ITRE20130049A1

ITRE20130049A1 - Metodo e dispositivo per la profilazione e la schedulazione di consumi elettrici

Info

Publication number: ITRE20130049A1
Application number: IT000049A
Authority: IT
Inventors: Roberto Quadrini
Original assignee: Roberto Quadrini
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-10

Description

DESCRIZIONE

del Brevetto Italiano per Invenzione Industriale dal titolo:

“METODO E DISPOSITIVO PER LA PROFILAZIONE E LA SCHEDULAZIONE DI

CONSUMI ELETTRICI”

La presente invenzione si riferisce ad un metodo e ad un dispositivo per la profilazione e la schedulazione di consumi elettrici.

Nell’ambito della distribuzione dell’energia elettrica è noto impiegare contatori di energia che svolgono diverse funzioni tra cui la contabilizzazione dei consumi per la fatturazione. I contatori sono associati ai punti di distribuzione dell’energia (Point Of Delivery - POD).

Ai singoli punti di distribuzione possono anche essere collegati sistemi di data logging, ovvero di acquisizione e memorizzazione dati di vario tipo, i quali sono appunto in grado di memorizzare una molteplicità di dati relativi ai consumi di energia elettrica, permettendo anche analisi molto sofisticate, ma sono generalmente collegati direttamente al punto di distribuzione.

Questi sistemi noti, pur essendo in grado di effettuare misurazioni in modo efficiente ed affidabile, consentono unicamente la collezione di dati in forma aggregata, ovvero relativi ai consumi complessivi associabili ad un determinato punto di distribuzione, ad esempio come detto sopra a scopi di fatturazione, poiché misurano in effetti solo la somma di tutti i carichi elettrici collegati allo specifico punto di distribuzione.

Sono anche noti sistemi di controllo dei carichi elettrici i quali generalmente non usano protocolli di comunicazione standard, ma usano protocolli proprietari o noti come standard de-facto e che non possono quindi interfacciarsi con gli attuali contatori elettronici, per tale motivo di incompatibilità tecnologica del protocollo di comunicazione.

Per controllare i carichi elettrici, sia singoli che aggregati, ad oggi ogni sistema di controllo ha la sua stazione di controllo, il suo protocollo e non comunica in modo bidirezionale con gli altri elementi presenti nel panorama del mercato elettrico liberalizzato odierno.

Inoltre i sistemi di monitoraggio menzionati, tipo i contatori ed i data logger, nonché i sistemi di controllo ad esempio implementati tramite sistemi SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), non si integrano con gli altri sistemi che sono presenti nella filiera del mercato elettrico.

Scopo della presente invenzione è quello di superare i succitati inconvenienti, mediante un metodo ed un dispositivo che consenta di conoscere, nel maggiore dettaglio possibile, l’evoluzione dei consumi elettrici, in particolare associati ad un singolo punto di distribuzione, anche a livello di singola presa elettrica.

Un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di creare un dispositivo che integri le suddette funzioni di monitoraggio con quelle di controllo dei carichi elettrici, permettendo di gestire i dispositivi elettrici collegati alla rete in modo attivo.

Detti scopi vengono raggiunti grazie ad un metodo per la profilazione di consumi elettrici, ove detti consumi elettrici sono generati da carichi elettrici posti a valle di un punto di distribuzione dell’energia elettrica, il metodo comprendendo le seguenti fasi:

- monitoraggio dei consumi generati da ogni singolo carico elettrico;

- memorizzazione dei dati di consumo monitorati in un intervallo di tempo;

- suddivisione dei dati di consumo memorizzati in un primo gruppo di dati rappresentativi di consumi elettrici dovuti a servizi essenziali ed in un secondo gruppo di dati rappresentativi di consumi elettrici dovuti ad attività di natura discontinua;

- determinazione di un valore minimo dei consumi elettrici da garantire ai servizi essenziali.

Tra i vantaggi di questa soluzione si può annoverare il fatto che la determinazione di un valore costante nel tempo dei consumi e di una componente variabile consente di creare le condizioni per ottimizzare un contratto di fornitura di energia elettrica ad un determinato punto di distribuzione

Inoltre, nel mercato libero dell’energia, le informazioni ricavate mediante la profilazione dei consumi elettrici possono essere utilizzate per costruire uno o più contratti derivati che possono essere scambiati da trader sul mercato dell’energia.

L’invenzione comprende anche un dispositivo per effettuare la profilazione dei consumi elettrici.

Un ulteriore realizzazione dell’invenzione prevede un metodo per la schedulazione di consumi elettrici comprendente le seguenti fasi:

- determinazione di un profilo di consumi elettrici come alle rivendicazioni precedenti;

- definizione di un livello di confort percepito all’interno di un edificio.

- monitoraggio di parametri fisici ambientali influenzanti il confort percepito nell’edificio;

- confronto dei valori monitorati dei parametri ambientali con valori desiderati al fine di mantenere un livello di confort percepito prefissato;

- determinazione di una schedulazione dei consumi elettrici in funzione del profilo di consumi elettrici determinato, dei valori misurati di detti parametri ambientali, dei valori desiderati di detti parametri ambientali e di un modello previsionale dei consumi elettrici.

Un vantaggio di questa realizzazione è dato dal fatto che tramite schedulazione si può gestire in maniera più efficiente ed economica la fornitura dell’energia elettrica, evitando ad esempio, picchi di domanda.

L’invenzione comprende anche un dispositivo per determinare una schedulazione di consumi elettrici e per attuarla.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono desumibili dalle rivendicazioni dipendenti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti dalla lettura della descrizione seguente fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle figure illustrate nelle tavole allegate, in cui:

- la figura 1 rappresenta uno schema dei principali componenti del dispositivo secondo una realizzazione dell’invenzione;

- la figura 2 rappresenta una matrice che individua una suddivisione dei dati dei consumi elettrici ottenuta mediante profilazione dei medesimi;

- la figura 3 rappresenta una suddivisione del consumo elettrico in funzione del tempo ottenuta mediante profilazione; e

- la figura 4 rappresenta un esempio di applicazione di un modulo di schedulazione dei carichi secondo una realizzazione dell’invenzione.

In figura 1 è rappresentato uno schema dei principali componenti del dispositivo secondo una realizzazione dell’invenzione.

Il dispositivo, globalmente indicato con il riferimento numerico 10, è in grado di monitorare i consumi elettrici non solo in aggregato, ma anche e soprattutto, per singola presa elettrica.

In particolare, a seconda delle applicazioni a cui il dispositivo 10 è destinato, possono essere monitorati consumi elettrici dovuti a carichi quali condizionamento, illuminazione, azionamento di macchine in ambito industriale ed in generale ad ogni carico elettrico collegato alla rete.

In generale, per ogni carico elettrico si avrà un diverso andamento temporale del consumo elettrico come ad esempio rappresentato nei blocchi 20, 25 e 30.

Ognuno di detti carichi elettrici può essere monitorato tramite un’interfaccia 40, dotata di sensori, che misura i parametri elettrici di tale carico direttamente sulle singole prese elettriche, ad esempio corrente, tensione, potenza attiva, potenza reattiva, potenza apparente, energia attiva, energia reattiva, energia apparente. Tali misurazioni possono essere svolte in classe di precisione 0,2 e 0,5.

L’insieme delle interfacce 40 forma un sottosistema di potenza 45. Il sottosistema di potenza 45, oltre ad effettuare le misurazioni sui carichi, fornisce alimentazione elettrica ai carichi direttamente collegati ad esso.

In particolare, il sottosistema di potenza 45 svolge anche la funzione di controllo del carico elettrico mediante, ad esempio, accensione e spegnimento, parzializzazione del carico, gestione allarmi, antifurto, stand-by killer, gestione dei picchi elettrici, controllo dello sbilanciamento orario e al 1/4 d’ora riferito alla potenza impegnata da contratto con il fornitore del servizio di energia elettrica, memorizzazione, in intervalli di tempo definibili, dei consumi energetici di ogni singola presa elettrica, memorizzazione dell’emissione di biossido di carbonio, e altro.

Il sottosistema di potenza 45 è collegato, mediante un sottosistema di interfaccia seriale 50 o con altro tipo di collegamento per la trasmissione dati, anche di tipo wireless, ad un sottosistema di monitoraggio 55 ove avviene la memorizzazione dei dati dei consumi elettrici di ciascun carico, al fine di costruire un database di detti dati.

Come meglio illustrato nel seguito, il sistema dell’invenzione è in grado di effettuare operazioni di profilazione dei carichi elettrici e, anche in base alle informazioni raccolte nella profilazione, effettuare operazioni di schedulazione dei consumi, ognuna di dette operazioni essendo gestita da un rispettivo modulo 60,65.

In primo luogo, il modulo di profilazione 60 consente la profilazione dei carichi energetici al fine di mappare i consumi elettrici complessivi, puntuali e per classi, come previsto dalle attuali norme vigenti in materia e fornisce i dati necessari all’attivazione degli altri moduli del sistema, ovvero in particolare al modulo di schedulazione 65.

I dati provenienti dal modulo di profilazione 60 possono anche essere integrati con piattaforme preesistenti di simulazione ed analisi di scenario oltre a fornire un supporto strategico per la verifica delle componenti del costo energetico in relazione al contratto sottoscritto con il fornitore (controllo bolletta, costi associati, accise, imposte fiscali, etc.).

Grazie infine alla presenza di un sottosistema di comunicazione 100, i dati così ricavati sono usufruibili direttamente su qualsiasi dispositivo mobile, pc, server, smartphone, notebook, tablet e simili, grazie all’utilizzo del protocollo di comunicazione IP, e alla possibilità di gestire tali dati via web. In tal modo, con qualsiasi browser presente su qualsiasi sistema operativo, si può accedere a tutti parametri di funzionamento, si possono gestire i carichi, i dati di consumo, i dati di emissione CO2ed altro.

Inoltre, con le opportune credenziali di amministratore, si può interagire direttamente sul sistema operando una serie di comandi, ad esempio accensione e spegnimento, o parzializzazione del carico elettrico.

Passando ad una descrizione più dettagliata del modulo di profilazione 60, osserviamo quanto segue.

In primo luogo, essendo possibile monitorare i singoli carichi elettrici, grazie al sistema 10 descritto in precedenza, è anche possibile classificare i consumi elettrici suddividendoli in aree di consumo secondo criteri di omogeneità.

Ad esempio un’area può essere costituita da un piano di una struttura pubblica, quale un ospedale con i propri consumi elettrici quali illuminamento, condizionamento, riscaldamento, oppure può essere costituita da una macchina in un impianto produttivo di un’azienda o da un gruppo di macchine delle stesso tipo o anche impiegando altri criteri di similitudine o omogeneità.

L’individuazione delle aree così definite consente di costruire degli insiemi di aree accomunate da una medesima destinazione di uso o appartenenti ad un medesimo utente del servizio elettrico, insiemi definiti come domini.

Esempi di domini, non limitativi dell’applicabilità delle varie realizzazioni dell’invenzione, possono essere: un ospedale, un’acciaieria o un’azienda vitivinicola, ognuno di detti domini avendo specifiche esigenze di consumi elettrici.

A sua volta un dominio può essere suddiviso in diversi gruppi o cluster, ovvero accorpando in ogni gruppo una specifica tipologia di dati rappresentativi del consumo elettrico in modo da creare suddivisioni significative dei consumi elettrici.

Per fare un esempio, mediante le suddette operazioni di profilazione si possono identificare due tipologie di consumi, ognuna associata ad uno specifico gruppo (o cluster) di dati, ovvero ad un primo gruppo di dati rappresentativi di consumi elettrici dovuti a servizi essenziali ed in un secondo gruppo di dati rappresentativi di consumi elettrici dovuti ad attività di natura discontinua, quali sono ad esempio le attività produttive.

In questo modo si crea un‘aggregazione dei consumi energetici per tipologia di carico.

Ad esempio il gruppo di dati rappresentativi di consumi elettrici dovuti a servizi essenziali raggruppa consumi elettrici dovuti a fattori quali illuminazione, Unità Trattamento Aria (UTA), Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) e così via.

Il gruppo di dati rappresentativi di consumi elettrici dovuti ad attività di natura discontinua invece raggruppa consumi elettrici dovuti ad esigenze produttive in senso lato, ovvero dovuti al funzionamento di macchine ed impianti, come ad esempio esemplificato nella seguente Tabella 1 ed in fig. 2.

TABELLA 1

Dominio Servizi Produzione Ospedale Illum., HVAC, UTA, Macchine ospedaliere ecc.. Es: TAC, PET, ecc.. Acciaieria Illum., HVAC, UTA, Altoforno, macchine ecc.. ad alta intensità di consumo elettrico Azienda vitivinicola Illum., HVAC, UTA, Macchine produzione ecc.. vinicola

A seguito di queste operazioni di profilazione, si rileva che i servizi essenziali generano consumi elettrici sostanzialmente costanti ed invece il gruppo di carichi dovuti ad attività produttive genera consumi variabili nel tempo.

Ciò consente di costruire un profilo dei consumi elettrici relativo ad un particolare dominio suddividendo tali consumi in una parte fissa (curva A) ed in una parte variabile (curva B), come schematicamente rappresentato in fig. 3.

Siccome il sistema di profilazione descritto ha a disposizione tutti i dati di consumo elettrico, esso può anche calcolare il valore C della parte fissa del consumo di un determinato dominio.

A titolo di esempio, la determinazione di un valore minimo dei consumi elettrici da garantire ai servizi essenziali viene effettuata in funzione del massimo della somma dei valori dei relativi consumi elettrici nell’intervallo temporale.

A tale valore si può, eventualmente, aggiungere un margine di sicurezza per determinare un valore minimo dei consumi elettrici da garantire ai servizi essenziali.

Inoltre, sempre con la stessa logica, si possono aggregare tutti i consumi di un gruppo di domini, in modo tale da ottenere curve del tutto simili a quella di fig. 3.

Avendo separato il consumo elettrico in una parte fissa, di cui si conosce il valore C, ed una parte variabile è anche possibile utilizzare dette informazioni sul mercato dell’energia ad esempio costruendo uno o più contratti derivati che possono essere scambiati da operatori 62 del mercato elettrico.

Contratti derivati in quanto tali non sono oggetto della presente domanda di brevetto, ma sono menzionati come esempio di applicazione dei dati ricavati mediante profilazione dei consumi elettrici.

A ciò sia aggiunge il fatto che la conoscenza puntuale dei carichi dovuti ad esigenze produttive può consentire di distribuire detti consumi in diversi archi temporali … , archi temporali che possono ad esempio essere espressi in termini di fasce orarie, in modo da ridurre i picchi di consumo.

Questa operazione può consentire di passare da una curva di consumi B, dotata di un picco elevato, ad una curva B’ più piatta ed anche di beneficiare di tariffe ridotte in certe fasce orarie.

In più, sulla base della profilazione dei carichi dovuti ad attività produttive può anche essere possibile evitare di impiegare un contratto che preveda un carico massimo pari a D ed utilizzarne uno con un carico massimo D’ inferiore a D (freccia F).

L’individuazione dei carichi elettrici mediante profilazione può anche consentire di intervenire su di essi, passando quindi da una gestione passiva dell’energia ad una attiva. Ciò vale sia per i consumi dovuti ai servizi essenziali, sia per quelli dovuti ad attività produttive.

In particolare, con riferimento alla fig. 4 ed ai carichi dovuti a servizi essenziali, è possibile all’interno di un edificio quale un ospedale o all’interno degli uffici di un’azienda, disporre sensori che rilevano vari parametri legati al confort dei soggetti che operano o vivono in tali locali, ad esempio sensori di illuminamento 70, temperatura 72 e umidità 74. Detti sensori possono essere posizionati nelle varie stanze 210,210 dell’edificio o, in casi più semplici, un solo gruppo di tali sensori può essere posizionato per ogni piano.

Inoltre le stanze 200,210 sono generalmente provviste di impianti di illuminazione 80, di riscaldamento 82 e di condizionamento 84.

I dati di illuminamento 70, temperatura 72 e umidità 74 raccolti dai rispettivi sensori vengono inviati al modulo di schedulazione 65 il quale consente, a fini di incrementare l’efficienza energetica, il controllo dinamico dei carichi secondo una schedulazione oraria che tiene in considerazione gli elementi meteorologici ed un livello di confort costante nel tempo, per gli occupanti dell’edificio o per gli operatori a livello di processo industriale, detto anche ISOCONFORT. Per un determinato edificio, il confort può essere definito come lo stato di benessere e praticabilità dello stesso percepito dagli utenti, in termini termici, illuminotecnici e di qualità dell’aria. Se i dati rilevati delle variabili misurate quali ad esempio illuminamento, temperatura e umidità si discostano da quei valori che definiscono il livello di confort desiderato, è possibile intervenire su tali valori variando il consumo energetico degli apparati collegati.

In funzione dell’illuminazione esterna, ad esempio, dovuta alle condizioni metereologiche variabili nel tempo, è possibile variare opportunamente il livello di illuminamento di uno o più impianti di illuminazione 80.

Analogamente, sempre in funzione di variazioni ambientali, è possibile variare i setpoint dell’impianto di riscaldamento 82 e/o di condizionamento 84, ove opportuno.

Queste variazioni di setpoint consentono quindi di mantenere i profili elettrici e/o termici desiderati, in particolare per mantenere un livello di confort desiderato.

Al fine di evitare picchi di consumo e di prevedere il carico energetico orario, il modulo di schedulazione 65 prevede l’impiego di dati storici relativi alle condizioni meteorologiche per quell’ora e quel periodo dell’anno, nonché di un modello previsionale meteorologico che può essere aggiornabile ad intervalli temporali brevi, ad esempio ogni quarto d’ora.

In questo modo è possibile creare una vera e propria schedulazione dei carichi elettrici in funzione del tempo, fornendo quindi ad ogni carico una determinata quantità di energia nel tempo secondo una opportuna tempistica, espressa in termini di intervalli temporali o di fasce orarie, determinata dal modulo di schedulazione 65, come anche rappresentato nel riquadro di fig. 4, ove per ogni carico 80,82,84 è previsto un relativo andamento del proprio consumo elettrico 80’,82’,84’ che può variare nel tempo secondo quanto determinato dal modulo di schedulazione 65.

Nel caso di impianti produttivi è possibile estendere la logica di schedulazione di cui sopra, considerando anche come variabili di cui tener conto la programmazione della produzione, e quindi del consumo associato, da parte del cliente che può dipendere, ad esempio, dal numero linee produttive utilizzate in una fabbrica. Sempre in fig. 4, a titolo di esempio, è rappresentato il relativo andamento 85’ del consumo elettrico di una macchina produttiva.

Al fine di ampliare il modulo di schedulazione 65, inserire nel modello i dati storici dei consumi elettrici, un calendario eventi suddiviso, ad esempio, in giorni lavorativi, festività, manutenzioni programmate, e così via, le soglie di consumo previste, e l’andamento dei prezzi dell'energia in borsa.

Il modulo di schedulazione 65 consente pertanto di determinare l’energia da allocare che viene acquistata di conseguenza. Il cliente quindi attuando la schedulazione consumerà secondo il profilo previsto.

Ovviamente all’invenzione così come descritta potranno essere apportate modifiche o migliorie dettate da motivazioni contingenti o particolari, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione come sotto rivendicata.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la profilazione di consumi elettrici, ove detti consumi elettrici sono generati da carichi elettrici posti a valle di un punto di distribuzione dell’energia elettrica, il metodo comprendendo le seguenti fasi: - monitoraggio dei consumi generati da ogni singolo carico elettrico; - memorizzazione dei dati di consumo monitorati in un intervallo di tempo; - suddivisione dei dati di consumo memorizzati in un primo gruppo di dati rappresentativi di consumi elettrici dovuti a servizi essenziali ed in un secondo gruppo di dati rappresentativi di consumi elettrici dovuti ad attività di natura discontinua; - determinazione di un valore minimo dei consumi elettrici da garantire ai servizi essenziali.
2. Metodo come alla rivendicazione 1, in cui la determinazione di un valore minimo dei consumi elettrici da garantire ai servizi essenziali viene effettuata in funzione del massimo della somma dei valori dei relativi consumi elettrici nell’intervallo temporale.
3. Metodo per la schedulazione di consumi elettrici comprendente le seguenti fasi: - determinazione di un profilo di consumi elettrici come alle rivendicazioni precedenti; - definizione di un livello di confort percepito all’interno di un edificio. - monitoraggio di parametri fisici ambientali influenzanti il confort percepito nell’edificio; - confronto dei valori monitorati dei parametri ambientali con valori desiderati al fine di mantenere un livello di confort percepito prefissato; - determinazione di una schedulazione dei consumi elettrici in funzione del profilo di consumi elettrici determinato, dei valori misurati di detti parametri ambientali, dei valori desiderati di detti parametri ambientali e di un modello previsionale dei consumi elettrici.
4. Metodo come alla rivendicazione 3, in cui livello di confort percepito all’interno di un edificio è definito in termini di temperatura e di umidità dell’aria e di illuminamento.
5. Metodo come alla rivendicazione 3, in cui i parametri fisici misurati comprendono temperatura e umidità dell’aria ed illuminamento.
6. Metodo come alla rivendicazione 3, in cui il modello previsionale dei consumi elettrici comprende dati storici relativi a consumi elettrici, un calendario di eventi, e l’andamento dei prezzi dell’energia elettrica.
7. Metodo come alla rivendicazione 3, in cui il modello previsionale dei consumi elettrici comprende dati di consumi elettrici generati da macchine operatrici sulla base di un modello di programmazione della produzione.
8. Metodo per la minimizzazione dei consumi elettrici dovuti ad attività di natura discontinua, comprendente le seguenti fasi: - determinazione di un profilo di consumi elettrici come alle rivendicazioni 1-2; - distribuzione dei carichi dovuti ad attività di natura discontinua in diversi archi temporali.
9. Dispositivo per la profilazione di consumi elettrici, ove detti consumi elettrici sono generati da carichi elettrici posti a valle di un punto di distribuzione dell’energia elettrica, il dispositivo comprendendo: - mezzi per il monitoraggio dei consumi generati da ogni singolo carico elettrico; - mezzi per la memorizzazione dei dati di consumo monitorati in un intervallo di tempo; - mezzi per la suddivisione dei dati di consumo memorizzati in un primo gruppo di dati rappresentativi di consumi elettrici dovuti a servizi essenziali ed in un secondo gruppo di dati rappresentativi di consumi elettrici dovuti ad attività di natura discontinua; - mezzi per la determinazione di un profilo di consumi elettrici dovuti a servizi essenziali.
10. Dispositivo come alla rivendicazione 9, ove i mezzi per il monitoraggio dei consumi dovuti ad ogni singolo carico elettrico comprendono sensori per la misurazione di parametri elettrici.
11. Dispositivo per la schedulazione di consumi elettrici, ove detti consumi elettrici sono generati da carichi elettrici posti a valle di un punto di distribuzione dell’energia elettrica, il dispositivo comprendendo: - mezzi per la determinazione di un profilo di consumi elettrici come alle rivendicazioni 1-2; - mezzi per definire un livello di confort percepito all’interno di un edificio. - mezzi per monitorare parametri fisici ambientali influenzanti il confort percepito nell’edificio; - mezzi per confrontare i valori monitorati dei parametri ambientali con valori desiderati al fine di mantenere un livello di confort percepito prefissato; - mezzi per determinare una schedulazione dei consumi elettrici in funzione del profilo di consumi elettrici determinato, dei valori misurati di detti parametri ambientali, dei valori desiderati di detti parametri ambientali e di un modello previsionale dei consumi elettrici.
12. Dispositivo per attuare una schedulazione di consumi elettrici determinata dal dispositivo della rivendicazione 11, il dispositivo comprendendo un sottosistema di potenza in grado di operare sulla distribuzione dell’energia ai carichi elettrici posti a valle del punto di distribuzione dell’energia elettrica.
13. Programma per computer atto a eseguire il metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9.
14. Apparato di controllo comprendente un’unità di controllo, una memoria ed un programma per computer come alla rivendicazione 13 memorizzato nella memoria.