STUDIO, PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI SISTEMI DI MISURA, DI CONTROLLO E DI COMUNICAZIONE DEDICATI ALLE SMART GRIDS

L’attività di ricerca descritta nella presente tesi di dottorato si inquadra nell’ambito dello sviluppo di nuove tecnologie e sistemi di misura di tipo distribuito per la gestione delle smart grids, il miglioramento dei livelli di power quality e l’integrazione della generazione distribuita (GD) e dei sistemi di accumulo (SA) da fonti di energia rinnovabili nelle reti di distribuzione. In particolare, la crescente presenza di GD nelle reti a media e bassa tensione (MT/BT) crea possibili criticità per la protezione e l’automazione della rete, la qualità del servizio, la regolazione di tensione, etc. Nello specifico nascono diverse problematiche quali variazioni di tensione e di frequenza, problemi di power quality e aumento dei disturbi in rete (quali ad esempio la distorsione armonica), nonché la possibilità di inversione dei flussi di energia e problematiche di sicurezza, quali ad esempio quelle relative al fenomeno dell’islanding. Per far fronte a tali problematiche e permettere l’incremento e l’integrazione sostenibile e sicura della generazione distribuita, un ruolo importante spetta ai sistemi di monitoraggio, automazione, e protezione delle reti di distribuzione. In tal senso, è necessario sviluppare nuove modalità di gestione delle reti, attraverso l’impiego di avanzate tecnologie di misura e comunicazione che, partendo dalle tipiche funzioni dello smart metering (telelettura dei consumi energetici, scambio di informazioni tra consumatori, distributori e produttori, ecc.), e attraverso un’opportuna infrastruttura di comunicazione, possano consentire l’implementazione di nuove funzioni di gestione, monitoraggio, protezione e controllo delle smart grids e la piena integrazione della GD nelle reti elettriche. Ciò significa far riferimento ad un'infrastruttura o strato ICT (Information and Communication Technology) affiancato alla rete elettrica che metta in comunicazione i “punti di produzione” dislocati in rete con il Distributore, in modo tale da consentire il controllo remoto della GD e dei SA e realizzare una gestione efficiente e sicura delle reti di distribuzione nelle diverse possibili condizioni di esercizio. L’attività di ricerca, proprio in riferimento a quanto precedentemente descritto e come meglio sarà spiegato nel Capitolo 1, ha avuto l’obiettivo di proporre soluzioni innovative al fine di creare un'infrastruttura di misura e comunicazione intelligente, in grado di gestire le informazioni riguardanti le misure delle grandezze della rete MT e BT, e sulla base di queste, consentire l’implementazione delle opportune azioni di controllo della rete. In questo scenario la scelta della tecnologia di comunicazione ha un ruolo fondamentale, e data la sua capillarità non può prescindere dal considerare i relativi costi di gestione da parte del Distributore. Proprio per questo, si è concentrata l’attenzione sulla tecnologia PowerLine Communication. Più in dettaglio, la ricerca ha riguardato lo sviluppo di sistemi innovativi di misura, controllo e comunicazione per le smart grids, con particolare riferimento a: 1. dispositivi innovativi ad intelligenza distribuita per la realizzazione di una smart grid (sistemi di protezione, automazione e comunicazione con l’utente attivo e il Distributore, dispositivi di misura, sistemi di comunicazione, etc. ); 2. sistemi di telecomunicazione che consentano lo scambio di misure tra i diversi dispositivi installati nella rete, con particolare riferimento alla power line communication; 3. integrazione delle soluzioni di cui sopra per la realizzazione di sistemi di misura distribuiti e tecniche innovative per il monitoraggio, la telegestione, la protezione delle reti e della power quality. In riferimento al primo punto della ricerca, la fase di sviluppo di dispositivi innovativi si è concentrata sulla possibilità di adattare soluzioni a basso costo quali quelle originariamente destinate ad applicazioni in ambito smart metering. Nello specifico sono state considerate tre schede di sviluppo, l’STEVAL IPP001V2, l’EVALKIT STCOMET10-1 e l’EVALKIT ST8500 accomunate dall’integrazione a bordo di un transceiver PLC per le comunicazioni in rete BT. Queste tre schede di sviluppo, prodotte principalmente per applicazioni smart metering basate su tecnologia di comunicazione PLC, sono dettagliatamente descritte nel Capitolo 2 ove, in particolare, ne viene giustificata la scelta mettendo anche in risalto le varie peculiarità che sono affini alle particolari applicazioni oggetto di studio. Per le suddette schede, nel lavoro di tesi sono stati sviluppati nuovi firmware per l’implementazione delle funzioni di misura e comunicazione descritte nei Capitoli 3 e 4. Per quanto riguarda il secondo punto, è stato studiato un sistema di comunicazione power line sulla rete di media tensione mediante l’utilizzo di un innovativo prototipo di accoppiatore basato sull’impiego del divisore capacitivo del VDS (Voltage Detecting System) e di opportune schede di interfaccia, e se ne è verificata la fattibilità, permettendo così di escludere l’utilizzo di accoppiatori dedicati abbassando notevolmente i costi. In particolare, come descritto nel Capitolo 3, l’innovativo sistema di accoppiamento sfrutta la presa del dispositivo di presenza rete del VDS evitando così modifiche del quadro MT della cabina secondaria e annullando anche i problemi legati all’interruzione del servizio per le operazioni di installazione. Inoltre, realizzando una comunicazione PLC tramite l’iniezione di segnale sulla rete MT, il trasferimento di informazioni non necessità più l’utilizzo di tecnologie di comunicazione GSM e Wireless che sono un onere dal punto di vista economico del Distributore. In particolare, l’attività condotta ha riguardato lo sviluppo delle schede di interfaccia per connettere i transceiver PLC di cui al punto precedente alla rete di media tensione attraverso il VDS. Nel Capitolo 3 sono altresì riportate le prove eseguite e i risultati ottenuti sia in laboratorio che i campo, i quali dimostrano la fattibilità del sistema di comunicazione PLC proposto sulla rete MT. I test sono stati eseguiti, presso il laboratorio di Misure Elettriche ed Elettroniche del DEIM, e, per le prove sperimentali in campo, presso le reti MT dell’Isola di Favignana e di Ustica. Nello specifico il sistema di comunicazione proposto è stato testato su diverse configurazione di rete MT e per diverse frequenze centrali nella banda CENELEC e fino a 200kHz. Per quanto riguarda la terza parte dell’attività di ricerca, si è proposta l’architettura di un sistema di misura distribuito basato sulla comunicazione PLC su reti MT/BT e sull’utilizzo delle già citate piattaforme hardware di misura low cost presentate nel Capitolo 2. Come descritto nel Capitolo 4, la fattibilità di tale architettura è stata verificata attraverso diversi test di comunicazione condotti in campo sulla rete MT/BT dell’Isola di Favignana. Inoltre, sulle suddette schede di sviluppo EVALKIT STCOMET10-1 e EVALKIT ST8500, già dotate delle funzioni di metering tipiche dei classici smart meter, sono state sviluppate, implementate e testate sperimentalmente ulteriori funzionalità quali l’esecuzione di misure di Power Quality e l’analisi qualitativa del canale di comunicazione sulla rete BT, realizzando così dei prototipi di innovative smart meter, integrabili nell’architettura di misura proposta. L’attività di ricerca testè descritta e condotta nell’ambito del dottorato di ricerca costituisce il follow-up di alcune attività svolte dall’ing. Guaiana nell’ambito di precedenti collaborazioni tra il DEIM, l’INM-CNR (precedentemente denominato ISSIA) e l’STMicroelectronics. In particolare, l’ing. Guaiana prima dell’inizio del dottorato ha collaborato con il DEIM e l’INM-CNR nell’ambito di una borsa di studio (borse di studio post-lauream dal titolo “Studio teorico applicativo per lo sviluppo di dispositivi a microprocessore di interfaccia e di misura per applicazioni su smart grid”, nell'ambito del Progetto “Serpico – Sviluppo E Realizzazione di Prototipi di Inverter per impianti fotovoltaici a Concentrazione”-PO-FESR Sicilia 2007/2013). Durante tale attività era stata studiata una prima soluzione prototipale per un dispositivo di interfaccia per generazione distribuita. Tale attività ha costituito il punto di partenza per lo sviluppo dei dispositivi oggetto della tesi di dottorato. Le attività del dottorato sono state condotte in collaborazione con l’INM-CNR e la STMicroelectronics, in particolare nell’ambito di un contratto di ricerca finanziato da STMicroelectronics (“Smart grid”-Research contract STMicroelectronics S.r.l. – DEIM (rif. ST#2016-2206 PO Number 4000494849/Date 25.08.2017) e della convenzione operativa tra il DEIM ed l’INM-CNR aventi come oggetto lo studio di nuove infrastrutture informatiche per le smart grid. La stretta collaborazione con STMicroelectronics, inoltre, ha permesso di realizzare parte dell’ultima fase delle attività di ricerca presso un proprio sito durante i sei mesi del periodo di ricerca all’estero previsto dal corso di dottorato. Nello specifico lo sviluppo, l’implementazione e le prove sperimentali della funzionalità dell’analisi qualitativa del canale descritti nel Capitolo 4 sono stati realizzati presso i laboratori del sito dell’azienda STMicrolectronics (Grand Ouest) di Rennes, in Francia.