Grazie alla tecnologia, la rete elettrica di distribuzione diventa più resiliente e affidabile

Spinti dalla necessità di rispettare i nuovi requisiti in ambito ambientale e sociale, la generazione di energia elettrica e i sistemi di distribuzione stanno subendo una trasformazione senza precedenti.

La rete elettrica statunitense comprende oltre 9.200 unità di generazione elettrica, con oltre 1 milione di MW di capacità di generazione, collegate a oltre 950.000 chilometri di linee di trasmissione.

La rete di distribuzione che collega gli impianti di generazione alle fabbriche, alle aziende e alle case si trova nel bel mezzo di un aggiornamento indispensabile, progettato per renderla più affidabile e resiliente. Utilizzando sensori avanzati nella generazione, nella trasmissione e nella distribuzione, gli operatori di rete possono monitorarne la salute, ottimizzare vecchie (e costose) risorse, rilevare guasti e ripristinare l’energia più rapidamente.

Ciò avrà un impatto minimo sui consumatori, ma aiuterà i proprietari delle risorse a gestirne l’affidabilità: I nuovi dati dalle risorse della rete offrono agli operatori una visione più approfondita sulle prestazioni dell’infrastruttura in modo che possano rispondere più rapidamente alle mutevoli condizioni della rete in base a mix di generazione mutevoli, eventi meteorologici estremi o problemi di sicurezza.

I sensori per smart grid consentono il monitoraggio remoto di apparecchiature come trasformatori e linee elettriche e facilitano la gestione delle risorse dal lato della domanda. Inoltre, i sensori per smart grid possono monitorare le condizioni meteorologiche e le temperature della linea elettrica, che possono essere utilizzate per calcolare la capacità di carico della linea.

Dal lato del carico, i contatori aiuteranno gli utenti a semplificare la migrazione verso una maggiore quantità di energia rinnovabile e verso la ricarica di veicoli elettrici (EV). Inoltre, i contatori intelligenti consentono il coinvolgimento dei consumatori nell’operare scelte migliori in base alle proprie esigenze energetiche.

Contatori connessi

Quella che un tempo era una rete di sistemi elettromeccanici con feedback minimo e carichi passivi è diventata una rete altamente automatizzata e gestita da dispositivi intelligenti e strategie di modernizzazione.

Il risultato è una rete di fornitura dell’energia maggiormente interconnessa, dalla generazione alla trasmissione, alla distribuzione fino all’utilizzo finale, che integra le risorse energetiche distribuite e garantisce una maggiore affidabilità e resilienza della rete.

La modernizzazione della griglia è un termine generico, che si riferisce generalmente alle azioni che rendono i sistemi elettrici più robusti, reattivi e interattivi. Nello specifico, tuttavia, questo documento riassumerà gli sviluppi in quattro elementi chiave della modernizzazione della rete:

• Digitalizzazione, in particolare nei contatori intelligenti, sensori e nodi di dispositivi ad ampia distribuzione attraverso la rete.
• Tecnologie di comunicazione e controllo per la gestione di risorse energetiche distribuite di ogni tipo.
• L’impatto dei veicoli elettrici e l’infrastruttura per la ricarica di veicoli elettrici.
• Gestione dei dati in tempo reale per protezione e controllo avanzati.

Il prossimo passo: contatori a batteria connessi per gas e acqua

Anche se le installazioni di contatori connessi sono iniziate dapprima con l’elettricità, sta prendendo piede anche l’adozione della lettura automatica dei contatori (AMR, automatic meter reading) e dei contatori intelligenti sul mercato dei contatori di flusso (gas, acqua, calore).

Per ridurre i guasti meccanici, migliorare la precisione e rendere smart i dispositivi, i contatori di gas e acqua beneficiano di:

• Misurazione del flusso ad ultrasuoni, ad elevata alta precisione e basso consumo energetico.
• Comunicazioni wireless a lunga distanza per garantire la connettività.
• Gestione intelligente dell’alimentazione per massimizzare l’efficienza e fornire almeno 10 anni di durata della batteria.

L’alimentazione dei contatori elettrici è ovvia: poiché le misurazioni sono prese su una linea elettrica, l’energia è disponibile nel punto in cui si trova il contatore elettrico. La tecnologia a batteria è invece la norma nella metrologia per gas e acqua, il che aumenta nettamente le difficoltà in quanto il budget energetico è molto più basso. Inoltre vi è anche un aspetto commerciale: in molte zone il gas e l’acqua sono gestiti da enti più piccoli rispetto ai fornitori di energia elettrica. Nella stessa zona potrebbero essere presenti un solo ente che possiede la rete di contatori elettrici, ma più aziende che forniscono acqua ai residenti.

I fornitori di servizi idrici o gas che desiderano aggiungere la capacità AMR si trovano inoltre di fronte alla scelta tra sostituire tutti i contatori esistenti e installare un modulo elettronico aggiuntivo per misurare con precisione la portata e trasmettere i risultati in modalità wireless. Tali moduli aggiuntivi offrono una soluzione economica per fornire funzionalità AMR ai consumatori, come mostrato dal Progetto di riferimento per misurazione del flusso d’acqua a bassa potenza con rilevamento induttivo di Texas Instruments (TI), reso possibile dal microcontroller wireless CC1350 SimpleLink™ (MCU) e dal transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) FemtoFET™.

In una rete di contatori per gas o acqua, il contatore intelligente è il sensore responsabile della raccolta dei dati di utilizzo e della segnalazione ai nodi di controllo a monte. La misurazione accurata a ultrasuoni aiuta a ridurre i guasti meccanici e consente una maggiore affidabilità del sistema. La misurazione a ultrasuoni elimina l’usura meccanica utilizzando un’architettura di sensori a stato solido senza componenti meccanici. L’introduzione del sistema di misurazione del flusso a ultrasuoni su chip (SoC, system on chip) ha notevolmente ridotto il costo per il passaggio a questa tecnologia.

I circuiti integrati e i progetti di riferimento di TI, leader nel settore per i contatori intelligenti per gas, acqua ed energia elettrica, aiutano i produttori di apparecchiature originali (OEM) a rispondere alle principali problematiche di progettazione per ottenere una maggiore precisione di misurazione e una maggiore durata della batteria.

Il Progetto di riferimento front-end per contatore dell’acqua ad ultrasuoni aiuta gli ingegneri a sviluppare un sottosistema di misurazione dell’acqua ad ultrasuoni utilizzando un front-end analogico (AFE) a rilevamento ultrasonico, che offre prestazioni metrologiche superiori con basso consumo energetico e massima integrazione. Il progetto si basa sul SoC MSP430FR6047 di rilevamento ad ultrasuoni. Il MSP430FR6047 offre un sottosistema di rilevamento ad ultrasuoni AFE integrato, che consente un’elevata precisione per un’ampia gamma di portate attraverso un approccio basato sull’acquisizione della forma d’onda. Inoltre il SoC MSP430FR6047 consente di ottenere misurazioni a bassissima potenza unite a costi di sistema inferiori grazie alla massima integrazione che richiede pochissimi componenti esterni.

Allo stesso modo, il Progetto di riferimento per il monitoraggio dello stato della batteria e del sistema per contatori di portata intelligenti a batteria consente misurazioni dell’energia estremamente accurate e proiezioni dello stato di salute con la previsione della durata della batteria. Il sottosistema di monitoraggio protegge anche dalle condizioni di sovracorrente, che possono ridurre drasticamente la durata della batteria.

Risorse energetiche distribuite come parte integrante della rete

Tradizionalmente la rete elettrica è stata considerata come una «strada a senso unico» con l’energia che scorre dalle linee di generazione, trasmissione e distribuzione centralizzate di proprietà degli enti verso i consumatori. Poiché l’energia solare e l’energia eolica inizieranno a costituire una quota maggiore della rete elettrica, la gestione dinamica diventerà sempre più prevalente. Gli enti arriveranno a vedere la rete elettrica come una rete maggiormente interconnessa, con un piccolo ma crescente numero di consumatori che generano energia elettrica con sistemi distribuiti su piccola scala. In altre parole, le case fungeranno alternativamente da unità di consumo e unità di generazione.

L’energia solare e l’energia eolica hanno zero emissioni di carbonio e, a differenza dei combustibili fossili, non sono influenzate dalla volatilità dei prezzi. Sempre più zone (specialmente quelle con abbondante luce solare o vento e con elevato costo dell’energia elettrica) stanno iniziando a raggiungere la grid parity, ossia il punto in cui il costo dell’energia rinnovabile è pari o inferiore al costo del combustibile fossile.

I microinverter fotovoltaici sono un segmento emergente nel settore dell’energia solare. La vasta gamma di driver del gate isolati e non isolati di TI, la catena di segnale per il rilevamento della corrente, i dispositivi di monitoraggio della tensione e le MCU sono in grado di gestire circuiti di controllo digitali rivolti a tutti i tipi di inverter, sia connessi alla rete che fuori rete, per massimizzare l’efficienza del sistema e aumentare la durata del prodotto.

Ricarica bidirezionale di veicoli elettrici per bilanciare la rete

Nel prossimo futuro i veicoli elettrici (automobili, autobus e camion) sostituiranno i veicoli alimentati da combustibili fossili. Inoltre, mentre il sistema di distribuzione dell’energia elettrica è stato progettato e costruito originariamente per soddisfare la domanda di picco e fornire energia passivamente attraverso un’infrastruttura radiale, una rete intelligente non solo facilita la scelta da parte del cliente, ma può essere gestita localmente, in remoto o automaticamente. La rete intelligente consente agli enti di tenere il passo dei cambiamenti nel comportamento dei consumatori (ad esempio, la ricarica della maggior parte delle batterie dei veicoli elettrici a casa avverrà probabilmente di notte lontano dalle ore di punta).

Le auto elettriche più performanti sono dotate di caricabatterie a bordo che rientrano nell’ambito dei 10 kW, che potrebbero passare presto a 15 kW o 20 kW per ridurre i tempi di ricarica, sebbene vi siano pochissimi altri dispositivi domestici che richiedano tale potenza, nemmeno i condizionatori d’aria.

L’idea dei caricabatterie bidirezionali porta con sé la possibilità di utilizzare un veicolo elettrico come elemento di accumulo a batteria. Ipotizziamo che il veicolo elettrico in garage possa percorrere 650 km con una sola carica, ma tramite i sistemi di comunicazione, il cloud computing e la griglia modernizzata l’auto «sa» che il proprietario non guiderà più di 80 chilometri il giorno dopo. Tecnicamente, non serve che la batteria sia completamente carica alle 7 del mattino, pertanto l’energia potrebbe essere estratta dall’automobile durante la notte per il consumo locale o essere rimessa in rete durante le ore di punta.

Ricarica intelligente dei veicoli elettrici

Inoltre, il miglioramento della qualità dell’energia sulla rete e la riduzione delle correnti armoniche prelevate richiedono la correzione del fattore di potenza, poiché molti dei carichi diretti sono in CC. Ad esempio, in un caricabatterie esterno rapido per veicolo elettrico a 20 kW, l’ingresso è un collegamento trifase in CA dalla rete e l’uscita della batteria è in CC.

Esistono molte topologie per la conversione attiva del fattore di potenza trifase. Il Progetto di riferimento per convertitore CA-CC a tre livelli, trifase, in carburo di silicio (SiC) si adatta bene a tale scopo, è in grado di convertire la potenza in modo bidirezionale e di utilizzare MOSFET SiC con frequenze di commutazione più elevate per migliorare l’efficienza e ridurre le dimensioni dei componenti magnetici per ridurre le dimensioni complessive del sistema. Questa topologia è scalabile in applicazioni smart grid a potenza maggiore come la ricarica di veicoli elettrici e gli inverter fotovoltaici. I MOSFET SiC con perdite di commutazione inferiori garantiscono tensioni del bus CC più elevate fino a 800 V e un’efficienza di picco > 97%.

Gestione dei dati in tempo reale

Gli enti di fornitura dell’energia elettrica stanno iniziando ad affrontare sfide importanti in aspetti chiave della loro attività a causa della continua e rapida trasformazione della rete.

Convenzionalmente le reti urbane si sono basate sulla distribuzione fuori terra tramite fili. Questo sistema porterà a scavare linee elettriche sotto terra perché non c’è spazio per ulteriori linee aeree nelle grandi città e perché le persone non amano veder passare i cavi elettrici sopra o davanti alle loro case.

In passato, gli enti di fornitura avevano metodi abbastanza semplici per trovare i guasti fuori terra: facevano guidare un furgone dell’assistenza lungo la linea elettrica fino a scoprire un cavo elettrico caduto, un albero appeso a un cavo o un mucchio di neve su un cavo. In tutti questi casi, la causa della caduta di corrente è abbastanza ovvia. Tuttavia, la modernizzazione della rete richiede l’uso di comunicazioni, misurazioni e sorveglianza in tempo reale, perché non è possibile notare visivamente i guasti sotterranei.

Pertanto, l’uso della gestione dei dati in tempo reale è diventato più importante che mai quando si tratta di collegare il sistema della rete di distribuzione. L’obiettivo è portare i dati nelle mani di coloro che possono sfruttarli al meglio. I moderni dispositivi mobili sono una piattaforma già disponibile per l’erogazione di dati e per il controllo della rete intelligente, al pari delle molteplici fonti di energia che integrano pannelli solari fotovoltaici e che costituiscono una microrete. Il Wi-Fi® e il Bluetooth® sono metodi ovvi per realizzare la connettività della rete o, se necessario, un’ulteriore opzione può essere l’utilizzo di un gateway intermedio.

Il Progetto di riferimento di TI per rete IoT: il collegamento di interruttori automatici e sensori ad altre apparecchiature tramite Wi-Fi è progettato per il monitoraggio delle risorse in tempo reale sulla rete intelligente. I principali vantaggi del progetto comprendono:

• Monitoraggio dello stato di salute delle risorse in tempo reale (monitoraggio dei livelli di corrente, tensione e temperatura tramite comunicazioni Wi-Fi).
• Aggiunta di capacità di trasferimento ridondanti ed a velocità variabile per applicazioni critiche.
• Backup per comunicazioni cablate all’interno della sottostazione.
• Miglioramento dei tempi di risposta per il rilevamento dei guasti.
• Riduzione dei tempi di inattività.

Dati in tempo reale

Il progetto mostra come l’integrazione del Wi-Fi sia una soluzione praticabile su apparecchiature per sottostazioni e interruttori residenziali in cui sia richiesta un’elevata velocità di trasmissione dati e un’ampia larghezza di banda. Inoltre, la connettività Sub-1 GHz è un’ulteriore tecnologia wireless applicabile nei casi in cui i dati debbano essere trasmessi a grande distanza con un basso consumo energetico per l’automazione delle sottostazioni e della distribuzione. Ciò è utile quando più nodi (ovvero gli indicatori di guasto) devono trasmettere i dati a un raccoglitore di dati in cui si deve formare una rete a stella.

Entrambe le tecnologie sono disponibili tramite la famiglia di MCU Arm® SimpleLink™ a bassissima potenza basate sul kit di sviluppo software (SDK) SimpleLink™ di base e che promuovono il riutilizzo del codice al 100% e il passaggio senza soluzione di continuità tra più tecnologie di connettività wireless.

Il Progetto di riferimento per rete IoT: collegamento di indicatori di guasto, raccoglitore dati, Mini-RTU utilizzando la RF Sub-1 GHz presenta una comunicazione wireless Sub-1 GHz in una rete a stella tra più nodi di sensori (in questo caso, indicatori di passaggio di guasto [FPI]) e un collettore che utilizza lo stack TI 15.4. Questo progetto è ottimizzato per un basso consumo energetico a corto raggio (< 50 m) utilizzando FPI a livello generale e un raccoglitore di dati nell’automazione della distribuzione come scenario applicativo.

Inoltre utilizza il CC1310 della famiglia SimpleLink™ di TI, che incorpora un transceiver Sub-1 GHz a radiofrequenza (RF) e una MCU Arm® Cortex®-M3. Lo stack TI 15.4 configura la comunicazione in modalità beacon sulle bande di frequenza degli USA, dell’Istituto Europeo per gli Standard nelle Telecomunicazioni (ETSI) e della Cina. I dati sul consumo di corrente sono disponibili per un trasferimento di dati a pacchetto singolo da 1 a 300 byte a una velocità di trasmissione di 50 Kbps ottimizzando i livelli di potenza di trasmissione (da 0 a +10 dBm) e gli intervalli di segnale (0,3 s – 5 s).

Conclusioni

Paesi, regioni ed enti sono impegnati a costruire la rete del futuro, trasformando la rete transitoria passiva, elettrica ed elettromeccanica in una rete elettronica attiva con controllo dinamico. Gli stimoli tecnologici per la modernizzazione della rete includono:

• Portare le tecnologie elettroniche e i dispositivi a semiconduttore nei contatori ai confini della rete.
• Integrare le risorse rinnovabili distribuite per la generazione.
• Adattarsi ai sistemi di trasporto dell’energia elettrica e alla loro infrastruttura di ricarica.
• Migliorare il monitoraggio, la protezione e il controllo della rete.

La modernizzazione della rete e dei controlli che comunicano e collaborano per fornire elettricità in modo più affidabile ed efficiente ridurrà notevolmente la frequenza e la durata delle interruzioni di corrente, diminuirà l’impatto delle tempeste e ripristinerà il servizio più rapidamente in caso di interruzioni. L’aggiornamento di un sistema obsoleto non sarà facile e non sarà realizzato rapidamente, ma alla fine si rivelerà utile per la società e per l’economia nei decenni a venire.

Texas Instruments dispone delle competenze tecnologiche e di sistema per aiutare a progettare una fornitura di energia efficiente e soluzioni più intelligenti per l’infrastruttura di rete che soddisfino gli standard di conformità globali e i modelli di carico futuri per un’affidabilità a lungo termine e per essere pronti alle sfide del futuro. Ulteriori informazioni sulle tecnologie di modernizzazione della rete di TI sono disponibili sul sito ti.com/grid.

 

Henrik Mannesson è Grid Infrastructure Sector General Manager presso Texas Instruments