Messtechnik auf PIC32-Basis

Hochpräzise Messung der Netzfrequenz

| Autor / Redakteur: Thomas Gobmaier, Siegfried Zeller * / Holger Heller

Beispieltag: der Netzfrequenzmessung mit Minuten- und Sekundenwerten (www.netzfrequenzmessung.de)
Beispieltag: der Netzfrequenzmessung mit Minuten- und Sekundenwerten (www.netzfrequenzmessung.de)

Für wissenschaftliche Auswertungen der Netzfrequenz wird eine präzise Messung mit der Möglichkeit zur langfristigen Aufzeichnung benötigt. Im Folgenden werden der Aufbau einer hochpräzisen Netzfrequenzmessung und deren Visualisierung im Internet näher beschrieben.

Die Bilanz zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch muss zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen sein, da Wechselstrom schlecht gespeichert werden kann. Wird kurzfristig mehr Strom aus dem Netz entnommen als eingespeist, dann wird diese Differenz der Rotationsenergie der Generatoren entnommen, wodurch diese langsamer werden, die Frequenz des Wechselstroms sinkt. Somit ist die Netzfrequenz des europäischen Verbundnetzes ein Indikator für die Stabilität der Energieversorgung.

Änderungen am Kraftwerkspark wie z.B. die Abschaltung von Kernkraftwerken oder der Ausbau regenerativer Energien können die Stabilität der Versorgung beeinflussen. Zur Auswertung der Stabilität der Netzfrequenz und zur langfristigen Beobachtung wurde ein Messsystem benötigt, das die Netzfrequenz mit hoher Präzision aufnehmen, visualisieren und aufzeichnen kann.

Um Komponenten für zukünftige intelligente Stromnetze (Smart Grids) heute schon entwickeln zu können, sollte das System die gemessene Frequenz auch an andere Geräte wie z.B. Ladegeräte für Elektrofahrzeuge melden können. Zur besseren räumlichen Trennung und zur einfachen Visualisierung mittels Webserver wurde Ethernet als Übertragungsweg der Daten ausgewählt.

Kriterien für die Netzfrequenz

Die Frequenz im europäischen Verbundnetz darf im normalen Betrieb nur ±200 mHz von den 50 Hz abweichen, damit die physikalischen Eigenschaften der Betriebsmittel und deren Schutz vor Überlast gewährleistet sind. Um die Netzfrequenz möglichst konstant zu halten gibt es ein dreistufiges Regelungskonzept, die Regler benötigen dabei eine Messgenauigkeit von 10 mHz, entsprechend 0,02 % der Netzfrequenz.

Um das Regelverhalten analysieren zu können wird eine höhere Genauigkeit (besser als 1 mHz entsprechend 0,002% der Frequenz) benötigt. Da die Netzfrequenz fortwährend Schwankungen unterworfen ist, soll jede einzelne Schwingung mit dieser hohen Genauigkeit gemessen werden, um die Dynamik untersuchen zu können.

Der Aufbau eines eigenen Mikrocontroller-Boards schien wegen der geringen geplanten Stückzahlen mit zu hohem Aufwand verbunden. Daher wurde ein System gesucht, das einen ausreichend schnellen Prozessor sowie die Möglichkeit zur Integration eigener Schaltungen bietet. Passende Gehäuse, bei denen man nicht mehrere Stunden mit der Anpassung der Stecker beschäftigt ist, gibt es selten dazu.

Entwicklungsboard für 32-Bit-PIC-Anwendungen

Die Wahl fiel schließlich auf das Mikrocontroller-Board micromax03 von micma. Der 32-Bit-PIC-Prozessor stellt ausreichend Leistung für die Messung zur Verfügung, zusätzlich gibt es vom Hersteller Microchip viele Softwarebibliotheken, z.B. für USB oder einen Webserver, was den Einstieg erleichtert und den Programmieraufwand reduziert. Auf dem dazu erhältlichen Entwicklungsboard (Bild 1) hat man Zugriff auf alle Ports, Stecker für CAN, USB, Ethernet sowie RS232, zudem ist Platz für einfache eigene Schaltungen.

Ergänzendes zum Thema
 
Entwicklerboard spart Zeitaufwand

Das Board ist für den gesamten Industrie-Temperaturbereich (-40 bis 85 °C) spezifiziert, was langfristige Messungen vereinfacht, da man weniger Sorgfalt auf die Wahl des Aufstellorts legen muss. Dazu gibt es ein passendes Gehäuse aus Aluminium, welches bereits die Aussparungen für die Stecker enthält, somit entfällt der Aufwand der mechanischen Bearbeitung eines Universalgehäuses.

Lesen Sie weiter: Wie lässt sich die Messgenauigkeit erhöhen?

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Hallo Thomas, Vor GPS war die Trägerfrequenz des DCF77 die Standardlösung, da gabs auch jede...  lesen
posted am 28.10.2014 um 21:07 von Unregistriert

Hallo Peter, die DCF-Frequenz wäre auch eine elegante Lösung. Der Minutenwechsel von DCF wurde...  lesen
posted am 28.10.2014 um 20:23 von Unregistriert

Hallo, Was ich jetzt nicht ganz verstehe ist, wieso man nicht direkt die Trägerfrequenz...  lesen
posted am 27.10.2014 um 20:42 von Unregistriert


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