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
unter Einsatz eines Realtime-Systems
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
unter Einsatz eines Realtime-Systems
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.
Vorbereitung der Messgrößen 22
(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.
Vorbereitung der Messgrößen 23
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
Vorbereitung der Messgrößen 24
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
Vorbereitung der Messgrößen 25
Abb. 4-2: AC-Stromwandlerplatine
Abb. 4-3: AC-Spannungswandlerplatine
Vorbereitung der Messgrößen 26
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.
Vorbereitung der Messgrößen 27
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
Vorbereitung der Messgrößen 28
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.
Vorbereitung der Messgrößen 29
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.
Vorbereitung der Messgrößen 30
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.
Vorbereitung der Messgrößen 31
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.
Vorbereitung der Messgrößen 32
(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.
Vorbereitung der Messgrößen 33
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)
Vorbereitung der Messgrößen 34
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
Vorbereitung der Messgrößen 35
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.
Vorbereitung der Messgrößen 36
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.
Vorbereitung der Messgrößen 37
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
Vorbereitung der Messgrößen 38
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.
Vorbereitung der Messgrößen 39
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).
Vorbereitung der Messgrößen 40
Abb. 4-11: Kennlinien der Messgrößen und der Messwerte des STR 2
Abb. 4-12: Strom- und Spannungskennlinien des STR 2 mit Korrekturen
Vorbereitung der Messgrößen 41
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.
Vorbereitung der Messgrößen 42
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.
Vorbereitung der Messgrößen 43
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
Vorbereitung der Messgrößen 44
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
1 0 0 0 0 1 Es hätte min. ein WR einschalten müssen
1 1 0 0 1 1 Es hätte min. ein WR einschalten müssen
1 1 0 1 0 1 Es hätte min. ein WR einschalten müssen
1 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 0 0 1 0 1 WR kann nicht laufen - Keine Einschaltschwelle erreicht
0 0 0 1 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
Integration der Messtechnik in die PV-Anlage 86
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.
Integration der Messtechnik in die PV-Anlage 87
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.)
Integration der Messtechnik in die PV-Anlage 88
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
Integration der Messtechnik in die PV-Anlage 89
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.
Integration der Messtechnik in die PV-Anlage 90
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
Modul PV-Modultemperatur 1-2 1
Modul PV-Modultemperatur 2-1 1
Modul PV-Modultemperatur 2-2 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 Strom Effektiv WR 2 50
Schaltschrank AC Strom Effektiv WR 3 50
Schaltschrank AC Spannung Effektiv WR 1 50
Schaltschrank AC Spannung Effektiv WR 2 50
Schaltschrank AC Spannung Effektiv WR 3 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 Cosinus Phi WR 2 50
Schaltschrank AC Cosinus Phi WR 3 50
Schaltschrank AC Strom WR 1 3200
Schaltschrank AC Strom WR 2 3200
Schaltschrank AC Strom WR 3 3200
Schaltschrank AC Spannung WR 1 3200
Schaltschrank AC Spannung WR 2 3200
Schaltschrank AC Spannung WR 3 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
COM AI1- GND schwarz
U_WR3 AI2+ AC<-> RIO Mod1/2 rosa
COM AI2- GND schwarz
R_Pyranometer_1 AI3+ Wetter <-> RIO Mod3 rosa
COM AI3- GND schwarz
NC
COM COM GND schwarz
Mod2 (NI 9215) Leitung
Signal Belegung Bezeichnung Aderfarbe
I_WR1 AI0+ AC<-> RIO Mod1/2 weiß
COM AI0- GND schwarz
I_WR2 AI1+ AC<-> RIO Mod1/2 braun
COM AI1- GND schwarz
I_WR3 AI2+ AC<-> RIO Mod1/2 gelb
COM AI2- GND schwarz
R_Pyranometer_2 AI3+ Wetter <-> RIO Mod3 grau
COM AI3- GND schwarz
NC
COM COM GND schwarz
Mod3 (NI 9203) Leitung
Signal Belegung Bezeichnung Aderfarbe
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
Mod4 (NI 9203) Leitung
Signal Belegung Bezeichnung Aderfarbe
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
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