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Der Bericht bezieht sich auf das gleichnamige Projekt im BMBF-Programm zu anwendungsorientierter Forschung und Entwicklung an Fachhochschulen an der HTWG Konstanz: Das Monitoring und die Diagnose von Kabel- und Versorgungssystemen beruht zum größten Teil auf der Statistik. Es werden Daten aufgezeichnet und mit bereits ausgewerteten oder älteren Daten aus demselben System verglichen. Der Unterschied zwischen Monitoring und Diagnose ist, dass die Diagnose bei abgeschalteter Spannung erfolgt und das Monitoring ein ständiges Überwachen ist. Ziel der Teilentladungsmessungen an betriebsgealterten Mittelspannungskabel war es einen Vergleich von Teilentladungsmessungen mit 50Hz und 0,1Hz zu erstellen. Dabei wurden Teilentladungsmessungen bei stark voneinander abweichenden Prüfbedingungen untersucht. Des weiteren wurden Verlustleistungsmessungen (tan ð) bei verschiedenen Prüfobjekten mit 50Hz und 0,1Hz durchgeführt.
Das Gesamtprojekt umfasst die Entwicklung eines modularen Sende-Empfängers (Transceiver) bestehend aus Hard- und Software. Der Transceiver stellt eine Experimentalplattform dar, mit der nicht nur die üblichen Funktionen eines Sende-Empfängers genutzt werden können. Es bestehen vielfältige Experimentier- und Entwicklungsmöglichkeiten in den Bereichen der digitalen Signalverarbeitung, der Softwareentwicklung für Mikrokontroller und Personal Computer sowie der Übertragungstechnik. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde das zentrale Steuermodul des Sende-Empfängers, die sog. Command Unit entwickelt. Sie beinhaltet die logischen Gruppen des MMI (Mensch-Maschine-Schnittstelle) und einer Host-PC-Schnittstelle mit DMA-Kontroller. Die Arbeit beinhaltet die Entwicklung der Hardware ebenso wie die Entwicklung von Firmware zum Testen der Schaltung.
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.
Im Jahr 2009 startet die AMSAT Deutschland e.V. das Raumfahrzeug "Phase 5-A" zum Mars. Dort wird das "Archimedes"-Ballon-Landesystem der Mars Society abgesetzt, während das Raumfahrzeug in einer elliptischen Umlaufbahn um den Mars bleibt und als Relaisstation für die Kommunikation zwischen Landesystem und Bodenstation auf der Erde arbeitet. Für diese Raumfahrtmission wurde an der HTWG Konstanz im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik eine Diplomarbeit über einen Teil der Antennen des Raumfahrzeugs angefertigt. Bodenstation und Raumfahrzeug kommunizieren durch einen Uplink im S-Band (2,45 GHz) und einen Downlink im X-Band (10,45 GHz). Im normalen Betriebsfall werden auf dem Raumfahrzeug Richtantennen eingesetzt. Sowohl für Uplink, als auch für den Downlink wird rechtszirkular polarisierte Strahlung verwendet. In bestimmten Betriebsfällen sind die Richtantennen des Raumfahrzeugs nicht zur Erde ausgerichtet. Dies ist der Fall, wenn die Triebwerke in Betrieb sind, oder im extremen Fall, wenn das Lageregelungssystem temporär oder komplett ausfällt. Für diesen Fall sind möglichst isotrop abstrahlende Notfallantennen notwendig, um zumindest eine minimale Kommunikation zur Erde zu gewährleisten. In der Diplomarbeit wurde für die Richtantenne für das X-Band ein Doppelreflektorsystem (Cassegrain-System) gewählt. Im berechneten Design wurde der Durchmesser des Hauptreflektors zu 2000 mm und der Durchmesser des Subreflektors zu 302,3 mm gewählt. Ebenfalls berechnet wurde die zugehörige Kegelhorn-Antenne als Primärstrahler, sowie ein praktikabler Zirkularpolarisator vorgeschlagen. Bei den isotropen Antennen stellt sich das Problem, dass das Raumfahrzeug sehr groß gegenüber der Wellenlänge ist und dadurch praktisch eine Hemisphäre abgeschattet wird. Deshalb wurden für die S-Band- und X-Band-Notfallantennen Antennen gesucht, die eine möglichst gute hemisphärische Abstrahlung haben. Zwei dieser hemisphärisch abstrahlenden Antennen werden jeweils auf entgegengesetzten Seiten des Raumfahrzeugs montiert und ermöglichen so eine (nahezu) isotrope Abstrahlung. Für die S-Band-Notfallantenne wurden unterschiedliche Antennentypen (Drehkreuzantenne, Eggbeater-Antenne, Lindenblad-Antenne, Quadrifilar-Helix-Antenne und Streifenleitungsantenne) hinsichtlich ihres Abstrahlungsdiagramms und der Eignung für Raumfahrtanwendung miteinander verglichen. Als Ergebnis stellt sich die Streifenleitungsantenne als am besten geeignet heraus, da dieser Antennentyp über viele Freiheitsgrade (z.B. Form, Abmessungen und Materialien) verfügt. Über die Freiheitsgrade kann das Abstrahlungsdiagramm geformt werden. Auch für die X-Band-Notfallantenne wurde ebenfalls die Streifenleitungsantenne untersucht. Dieser Antennentyp weist allerdings einige gravierende Nachteile im Sendebetrieb auf: Das gravierendste Problem sind die hohen Verluste dieses Antennentyps. Deshalb wurde für die X-Band-Notfallantenne ein offener Hohlleiter mit zusätzlichen Reflektionselementen vorgeschlagen. Ein offener Hohlleiter strahlt bereits relativ stark gebündelt ab. Die zusätzlichen Reflektionselemente weiten die Abstrahlung aus. So wird eine annähernd hemisphärische Abstrahlung möglich. Das Raumfahrzeug wird zumindest zeitweilig durch Rotation um die eigene Achse stabilisiert (Spin-Stabilisation). Sind die Antennen außerhalb der Rotationsachse montiert, so tritt ein mit der Rotationsdauer sich periodisch ändernder Doppler-Effekt auf. Problematisch wird dies, wenn die Frequenzverschiebung durch den Doppler-Effekt in die Größenordnung der Bandbreite des Nutzsignals kommt. Dadurch wird die Dekodierung des Nutzsignals erschwert.
Techniken zur Energiewende - studentische Fachkonferenz im Masterstudiengang Elektrische Systeme
(2013)
Die studentische Fachkonferenz im Rahmen des Seminars im Masterstudiengang Elektrische Systeme in der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik wird zum sechsten Mal veranstaltet.
Alle Studierenden erarbeiten unter dem vorgegebenen Rahmenthema eigene Beiträge, recherchieren, ergänzen, stellen die aktuellen Erkenntnisse zu wissenschaftlichen Publikationen zusammen.
Die Energiewende ist seit einigen Jahren ein heiß diskutiertes Thema. Die dezentrale Energieversorgung
unter Anwendung erneuerbarer Quellen, insbesondere Wind- und Solarkraft, ist langfristig gesehen die
einzige Antwort auf die Ausbeutung der Erde und Zerstörung der Umwelt durch Gewinnung nichtregenerativer
Energien, insbesondere Öl, Erdgas und Uran. Allerdings gibt es noch viele Bereiche, die intensive wissenschaftliche und entwicklungstechnische Arbeiten benötigen. Wie aus dem Titel durch Verwendung des Wortes „zur“ anstatt „der“ schon erkennbar, werden in dieser Fachtagung weniger die Techniken betrachtet, die schon zum Einsatz kommen, sondern zukünftige Techniken, die gedanklich auf Papier gebracht wurden, oder inzwischen das Stadium der Machbarkeitsstudie erreicht haben.
Das Thema Energiewende beinhaltet ein sehr breites Feld von Techniken. Daher haben sich die Teilnehmer
auf nur wenige, wichtige Gebiete konzentriert: Regenerative Energiegewinnung, Elektromobilität,
Speichertechnologien und Smart Grid. Durch das intensive Befassen mit diesen Themen haben sich die
Studierenden zum ersten Mal richtig mit den Problemen der Energiewende vertraut gemacht. Sie haben
dabei erkannt, dass für die Ingenieure der Fachrichtungen Elektrotechnik und Informationstechnik überaus
vielfältige, spannende und auch aus gesellschaftspolitischer Sicht notwendige und lohnende Aufgaben auf
sie warten.
Überlegungen im Rahmen der Energiewende bezüglich der zukünftigen Technologieplattformen und Infrastrukturen der Energieversorgung müssen als wichtigen ökonomischen Faktor die zukünftig zu erwartenden Kosten dieser Technologien und Infrastrukturen einbeziehen. Hierbei spielen regelmäßig auch Überlegungen bzgl. der jeweils zugrunde liegenden Skaleneffekte eine große Rolle, sowohl in ihrer Variante als statische als auch dynamische Skaleneffekte. Häufig mangelt es einschlägigen Darstellungen dieser Aspekte jedoch an einer präzisen Unterscheidung der verschiedenen Ausprägungen von Skaleneffekten; dies gilt insbesondere auch für die konkrete Ausprägung als Größendegressionseffekt. Daher wird in diesem Papier eine systematische Klärung der entsprechenden Zusammenhänge speziell für Technologien des Energiesektors vorgenommen.
Das Potential der Offshore-Windenergie, welches hauptsächlich auf hohe mittlere Windgeschwindigkeiten zurückzuführen ist, kann nicht ignoriert werden. Trotzdem zeigt die Betrachtung der aktuell installierten Leistung und der Stromgestehungskosten, dass zusätzliche Risiko- und Kostenfaktoren existieren. Diese sind vor allem auf die Installation, die Energiewandlersysteme und die Netzanbindung zurückzuführen. Getriebeschäden sind einer dieser großen Kostenfaktoren. Aus diesem Grund gewinnen getriebelosen Windkraftanlagen mit permanentmagneterregten Synchrongeneratoren immer mehr an Relevanz. In der Netzanbindung von ganzen Offshore-Windparks überwiegt die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) ab einer Übertragungsdistanz von 80 km. Diese Tendenz ist sinkend. Steigende windparkinterne Spannungen auf 66 kV fördern zusätzlich den Verzicht auf Umspannplattformen, welche für die HGÜ-Technik aktuell sinnvoll sind. Diese und weitere bereits in Aussicht stehenden Entwicklungen führen zu einer Einschränkung der Risiko- und Kostenfaktoren. Es wird demnach davon ausgegangen, dass die Offshore-Windenergie, als Ergänzung zur Onshore-Windenergie, eine wichtige Rolle im Rahmen der Energiewende einnimmt.
Das hier vorgestellte Netzoptimierungstool kann dem Verteilnetzbetreiber bei einem Störfall im Netz in Echtzeit eine Lösung zur Steuerung seiner Betriebsmittel vorschlagen. Dadurch kann das bestehende Netz optimal genutzt werden und ein kostenintensiver Netzausbau im Mittel- und Niederspannungsnetz verringert oder sogar verhindert werden. Als Grundlage für den Netzoptimierer dient ein künstliches neuronales Netz (KNN). Zum Training des KNN wurden Störfälle generiert, die auf reellen Erzeugungs- und Lastprofilen aus dem CoSSMic-Projekt basieren [1]. Für jeden Störfall wurde aus allen möglichen und sinnvollen Netzkonfigurationen eine optimierte Netztopologie anhand von Lastflussberechnungen ermittelt. Durch die Variation der Stufenschalter der Transformatoren und der Stellungen aller installierten Schalter im Netz wurde berechnet, wie der Stromfluss gelenkt werden muss, damit keines der Betriebsmittel die zulässigen Belastungsgrenzen mehr überschreitet. Für ein virtuelles Testnetz konnte mit einem trainierten KNN zu 90 Prozent die optimale Lösung des jeweiligen Störfalls erkannt werden. Durch die Anwendung der N-Best Methode konnte die Vorhersagewahrscheinlichkeit auf annähernd 99 Prozent erhöht werden.
Das Ziel dieser Arbeit war die Konzeption eines untergeordneten Stadtbusnetzes der Stadt Konstanz. Dabei wurde auf einem bereits entwickelten Entwurf eines übergeordneten Netzes aufgesetzt. Durch die Kombination dieser beiden entstand ein Gesamtbusnetz.
Im ersten Schritt wurde eine breit gefächerte Bestandsanalyse durchgeführt, inbegriffen war dabei eine Analyse des übergeordneten Busnetzes. Die gebündelten Ergebnisse gaben den Rahmen für die Konzeption vor. Danach folgte der schrittweise Entwurf der einzelnen Linien des untergeordneten Netzes. Im letzten Schritt der Konzeption wurden die Linien an wichtigen Umsteigeknoten und Parkräumen aufeinander abgestimmt.
Aus der genannten Analyse resultierten diverse Anforderungen für die Konzeption eines neuen Busnetzes. Hierbei konnte die Anbindung an die Bahn und das neu entstehende Mobilitätszentrum besonders hervorgehoben werden. Das Ergebnis der Konzeption waren elf Buslinien, die dem untergeordneten Netz zugewiesen werden können. Gemeinsam mit den fünf Linien des übergeordneten Entwurfs bilden sie ein Gesamtstadtbusnetz. Dabei wurden die Streckenverläufe der Linien aufeinander abgestimmt, sodass ein breitgefächertes Netz an Direktverbindungen entstehen konnte. Mithilfe der Abstimmung an Umsteigeknoten konnten sinnvolle Umsteigerelationen geschaffen werden, wodurch die Direktverbindungen zu einer flächendeckenden Anbindung der Stadtteile an relevante Ziele im Stadtgebiet erweitert wurden.
Auf theoretischer Ebene wurde hier aufgezeigt, wie ein neues Buskonzept der Stadt Konstanz gestaltet sein kann. Das vorliegende Konzept sollte in einer separaten Arbeit auf eine tatsächliche Umsetzbarkeit geprüft werden.