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Digitaler Zwilling eines Wasserkraftwerks - Masterarbeit Master of Enginieering in Mechatronik

Digitaler Zwilling eines Wasserkraftwerks

04. Juli 2018 | 11:15 Autor: Prof. G. Nagel, N. Salzgeber, NTB FOLIO | Anzeige Vorarlberg, Deutschland, Liechtenstein, Schweiz

Die Digitalisierung hält Einzug in der Kraftwerkstechnik – Durch Optimierung, Effizienzsteigerung, Schwachstellenerkennung und Behebung kann ein Wasserkraftwerk wirtschaftlicher betrieben und somit Geld verdient werden.

Aufgrund einer veränderten Marktsituation sucht die Firma Repower AG nach Möglichkeiten, ihr Dienstleistungsportfolio weiter auszubauen. Der Bereich Leistungserbringung ist für die Planung, den Bau, den Betrieb und die Wartung von Kraftwerken und Verteilnetzen innerhalb der Repower AG verantwortlich. Um das Angebot für interne sowie externe Projekte zum Thema Wasserkraftwerke abzurunden, wurde die Entwicklung eines Steuergeräts für Turbinen, des sogenannten Turbinenreglers, beschlossen. Damit sollen die Kosten für Erneuerungsprojekte gesenkt werden.

Die Masterarbeit im Masterstudiengang Mechatronik befasst sich mit der Entwicklung eines digitalen Turbinenreglers. Diverse Funktionen – wie Steuerung Leitapparat, Leitschaufeln, Abschlussorgan, Nebensysteme, Druckregler, Drehzahlregelung, Last- / Pegelregelung, Lastabwurf, Sicherheit usw. – mussten dabei realisiert werden. Der Turbinenregler regelt diverse Zustandsgrössen wie zum Beispiel die Turbinendrehzahl, den Pegel und die abgegebene Leistung.

Modellbildung
Um ein Verständnis für die dynamischen Vorgänge zu erlangen, wird ein Kraftwerk in kleine Teilsysteme zerlegt. Das Kraftwerk lässt sich in den Speichersee, den Druckstollen, das Wasserschloss, die Druckleitung, die Turbine und den Generator gliedern. Basierend auf diesem Wissen wurden Simulationsmodelle aufgebaut und eine Simulationsbibliothek erstellt. Mithilfe der Simulation können Teilkomponenten des Wasserkraftwerks durch Parametervariationen optimiert sowie Schwachstellen und Fehler durch Testen von Extremsituationen entdeckt und behoben werden. Der Zeitaufwand für die aufwendige Parametrierung der Regler kann dadurch massiv reduziert werden, da keine reale Hardware für die Auslegung benötigt wird.

Simulation und Verifikation
Anhand von Messdaten aus dem Kraftwerk Taschinas der Repower wurde das System verifiziert.

Auf Basis der erarbeiteten Grundlagen und Modelle wurde das Konzept für den Turbinenregler entworfen. Dieses Konzept gliedert sich in zwei Strukturen – die Regelungs- und die Softwarestruktur, welche beide programmiersprachenunabhängig dargestellt werden. Anhand des Konzepts wurde der Turbinenregler auf einer Siemens SPS implementiert und getestet. Für den Test wird ein digitaler Zwilling einer Turbine (Software in the Loop Simulation) eingesetzt, dieser läuft ebenfalls auf der SPS und bietet einige Vorteile bei der Kontrolle der Software

In Zukunft kann die Simulationsbibliothek flexibel für die Optimierung oder die Neuentwicklung anderer Kraftwerke eingesetzt werden. Die modular aufgebaute Steuerung muss nur noch konfiguriert und anhand der Simulationsresultate parametriert und getestet werden. Dies führt zu grossen Zeit- und Kostenersparnissen.

Die Simulation ist für viele Anwendungen ein sehr wichtiges Hilfsmittel, um mechatronische Systeme zu optimieren und Kosten bei der Entwicklung bzw. der Inbetriebnahme einzusparen. Anwendungen können im Umfeld von dynamischen Systemen (Regelungs- und Steuerungstechnik), in der Mechanik und bei der Optimierung von Bewegungsabläufen sein.

Nicolaus Salzgeber hat vor dem Masterstudiengang Master of Engineering in Mechatronik an der NTB das Systemtechnikstudium in der Fachrichtung Elektronik und Regelungstechnik abgeschlossen.
«Die Praxis zeigt, dass die Projekte immer grösser und somit die Schnittstellen immer komplexer werden. Genau hier ist breites Fachwissen gefragt. Wenn man die Probleme und Chancen der einzelnen Teildisziplinen erkennt, entstehen Lösungen mit einem optimalen Kosten-Nutzen-Verhältnis. Ich habe mich aus verschiedenen Gründen für diesen Studiengang entschieden. Hauptsächlich, weil mich die Technik fasziniert und ich etwas dazulernen wollte. Zusätzlich ist der Masterstudiengang optimal für Studierende ausgerichtet, welche die Ausbildung berufsbegleitend absolvieren.

In diesem Studiengang habe ich diverse Methoden und Werkzeuge kennengelernt, um mechatronische Systeme über deren Grenzen hinaus zu verstehen und entsprechende Anwendungen zu realisieren. So freue ich mich, dass ich meine Masterarbeit in der Firma weiterführen und nächstens auf einer realen Turbine anwenden kann.»

Diese Masterarbeit wurde im Rahmen des berufsbegleitenden Masterstudiengangs Master of Engineering in Mechatronik (M.Eng.) durchgeführt. Der Masterstudiengang wird in Kooperation mit der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Gestaltung in Konstanz (HTWG) am NTB-Studienzentrum in St. Gallen angeboten. Er ist international anerkannt und akkreditiert.

www.ntb.ch/mechatronik-master

  • Turbinenregler und Interaktion mit den verschiedenen Komponenten eines Wasserkraftwerks.
    uploads/pics/NTB-FOLIO-2018-e040.jpg
  • Nicolaus Salzgeber
    uploads/pics/NTB-FOLIO-2018-e014.jpg

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