkabelung im vorhandenen Gehäuse

möglich ist. Die Schaltpläne der Platinen sind in Anhang A-2 und A-3 zu finden.

10

NC – Not Connected


Abb. 4-2: AC-Stromwandlerplatine

Abb. 4-3: AC-Spannungswandlerplatine


4.1.4 Testmessungen an den AC-Wandlerplatinen

Im Verlauf der Testmessungen wurde kontrolliert, ob die maximal zu erwartenden

Werte den Ausgangsspannungsbereich von ± 10 V einhalten und die Ausgangswerte

mit den errechneten Werten übereinstimmen. Diese Messungen sind an den

endgültigen Platinen wiederholt worden. In Abb. 4-4 ist der Messaufbau für die

Messung der gewandelten Signale eines Wechselrichters abgebildet.

Abb. 4-4: Messaufbau der Testmessung an den AC-Wandlerplatinen

Für die Simulation der Wechselrichterausgänge wurden ein Stelltrafo, zwei

Lastwiderstände und eine Drosselspule genutzt. Die Messungen erfolgten mit einem

Oszilloskop des Typs Agilent DSO-X 3014A, einer Stromzange des Typs Agilent

N2893A, einem Differentialtastkopf des Typs Testtec TT-SI9101 bzw. einem

Spannungsteiler und zwei BNC-Adaptern. Die Messwerte der Messwandler wurden

mit der Masse des ± 15 V-Netzteils als Bezugspotential über die BNC-Adapter

aufgenommen.


Die Aufnahme der Strom- und Spannungskennlinien erfolgte über einen konstanten

Widerstand. Durch Veränderung der Spannung am Stelltrafo verändert sich der

Strom. Somit konnten beide Kennlinien zeitgleich aufgenommen werden. Die

Spannung wurde mit dem Differentialtastkopf mit einem Verhältnis von 1:100 erfasst.

Für die Messreihen wurden die Effektivwerte genutzt, da diese genauer gemessen

werden können. Um zu überprüfen, ob der Messbereich eingehalten wird, werden

später die maximal gemessenen Messpaare pro Messbereich mit dem Effektivwert

des Messbereiches verglichen. Die am Wandlerausgang aufgenommenen

Effektivwerte dürfen nicht größer als 7,07 V sein.

In Abb. 4-5 ist für den Wechselrichter 3 eine Aufnahme der Effektivwerte mit dem

Oszilloskop dargestellt.

Abb. 4-5: Oszilloskopaufnahme der Strom- und Spannungsmessung an WR 3


Da der vorhandene Stelltrafo einen maximalen Nennstrom von 3 A aufweist, wurde

das Kabel sechs- bzw. zehnmal durch den Stromwandler geführt. Durch die

Vervielfachung der geplanten Kabeldurchführungen konnten so die maximalen Werte

simuliert werden. Die Bestimmung der Durchführungen erfolgte nach Gleichung (4-4)

und ist für die einzelnen Wechselrichter in Tab. 4-5 veranschaulicht.

(4-4)

Wechselrichter 1 Wechselrichter 2 und 3

Tab. 4-5: Simulation der Wechselrichterströme

Die einzelnen Strom- und Spannungskennlinien der Wandlerpaare für den

Zentralwechselrichter werden in Abb. 4-6 gezeigt 11 . Es sind die Kennlinien der

Messgrößen und die mit den Gleichungen (4-5) und (4-6) konditionierten Messwerte

abgebildet. Bei der Konditionierung wird der zur Rechnung benötige Sekundärstrom

s mit Gleichung (4-7) ersetzt.

(4-5)

(4-6)

(4-7)

11

Ergebnisse der anderen Wechselrichter siehe Dokumentations-CD.


Abb. 4-6: Kennlinien der Messgrößen und der Messwerte des WR 1

In den Stromkennlinien ist zu sehen, dass die Messwerte kaum von den Messgrößen

abweichen. Bei den Spannungskennlinien ist eine Abweichung zu erkennen. Diese

Abweichung kann mit der Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes

begründet werden. Die zur Konditionierung ermittelten Widerstandswerte wurden bei

Raumtemperatur gemessen. Durch die Erwärmung der Widerstände im

Betriebszustand steigt der jeweilige Widerstandswert. Dies kann mit einem

Korrekturfaktor behoben werden. Als Korrekturfaktor für die jeweiligen Wandler wird

die Summe aus dem Mittelwert der Messgenauigkeiten der Messpaare und „1“

genutzt. In Tab. 4-6 sind die ermittelten Korrekturfaktoren k dokumentiert und in Abb.

4-7 das Ergebnis der Korrektur exemplarisch für den Zentralwechselrichter

dargestellt.12

12

Ergebnisse der anderen Wechselrichter siehe Dokumentations-CD.


Abb. 4-7: Strom- und Spannungskennlinien des WR 1 mit Korrekturen

Aus den korrigierten Messreihen 13 sind die in Tab. 4-6 aufgeführten maximalen

Abweichungen ∆max und Standardabweichungen σ bestimmt worden.

Wandler: _WR1 U_WR1 _WR2 U_WR2 _WR3 U_WR3

k 0,9997 1,0216 0,9998 1,0200 0,9991 1,0219

∆max [%] 0,34 0,62 0,56 0,56 0,48 0,66

σ [%] 0,23 0.40 0,29 0,37 0,29 0,33

Tab. 4-6: (Standard-)Abweichung und Korrekturfaktor der AC-Wandler

Um die Phasenlage von Strom und Spannung in der weiteren Verarbeitung richtig

interpretieren zu können, wurde diese an den AC-Wandlerplatinen untersucht.

Hierfür wurde die Phasenverschiebung für die jeweiligen Wandlerpaare pro

Wechselrichter gemessen.

Bei der Messung wurde die am HT+/HT- des LV 25-P anliegende Spannung über

einen Spannungsteiler und BNC-Adapter gemessen, da der Spannungsteiler im

13

Messreihen siehe Dikumentaions-CD.


Gegensatz zum Differentialtastkopf keine Phasenverschiebung aufweist. Um

mehrere Messungen pro Wandlerpaar durchführen zu können, wurde die mit dem

Lastwiderstand in Reihe geschaltete Induktivität verändert.14

Das Ergebnis für einen Messdurchgang ist in Abb. 4-8 dargestellt.

Abb. 4-8: Oszilloskopaufnahme der Phasenverschiebungsmessung15

4.1.5 Genauigkeit der AC- Messwandler

Damit bei der Betrachtung der Messwerte eingeschätzt werden kann, wie die

Messwerte von der Messgröße abweichen, werden die Genauigkeiten der einzelnen

Wandler untersucht.

Phasenverschiebung

Der theoretische Vergleichswert kann mit der Gleichung (4-8) ermittelt werden.

Mit einer Induktion L von 34,812 mH, einer Spannung U von 99,94 V und

einem Strom von 3,013 A, ergibt sich bei einer Frequenz f von 50,008 Hz

eine Phasenverschiebung von 19,255°. Die Induktivität der eingesetzten

Drosselspule ist wie in Anhang A-4ermittelt worden.

14

Siehe Anhang A-4. 15

Weitere Oszilloskopaufnahmen siehe Dokumentations-CD.


(4-8)

Bei den Messungen ist eine maximale Abweichung von 1,97° zwischen der

Phasenverschiebung der Messgrößen und der Phasenverschiebung der

entsprechenden Wandlerplatinenausgänge aufgetreten. Die Abweichung vom

theoretischen Wert zu der Phasenverschiebung an den

Wandlerplatinenausgängen beträgt 2,44 °. Dies entspricht nach Gleichung

(4-9) einer Abweichung im cos ϕ von

(4-9)

In der Messstatistik des Oszilloskops (s. Abb. 4-8) ist zudem zu erkennen,

dass die Abweichung nicht konstant ist. Wird eine maximale Abweichung in

der Messung von 3,6 ° (1 %) angenommen, kann die Genauigkeit von cos ϕ

mit 0,2 % angegeben werden (vgl. Gleichung(4-9)).

Stromwandler LA 55-P

Die Genauigkeit des eingesetzten Stromwandlers ist im Datenblatt mit

± 0,65 % von PN bei einer Betriebstemperatur von 25 °C dokumentiert

[LEM09]. Damit ergibt sich das Ergebnis aus Gleichung (4-10) als absolute

Genauigkeit.

(4-10)

(4-11)

Aus den maximalen Amplituden î von 18,526 A für den Wechselrichter 1 bzw.

12,586 A für die Wechselrichter 2 und 3 resultieren auf Grundlage der

Gleichung (4-11) die folgenden relativen Genauigkeiten.


o Wechselrichter 1 (Sunny Boy 3000TL ST)

(4-12)

o Wechselrichter 2 und 3 (Sunny Boy 1600TL)

(4-13)

Im Vergleich mit den gemessenen Abweichungen der Stromwandler ist die

errechnete Genauigkeit etwas größer. Somit können diese als Genauigkeiten

für die Wandler dokumentiert werden.

Der Spannungsfall auf der Datenleitung ist auf Grund der kurzen

Leitungslänge und des niedrigen Stroms zu vernachlässigen. Wie Gleichung

(4-14) zeigt, fließt angesichts des Innenwiderstandes der

Spannungsmesskarte NI9215 von 1 GΩ [Nat10b], S. 23 und des

Messwiderstandes Rm auf der Wandlerplatine von 330 Ω ein Strom von

wenigen Nanoampere. Bei einer Datenleitungslänge von 0,6 m und einem

Leitungsquerschnitt 16 A von 0,5 mm² ergibt sich mit Gleichung (4-15) der

vernachlässigbare Spannungsfall. Über den Messwiderstand des ersten

Wandlers von 250 Ω ist der absolute Spannungsfall geringer, sodass der

relative Spannungsfall für alle Stromwandlersignale mit 0 % angeben werden

kann.

(4-14)

(4-15)

17

16

Vgl. Kapitel 6.2 Installation der Messtechnik im Schaltschrank, S. 86. 17

ɣ: elektrischer Leitwert, in diesem Fall Kupfer (CU)


Spannungswandler LV 25-P

Für die Genauigkeitsbetrachtung der Spannungswandler ist keine

differenzierte Betrachtung der einzelnen Wandler erforderlich, da die

Messgröße an allen LV 25-P im gleichen Messbereich liegt. Der

Spannungswandler hat bei einer Betriebstemperatur von 25 °C bei PN eine

Genauigkeit von ± 0,8 % [LEM12].

Im Grunde ist die Berechnung mittels der Gleichungen (4-16) und (4-18)

ähnlich der der Stromwandler. Unter Berücksichtigung des Vorwiderstandes

R1 und der Bestimmung von î nach Gleichung (4-19), kann in Gleichung (4-17)

die absolute – und in Gleichung (4-20) die relative Genauigkeit abgelesen

werden.

(4-16)

(4-17)

(4-18)

(4-19)

(4-20)

Für die Genauigkeitsberechnung ist der größte Vorwiderstand berücksichtigt

worden, damit die Abweichungen aller Wandler kleiner oder gleich der

berechneten Genauigkeiten sind. Der kleinste Vorwiderstand hat eine

Abweichung von 0,83 %. Somit können die oben berechneten Genauigkeiten

für alle AC-Spannungswandler festgelegt werden. Die gemessenen Werte der

Abweichung liegen innerhalb der theoretisch bestimmten Genauigkeit.

Die gewandelten Signale der Spannungswandler nutzen dieselbe

Datenleitung wie die Stromwandler zum CompactRIO. Als Messwiderstände

für die einzelnen Wandler werden je 330 Ω verwendet und der maximale

Wandlerausgangsstrom beträgt 25 mA. Somit gelten für die Betrachtung des


Spannungsfalls auf der Datenleitung ebenfalls die Berechnungen nach

Gleichung (4-14) und (4-15). Da der Sekundärstrom des Spannungswandlers

um 50 Prozent geringer ist als der des Stromwandlers, ist der Spannungsfall

ebenfalls halbiert. Dementsprechend kann für die Signale der

Spannungswandler ein Spannungsfall auf der Datenleitung von 0 %

festgehalten werden.

4.2 Anpassung der Wechselrichtereingangswerte (DC)

Die DC-Werte der PV-Anlage ändern sich auf Grund der Trägheit des Wetters recht

langsam, sodass die minimale Latenzzeit des Analogeingangsmoduls NI9203 von

5 µs vernachlässigt werden kann. Da auf Grund des Anlagenkonzepts entweder der

Wechselrichter 1 (3000TL-ST) im Zentralwechselrichterbetrieb oder die beiden

kleinen Wechselrichter (1600TL) im Strangwechselrichterbetrieb genutzt werden,

werden die DC-Werte vor dem Steckfeld aufgenommen.

Im Steckfeld findet die Zuordnung der Modulstränge statt. Ein Messen vor dem

Steckfeld hat den Vorteil, dass weniger Signale aufgenommen werden müssen.

Hierdurch wird weniger Messtechnik benötigt. Als Nachteil ergibt sich aber, dass die

Eingangssignale der Wechselrichter in der Software berechnet werden müssen. Des

Weiteren wäre es im Zentralwechselrichterbetrieb durch die maximale Spannung

U0C,max von 577,17 V [Lüd13], S. 31 notwendig, einen anderen Wandlertyp für die

Spannungswandlung zu wählen.

Für die Auslegung der Messwandler werden die Maxima von Strom und Spannung

der Modulreihen ermittelt. Bei der Planung der PV-Anlage wurde ein

Temperaturbereich von min – 10 °C bis max + 70 °C berücksichtigt [Lüd13], S. 31.

Dieser Bereich dient zusätzlich zu den Werten der Solarmodule aus dem Datenblatt

als Grundlage für die folgende Berechnung. Die Bestrahlungsstärke E wurde in der

Rechnung vernachlässigt, da in Hamburg keine Bestrahlungsstärke von mehr als

1000 zu erwarten ist.


Nimmt man 1000 als maximal auftretende Bestrahlungsstärke an, beträgt der

Faktor aus

maximal 1.

Zu den im Datenblatt angegebenen Werten für die Leerlaufspannung U0C und den

Kurzschlussstrom SC ist die mit ± 5 % dokumentierte Toleranz der Solarmodule

hinzuzufügen, damit die maximal möglichen Werte in der Auslegung berücksichtigt

werden. So ergeben sich für U0C 38,325 V und für SC 9,3765 A. Mit den

Temperaturkoeffizienten βL,Uoc = -0,37 %/K und βL,Isc = 0,04 %/K können bei STC von

25 °C mit den Gleichungen (4-21) und (4-22) die Maximalwerte für Strom und

Spannung pro Modulstrang berechnet werden. [Sol11]

(4-21)

(4-22)

Da die DC-Werte ausschließlich positiv sind, werden für die beiden Messkarten

NI9203 die Messgrößen unipolar, also im Bereich von 0 bis 20 mA, abgebildet. Die

Messung innerhalb des Eingangsmoduls des cRIOs erfolgt über einen 138 Ω

Widerstand zwischen dem jeweiligen Signaleingang und dem Bezugspotential

[Nat08b], S. 14. Die von den beiden Messwandlertypen geforderten

Messwiderstände können entfallen, da der Widerstand im NI9203 als

Messwiderstand dient. Da beide Stränge sieben gleiche Solarmodule haben, werden

die Messwandler für beide Stränge identisch ausgelegt. Der Stromausgang der

Messwandler, die galvanische Trennung von Messgrößen und Messsystem sowie

die Verwendung derselben Wandler für die Wandlung der AC-Messgrößen bestärken

die Wahl der Messwandler. Da Funktionsweise der Strom- und Spannungswandlung

der AC- und DC-Signale einheitlich ist, erleichtert dies eine mögliche Fehlersuche

und verkürzt die Einarbeitungszeit in die gesamte Messdatenerfassung.


4.2.1 Strommessung mittels Stromwandler LA 55-P

Der Stromwandler hat einen maximalen Ausgangsstrom S,max von 50 mA. Die

Messkarten sind jedoch lediglich für 20 mA ausgelegt. Auf Grund dessen muss

entweder zwischen dem Ausgang des LA 55-P und dem Eingang der NI9203 ein

Stromteiler liegen oder von dem Nennstrom PN von 50 A dürfen nur 20 A genutzt

werden. Da die Öffnung im Messwandler nur zwei Durchführungen des verwendeten

4 mm² PV-Kabel zulässt, ergeben sich, wenn man den Ausgangstrom S mit

Gleichung (4-1) ermittelt, 18,753 mA. Damit wird kein Stromteiler benötigt und der

Messbereich ist vollständig ausgenutzt.

4.2.2 Spannungsmessung mittels Spannungswandler LV 25-P

Auch der maximale Ausgangsstrom S,max des Spannungswandlers liegt mit 25 mA

über den maximal zulässigen 20 mA des Messmoduls im cRIO. Wenn S nicht mehr

als 20 mA betragen soll, darf PN nicht größer als 8 mA werden. Bei einer maximalen

Strangspannung U0C,Gen,max von 303,017 V ergibt sich ein Vorwiderstand R1 von

37,877 kΩ. In Tab. 4-7 sind die gewählten und tatsächlichen Widerstände aufgeführt.

Signal R1 errechnet R1 gewählt R1 + Rp gemessen

STR 1 37,877 kΩ 22+18 kΩ 40,067 kΩ

STR 2 37,877 kΩ 22+18 kΩ 40,148 kΩ

Tab. 4-7: Dimensionierung der Vorwiderstände der DC-Spannungswandler

4.2.3 Platinenlayout

Im Unterschied zu den AC-Platinen sind bei der DC-Wandlerplatine alle Messwandler

auf einer Platine platziert. Des Weiteren ist beim Platinenlayout zu beachten, dass

sich die Datenleitung und die DC-Leitungen nicht kreuzen, damit die Messergebnisse

nicht durch Übersprechen verfälscht werden. Daher werden die Wandler so

positioniert, dass die PV-Kabel über die Platine an den Reihenklemmen für die

Datenleitung vorbeigeführt werden können. Zusätzlich wird im Platinenlayout darauf

geachtet, dass die Signale der Wandler auf der Unterseite der Platine zu den

Reihenklemmen geführt werden. Als weiterer Schutz ist die nicht genutzte Fläche auf

der Oberseite der Platine als Massefläche ausgeführt. Um Spannungsüberschläge

zu verhindern, wird lediglich der Teil zwischen den Kontaktblöcken (HT+/HT-) für die


Spannungsmessung und den LV 25-P nicht als Masse genutzt. Die Entwicklung der

in Abb. 4-9 dargestellten DC-Wandlerplatine ist nach den in Kapitel 2.3 aufgezeigten

Grundsätzen erfolgt. Die Anordnung der Bauteile auf der Testplatine hat ergeben,

dass der Abstand zwischen den Stromwandlern und den Anschlussblöcken zu

vergrößern war.

Der Schaltplan der DC-Platine ist in Anhang A-5 dokumentiert.

Abb. 4-9: DC-Wandlerplatine

4.2.4 Testmessungen an der DC-Wandlerplatine

Sowohl an der Testplatine als auch an der fertiggestellten Platine wurde mit dem in

Abb. 4-10 zu sehenden Messaufbau überprüft, ob die gewandelten Signale im

erwarteten Bereich von 0 bis 20 mA liegen.

Zur Simulation der PV-Module wurden die DC-Quelle Power Supply EA-PS 8316-15T

und zwei Lastwiderstände genutzt. Da die DC-Quelle eine Leistungsbegrenzung von

1500 W hat, wurden die Strom- und Spannungskennlinien nacheinander

aufgenommen.


Abb. 4-10: Messaufbau der Testmessung an der DC-Platine

Für die Aufnahme der Stromkennlinie wurde die Spannung an der DC-Quelle auf

140 V begrenzt, da bei dieser Spannung die maximale Leistung der Quelle noch

nicht ganz erreicht wird. Des Weiteren ist es notwendig, dass bei Erreichen des

Stromwertes von SC,gen,max der Widerstandswert größer als der kleinste einstellbare

Widerstand ist. Sonst kann die Spannung nicht konstant bei 140 V gehalten werden.

Als Schrittweite für die Messung wurde 0,5 A gewählt.

Die Messung der Spannung erfolgte nach dem gleichen Prinzip, in diesem Fall wurde

der Strom auf 4,5 A begrenzt.

Mit Hilfe der Messgeräte sind die einzelnen Wertepaare aufgenommen worden. Mit

dem ersten Multimeter wurde die an den jeweiligen Wandler angelegte Messgröße

und mit dem zweiten Multimeter der gewandelte Messwert gemessen. Für die

Strommessung an den Wandlerausgängen der DC-Platine wurde die Masse des

± 15 V-Netzteils als Bezugspotential genutzt.

Die für die Vergleichbarkeit der Kennlinien notwendige Konditionierung der

Messwerte erfolgt nach den Gleichungen (4-5) und (4-6).


Abb. 4-11: Kennlinien der Messgrößen und der Messwerte des STR 2

Abb. 4-12: Strom- und Spannungskennlinien des STR 2 mit Korrekturen


Wie bei den AC-Wandlern nimmt die Betriebstemperatur Einfluss auf die

Widerstandswerte, sodass bei den DC-Wandlern dasselbe Verfahren zur Korrektur

der Kennlinien angewendet wird.18 In Abb. 4-11 und Abb. 4-12 sind die Ergebnisse

der Messungen ohne und mit Korrekturen für den Strang 2 dargestellt.19 Es sind nur

minimale Unterschiede zwischen den Messgrößen und den Messwerten zu

erkennen. Aus jeder Messreihe 20 ist die maximale Abweichung ∆max und die

Standardabweichung σ von Messwert zu Messgröße bestimmt worden. Diese sind

mit den Korrekturfaktoren in Tab. 4-8 zusammengefasst.

Wandler: _STR1 U_STR1 _STR2 U_STR2

k 0,9979 1,0019 0,9909 1,0013

∆max [%] 1,36 -0,12 -1,62 -1,03

σ [%] 0,47 0,03 0,50 0,44

Tab. 4-8: (Standard-)Abweichung und Korrekturfaktor der DC-Wandler

4.2.5 Genauigkeit der DC-Messwandler

Da zwischen den DC-Wandlern und den AC-Wandlern Unterschiede in der

Auslegung bestehen, ist hier ebenfalls eine Genauigkeitsbetrachtung notwendig. Es

können für die Betrachtung die für die AC-Wandler genutzten Gleichungen

verwendet werden. Diese benötigen lediglich die Werte der DC-Wandler-Auslegung

aus den Kapiteln 4.2.1 und 4.2.2. Die aus den Messungen resultierenden

Genauigkeiten werden im Bereich der folgenden Genauigkeiten erwartet.

Stromwandler LA 55-P

Es handelt sich bei den LA 55-P um die gleichen Stromwandler wie bei der

AC-Messung, somit sind die Datenblattangaben und die

Berechnungsgleichungen identisch. Daraus resultieren bei einem maximalen

Strangstrom von 9,5453 A folgende Genauigkeiten:

o Absolute Genauigkeit

18

Vgl. Kapitel 4.1.5, S 30 f. 19

Kennlinien Strang 1 siehe Dokumentations-CD. 20

Messreihen siehe Dokumentations-CD.


o Relative Genauigkeit:

Spannungswander LV 25-P

Auf Grundlage der Gleichungen (4-16) und (4-18), des Vorwiderstandes R1,

des Spulenwiderstandes des Wandlers Rp und der maximalen

Strangspannung U0C.gen,max, ergeben sich aus Gleichung (4-23) die absolute

und aus Gleichung (4-25) die relative Genauigkeit.

(4-23)

(4-24)

(4-25)

4.3 Spannungsversorgung der Sensoren

Für die Spannungsversorgung der Sensoren ist bereits ein Netzteil mit zweimal 12 V

vorhanden, welche galvanisch getrennt sind. Da die Messwandler eine

Versorgungsspannung von ± 15 V benötigen, wurde im Rahmen dieser Arbeit das

Netzteil MINI-PS-100-240AC/2X15DC/1 der Firma PHOENIX CONTACT, eingesetzt.

Durch die Messungen mit dem CompactRIO ist es erforderlich, dass die Netzteile für

die Versorgung der Sensoren oder Wandler ein identisches Massepotential besitzen.

Dieses dient als Bezugspotential für alle Messungen. Damit die Netzteile

gleichmäßig belastet sind, wurden die Spannungsversorgungen der Sensoren auf die

Netzteile verteilt.

Da die Heizungen der Windmesstechnik nicht für die Messungen relevant sind,

können diese auf die zweimal 12 V verteilt werden. Es ist zwingend notwendig, die

Versorgungsspannung des im Temperatur/Feuchte-Messfühler integrierten

Messumformers galvanisch von den Messwerten zu trennen.

Die Aufteilung der Netzteile und deren Auslastung sowie die einzelnen

Stromaufnahmen der Sensoren ist in Tab. 4-9, Tab. 4-10 und Tab. 4-11 dargestellt.


Sensor

Stromaufnahme

[mA]

Stück Gesamt

[mA]

Pyranometer Ampbox 0+20 2 40

Temperatursensor Analoger

Messumformer

1+20 5 105

Spannungswandler AC-Wandlerplatinen 10+25 3 105

Stromwandler AC-Wandlerplatinen 10+25 3 105

Spannungswandler DC-Wandlerplatine 10+20 2 60

Stromwandler DC-Wandlerplatine 10+20 2 60

Gesamt 475

Tab. 4-9: PHOENIX CONTACT Netzteil ± 15 V

Sensor

Stromaufnahme

[mA]

Stück Gesamt

[mA]

Messgrößengeber

für Windrichtung

Heizung 583 1 583

Messgrößengeber

für Windrichtung

Spannungsversorgung 75 + inklusiv 1 75

Messgrößengeber

für

Windgeschwindigkeit

Spannungsversorgung 65 + inklusiv 1 65

Temperatur/Feuchte-

Messfühler

Temperatur 0+20 1 20

Temperatur/Feuchte-

Messfühler

Luftfeuchte 0+20 1 20

Pyranometer Thermistor 0+0,81 2 1,62

Gesamt 764,62

Tab. 4-10: Typ DS1725 Netzteil 12 V an Bezugsmasse


Sensor

Stromaufnahme

[mA]

Stück Gesamt

[mA]

Messgrößengeber

für

Windgeschwindigkeit

Heizung 583 1 583

Temperatur/Feuchte-

Messfühler

Messumformer 3 1 3

Gesamt 586

Tab. 4-11: Typ DS1725 Netzteil 12 V galvanisch getrennt von Bezugsmasse

45

5 Software

Um die an den Eingängen der Messkarten anliegenden analogen Normsignale als

meteorologische oder elektrische Messwerte einer Datenbank oder einer

Kurzzeitauswertung zur Verfügung zu stellen, ist eine umfangreiche

Softwareanwendung notwendig. Für das CompactRIO der Firma National

Instruments wurde vom Hersteller LabVIEW als Programmiersprache festgelegt.

LabVIEW steht für „Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench“ und ist

eine grafische Programmiersprache, die zugleich Entwicklungsumgebung ist. Sie hat

gegenüber den konventionellen Programmiersprachen, wie z.B. C oder Java den

Vorteil, dass Signallaufpläne oder Funktionsblöcke nicht in Text umgewandelt

werden müssen.

Die Idee dazu stammt aus den späten 70er-Jahren von den National Instruments

Gründern, Jim Truchard und Jeff Kodosky, die die Struktur ihrer Testsoftware für

Messgeräte genauso wie die Messgeräte selbst aufbauen wollten. Sie bezeichneten

ihre Testsoftware als virtuelle Instrumente („Virtual Instruments“), dies ist noch heute

an der Dateiendung .VI zu erkennen. [Geo12], S 20

Ein VI besteht immer aus einem Frontpanel und einem Blockdiagramm. Das

Frontpanel stellt die grafische Bedienoberfläche (GUI) dar. Hier werden die

Steuerelemente (Control) und Anzeigeelemente (Indicator) angezeigt. In SubVIs,

welche eigenständige Unterprogramme sind, können die Controls und Indicators auf

die Ein- bzw. Ausgänge des VI-Blocks gelegt werden. Die Datenverarbeitung findet

in allen VIs im Blockdiagramm statt. Durch die grafische Programmierung kann der

Datenfluss wesentlich besser verfolgt werden und es gibt keine nicht

nachvollziehbaren Sprünge im Programmablauf. Um die Übersichtlichkeit im

Programm zu erhalten, können eigenständige Berechnungen in SubVIs

ausgegliedert werden. Dies ist vergleichbar mit den Funktionen anderer

Programmiersprachen. Sie können mehrmals aufgerufen bzw. wiederverwendet

werden. Die von einem SubVI benötigten Variablen werden als Signalleitung an

dieses herangeführt.

In LabVIEW kann auf eine große Menge fertiger Funktionen zurückgegriffen werden.

Je nach Ausführungsumgebung stehen auch speziell für diese Umgebung optimierte

Funktionen zur Verfügung.

Software 46

Abb. 5-1: Verteilung der Softwaresequenzen auf das Echtzeitsystem CompactRIO21

Wie in Abb. 5-1 zu sehen ist, muss die Software für das Datenerfassungssystem in

drei Programmabschnitte aufgeteilt werden. Wobei jeder Abschnitt auf einem

anderen Teilsystem ausgeführt wird, welche miteinander verbunden sind. Auf dem

FPGA wird die Datenaufnahme der einzelnen Moduleingänge realisiert. Die

Konditionierung der Messgrößen kann auf dem Real Time22 Controller, in diesem Fall

NI9024, vollzogen werden. Im Anschluss kann die weitere Auswertung vorbereitet

werden. Da die Netzwerkdose des Controllers im Rahmen dieser Arbeit als

Datenübergabepunkt definiert wurde, ist an dieser Stelle der Ausgang des

Messsystems erreicht.

Nachstehend werden noch ein paar Erläuterungen zum Host PC ausgeführt. Da der

Host PC in der Regel wesentlich mehr Rechenleistung als das cRIO besitzt, können

dort komplexere Berechnungen, wie z.B. eine Visualisierung umgesetzt werden. Die

Vorbereitungen für eine spätere Kurzzeitauswertung der Messwerte der PV-Anlage

werden so getroffen, dass der Host PC alle benötigten Daten per LabVIEW am

Echtzeitcontroller nutzen kann.

Bei der Bereitstellung der Daten für die Datenbank ist die Wahl auf CSV23-Dateien

gefallen.

21

[Nat08a] 22

Real Time (RT) , Echtzeit 23

CSV - Comma-Separated Values, Dateiformat

Software 47

5.1 Konzept zur Realisierung der Datenerfassung

Die zur konkreten Datenerfassung benötigte Software weist folgende Anforderungen

auf. Die Software soll auf zwei Haupt-VIs verteilt werden. Ein VI auf dem FPGA, in

welchem die Daten erfasst werden sowie das zweite VI, das zur Verarbeitung und

Speicherung der Messwerte genutzt wird. Das zweite VI wird auf dem RT-Controller

ausgeführt. Da die VIs auf unterschiedlichen Teilen des cRIOs arbeiten, ist ein

Datenaustausch zwischen den beiden Programmteilen notwendig. Dieser kann mit

maximal drei FirstInFirstOut-Speichern (FIFO) erfolgen. In Abb. 5-2 ist das Konzept

veranschaulicht.

Abb. 5-2: Datenerfassungskonzept24

5.1.1 Datenerfassung mittels FPGA

Die Messgrößen sollen mit drei verschiedenen Abtastraten für die weitere

Verarbeitung aufgenommen werden. Auf Grund der unterschiedlichen zeitlichen

Anforderungen an die Datenerfassung kann es zu Problemen kommen, falls die

Erfassung ohne Unterteilung erfolgt. Für jede Abtastrate ist ein eigener

24

Größere Version ist auf der Dokumentations-CD hinterlegt.

Software 48

Programmabschnitt vorgesehen. Dies erleichtert die Zuordnung der Messwerte und

gestaltet die Software übersichtlicher. Wie in Abb. 5-2 links zu erkennen ist, werden

im oberen und im unteren Programmabschnitt die gleichen Funktionen benötigt. Es

sind die Messgrößen an den entsprechenden Eingängen der Analogeingangsmodule

auszulesen und mit einer Konstanten sowie einem Zeitstempel in einen FIFO zu

schreiben. Bei den AC-Werten sind das sechs Messgrößen, die im 40 µs-Takt zu

dokumentieren sind. Die DC-Werte und die restlichen Sensoren, zusammen 18

Messgrößen, haben ein Abtastintervall von 1000 ms.

Der mittlere Programmabschnitt unterscheidet sich von den Anderen darin, dass

Berechnungen durchzuführen sind. Von den AC-Werten sind die Effektivwerte zu

bestimmen. Diese Funktion kann auch auf den RT-Controller ausgelagert werden,

benötigt jedoch auf dem FPGA weniger Rechenleistung. Des Weiteren ist eine

Berechnung mit FPGA-Logik schneller als eine Berechnung auf dem Controller.

Neben den Effektivwerten soll die Phasenverschiebung zwischen den Strom- und

Spannungssignalen der jeweiligen Wechselrichter ermittelt werden. Hierzu ist

gegebenenfalls der Wechselrichterausgangsstrom zu glätten, um die Genauigkeit zu

erhöhen. Mit einer Konstanten und einem Zeitstempel sind die neun berechneten

Werte ebenfalls in einen eigenen FIFO zu schreiben, sodass insgesamt drei FIFOs

genutzt werden.

Phasenverschiebung und Effektivwerte sind pro Periode zu berechnen und zu

dokumentieren. Daraus ergibt sich bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ein

Abtastintervall von 20 ms. Von einer Anpassung des Abtastintervalls bei

Netzschwankungen ist abzusehen, da dies eine automatische Nachregelung des

Abtastintervalls erfordert. Die Nachregelung könnte den FPGA an seine

Leistungsgrenzen bringen, dies ist jedoch zu testen. Als weiterer Grund gegen die

Nachregelung ist anzuführen, dass bei einem ausgeschalteten Wechselrichter keine

Frequenz gegeben ist und somit keine Werte aufgezeichnet werden. Das größte zu

lösende Problem wäre der Umgang mit unterschiedlichen Frequenzen der

Wechselrichter, dadurch würde ein separates Timing benötigt.

Beim ersten Start aller Teilabschnitte sind die vom RT-Controller übergebenen Werte

zu initialisieren und sollten zu jeder Zeit mit einem globalen Stoppsignal gestoppt

werden können. Laufzeitfehler sind ebenfalls dem Controller mitzuteilen.

Software 49

5.1.2 Verarbeitung der Messgrößen auf dem RT-Controller

Die vom FPGA zur Initialisierung benötigten Werte sind vor der ersten

Datenverarbeitung zu übergeben. Um sicherzustellen, dass auf dem FPGA die

Datenerfassung ausgeführt wird, kann das laufende FPGA-VI gestoppt und das

benötigte VI geladen werden. Damit ein Datenaustausch zwischen FPGA und

RT-Controller möglich ist, sind die benötigten FIFOs anzulegen und zu konfigurieren.

Zudem ist das Timing der Datenverarbeitungsschleifen einzustellen. Eine

Veränderung der eben aufgeführten Einstellungen während der laufenden

Datenverarbeitung ist zu unterbinden, da dies zu Problemen im Zusammenspiel der

aufeinander abzustimmenden Timings führen kann. Auf Grund der unterschiedlichen

FIFOs und Timings bietet sich auch hier eine Unterteilung der Datenverarbeitung in

drei Teile an. Die Grundfunktionen der drei Verarbeitungsteile sind identisch. Es sind

die im FPGA-VI in die FIFOs geschriebenen Messgrößen aus den FIFOs

auszulesen, der jeweiligen Messgröße zuzuordnen und anschließend zu

konditionieren. Dies geschieht nur in unterschiedlichen Zeitabständen. Um eine

Konsistenz der Messwerte am Messsystemausgang zu gewährleisten, sind die zur

Konditionierung benötigten Parameter während der laufenden Datenverarbeitung

konstant zu halten.

Eine Differenzierung der einzelnen Datenverarbeitungsschleifen ist auf die

unterschiedlichen Anforderungen der am Systemausgang bereitzustellenden

Messwertpakete zurückzuführen. Am Messsystemausgang soll je ein dreigeteiltes

Messwertpaket für eine Kurzeitauswertung und das Datenbankmanagementsystem

bereitgestellt werden. Die Dreiteilung resultiert ebenfalls aus den verschiedenen

Abtastraten und ist wie folgt gegliedert:

HighSpeed – Kurvenverläufe der AC-Werte

MediumSpeed – Effektivwerte der AC-Werte, cos ϕ und Leistungen der WR

LowSpeed – Meteorologische Daten, DC-Werte, Leistungen der

PV-Modulstränge und PR

Wie in Abb. 5-2 rechts dargestellt, sind die Messwerte für die Kurzzeitauswertung

kontinuierlich zu aktualisieren und die Messwerte für das

Datenbankmanagementsystem alle 60 Sekunden als CSV-Datei bereitzustellen. Für

die Kurzeitauswertung können die Messwerte in je einem Ringspeicher pro

Software 50

Abtastrate gesammelt werden. Die Aktualisierung der Ringspeicher kann durch die

Datenverarbeitungsschleifen erfolgen.

Die Bereitstellung der CSV-Dateien muss für jede Abtastrate in einer eigenen Datei

erfolgen. Es ist bei der Entwicklung zu berücksichtigen, dass die bereitgestellten

Dateien bei Nichtabholung vom Datenbanksystem zu löschen sind. Für die

Datenbank werden die AC-Werte mit einem größeren Abtastintervall von 312,5 µs

dokumentiert. Daraus resultiert, dass der HighSpeed-Programmteil zusätzlich zur

Aktualisierung des Ringspeichers noch jeden achten Wert für die CSV-Datei zu

sammeln hat. Bei dem MediumSpeed-Teil ist aus dem übergebenen

Phasenverschiebungswinkel ϕ der Leistungsfaktor cos ϕ zu bestimmen. Mit dem

Leistungsfaktor kann anschließend die Wechselrichterausgangsleistung für jeden

einzelnen Wechselrichter nach Gleichung (5-1) bestimmt werden. Die Messwerte und

berechneten Größen sind in Vorbereitung auf die zu erstellende CSV-Datei über eine

Minute zu sammeln.

(5-1)

Berechnete Wechselrichterausgangsleistungen sind der LowSpeed-

Datenverarbeitungsschleife zu übergeben, um den Performance Ratio bestimmen zu

können. Da dieser Programmteil mit einer kleineren Abtastrate arbeitet, sind alle

Leistungswerte zwischen zwei Schleifendurchgängen zu sammeln. Wenn das

Speicherintervall der CSV-Dateien der Abtastrate der LowSpeed-Schleife entspricht,

können die hierfür gesammelten Werte genutzt werden. Nach der Konditionierung

der Messgrößen kann die Korrektur der temperarturbedingten Messfehler an den

Pyranometern erfolgen. Jetzt ist es möglich, mittels der ebenfalls zu bestimmenden

Strangleistungen der PV-Module den Performance Ratio zu bestimmen. Im

Anschluss an die Berechnung sind die Daten in die CSV-Datei zu schreiben und der

entsprechende Ringspeicher ist zu aktualisieren.

Alle Programmteile sind mit einer Fehlererkennung auszustatten, um auf Fehler in

einer zentralen Fehlerbehandlung reagieren zu können.

Software 51

5.1.3 Konditionierung der Messwerte

Am Eingang der Analogeingangsmodule liegen die Messgrößen als normierte Strom-

und Spannungssignale an. Diese entsprechen keinesfalls dem jeweiligen

Messbereich der aufgenommenen Messgröße am Messsystemeingang, sodass es

erforderlich ist, die aufgenommenen Messdaten in den originalen Messbereich

zurückzurechnen. Die für die Datenerfassungen eingesetzten Sensoren und Wandler

können alle mit der linearen Gleichung (5-2) beschrieben werden. Wobei y die

gewandelte und x die originale Messgröße darstellt. Mit der nach der originalen

Messgröße aufgelösten Gleichung (5-3) kann aus den erfassten Messdaten der

Messwert konditioniert werden.

(5-2)

(5-3)

Die Parameter m und t können für jeden Sensor oder Wandler durch zwei bekannte

Punkte ermittelt oder aus vorhandenen Gleichungen zusammengefasst werden. Bei

den Strom- und Spannungswandlern entfällt der Parameter t, da es keine

Offsetverschiebung bei der Signalumwandlung gibt. Der Faktor

kann für diese

Wandler aus den Gleichungen (4-5) bis (4-7)25 und dem Korrekturfaktor k ermittelt

werden (vgl. Tab. 5-1).

Tab. 5-1: Zusammenfassung der Parameter für Strom- und Spannungswandlung

Im Folgenden wird exemplarisch die Bestimmung der Konditionierungsparameter für

die eingesetzten Analogumformer gezeigt.26 Die bekannten Punkte des Umformers

sind das Minimum von – 35 °C bei 4 mA und das Maximum von + 45 °C bei 20 mA.

25

Vgl. S. 27 26

Eine Zusammenfassung aller Parameter ist auf der Dokumentations-CD zu finden.

Software 52

(5-4)

(5-5)

(5-6)

(5-7)

(5-8)

5.1.4 Genauigkeitsbetrachtung

Das Analogeingangsmodul NI9215 hat eine Messpräzision von 0,003 V [Nat12c] und

das NI9203 hat eine Messpräzision von 0,049 mA [Nat12b]. Mit Hilfe dieser

Präzisionen kann die Messgenauigkeit der Messgrößen, wie in Gleichung (5-9),

bestimmt werden. Die relative Genauigkeit ergibt sich aus Gleichung (5-10). Die

größte relative Abweichung aller aufgenommenen Messgrößen beträgt 0,12 %. 27

Nach einer erfolgten Referenzmessung des Messdatenerfassungssystems sollten

die Berechnungen wiederholt werden, da sich der Faktor

verändert haben könnte.

(5-9)

(5-10)

5.2 Datenerfassung mittels FPGA

Die auf den Eingangsbereich der Analogeingangsmodule angepassten Messgrößen

werden auf dem FPGA ausgelesen und für die Kommunikation zwischen FPGA und

Controller vorbereitet. Die verdrahteten Analogeingangsmodule stecken in dem

27

Eine Zusammenfassung aller Genauigkeiten ist auf der Dokumentations-CD zu finden.

Software 53

Chassis NI9114, der mit dem Controller verbunden ist. In dem Chassis befindet sich

der FPGA, welcher die Module direkt ansprechen kann.

Da die Messwerte mit zwei verschiedenen Abtastraten abgetastet und die

Effektivwerte der AC-Werte bestimmt werden sollen, erfolgt die Datenaufnahme in

drei Schleifen.

Abb. 5-3: Auslastung FPGA, Auszug des Kompilationsprotokolls von LabVIEW

In Abb. 5-3 ist die Auslastung der einzelnen FPGA-Bestandteile dargestellt. Die

Auslastung kann in jedem Kompilationsprotokoll des FPGA-Codes eingesehen

werden. Mit der Datenaufnahme ist die Kapazitätsgrenze fast erreicht. Ein paar

Operationen können noch ausgeführt werden. Die Anzahl der Operationen für eine

Konditionierung der Messgrößen ist größer als die noch verfügbaren Operationen.

Jede Konditionierung benötigt mindestens eine Multiplikation, sodass den noch nicht

genutzten fünf Multiplikatoren (DSP48s), 24 Multiplikationen gegenüberstehen.

Daher kann die Konditionierung nicht auf dem FPGA durchgeführt werden.

5.2.1 Erfassung der meteorologischen-, DC- und AC-Werte

Die Erfassung der Messgrößen erfolgt in einer endlosen While-Schleife, die über

eine globale Variable gestoppt werden kann. In dieser Schleife werden überwiegend

die Messgrößen an den NI9203-Messkarten aufgenommen, sodass die Schleife den

Namen „Messdatenerfassung NI9203“ trägt. Innerhalb dieser befindet sich eine „Flat

Sequence“ mit zwei Frames.

Eine Flat Sequence ist ein Sequenzdiagramm, in welchem die einzelnen Sequenzen,

sogenannte Frames, nacheinander abgearbeitet werden. Verglichen werden kann

dies mit einer 35-mm-Filmrolle im Kino, bei der der Anfang am Ende angeklebt wird.

Wenn das Ende erreicht wird, fängt der Film wieder von vorn an. Das erste Frame

beinhaltet das Timing der Erfassung. Hier wird dem Loop-Timer mitgeteilt, nach

Software 54

welcher Zeit das nächste Frame abgearbeitet werden soll. Es wird die

Abarbeitungszeit der folgenden Frames berücksichtigt, sodass die Schleife in diesem

Fall alle Sekunde ausgeführt wird. Am Loop-Timer muss eingestellt werden, ob der

übergebene Wert als Ticks, Mikro- oder Millisekunden interpretiert werden soll.

In der Schleife, Messdatenerfassung NI9203, ist der Timer auf Millisekunden

eingestellt. Der angelegte Wert kann jederzeit geändert werden und somit kann die

Abtastrate angepasst werden. Als Defaultwert ist eine Sekunde (1000 ms)

eingestellt.

Abb. 5-4: Schleife Messdatenerfassung NI9203

Software 55

Der zweite Frame dient der Erfassung der Messwerte und deren

Kommunikationsvorbereitung. Die Messwerte werden mittels Ein- und

Ausgangsknoten an der entsprechenden Messkarte ausgelesen. Die Eingänge

können an Hand der Steckplätze im Chassis und der Messkarteneingänge AI 28

selektiert werden. Die Signalbelegung der Messkarten und die Steckplatzzuordnung

im cRIO sind in Anhang A-7 dokumentiert.

Für die Übersichtlichkeit ist hier je Steckplatz ein eigener Knoten gewählt. Aus den

Knoten kommen die Daten als Fixed-Point-Werte (FXP). Da das FXP-Format 64 Bit

groß und auf dem Controller schwer zu verarbeiten ist, werden sie auf dem FPGA in

Single-Precision-Float (SGL) gewandelt. SGL hat lediglich 32 Bit, dadurch werden

weniger Ticks bei der Berechnung benötigt.

Eine Umrechnung nutzt unter LabVIEW 2011 10 Ticks, 1236 Slice Registers und

2087 Slice LUTs. Bei der genutzten Taktfrequenz des Chassis von 40 MHz werden

pro Umrechnung 250 ns benötigt. Auf Grund der FPGA-Struktur werden die

FXP/SGL-Wandlungen parallel durchgeführt und die maximale Abtastrate von

25 kHz kann ohne Probleme realisiert werden. Betrachtet man jedoch den

Ressourcenbedarf einer einzelnen Umwandlung von 4,2 % der Slices Registers und

7,2 % der Slice LUTs und die 19 Umwandlungen in der Schleife der

Messdatenerfassung NI9203, stellt man fest, dass die Ressourcen auf dem FPGA

nicht ausreichen, selbst bei Vernachlässigung der restlichen Programmierung.

[Nat12a]

(5-11)

Ein Blick auf das Kompilationsprotokoll in Abb. 5-3 zeigt, dass LabVIEW bei der

Synthetisierung des Programms Optimierungen vornimmt.

Die Messgrößen im SGL-Format werden als Array zusammengefasst und durch eine

Konstante vorweg bzw. um den aktuellen Tickwert am Ende ergänzt. Dieses Array

wird an eine For-Schleife übergeben, welche die Werte einzeln in einen FIFO

schreibt. An dem FIFO-Block wird der entsprechende FIFO gewählt und das Timeout

definiert. Für jede Datenerfassungsschleife wird ein eigener FIFO genutzt.

Die AC-Werte werden in der Schleife „Messdatenerfassung NI9215“ erfasst. Der

Unterschied in der Anforderung zur meteorologischen und DC-Schleife, ist lediglich

28

AI – Analog Input, Analoger Eingang

Software 56

die Anzahl der zu erfassenden Messgrößen und die Abtastrate. Die eingestellten

Defaultwerte sind in Tab. 5-2: aufgelistet.

Schleife Abtastintervall Konstante Timeout FIFO

Messdatenerfassung

NI9215

1600 Ticks (40 µs) -14 0 FIFO NI9215

Messdatenerfassung

NI9203 RMS phi

1600 Ticks (40 µs) 500 0 FIFO NI9215

RMS phi

Messdatenerfassung

NI9203

1000ms 25 0 FIFO NI9203

Tab. 5-2: Schleifenparameter der Messdatenerfassung

5.2.2 Erfassung der Phasenverschiebung und Effektivwerte

Die Erfassung der Phasenverschiebung und der Effektivwerte ist wesentlich

komplexer. Im Gegensatz zu den anderen Datenerfassungsschleifen, werden hier

die Werte mit einer anderen Abtastrate in den FIFO geschrieben als die Signale

abgetastet werden.

Es werden insgesamt drei Frames benötigt. Im ersten Frame wird der gleiche Loop-

Timer verwendet wie in der Schleife Messdatenerfassung NI9215 mit Ticks als

Eingangstyp. Zusätzlich wird dort das Timing für das FIFO-Füllen vorbereitet. Hierzu

wird die in Mikrosekunden angegebene AC-Periodendauer durch die in

Mikrosekunden umgerechnete Schleifenabtastrate dividiert. Anschließend wird der

Werte um „1“ dekrementiert, um das Starten des Schleifenzählers bei 0 zu

korrigieren. Würde man dies unterlassen, hätte die Schleife einen zusätzlichen

Durchlauf.

Um die Übersichtlichkeit in den weiteren Frames zu erhalten und die Zahl der

Verbindungslinien zu reduzieren, werden für den Schleifenzähler und die

Counterwerte Funktionale Globale Variablen (FGV) eingesetzt. Dies geschieht unter

Berücksichtigung der in [Nat13a] aufgeführten Grundsätzen.

Funktionale Globale Variable

Eine Funktionale Globale Variable ist ein SubVI, auf das immer nur ein

Prozess zeitgleich zugreifen kann. An die FGV wird eine Enum-Variable mit

Software 57

den Zuständen ‚Reset‘, ‚Schreiben‘ und ‚Lesen‘ als Steuervariable angelegt.

Diese bestimmt, wie die FGV genutzt werden soll. Wie in Abb. 5-5 zu

erkennen ist, besteht das SubVI aus einer While-Schleife, die bei jedem Aufruf

nur einmal ausgeführt wird. Das Schieberegister dient als Speicherelement.

Wenn Schreiben als Steuervariable anliegt, wird der am Variableneingang

anliegende Wert in das Schieberegister geschrieben und eine boolesche

Variable als Schreibbestätigung auf True gesetzt. Beim Lesen wird der im

Schieberegister zwischengespeicherte Wert ausgelesen. Der Reset-Zustand

initialisiert die Variable mit 0 und setzt die Schreibbestätigung auf False.

Abb. 5-5: Aufbau FGV SubVI

Im zweiten Frame der Messdatenerfassung werden die Nulldurchgänge der

AC-Signale detektiert. Da das zu erfassende Stromsignal am Ausgang des

Wechselrichters eine Glättung erfordert, wird es durch einen Tiefpassfilter mit einer

Grenzfrequenz von 100 Hz geführt. Bei dem Filter kann auf einen LabVIEW-eigenen

FPGA-Filter zurückgegriffen werden. Die Nulldurchgangserfassung mit einer eigenen

Funktion zu realisieren, ist in der Auslastung und Performance des FPGAs nicht

optimal. Effektiver ist es, die vorhandene LabVIEW-Funktion zu nutzen. An diesem

Block sind lediglich die zu erfassenden Nulldurchgänge einzustellen. Es werden hier

die fallenden Flanken genutzt. Nach der Erfassung wird der Ausgang des Blocks auf

True gesetzt. Dieses True löst an der Casestruktur den Schreibbefehl an der

jeweiligen FGV aus und schreibt den aktuellen Counterwert. Bei einem False wird

nichts ausgeführt und das nächste Frame wird bearbeitet. Die Resetleitung der

Detektierungsfunktion ist immer mit True verbunden, sodass sie bei jedem

Schleifendurchlauf neu initialisiert wird. Dies verhindert, dass der aktuelle

Counterwert nach einem Nulldurchgang mit jedem Schleifendurchgang in der FGV

Software 58

erhöht wird. Auf diese Weise werden die Nulldurchgänge aller

Wechselrichterausgangswerte erfasst.

Im letzten Frame wird der Effektivwert bestimmt und bei Erreichen des Endes der

Periode wird die Phasenverschiebung bestimmt und alle Werte in den FIFO NI9215

RMS_phi geschrieben. Der Effektivwert wird als quadratisches Mittel (RMS), nach

Gleichung (5-12) bestimmt. Der LabVIEW-eigene Funktionsblock benötigt weniger

Operationen als die manuelle Bestimmung auf dem FPGA. Der weitere Vorteil ist,

dass der RMS-Wert außerhalb des Schleifentimings bestimmt wird.

(5-12)

Das Füllen des FIFOs wird mittels Vergleich der Schleifen-FGV und des im ersten

Frame bestimmten Vergleichswertes umgesetzt. Wenn die Werte ungleich sind, wird

die Schleifen-FGV solange inkrementiert, bis sie gleich ist. Bei Gleichheit wird der

Truepfad der Casestruktur ausgeführt. Wenn sowohl bei der Strom- als auch bei der

Spannungs- FGV eines Wechselrichters die Schreibbestätigung gesetzt ist, wird die

Phasenverschiebung ϕ in Grad bestimmt.

(5-13)

Da die Nulldurchgänge unabhängig voneinander erfasst werden, muss mit dem

Vorzeichen der Phasendifferenz gearbeitet werden. Hieraus resultiert, dass der

Phasenverschiebungswinkel im Bereich von -180° bis 180° liegt. Damit das

Vorzeichen, wie in der Elektrotechnik üblich, bei einer induktiven Verschiebung

positiv und bei einer kapazitiven negativ ist, wird der Tickcounterwert bei

Nulldurchgang der Spannung von dem Wert des Stroms abgezogen. Ist das

Ergebnis größer als die halbe Periodendauer, wird es von der Periodendauer

abgezogen und anschließend der Phasenverschiebungswinkel nach Gleichung

(5-13) bestimmt. Ist die Subtraktion der Tickcounterwerte kleiner als die halbe

Periodendauer, wird geprüft, ob die Differenz kleiner als das Negative der halben

Periodendauer ist. Ist dies der Fall, wird die Periodendauer zum Ergebnis addiert,

wenn nicht, kann das Ergebnis direkt für die Umrechnung nach Gleichung (5-13)

verwendet werden.

Software 59

-T =-20 -T/2 =-10 0 T/2 = 10 T = 20-360

-270

-180

-90

0

90

180

270

360

x - Ergebnis der Subtraktion der Tickcounterwerte [ms]

phi -

Phasenvers

chie

bungsw

inkel [°

]

Phasenverschiebungswinkel mit Korrektur

Phasenverschiebungswinkel ohne Korrektur

x > T/2 => x-Tx < -T/2 => x+T

Abb. 5-6: Überblick Phasenwinkel

Nach der Berechnung werden, wie in den anderen Datenerfassungsschleifen die

RMS-Werte der Wechselrichter und die Phasenverschiebung mit einer Konstanten

und dem Schleifentimer in den FIFO NI9215 RMS_phi geschrieben. Abschließend

werden alle eingesetzten FGVs mittels Reset-Befehl zurückgesetzt.

5.3 Kommunikation zwischen FPGA und Controller

Um die mit dem FPGA aufgenommenen Daten verarbeiten zu können, ist es

erforderlich, diese auf den RT-Controller zu übertragen. Dies ist ausschließlich mit

den vorgefertigten FPGA-Methoden-Blöcken möglich.

5.3.1 Grundsätze

Auf dem FPGA können mit der FIFO-Methode die zuvor auf dem CompactRIO

angelegten FIFOs angesprochen werden. Mit dem Write-Block kann der FIFO gefüllt

oder die Anzahl der wartenden Elemente ausgelesen werden. Die Schreibfunktion

kann immer nur ein Element in den FIFO schreiben und keine Arrays. Mit dem

erforderlichen Timeoutwert wird eingestellt, wie lange der Funktionsblock wartet,

wenn kein Element zum Schreiben vorhanden ist, bevor dieser übersprungen wird.

Mit Hilfe der booleschen Ausgangsvariablen ‚Time Out?‘ kann überwacht werden, ob

die Funktion wie gewünscht arbeitet oder ob ein Fehler aufgetreten ist.

Software 60

Auf dem eingesetzten CompactRIO stehen maximal drei FIFOs zur Verfügung. Die

FIFOs sind im Projekteditor von LabVIEW auf dem cRIO anzulegen. Es sind

folgende Einstellungen an den benötigten FIFOs vorzunehmen.

NAME: ‘Name‘, eindeutig zuordenbar z.B. NI9203

Type: Target to Host - DMA29

Size: ‘Größe’, einige Messzyklen müssen im FIFO gespeichert werden

können. Der FIFO sollte aber so klein wie möglich sein, da der

DMA Arbeitsspeicher belegt

Data Type: SGL

Für den Austausch von einzelnen Variablen zwischen FPGA und Controller wird die

FPGA-Read/Write-Funktion genutzt. In diesem Block können alle Variablen, die im

Frontpanel des FPGA-VIs zu finden sind, einzeln angesprochen werden. Abhängig

davon, ob sie auf FPGA als ‚Control‘ oder ‚Indicator‘ ausgeführt sind, kann ein Wert

zugewiesen bzw. ausgelesen werden. Da nur einzelne Werte übertragen und

gespeichert werden können, eignen sich die Variablen nur zum Initialisieren, Steuern

und Überwachen des FPGA-VIs.

Auf dem RT-Controller werden zum Datenaustausch das FPGA-VI neu gestartet, die

Werte initialisiert und der FIFO auf der RT-Seite eingerichtet. Das Einrichten erfolgt

mit dem ‚Configure‘-Block. Hierfür wird der gewünschte DMA-FIFO über seinen

Namen ausgewählt und die gewünschte Größe auf der RT-Seite eingestellt. Diese

Größe ist unabhängig von der im Projekteditor eingestellten Größe. Es sollte Platz für

mehrere Auslesezyklen des FIFOs berücksichtigt werden. Nach der Konfigurierung

wird der FIFO mit der FIFO-Start-Methode gestartet. Im Anschluss an alle

Initialisierungen wird das FPGA-VI mit Hilfe von ‚FPGA-Run‘ ausgeführt.

Das Auslesen des DMA-FIFOs erfolgt in einer zeitgetakteten While-Schleife. Über

das Schleifentiming kann das Ausleseintervall des FIFOs grob eingestellt werden.

Zum Auslesen von Werten aus dem DMA-FIFO gibt es eine Lesefunktion

(FIFO-Read). Auch hier wird der FIFO über seinen Namen ausgewählt. Es müssen

dem Funktionsblock Werte übergeben werden, zum einen die Anzahl der zu

lesenden Werte und zum anderen der Timeoutwert. Am Ausgang des Blocks steht

ein eindimensionales Array mit der entsprechenden Anzahl an Elementen bereit. Des

29

Target to Host – DMA, FPGA zu RT Controller -Direct Memory Access (direkter Speicherzugriff)

Software 61

Weiteren kann die Anzahl der noch im FIFO verbliebenen Elemente abgerufen

werden. An dieser Stelle können die Daten weiterverarbeitet werden.

5.3.2 Realisierung

Anhand der Grundsätze wurde die Kommunikation zwischen FPGA und

RT-Controller aufgebaut. Mit Hilfe der von National Instruments veröffentlichten

Tutorials, konnte der Grundaufbau der Kommunikation schnell umgesetzt werden. Im

Folgenden wird sich jedoch immer wieder zeigen, dass bei den Tutorials die

Einstellungen der einzelnen Parameter nur unzureichend dokumentiert und die

Ursachen auftretender Probleme nur schwer einzugrenzen sind.

Der Kommunikationsteil in dem FPGA-VI besteht lediglich aus einer For-Schleife,

welche die Messdaten nacheinander einzeln an das jeweilige FIFO-Write übergibt.

Im Laufe der Entwicklung sind eine Timeoutüberwachung und das Auslesen der

wartenden Elemente hinzugekommen. Diese Werte werden über die FPGA-

Read/Write-Funktion des Controller-VIs ausgetauscht. Auf diese Weise werden auch

die Initialisierungsparameter wie Abtastintervalle, Periodendauer, Timeouts und das

Globale Stopp übergeben.

Zuerst wurde getestet, ob die Messdaten eine Minute im FIFO gesammelt und mit

einem Mal zeitgleich aus den drei FIFOs gelesen werden können. Es hat sich

gezeigt, dass zu viele auszulesende Werte vorhanden sind (vgl. Tab. 5-3). Auch um

die Messdaten je Sekunde aus den FIFOs auszulesen, sind es noch zu viele Werte.

Ein Auslesen im gleichen Takt der Abtastintervalle ist nicht umsetzbar, da zum einen

die Organisation des Auslesens Rechenzeit benötigt und zum anderen ein

Schleifentiming der Erfassungsschleife in Mikrosekunden nicht einstellbar ist. So

wurde für die Daten der Wechselrichter 20 ms und für die restlichen Messdaten 1 s

als Periodendauer an den Timed While Loops eingestellt.

Werte pro

Abtastrate Abtastung 20 ms 1 s 60 s

25 kHz 8 4.000 200.000 12.000.000

50 Hz 11 11 550 3.300

1 Hz 20 - 20 1.200

Tab. 5-3: Übersicht der zu verarbeitenden Datenmengen

Software 62

Das Anzeigen der aus den FIFOs ausgelesenen Werte war in je einem Array über

die Entwicklungsumgebung möglich. Zunächst wurde die Verteilung und Zuordnung

der ausgelesenen LowSpeedwerte programmiert. Es konnte beim Beobachten der

zugeordneten Messwerte festgestellt werden, dass sich die Zuordnung verschiebt.

Mittels der definierten Konstanten konnte dies verfolgt werden. 30 Nachdem eine

Verschiebungskorrektur entwickelt und an den sekündlichen Werten getestet wurde,

ist die Verteilung für alle Abtastraten implementiert worden.

Die Verteilung des HighSpeeddatenblocks auf die jeweiligen Variablen führte zu

einem Verbindungverlust zwischen cRIO und Netzwerk. Nach dem Neustart des

CompactRIO durch Drücken der Reset-Taste am Controller, war das cRIO wieder

erreichbar. Als mögliche Ursachen kommen eine Überlastung der

Netzwerkverbindung oder der CPU des RIOs in Frage. Bei diesem Absturz war

unklar, ob nur die Netzwerkverbindung zusammengebrochen war und das System

noch arbeitete, oder ob das System abgestürzt war und aus diesem Grund keine

Netzwerkverbindung mehr bestand.

Durch Veränderung des Timeouts am Read-Block der HighSpeedschleife konnte das

Problem nicht behoben werden. Eine Absenkung der Datenmenge durch eine

Verringerung des Abtastintervalls auf 625 µs hat ebenfalls keine Lösung

herbeigeführt. Da keine Überwachung auf die CPU-Auslastung des cRIOs möglich ist

und die Programmierung augenscheinlich korrekt war, wurde der technische Support

der Firma NI kontaktiert. Dort blieb die Anfrage zunächst unbearbeitet liegen. Nach

mehrmaligen Nachfragen wurde vom Support eine CPU-Überlastung als Ursache

ermittelt. Der vom Supportmitarbeiter gegebene Lösungsansatz, die Abtastrate noch

weiter zu senken, hatte zur Folge, dass die Daten nicht mehr sinnvoll erfasst werden

konnten. Dieser Lösungsvorschlag ist als nicht hilfreich zu betrachten, zumal die

Ursache für den Absturz in der Verteilung der HighSpeeddaten liegt.

Laut telefonischer Aussage mehrerer Supportmitarbeiter und der Spezifikationen der

eingesetzten Hardware, dürfte eine Abtastrate von 25 kHz kein Problem darstellen

und muss daher realisierbar sein. So wurde der fehlerhafte Teil entfernt und die

verbliebenen Teile weiter untersucht. Bei der Betrachtung der im DMA-FIFO auf

Abholung wartenden Elemente war festzustellen, dass die Zahl der wartenden

Elemente die auf dem RT-Controller definierte FIFO-Größe nahezu erreicht hat. Dies

ist unabhängig von der FIFO-Größe wiederholt aufgetreten. Eine Verschiebung in der

30

Siehe Video auf der Dokumentations-CD.

Software 63

Zuordnung ist eigentlich nicht möglich, solange die Datenblöcke, die in den FIFO

geschrieben und ausgelesen werden, die gleiche Größe haben. Bei der Veränderung

der FIFO-Größe ist aufgefallen, je größer der FIFO war, desto später fand eine

Verschiebung in der Zuordnung statt. Des Weiteren war ein langsamer Anstieg der

Zahl der wartenden Elemente sichtbar. Mit diesen Beobachtungen und der

Vermutung, dass der FIFO überläuft und dadurch Werte überschrieben werden,

wurde erneut der Support kontaktiert. Dieser empfahl den aus dem DMA-FIFO

ausgelesenen Werteblock direkt an ein Realtime-FIFO 31 zu übergeben, um die

Ausleseschleife zu entlasten. Zudem sollte diese Schleife schneller getaktet sein, als

die Daten an dem FIFO zur Verfügung stehen. Sofern die gewünschte Blockgröße

noch nicht vorhanden ist, wartet der FIFO-Read-Block solange, bis diese erreicht ist.

So können eventuell durch kurze Verzögerungen im Ausleseprozess, angesammelte

Datenblöcke zusätzlich ausgelesen werden. In der Regel befindet sich nicht mehr als

ein Datenblock im DMA-FIFO. Damit dieser Ansatz keinen Absturz verursacht, war

die Timed-Loop wie in Abb. 5-7 einzustellen. Die Periode wurde als Variable an die

Schleife übergeben, weshalb die Periode hier grau hinterlegt ist. Wenn eines der

Auswahlfelder für die Behandlung von verspäteten Iterationen angewählt war, wurde

die Verbindung zum System unterbrochen.

Abb. 5-7: Einstellungen der Datenerfassungsschleifen

31

RT-FIFOs können wie DMA-FIFOs Projektexplorer angelegt und konfiguriert werden.

Software 64

Bei der gezeigten Einstellung ist die Datenerfassung eingefroren, d.h. keiner der im

Frontpanel angezeigten Werte veränderte sich. Der DMA-FIFO war auf der FPGA-

Seite voll und auf der RT-Seite wurde die Blockgröße zum Auslesen nicht erreicht.

Also wartet der FIFO-Read-Block wie vom Support beschrieben. Da augenscheinlich

keine Werte in den FIFO geschrieben wurden und der Zustand des Einfrierens immer

nach einer unterschiedlichen Anzahl von Schleifeniterationen erfolgte, wurde erneut

der Support zu Rate gezogen. Der den Vorgang bearbeitende Entwicklungsingenieur

von NI bestätigte telefonisch, dass die Software wie implementiert laufen müsste und

versprach, nach dem Fehler zu suchen.

Nach mehrmaliger Nichterreichbarkeit des Entwicklungsingenieurs, wurde der

Vorgang von einem anderen Supportmitarbeiter übernommen. Auf Grund des

zeitlichen Rahmens dieser Arbeit und der langwierigen nicht erfolgreichen

Supportunterstützungen konnte die Kommunikation zwischen FPGA und

RT-Controller nicht vollständig realisiert werden. An diesem Punkt kann in einer

Folgearbeit angeknüpft werden.32

5.4 Verarbeitung der Daten auf dem Real Time Controller

Die Verarbeitung der Messdaten beinhaltet die Konditionierung der Messgrößen, die

Bestimmung von PV-Anlagen charakterisierenden Werten und die Bereitstellung der

Daten für die Kurzeitauswertung sowie das Datenbanksystem. Auf Grund des

nichtfunktionierenden Datentransfers zwischen FPGA und RT-Controller, kann die

Verarbeitung der Daten nur auf dem PC entwickelt und getestet werden. Da der

RT-Controller als schwacher PC gesehen werden kann, stellt dies kein Problem dar.

Eine modulare Entwicklung in SubVIs vereinfacht die Wiederverwendbarkeit der

einzelnen Programmteile und ermöglicht eine einzelne Testung. Nachdem die

benötigten Funktionen alle umgesetzt sind, können diese zu einer großen

Datenverarbeitung zusammengefügt und später auf das CompactRIO übertragen

werden.

32

Weitere Informationen für eine Folgearbeit siehe Kapitel 5.5, S 80.

Software 65

5.4.1 Zuordnungsverteilung der Messgrößen

Die Zuordnung der Messgrößen verteilt einen ausgelesenen Datenblock auf die

jeweilige Messkartenzuordnung. Dadurch sind die Messgrößen pro Abtastrate so

gebündelt, wie sie an den Analogeingangsmodulen anliegen. Mit dieser Bündelung

kann pro Analogeingangsmodultyp ein Konditionierungs-SubVI erstellt werden,

welches immer wieder genutzt werden kann. Auf diese Weise kann die

Datenerfassung bei einer eventuellen Erweiterung einfacher angepasst und die

neuen Messdaten können nach der Verteilung gesondert verarbeitet werden.

Vor der Verteilung eines Messgrößenblocks wird geprüft, ob sich die erwartete

Konstante an der nullten Stelle des Blocks befindet. Ist dies nicht der Fall, wird eine

Fehlermeldung erzeugt und die Verteilung nicht ausgeführt. Bei einem fehlerfreien

Ablauf werden für die Verteilung die einzelnen Abschnitte eines Blocks in einzelne

Arrays geschrieben. Bevor diese am Ausgang des SubVIs anliegen, erfolgen die

Konditionierungen und notwendige Korrekturen der Messwerte. Die Ausgangssignale

können bereits zur Überwachung genutzt werden.

Der Unterschied der Verteilungs-SubVIs der Erfassungsschleifen liegt in der Anzahl

der Werte und den verwendeten Analogeingangsmodulen. Bei den HighSpeeddaten

werden nur zweimal drei Daten von den NI9215 Datenmodulen verteilt. Die

MediumSpeedwerte weisen zusätzlich die Phasenverschiebung mit drei Werten auf.

Wesentlich mehr Werte müssen von der Lowspeedverteilung verarbeitet werden.

Hier kommen zu den insgesamt 16 Werten der Analogeingangsmodule NI9203 noch

zwei Werte zur Korrektur der Pyranometermesswerte hinzu. In Abb. 5-8 ist die

Verteilung der LowSpeedwerte dargestellt.

Als Test wurden die Daten an den Eingängen mit Dummys simuliert und diese am

Ausgang mit den erwarteten Werten verglichen. Es sind keine Fehler festgestellt

worden.

Software 66

Abb. 5-8: Blockdiagramm Verteilung_LowSpeed(Sub VI).vi

5.4.2 Konditionierung der Messwerte

In Abb. 5-8 ist zu erkennen, dass die Konditionierungs-SubVIs mit dem

Parameter-SubVI verbunden sind. Im Parameter-SubVI sind alle

Konditionierungsparameter zentral gespeichert. Die hinterlegten Parameter wurden

aus Kapitel 5.1.3 übernommen und die Grenzen des Messbereichs ergänzt. Um bei

eventuell auftretenden Fehlern diese auf einen Sensor beziehen zu können, ist es

erforderlich, dem Konditionierungs-SubVI den Steckplatz des Analogeingangsmoduls

zu übergeben.

Zur Durchführung einer Konditionierung der Messgrößen, werden die gebündelten

Parameter so getrennt, dass nur noch die einzelnen Parameter pro Messgröße

gebündelt sind. Für die Rückrechnung der Messgrößen in den originalen

Messbereich werden die noch pro Modul in einem Array stehenden Signale einzeln

aus dem Array ausgelesen. Nach der Konditionierung wird die Ursprungstelle

überschrieben. Wenn das Auslesen mit Hilfe der Funktion Index-Array und das

Überschreiben mit der Replace-Funktion erfolgt, stellt dies auf einem

handelsüblichen PC kein Problem dar. Beide Funktionen legen bei jeder Ausführung

eine Kopie des Arrays an, was ggf. zu einer Überlastung des RT-Systems führen

kann. In LabVIEW gibt es sogenannte Inplace-Strukturen, welche keine Kopien des

Arrays anlegen. Diese werden hier angewandt. Da der Algorithmus für das

Konditionieren der Signale und das Überprüfen, ob diese innerhalb des

Software 67

Messbereichs liegen, für jedes Signal identisch ist, wurde dies in ein SubVI

ausgelagert.

Konditionierung eines Signals

Es werden von dem Konditionierungs-SubVI das aufgenommene Signal, die

Konditionierungs- und Grenzbereichsparameter, der Modulsteckplatz und der

Eingang am Modul benötigt. Im ersten Schritt wird überprüft, ob sich das vom

Analogeingangsmodul gemessene Signal, innerhalb des definierten

Messbereichs befindet. Liegt das Signal außerhalb, wird eine Fehlermeldung

mit der Nummer des Modulsteckplatzes und des Moduleingangs

weitergegeben. Sollte der aufgenommene Wert im gewünschten Bereich

liegen, wird der Messwert nach Gleichung (5-3) berechnet.

Im Grunde sind die SubVIs zur Konditionierung der Analogeingangsmodulsignale für

die beiden verwendeten Modultypen vom Aufbau identisch. Sie weisen jedoch

folgende Unterschiede auf.

Analogeingangsmodul NI9203

Bei den NI9203 Modultypen, werden die in Ampere aufgenommenen Signale

vor der Konditionierung in Milliampere umgerechnet.

Analogeingangsmodul NI9215

Das Konditionierungs-SubVI der Module NI9215 ist auf Grund der

Ausführungshäufigkeit angepasst. Es werden lediglich drei der vier Eingänge

der Module konditioniert, da der vierte Eingang nicht genutzt wird. Bei den

Testmessungen an den AC-Platinen sind keine Offsetverschiebungen

aufgefallen, sodass für diese Signale die Gleichung (5-14) angewandt werden

kann. Diese entspricht Gleichung (5-3) mit t = 0. Sollte während späterer

Langzeittests eine Offsetverschiebung auffallen, kann dieses SubVI durch das

SubVI zur Konditionierung des anderen Modultyps getauscht werden. Es sind

lediglich die jeweiligen Parameter anzupassen.

(5-14)

Software 68

Nach der Konditionierung können bis auf die Messwerte der Pyranometer alle

Messwerte weiter verarbeitet werden.

Zur Überprüfung der Funktion wurden je Signal zwei Eingangsgrößen angelegt und

diese mit den berechneten Werten verglichen. Des Weiteren konnte in einer

Entwicklungsversion der Software, der LowSpeedbereich aufgenommen und

konditioniert werden.

In Abb. 5-9 sind die Ergebnisse abgebildet. Die konditionierten Temperaturen sind

hier rot hervorgehoben. Bei der Messung befanden sich alle PT-100 auf einer Fläche

von 10x10 cm, sodass die Temperatur an jedem Sensor gleich sein sollte. Um die

Abweichungen zum Referenzmessgerät zu beheben, können die

Konditionierungsparameter wie in Kapitel 5.1.3 angepasst werden.

Abb. 5-9: Pt-100-Thermometer (l.), Messung der Temperatur (rot) mittels cRIO (r.)

5.4.3 Korrektur der Pyranometermesswerte

Die Messung der Bestrahlungsstärke mit einem Pyranometer ist von der

Gehäusetemperatur des Pyranometers abhängig. In den für die Datenerfassung

vorhandenen Pyranometern CMP21 ist je ein 10K Thermistor integriert [KIP12]. Über

diesen kann die Gehäusetemperatur mit Gleichung (5-15) bestimmt werden[KIP06],

S 45. Der benötigte Widerstand R des Thermistors wird über einen in Reihe

geschalteten Messwiderstand Rm von 12 kΩ gemessen. Der Messwiderstand ist

parallel zu einem Eingang eines Analogeingangsmoduls NI9215 geschaltet. Als

Software 69

Referenzspannung Uref werden 12 V genutzt. Unter Berücksichtigung des

Leitungswiderstands RL, kann der Thermistorwiderstand mit Gleichung (5-16)

errechnet werden.

(5-15)

(5-16)

Für jedes Pyranometer ist in einem Kalibrierungsprotokoll vom Hersteller eine

Temperatur-Abweichungs-Kennlinie aufgenommen worden. In dieser Kennlinie ist

die relative Abweichung des Messwertes über die Gehäusetemperatur aufgetragen.

Um die Messwertkorrektur vornehmen zu können, ist eine Umsetzung der Kennlinien

in LabVIEW notwendig. Hierzu sind die gegebenen Diagramme an Hand ihrer acht

gegebenen Wertepaare aus Abweichung und Temperatur in neun lineare

Gleichungen zerlegt und die Parameter in einem eigenen SubVI hinterlegt worden.

Jede Gleichung steht für einen Bereich von 10 °C, sodass eine relative Abweichung

zwischen zwei bekannten Abweichungen mit dieser Gleichung bestimmt werden

kann. Für die Bereiche außerhalb des angegebenen Temperaturbereichs wird die

zuletzt gültige Abweichung genutzt. Die Bestimmung der jeweiligen

Korrekturgleichung erfolgt nach dem in Abb. 5-10 dargestellten Schema. Nach

maximal vier Schritten ist die Gleichungsnummer bekannt. In der Regel werden

lediglich drei Schritte benötigt.

T ≤ 10 T > 10

T ≤ -10 T > -10 T ≤ 30 T > 30

T ≤ -20 T > -20 T ≤ 0 T > 0 T ≤ 20 T > 20 T ≤ 40 T > 40

T ≤ 50 T > 50

g0 g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8

Abb. 5-10: Bestimmung des Korrekturbereichs der CMP21 Korrektur

Zur Korrektur der Bestrahlungsstärke werden die bereits konditionierten Werte mit

einer Inplace-Struktur korrigiert. In der Struktur werden die korrigierten Werte mit

Gleichung (5-17) berechnet. Wobei Tu die unterste Temperatur ist, für die die

Gleichungsparameter gelten.

Software 70

(5-17)

In Abb. 5-11 ist das SubVI, welches den beschriebenen Ablauf ausführt,

veranschaulicht. Um die Funktion des SubVIs zu überprüfen, wurden für den Bereich

von – 30 °C bis + 60 °C die den Thermistor abbildenden Spannungen berechnet und

für diese die Korrekturfaktoren durch das SubVI bestimmt. Nach dem von den

Ergebnissen jeweils „1“ abgezogen wurde, konnten diese mit den relativen

Abweichungen aus den Kalibrierungsprotokollen verglichen werden. Die berechneten

Abweichungen liegen exakt auf den originalen Kennlinien.33

Abb. 5-11: Anpassung_Bestrahlungsstärke(SubVI).VI

5.4.4 Sammeln der Messwerte für den Messsystemausgang

Damit alle Messgrößen und berechneten Werte in eine CSV-Datei geschrieben

werden können, ist es erforderlich, diese in eine Arrayzeile zu schreiben. Hierzu

werden dem jeweiligen Sammel-SubVI ein vorinitialisiertes zweidimensionales Array,

Messwerte von einem Aufnahmezeitpunkt sowie die Zeilennummer übergeben. In

dem SubVI wird in einer Inplace-Struktur die übergebene Zeile des

zweidimensionalen Arrays geöffnet. In der Struktur werden die noch zu

berechnenden Werte bestimmt und diese zusammen mit den Messwerten in die

Arrayzeile geschrieben. Im Folgenden sind die Besonderheiten der einzelnen

Sammel-SubVI aufgeführt.

33

Vgl. Anhang A-6: Kennlinien der temperaturbedingten Abweichungen der CMP21

Software 71

HighSpeed

Es werden lediglich die übergebenen Messwerte in die Arrayzeile

geschrieben. Beim Aufruf dieses SubVIs ist darauf zu achten, dass nur jeder

achte Messwerteblock an die Datenbank übergeben werden soll.

MediumSpeed

In der Inplace-Struktur werden aus den RMS-Werten und dem Leistungsfaktor

die Ausgangsleistungen der Wechselrichter bestimmt und zusätzlich mit den

Messwerten in dem übergebenen Array gesammelt. Die Leistungen werden

zudem gesondert über den Abtastzeitraum der LowSpeeddaten gesammelt.

LowSpeed

Die gesammelten Wechselrichterausgangsleistungen werden in der

LowSpeeddatensammlung dazu genutzt, den PV-Anlagen charakterisierenden

Performance Ratio zu bestimmen. Zusammen mit den ebenfalls berechneten

Strangleistungen und den Messwerten wird dieser gesammelt.

5.4.5 Performance Ratio

Die PV-Anlage soll mit der standortunabhängigen Anlagengüte (Performance Ratio)

überwacht werden. Der PR ergibt sich aus dem Quotienten des Anlagenertrages Ereal

und dem theoretischen Energieertrag Eideal. Es können durch die

Standortunabhängigkeit des PRs alle PV-Anlagen miteinander verglichen werden.

Der ideale Energieertrag kann aus der Fläche und dem Wirkungsgrad der PV-Anlage

sowie der senkrecht auf die Module fallenden Sonneneinstrahlung gPV bestimmt

werden. Der reale Anlagenertrag kann über die Ausgangsleistung der Wechselrichter

bestimmt werden. 34 Bei der Berechnung des PRs werden die Erträge über den

selben Zeitraum verglichen. Im Fall dieser Messdatenerfassung wird der

Performance Ratio über eine Sekunde bestimmt. Da mit den Pyranometern nur

Momentaufnahmen der Sonneneinstrahlung entstehen, ist es erforderlich, den realen

Anlagenertrag über eine Sekunde zu mitteln. Hierzu wird mit Gleichung (5-20) der

reale Anlagenertrag durch die Anzahl der Messpunkte einer Sekunde geteilt.

34

, = 0,1442, vlg. Kapitel 1.2.1, S 3

Software 72

(5-18)

(5-19)

(5-20)

5.4.6 Messwertübergabe am Messsystemausgang

Die Messwerte werden in drei CSV-Dateien an die Datenbank übergeben. Hierfür

werden die Werte jede Minute nach Abtastraten sortiert und in entsprechende

Verzeichnisse auf dem cRIO gespeichert. Aus diesen Verzeichnissen holt sich die

Datenbank via FTP-Zugriff die Daten und speichert diese anschließend ab. Nach

erfolgreicher Speicherung der Messwerte in der Datenbank werden die CSV-Dateien

durch das Datenbanksystem auf dem CompactRIO gelöscht.

Die Datenbank erhält alle nötigen Informationen aus dem Dateinamen. Die Dateien

selbst enthalten nur die jeweiligen Messwerte pro Abtastung in einer Zeile. In der

nächsten Zeile steht der folgende Abtastpunkt. Auch die Rückschlüsse auf den

Aufnahmezeitpunkt zieht die Datenbank aus dem Dateinamen. Es muss lediglich

vorher die Reihenfolge der Messwertezuordnung bekannt sein.

Sollten die bereitgestellten CSV-Dateien nicht gelöscht werden, weil z.B. die

Netzwerkverbindung unterbrochen ist, würde der Speicher von 4 GB irgendwann

seine Kapazitätsgrenze erreichen. In diesem Fall könnte das

Datenerfassungssystem nicht mehr arbeiten. Dies wird durch regelmäßige Abfragen

verhindert. Der in Abb. 5-12 aufgezeigte Programmablauf ist für jede Abtastrate und

jede beliebige Datenmenge identisch und kann auch hier als SubVI gespeichert

werden.

Abb. 5-12: Programmablauf zum Erstellen einer CSV-Datei

Software 73

5.4.6.1 Entfernen nicht gelöschter CSV-Dateien

Das Löschen der CSV-Dateien durch das Datenerfassungssystem ist bei einer

funktionierenden Kommunikation mit der Datenbank nicht notwendig. Wenn das

Datenerfassungssystem eine Datei mit Messwerten löscht, sind diese nicht in der

Datenbank abgelegt und es entsteht eine Lücke in der Dokumentation.

Es gibt vier mögliche Herangehensweisen um dieses Problem zu lösen:

Löschen nach vollständigen Dateinamen

Löschen nach Alter der Dateien

Löschen nach Anzahl der Dateien

Löschen nach Ordnergröße

Beim Löschen nach vollständigen Dateinamen wird ausgenutzt, dass die

Dateinamen systematisch erstellt werden und einen Zeitstempel enthalten. Durch

das konstante Speicherintervall kann von dem Zeitstempel eine definierte Zeit

abgezogen und ein alter Dateiname erzeugt werden. Jetzt wird geprüft, ob die alte

Datei noch existiert und wenn ja, wird sie gelöscht. Dieser Ansatz sollte jedoch

verworfen werden, da bei Neustart des cRIOs neue Zeitstempel entstehen und damit

nicht mehr gewährleistet ist, dass alle erstellten Dateinamen auch geprüft werden.

Das Merken der erstellten Dateinamen benötigt zusätzlichen Speicherplatz und ist in

den folgenden Herangehensweisen nicht erforderlich.

Ziel beim Löschen nach Alter der Dateien ist, alle Dateien zu löschen, die älter als

ein bestimmter Zeitrahmen sind, z.B. zwei Stunden. Hierzu wird in LabVIEW, mit dem

LabVIEW-eigenen Funktionsblock „Recursive File List VI“, ein Array von den

einzelnen Dateipfaden der beinhalteten Dateien des zu prüfenden Speicherorts

erzeugt. Dem Block wird lediglich der Pfad des zu prüfenden Ordners übergeben. Es

können auch Einschränkungen bei der Auflistung vorgenommen werden. Dies

geschieht wie bei der Windows-Suchfunktion. Es ist der Suchbegriff als String an den

Block heranzuführen. In diesem Fall wird der String aus dem „*:“ und der

übergebenen Dateiendung zusammengesetzt, sodass für diese

Schnittstellendefinition nur CSV-Dateien mit ihren Pfaden in dem Array stehen.

Aus dem entstandenen Array wird jetzt Datei für Datei der Zeitstempel der Datei

durch eine Dateiinfo-Funktion ausgelesen und mit dem aktuellen Stempel abzüglich

Software 74

des Löschzeitrahmens verglichen. Hierzu wird der aktuelle Zeitstempel in Sekunden

umgerechnet und der Zeitrahmen subtrahiert. Da der Zeitrahmen in Minuten an das

VI herangeführt wird, müssen die zwei Stunden aus dem Beispiel als 120 Minuten

übergeben werden, die wiederum automatisch in Sekunden umgerechnet werden.

Der daraus entstandene Zeitstempel in Sekunden wird zurück in einen Zeitstempel

aus Datum und Uhrzeit gewandelt und jetzt verglichen. Wenn der Zeitstempel der

Datei älter als der eben bestimmte Stempel ist, wird die Datei gelöscht.

Auch hier gibt es die Möglichkeit des Datenverlustes, wenn das CompactRIO

heruntergefahren wird und sich noch nicht abgeholte Messwerte im Speicher

befinden. Wird das System dann später gestartet, kann es passieren, dass die

Dateien zu alt sind und vor ihrer Abholung gelöscht werden.

Das Löschen nach Anzahl der Dateien umgeht dieses Problem. Eine nicht abgeholte

Datei bleibt solange im Speicher bis die maximal zulässige Dateianzahl erreicht wird.

Vom Aufbau sind sich das Löschen nach Alter und Anzahl der Dateien im Ansatz

sehr ähnlich. Beim Erstellen des Arrays mit den Pfaden wird der Suchbegriff am

Anfang um den Datenindikator ergänzt. Zusätzlich wird der Ausgang des „Recursive

File List VI“ mit der Anzahl der gefundenen Dateien als Vergleichswert genutzt.

Verglichen wird mit der maximal zulässigen Dateianzahl. Sind mehr Dateien in dem

Ordner als zulässig, werden die Dateien, die zuerst in dem Array stehen, gelöscht.

Da im Dateinamen ein Zeitstempel enthalten und das Array nach Dateinamen sortiert

ist, stehen die ältesten Dateien zuerst.

Durch die Ergänzung um den Datenindikator ist es nicht relevant, ob die CSV-

Dateien aller Abtastraten in einem oder in unterschiedlichen Ordnern liegen. Wichtig

ist nur, dass der richtige Ordnerpfad pro Datenindikator übergeben wird.

Software 75

Abb. 5-13: Löschen nach Anzahl der Dateien

Als negativer Aspekt ist anzuführen, dass die maximal zulässige Anzahl von Dateien

manuell bestimmt werden muss. Die Dateigröße sollte bei jedem Speicherzyklus

konstant sein, sodass die maximal zulässige Anzahl von Dateien mit Gleichung

(5-21) bestimmt werden kann.

(5-21)

Der naheliegende Ansatz, das Löschen über eine maximal definierte Ordnergröße zu

realisieren, wurde nicht gewählt, da die Flexibilität gegenüber den beiden Ansätzen

Löschen nach Alter bzw. nach Anzahl geringer ist. Es ist schon beim Programmieren

erforderlich zu wissen, ob die Dateien alle an einem Speicherort liegen oder auf

mehrere Ordner verteilt sind. Des Weiteren wären beim Löschen nach Ordnergröße

starre Richtlinien notwendig, die festlegen, welche Dateien zu löschen sind. Hierzu

wären große Teile der letzten beiden Herangehensweisen nötig, um dies zu

realisieren.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Löschen nach Alter der Dateien und das

Löschen nach Anzahl der Dateien programmiert. Die SubVIs haben dieselben

Anschlüsse, sodass sie jederzeit gegeneinander ausgetauscht werden können.

Lediglich die Funktion der Zahl ändert sich. Hier muss nur das Label angepasst

werden. Im Datenerfassungssystem ist das Löschen nach Anzahl der Dateien

Software 76

implementiert und als Grundeinstellung sind maximal 60 Dateien pro Datenindikator

eingestellt. Dies resultiert aus den folgenden aufgelisteten Ergebnissen der

Berechnungen auf Grundlage der Gleichung (5-21) und der Überlegung, dass immer

ganze Datensätze erhalten bleiben sollen. Als Gesamtspeichergröße wurde für den

Datenbankpuffer bei Nichtabholung ungefähr 1024 MB angestrebt. Die aus

Gleichung (5-22) resultierenden 57,9 Dateien werden auf 60 erhöht. Somit werden

die Daten von einer Stunde aufbewahrt und es wird ein Speicher von 1061 MB

benötigt.

(5-22)

Als Grundlage für die Berechnung ist die Dateigröße der auf dem PC erzeugten

CSV-Dateien genutzt worden. Diese Berechnung ist nach der Implementierung des

SubVIs auf dem RT-Controller erneut durchzuführen und die vorgenommenen

Einstellungen anzupassen.

Zum Testen wurden Ordner mit mehreren Dateien angelegt. Als Dateinamen waren

sowohl systematische als auch zufällige Namen vorhanden. In welcher Reihenfolge

das Array die Pfade speichert, wurde ebenfalls in diesem Test ermittelt. Dateien, die

nicht dem Suchbegriff entsprechen oder eine andere Dateiendung haben, werden

nicht gelöscht. Es konnten keine Abweichungen von den obigen Erläuterungen

festgestellt werden.

5.4.6.2 Erstellen von Dateinamen

Die Datenbank ordnet die Messwerte nach dem Dateinamen zu. Daher muss die

Systematik des Aufbaus des Namens in beiden Systemen bekannt sein. Es sind

Dateinamen in der Form

[DatenIndikator]_[Datum]_[WerteProMinute].csv

definiert worden. Die Datenindikatoren sind in Abb. 5-14 mit ihrem Inhalt aufgeführt.

Das Datum muss in der Form „YYYYMMDDhhmm“ oder „YYYYMMDDhhmmss“

vorhanden sein. Hierfür wird der Zeitstempel, der als Zeitstempelformat vorliegt, in

einen String gecastet. Der in LabVIEW hierfür vorgesehenen Funktion wird nur das

gewünschte Stringformat übergeben. Dies wird in dem selbstentwickelten SubVI

„Datum_für_Dateiname“ ausgeführt. Es ist nur darauf zu achten, dass bei der

Software 77

Formatierung des Datumstrings die führenden Nullen mitgeschrieben werden, da

sonst das vorgegebene Format nicht eingehalten wird. Mittels einer booleschen

Variablen kann entschieden werden, ob die Sekunden (ss) im Datum enthalten sein

sollen oder nicht. So kann das SubVI wiederverwendet werden.

Die Werte pro Minute werden aus dem übergebenen Datenarray bestimmt und in

einen String gecastet. Die Zeilenanzahl des Arrays entspricht den Werten pro

Minute. Um auch dieses SubVI wiederverwenden und auf spätere Änderungen im

Übergabedateiformat reagieren zu können, ist die Dateiendung als Eingangsvariable

gefordert.

Nachdem die einzelnen Bestandteile (Datenindikator, Datum, WerteProMinute) des

Dateinamens als String vorliegen, werden diese zu einem String zusammengefügt.

Zwischen den Teilen werden je ein Unterstrich bzw. vor der Dateiendung ein Punkt

eingefügt. Vor der Übergabe des Dateinamens an den Ausgang des SubVI und somit

an den nächsten Programmteil, wird dieser über die Stringlänge auf Plausibilität

geprüft und gegebenenfalls eine Fehlermeldung ausgegeben.

DatenIndikator Inhalt Abtastrate

LowSpeed Meteorologische Daten + DC-Werte, Leistungen

der PV-Modulstränge und PR 1 Hz

MediumSpeed Effektivwerte der AC-Werte, Ausgangsleistungen

und cos ϕ der WR 50 Hz

HighSpeed Kurvenverläufe der AC-Werte 3200 Hz

Abb. 5-14: Übersicht der Datenindikatoren und deren Inhalt

5.4.6.3 Speichern der CSV-Dateien

Zum Speichern der CSV-Dateien sind pro Speichervorgang folgende neun Schritte

notwendig:

1. Daten vorbereiten + Speicherpfad erstellen

Da in den Dateien nur Strings gespeichert werden können, muss das gesamte

zweidimensionale Datenarray nach String gecastet werden. Um auch alle

Messwerte speichern zu können, müssen Anzahl der Zeilen und Spalten

ermittelt werden. An dieser Stelle wird aus dem Grundpfad des Ordners und

Software 78

dem Dateinamen ein vollständiger Dateipfad erstellt. Abschließend ist in

diesem Bereich das Trennzeichen zwischen den einzelnen Messwerten

definiert, hier das Semikolon.

2. Datei erstellen und Rechte vergeben

Wie dem Titel zu entnehmen ist, wird hier die Datei erstellt und mit Lese- und

Schreibrechten versehen. Damit wäre die benötigte Funktion für das

Datenerfassungssystem gegeben. Bei der Entwicklung wurde gleichzeitig auf

eine spätere Wiederverwendbarkeit des SubVIs geachtet und zusätzlich die

Funktionen

Öffnen

Ersetzen

Öffnen oder Erstellen

Ersetzen oder Erstellen

implementiert. Es sind auch die Rechte „nur-lesen“ und „nur-schreiben“

vorhanden, sodass alle für den vorgefertigten Baustein möglichen

Einstellungen nur noch ausgewählt werden müssen.

3. Dateigröße feststellen

Die Dateigröße beträgt nach dem Erstellen immer null. Jedoch wird zum

Weiterschreiben innerhalb einer Datei die Anzahl der Bytes benötigt, damit

keine Zeichen überschrieben werden. Es wurde dafür ein eigenes Frame im

Sequenzdiagramm angelegt, um bei Erweiterungen, die mit der

Anfangsdateigröße arbeiten, die Übersicht zu behalten.

4. Startpunkt zum Schreiben innerhalb der Datei festlegen

Hier wird entschieden, wo das nächste Zeichen geschrieben werden soll.

Dazu wird die im vorherigen Schritt ermittelte Dateigröße als Offset gesetzt. In

dem Block kann eingestellt werden, ob der Offset auf den Anfang, das Ende

oder die aktuelle Position in der Datei bezogen werden soll.

5. Kopfzeile in die erste Zeile der Datei schreiben (wenn gewünscht)

Sofern eine Kopfzeile in der CSV-Datei gewünscht ist, wird die in Form eines

eindimensionalen Stringarrays übergebene Kopfzeile elementweise in die

Software 79

Datei geschrieben. Vor jedem Schreibvorgang wird das zu beschreibende

erste Byte gesucht. Da in der Kopfzeile noch keine Trennzeichen enthalten

sind, werden diese hier automatisch eingefügt. Wenn alle Elemente des

Arrays in die Datei geschrieben sind, wird abschließend ein Zeilenumbruch

erzeugt.

Wird keine Kopfzeile gewünscht und die dafür vorgesehene boolesche

Variable ist auf False gesetzt, wird dieser Schritt übersprungen.

6. Daten in Datei schreiben

Das Schreiben der Messwerte in die Datei erfolgt wie in Schritt 5, nur wird hier

das zweidimensionale Datenarray Zeile für Zeile übergeben. Jede Zeile kann

dann wie die Kopfzeile behandelt werden.

7. Datei mit EOF35 abschließen

Jetzt wird in der letzten Zeile das Ende der Datei mit EOF gekennzeichnet.

Dieser Ausdruck kann von der Datenbank als Abbruchkriterium genutzt

werden.

8. Datei schließen

An diesem Punkt ist der Schreibvorgang abgeschlossen und die Datei wird

geschlossen, damit sie anderweitig genutzt werden kann.

9. Prüfen ob die Datei Inhalt enthält

Direkt nach dem Schließen wird die Datei noch einmal auf ihre Größe

getestet. Wenn die Datei keinen Inhalt enthält, ist ein Fehler beim Erstellen

der CSV-Datei aufgetreten und es wird der Fehlercode „6000- CSV-Datei ist

leer“ ausgegeben. Es müssen mindestens drei Zeichen enthalten sein, sodass

die Dateigröße bei mehr als drei Byte liegen sollte. Die drei Byte stammen

vom EOF, welches auch bei Inexistenz von Kopfzeile und Daten in die Datei

geschrieben wird.

35

EOF- End of File

Software 80

Bei dem Datenbanksystem, welches die Messwerte archiviert, ist es zur Zeit nicht

möglich, CSV-Dateien mit Kopfzeilen zu verarbeiten. Wäre dies möglich, könnte die

CSV-Datei unabhängig von der Datenbank, z.B. mit Excel selbsterklärend betrachtet

werden, ohne dass die Messwertreihenfolge aus der Dokumentation des

Datenerfassungs- oder des Datenbanksystems entnommen werden muss. Um dies

zu erleichtern, ist für jede Abtastrate eine Kopfzeile, mit der in dieser Arbeit

vorgenommenen Grundeinstellung als txt-Datei im Zielverzeichnis hinterlegt. Die

txt-Dateien werden von den in Kapitel 5.4.6.1 beschriebenen Löschmethoden bei

unveränderter Grundeinsteilung nicht erkannt und bleiben dadurch im Zielverzeichnis

erhalten.

Die beim Testen aus Dummys erstellten CSV-Dateien wurden für die jeweilige

Abtastrate als Grundlage für die Berechnung der maximalen Anzahl an Dateien nach

Gleichung (5-21) verwendet.

5.4.7 Bereitstellung der Messwerte für die Kurzzeitauswertung

Eine noch zu entwickelnde Kurzzeitauswertung benötigt die aufgenommenen

Messwerte kontinuierlich. Für eine Verarbeitung der Messwerte mit LabVIEW ist es

am besten, diese in einem Ringspeicher abzulegen. Im Gegensatz zu den anderen

Programmabschnitten wird der Ringspeicher nicht als SubVI ausgeführt, da nur so

ein konstanter Zugriff auf die Messdaten sichergestellt werden kann. Der

Ringspeicher besteht aus einem zweidimensionalen Datenarray und einem

Speicherindex. Die beiden Variablen werden zu dem Ringspeicher gebündelt.

Während der Initialisierung ist die Größe des Datenarrays festzulegen und dieses zu

initialisieren sowie an das Schieberegister der Ringspeicher-Whileschleife

heranzuführen. In der Whileschleife werden die zu speichernden Werte an die durch

den Index dargestellte Zeile übergeben. Um Kopien der Arrays zu vermeiden, wird

dies in Inplace-Strukturen ausgeführt. Am Ende der Inplace-Strukturen liegen die

Messwerte im Ringspeicher und können aus diesem ausgelesen werden.

5.4.8 DC-Werte als Zentralstrang und Überwachung der WR

Die Messung der DC-Werte vor dem Steckfeld hat zur Folge, dass der

Eingangsstrom und die Eingangsspannung am Zentralwechselrichter

Software 81

softwaretechnisch ermittelt werden muss. Grundsätzlich lässt sich der Strom mit

Gleichung (5-23) und die Spannung mit Gleichung (5-24) beschreiben.

(5-23)

(5-24)

Mit Hilfe der Ein- und Ausschaltschwellen der Wechselrichter wird entschieden, ob

die je zwei Stranggrößen zu je einer Zentralgröße zusammenzufassen sind. Des

Weiteren kann überprüft werden, ob die Wechselrichter ihre Arbeit aufnehmen bzw.

einstellen. Durch boolesche Variablen und Gleichungen werden die verschiedenen

Systemzustände ermittelt. Die Zustände sind nach Regel-, Warnungs- und

Fehlerzuständen sortiert. Bei Fehlerzuständen ist dringend nach der Ursache zu

forschen, da diese technisch unzulässige Zustände der PV-Anlage anzeigen. Die

Warnungen dokumentieren nur das verspätete Einschalten der Wechselrichter oder

ein Vertauschen der Strangzuordnung der Wechselrichter auf dem Steckfeld.

Fehlerzustände der Wechselrichter

Anhand der im Überwachungs-SubVI eingestellten Schwellenwerte für das

Einschalten und das Ausschalten der Wechselrichter, werden in einem

eigenen SubVI die in Tab. 5-4 aufgeführten Systemzustände ermittelt.

Abb. 5-15: Beispiel eines Fehlerzustandes

Software 82

STR WR 1 2 1 2 3 OK Warnung Fehler Bemerkung

0 0 0 0 0 1

0 0 1 0 0 1 Da WR1 bei 150V in Addition einschaltet

0 1 0 0 1 1

0 1 1 0 0 1

1 0 0 1 0 1

1 0 1 0 0 1

1 1 0 1 1 1

1 1 1 0 0 1

0 1 0 0 0 1 Es hätte min. ein WR einschalten müssen





0 1 0 1 0 1 Verdrahtung Steckfeld prüfen

1 0 0 0 1 1 Verdrahtung Steckfeld prüfen

0 0 0 0 1 1 WR kann nicht laufen - Keine Einschaltschwelle erreicht



0 1 0 1 1 1 Es dürfte nur ein WR laufen

1 0 0 1 1 1 Es dürfte nur ein WR laufen

X X 1 0 1 1 WR können so nicht Laufen

X X 1 1 0 1 WR können so nicht Laufen

X X 1 1 1 1 WR können so nicht Laufen Tab. 5-4: Systemzustände der Wechselrichter

5.5 Offene Punkte

Im Rahmen dieser Arbeit konnte auf Grund der zeitlichen Beschränkungen nicht das

gesamte in Kapitel 5.1 vorgestellte Softwarekonzept realisiert werden. Als noch

fertigzustellende Punkte können

1. die Kommunikation zwischen FPGA und RT-Controller

sowie

2. die zentrale Fehlerbehandlung

festgehalten werden.

Nachdem der erste Punkt abgearbeitet ist, können die in Kapitel 5.4 beschriebenen

SubVIs auf dem RT-Controller implementiert und getestet werden.

Software 83

1. Die Kommunikation zwischen FPGA und RT-Controller

Kurz vor Fertigstellung dieser Arbeit teilte die Supportabteilung der Firma

National Instruments mit, dass die Prüfung, ob die auszulesende Blockgröße

erreicht wurde, separat in der Datenerfassungsschleife zu programmieren ist.

Dies widerspricht den Aussagen vorheriger Supportmitarbeiter, welche auf

explizite Nachfrage eine manuelle Prüfung als nicht notwendig und

fehlererzeugend kommunizierten.

Da die Änderungen schnell umzusetzen waren, wurde getestet, ob das

CompactRIO mit dieser Änderung abstürzt oder einfriert. Die Tests haben

ergeben, dass unter den Schleifeneinstellungen aus Abb. 5-7 Daten aus dem

FPGA-FIFO ausgelesen und in einen RT-FIFO geschrieben werden können.

Aus dem RT-FIFO konnten die Daten ebenfalls problemlos ausgelesen

werden.36 Somit sollte der Fehler in der Kommunikation behoben sein.

Es ist noch zu überprüfen, ob die übertragenen Daten fehlerfrei sind und für

mögliche Fehlerfälle ist eine Fehlerbehandlung zu erstellen.

2. Die zentrale Fehlerbehandlung

LabVIEW stellt für eigene Funktionen ein Fehlercluster zur Verfügung. Die

Cluster werden über eine ‚hornissenfarbene‘ Fehlerleitung miteinander

verbunden. Es können für eigene VIs auch eigene Fehlercluster erzeugt

werden. Bis auf die Kommunikation zwischen FPGA und RT-Controller,

werden in allen in dieser Arbeit erstellten SubVIs Fehlercluster im Falle eines

Fehlers erzeugt.37

In einer zentralen Fehlerbehandlung sollten die Fehlermeldungen

ausgewertet, dokumentiert und verarbeitet werden. Die Dokumentation kann

im Frontpanel der Kurzzeitauswertung oder in einer weiteren CSV-Datei

erfolgen. Da das Messdatenerfassungssystem ohne permanente Kontrolle

läuft, sollte über das Versenden der Fehlermeldung per E-Mail nachgedacht

werden.

Danach ist das Datenerfassungssystem vollständig und kann durch eine

Kurzzeitauswertung ergänzt werden.

36

Das VI (HostCode_nur_Highspeed.VI) mit dieser Implemtierung ist auf der Dokumentations-CD abgelegt. 37

Übersicht der Fehlermeldungen siehe Dokumentations-CD.

84

6 Integration der Messtechnik in die PV-Anlage

Um die in dieser Arbeit beschriebene Messtechnik in die PV-Anlage integrieren zu

können, ist auf Grundlage der vorhandenen Messgrößengeber und ihrer

Anschlussleitungen eine Installationsplanung erstellt worden. Des Weiteren wurden

die im Rahmen der Vorgängerarbeit im Schaltschrank installierte Technik sowie die

dort gegebenen Hinweise berücksichtigt [Lüd13], Kap. 4.5. Die vorgeschlagenen

Standorte der Sensoren wurden betrachtet und mit einem Mitarbeiter der Firma

Theodor Friedrichs erörtert. Daraus resultierende Standortänderungen sind in die

Planung eingeflossen. Da zur Aufnahme der Strom- und Spannungswerte andere

Messtechnik eingesetzt wurde, als in [Lüd13] vorgeschlagen, erfolgte ebenfalls eine

Überarbeitung der Schaltschrankplanung. Alle Änderungen und

Installationsvorbereitungen werden im Folgenden erläutert.

6.1 Positionen der Messtechnik auf dem Dach

Die auf dem Dach zu installierenden meteorologischen Messgrößengeber sind so

geplant worden, dass eine Verfälschung der Messwerte durch Strömungen möglichst

klein gehalten und eine Verschattung der PV-Anlage vermieden wird. Nach

Rücksprache mit der Haustechnik können die Standorte frei gewählt werden. Diese

Installationpunkte werden bei der demnächst bevorstehenden Erneuerung des

Blitzschutzes berücksichtigt. Die Leitungsführung der Leitungen für die

Messgrößengeber sollte in gesonderten, auf dem Dach befestigten PE-Rohren

erfolgen, um eine Beeinflussung der Messsignale zu vermeiden.

Temperatur/Feuchte-Messfühler

Der vorgeschlagene Standort des Temperatur/Feuchte-Messfühlers befand

sich an dem südlichen Modulstrang (Strang 1) auf Höhe der oberen

Modulkante [Lüd13], S. 76. An diesem Ort ist jedoch nicht auszuschließen,

dass der Wind die Wärmestrahlung der aufgeheizten Solarmodule in den

Messfühler lenkt und so das Messergebnis der Umgebungstemperatur

verfälscht. Dies lässt sich verhindern, indem der Messfühler etwas oberhalb

der Modulkante befestigt wird. Da sich dadurch Verschattungen auf dem

zweiten Modulstrang ergeben können, wird die Installation am Gestell des

zweiten Stranges vorgenommen. Bei der Leitungslänge der Datenleitung von

Integration der Messtechnik in die PV-Anlage 85

20 m ist der Standort am zweiten Strang auf den Ort beschränkt, an dem die

Datenleitung am Modulstrang ankommt.

In Abb. 6-1 links ist eine Halterung zu sehen, die aus Rohrverbindern,

Aluminiumrohr und der von der Firma Theodor Friedrichs gelieferten Halterung

für den Messfühler besteht. Die mitgelieferte Halterung wurde mittels zweier

Schrauben an einem ein Meter langen Rohr befestigt. Über ein 30 cm langes

Rohr wird das längere Rohr an einem zweiten Punkt mit dem Gestell der

PV-Anlage verbunden.

Abb. 6-1: Halterungen für Temperatur/Feuchte-Messfühler (l.) und Pyranometer (m.+r.)

Pyranometer

Für die Halterungen der Pyranometer werden die links am ersten Modulstrang

überstehenden Rohrenden des Gestells als Befestigungspunkt gewählt. Als

Grundlage für die Halterungen dienen auch hier Rohrverbinder und

Aluminiumrohre. Zusätzlich werden je eine 160x160 mm große Platte und ein

15x40 mm Profil, ebenfalls aus Aluminium, verwendet. Das Pyranometer 1,

welches die senkrecht zum Boden einfallende Sonneneinstrahlung misst, wird

mittels dreier Rohre mit dem PV-Gestell verbunden. An dem waagerechten

Rohr ist ein Rohrverbinder, in dem ein 15x40x100 mm Aluminiumblock steckt,

befestigt. Auf diesem Block ist die Platte fixiert, an der das Pyranometer

festgeschraubt wird. Die Höhe, auf der die Sonneneinstrahlung gemessen

werden soll, kann beliebig eingestellt werden. Es sollte darauf geachtet

werden, dass weder das CMP21 noch die zweite Modulreihe verschattet


werden. Die Platte kann über den Rohrverbinder in jeder Höhe in Waage

ausgerichtet werden, sodass nur noch die Feinjustierung über das

Pyranometer vorgenommen werden muss.

Das Pyranometer 2 nimmt die Sonneneinstrahlung in dem Winkel auf, in dem

sie auf das Solarmodul trifft. Hierzu wird ein 15x40 mm Profil mit den beiden

Rohren am PV-Gestell verbunden, an denen auch die Solarmodule montiert

sind. Auf diesem Aluminiumprofil wird ebenfalls eine Platte als

Pyranometeraufnahme angebracht. Um eine korrekte Messung zu

garantieren, ist das Pyranometer erst auf einer waagerechten Fläche exakt

auf der Halterung auszurichten. Anschließend kann diese am PV-Gestell

installiert werden. Damit eine zusätzliche Temperaturbeeinflussung am

CMP21 durch die wärmeleitende Verbindung zwischen Platte der Halterung

und dem Pyranometer ausgeschlossen werden kann, ist dazwischen eine

Isolationsschicht einzufügen. Diese könnte z.B. mittels Schaumstoff realisiert

werden.

In Tab. 6-1 sind den Pyranometern die Ampboxen und die Messeingänge am

CompactRIO zugeordnet, damit die Messungen wie in Kapitel 5.4.3

beschrieben, korrigiert werden können.

CMP21 SN: CMP21 SN: Ampbox RIO-Eingang RIO-Eingang (10K)

1 122808 122411 Mod3/AI4 Mod1/AI3

2 122908 122417 Mod3/AI5 Mod2/AI3

Tab. 6-1: Zugehörigkeiten Pyranometer

Temperatursensoren

Die Leitungslängen der vier Temperatursensoren sind so gewählt worden,

dass an jedem Modulstrang zwei Temperaturmesspunkte festgelegt werden

können. Es ist ratsam beide Messpunkte diagonal an zwei Ecken eines

Moduls zu kleben, um bessere Rückschlüsse über die gesamte

Modultemperatur ziehen zu können. Die Wahl des Solarmoduls pro Strang

wird lediglich durch die Leitungslängen beschränkt. Als

Installationsempfehlung wird die Rückseite des mittleren Moduls gegeben38.

38

Siehe Abb. 1-1, Block: 1-Dach, S 2.


Messgrößengeber für Windrichtung und Windgeschwindigkeit

Da an der vorgeschlagenen Modulkante des zweiten Strangs [Lüd13], S. 76,

mit Verwirbelungen des Windes zu rechnen ist, wurde nach einem alternativen

Standort gesucht, um die Windverhältnisse auf dem Dach ohne

Verfälschungen aufzeichnen zu können. Auf Grund der Unabhängigkeit vom

Blitzschutz galt es herauszufinden, ob ein neuer Mast zum Befestigen des

Querarmes für den Messgrößengeber gesetzt werden sollte oder ob ein

bereits vorhandener Mast die Anforderungen erfüllt und mitbenutzt werden

kann.

Die Wahl ist auf den bereits vorhandenen Mast, am nördlichen Ende des

Dachs gefallen. Alle dort montierten Antennen werden nicht mehr genutzt und

können demontiert werden. Lediglich die Messspiegel am Fuß des Mastes

müssen unverändert bleiben 39 . Der Querarm sollte so hoch wie möglich

angebracht werden. Auch hier wird durch die Leitungslänge von 30 m, die

maximale Höhe bestimmt. Es wird jedoch eine Mindesthöhe von 2 m

empfohlen.

Die Messungen können an diesem Standort durch leichte Aufwinde am Haus

beeinflusst werden. Die Beeinflussung ist wesentlich niedriger einzustufen als

an dem ursprünglichen Standort.

Abb. 6-2: Gewählter Mast (l.), Spiegel (r.u.) und Querarm mit Messgrößengeber (r.o.)

39

Siehe Abb. 6-2 (r.u.)


6.2 Installation der Messtechnik im Schaltschrank

Die Leitungen der Sensoren und Messgrößengeber können auf demselben Weg vom

Dach in den Raum 15.80 geführt werden wie die DC-Leitungen. Dafür wurden bei der

Installation der PV-Anlage bereits vier Leerrohre verlegt. Zu den Deckenplatten und

der Beleuchtung wurde auf einen entsprechenden Abstand geachtet [Lüd13], S 77.

Ob die Leerrohre und der Abstand nach den durchgeführten Sanierungsmaßnahmen

am Gebäude noch vorhanden sind, ist zu überprüfen. Gegebenenfalls sind

notwendige Änderungen vorzunehmen.

Um die Messtechnik, wie in dem in Abb. 6-3 dargestellten Installationsplan, im

Schaltschrank installieren zu können, sollten die vom Dach kommenden Leitungen in

der Mitte des Schaltschranks eingeführt werden. Bei der Verlegung der Leitungen

innerhalb des Schaltschranks ist darauf zu achten, dass Daten und DC-Leitungen

nicht zusammen in einem Kabelkanal geführt werden. Die in oliv dargestellte

Messtechnik ist so platziert worden, dass die auf dem Versuchsbrett montierten

Hutschienen nahezu unverändert in den Schaltschrank übernommen werden

können. Für die Zeichnungen sind entweder die von Herstellern zur Verfügung

gestellten CAD-Zeichnungen genutzt oder an Hand der im Datenblatt angegebenen

Abmessungen entsprechende Felder erzeugt worden. Die Länge der Daten-

(magenta) und Versorgungsleitungen ± 15 V (hellgrün), sind an Hand der in dieser

Zeichnung dokumentierten Leitungswege ermittelt und die Leitung danach

angefertigt worden. Als Datenleitung wird eine PV-Mantelleitung des Typs LIYCY

7x0.5 genutzt. Es hat sieben Einzeladern mit einem Leitungsquerschnitt von

0,5 mm².

Beim Leitungsweg für die Versorgungspannung von 230 V AC für die Netzteile ist zu

beachten, dass keine Datenleitungen gekreuzt werden oder diese parallel liegen.

Eine Möglichkeit ist der in braun gezeigte Verlauf. Das Netzteil Typ DS1725 ist mit

einer trägen 2 A Sicherung abzusichern.

Das Netzwerkkabel kann von der Netzwerkdose, oberhalb des Schrankes, bis zur

linken Seite des Schaltschranks verlegt und von dort senkrecht im Kabelkanal mit

den Datenleitungen zusammen, zum Switch geführt werden.

Bei einer möglichen Neuverkabelung des CompactRIOs nach der in Anhang A-7

dokumentierten Belegung ist darauf zu achten, dass an den Spannungsmodulen

NI9215 auf Steckplatz 1 und 2 parallel zu den Eingängen AI3+ und AI3- ein 12 kΩ

Messwiderstand geklemmt wird. Ohne diesen funktioniert die Korrekturfunktion der


Pyranometermessung nicht korrekt. Die Belegung der in Abb. 6-3 markierten

Klemmleisten ist in Anhang A-8 dokumentiert.

Nach Installation der Wandlerplatinen und der damit verbundenen Eingriffe in die

Stromkreise sind die bei der Erstinstallation durchgeführten Prüfungen des Gleich-

und Wechselstromkreises zu wiederholen [Lüd13], S 59.


Abb. 6-3: Installationsplan Schaltschrank im Raum 15.8040

40

Installationsplan ist auf Grundlage des in [Lüd13], S. 53 vorhandenen Abbildung erstellt worden und auf der Dokumentations-CD hinterlegt.

91

7 Zusammenfassung

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Messdatenerfassung für die PV-Anlage

auf dem Dach des E-Hochhauses der HAW Hamburg unter Einsatz des

Realtime-Systems CompactRIO. Hierfür wurden eine Anpassung der Messgrößen

und ein Softwarekonzept entwickelt. Die Planung hatte unter Berücksichtigung der

Schnittstellendefinition zum Datenbankmanagementsystem und der vorhandenen

Messtechnik zu erfolgen.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Zielsetzung nicht vollständig

erreicht werden konnte. Die vorhandene Messtechnik wurde um einen Sensor zur

Bestimmung der Schaltschranktemperatur und um Wandlerplatinen erweitert. Eine

vollständige Realisierung des Softwarekonzeptes war nicht möglich, da Fehler in der

Kommunikation zwischen FPGA und RT-Controller des cRIOs bestanden, die im

Zeitrahmen dieser Arbeit nicht gelöst werden konnten. Der Rest des

Softwarekonzepts wurde entwickelt und auf einem PC getestet. In einer Folgearbeit

sollte das Softwarekonzept beendet und um eine Kurzeitauswertung erweitert

werden. Um grundlegende Fehler bei der LabVIEW-Programmierung auf dem cRIO

zu vermeiden und Besonderheiten von Eigenarten besser zu verstehen, wird vor der

Fortsetzung des Softwarekonzepts eine LabVIEW-Realtimeschulung bei National

Instruments empfohlen.

In Vorbereitung auf die dach- und schaltschrankseitige Installation der Messtechnik

wurde eine Installationsplanung erstellt. Alle im Schaltschrank zu installierenden

Komponenten wurden auf einem Versuchsbrett montiert und mit geplanten

Leitungslängen versehen, sodass eine direkte Übernahme möglich ist. Zum Schutz

vor Stromschlägen sind die Wandlerplatinen in berührungssicheren Gehäusen

untergebracht. Für die dachseitig zu installierenden Sensoren wurden die Standorte

überprüft und zum Teil verändert. Benötigte Halterungen für die Sensoren wurden

konstruiert und an den vorgesehenen Installationspunkten bereits installiert. Einzig

die Windmesstechnik ist noch an dem geplanten Mast zu montieren.

Durch das Messdatenerfassungsystem wird eine wissenschaftliche Auswertung der

PV-Anlage ermöglicht. Im Rahmen von Laborversuchen sollte die PV-Anlage auf ihr

wetterbedingtes Verhalten untersucht werden. Insbesondere wäre zu überprüfen, ob

die vorhandenen Analogmessumformer für die Modultemperatur mit einer maximalen

Temperatur von + 45 °C ausreichen oder auszutauschen sind.

Abschließend wird empfohlen LabVIEW mehr in die Lehre zu integrieren.

IX

Literaturverzeichnis

[Brü13]

Brügemann, Marco: Entwicklung und Aufbau eines 3,4kW Wechselrichters zur Solargenerator-Netzeinspeisung, BA-Thesis HAW Hamburg (Hamburg, 2013).

[Fri09] Fricke, Klaus: Digitaltechnik 6.Auflage (Wiesbaden, 2009).

[Geo12] Georgi, Wolfgang; Metin, Ergun: Einführung in LabVIEW 5., überarbeitete und erweiterte Auflage (München, 2012).

[KIP06] KIPP & ZONEN B.V.: CMA / CMP Serie Bedienungsanleitung (AM Delft, 2006).

[LEM06] LEM Components: Galvanisch getrennte Strom- und Spannungswandler 3. Auflage (Plan-les-Ouates, 2006).

[Lüd13]

Lüdeke, Tim: Repowering der PV-Anlage auf dem Dach des E-Hochhauses unter Berücksichtigung der RAL, BA-Thesis HAW Hamburg (Hamburg, 2013).

[Wer10]

Werner, Martin: Nachrichtentechnik Eine Einführung für alle Studiengänge

7.Auflage (Wiesbaden, 2010).

Onlinequellen:

[Dig13a]

Digi-Key (o.J.) [http://www.digikey.com/product-detail/en/LV%2025-P/398-1019-ND/409832] (Zugriff: 30.08.2013).

[Dig13b]

Digi-Key (o.J.) [http://www.digikey.com/product-search/en/sensors-transducers/current-transducers/1966573?k=LEM%20LA%2055-P] (Zugriff: 30.08.2013).

[Nat08a] National Instruments (2008) [http://www.ni.com/cms/images/devzone/tut/image26613.jpg] (Zugriff: 07.10.2013).

[Nat12a] National Instruments ni.com (2012) [http://www.ni.com/white-paper/9221/en/] (Zugriff: 12.10.2013).

[Nat13a] National Instruments LabVIEW-ZONE (2013) [http://labview-zone.cwsurf.de/tag/funktionale-globale-variable/] (Zugriff: 26.08.2013).

[Pla13]

Plate, JuergenVirtual University (o.J.) [http://www.virtualuniversity.ch/elektronik/digital/dvs/images/nyquist.gif] (Zugriff: 15.10.2013).

[Sch]

Schubert, Prof. Dr. Volker; Rödig, Volker CHEMGAROO (o.J) [http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/11/cmt/media/gif/fpga.gif] (Zugriff: 05.11.2013).

Datenblätter:

[KIP01] KIPP & ZONEN B.V.: AMPBOX 4 bis 20 mA SIGNAL VERSTÄRKER (12/2001).

[KIP12] KIPP & ZONEN B.V.: Pyranometer zur genauen Messung der Solarstrahlung (11/2012).

[LEM09] LEM: Current Transducer LA 55-P (05/2009).

[LEM12] LEM: Voltage Transducer LV 25-P (11/2012).

Literaturverzeichnis X

[Nat08b] National Instruments: OPERATING INSTRUCTIONS AND SPECIFICATIONS NI 9203 (02/2008).

[Nat10a] National Instruments: Real-Time Controller with 800 MHz, 512 MB DRAM, 4 GB Storage NI cRIO-9024 (03/2010).

[Nat10b] National Instruments: 4 Ch, 100 kS/s, 16-Bit, ±10 V Simultaneous Sampling C Series Analog Input Module NI 9215 (02/2010).

[Nat10c] National Instruments: 8 Ch, ±20 mA, 200 kS/s, 16-Bit C Series Analog Current Input Module NI 9203 (02/2010).

[Nat12b] National Instruments: NI 9203 Analogeingangsmodul (Strom), mit 8 Kanälen, +/- 20mA, 200 kS/s, 16 bit (/2012).

[Nat12c] National Instruments: NI 9215 Analogeingangsmodul mit 4 Kanälen, 100 kS/s pro Kanal, 16 bit, +/- 10 V (/2012).

[Nat13b] National Instruments: Reconfigurable Chassis for NI CompactRIO NI cRIO-911x (07/2013).

[SMAa] SMA Solar Technology AG: Sunny Boy 2500TL / 3000TL Single Tracker (/o.J.).

[SMAb] SMA Solar Technology AG: Sunny Boy 1300TL / 1600TL / 2100TL (/o.J.).

[Sol11] Solarwatt AG: SOLARWATT M250-60 GET AK (03/2011).

[THE08]

THEODOR FRIEDRICHS & CO. Meteorologische Geräte und Systeme GmbH: Temperaturgeber zur Messung der Erdboden- bzw. Wassertemperatur (08/2008).

[THE09a] THEODOR FRIEDRICHS & CO. Meteorologische Geräte und Systeme GmbH: Messwertgeber für Windgeschwindigkeit (05/2009).

[THE09b] THEODOR FRIEDRICHS & CO. Meteorologische Geräte und Systeme GmbH: Messwertgeber für Windrichtung (05/2009).

[THE10] THEODOR FRIEDRICHS & CO. Meteorologische Geräte und Systeme GmbH: Analoger Messumformer (02/2010).

[THE12a]

THEODOR FRIEDRICHS & CO. Meteorologische Geräte und Systeme GmbH: Temperatur/Feuchte Messfühler in Strahlungsschutzhütte (09/2012).

[THE12b]

THEODOR FRIEDRICHS & CO. Meteorologische Geräte und Systeme GmbH: Temperaturgeber zur Messung der Oberflächentemperatur, selbstklebend (06/2012).

XI

A Anhänge

A-1: Übersicht der Messwerte mit ihrem Speicherintervall

A-2: Schaltplan AC-Stromwandlerplatine

A-3: Schaltplan AC-Spannungswandlerplatine

A-4: Ermittlung der Phasenverschiebungen und der Induktionen

A-5: Schaltplan DC-Wandlerplatine

A-6: Kennlinien der temperaturbedingten Abweichungen der CMP21

A-7: cRIO-Signalbelegung der Analogeingangsmodule

A-8: Klemmleisten Belegung

A-9: LabVIEW-Programm auf Dokumentations-CD

Die Dokumentations-CD ist bei den Prüfern Prof. Dr.-Ing. Michael Röther und Prof. Dr. rer. nat. Henning Dierks einzusehen.

Literaturverzeichnis XII

A-1: Übersicht der Messwerte mit ihrem Speicherintervall

Bezeichnung Speicherintervall in Hz

Schaltschrank Temperatur 1

Modul PV-Modultemperatur 1-1 1




Dach Lufttemperatur 1

Dach Luftfeuchtigkeit 1

Dach Windgeschwindigkeit 1

Dach Windrichtung 1

Modul Globalstrahlung 1 1

Modul Globalstrahlung 2 1

PR 1

Schaltschrank DC Strom STR 1 1

Schaltschrank DC Strom STR 2 1

Schaltschrank DC Spannung STR 1 1

Schaltschrank DC Spannung STR 2 1

DC Leistung STR 1 1

DC Leistung STR 2 1

Schaltschrank AC Strom Effektiv WR 1 50



Schaltschrank AC Spannung Effektiv WR 1 50



AC Leistung WR 1 50

AC Leistung WR 2 50

Literaturverzeichnis XIII

AC Leistung WR 3 50

Schaltschrank AC Cosinus Phi WR 1 50



Schaltschrank AC Strom WR 1 3200



Schaltschrank AC Spannung WR 1 3200



Literaturverzeichnis XIV

A-2: Schaltplan AC-Stromwandlerplatine

Literaturverzeichnis XV

A-3: Schaltplan AC-Spannungswandlerplatine

Literaturverzeichnis XVI

A-4: Ermittlung der Phasenverschiebungen und der Induktionen

R = 30 Ω; L je nach Messdurchgang (s.Foto); Uq eingestellt auf 10 Vpp und sin 50 Hz

Beispiel Spule 12

Spule U [V] I [mA] P [mW] S [mVA] Q [mvar] f [Hz]

11 2,618 90,28 236,7 236,7 2,762 49,97

12 2,825 88,38 234,3 249,0 85,37 49,97

13 3,571 82,19 212,5 292,5 201,5 49,96

14 4,709 69,81 163,54 328,1 285,4 49,97

15 5,672 54,85 110,05 313,2 293,5 49,98

Messwerte der Spulen

Bestimmung der Induktivität von Spule 12:

Literaturverzeichnis XVII

Spule XL [Ω] L [mH]

11 0,339 1,079

12 10,93 34,812

13 29,83 95,024

14 58,56 186,521

15 97,56 310,655 Berechnete Blindwiderstände und Induktivitäten

U = 99,94 V; I = 3,013 A; f = 50,008 Hz

Abweichungen von Messwert und cos:

Literaturverzeichnis XVIII

A-5: Schaltplan DC-Wandlerplatine

Literaturverzeichnis XIX

-30

-20

-10

010

2030

4050

60-1

-0.50

0.51

Geh

äuse

tem

pera

tur

[°C

]

relative Abweichung [%]

Pyr

an

om

ete

r 1

SN

: 12

2808

tem

pera

turb

edin

gte

Abw

eich

ung

laut

Dat

enbl

att

tem

pera

turb

edin

gte

Abw

eich

ung

laut

Lab

VIE

W

-30

-20

-10

010

2030

4050

60-1

-0.50

0.51

Geh

äuse

tem

pera

tur

[°C

]

relative Abweichung [%]

Pyr

an

om

ete

r 2

SN

: 12

2908

tem

pera

turb

edin

gte

Abw

eich

ung

laut

Dat

enbl

att

tem

pera

turb

edin

gte

Abw

eich

ung

laut

Lab

VIE

W

A-6: Kennlinien der temperaturbedingten Abweichungen der CMP21

Literaturverzeichnis XX

A-7: cRIO-Signalbelegung der Analogeingangsmodule

Mod1 (NI 9215) Leitung

Signal Belegung Bezeichnung Aderfarbe

U_WR1 AI0+ AC<-> RIO Mod1/2 grün

COM AI0- GND schwarz

U_WR2 AI1+ AC<-> RIO Mod1/2 grau


U_WR3 AI2+ AC<-> RIO Mod1/2 rosa


R_Pyranometer_1 AI3+ Wetter <-> RIO Mod3 rosa


NC

COM COM GND schwarz



I_WR1 AI0+ AC<-> RIO Mod1/2 weiß


I_WR2 AI1+ AC<-> RIO Mod1/2 braun


I_WR3 AI2+ AC<-> RIO Mod1/2 gelb


R_Pyranometer_2 AI3+ Wetter <-> RIO Mod3 grau


NC

COM COM GND schwarz



U_STR1 AI0 DC<-> RIO Mod3 weiß

U_STR2 AI1 DC<-> RIO Mod3 braun

I_STR1 AI2 DC<-> RIO Mod3 gelb

I_STR2 AI3 DC<-> RIO Mod3 grün

Pyranometer_1 AI4 Wetter <-> RIO Mod3 weiß

Pyranometer_2 AI5 Wetter <-> RIO Mod3 braun

v_Wind AI6 Wetter <-> RIO Mod3 gelb

Richtung_Wind AI7 Wetter <-> RIO Mod3 grün

NC

COM COM GND schwarz



Feuchte_Luft AI0 Wetter <-> RIO Mod4 (RM4) weiß

Temp_Luft AI1 Wetter <-> RIO Mod4 (RM4) braun

Temp_STR1_1 AI2 Wetter <-> RIO Mod4 (RM4) gelb

Temp_STR1_2 AI3 Wetter <-> RIO Mod4 (RM4) grün

Temp_STR2_1 AI4 Wetter <-> RIO Mod4 (RM4) grau

Temp_STR2_2 AI5 Wetter <-> RIO Mod4 (RM4) rosa

Temp_Schrank AI6 Wetter <-> RIO Mod4 (RM4) blau

AI7 GND blau

NC

COM COM GND schwarz

Literaturverzeichnis XXI

A-8: Klemmleisten Belegung

Literaturverzeichnis XXII

Literaturverzeichnis XXIII

Eigenständigkeitserklärung

Versicherung über Selbstständigkeit

Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit im Sinne der Prüfungsordnung nach

§16(5)APSO-TI-BM ohne fremde Hilfe selbständig verfasst und nur die angegebenen

Hilfsmittel benutzt habe. Wörtlich oder dem Sinn nach aus anderen Werken entnommene

Stellen habe ich unter Angabe der Quellen kenntlich gemacht.

Hamburg, 29.11.2013 ____________________

Ort, Datum Unterschrift

Entwicklung und Umsetzung einer ... - HAW Hamburg

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