La modernizzazione della rete per renderla più connessa, affidabile e sicura

Autore: Henrik Mannesson, General Manager, Grid Infrastructure at Texas Instruments

Le comunità e i loro sistemi di reti elettriche richiedono sempre maggiore comunicazione in tempo reale, misure di sostenibilità e attività di decentralizzazione per rispondere alle più svariate esigenze in materia di energia, mentre ingegneri e progettisti sono impegnati a definire le norme e gli approcci per la connettività.

Uno sguardo d’insieme

La rete connessa è ben più della sola elettricità: i servizi di fornitura del gas e dell’acqua possono adottare una gran varietà di soluzioni semplici e a basso costo per connettività, rilevamento e controllo.
La rete di distribuzione che mette in collegamento gli impianti di generazione con abitazioni, edifici, fabbriche, veicoli, città e altri settori continua a richiedere aggiornamenti che interessano affidabilità e resilienza. Utilizzando sensori avanzati connessi per la generazione, la trasmissione e la distribuzione, gli operatori di rete possono monitorare le esigenze in materia di salute e sicurezza, ottimizzare risorse vecchie e costose, rilevare difetti e gli aumenti della domanda, oltre a ripristinare l’energia più rapidamente in caso di interruzione.
I dati provenienti dalle risorse della rete forniscono agli operatori maggiori informazioni sulle prestazioni dell’infrastruttura, compresi i diversi mix di generazione, le condizioni ambientali o i rischi per la 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 gli eventi meteorologici e le temperature della linea elettrica, in modo da calcolare la capacità di carico della linea. Sono disponibili svariati protocolli cablati e senza fili, come Ethernet industriale, RS-485, Controller Area Network e Wireless Smart Utility Network (Wi-SUN), che permettono di comunicare le informazioni acquisite dai sensori.
Dal lato del carico, i contatori intelligenti aiutano i consumatori ad agevolare la migrazione verso soluzioni energetiche più rinnovabili nelle loro case e per la ricarica dei loro veicoli elettrici. Grazie ai contatori intelligenti, inoltre, i consumatori possono prendere decisioni migliori sulla base delle esigenze e delle fonti energetiche. In altri casi, tali contatori possono contribuire a monitorare la ricarica bidirezionale, ad esempio quando le abitazioni o i veicoli restituiscono energia alla rete.
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.

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 vedono oggi 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, case e veicoli possono alternarsi come unità di consumo e generazione di energia.
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) hanno raggiunto 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 parte integrante del settore dell’energia solare. Texas Instruments (TI) dispone di una gamma completa di driver del gate isolati e non isolati, isolatori digitali, Ethernet e transceiver RS-485, dispositivi di rilevamento della corrente e monitoraggio della tensione e microcontroller (MCU) in grado di gestire circuiti di controllo digitali rivolti a inverter di ogni dimensione, sia connessi alla rete che fuori rete, per massimizzare l’efficienza del sistema e aumentare la durata del prodotto. Tutti questi prodotti devono funzionare negli ambienti più difficili, in particolare in temperature estreme.

Ricarica bidirezionale di veicoli elettrici per bilanciare la rete

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).
I veicoli elettrici più performanti sono dotati di caricabatterie di bordo che rientrano nell’ambito dei 22 kW. 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 reimmessa in rete durante le ore di punta. Esistono approcci analoghi nell’infrastruttura di ricarica pubblica, che permettono inoltre di bilanciare il carico tra le stazioni.
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 350 kW, l’ingresso è un collegamento trifase in CA dalla rete e l’uscita della batteria è in CC.
Esistono molte topologie per la correzione attiva del fattore di potenza trifase. Il Progetto di riferimento per inverter e PFC a 10 kW bidirezionale trifase a tre livelli (tipo T) supporta la correzione di potenza bidirezionale e utilizza transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) al carburo di silicio (SiC) con frequenze di commutazione più elevate per migliorare l’efficienza e ridurre le dimensioni dei componenti magnetici in modo da 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%.
Come parte dei continui investimenti di TI nel futuro della rete, TI sta sviluppando i componenti necessari per consentire la ricarica dei veicoli elettrici, sia sul caricabatterie connesso alla rete sia sul sistema di gestione della batteria all’interno dei veicoli elettrici. Con il potenziale per l’alta tensione dalla rete e dalle batterie del veicolo elettrico, i dispositivi isolati sono fondamentali per qualsiasi progetto di ricarica di veicoli elettrici o di sistemi di gestione della batteria. Questi dispositivi sono completi di circuiti di comunicazione e protezione, come amplificatori isolati e non isolati, circuiti integrati di interfaccia isolati e non isolati, e alimentazione per gli isolatori di segnale.

Dati in tempo reale, monitoraggio e controllo della rete

Gli enti di fornitura dell’energia elettrica si trovano 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 era abbastanza ovvia. Tuttavia, la modernizzazione della rete consente l’uso di comunicazioni, misurazioni e sorveglianza in tempo reale, nonché rapidità di reazione e riparazione, perché non è possibile notare visivamente i guasti sotterranei.
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 sia delle reti intelligenti sia delle molteplici fonti di energia che integrano pannelli solari fotovoltaici e che costituiscono una microrete. Wi- Fi® e Bluetooth® sono metodi ovvi per la connettività della rete wireless e, se necessario, un gateway intermedio può essere un’alternativa. Il progetto di riferimento di TI per rete IoT: “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 di riferimento 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.

Il progetto di riferimento mostra come l’integrazione del Wi-Fi sia una soluzione praticabile su apparecchiature per sottostazioni e interruttori residenziali che richiedono elevate velocità di trasmissione dati e un’ampia larghezza di banda. 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, utile quando più nodi (ovvero gli indicatori di guasto) devono trasmettere i dati a un singolo raccoglitore di dati in cui si deve formare una rete a stella. Entrambe le tecnologie sono disponibili tramite la famiglia di MCU wireless SimpleLink™ basate sul kit di sviluppo software 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” ricorre a 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 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).
A mano a mano che le reti elettriche si collegano a fonti di energia rinnovabile con più punti di alimentazione da turbine eoliche e pannelli solari, la distribuzione si fa sempre più complessa. La sempre maggiore automazione è una caratteristica peculiare della misurazione, dei servizi e delle riparazioni in remoto, e richiede monitoraggio e controllo in tempo reale nonché un’elevata affidabilità. La ridondanza di rete è di fondamentale importanza in queste complesse smart grid. Questa duplicazione di componenti o funzioni importanti consente ai sistemi di continuare a funzionare in scenari di guasto, riducendo i tempi di inattività della rete che potrebbero causare danni alla proprietà o addirittura la morte. Inoltre, la ridondanza di rete può consentire ai lavoratori di eseguire la manutenzione su un sottoinsieme della rete senza interrompere l’erogazione di energia.
Ethernet è diffuso e rapidamente disponibile, grazie allo standard Ethernet 61850 della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) per la gestione della rete. I protocolli di ridondanza sono un elemento fondamentale che aumenta l’affidabilità e permette di utilizzare Ethernet come rete di gestione per le smart grid. La norma IEC 62439-3 definisce due architetture, PRP (parallel redundancy protocol) e HSR (high-availability seamless redundancy), per implementare la ridondanza senza perdite su Ethernet cablata. I processori e le MCU basati su Arm integrano il supporto per questi protocolli e la relativa commutazione cut-through. Con il PRP, ogni nodo si connette a due reti locali (LAN) parallele separate.
I nodi di origine inviano due copie di ciascun pacchetto, una su ciascuna interfaccia. Il nodo di destinazione riceve un frame, accetta la prima copia e abbandona il secondo frame. Il nodo di destinazione riceverà sempre almeno un pacchetto senza tempi di inattività, a condizione che una delle due reti sia funzionante. L’anello HSR offre lo stesso livello di ridondanza del PRP, utilizzando però una topologia ad anello anziché due LAN.

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 alta precisione e basso consumo energetico.
• Comunicazione cablata isolata e non isolata per monitoraggio e comunicazione in tempo reale di dati e guasti.
• Comunicazioni wireless, con lunghe distanze per garantire la connettività o la capacità d collegamento a un’infrastruttura di rete esistente.
• 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 potrebbe essere presente un solo ente che possiede la rete di contatori elettrici, ma con più aziende che forniscono acqua ai residenti.
Inoltre, i fornitori di servizi idrici o gas che desiderano aggiungere la capacità AMR si trovano 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, reso possibile dalla MCU wireless CC1350 SimpleLink.
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 problematiche di progettazione per ottenere una maggiore precisione di misurazione e una maggiore durata della batteria grazie a una vasta gamma di dispositivi di interfaccia cablati e wireless a bassissima potenza.
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 elevate prestazioni metrologiche con basso consumo energetico e massima integrazione. Il progetto si basa sul SoC MSP430FR6047 di rilevamento ad ultrasuoni. Questo SoC 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 dispositivo consente di ottenere misurazioni a bassissima potenza unite a minori costi di sistema 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.

Conclusione

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 riduce notevolmente la frequenza e la durata delle interruzioni di corrente, modera l’impatto delle tempeste e ripristina il servizio più rapidamente in caso di interruzioni. L’aggiornamento di un sistema obsoleto non è facile e non sarà realizzato rapidamente, ma alla fine si rivela utile per la società e per l’economia nei decenni a venire.

Risorse supplementari

• Per saperne di più: Tecnologie connesse per infrastrutture di rete.
• Leggete gli articoli tecnici «Come Wi-SUN FAN migliora le infrastrutture connesse» e «I 3 principali aspetti di progettazione per la ricarica di veicoli elettrici».
• Scaricate la Guida alla progettazione RS-485.