Come evitare la manomissione del contatore elettrico causata dallo scollegamento del neutro

Il furto di energia rappresenta una problematica notevole nel settore dei servizi pubblici e può avere un impatto finanziario sia sulle società di servizi sia sui consumatori finali.

La fatturazione precisa dell’elettricità usata dai consumatori richiede che i contatori elettrici misurino il consumo di energia durante il normale funzionamento e rilevino possibili manomissioni per aiutare a prevenire il furto di elettricità.

L’energia può essere rubata attraverso diverse tecniche di manomissione dei contatori che impediscono ai contatori di registrare accuratamente i consumi. Una di queste tecniche consiste nello scollegare il neutro da un contatore e collegare quindi il carico del consumatore alla messa a terra. L’hardening dei contatori elettrici contro questa tecnica costituisce un approccio proattivo per ridurre le manomissioni e contribuire a prevenire i furti. I contatori di elettricità devono essere in grado di rilevare gli scollegamenti del neutro e altri tipi di manomissione o essere hardened per prevenire il furto di energia.

Prima di addentrarci nella tecnica di manomissione con scollegamento del neutro è importante capire come funziona un contatore elettrico intelligente e come è collegato.

La Figura 1 mostra un esempio di collegamento di un contatore elettrico monofase. Il contatore elettrico è alimentato principalmente dalla rete, che viene fornita tra i collegamenti di linea e del neutro. In questa configurazione, la tensione tra Line_In e Neutral_In e la corrente rilevata attraverso uno shunt collegato tra Line_In e Line_Out entrano nel calcolo del consumo di energia.

La somma del prodotto tra tensione e corrente aiuta a calcolare la potenza attiva. La potenza attiva è anche equivalente al prodotto tra il valore efficace (RMS) della tensione e il valore efficace (RMS) della corrente moltiplicati per il coseno dell’angolo tra la tensione e la corrente. Il contatore accumula potenza attiva con il passare del tempo e genera le letture di energia attiva, che diventano quindi la quantità che viene fatturata al consumatore.

Figura 1. Esempio di configurazione del contatore elettrico durante il normale funzionamento.

I consumatori possono modificare le letture di energia attiva nei contatori monofase scollegando il filo del neutro, come mostrato in Figura 2. Se il neutro viene scollegato, la tensione misurata diventa 0 V, il che porterebbe a un valore misurato di 0 W per la potenza attiva. Se manca il neutro, il CA/CC principale non funziona più, pertanto il contatore richiederà un’alimentazione di riserva, come una batteria a bottone. Sebbene la lettura della potenza attiva sia 0 W a causa della lettura di 0 V, rimane comunque della corrente che attraversa il filo della linea e che può essere rilevata. La presenza di questa corrente di linea può aiutare a identificare un’interruzione di corrente dal neutro di un contatore scollegato.

Figura 2. Esempio di configurazione per contatore elettrico con neutro scollegato.

Considerazioni sull’alimentazione per neutro mancante in un contatore monofase

In caso di scollegamento del neutro di un contatore monofase, l’alimentatore del contatore dovrebbe disporre di un meccanismo per passare automaticamente dall’alimentatore CA/CC principale all’alimentazione di riserva. Questo meccanismo dovrebbe attivarsi quando si verifica un’interruzione di corrente o quando il neutro viene scollegato. Un modo comune per permettere il passaggio automatico dall’alimentazione principale all’alimentazione di riserva consiste nell’utilizzare i diodi per creare una connessione OR tra l’uscita CA/CC e l’alimentatore di riserva in modo che l’alimentatore ad alta tensione sia utilizzato come fonte di alimentazione del sistema. Poiché la tensione dall’alimentatore di riserva diminuisce gradualmente con il passare del tempo fino a quando non scende al di sotto della tensione minima necessaria per alimentare il contatore, i diodi selezionati dovrebbero presentare una caduta di tensione diretta il più bassa possibile per prolungare la durata dell’alimentatore di riserva. Un dispositivo a diodi ideale, come il LM66100, fornisce questa caduta di bassa tensione per ottenere la massima durata degli alimentatori di riserva. La bassa caduta di tensione e il basso consumo di corrente dell’LM66100 consentono una maggiore durata dell’alimentatore di riserva rispetto ad altri tipi di diodi, come un diodo Schottky.

Oltre a poter passare automaticamente dall’alimentatore CA/CC ad un alimentatore di riserva, il contatore deve rilevare se il CA/CC sta per rompersi, rilevando un potenziale guasto mediante misurazione della tensione di ingresso associata al regolatore dell’alimentazione CA/CC, che andrebbe a calare a causa di un’interruzione di corrente o se il neutro viene scollegato. Il microcontroller del contatore utilizza questo rilevamento precoce dei guasti CA/CC per portare a termine eventuali attività dell’ultimo minuto prima di entrare in modalità a basso consumo e prolungare la durata dell’alimentazione di riserva alla quale passerà il contatore. Un circuito rivelatore di tensione a bassa potenza e un partitore di tensione esterno possono monitorare insieme la tensione di ingresso dello stabilizzatore di tensione per questa rilevazione precoce.

Una seconda opzione per il rilevamento tempestivo di guasti CA/CC è l’uso di un dispositivo di alimentazione come il TPS7A78, che dispone di un pin di guasto di alimentazione per dare questa indicazione. Il TPS7A78 dispone anche di un pin power good (PG) che indica quando la tensione di uscita risale dopo un’interruzione dell’alimentazione. Questa indicazione consente al microcontroller del contatore di far sì che il sistema esca dalla modalità di risparmio energetico affinché il sistema torni a utilizzare l’alimentazione CA/CC principale invece dell’alimentazione di riserva.

Tecnica antimanomissione contro la rimozione del neutro: stimare la potenza attiva

Un modo per affrontare il problema della rimozione del neutro è calcolare una stima della potenza attiva moltiplicando la corrente RMS (misurata dal canale di linea) per il valore nominale della tensione RMS della zona (ad esempio, la tensione nominale è di 230 V in India e in molte parti d’Europa). Come accennato in precedenza, la potenza attiva effettiva è pari al prodotto della tensione RMS e della corrente RMS moltiplicate per il coseno dell’angolo tra tensione e corrente. Sulla base di questa equazione per la potenza attiva, la potenza attiva stimata tiene conto dei seguenti presupposti:

• La tensione RMS effettiva applicata al carico del cliente non si discosta troppo dall’RMS nominale della zona.
• L’angolo tra tensione e corrente è di 0 gradi e corrisponde ad un carico consumatore perfettamente resistivo; pertanto è la massima lettura di potenza attiva possibile per una data corrente RMS e una data tensione RMS nominale.

Quando manca il neutro, il contatore sta funzionando con un’alimentazione elettrica di riserva, come una batteria. Di conseguenza, è importante che il contatore entri in uno stato a consumo di corrente minimo al fine di prolungare la durata della batteria di riserva. Se la mancanza del neutro viene gestita con una stima della potenza attiva, il consumo di corrente del sistema deve ridursi abbassando la frequenza di campionamento dell’ADC utilizzato per rilevare la corrente. Inoltre, il microcontroller e l’ADC utilizzati per la metrologia devono essere configurati in modo da passare dalla normale modalità operativa ad una modalità a bassa potenza che consenta comunque all’ADC di rilevare la corrente di linea.

Ad esempio, l’ADC autonomo ADS131M04 dispone di tre modalità di alimentazione in modalità di conversione continua: modalità ad alta risoluzione, modalità a bassa potenza e modalità a bassissima potenza. La modalità ad alta risoluzione offre la massima accuratezza, mentre la modalità a bassissima potenza offre il consumo di corrente più basso. In base a queste due modalità, l’ADS131M04 può essere configurato in modalità ad alta risoluzione quando il neutro è collegato e il sistema è alimentato dall’alimentazione principale del contatore. Quando il neutro viene scollegato, l’ADS131M04 consente al sistema di passare dalla modalità ad alta risoluzione alla modalità a bassissima potenza per ridurre il consumo di corrente dell’ADS131M04.

Tecnica antimanomissione contro la rimozione del neutro: modalità di rilevamento della corrente

Un altro modo per affrontare il problema della rimozione del neutro è rilevare solo la presenza di corrente sulla linea. Questo metodo di gestione dell’assenza del neutro consuma meno corrente rispetto alla stima della potenza attiva. Il ridotto consumo di corrente di questa tecnica antimanomissione prolunga la durata dell’alimentazione di riserva, che dovrebbe essere almeno pari alla durata prevista del contatore.

Alcuni ADC dispongono di una speciale modalità a basso consumo che rileva la corrente sul canale di linea riducendo ulteriormente il consumo di corrente del sistema. Un esempio di questa modalità a basso consumo per il rilevamento della corrente di linea è la modalità di rilevamento della corrente dell’ADC autonomo ADS131M04, che consiste in una modalità speciale in cui l’ADS131M04 attiva il proprio pin   se un certo numero di campioni supera una soglia definita dall’utente. Eseguendo questa modalità di rilevamento della corrente sul canale utilizzato per misurare la corrente di linea, la notifica del  indica che è stata rilevata la corrente di linea, che differenzia l’interruzione di corrente rispetto allo scollegamento del neutro. La Figura 3 nella pagina seguente mostra il processo nello specifico quando è seguito dall’ADS131M04 in modalità di rilevamento della corrente.

Per accedere alla modalità di rilevamento della corrente viene inviato un comando all’ADS131M04 perché acceda alla modalità standby, che è una modalità a basso consumo in cui il dispositivo non esegue la conversione dei campioni. Quando l’ADS131M04 è in modalità standby, un impulso negativo sul pin SYNC porta il dispositivo in modalità di rilevamento della corrente. Un timer del microcontroller può generare questo impulso negativo, pertanto non occorre che il microcontroller si svegli se si trova in modalità di sospensione. Non è necessario che il microcontroller emetta un clock esterno affinché il campionamento avvenga nella modalità di rilevamento della corrente (come accade per la modalità di conversione continua); pertanto, il microcontroller può entrare in una modalità di sospensione a basso consumo. L’ADS131M04 funziona basandosi su un oscillatore interno quando si trova nella modalità di rilevamento della corrente in modo che l’ADC possa funzionare indipendentemente dal microcontroller metrologico, consentendo al microcontroller di entrare in modalità di sospensione e ridurre il consumo di corrente del sistema.

Figura 3. Diagramma di flusso della modalità di rilevamento della corrente dell’ADS131M04.

Nella modalità di rilevamento della corrente, l’ADS131M04 raccoglie un numero configurabile di campioni (CD_LEN) a 2,7 ksps e confronta il valore assoluto dei risultati con una soglia programmabile (CD_THRSHLD). Se un numero configurabile di campioni (CD_NUM) all’interno della finestra di campionamento (CD_LEN) supera la soglia (CD_THRSHLD), l’attivazione del pin da parte dell’ADC informa il microcontroller metrologico dell’host. L’ADC torna quindi immediatamente alla modalità di standby dopo l’attivazione del pin  , come mostrato nella Figura 4 alla pagina seguente. Se il numero configurabile di campioni nella finestra di campionamento non supera la soglia, l’ADS131M04 torna alla modalità di standby dopo che l’ADS131M04 ha raccolto tutti i campioni nella finestra.

Figura 4. Esempi di modalità di rilevamento della corrente ADS131M04.

Nel «Progetto di riferimento per contatore elettrico a shunt monofase con utilizzo di ADC autonomi» la modalità di rilevamento della corrente dell’ADS131M04 distingue la mancanza del neutro da una situazione di interruzione dell’alimentazione seguendo la sequenza di eventi mostrati nella Figura 5 alla pagina seguente. Il progetto di riferimento utilizza un alimentatore CA/CC a caduta capacitiva TPS7A78, che permette di monitorare la tensione sul proprio pin PFD. Questo pin cade in caso di mancanza di corrente o di scollegamento del neutro. Una volta che la tensione sul PFD scende al di sotto di una certa soglia, il pin PF indica quando si verifica una caduta di tensione a causa di un’interruzione o di una rimozione del neutro, facendo quindi sì che il microcontroller porti l’ADS131M04 in modalità standby e avviando un’uscita timer per attivare regolarmente uno spostamento dalla modalità standby alla modalità di rilevamento della corrente. Quando si trova in modalità di rilevamento della corrente, l’ADS131M04 attiva il proprio pin (DRDY) se viene rilevata la corrente di linea, indicando che la fonte della caduta di tensione è stato lo scollegamento del neutro anziché una mancanza di corrente. Qualche tempo dopo la caduta di tensione, l’uscita dell’AC/DC cala fino a quando dispone che il sistema esaurisca l’alimentazione di riserva.

Se la fonte della caduta di tensione è stata causata da una mancanza di corrente, il sistema deve riconfigurarsi per tornare al normale funzionamento al ripristino dell’alimentazione. Nel progetto di riferimento a shunt monofase, il pin PG del TPS7A78 emette un avviso quando viene ripristinata l’alimentazione. Quando viene attivato il pin PG, il microcontroller del progetto inverte le operazioni fatte in precedenza per accedere alla modalità di rilevamento della corrente e tornare al normale funzionamento. La Figura 6 alla pagina seguente mostra la sequenza degli eventi dopo il ripristino dell’alimentazione. Utilizzando il progetto di riferimento, ho misurato il consumo medio di corrente dell’ADS131M04 a modalità di rilevamento della corrente abilitata utilizzando queste impostazioni di prova:

Figura 5. Sequenza di eventi dopo una caduta di tensione.

 

Figura 6. Sequenza di eventi dopo il ripristino dell’alimentazione.

• Canali con modalità di rilevamento corrente abilitata = Canale 1 (canale corrente neutro con trasformatore di corrente) e Canale 2 (canale corrente di linea con shunt). Offset ADC sottratto su entrambi i canali abilitati; Canali 0 e 3 disabilitati.
• Soglia (CD_THRSHLD) = 80.000 unità ADC.
• Finestra di campionamento (CD_LEN) = 256.
• Numero di campioni che richiedono un valore assoluto maggiore della soglia perché (DRDY) venga attivato (CD_NUM) = 8.

La Figura 7 mostra il consumo di corrente dell’ADS131M04 misurato all’attivazione della modalità di rilevamento corrente ogni 10 secondi (tCD_mode_period = 10 s) e una volta ogni 64 secondi (tCD_mode_period = 64 s). Attivando la modalità di rilevamento della corrente una volta ogni 10 secondi, il consumo medio di corrente in questi 10 secondi era di 7,51 μA. Attivando la modalità di rilevamento della corrente una volta ogni 64 secondi, il consumo medio di corrente in questi 64 secondi era di 2,399 μA. Per entrambe le velocità di trigger, il sistema è in modalità di rilevamento della corrente solo per un tempo massimo di 95,453 ms. Per tempo restante, l’ADS131M04 è in modalità standby.

Figura 7. Consumo di corrente medio nella modalità di rilevamento della corrente.

Per i risultati in Figura 7, la modalità di rilevamento della corrente sia sul canale della corrente di linea sia su quello della corrente del neutro. Il numero di canali utilizzati nella modalità di rilevamento della corrente influisce sul consumo di corrente del dispositivo nella modalità di rilevamento della corrente. Se si abilita la modalità di rilevamento della corrente su un solo canale ADC, in particolare sul canale della corrente di linea, il consumo medio di corrente in Figura 7 potrebbe essere ridotto ulteriormente (come mostrato in Figura 8 alla pagina seguente). Inoltre, la finestra di campionamento in Figura 7 è impostata su 256, che corrisponde a più di quattro cicli di dati per una frequenza di linea di 50 Hz. Se la lunghezza della finestra di campionamento cambia da 256 campioni al valore minimo di 128 campioni, diminuisce anche il tempo trascorso nella modalità di rilevamento della corrente, riducendo quindi anche il consumo medio di corrente.

Figura 8. Consumo di corrente nella modalità di rilevamento della corrente rispetto al numero di canali abilitati.

I risultati in Figura 7 e in Figura 8 mostrano che la modalità di rilevamento della corrente dell’ADS131M04 è a bassa potenza, il che permette di distinguere un’interruzione di dell’alimentazione dallo scollegamento del neutro senza scaricare sensibilmente l’alimentazione di riserva. Utilizzando questa modalità, il contatore è in grado di rilevare una delle forme di manomissione e di avvertire le relative aziende erogatrici in merito all’attacco di manomissione in modo da fatturare i consumi dei clienti con precisione.

Per maggiori dettagli su come gestire altre tecniche di manomissione o su come implementare il rilevamento della corrente nel progetto di riferimento a shunt monofase, è possibile guardare questi video di formazione:

• «Tecniche antimanomissione per contrastare gli attacchi contro i contatori intelligenti».
• «Come progettare i contatori elettrici a shunt monofase utilizzando ADC metrologici autonomi».

 

a cura di Mekre Mesganaw, Systems Engineer Grid Infrastructure, Texas Instruments.