Entwicklung von Power-Quality-Analysatoren

Kunde 

Ein europäisches Unternehmen im Energiesektor. 

Herausforderung 

Entwicklung von Power-Quality-Analysatoren mit den folgenden Eigenschaften: 

• Grundlegende Messungen: Spannung (V), Strom (A), Frequenz (Hz), Phasendrehanzeige. 
• Leistung: Wirkleistung (W), Scheinleistung (VA), Blindleistung (var), Leistungsfaktor. 
• Fundamentale Leistung: Fundamentale Wirkleistung (W), fundamentale Scheinleistung (VA), fundamentale Blindleistung (VAR), DPF (Cos Φ). 
• Energie: Wirkenergie (Wh), Scheinenergie (VAh), Blindenergie (VARh). 
• Oberschwingungen: Oberschwingungskomponenten bis zur 50. und gesamtharmonische Verzerrung von Spannung und Strom. 
• Erweiterte Power-Quality-Analyse: Überwachung, Statistiken und Berichte gemäß EN50160-Spezifikationen, Ereignisstatistiken ergänzt durch Wellenformaufzeichnung, Oberschwingungen und Zwischenoberschwingungen gemäß IEC 61000-4-7, Richtungsoberschwingungen der Leistung, THD-Koeffizienten für Spannung und Strom, Flicker gemäß IEC 61000-4-15, Ereignis-/Datenprotokoll, Power-Quality-Ereignis-/Datenprotokollierung, Protokollierungskapazität für mehr als 100 Parameter, Protokollierungsparameter mit Echtzeitstempeln. 

Lösung 

Wir nutzten OpenAMP zur Entwicklung des Geräts, welches AMP (asymmetric multiprocessing) Linux mit RTOS kombiniert. Die Benutzeroberfläche, Datenvisualisierung, Protokolle und Ereignisse wurden mit Qt entwickelt.  

Für das Build-System setzten unsere Ingenieure auf das Yocto Project. Die Geschäftslogik zur Geräteverwaltung wurde auf der Linux-Seite implementiert, während die RTOS-Seite die Power-Quality-Messung übernahm. Alle mathematischen Analysen wurden mit CMSIS DSP durchgeführt. 

Es gibt zwei Versionen des Geräts. In der ersten Version ist eine externe Frontend-Mikroschaltung für den gesamten Analyseprozess verantwortlich. Diese Mikroschaltung überträgt die bereits berechneten Daten per SPI an die Power-Quality-Analysatoren. Datensammlung, -verarbeitung und -aggregation werden auf der RTOS-Seite durchgeführt.  

Die zweite Version des Geräts verwendet ADCs für das Frontend. Der gesamte Prozess wird mit einem DSP-Coprozessor und mathematischer Analyse auf RTOS gemäß IEC 61000-4-30, IEC 61000-4-7 und IEC 61000-4-15 implementiert. Wir verwendeten FreeRTOS als RTOS in CMSIS RTOS 2 (CMSIS-RTOS API v2). 

Geschäftswert 

Power-Quality-Analysatoren helfen, die Energieeffizienz zu verbessern, die Lebensdauer von Geräten zu verlängern, Ausfallzeiten zu reduzieren, die Einhaltung von Normen und Vorschriften sicherzustellen und einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen.  

Die bei Promwad für unseren Kunden entwickelten Power-Quality-Analysatoren verfügen über folgende Merkmale:  

• IEC 61000-4-30 Klasse A Spannungsmessgenauigkeit ±0.1%
• Strommessgenauigkeit ±1%
• Spannungs- und Stromrms-Berechnung Halbzyklusschritte
• Frequenzmessgenauigkeit ±10 mHz
• 150/180-Zyklus-Aggregation ohne Lücken
• Synchronisiert mit UTC 10-Minuten-Tick
• Messungen von Oberschwingungen bis zur 50. Ordnung
• Zeituhrogenauigkeit pro 24 Stunden ±1 Sekunde
• Zeitsynchronisation GPS-Empfänger
• Funksignale oder Netzwerksignale zur Zeitsynchronisation
• Weitere Leistungen
• Software für Datenerfassungsplattform: Eine Fallstudie zur Entwicklung einer Open-Source-Software basierend auf dem OPC UA-Protokoll.
• Software für ADC-Signal-Puffer/Transmitter: Eine Fallstudie zur Softwareentwicklung basierend auf MTCA, einem offenen Standard für modulare eingebettete Systeme.
• Firmware-Entwicklung für FPGA-basiertes Mikroskop: Ein Beispiel für ein Firmware-Upgrade, das eine eingestellte Hardwareplattform ersetzte.