Automatisierte Datenanalyse im Hochspannungsprüffeld durch Integration von DIAdem in die Saturn Messtechnik

Author(s):
Dipl.-Ing. Martin Hessing - AMO GmbH
Dipl.-Inf. Andreas Reiff - AMO GmbH
Dipl.-Ing. (FH) Ralf Classen - AMO GmbH
Dipl.-Ing. Jürgen Martini - AMO GmbH

Industry:
Energy/Power

Products:
DIAdem

The Challenge:
Ständig steigende Anforderungen verlangen nach neuen Soft- und Hardware-Konzepten zur Messdatenerfassung, Analyse und Reportgenerierung. Am Beispiel eines Algorithmus zur Blitzstoßspannungsanalyse aus dem Bereich der Hochspannungsmesstechnik werden die Grundlagen innovativer Konzepte unter Einsatz einer Kombination aus LabVIEW und DIAdem für das Saturn Messsystem der AMO GmbH dargestellt.

The Solution:
Der von der AMO GmbH entwickelte Transientenrekorder "Saturn" kombiniert eine Vielzahl unterschiedlicher Fähigkeiten in einem Gerät, die den Einsatz sowohl in spezifischen Grenzbereichen als auch in der allgemeinen Messtechnik ermöglichen. Bei individuell konfigurierbaren Abtastraten bis 100 MSample/s kann an mehreren hundert Kanälen parallel mit einer Speichertiefe von bis zu 512 Millionen Messwerte je Kanal hoch aufgelöst gemessen werden. Einzelne Kanäle lassen sich dabei netzunabhängig mit Akku und über Lichtwellenleiter angeschlossen in einer Entfernung von bis zu 15 km vom Hauptsystem abgesetzt betreiben. Die Synchronität zwischen den einzelnen Kanälen liegt dabei im Bereich der maximalen zeitlichen Auflösung von +/-10 ns. Sowohl die potentialgetrennte Signalabtastung als auch die variabel konfigurierbaren Eingangsspannungsbereiche bis zu 200Vpp favorisieren das Saturn System unter anderem für den Einsatz im Hoch- und Mittelspannungsprüffeld.

Die Messapplikation

In modernen Hochspannungslaboratorien und Prüffeldern werden Bauteile, Materialien oder Baugruppen für Mittel- und Hochspannungseinsatz auf ihre Materialeigenschaften untersucht; dazu gehören zum Beispiel Leistungsschalter, Isolatoren, Transformatoren oder Kabel zur Energieversorgung. Bei den Messungen werden die Prüflinge mit genormten Stoß- und Blitzstoßspannungen bzw. mit Stoßströmen beaufschlagt. Die Analysen erlauben u. a. Rückschlüsse auf die Spannungs- und Isolationsfestigkeit, das Schaltverhalten, Ausgleichsvorgänge sowie das Teilentladungsverhalten. Bei Serienproduktion von Leistungsschaltern werden einzelne Leistungsschalter einer ausführlichen Bauteilprüfung unterzogen, um die generelle Funktion der Baugruppe zu verifizieren. Darüber hinaus wird jeder Schalter individuell einer weniger umfangreichen Einzelprüfung unterzogen. Die Ergebnisse und eine Zusammenfassung jeder Messung einer Einzelprüfung werden im Anschluss an die Messung in einem Prüfprotokoll dargestellt. Bei vielen Bauteil- und Baugruppentests handelt es sich sowohl bei den Typ-, als auch bei den Einzelprüfungen um standardisierte Messungen mit festgelegten Auswerteroutinen. Im Hinblick auf größere Stückzahlen bedeutet eine automatisierte Prüfprotokollerstellung auf Basis der Messergebnisse eine signifikante Erleichterung und Beschleunigung der vorgeschriebenen Prüfverfahren.

Software-Konzept und Realisierung

Die empirische Bewertung aufgezeichneter Messdaten unterscheidet sich grundlegend von der automatisierten Analyse. Die zurzeit gültigen Prüfverfahren sind bezüglich der Form der Blitzstoßspannungen und der anzuwendenden Evaluierungsverfahren in der IEC Publ. 60060 Teil 1 und 2 (VDE 0432) festgelegt. Entwickelt wurde ein Algorithmus, der aus nahezu jeder in der Realität auftretenden Art von Blitzstoßmessung die charakteristischen Werte wie Up, T1, T2, TC und TP etc. extrahiert und einzelne Probleme, die bei realen Messungen auftreten können, angemessen behandelt. Beispielhaft sei hier das Überschwingen (Overshoot) angesprochen, das typischerweise in unterschiedlicher Ausprägung an der Spitze des Blitzimpulses auftritt und damit den Spitzenwert (peak) beeinflusst. Dieses Überschwingen muss zunächst erkannt werden, anschließend quantitativ erfasst, und schließlich der Einfluss reduziert werden. Primär wird das durch einen Glättungs-Filter erreicht, dessen Eingabeparameter aus den Charakteristika des Überschwingens errechnet werden. Diese Glättung erreicht jedoch nicht direkt das gewünschte Ziel. So verschiebt sich z.B. der berechnete Zeitpunkt, an dem der Spitzenwert auftritt, zum Ende der Messung hin, so dass weitere Anpassungen vorgenommen werden müssen. Der realisierte Algorithmus liefert zu den in der VDE-Norm DIN EN 61083-2 angegebenen Beispielkurven die erwarteten Ergebnisse. Um vollständig mit der Norm konform zu sein, wurde der Algorithmus anschließend um die Fähigkeit zur Erkennung von Schaltstoßspannungen und Ermittlung deren charakteristischer Werte erweitert.

Technische Umsetzung

Die Blitzstoßanalyse wurde direkt in die Messgerätoberfläche "Saturn Studio" und das zur Messdatenauswertung verwendete National Instruments DIAdem eingebunden. Nach der interaktiven Entwicklung des Algorithmus unter DIAdem wurde dieser dort in VisualBasic umgesetzt und anschließend zur Geschwindigkeitsoptimierung nach C++ konvertiert. Die in C++ kompilierte dynamisch in DIAdem einbindbare Funktionsbibliothek (GPI-Dll) benutzt verschiedene Interfaces, um mit DIAdem zu kommunizieren. Neben den bereits vorgesehenen GPI Befehlen wurde eine COM-Verbindung zur Applikation geöffnet, um einen effizienteren Datentransfer zu ermöglichen. Im Ergebnis ist der Algorithmus durch die Portierung deutlich beschleunigt. Insbesondere bei den typischerweise sehr großen Datenmengen, die mit einem 100 MSample/s Messsystem entstehen, erhöht die Auswertebeschleunigung die Prüfungseffizienz enorm. Der überdurchschnittlich große Messspeicher des Saturn Systems ist bei Blitzstoßmessungen unerlässlich. Sonderfälle des Algorithmus, z.B. eine am Anfang oder Ende abgeschnittene Transiente, wie es auf älterer Hardware mit kleinerem Messspeicher vorkommen konnte, entfallen bei einer Aufzeichnungsdauer über 5 Sek. (100MS/s).

Mess-Software

Die graphische Oberfläche des Saturn Messsystems ist die leistungsstarke LabVIEW Applikation "Saturn Studio". Neben individueller Konfiguration der analogen Eingangsstufen und Setup des gesamten Systems ist eine höchst performante Darstellung der bis zu 30GB großen Datenmengen integriert. Die nachfolgende Datenverarbeitung und automatische Reportgenerierung erfolgt in DIAdem. Hierzu wurde ein sehr effizienter direkter Datentransfer zwischen Saturn Studio und DIAdem ohne Zwischenspeicherung der Daten integriert. Nach erfolgter Messung werden die Daten über diesen Kanal zur Verarbeitung an DIAdem übergeben, gemäß dem vorselektierten Auswertealgorithmus verarbeitet und das Ergebnis in entsprechenden Reports visualisiert. Das integrierte Speicher- und Exportmodul unterstützt verschiedene Speicherformate von einfachen Binär- und ASCII-Formaten bis zu höchst effizienten Spezialformaten. Hierzu zählt auch das innovative Saturn-eigene Datenformat SDF, mit dem eine Echtzeitvisualisierung von großen Datenmengen ermöglicht wird.

Zusammenfassung

Blitzstoßspannungsprüfungen sind notwendig zur Prüfung der elektrischen Festigkeit von Hoch- und Mittelspannungsgeräten bei transienten Spannungsbeanspruchungen, weshalb sie zu den Typ- und Stückprüfungen zählen. Die zurzeit gültigen Prüf- und Auswerteverfahren wurden von der AMO GmbH konform zu den aktuellen Normen umgesetzt und werden neben den STL 2.0 Auswerteroutinen in einer leistungsstarken Funktionsbibliothek zur Verfügung gestellt. Anwendung findet diese spezielle Analyse in allen Hoch- und Mittelspannungslaboren und Prüffeldern. Die realisierte weitgehende Automatisierung der Auswertung bedeutet eine wesentliche Vereinfachung im Messalltag.
Autor

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Dipl.-Ing. (FH) Ralf Classen
AMO GmbH
Otto-Blumenthal-Straße 25
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