IT201600123334A1

IT201600123334A1 - Presa intelligente e sistema di monitoraggio e controllo utilizzante detta presa

Info

Publication number: IT201600123334A1
Application number: IT102016000123334A
Authority: IT
Inventors: Francesco Grasso; Marco Somma
Original assignee: Univ Degli Studi Di Firenze
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2018-06-05
Also published as: EP3549227A1; EP3549227B1; WO2018104849A1; US20200153272A1

Description

“Presa intelligente e sistema di monitoraggio e controllo utilizzante detta presa”

CAMPO DELL’INVENZIONE

L’invenzione riguarda il settore delle Smart Grid e Smart Metering nell’ambito delle reti elettriche.

STATO DELL’ARTE

Con il termine “Smart Grid” si intende un’infrastruttura/rete controllata in maniera intelligente, in modo da poter gestire consapevolmente i vari flussi di potenza e fornire agli utilizzatori finali prezzi competitivi.

Nello specifico l’ERGEG (Associazione dei 27 regolatori Europei) ha formulato la seguente definizione di “Smart Grid”: “La Smart Grid è una rete elettrica che integra e gestisce in modo efficiente il comportamento e le azioni di tutti gli utenti connessi alla rete (generatori, punti di prelievo e punti con presenza di generazione e prelievo), con l’obiettivo di garantire un funzionamento economicamente efficiente del sistema elettrico, con basse perdite, con un elevato livello di sicurezza, continuità e qualità della fornitura”.

Parte fondamentale delle Smart Grid è lo Smart Metering, il cui obiettivo è di conoscere in tempo reale i profili di consumo, dando in questo modo, ai gestori di una rete elettrica, la facoltà di costruire meccanismi dotati di maggiore flessibilità, dinamicità, permettendo al cliente, fruitore dell’energia, una maggiore conoscenza e consapevolezza dei propri consumi. Requisito fondamentale dello Smart Meter è la possibilità di rilevare in real-time il consumo delle varie utenze e di inviare i dati acquisiti a distanza.

Sono attualmente noti diversi dispositivi, denominati in gergo prese intelligenti, in grado di misurare grandezze elettriche, in particolare tensione di rete e corrente assorbita dal carico. Sebbene svolgano egregiamente la loro funzione, si tratta, tuttavia, di dispositivi molto specifici che sono in grado di elaborare localmente i valori misurati per fornire indicazioni di massima circa alcuni parametri elettrici, come la potenza assorbita dal carico, che possono essere usati dai gestori della rete elettrica per prospettare ai clienti contratti differenziati in base alle specifiche caratteristiche di consumo. D’altra parte lo Smart Grid richiede capacità di prelievo ed elaborazioni dati che vanno ben al di là di semplici campionamenti del segnale e relative elaborazioni.

Scopo della presente invenzione è realizzare una presa intelligente perfezionata, e un relativo sistema di monitoraggio e controllo, che possano essere impiegati in ambito Smart Grid per la gestione attiva dei consumi di una rete elettrica.

L’invenzione raggiunge lo scopo con una presa intelligente che comprende almeno un sensore di tensione e un sensore di corrente interfacciati ad una unità di controllo configurata per leggere i valori di tensione di rete e di corrente assorbita quando la presa è inserita fra carico e rete, un modulo di comunicazione interfacciato all’unità di controllo per inviare dati a, e ricevere comandi da, una unità di supervisione remota. La presa comprende, inoltre, dispositivi di controllo del funzionamento del carico che operano sulla base di comandi ricevuti dal modulo di comunicazione e/o di controlli preimpostati nell’unità di controllo.

La presa non si limita a leggere dati di tensione e corrente, ma opera una interazione profonda con il carico grazie al colloquio con una o più unità di supervisione remota in grado di leggere ed elaborare tali dati ed inviare comandi per il controllo e l’ottimizzazione del funzionamento della rete.

I dispositivi di controllo del carico possono, infatti, comprendere semplici moduli che agiscono sul circuito di alimentazione del carico, ad esempio, utilizzando un dispositivo di interruzione della circolazione di corrente sul carico quale un relè, un interruttore elettronico o simili, oppure, o in combinazione, un circuito di rifasamento che riduce la potenza reattiva sul carico oppure, o in combinazione, elementi che consentono di interfacciare l’unità di controllo con il carico in modo da consentire all’unità di controllo di impostare direttamente sul carico almeno parte dei relativi parametri di funzionamento

A tal fine, l’unità di controllo è vantaggiosamente configurata per ricevere segnali di comando dall’unità di supervisione per il comando a distanza dell’accensione/spegnimento e, più in generale, del funzionamento del carico ottimizzando i consumi o altri indici di prestazione sulla base dei parametri di funzionamento monitorati.

Secondo un altro aspetto l’invenzione riguarda un sistema per il monitoraggio di parametri di funzionamento di uno o più carichi presenti in una rete elettrica, il quale sistema comprende una unità di supervisione interfacciata ad una o più prese intelligenti di cui sopra per leggere dati relativi alla tensione di rete e di corrente assorbita dal o dai carichi quando tale o tali prese intelligenti sono inserite in serie fra rete e carico. L’unità di supervisione può essere vantaggiosamente configurata per elaborare i parametri provenienti dalla o dalle prese intelligenti per fornire in uscita un’analisi di Power Quality della rete.

Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diverranno maggiormente chiari dalla seguente descrizione dettagliata, data in forma esemplificativa e non limitativa e illustrata nelle allegate figure in cui:

La fig. 1 mostra una presa intelligente secondo una forma attuativa dell’invenzione.

La fig. 2 mostra un esempio di sensore di corrente utilizzabile nella presa secondo l’invenzione.

La fig. 3 mostra un esempio di generatore di tensione di riferimento utilizzato in combinazione con il sensore di corrente della figura precedente in un perfezionamento dell’invenzione.

La fig.4 mostra lo schema a blocchi di un modulo di rilevazione della tensione; La fig. 5 mostra lo schema a blocchi di un sistema di monitoraggio e controllo secondo una forma attuativa dell’invenzione.

La fig. 6 riporta una tabella con le grandezze di Power Quality che è possibile misurare con il sistema secondo l’invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

Con riferimento allo schema a blocchi di fig.1, la presa intelligente 1 in una forma attuativa dell’invenzione comprende i seguenti moduli: una unità di controllo 101, un modulo di comunicazione 201, un modulo di alimentazione 301, un sensore di corrente 401, un modulo di rilevazione tensione 501, un relè di accensione e spegnimento del carico 601, un circuito di rifasamento 701, un modulo relè di interfaccia verso il carico 801 ed eventuali pin 901 di collegamento diretto fra carico è unità di controllo.

Vengono ora descritte le singole componenti del sistema.

1) UNITÀ DI CONTROLLO

L’unità è basata, ad esempio, sulla scheda Arduino Due avente le seguenti specifiche:

2) MODULO DI COMUNICAZIONE

A seconda dell’esigenza è possibile impiegare diversi moduli di comunicazione per interfacciarsi con l’unità di supervisione tra cui, ad esempio, XBEE, Ethernet SHIELD, Bluetooth, WIFI Shield e similari.

3) MODULO DI ALIMENTAZIONE

In una configurazione vantaggiosa, il modulo di alimentazione è realizzato tramite tre sotto-moduli di alimentazione, ognuno dei quali è costituito da un trasformatore di isolamento, un ponte a diodi, condensatori e un regolatore di tensione, utilizzati per alimentare rispettivamente:

- l’unità di controllo;

- il modulo relè interfaccia carico;

- il circuito di rifasamento;

- il relè accensione e spegnimento carico.

In particolare i componenti principali dei moduli di alimentazione sono:

- Trasformatore di isolamento: permette di trasformare la tensione di rete in una tensione inferiore. Nella scelta del trasformatore è necessario considerare che la tensione d’ingresso sopportabile (tensione lato primario) deve essere superiore a 230 VAC (tensione di rete standard), questo perché il dispositivo è pensato e realizzato con l’obiettivo di poter rilevare, attraverso il modulo rilevazione tensione, tensioni superiori ai 230 V efficace (sovratensioni e swell), di conseguenza la scelta di trasformatori classici a 230 VAC impedirebbe il conseguimento di tale obiettivo causando la distruzione del trasformatore e quindi l’interruzione dell’alimentazione. Analogamente il dispositivo è pensato e realizzato per rilevare anche tensioni inferiori a 230 VAC (sag e sottotensioni), di conseguenza la tensione lato secondario deve rientrare nel range di tensioni ammissibili in ingresso al regolatore di tensione anche in questi particolari casi. Pertanto possibili scelte del trasformatore d’isolamento sono:

Si noti inoltre che il trasformatore d’isolamento, dato che viene utilizzato “solo” per trasformare la tensione di rete in una tensione inferiore e non come trasformatore di misura, può essere sostituito con un semplice partitore di tensione, opportunamente dimensionato, in modo da generare in uscita una tensione che rientri nel range d’ingresso del regolatore di tensione. Chiaramente le resistenze scelte devono essere in grado di sopportare, senza bruciarsi, la tensione a cui sono sottoposte.

- Ponte raddrizzatore: consente di raddrizzare la tensione proveniente dal trasformatore e dal partitore di tensione.

- Regolatore di tensione: consente di stabilizzare la tensione di alimentazione in ingresso ai vari moduli. Dato che la tensione in uscita dal ponte raddrizzatore avrà un range molto ampio è necessario impiegare un regolatore di tensione con un intervallo di valori di tensioni ammissibili in ingresso altrettanto vasto. Per questo motivo una possibile scelta del regolatore è data dallo step-down voltage regulatore d24v3f5, che presenta un vasta gamma di tensione ammissibili in ingresso che vanno da 7 a 42V.

- Condensatori: vengono utilizzati per ridurre il ripple e per evitare possibili spike di tensione potenzialmente distruttivi per il regolatore stesso.

4) SENSORE DI CORRENTE

La scheda mostrata in fig. 2 comprende il sensore ACS714 sviluppato da Allegro Microsystems. Si tratta di un sensore di corrente lineare basato sull'effetto Hall, che dispone di una bassa resistenza ( ̴1.2m) del circuito elettrico e un isolamento elettrico superiore a 2.1 kV RMS. Questa versione accetta una corrente d'ingresso bidirezionale di modulo superiore a 30 A e un’uscita proporzionale al valore di corrente rilevato, centrata su 2.5 V se alimentato a 5 V, centrata a 1.65 V se alimentata a 3.3 V, con un errore tipico di ±1.5%. Il sensore lavora a 5V e ha una sensibilità di 66 mV/A.

Tale sensore è stato utilizzato unicamente per questioni economiche e come si nota dalla breve descrizione, oltre a non avere un’elevatissima precisione, non presenta alcun circuito interno in grado di compensare l’offset. Si noti inoltre come il sensore sia concepito per funzionare con tensione in ingresso pari a 5 VDC, tuttavia la scheda impiegata ammette sui pin analogici una tensione massima pari a 3.3 V, pertanto il sensore ACS714 viene alimentato con tale tensione. Tale scelta non produce alcun aumento significativo dell’errore di misura.

Anzi, per aumentare la precisione della misura è stato impiegato un integrato LM41323.3V, mostrato in fig.3, in modo da ridurre eventuali fluttuazioni sul pin VCC del sensore.

La soluzione ottimale, per unità di controllo a 3.3V tollerant, è rappresentata dall’impiego di sensori di corrente ad effetto Hall con tensione di alimentazione pari a 3.3v o se si vuole usare dei sensori con tensione di alimentazione superiore, risulta vantaggioso l’impiego o di trasduttori di livello logico bidirezionali 3.3V – 5V (in tal caso per VCC = 5 VDC) o adattare la tensione di uscita in modo che rientri tra 0 e 3.3 V, in generale più raffinati, così da fornire misure più precise e in grado di compensare l’eventuale offset.

5) MODULO RILEVAZIONE TENSIONE

Il modulo è impiegato per acquisire i singoli campioni della tensione istantanea. Con riferimento alla fig.4, è costituito da:

- Trasformatore AC-AC di precisione. Per l’applicazione non si possono impiegare i medesimi trasformatori adottati per realizzare i moduli di alimentazione, dato che si richiede una precisione di misura molto elevata, per questo motivo è vantaggioso l’uso di un trasformatore di tensione con classe di precisione pari a 0.2. Per il dimensionamento del trasformatore (tensione lato primario) valgono le stesse indicazioni fornite in precedenza.

- Resistenze di campionamento, impiegate per adattare la tensione lato secondario del trasformatore alla tensione d’ingresso dei pin analogici. Per migliorare la precisione della misura sono tipicamente impiegate resistenze di precisione (tolleranza ≈ 1%) e di valore sufficientemente piccolo (ordine di qualche Ohm), questo perché trattandosi di una misura di tensione è necessario che l’impedenza del pin analogico della scheda sia molto superiore all’impedenza della resistenza su cui si effettua la misura.

6) RELÈ ACCENSIONE E SPEGNIMENTO CARICO

Il relè è un interruttore con uno o più contatti elettrici, che vengono azionati per mezzo di un elettromagnete quando la bobina dello stesso viene percorsa da una corrente. Questo relè è comandato dall’unità di controllo in base al segnale inviato dall’utente, tramite la piattaforma di controllo, e consente di attivare o disabilitare il carico dalla rete elettrica. Possono ovviamente essere parimenti impiegati interruttori elettronici quali SCR e simili.

7) CIRCUITO DI RIFASAMENTO

Il circuito di rifasamento è costituito da tre relè posti in parallelo collegati ad altrettanti condensatori di rifasamento che vengono attivati dall’unità di controllo. Il circuito di rifasamento ha due modalità di funzionamento:

- I modalità: funzionano esclusivamente i primi due relè collegati ad altrettanti condensatori di rifasamento “fissi” (il cui valore non può essere modificato) che vengono azionati in base alla fase rilevata in modo tale da ridurla e diminuire la potenza reattiva e di conseguenza incrementare sia l’efficienza che il tempo di vita utile del carico elettrico collegato alla presa;

- II modalità: funziona esclusivamente il terzo relè connesso ad un condensatore di rifasamento scelto dall’utente che viene attivato in base alla fase rilevata.

Il passaggio tra le due modalità di funzionamento viene effettuato tramite un interruttore.

Il circuito di rifasamento più in generale comprende una batteria di condensatori in parallelo singolarmente escludibili tramite dispositivi di interruzione disposti in serie, quali relè, interruttori elettronici o simili, pilotati dall’unità di controllo per introdurre nel circuito di alimentazione del carico una reattanza capacitiva tale da almeno parzialmente compensare la reattanza induttiva del carico così da portare il fattore di potenza a valori superiori a 0.7, preferibilmente superiori a 0.8, tipicamente superiori a 0.9.

8) MODULO RELÈ INTERFACCIA CARICO

Il modulo è costituito da vari relè o interruttori elettronici che vengono attivati dall’unità di controllo in base al segnale inviato dalla piattaforma di controllo e consentono di connettere la presa direttamente ai singoli comandi del carico elettrico, ad esempio possono essere impiegati per sostituire/affiancare i pulsanti elettromeccanici presenti in vari elettrodomestici in modo da azionare un particolare programma in base alle esigenze.

La presa può essere vantaggiosamente prevista come parte di un sistema per il monitoraggio di parametri di funzionamento di uno o più carichi presenti in una rete elettrica. Tale sistema, il cui schema a blocchi è mostrato in fig.5, comprende una o più unità di supervisione 3 interfacciata ad una o più prese intelligenti 1 per leggere dati relativi alla tensione di rete e di corrente assorbita dal o dai carichi 2 quando tale o tali prese intelligenti sono inserite in serie fra rete e carico. L’unità di supervisione 3, oltre a leggere ed elaborare i dati elettrici dalla presa 1, può vantaggiosamente operare un controllo a distanza sia della presa 1 che del carico 2 ad essa collegato realizzando un vero e proprio nodo di una rete Smart Grid.

Nello specifico l’unità di controllo 901 della presa 1 può ricevere, attraverso il modulo di comunicazione 201, i segnali di comando inviati dall’utente, in modo da comandare a distanza sia l’accensione/spegnimento della presa, attraverso il relè accensione e spegnimento carico 601, sia la selezione di un particolare programma del carico tramite il modulo relè interfaccia carico 801 e/o i pin digitali e analogici 901 dell’unità di controllo 101. Chiaramente, quest’ultima funzione (selezione a distanza di un programma), presuppone un intervento invasivo e personalizzato per ogni carico che richiede la necessità di accedere fisicamente alla scheda elettronica e/o ai pulsanti elettromeccanici, ancor più se viene realizzata un’interfaccia diretta fra unità di controllo e carico stesso tramite pin dedicati come mostrato in fig.1.

Implementando tale funzionalità è possibile realizzare una gestione intelligente del carico elettrico in modo tale da regolare il suo funzionamento così da ottimizzarne i consumi o altri indici di prestazione.

Per quanto riguarda i parametri rilevati, la seguente tabella riassume le possibili misure che è possibile effettuare con il sistema secondo l’invenzione.

Come sopra accennato, tramite il circuito di rifasamento 701 presente all’interno della presa intelligente 1 è possibile effettuare il rifasamento del carico 2 connesso alla presa 1, in modo tale da ottenere molteplici benefici:

- riduzione dell’energia dissipata. Un carico perfettamente rifasato consente, infatti, all’utente di pagare solo l’energia che effettivamente utilizza. Ad es.: In un carico con cosφ=0.70 induttivo, soltanto il 70% della potenza fornita dal trasformatore in cabina viene utilizzata per produrre lavoro utile, mentre il resto serve per produrre l’energia reattiva richiesta dal carico ed in parte dispersa per effetto Joule sotto forma di calore;

- Aumento della potenza disponibile sugli impianti di alimentazione;

- Diminuzione delle cadute di tensione, con conseguenze positive sul funzionamento degli apparecchi utilizzatori;

- Diminuzione delle perdite di energia nei conduttori a causa della minore intensità di corrente in circolazione a parità di potenza.

Il sistema è vantaggiosamente in grado di effettuare analisi di Power Quality. Questo termine si riferisce ad un’ampia gamma di fenomeni elettromagnetici che caratterizzano la tensione e/o la corrente in un dato punto del sistema elettrico. La IEEE, attraverso l’emanazione delle raccomandazioni Std.

1159-1995, ha proposto una suddivisione dei fenomeni causa di disturbi condotti nei sistemi elettrici come mostrato nella tabella di cui alla fig.6.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Presa intelligente (1) per il monitoraggio di parametri elettrici di funzionamento di un carico in una rete elettrica, la quale presa comprende almeno un sensore di tensione (501) e un sensore di corrente (401) interfacciati ad una unità di controllo (101) configurata per leggere i valori di tensione di rete e di corrente assorbita quando la presa è inserita fra carico e rete, un modulo di comunicazione (201) interfacciato all’unità di controllo (101) per inviare dati e ricevere comandi da una unità di supervisione remota (3), caratterizzato dal fatto che la presa (1) comprende dispositivi di controllo del funzionamento del carico (601, 701, 801, 901) che operano sulla base di comandi ricevuti dal modulo di comunicazione (201) e/o di controlli preimpostati nell’unità di controllo (101).
2. Presa (1) secondo la rivendicazione 1, in cui i dispositivi di controllo del carico comprendono moduli (601) che agiscono sul circuito di alimentazione del carico (2).
3. Presa (1) secondo la rivendicazione 2, in cui i moduli (601) che agiscono sull’alimentazione del carico (2) comprendono un dispositivo di interruzione della circolazione di corrente sul carico quale un relè, un interruttore elettronico o simili pilotato dalla unità di controllo per accendere/spegnere il carico.
4. Presa (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui i dispositivi di controllo del carico comprendono un circuito di rifasamento (701) che riduce la potenza reattiva sul carico (2).
5. Presa (1) secondo la rivendicazione 4, in cui il circuito di rifasamento (701) comprende una batteria di condensatori in parallelo singolarmente escludibili tramite dispositivi di interruzione disposti in serie, quali relè, interruttori elettronici o simili, pilotati dall’unità di controllo (101) per introdurre nel circuito di alimentazione del carico (2) una reattanza capacitiva tale da almeno parzialmente compensare la reattanza induttiva del carico così da portare il fattore di potenza a valori superiori a 0.7, preferibilmente superiori a 0.8, tipicamente superiori a 0.9.
6. Presa (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui i dispositivi di controllo del carico comprendono elementi (801, 901) per l’interfaccia dell’unità di controllo (101) con il carico (2) in modo da consentire all’unità di controllo (101) di impostare direttamente sul carico (2) almeno parte dei relativi parametri di funzionamento.
7. Presa (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui l’unità di controllo (101) è configurata per ricevere segnali di comando dall’unità di supervisione (3) per il comando a distanza dell’accensione/spegnimento e, più in generale, del funzionamento del carico (2) ottimizzando i consumi o altri indici di prestazione sulla base dei parametri di funzionamento monitorati.
8. Sistema per il monitoraggio di parametri di funzionamento di uno o più carichi presenti in una rete elettrica, il quale sistema comprende una o più unità di supervisione (3) interfacciate ad una o più prese intelligenti (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni per leggere dati relativi alla tensione di rete e di corrente assorbita dal o dai carichi (2) quando tale o tali prese intelligenti (1) sono inserite in serie fra rete e carico.
9. Sistema secondo la rivendicazione 8, in cui l’unità di supervisione (3) si interfaccia con la o le prese intelligenti (1) tramite rete cablata o wireless, in particolare tramite rete Bluetooth, Wifi, Zigbee o simili.
10. Sistema secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui l’unità di supervisione (3) è configurata per leggere parametri elettrici per il tramite di una o più prese intelligenti (1) ed elaborare tali parametri per fornire in uscita un’analisi di Power Quality della rete.
11. Sistema secondo la rivendicazione 10, in cui l’analisi di Power Quality comprende l’elaborazione di uno o più parametri selezionati dalla lista che consiste in: valore efficace di tensione, valore medio di tensione, valore massimo di tensione, valore minimo di tensione, valore efficace di corrente, valore medio di corrente, valore massimo di corrente, valore minimo di corrente, fattore di potenza, potenza attiva, potenza reattiva, potenza apparente.
12. Sistema secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui l’analisi di Power Quality comprende l’estrapolazione di uno o più categorie di disturbi nella rete elettrica selezionati dalla tabella: Categoria Spettro Durata Ampiezza Transitori Impulsivi Nanosecondo 5 ns (tempo di salita) < 50 ns M icrosecondo 1 us (tempo di salita) 50 ns – 1 ms M illisecondo 0.1 ms (tempo di salita) > 1 ms Oscillatori Bassa Frequenza < 5 kHz 0.3 – 50 ms 0 – 4 p.u. M edia Frequenza 5-500 kHz 20 us 0 – 8 p.u. Alta frequenza 0.5-5 MHz 5 us 0 – 4 p.u. Variazioni di breve durata Istantanee Sag 0.5 -30 periodi 0.1 – 0.9 p.u. Swell 0.5 – 30 periodi 1.1 – 1.8 p.u. Momentanee Interruzioni 0.5 periodi – 3 s < 0.1 p.u. Sag 30 periodi – 3 s 0.1 – 0.9 p.u. Swell 30 periodi – 3 s 1.1 – 1.4 p.u. Temporanee Interruzioni 3 s – 1 min < 0.1 p.u. Sag 3 s – 1 min 0.1 – 0.9 p.u. Swell 3 s – 1 min 1.1 – 1.2 p.u. Variazioni di lunga durata Interruzioni prolungate >1 min 0.0 p.u. Sottotensioni >1 min 0.8 – 0.9 p.u. Sovratensioni >1 min 1.1 – 1.2 p.u. Dissimmetrie Permanente 0.5 – 2% Distorsioni DC Offset 0 – 0.1 % Armoniche 0 – 100 kHz Permanente 0 – 20 % Interarmoniche 0 – 5 kHz Permanente 0 – 2 % Notching Permanente Noise Larga Banda Permanente 0 – 1 % Fluttuazioni della Tensione < 25 Hz Intermittente 0.1 – 7 % Variazioni della Frequenza <10 s