Diagnose und Überwachung von Smart Grids
EDF und Micropelt experimentieren mit autarken Sensoren für Hochspannungsleitungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Einsatzmöglichkeiten energieautarker Sensorknoten
Weitere Einsatzmöglichkeiten energieautarker Funksensorik im Umfeld der Energieversorger lieferten zusätzliche Motivation für die durchgeführten Tests. Die Überwachung von Schalt- und Sicherungskomponenten des Stromnetzes und der Umspannstationen auf Schwingungen, Betriebstemperaturen und andere Parameter, können über den Anlagenzustand, insbesondere unter hoher Last, Aufschluss geben und damit helfen, unerwartete Ausfälle durch rechtzeitige Wartungsmaßnahmen weitgehend zu verhindern. Durch die bisher aus Kostengründen nicht vorhandene Dauerüberwachung soll die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit der Stromnetze auch unter den schwierigen und oft unvorhersagbaren Lastbedingungen sichergestellt werden, verursacht durch die Einspeisung erneuerbarer Energien und Smart-Grid-Regelmechanismen.
Der von Micropelt entwickelte Sensorknoten kann die Betriebszustände von Infrastrukturelementen ohne Batterieversorgung durchführen. Die Energie für den Betrieb des Sensorsknotens liefert ein Harvester, der auf einem thermoelektrischen Generator beruht (TEG) und die Energie aus Temperaturunterschieden der Umgebung gewinnt.
Auf Basis dieser TEGs hat Micropelt mit dem TE-Power MOTE einen autarken Sensorknoten aufgebaut, den der französische Versorger EDF in seinem 100-kV-Laboratorium in Moret sur Loing (Site des Renardières) unter Hoch- und Mittelspannungsbedingungen getestet hat. Während dieses Tests saß das TE-Power MOTE auf einem Kabel, über das Stromstärken von 800 bis 1200 A flossen. Der Temperatursensor des TE-Power MOTE, der die Temperatur des Seils misst, nahm unter Versuchsbedingungen seine Arbeit innerhalb einiger Minuten auf, nachdem der Strom durchs Seil floss. Die Energie, die der Harvester lieferte, reichte aus, um die Temperatur des Seils kontinuierlich zu überwachen.
Auf dem TE-Power MOTE hat Micropelt neben dem Harvester und dem Sensor einen Mikrocontroller und eine 2,4- GHz-Funkeinheit integriert. Der Sensorknoten ist gegen Staub und Feuchtigkeit geschützt (IP47/IP48) und widersteht Vibrationen und Temperatur-Schocks. Solange dem TEG eine Temperaturdifferenz von 10 bis 15 °C zur Verfügung steht, kann der Sensorknoten einmal pro Sekunde per Funk an eine Basisstation senden.
Im Testaufbau war der TE-Power-MOTE über einen Aluminium-Adapter direkt mit dem Seil verbunden. 5 Minuten nach Start des Stromflusses nahm er seine Arbeit auf. Er hat unter wechselnden Stromstärken und verschiedenen Umgebungstemperaturen Temperaturen zwischen 30 und 90 °C gemessen. Die bei einem Strom von 1200 A auftretenden Magnetfelder in einer Größenordnung von knapp 10 mT wirkten sich auf seine Arbeit nicht merklich aus.
Im getesteten Sensorknoten arbeitete ein Funksensor, der für lokale Funküberwachung mit geringen Reichweiten ausgelegt ist. Für die Überwachung von Hochspannungsleitungen ausgelegte Systeme sollen allerdings über die bestehende Mobilfunk-Infrastruktur kommunizieren. Der funktionalen Untersuchung wurde also eine auf den recht hohen Energiebedarf einer SMS zugeschnittene Energiebilanz-Untersuchung nachgestellt.
Die Untersuchungen zeigten, dass der TE-Power MOTE bei Strömen zwischen 800 und 1200 Ampère und Spannungen bis 35 kV (35.000 Volt) problemlos funktionierte, und jede Sekunde einen Messwert an einen PC übertrug. Bei einer Strombelastung von 900 A produzierte das Energy Harvesting System von Micropelt 2,3 mW elektrische Dauerleistung. Bei höheren Spannungen bis 240 kV je Leitung half eine improvisierte, sogenannte Korona-Barriere Funkstörungen erfolgreich zu vermeiden. Ein für den Einsatzfall optimiertes Gerät, so der Testbericht, würde also an mehrphasigen Hochspannungsleitungen bis 420 kV funktionieren.
Die Übertragung von Messwerten als SMS benötigt etwa die 20.000-fache Energiemenge der im Testgerät implementierten Kurzstrecken-Funktechnologie. Um eine solche Übertragung durchführen zu können, muss der Harvester zunächst einen entsprechend groß ausgelegten Energiespeicher aufladen. Je nach Erwärmung des Stromkabels wurden hierfür zwischen 4,5 und 18 h Ladezeit bei Verwendung eines einzelnen Chip-Thermogenerators ermittelt. Um die wünschenswerten zweistündigen Messungen zu gewährleisten, wären also Optimierungen der Energieeffizienz am GSM-Funksystem, und ggf. die Verwendung mehrerer Thermogeneratoren erforderlich.
Der Testbericht summiert die Testergebnisse so: »Bei klarer Vorgabe der Funktionen und unter Einsatz eines optimierten Funksystems (z.B. GPRS) kann ein energieautarker Funksensor für die Überwachung und Diagnose an Hochspannungsleitungen und Umspanneinrichtungen entwickelt werden.«
- EDF und Micropelt experimentieren mit autarken Sensoren für Hochspannungsleitungen
- Einsatzmöglichkeiten energieautarker Sensorknoten
Lesen Sie mehr zum Thema
