Energiewerte erfassen und aufbereiten: Maßgeschneiderte Lösungen können hohe Transparenz und Wirtschaftlichkeit bieten.
Erschienen in: Energy 2.0 Oktober 2010, S. 44
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Flexibles Monitoring in Energieerzeugungsanlagen

Mehr Transparenz bei hoher Wirtschaftlichkeit

Mit Hilfe von Automatisierungssystemen lassen sich Überwachungs- und Diagnoseaufgaben besonders flexibel lösen. In Photovoltaik-Anlagen zum Beispiel können sie Sensorsignale erfassen, Daten speichern und Informationen visuell aufbereiten. *  Text: Dirk Vogel, Phoenix Contact Fotos: Phoenix Contact

Betreiber investieren in ein Monitoring-System, um frühzeitig Schwachstellen zu erkennen, Ersatzmaterial zu beschaffen sowie Reparaturen auszuführen, bevor es zu einem längeren Ausfall der Anlage und damit zu größeren finanziellen Einbußen kommt. Welches Monitoring-System eingesetzt werden soll hängt weniger vom verwendeten Wechselrichter als davon ab, in welcher Form die Monitoring-Daten zur Verfügung stehen sollen: entweder als Gesamtstrom- oder als Einzelstring-Stromüberwachung.

Die Gesamtstring-Stromüberwachung

In einer Gesamtüberwachung lässt sich die Gleichstrom-Energie einer String-Gruppe mit einer sogenannten Referenzzelle kontrollieren, die einem kleinen separaten String entspricht. Ihr Ausgangssignal wird als Standard-Analogsignal an ein Analog-Eingangsmodul angeschlossen. Die von der Referenzzelle gemessenen Werte verarbeitet die Steuerung entsprechend der Kennlinie und setzt sie zu den aufbereiteten Werten der energieerzeugenden Strings in Relation. Auf diese Weise ist eine qualitative Aussage hinsichtlich der Energieerzeugung möglich. Ein Messumformer, der nach der Technologie einer Rogowski-Spule arbeitet, erfasst den String-Strom.

Beim Ausgangssignal des Messumformers handelt es sich um ein Standard-Ausgangssignal, das an das analoge Eingangsmodul angekoppelt wird. Der Zustand und die Funktion einzelner Module lassen sich jedoch kaum diagnostizieren. Zudem geht eine Reparatur mit einem erheblichen Diagnoseaufwand einher. Da die Temperatur der Module oft nur mit einem Temperatursensor gemessen wird, kann keine Angabe über den thermischen Zustand einzelner Module gemacht werden. Das gängigste Ausgangssignal der Temperatursensoren ist ebenfalls ein Standard-Analogsignal.

Die Einzelstring-Stromüberwachung

Als komfortablere Lösung erweist sich die Einzelstring-Stromüberwachung. Hier wird jeder String, der aus verschiedenen Modulen besteht, gemessen. Die Messung kann ebenfalls als Gesamtstring-Stromüberwachung mit einem Messumformer realisiert werden oder mit einem in Reihe zu den Strings geschalteten Shunt-Widerstand, so dass sich der Strom einzelner Strings ermitteln lässt. Das Modul Mini MCR Shunt wandelt den Spannungsabfall des Shunt-Widerstands von bis zu einigen hundert Millivolt in ein Standard-Analogsignal, das in das Steuerungssystem integriert werden kann. Ähnlich der Gesamtstring-Stromüberwachung kann die Ader eines Strings außerdem durch ein Wandlermodul geführt werden, um das Gleichstrom-Signal mittels eines Hall-Sensors und entsprechender Elektronik in ein Standard-Analogsignal zu verwandeln. Die Messungen mit Hall-Sensor und Rogowski-Spule haben den Vorteil, dass sie galvanisch von der bis zu mehreren hundert Volt betragenden Spannung an den Solarmodulen getrennt sind und somit das Bedienpersonal und die Messeinheit schützen.

Die Messung der Wechselstromenergie

Die in das Stromnetz eingespeiste Energie kann mit Energie-Messgeräten erfasst und über eine serielle Schnittstelle wie Modbus RTU, ein Ethernet-Interface wie Modbus TCP oder eine herstellerspezifische Schnittstelle ausgelesen werden. Ein elektrisches Energie-Management-Modul und eine Inline-Klemme binden dabei die elektrischen Werte in das Feldbussystem ein. Ferner können die Daten direkt aus dem Wechselrichter ausgelesen werden, denn viele dieser Geräte verfügen ebenfalls über eine serielle oder eine Ethernet-Schnittstelle.

Die Aufbereitung der Daten

Die auf der Gleich- oder Wechselstromseite aufgenommenen Werte sind zur weiteren Verarbeitung in der Steuerung aufzubereiten. Die Analogsignale werden beispielsweise mit Hilfe der Analog Technology Library in das gewünschte Format gebracht. Als Bestandteil der Rechenalgorithmen erlauben die Daten zum Beispiel die Ermittlung des Wirkungsgrads der Photovoltaik-Anlage im Anwenderprogramm. Über eine SQL-Bibliothek lassen sich die Werte zur weiteren Analyse in einer Datenbank speichern. Alle in der Steuerung berechneten Daten werden darüber hinaus in Korrelation gebracht und dem Betreiber als Diagnoseinformation zur Verfügung gestellt.

Je nach Anforderung können die aufbereiteten Werte über verschiedene Kommunikationswege zur weiteren Verarbeitung versendet werden. Als Beispiel sei die Speicherung der Messdaten im CSV-Format (Comma Separated Value) in einer Textdatei genannt, die mit Hilfe der IT Library als Email verschickt oder auf einem FTP-Server (File Transfer Protocol) abgelegt wird. Auf diese Weise lassen sich die Messdaten der Photovoltaik-Anlage durch Software-Tools so aufbereiten, dass sie dem Betreiber über das Internet auf einer Web-Seite zugänglich gemacht werden können. Kritische Anlagenzustände wie ein String-Ausfall können in Form einer SMS an das Service-Personal weitergeleitet werden. Die dazu erforderlichen Funktionsbausteine sind ebenfalls Bestandteil der IT Library.☐

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