Es handelt sich um eine Arbeit im Rahmen des BMBF-Programm "Anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung an Fachhochschulen". Schutz und Steuerung spielen eine entscheidende Rolle bei der Automatisierung in der elektrischen Energieversorgung. Moderne Geräte sind Mikrorechnergesteuert, und ihre korrekte Funktion wird bestimmt durch das Zusammenwirken ihrer Hardware und Software mit der Hochspannungsanlage. Zudem ist die Software für den individuellen Einsatz parametriert. Untersuchungen mit realen Schutz- und Steuerungseinrichtungen an realen Anlagen sind aufwendig und riskant. Gewonnene Betriebserfahrungen kommen häufig erst nach einem Schadensereignis. Dagegen ermöglichen Simulationen breit abgestützte Untersuchungen realer Betriebs- und Fehlerfälle im Voraus. Sie unterstützen damit nicht nur kurze Entwicklungs-, Projektierungs- und Inbetriebnahmezeiten, sondern tragen auch zur sicheren, zuverlässigen und kostengünstigen Stromversorgung bei. Simulationen sind aus unterschiedlichen Blickwinkeln sinnvoll: • Planung und Projektierung von Hochspannungsanlagen mit den zugehörigen Schutz- und Leitsystemen • Ereignisgenaue und präzise Analyse von Störungen, z.B. nach einem Leitungsausfall oder einem Blackout • Entwicklung von Schutz- und Steuergeräten und -systemen einschließlich Hardware, Software und Firmware • Ausbildung, Training, Beratung. Aufgabe des Projekts ist die Erprobung eines Echtzeitnetzmodells für typische Schutztechnik-Anwendungen. Im Gegensatz zu bekannten Energietechnik- und Schutztechnik-spezifischen Lösungen soll die Simulation auf der Basis des in der gesamten Technik weit verbreiteten Werkzeugs Matlab/Simulink einschließlich SimPowerSystems (frühere Bezeichnung: Power System Blockset) basieren. Zunächst soll ein vollständiges Simulationssystem einschließlich Schutzgeräten in Betrieb genommen werden. Dafür ist die Simulationsrechner-Hardware mit möglichst hoher Rechenleistung einschließlich geeigneter Interfacekarten für die Analogausgaben und die digitalen Schnittstellen zum Projektbeginn neu zu beschaffen. Die Untersuchung des Echtzeit-Netzmodells soll anhand typischer Netzkonfigurationen mit entsprechenden Schutzanwendungen erfolgen, z.B.: Hochspannungs-Doppelleitung mit Kurzschluss oder Pendelungen; Generator-Einspeisung, auch mit motorischen Verbrauchern und Umschaltvorgängen. Damit sollen die wesentlichen Möglichkeiten und Grenzen der Simulation festgestellt werden: • Korrektheit und Genauigkeit der Simulation • Anforderungen an Simulations-Rechnerhardware abhängig von Modellgröße, Frequenzbereich bzw. Zeitschrittweite • Möglichkeiten für Echtzeit- und Offline-Simulation auf Basis derselben Modellparameter • Integration von Schutzalgorithmen und -geräten in die Simulation (anstelle realer Geräte) • Erweiterbarkeit und Offenheit, z.B. betreffend Wide-Area-Protection, Simulation von Stromwandlern mit Sättigung, Modellierung von nicht in der Bibliothek verfügbaren Komponenten, Anlagen mit mehreren und verschiedenartigen Schutz-, Steuer- und Leitsystemkomponenten Simulation für Schutz- und Stationsleittechnik mit Matlab/Simulink Seite 4 • Bedienungsfreundlichkeit • Geeignete Visualisierung, Archivierung und Dokumentation • Kosten • Empfehlungen für den Einsatz.
This thesis deals with background, theory, design, layout and experimental test results of an analogue CMOS VLSI current-mode analog-to-digital converter. This system supports a project, whose goal it is to build a biologically relevant model of synaptic plasticity, named the Artificial Synapse. A critical part of the design, which is based on analogue CMOS VLSI circuits, is the ability to activate a discrete number of channels by sampling an analogue signal. Since currents are the signal of interest and transistors are biased in weak inversion (subthreshold regime), the system requires a current mode A/D circuit that it can operate at ultra-low power and current levels. To meet this need, two new innovative A/D converter approaches are proposed to replace the system’s previous A/D converter design which suffered from a non-linear resolution, uncoded output code and heavy bit oscillations. The initial technical requirements and key criteria for the new converter comprise a resolution of one nano ampere, an input current range between 0 – 100nA, conversion frequencies of up to 5kHz, and a power supply voltage of less than 1.5V. Temperature range, space occupation and power dissipation aspects were not specified due to the early stage of the related Artificial Synapse project. The novel converters both produce seven bit thermometer codes, their functional principle can be best described as current mode flash analog-to-digital converters (ADCs). Due to the fact that the input signal is in the area of a subthreshold current, it is selfevident that the A/D converter design should operate at a subthreshold realm. To support low power operation, clocks or high currents could not be used and were excluded from the design from the very start. To encode the thermometer code into standard binary code, a seven-to-three encoder was designed and integrated on the chip. In October 2003, the design was submitted for production to the MOSIS circuit fabrication service. The AMI Semiconductor 1.5 micron ABN CMOS process was chosen to manufacture the chip. When it was returned in January 2004, simulation results showed that both new A/D converter approaches accomplished excellent results which were expected from SPICE simulation results. With the new chip installed, it became possible to resolve input currents as small as one nano ampere and achieve conversion frequencies of up to 5kHz. The circuits also both meet the requirements which were set at the beginning of the project to operate at a power supply voltage of less than 1.5V, processing input currents in the range between 0 – 100nA. A prototype printed circuit board (PCB) was developed, produced and employed for experiments with the chip. The major application of this test-bed is the ability to generate and measure extremely low currents with high precision. This enables the monitoring of the very small currents that are processed by the chip.
BMBF-Programm "Anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung an Fachhochschulen Schlussbericht FKZ 17086 00 Ausgangssituation Bei der Entwässerung von Siedlungsgebieten sind teure Maßnahmen zum Schutz der Siedlungen und der Gewässer vor Hochwasser und Schmutzstoffen erforderlich. Mit den Zielsetzungen „Kosteneinsparung“ und “Verbesserung des Gewässerschutzes“ hat der Beratende Ingenieur Dipl.-Ing.(FH) Harald Güthler (1996) aus Waldshut-Tiengen das Verfahren des „HydrOstyx“ gebremsten Abflusses entwickelt und im Dezember 1995 zum Patent angemeldet. Die im Rahmen des Verfahrens benutzte neue technische Einrichtung ist die HydrOstyx-Abflussbremse. Bei der HydrOstyx-Abflussbremse handelt es sich um eine technische Einrichtung, die wegen ihrer Einfachheit ein preiswertes Drosselorgan im Abwasserkanal darstellt, das ohne Fremdenergie weitgehend wartungsfrei und betriebssicher funktioniert. Die HydrOstyx-Abflussbremse kann sowohl in bestehende als auch in neue Abwasserkanäle eingebaut werden. Ziele Mit der Hydrostyx-Abflußbremse können u. a. folgende Ziele erreicht werden: Reduzierung von Neubaumaßnahmen durch Aktivierung bisher ungenutzter Speicher. Da im Sinne der Richtlinien für die Bemessung und Gestaltung von Regenentlastungsanlagen in Mischwasserkanälen nach ATV-Arbeitsblatt A 128 die Anrechenbarkeit solcher Speicherräume zulässig ist, kann bei geschickter Nutzung der aktivierten Retentionsvolumen eine Redimensionierung der bisher geplanten Regenbecken erfolgen. Beseitigung von Konfliktpunkten im Kanalnetz. Durch Aktivierung von Retentionsvolumen lassen sich Abflussspitzen reduzieren. Überlastete Kanäle können nun die abflussverzögerte Wassermenge transportieren, der Austausch bzw. Neubau von Kanälen kann entfallen. Minderung von Überflutungshäufig und Belastungen von Flüssen und Bächen aus Regenwasserentlastungen. Der Einstau des Wassers im Kanal führt zu einer Retentionswirkung, dadurch werden die Abflussspitzen bei Regenwasserentlastungen in die Vorfluter häufig wesentlich reduziert. Die führt zu Verbesserungen beim Hochwasserschutz und bei der Gewässerökologie. Optimierung des Wirkungsgrades von Kläranlagen durch verbesserte Ausschöpfung der zulässigen Beaufschlagung. Kläranlagen sind durch den diskontinuierlichen Zufluss von Schmutz- bzw. Mischwasser Schwankungen im Betriebsablauf unterzogen, die durch entsprechende Reserven in den Becken ausgeglichen werden können. Durch die Aktivierung von Retentionsraum lassen sich Stoßbelastungen reduzieren und bei Regenwetter kann ein größerer Teil des verschmutzten Wasser als bisher auf der Kläranlage gereinigt werden. Im Rahmen des BMBF-Forschungsprojekts wurden folgende Teilaufgaben bearbeitet: Hydraulische Untersuchung der Hydrostyx-Abflussbremse im Wasserbaulabor der HTWG Konstanz. Ziel war die Ermittlung der Schachtverluste, der Überfall- und Durchflussbeiwerte für die HydrOstyx-Abflussbremse. Auswertung und Beurteilung der Abfluss- und Schmutzfrachtmessungen an den Regenüberläufen Hoppetenzell und Zizenhausen/Stampfwiese vor und nach dem Einbau von 4 HydrOstyx-Abflussbremsen. Durchführung von Schmutzfrachtberechnungen mittels Langzeitsimulation mit dem Simulationsmodell KOSIM XL vom Institut für technisch-wissenschaftliche Hydrologie in Hannover. Die Simulationsberechnungen erfolgen mit und ohne Hydrostyx-Abflussbremsen für die Einzugsgebiete der beiden Regenüberläufe. Mit Hilfe der hydraulischen Untersuchungen im Wasserbaulabor und durch die Auswertung der Naturmessungen sollten die hydraulischen und hydrologischen Bemessungsgrundlagen für die Neuentwicklung erarbeitet werden. Die Untersuchungsergebnisse liefern auch wichtige Grundlagen für die wasserwirtschaftliche Beurteilung des neuen Verfahrens. Verwertung der Ergebnisse Das Projekt hat insgesamt gezeigt, dass mit Hilfe von HydrOstyx-Abflussbremsen erhebliche Einsparpotentiale sowohl bei der hydraulischen Sanierung als auch bei der Regenwasserbehandlung in Mischwasserkanalisationen möglich sind. Die Ergebnisse dieses Projekts tragen sicher dazu bei, dass beim weiteren Ausbau der Regenwasserbehandlung und bei der Sanierung von Mischwasserkanalisationen verstärkt nach kostengünstigen Alternativen gesucht wird. Hierzu kann das Verfahren des HydrOstyx gebremsten Abflusses einen wesentlichen Beitrag leisten.