Erstellung eines Systems zur Überwachung der Netzqualität mit NI LabVIEW

Author(s):
Petr Bilik - VSB TU Ostrava/ELCOM

Industry:
Energy/Power

Products:
LabVIEW, Signal Conditioning, Lookout, PXI/CompactPCI, LabWindows/CVI

The Challenge:
Entwicklung eines erweiterbaren Systems von Analysatoren für die Überwachung der Netzqualität und eines Konfigurationswerkzeugs, welches die Analysatoren zu einem Netzwerk verbindet, Daten in einer zentralen PQDIF-Datenbank verwaltet und als Schnittstelle zu anderen Anwendungen dient.

The Solution:
Erstellung der Softwareanwendung PAQ Net Explorer (PAX) mithilfe von NI LabVIEW zur Konfiguration von Messknoten (PAQ Nodes) über den Gerätetreiber des gewählten Analysators

Einleitung

Stromversorgungsunternehmen müssen die Netzqualität an verschiedenen Punkten im Netz überwachen. Dafür verwenden sie verschiedene Messgeräte, die teilweise von unterschiedlichen Herstellern stammen. Diese Geräte werden zu einem Analysatornetzwerk verschaltet, welches eine Bestimmung der Netzqualität an allen wichtigen Punkten des Versorgungsnetzwerks erlaubt. Um alle gemessenen Parameter unabhängig vom Messgerätetyp oder der Topologie des Systems zu speichern, haben wir das Stromüberwachungsnetzwerk PAQ Net (Power Acquisition Network) entwickelt.

PAQ Net

Das PAQ Net basiert auf unabhängigen Analysatoren für die Überwachung der Netzqualität, die wir als PAQ Nodes (PAQ-Knoten) bezeichnen. Anwender können über das Internet oder ein Intranet von überall auf der Welt auf diese Knoten zugreifen. Um das PAQ Net um Stromanalysatoren von beliebigen Herstellern zu ergänzen, benötigt das Messgerät einen Gerätetreiber sowie eine Ethernet- oder Modemverbindung zum Internet. Mit dem PAQ Net Explorer (PAX) können Anwender dem PAQ Net jeden beliebigen Analysator hinzufügen, der diese Bedingungen erfüllt. Dabei wird für den Knoten ein PAQ Net Server erstellt, der die gemessenen Parameter auf verschiedene Arten bereitstellt. Mögliche Formate sind DDE für SCADA/HMI-Anwendungen, PQDIF für das Speichern von Daten in PQDIF-Datendateien oder -Datenbanken, ASCII für das Speichern in ASCII-Dateien und SQL für das Speichern auf einem MS-SQL-Server.

Der PAQ Net Server stellt Daten in vielen Formaten bereit und ist auch offen für andere Schnittstellen, beispielsweise OPC. Für jeden PAQ Node im System läuft der Node Server parallel, sogar wenn andere verbundene Knoten Messungen vornehmen. Der PAQ Net Server referenziert die einzelnen Knoten über Aliase, IP-Adressen oder andere individuelle konfigurierbare Identifier. In dieses Netzwerk lassen sich auch andere Typen von Messgeräten und Messeinheiten integrieren, so dass physikalische Größen gemessen und an einem zentralen Punkt dargestellt werden können.

PAX – PAQ Net Explorer

Anwender können die PAQ Nodes mithilfe des PAX konfigurieren, was die Festlegung eines Alias-Namens für den Knoten sowie von IP-Adresse erleichtert. Darüber hinaus ermöglicht er die Definition der Intervallbreite für die Mittelwertbildung, die Anbindung an das Netz sowie die Bestimmung der zulässigen Wertebereiche für die Parameter. PAX kommunziert mithilfe eines Gerätetreibers mit einem spezifischen Knoten. Anwender können neue Knoten einfügen oder die Konfiguration bestehender Knoten mit einem interaktiven Assistenten ändern.

Nachdem Knoten geändert oder hinzugeführt werden, startet der PAQ Net Server mit den neuen Konfigurationen erneut. Ein grünes Häkchen bzw. ein rotes Kreuz kennzeichnet in der PAX-Liste der Knoten deren Verbindungsstatus. Der PAQ Net Server übermittelt diese Informationen an den PAX. Die rechte Seite des Panels listet die vorgegebenen Parameter des gewählten Knotens auf.

Verwendung des PAQ Net DDE Server in Lookout

Der PAQ Net Server stellt die Daten über das Dynamic Data Exchange Protocol (DDE-Protokoll) bereit. Da DDE ein sehr weit verbreiteter Standard für den Datenaustausch zwischen Anwendungen auf unterschiedlichen Betriebssystemen ist, sind die Daten des PAQ Net aus unterschiedlichen Anwendungen und Programmiersprachen zugänglich.

Lookout ist eine einfach zu bedienende HMI/SCADA-Anwendung. Sie ermöglicht die Visualisierung der gemessenen Werte und speichert sie als ASCII-Datendateien. PAQ Net bietet eine Anbindung an Lookout.

PAQ Node Elcom PQA01

Bei Elcom PQA01 handelt es sich um einen skalierbaren, ferngesteuerten PC-basierten Stromanalysator ohne Display. Der PAQ Node ELCOM PQA01 ist ein Stand-alone-System, das durch sein softwarebasiertes Konzept für den Einsatz als Analysator in anwenderdefinierten Überwachungssystemen prädestiniert ist. Die softwareseitige Implementierung von Befehlen und Funktionen macht es möglich, alle gewünschten Parameter zur Abfrage bereitzustellen und das Gerät beliebig über das Netzwerk zu konfigurieren. Die PC-Plattform bietet inhärent wichtige Schnittstellen für die Fernsteuerung des Systems über Ethernet- oder Modemanbindung. Es implementiert fünf Messgeräte (FFT-Analysator, Netzmonitor, einen EN50160-Spannungswächter, Transientenrekorder und einen Analysator für die symmetrische Auslastung eines Dreiphasensystems), kann Daten erfassen und parallel dazu eine Verarbeitung durchführen. Statt Daten in Dateien auf der lokalen Festplatte zu speichern, nutzt das System das Konzept eines Datenpuffers, ähnlich wie bei der asynchronen Datenerfassung. Das System nutzt ein vordefiniertes Intervall zur Mittelwertbildung. Am Ende jedes Intervalls werden gemessene Werte in den Umlaufpuffer geschrieben. Dabei kann der Anwender die Länge des Puffers auswählen. Über dezentrale Befehle ist es Anwendern möglich, erforderliche Scans vom Puffer zu lesen und Backlog-Werte abzufragen. Dank des Datenpuffers kann das System Unterbrechungen in Verbindung mit dem überwachenden System bewältigen.

Hardwareplattformen für den PAQ Node ELCOM PQA01

Wir haben den Analysator auf der Hardwareplattform PXI implementiert. Das PXI-Chassis umfasst den Controller NI PXI-8175 sowie das 16-bit-Datenerfassungsmodul NI PXI-6052E und verfügt über zusätzliche SCXI-Steckplätze. Das NI-SCXI-1120D-Modul ist mit Aliasing-Filtern ausgestatten und bietet Signalkonditionierung. Um den Eingangsbereich des SCXI-Moduls zu erweitern, verwendeten wir den Hochspannungsanschlussblock TBX-1316. Diese Konfiguration bietet Anbindung an eine maximale Arbeitsspannung von 1000 VDC/680 Veff. Der Datenerfassungsprozess der Gerätesoftware nutzt eine Abtastfrequenz von 9,6 kS/s pro Kanal. Im Allgemeinen kann die entwickelte Anwendung auf anderen Plattformen implementiert werden, basierend auf einem PC, einer Datenerfassungs- und einer Signalkonditionierungskarte.

Vision für die Zukunft

In Zukunft hoffen wir, das Set verfügbarer Messgeräte für den Einsatz mit dem PAQ Net System noch weiter ausbauen zu können. Darüber hinaus möchen wir uns bei Forschung und Entwicklung auf das verteilte System zur Überwachung von Netzqualität und Leistungsparametern konzentrieren, basierend auf dem beschriebenen Analysator PQA01. Unser F&E-Team entwickelt Werkzeuge für die Verwendung des Microsoft Internet Explorers als Tool für die vollständig dezentrale Einrichtung verteilter PQA01-Analysatoren.

Weitere Informationen erhalten Sie über:

Petr Bilk
VSB TU Ostrava/ELCOM, a.s.
Division of Virtual Instrumentation, Technologicka 371/1, 7
08 00 Ostrava-Pustkovec
Tschechische Republik
Tel.: +420 69 699 6930
E-Mail: petr.bilk@elcom.cz

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