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Bild 1: Beispiel eines Störmelders für Freileitungen. (Bild: Texas Instruments)

| von Zhaohong Zhang, Peter Chung

Störmelder dienen an Elektrizitätsverteilnetzen dazu, Störungen an Freileitungen und Erdkabeln zu erkennen und anzuzeigen. Bild 1 zeigt beispielsweise einen an einer Freileitung angebrachten Störmelder, an dessen Unterseite sich eine LED befindet. Diese leuchtet im Fall eines Überstroms auf, sodass das Wartungspersonal schon aus einiger Entfernung erkennen kann, wo eine Störung vorliegt. Richtig installiert, können Störmelder die Betriebskosten senken und Stromausfälle verkürzen, indem sie Informationen darüber liefern, in welchem Abschnitt eines Netzes ein Ausfall aufgetreten ist. Gleichzeitig verbessern sie die Funktionssicherheit und dämmen etwaige Schäden an den Anlagen ein, indem sie den Bedarf an riskanten Fehlerdiagnose-Prozeduren reduzieren. Bedingt durch den Anbringungsort versorgen vorwiegend Batterien die Störmelder, sodass ein geringer Stromverbrauch wünschenswert ist. Überdies gibt es bei Störmeldern die Option der drahtlosen Konnektivität, um mit Handheld-Geräten oder Terminals am Fuß des jeweiligen Freileitungsmasts oder der jeweiligen Struktur kommunizieren zu können.

ECKDATEN

Intelligente Störmelder ermitteln präzise, in welchem Abschnitt ein Fehler auftritt, und geben das an eine zentrale Stelle weiter. Dazu sind sie ständig mit der Zentrale verbunden und mit einem FRAM-Mikrocontroller ausgestattet, der den Betriebszustand überwacht.

Neu entwickelte, wenig Strom verbrauchende Mikrocontroller und drahtlose Konnektivitätstechnik haben die Entwicklung intelligenter Störmelder möglich gemacht. Bild 2 illustriert deren mögliche Verwendungsweise. Es zeigt auch, dass die Störmelder an den Verbindungsstellen des Freileitungsnetzes angebracht sind. Per Funk erhalten die Remote Terminal Units (RTUs), die sich an den Masten befinden, die gemessenen Temperaturen und Ströme in den Leitungen. Die RTUs wiederum sind mit einem GSM-Modem ausgestattet, um die Daten über das Mobilfunknetz in Echtzeit an die Zentrale zu übermitteln. Auf umgekehrtem Weg kann die Zentrale steuernd in die Störmelder eingreifen und Diagnosen mit ihnen durchführen. Im Fall von Erdkabeln sind die Störmelder per Leitung mit der RTU verbunden.

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Bild 1: Beispiel eines Störmelders für Freileitungen. Texas Instruments

Man kann einen intelligenten Störmelder auch als vernetzten Störmelder bezeichnen, da er stets mit der Zentrale verbunden sein kann. Diese dauerhafte Verbindung bietet mehrere Vorteile. Der erste besteht in der Möglichkeit der Fernüberwachung von der Zentrale aus, so muss das Wartungspersonal des Energieversorgungsunternehmens (EVU) eine Störung nicht erst vor Ort suchen. Außerdem kann ein intelligenter Störmelder fortlaufend die Temperatur und den Strom überwachen, sodass die Steuerzentrale stets in Echtzeit über den Betriebszustand des Verteilnetzes informiert ist. Mithilfe dieser zusätzlichen Informationen können EVUs etwaige Störungen schnell einkreisen, um etwaige Stromausfälle möglichst kurz zu halten oder bestenfalls schon zu reagieren, noch bevor es tatsächlich zu einem Ausfall kommt. Nicht zuletzt hat das Personal in der Zentrale die Möglichkeit, in entsprechenden Intervallen auch die Störmelder selbst einer Diagnose zu unterziehen, um sich von ihrer ordnungsgemäßen Funktion zu überzeugen.

Da die Stromversorgung der Störmelder über Batterien erfolgt und sie sich an Stromleitungen befinden, hat ein geringer Stromverbrauch der Störmelder höchste Priorität. Dementsprechend gehört die Wahl des richtigen Mikrocontrollers zu den wichtigen Design-Entscheidungen. Neben den konventionellen, steuerungsbezogenen Funktionen haben hochintegrierte analoge Funktionen in einem Mikrocontroller dazu beigetragen, den Umfang externer analoger Frontend-Schaltungen zu verringern und den Stromverbrauch des Gesamtsystems zu senken. Die Qualität eines Störmelders wird folglich dadurch bestimmt, welche Features der verwendete Mikrocontroller unterstützt.

Bild 2: Beispiel eines Systems mit intelligenten Störmeldern

Bild 2: Beispiel eines Systems mit intelligenten Störmeldern. Texas Instruments

Abgesehen vom äußerst niedrigen Stromverbrauch dieser Bauelemente bietet der FRAM-Speicher (Ferroelectric Random Access Memory) die Fähigkeit zur schnellen Datenaufzeichnung und zur Speicherung der Daten auch bei einem Ausfall der Stromversorgung.

Die Funktionsabschnitte intelligenter Störmelder

In Bild 3 ist das Blockschaltbild eines intelligenten Störmelders auf Basis eines FRAM-Mikrocontrollers der Reihe MSP430 von TI zu sehen. Der Stromwandler erzeugt eine analoge Spannung, die proportional zum Strom in der Leitung ist. Der Operationsverstärker übernimmt die Aufbereitung (Verstärkung und Filterung) des Signals, das anschließend der im Mikrocontroller enthaltenen A/D-Wandler (ADC) digitalisiert. Als nächstes erfolgt eine Datenanalyse mit dem digitalen Datenstrom aus dem ADC. Wie Bild 3 zeigt, ist der Ausgang des Operationsverstärkers auch mit einem Komparator im Mikrocontroller verbunden. Dieser Komparator erzeugt ein Flagsignal für die CPU im Mikrocontroller, sobald der Eingangspegel einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Die Analyse der Strommesswerte kann im Zeit- oder Frequenzbereich erfolgen. Sollte der Verlauf des Stroms in der Stromleitung weit von einer Sinuswelle abweichen und die Unregelmäßigkeit der Wellenform ein Problem darstellen, ist eine Spektralanalyse gelegentlich die unkompliziertere Methode, den Zustand der Leitung zu beurteilen.

Beträgt die maximal interessierende Frequenz 100 Hz, muss das System den Leitungsstrom mindestens alle 5 ms abtasten. Eine FFT-Operation (Fast Fourier Transform) über 64 Punkte liefert ein Spektrum von 0 bis 100 Hz mit einer Auflösung von 3 Hz. Bei 16 MHz Taktfrequenz benötigt die CPU des MSP430-Mikrocontrollers ungefähr eine Millisekunde zur Ausführung einer solchen FFT-Operation. Mit einem Operationsverstärker müssen Entwickler auch Tiefpassfilter implementieren, um die von hochfrequenten Störungen erzeugten Alias-Effekte zu eliminieren. Anhand des Ergebnisses der Spektralanalyse lässt sich bestimmen, ob der Leitungsstrom in Ordnung ist.

Bild 3: Blockschaltbild eines intelligenten Störmelders auf Basis eines FRAM-Mikrocontrollers der MSP430-Reihe

Bild 3: Blockschaltbild eines intelligenten Störmelders auf Basis eines FRAM-Mikrocontrollers der MSP430-Reihe. Texas Instruments

Eine wichtige Größe, die Auskunft über den Betriebszustand der Leitung gibt, ist außerdem die Leitungstemperatur. Der Temperatursensor gibt normalerweise eine Spannung aus, die der im Mikrocontroller enthaltenen ADC einfach verarbeiten kann.

Ist die Verarbeitung abgeschlossen, überträgt der Störmelder die Ausgangsdaten per Funk an die RTU. Für diese Übertragung wird in der Regel die Sub-Gigahertz-Technik genutzt, um die erforderliche Übertragungsdistanz und einen möglichst geringen Stromverbrauch zu erreichen. Im Fall von Erdkabeln kann die Datenausgabe dagegen über eine RS-485-Schnittstelle erfolgen. Wenn es die Sicherheitsvorgaben des Systems verlangen, muss der Mikrocontroller die Daten möglicherweise verschlüsseln. Erkennt der Störmelder eine Unregelmäßigkeit, so zeigt er dies durch das Aufleuchten einer LED an.

Da der Störmelder entweder an einer Freileitung oder einem Erdkabel angebracht wird, ist er nach erfolgter Installation nur noch schwer zugänglich, allerdings erfolgt seine Stromversorgung über Batterien. Aus diesem Grund ist eine lange Batterielebensdauer entscheidend. Um die Stromentnahme aus der Batterie zu minimieren, bieten sich zwei Maßnahmen an.

Welche Nutzen der Mikrocontroller noch hat, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Nutzung der Stromspar-Modi des Mikrocontrollers

Zwischen den Abtastungen des Leitungsstroms und wenn keine Datenverarbeitungen nötig sind, lässt sich der Mikrocontroller in einen Low-Power-Modus versetzen. Auch der Operationsverstärker sollte in diesen Phasen nicht aktiv sein. Die Stromaufnahme des MSP430 FRAM-Mikrocontrollers im Standby-Modus liegt zwischen 0,4 µA und 1 µA.

Energy Harvesting

Das Blockschaltbild in Bild 3 zeigt zwei mögliche Quellen, bei denen Energy Harvesting möglich ist, nämlich das Sonnenlicht oder die Stromleitung mithilfe eines Stromwandlers. Der Power-Management-Baustein ist eigens dafür ausgelegt, aus verschiedenen hochohmigen Gleichspannungsquellen wie etwa einem Solarpanel eine im Mikrowatt- bis Milliwattbereich liegende Leistung zu extrahieren. Die Batteriemanagement-Funktionen stellen dabei sicher, dass der Akku durch die geerntete Energie nicht überladen wird. Ebenfalls integriert ist ein hocheffizienter Nanopower-Abwärtswandler, der eine zweite Versorgungsspannung für das Zielsystem bereitstellt.

Die FRAM-Mikrocontroller der Serie MSP430

Die FRAM-MCUs der Reihe MSP430 bieten sich für die Störmelder-Applikation an, weil sie einen eingebetteten FRAM-Speicher mit einer ganzheitlichen, wenig Strom aufnehmenden Systemarchitektur verbinden, sodass Innovatoren höhere Performance mit geringeren Energiebudgets kombinieren können. Die FRAM-Technologie verbindet die Geschwindigkeit, Flexibilität und Endurance von SRAM-Speichern mit der für Flash-Speicher typischen Stabilität und Zuverlässigkeit, und dies bei deutlich weniger Stromverbrauch.

Abgesehen von den bei allen Bausteinen der FRAM-MCU-Familie vorhandenen Features verfügt der MSP430FR5994 als Spitzenmodell der Reihe über einen Low Energy Accelerator (LEA) für das Signalverarbeitungs-Modul, damit dieses für Anwendungen mit extrem geringer Leistungsaufnahme mit DSP-Funktionalität (digitale Signalverarbeitung) aufwarten kann.

Der LEA ist ein proprietärer Beschleuniger von TI speziell zur Ausführung vektorbasierter Arithmetik und für Signalaufbereitungs-Funktionen. Die gängigsten LEA-Operationen sind FFT, FIR-Filter (Finite Impulse Response), IIR-Filter (Infinite Impulse Response) sowie Matrizen-Multiplikationen, -Additionen und -Subtraktionen.

Das LEA-Modul arbeitet vollkommen unabhängig von der CPU und kann auch dann arbeiten, wenn sich die CPU im Low-Power-Modus befindet. Mit nur 67 µA/MHz nimmt die LEA-Funktion etwa 30 Prozent weniger Strom auf als die CPU. Zum Beispiel benötigt das LEA-Modul nur 3060 Zyklen für die Verarbeitung einer komplexen FFT-Operation über 128 Punkte. Die CPU eines MSP430-Mikrocontrollers mit DSP-Bibliothek würde für die gleiche Berechnung dagegen etwa 34.960 Zyklen benötigen. Für eine komplexe FFT-Operation über 128 Punkte verbraucht das LEA-Modul nur etwa 6 Prozent der Energie anderer MSP430-MCU-CPUs. Dank dieser Vorzüge ist das LEA-Modul eine hervorragende Wahl, wann immer es um rechenintensive Operationen geht.

Energy Harvesting und Kommunikation

TI bietet eine umfangreiche Familie an Bausteinen für das Ernten von Energie aus Solarzellen und anderen Quellen an. Der bq25570 wurde speziell dafür konzipiert, mit hoher Effizienz Leistungen im Mikrowattbereich aus hochohmigen DC-Quellen wie etwa Solarzellen oder thermoelektrischen Generatoren (TEG) zu extrahieren, ohne dass diese Quellen kollabieren. Die Batteriemanagement-Features verhindern ferner, dass der angeschlossene Akku durch die extrahierte Energie überladen wird, wobei die Spannung durch eine angeschlossene Last bis außerhalb der sicheren Grenzen erhöht oder verringert würde. Neben der hocheffizienten, als Hochsetzsteller wirkenden Ladeschaltung ist in den bq25570 auch ein Nanopower-Abwärtswandler mit hohem Wirkungsgrad integriert. Dieser dient zur Bereitstellung einer zweiten Versorgungsspannung für Systeme wie zum Beispiel drahtlose Sensornetzwerke, die in Bezug auf die Stromversorgung und den Betrieb sehr strikte Anforderungen stellen. Alle diese Funktionen des bq25570 sind in ein platzsparendes, 3,5 × 3,5 mm großes QFN-Gehäuse mit 20 Anschlüssen integriert (RGR).

Bei dem Energy Harvester BoosterPack Plug-In Module handelt es sich um ein Referenzdesign in Form eines mit dem bq25570 bestückten Evaluation Moduls, das Energie aus einer Vielzahl von Stromquellen oder aus den auf der Leiterplatte angebrachten Solarzellen ernten kann, um ein beliebiges stromsparendes TI LaunchPad Kit zu versorgen. Dieses Design stellt eine hochintegrierte Power-Management-Lösung dar, die sich hervorragend für Anwendungen mit niedrigster Leistungsaufnahme eignet.

Zhaohong Zhang

Systems Engineer bei Texas Instruments

Peter Chung

Systems Engineer bei Texas Instruments

(prm)

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