Messtechnik auf PIC32-Basis Hochpräzise Messung der Netzfrequenz

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

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.

Firma zum Thema

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

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.

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?

Die Messung der Netzfrequenz mittels A/D-Wandler zur Bestimmung der Maxima und Minima des Spannungsverlaufs ist nicht zuverlässig, da moderne Netzteile und Phasenanschnittsteuerungen den Sinus abflachen, wodurch der genaue Zeitpunkt der Maxima kaum zu bestimmen ist. Besser geeignet ist die Messung am Nulldurchgang, da die Steilheit des Spannungsverlaufs dort am höchsten ist.

Wie lässt sich die Messgenauigkeit erhöhen?

Doch Netzstörungen, Oberwellen und Rundsteuersignale könnten die Messung erschweren, da sie im zeitlich hochaufgelösten Bereich zu mehreren Nulldurchgängen führen können. So wurde ein Schmitt-Trigger ausgewählt, der knapp oberhalb des Nulldurchgangs schaltet und durch die Schalthysterese auch bei hochfrequenten Oberschwingungen zuverlässig arbeitet.

Zum Schutz des Mikroprozessors ist eine galvanische Trennung integriert. Der Schmitt-Trigger wandelt den Sinus der Netzfrequenz in eine Rechteckfunktion um, so dass für die Frequenzmessung nur noch die Torzeit gezählt werden muss. Diese Zählung wird mit dem PLL-Prozessortakt von 40 MHz durchgeführt, und ergibt eine ausreichende zeitliche Auflösung von ca. 0,06 mHz. Die Temperaturdrift der PLL-Frequenz liegt jedoch über 20 ppm, was für hochpräzise Messungen nicht ausreichend ist.

Eine hochpräzise Zeitsynchronisierung über das Internet ist wegen der unterschiedlich langen Laufzeiten schwer zu realisieren. Atomuhr und Quarzofen schieden wegen des unverhältnismäßig hohen Aufwands aus. So fiel die Wahl auf eine Zeitsynchronisierung über das DCF-Funkuhrsignals. Dieses Signal basiert auf einer Atomuhr und bietet damit dieselbe Genauigkeit. Das DCF Empfängermodul ist allerdings nicht für präzise Aufgaben gefertigt, die einzelnen Sekunden werden mit 50 ms Jitter erkannt, was eine direkte Verwendung des Signals ausschließt.

Um die PLL-Frequenz dennoch bestimmen zu können, werden in einem Zeitintervall der DCF-Funkuhr von zwei Stunden die PLL-Takte gezählt. Damit kann die aktuelle Frequenz der PLL berechnet werden. Mit der aktuellen PLL-Frequenz kann nun die Torzeit der Netzfrequenz genau gezählt und somit die Netzfrequenz ausreichend präzis bestimmt werden. Der bei einem 32-Bit-Prozessor größere Wertebereich der Variablen hat dabei die Programmierung an einigen Stellen deutlich vereinfacht.

Speicherung und Visualisierung der Messdaten

Die Speicherung der Messwerte erfolgt auf einem am Entwicklerboard angeschlossenen USB-Stick, der entweder direkt oder per FTP ausgelesen werden kann. Alternativ wäre auch eine integrierte SD-Karte möglich gewesen. Zur Visualisierung (Bild 4) und gegebenenfalls Verwendung der gemessenen Frequenz zur Steuerung von Geräten wurde die Website www.netzfrequenzmessung.de bei einem großen Webhoster aufgesetzt.

Diese Seite stellt sowohl die Schnittstelle zum Messgerät als auch einen Schutz des Gerätes gegen Überlastung und Angriffe aus dem Internet dar. So wird die aktuelle Frequenz sekündlich vom Messgerät abgefragt und auf dem Server gespeichert. Von dort wird sie auf der Website angezeigt und steht im xml-Format zum Download für netzfrequenz-geführte Steuerungen zur Verfügung.

Der Webserver auf dem micromax03, welcher lediglich Statusinformationen und die Netzfrequenz weitergibt, war auf Basis eines vorhandenen Beispiels von Microchip schnell aufgesetzt. Deutlich mehr Zeit benötigte die Programmierung der Visualisierung bei dem Webhoster.

* Thomas Gobmaier und Siegfried Zeller betreiben die Website www.netzfrequenzmessung.de

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:30674480)