RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Individuazione di nuove metodologie e realizzazione di strumentazione innovativa per la qualificazione metrologica di misuratori di energia elettrica operanti anche in regime non sinusoidale

Università di riferimento

Seconda Università degli Studi di NAPOLI - INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Carmine Landi

Descrizione

Il compito dell’unità di ricerca è la progettazione, la realizzazione e caratterizzazione metrologica di una apparecchiatura di misura che basandosi su metriche di misura appositamente sviluppate consenta la esecuzione delle prove di verifica delle prestazioni dei misuratori di energia elettrica operanti sia in regime sinusoidale che deformato. Nel caso del regime deformato essa sarà in grado di applicare i segnali tipici della rete di potenza al fine di consentire la caratterizzazione del misuratore in “condizioni realistiche di funzionamento” come previsto dal decreto di recepimento della direttiva europea 2004/22 CE.
Realizzare una apparecchiatura che consenta la calibrazione dei misuratori di energia elettrica in condizioni realistiche di funzionamento richiede che l’apparecchiatura deve essere in grado di operare con i segnali presenti in rete, effettuare le misure con livelli di incertezza trascurabile rispetto a quella prevista dal gruppo di misura e rendere disponibile sia il risultato di misura che la relativa incertezza.
Volendo effettuare conferma metrologica dei misuratori di energia elettrica nelle effettive condizioni di funzionamento anche sul campo la verifica, al fine di ridurre i tempi di fuori servizio di impianto, l’apparecchiatura deve essere portatile, con un livello di confidenza (incertezza) appropriato ed agire quindi come un “campione viaggiante” di grandezze elettriche i regime sinusoidale e non-sinusoidale.
Prescindendo, in questa sede, dai pur importanti aspetti gestionali, economici e comportamentali, si osserva che il parametro essenziale, che caratterizza, in termini metrologici, la qualità di ogni operazione di misurazione, ed in particolare della valutazione dei flussi di energia elettrica, è rappresentato dall'incertezza associata ai corrispondenti risultati. L'incertezza è elemento distintivo dell'adeguatezza del processo, che, a sua volta, è costituito dall'applicazione di un determinato procedimento con l'impiego di determinate apparecchiature, entrambe le componenti suddette sono fonte di incertezza. Solo la conoscenza dell'incertezza consente, infatti, di verificare, oggettivamente, il rispetto di determinati limiti o tolleranze, di individuare scostamenti più o meno significativi e, soprattutto, di confrontare fra loro risultati ottenuti in sedi diverse o in tempi diversi.
Il compito quindi dell'unità di ricerca è quello di svolgere tutte le attività di analisi del problema, definizione delle caratteristiche, progetto e realizzazione dell’apparecchiatura di misura trasportabile (stazione mobile di verifica).
Per il raggiungimento degli obiettivi di progetto si sono individuate alcune attività principali che possono essere utilizzate ex-ante per la schedulazione delle attività di progetto ed ex-post per la verifica del raggiungimento degli obiettivi di progetto. Nella suddivisione delle attività si è tenuto conto anche delle competenze specifiche dell’unità di ricerca che nella fattispecie integra le esperienze scientifiche, riconosciute a livello nazionale ed internazione, nel settore delle misure sui sistemi di potenza e dell’analisi dei sistemi elettrici. Nel dettaglio le attività principali possono essere riassunte in: a)Individuazione segnali caratteristici rete in regime non-sinusoidale; b) Definizione delle metriche di misura dell’energia attiva in regime sinusoidale e non ai fini di una corretta tariffazione; c)Individuazione delle principali tipologie presenti in rete in termini di composizione armonica THD, Buchi, Tensione di picco al variare della tipologia d’impianto per la definizione del costo di non qualità; d) Definizione delle metriche di misura per il cosfi ed energia reattiva; e)Messa a punto di una apparecchiatura di misura in grado di operare correttamente in regime sinusoidale e deformato; f) realizzazione di una apparecchiatura per la generazione delle grandezze tipiche della rete di potenza variabile a secondo della tipologia di impianto per la calibrazione dei misuratori in condizioni “realistiche” di funzionamento; g) Integrazione in una unica apparecchiatura trasportabile della sezione di generazione e di misura per la realizzazione di una apparecchiatura trasportabile in campo; h) Messa a punto della sezione e dei protocolli di comunicazione per l’integrazione dell’apparecchiatura nel laboratorio accreditato del consorzio MeSE; i) Accreditamento del sistema

Nel seguito si illustreranno le singole fasi della ricerca e per ognuna di essa si riporterà il tempo previsto per lo svolgimento.
a) Individuazione segnali caratteristici rete in regime non-sinusoidale e dissimmetrico.
Per quel che concerne le condizioni realistiche di funzionamento, la normativa italiana ed internazionale, pur facendo riferimento a segnali di tensione non sinusoidali, parla solo di THD, senza far riferimento alla composizione dello stesso; in un solo caso la norma CEI fa riferimento ad un segnale affetto da quinta armonica di tensione. Per la corrente le norme CEI fanno riferimento ad un numero limitato di tipologie di assorbimento. La mancata definizione di tali segnali rende di fatto inapplicabile la direttiva europea 2004/22 CE. Il primo passo quindi nello sviluppo della stazione di misura è la definizione delle caratteristiche delle forme d’onda all’ingresso dell’apparecchiatura; tale definizione verrà fatta mettendo insieme i risultati trovati in letteratura, la simulazione di tipologie standard di utenze industriali ed i risultati sperimentali ottenuti dal monitoraggio su impianti reali, scelti. per tipologia di utenza. Per tale attività si prevedono 3 mesi
b) Definizione delle metriche di misura dell’energia attiva in regime sinusoidale e non ai fini di una corretta tariffazione.
In questa fase andranno della ricerca andranno presi in considerazione gli intervalli di misura per la valutazione della potenza di picco, i limiti dei misuratori nel fornire risultati parziali ed integrati congruenti, l’effetto della presenza di deformazione sulla fatturazione di energia. Quest’ultimo caso pone un problema di coscienza nel ricercatore; infatti da studi portati avanti [] risulta che l’utente che è alimentato da forma d’onda distorta non solo subisce un degradamento delle prestazioni dei motori, un precoce invecchiamento degli isolanti ma si ritrova a pagare l’energia elettrica di più di chi è sorgente di deformazione..
c)Individuazione delle principali tipologie presenti in rete in termini di composizione armonica THD, Buchi, Tensione di picco al variare della tipologia d’impianto per la definizione del costo di non qualità.
Definire un costo dell’energia variabile con il livello di qualità della rete implica conoscere al momento della fissazione del contratto delle condizioni della rete, anche dal punto di vista della qualità. Obiettivo di questa fase della ricerca è di procedere ad un “audit” sul campo che insieme ai risultati presenti in letteratura consenta di definire, a seconda della tipologia di impianto, una forma d’onda caratteristica, utile sia nella fase di misura vera e propria che nella fase di verifica dei misuratori.
d) Definizione delle metriche di misura per il cosfi ed energia reattiva.
Per quanto riguarda il fattore di potenza e l’energia reattiva il problema, dal punto di vista scientifico è tuttora aperto e fonte di discussioni a livello internazionale. Assume problema legalmente rilevante quando si vuole correlare il costo dell’energia fatturato al valore del fattore di potenza con cui tale energia è assorbita; niente viene detto sulla validità del parametro “cosfi” in condizione di regime non sinusoidale e dissimmetrico. In questa fase si procederà all’analisi delle diverse problematiche e si arriverà ad una proposta normativa di armonizzazione per la verifica dei misuratori, esplorando anche la possibilità di utilizzare la IEEE 1459 per la definizione di un fattore di potenza convenzionale.
e) Messa a punto di una apparecchiatura di misura in grado di operare correttamente in regime sinusoidale e non.
Nello specifico, la ricerca si focalizzerà, inizialmente, sullo studio delle problematiche connesse ai metodi di misurazioni certificate in campo dell'energia elettrica, utilizzando le definizioni dei requisiti della strumentazione per la misurazione delle grandezze distorte di rete; gli algoritmi di misura per potenza ed energia con le relative analisi d'incertezza e le procedure di verifica in regime non sinusoidale messo a punto. Successivamente si farà un analisi costo beneficio per arrivare alla realizzazione di un misuratore numerico di energia che garantisca una incertezza almeno di due ordini di grandezza inferiore a quella dei misuratori statici di energia installati presso le utenze domestiche ed industriali. Nella fase di prototipizzazione verrànno usati trasduttori ed hardware commerciali mentre nella fase di ingegnerizzazione verranno impiegati i trasduttori dedicati ed hardware appositamente progettato.
f) Realizzazione di una apparecchiatura per la generazione delle grandezze tipiche della rete di potenza variabile a secondo della tipologia di impianto per la calibrazione dei misuratori in condizioni “realistiche” di funzionamento.
Al fine di procedere alla realizzazione di una stazione mobile di misura per la successiva utilizzazione nel sistema integrato per misurazioni certificate in campo, è necessario: i) effettuare una accurata progettazione sia dell'hardware di elaborazione che del software di elaborazione ed una appropriata architettura della stazione di misura stessa che consenta di espletare la verifica dei contatori utilizzando l'approccio del carico virtuale ii) implementare le soluzioni hardware. Tale unità da un punto di vista tecnico-implementativo, deve mostrarsi adeguata sia ad essere trasportata sul luogo dove eseguire le misurazioni sia a giocare un ruolo attivo nella verifica metrologica dei contatori di energia elettrica in condizioni realistiche di funzionamento mediante generazione di segnali elettrici che riproducano i normali fenomeni che alterino la qualità dell'energia elettrica quali ad esempio distorsione armonica sia per tensione o che per la corrente, buchi, interruzioni, sovratensioni temporanee, fluttuazioni di ampiezza e di frequenza, etc.
A tal fine sarà necessario dotarsi principalmente di soluzioni circuitali analogiche e digitali dedicate al trattamento di segnali di misura, processori dedicati all'elaborazione numerica di segnali di misura, interfacce standard per la comunicazione fra le diverse sezioni del sistema di misura.; iii) sviluppare i codici software, previsti nella fase di ricerca a complemento delle risorse hardware, ed in particolare di: a) software funzionale per l'interfacciamento con l'utente locale, per la regolazione dei parametri di funzionamento e misura della stazione mobile di misura; post-elaborazione dei dati di misura; presentazione dei risultati di misura per la gestione della trasmissione dati da o verso il laboratorio fisso; b) software operativo che, ricevuti in ingresso dalla sezione funzionale i parametri di misura, esegua le relative procedure per la rilevazione della grandezza di interesse.
Sarà necessario dotarsi di strumentazione di supporto, come wattmetri di precisione, generatori potenza per segnali arbitrari, oscilloscopi, analizzatori di spettro, calibratori, per verificare che il prototipo di stazione mobile di misura verifichi le specifiche di progetto e procedere alla sua caratterizzazione metrologica.
Un ulteriore aspetto da non sottovalutare consiste nel fatto che gli elevati livelli di assorbimento di energia necessari da dover verificare, la possibilità di eseguire prove in regime distorto di tensione corrente e la trasportabilità dell'apparecchiatura risultano unicamente compatibili con l'utilizzo di prove a carico fittizio in accordo alla IEC 62053-21.
g) Integrazione in una unica apparecchiatura trasportabile della sezione di generazione e di misura per la realizzazione di una apparecchiatura trasportabile in campo.
Le due sezioni sviluppate al punto e) ed f) verranno integrate in un unica apparecchiatura, gestita da remoto, che è in grado di generare le grandezze caratteristiche della rete di potenza, applicarle al dispositivo sotto misura e procedere alla determinazione dell’incertezza del misuratore in prova per confronto con il misuratore integrato nell’apparecchiatura.
Il passo successivo è la implementazione di una infrastruttura di comunicazione che consenta la gestione “sicura” della apparecchiatura da remoto ed il trasferimento dei dati di calibrazione ad un server fisso.
Tale unità da un punto di vista tecnico-implementativo, deve mostrarsi adeguata sia ad essere trasportata sul luogo dove eseguire le misurazioni sia a giocare un ruolo attivo nella verifica metrologica dei contatori di energia elettrica in condizioni realistiche di funzionamento. La verifica si ottiene mediante cicli di "prove comparative" i cui risultati devono essere compresi nel campo di incertezza specificata. L'intero iter di verifica sarà corredato da apposite procedure e dai relativi manuali di prova che consentono di inquadrare le operazioni nell'ambito dei controlli metrologici certificati.
h) Messa a punto della sezione e dei protocolli di comunicazione per l’integrazione dell’apparecchiatura nel laboratorio accreditato del consorzio MeSE.
Occorre, inoltre, prevedere un canale di comunicazione per convogliare le informazioni, ottenute in campo, verso il laboratorio fissoaccreditato che funge da collettore ed elaboratore dei dati: un'attenta e adeguata caratterizzazione di tale canale fornisce le informazioni necessarie per valutare il contributo che la trasmissione ha sull'incertezza complessiva.
I risultati delle misure saranno poi condizionati per renderli idonei alla trasmissione via rete e per la rappresentazione all'utente per mezzo della sezione funzionale del software.
i) Accreditamento del sistema.
Per il calcolo dell'incertezza complessiva, il documento di riferimento è la Norma CEI 13-4 "Complessi di misura dell'energia elettrica - Verifica"; tale norma si applica a tutti i complessi destinati alla misura dell'energia attiva in circuiti monofase e trifase a corrente alternata. Poiché le misure di interesse riguardano anche l'energia reattiva,vengono considerate anche estensioni anche a questo tipo di misura. La fase di caratterizzazione verrà portata avanti anche con l’uso della strumentazione in dotazione del laboratorio del consorzio interuniversitario di ricerca MeSE – Metriche e strumentazione di misura sui sistemi elettrici con cui l’unità operativa è consorziata.
La stazione deve essere in grado di mantenere, in locale, memoria delle prestazioni nelle precedenti misurazioni certificate in campo: è possibile, in tal modo, effettuare un primo rapido confronto fra la misurazione in corso e le precedenti, interagire, in tempo reale, con il laboratorio fisso cui è assegnato: sarà così possibile l'invio in tempo reale dei risultati dell'operazione di misura e conseguente feedback dal laboratorio fisso, mantenere le prestazioni in un ampio intervallo di variazione delle condizioni ambientali: un campione così realizzato sarà infatti insensibile alle variazioni ambientali, mantenendo il comportamento nominale alle diverse condizioni dell'ambiente circostante.
Tutto ciò, inoltre, deve essere inquadrato nell'ambito dei controlli metrologici legali per dell'espletamento di misurazioni in qualità e l'emissione della relativa certificazione.