Simulation of powerline communication technologies in SmartGrid scenarios with OMNeT++

Diese Dissertation befasst sich mit der Implementierung von Powerline-Modulen für, sowie der simulatorischen Eignungsprüfung und dem Vergleich von gängigen Powerline-Kommunikationstechnologien/Realisierungen (Schmalband & Breitband, Access & InHouse) in einem SmartGrid-Umfeld. Diese Arbeit ist in das EEnergy-Projekt „E-DeMa“ eingebettet. Die Grundlage der Simulation ist hierbei das Programm OMNeT++ mit dem INET-Framework das auf einer Eclipse-C++ Umgebung fußt. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Implementierung von PLC-Modulen („Power Line Communication“) für das INET-Framework, welches bereits zahlreiche Technologien, z.B. Ethernet, als fertige Module verfügbar hat – aber eben noch nicht Powerline. Derartige Module sind für dieses Framework noch in keiner Weise verfügbar, und das Interesse bei Präsentationen, sowie Anfragen im Nachgang von Veröffentlichungen (siehe Anhang) haben gezeigt, das auch externes Interesse besteht, solche Module zur Verfügung zu haben. Abgegrenzt werden muss diese Implementierung allerdings von den zahlreichen Simulationen, die es bereits für den physikalischen Layer von PLC gibt, z.B. auch mit Hilfe/Unterstützung von digitalen Signalprozessoren. Die Komplexität dieses Layers und seine Besonderheiten schränken die Simulationsgröße zwingend auf wenige Teilnehmer ein. Will man ein SmartGrid (oder auch nur einen Teil davon, z.B. einen Straßenzug) als Ganzes simulieren/betrachten, müssen bestimmte Vereinfachungen getätigt werden, und der Fokus wandert vom physikalischen Layer zu höheren Schichten wie Medienzugriff, Vermittlung und Transport. Der physikalische Layer wird hier nur noch durch statistische Prozesse abgebildet, um die Komplexität im Rahmen zu halten. Dieser (Implementierungs-)Teil ist dabei nicht nur eine Beschreibung der durchgeführten Arbeit, sondern zeigt auch, wie zukünftige oder experimentelle Technologien von Dritten durch Änderungen der Konfigurationsdateien nachgeahmt, und dann auch einfach und schnell simuliert werden können – denn die Module sind so aufgebaut, das sie aus grundlegenden Blöcken bestehen, und nach einem Baukastensystem beliebig zusammengesteckt werden können. Das Ziel der Anstrengungen sind zum einen die Verfügbarkeit einer PLC-Simulationsumgebung für (verhältnismäßig) kleine Netzwerke (etwa Haus oder Straßenzug) und zum Anderen die Bestimmung von mittleren Latenzen, die in diesen Netzen auftreten. Diese, mit Hilfe der vorher implementierten Module ermittelten, Laufzeiten fließen anschließend in ein stark vereinfachtes Kanalmodell ein, welches das Verhalten von PLC in sehr großen Netzwerken simulieren kann. Die detaillierte Simulation arbeitet für diese große Simulation quasi als Vorsimulation. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit den auf den Implementierungen basierenden Simulationen. Hierfür werden zum Einen für einen Vergleich die implementierten Module an reale verfügbare Produkte angenähert, und zum Anderen, durch Variation der Modem-Eigenschaften, simuliert, wie sich bestimmte Faktoren, z.B. mittlere Datenrate oder das verwendete Kanalzugriffsschema, auf Laufzeiten und Kanalzugriffsverzögerungen sich in typischen SmartGrid-Szenarien überhaupt auswirken. Um dies mit einem vertretbaren Aufwand hinzubekommen, bestehen die Modem-Module, wie schon angedeutet aus Grundelementen, z.B. einem CSMA- und/oder TDMA-Modul, das mit anderen Eigenschaften/Modulen so kombiniert wird, dass das Verhalten eines konkreten, am Markt verfügbaren, Gerätes möglichst exakt nachgebildet werden kann. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit wird mit der Untersuchung von „Viele inkompatible Systeme auf einem Medium“-Szenarien und der Untersuchung von MIMO-PLC neben den interessanten Ergebnissen auch gezeigt, wie vielfältig man die PLC-Module eigentlich einsetzen kann.This doctoral thesis deals with the implementation of PLC (narrowband and broadband, inhouse and access) technologies in OMNeT++ with focus on Smart Grid scenarios

The Ramsey method in high-precision mass spectrometry with Penning traps: Experimental results

The highest precision in direct mass measurements is obtained with Penning trap mass spectrometry. Most experiments use the interconversion of the magnetron and cyclotron motional modes of the stored ion due to excitation by external radiofrequency-quadrupole fields. In this work a new excitation scheme, Ramsey's method of time-separated oscillatory fields, has been successfully tested. It has been shown to reduce significantly the uncertainty in the determination of the cyclotron frequency and thus of the ion mass of interest. The theoretical description of the ion motion excited with Ramsey's method in a Penning trap and subsequently the calculation of the resonance line shapes for different excitation times, pulse structures, and detunings of the quadrupole field has been carried out in a quantum mechanical framework and is discussed in detail in the preceding article in this journal by M. Kretzschmar. Here, the new excitation technique has been applied with the ISOLTRAP mass spectrometer at ISOLDE/CERN for mass measurements on stable as well as short-lived nuclides. The experimental resonances are in agreement with the theoretical predictions and a precision gain close to a factor of four was achieved compared to the use of the conventional excitation technique.Comment: 12 pages, 14 figures, 2 table

Buffer-gas cooling of ion beams

The cooling action of a buffer gas on ions contained within it can be used to cool an ion beam, thereby greatly improving its emittance and energy spread. It can also be used to greatly enhance the collection of an ion beam in an electromagnetic trap. The basic principles will be introduced in the context of the development of a system for cooling ISOLDE beams for the ISOLTRAP facility

Dark energy, antimatter gravity and geometry of the Universe

This article is based on two hypotheses. The first one is the existence of the gravitational repulsion between particles and antiparticles. Consequently, virtual particle-antiparticle pairs in the quantum vacuum may be considered as gravitational dipoles. The second hypothesis is that the Universe has geometry of a four-dimensional hyper-spherical shell with thickness equal to the Compton wavelength of a pion, which is a simple generalization of the usual geometry of a 3-hypersphere. It is striking that these two hypotheses lead to a simple relation for the gravitational mass density of the vacuum, which is in very good agreement with the observed dark energy density

Position-sensitive ion detection in precision Penning trap mass spectrometry

A commercial, position-sensitive ion detector was used for the first time for the time-of-flight ion-cyclotron resonance detection technique in Penning trap mass spectrometry. In this work, the characteristics of the detector and its implementation in a Penning trap mass spectrometer will be presented. In addition, simulations and experimental studies concerning the observation of ions ejected from a Penning trap are described. This will allow for a precise monitoring of the state of ion motion in the trap.Comment: 20 pages, 13 figure

Q-value of the superallowed beta decay of Ga-62

Masses of the radioactive isotopes 62Ga, 62Zn and 62Cu have been measured at the JYFLTRAP facility with a relative precision of better than 18 ppb. A Q_EC value of (9181.07 +- 0.54) keV for the superallowed decay of 62Ga is obtained from the measured cyclotron frequency ratios of 62Ga-62Zn, 62Ga-62Ni and 62Zn-62Ni ions. The resulting Ft-value supports the validity of the conserved vector current hypothesis (CVC). The mass excess values measured were (-51986.5 +-1.0) keV for 62Ga, (-61167.9 +- 0.9) keV for 62Zn and (-62787.2 +- 0.9) keV for 62Cu.Comment: 12 pages, 3 figures, 2 tables, submitted to Phys. Lett. B. v2: added acknowledgement

Aktuelle Entwicklung der nationalen und internationalen EMV-Normung von Elektrofahrzeugen und deren Ladeinfrastruktur

Elektro- und Hybridfahrzeuge, in Verbindung mit der Einspeisung durch regenerative Energiequellen, werden aufgrund der zu erwartenden steigenden Energiekosten, bei gleichzeitigem Zwang zur Verringerung der CO2-Emissionen, zukünftig zwangsläufig einen höheren Stellenwert einnehmen [Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU): Leitstudie 2008. Weiterentwicklung der "Ausbaustrategie Erneuerbare Energien" vor dem Hintergrund der aktuellen Klimaschutzziele Deutschlands und Europas, Berlin, Oktober 2008]. So zeigte die Internationale Automobilausstellung 2013 in Frankfurt eine Vielzahl an ausgereiften Hybrid- und Elektrofahrzeugen, die fast ausnahmslos noch in 2013 in den Markt gebracht werden sollen. Für einen nachhaltigen Erfolg der Elektromobilität ist es allerdings absolut erforderlich, neben marktfähigen Fahrzeugen eine funktional sichere Ladeinfrastruktur anzubieten. Damit sind die Sicherheits- und Funktionalitätsanforderungen an alle Produkte der Elektromobilität extrem hoch. Folglich sind die Interoperabilität von Ladeinfrastruktur und Fahrzeug, sowie das Zusammenspiel beider Systeme unter allen möglichen Umweltbedingungen und Parameterstreuungen wesentlich. Zu den Umweltbedingungen zählen neben den klimatischen und mechanischen Einflüssen auch die elektromagnetischen Einflüsse, wie z.B. Radiosender, Mobiltelefone und die Störungen, die von den beteiligten Systemen selbst ausgehen, bzw. deren Empfindlichkeit untereinander [Adolf J. Schwab, Wolfgang Kürner:, Elektromagnetische Verträglichkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007]. Im Folgenden werden einige als kritisch zu betrachtende Aspekte der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), getrennt nach den Besonderheiten der speziellen Ladeverfahren und damit ihrer Schnittstelle zum Energieversorgungsnetz dargestellt. Des Weiteren wird ein Einblick in die aktuelle Normungssituation bezüglich der EMV-Anforderungen an Elektrofahrzeuge (Hybrid, PHEV, EV) und Ladeinfrastruktur auf internationaler Ebene gegeben, die nicht unerheblichen Einfluss auf eine schnelle und vor allem für die Hersteller zukunftssichere Entwicklung haben

Magnetic field stabilization for high-accuracy mass measurements on exotic nuclides

The magnetic-field stability of a mass spectrometer plays a crucial role in precision mass measurements. In the case of mass determination of short-lived nuclides with a Penning trap, major causes of instabilities are temperature fluctuations in the vicinity of the trap and pressure fluctuations in the liquid helium cryostat of the superconducting magnet. Thus systems for the temperature and pressure stabilization of the Penning trap mass spectrometer ISOLTRAP at the ISOLDE facility at CERN have been installed. A reduction of the fluctuations by at least one order of magnitude downto dT=+/-5mK and dp=+/-50mtorr has been achieved, which corresponds to a relative frequency change of 2.7x10^{-9} and 1.5x10^{-10}, respectively. With this stabilization the frequency determination with the Penning trap only shows a linear temporal drift over several hours on the 10 ppb level due to the finite resistance of the superconducting magnet coils.Comment: 23 pages, 13 figure

Separated Oscillatory Fields for High-Precision Penning Trap Mass Spectrometry

Ramsey's method of separated oscillatory fields is applied to the excitation of the cyclotron motion of short-lived ions in a Penning trap to improve the precision of their measured mass. The theoretical description of the extracted ion-cyclotron-resonance line shape is derived out and its correctness demonstrated experimentally by measuring the mass of the short-lived $^{38}$Ca nuclide with an uncertainty of $1.6\cdot 10^{-8}$ using the ISOLTRAP Penning trap mass spectrometer at CERN. The mass value of the superallowed beta-emitter $^{38}$Ca is an important contribution for testing the conserved-vector-current hypothesis of the electroweak interaction. It is shown that the Ramsey method applied to mass measurements yields a statistical uncertainty similar to that obtained by the conventional technique ten times faster.Comment: 5 pages, 4 figures, 0 table