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Konzeption und Aufbau eines Messsystems für die Effizienz-Diagnose von Wohngebäuden

Lehrstuhl: ie³ - Abteilung EEF

Betreuer: Jonas Hinker, Thomas Wohlfahrt,

Beginn ab: SS 2016

Maximale Anzahl der Teilnehmer: 6

Beschreibung: Die Wechselwirkungen von verschiedenen Verteilnetzen (Strom, Gas, Fernwärme) sind bisher unzureichend untersucht worden. Für die detailgetreue Simulation ergibt sich die Schwierigkeit, dass die auftretenden Verbrauchs- und Einspeisemuster zeitlich synchron erfasst werden müssen.

In dieser Projektarbeit soll ein Messsystem aufgebaut werden, dass die zeitlich gleichzeitig auftretenden Verbräuche greifbar macht. Das entstehende Messsystem könnte unter anderem Daten wie die Vor- und Rücklauftemperatur, den Gasverbrauch sowie die Außentemperatur erheben, um Heizenergiebedarfe zeitlich aufzulösen und gleichzeitig Details über die Arbeitspunkte der Anlagentechnik zu erlangen. Gleichzeitig soll aber auch eine kombinierte Auswertung mit dem Stromverbrauch vorgenommen werden, um so Rückschlüsse auf Wechselwirkungen mit dem Netz ziehen zu können.

Um die Messdaten später in einer integralen Simulation verwenden zu können, sollen Charakteristika abgeleitet werden und ein bestehendes JAVA-Tool derart weiterentwickelt werden, dass eine schnelle Parametrierung die abgeleiteten Charakteristika präzise wiedergibt.

Mögliche Arbeitspakete sehen wie folgt aus:

AP1: Datenbanken
- Aufbau eines Entity-Relation-(ER-)Datenbankschemas
- Auswahl und Setup adäquater Datenbanken für die Systeme Mikrocontroller und Auswerte-PC (SQLite, mySQL, flat-file, RRD-Tool, …)
- Hardware- und Software-seitige Transferfunktionalität via Funk
- USB-Dongle? Watchdog? Access-Point-Mode oder Verbindung zu vordefinierten SSIDs? FTP-Server?
- CPU-Auslastung des Mikrocontrollers? Gleichzeitiges Weiterloggen!

AP2: Auslegung eines robusten Polling- und Fehlerprüfungskonzepts
- Polling-Konzept für Sensoren und Probe Interfaces inkl. systematischer Ableitung der erforderlichen zeitlichen Auflösung
- Auswahl adäquater Hardware (Mikrocontroller-seitig)
- Implementation des Polling-Codes (Schnittstelle zu AP1: Datenbanken) bzw. von Modulen zur Anbindung herstellerspezifischer Gasheizungen etc.
- Prüfen der vorliegenden (gemessenen) Daten auf Fehler und Ausreißer
- Aggregation hochaufgelöster Daten zu weniger hoch aufgelösten Daten unter Beibehaltung der relevanten Charakteristika (Spitzenlast, Mittelwerte, Kurvenform, …)

AP3: Aufbau eines Datenexplorers zur Visualisierung
- Erstellen eines Tools zur Visualisierung der markanten Charakteristika
- Hierzu u.a. Auswahl geeigneter Hilfssoftware soweit möglich (Matlab, Excel, SQL-Server, …)
- Prüfen der Robustheit für große Datenmengen

AP4 (parallel): Exemplarische Messung von elektrischen Lasten im Haushalt
- Zur Validierung und als Input für die verschiedenen Designschritte soll parallel das AP4 bearbeitet werden. Erste Messreihen werden durch das Institut bereitgestellt

AP5: Konzeption und Anwendung eines Algorithmus zur Geräteerkennung
(Stichwort: NIALM – „non-intrusive load appliance monitoring“)
- Aufbau eines Algorithmus des Maschinellen Lernens zur Klassifizierung elektrischer Verbraucher
- Validierung der Funktionsweise und Bestimmung der Erkennungsrate anhand von Testmessungen
- Verfeinerung der Ergebnisse anhand zusätzlich vorliegender Klassifikationsdaten, wie etwa Temperaturen (innen/außen), Gasverbrauch etc.

AP6: Generierung von synthetischen Zeitreihen für die elektrischen Lasten in Haushalten
- Erstellung von Zeitreihen anhand bekannter installierter Geräte
- Erweiterung eines am ie³ entwickelten JAVA-Tools zur einfachen Parametrierung anhand von gemessenen Zeitreihen
- Evaluierung der Ähnlichkeit der gemessenen und der synthetisch erzeugten Zeitreihen im zeitlichen Verlauf sowie anhand der charakteristischen Merkmale