Design and implementation of a reliable modular grid frequency measurement system

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines hochgenauen und gleichzeitig kostengünstigen Systems zur flächendeckenden Messung der Frequenz des europäischen Energieversorgungsnetzes. Diese Information ist von großem Interesse, da sie Rückschlüsse über den momentanen Zustand des Versorgungsnetzes am jeweiligen Ort sowie über die Reaktion der Netzbetreiber auf eventuell auftretende Störungen zulässt. Ein weiteres Ziel ist es, Ausbreitungseffekte von Netzfrequenzvariationen durch das Messsystem nachvollziehbar zu machen. Deshalb wurde im Zuge dieser Diplomarbeit ein auf die Netzfrequenzmessung zugeschnittenes Anforderungsprofil spezifiziert, das zudem eine einfache Erweiterbarkeit des Systems durch einen modularen Aufbau vorsieht. Anschließend wurde basierend auf diesen Anforderungen ein umfassendes Systemdesign ausgearbeitet, wobei bei der Auslegung der Systemkomponenten besonderes Augenmerk auf das Zusam-menspiel von Hard- und Software gelegt wurde. Das Systemdesign wurde im weiteren Verlauf dieser Diplomarbeit durch einen Leiterplattenentwurf und durch die Entwicklung der zugehörigen Softwarekomponenten umgesetzt und umfasst neben dem eigentlichen Frequenzsensor und dem Microcontroller auch noch Module zur drahtlosen Kommunikation sowie zur Datenspeicherung, wobei die größte Herausforderung darin bestand die Messgenauigkeit des Systems zu verbessern und gleichzeitig dessen Herstellungskosten zu senken. Das Gesamtsystem wurde als Prototyp gefertigt, im Labor kalibriert und schließlich in Betrieb genommen. Die Auswertung der gesammelten Ergebnisse zeigt, dass das System die Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit erfüllt und dabei eine Kostenersparnis von 42% gegenüber der ursprünglich angestrebten Lösung erzielt.<br />

This master thesis covers the development of a highly accurate and at the same time economically viable system for the continent-wide acquisition of the frequency of the European power grid. This information is of great scientific interest as it reflects the current state of the power grid at the sensor location and the reaction of the power grid operators to disturbances of the grid frequency. It is an additional goal to make propagation effects of said disturbances comprehensible through the use of this measurement system. As a result, a requirements profile tailored for measuring the power grid frequency was specified in the course of this thesis that additionally ensures the extensibility of the system´s capabilities through its modular structure. A comprehensive system design based on these requirements was devised, with a particular focus on the interplay of hard- and software.<br />Subsequently, the present system design was realized through a printed circuit board and the development of the corresponding software components and includes, apart from the actual grid frequency sensor and the accompanying microcontroller, additional modules for wireless communication and data storage. The main challenge of this thesis consisted of improving measurement accuracy while at the same time complying with cost constraints. The complete system was manufactured as a prototype, calibrated at the laboratory and finally commissioned. An analysis of the results confirms that the device provides the required degree of accuracy and achieves a substantial cost reduction of 42% compared to the original solution.