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

Università degli Studi di CASSINO - AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Andrea Bernieri

Descrizione

All’interno del progetto di ricerca interuniversitaria proposto, e con riferimento allo scenario nazionale ed internazionale sopra esposto, l’Unità Operativa di Cassino propone di articolare la sua attività nei seguenti 4 milestones:
1) Studiare una possibile armonizzazione delle diverse metriche di misura dell’energia attiva e reattiva per arrivare alla definizione di una idonea metrica che, tenendo conto dell’effettivo regime distorto a cui è sottoposto il contatore di energia, consenta una misura corretta e riferibile.
2) Realizzare all’interno dei moderni contatori elettronici di energia elettrica opportune sezioni di misura della Power Quality basate su hardware FPGA a basso costo, in grado di identificare il livello di distorsione e consentire la corretta misura dell’energia sulla base della metrica individuata in 1).
3) Affrontare uno studio teorico-applicativo delle problematiche relative alla taratura dei contatori di energia elettrica in regime deformato ed in presenza di disturbi elettromagnetici, al fine di definire le specifiche tecniche delle procedure e della strumentazione necessarie in relazione alle tipologie dei dispositivi ed alle normative vigenti, di concerto con quanto suggerito dalle MID e dalle normative sulla Compatibilità Elettromagnetica (EMC);
4) Realizzare un dispositivo applicabile a qualsiasi contatore di energia elettrica che, agendo come carico elettronico campione, permetta una conferma metrologica in loco dello strumento di misura che sia accurata, veloce, riferibile, remotizzata e senza interruzione di servizio, in accordo con quanto espresso nei punti precedenti.
Per ognuno dei milestone indicati sono di seguito riportate le motivazioni, le attività, ed i risultati attesi.

(1) I contatori elettronici di energia elettrica basano la loro stima su algoritmi che applicano opportune metriche di misura. Nella misura di energia attiva e reattiva, tali metriche, consolidate a livello scientifico, sono state studiate e messe a punto ipotizzando un regime di funzionamento puramente sinusoidale, mentre nella realtà la presenza di carichi distorcenti e le interazioni presenti nella rete elettrica inducono forme d’onda di tensione e corrente che presentano uno spettro ricco di armoniche sovrapposte alla fondamentale. Ciò fa perdere di significato alle comuni metriche di calcolo di potenza attiva e reattiva, in quanto viene a mancare una univoca definizione del misurando. Tale aspetto, messo in evidenza anche dalla comunità scientifica internazionale, come sottolineato in precedenza (cfr. par. 9,10), è alla base dello studio che l’Unità di Cassino intende affrontare, fondato sulla considerazione che necessariamente le diverse metriche di misura debbano essere integrate da ulteriori parametri che tengano conto della presenza di distorsione armonica dell’energia misurata, al fine di poter armonizzare le diverse definizioni di potenza in regime non sinusoidale. Il milestone sarà diviso nelle seguenti sottofasi:
(1.a) studio del significato fisico associato ad ogni metrica;
(1.b) valutazione per ogni metrica dell’influenza del regime di qualità dell’energia;
(1.c) correlazione dell’indice di qualità dell’energia alla potenza misurata al fine di armonizzare le diverse metriche verso risultati compatibili.
La durata prevista del milestone è di 10 mesi uomo.

(2) Al fine di individuare la fonte dei disturbi nei sistemi elettrici, l’approccio solitamente seguito è quello di eseguire monitoraggi distribuiti della Power Quality; ciò tuttavia impone pesanti specifiche riguardo le caratteristiche funzionali degli strumenti impiegati. Sul mercato sono oggi disponibili diversi strumenti in grado di valutare la qualità dell’energia, realizzati in accordo con le specifiche imposte dalle norme di settore (IEC 61000-4-30 ed IEC 61000-4-7). L’approccio comune a tutte le soluzioni proposte è l’utilizzo dell’analisi digitale dei dati nel dominio della frequenza mediante l’algoritmo FFT (Fast Fourier Transform). Tale algoritmo, in un sistema trifase con neutro, comporta un notevole onere computazionale, dovendo essere acquisite ed analizzate quattro tensioni e quattro correnti con fissate specifiche di precisione nella valutazione degli indici di PQ; tali esigenze lasciano ben pochi gradi di libertà nella scelta del numero di campioni da processare e/o della tecnica computazionale da adottare, comportando la necessità di utilizzare sistemi ad elevate prestazioni con conseguente incremento dei costi. In tale contesto, tuttavia, è possibile osservare che l’analisi nel dominio della frequenza richiesta dalle norme di settore (in particolare la IEC 61000-4-7) è basata sul concetto di “grouping”, ovvero sul calcolo dei gruppi armonici ed interarmonici della frequenza fondamentale. Risulta allora non conveniente impiegare la maggior parte delle risorse hardware e di tempo di calcolo per l’elaborazione di dati che poi vanno ri-aggregati al fine di fornire il risultato finale. Un approccio alternativo all’utilizzo dell’FFT nell’analisi della PQ potrebbe essere quello dell’impiego di filtri digitali, attualmente utilizzati unicamente per l’identificazione e classificazione di eventi [7]-[8]. Partendo dalle considerazioni precedenti, il milestone prevede le seguenti attività:
(2.a) sviluppo di un’analisi per valutare l’applicabilità di filtri digitali per la stima degli indici di PQ nel rispetto della norma IEC 61000-4-7;
(2.b) ottimizzazione ed implementazione di tali filtri su piattaforma FPGA a basso costo, con ridotto numero di porte logiche ed a media velocità di elaborazione;
(2.c) scelta e caratterizzazione metrologica di idonee sonde di tensione e corrente per l’utilizzo del sistema su rete elettrica trifase a bassa tensione;
(2.d) caratterizzazione metrologica e test dell’intero sistema mediante prove di laboratorio ed applicazione a casi studio per verifica di conformità con norme EN 61000-4-30 e EN-61000-4.
La durata prevista del milestone è di 22 mesi uomo; in tale fase si prevede l’acquisto di un Power Quality Analyzer campione con cui confrontare le prestazioni del prototipo realizzato.

(3) I contatori di energia elettrica si trovano ad operare in ambienti elettromagneticamente inquinati sia da disturbi condotti (sovratensioni, buchi, transitori, armoniche ed interarmoniche), che irradiati (trasmissioni radio/TV AM/FM o digitali, GSM, UMTS, sorgenti per applicazioni a corto raggio come WiFi, Bluetooth, ZigBee, ecc). Ai fini della conferma metrologica, nasce quindi l’esigenza di caratterizzare e verificare periodicamente sul campo il funzionamento del contatore sottoposto a disturbi condotti e radiati del tipo citato.
In questo milestone, l’Unità di ricerca di Cassino si prefigge di realizzare uno studio teorico-applicativo delle problematiche relative alla taratura sul campo dei contatori di energia elettrica in regime deformato ed in presenza di disturbi EM al fine di definire le specifiche tecniche delle procedure e delle strumentazioni necessarie in relazione alle tipologie dei dispositivi (contatori elettronici) da tarare presenti sul mercato ed alle loro caratteristiche di precisione (classe), in relazione a quanto stabilito dalle normative vigenti (CEI EN 62053-22 per la misura di energia attiva in classe 0.2S e 0.5S, CEI EN 62053-21 per la misura di energia attiva in classe 1, CEI EN 62053-23 per la misura di energia reattiva in classe 2) ed a quanto suggerito dalla MID e dalle normative sulla Compatibilità Elettromagnetica (EMC).
Si avranno le seguenti fasi:
(3.a) analisi del comportamento dei contatori di energia ai disturbi condotti; in tale fase verranno esaminate le varie tipologie di disturbi ed i limiti massimi accettabili come definiti dalla normativa di settore, al fine di mettere a punto le idonee tecniche di analisi sul campo.
(3.b) analisi del comportamento dei contatori di energia ai disturbi radiati; in tale fase, stante la maggiore complessità dello studio in conseguenza dell’aleatorietà dei meccanismi di accoppiamento dei disturbi radiati con l’apparato vittima (il contatore), saranno messe a punto tecniche di analisi sviluppate in un ambiente elettromagneticamente controllato (camera anecoica) e suscettibili di essere attuate sul campo senza perdita di efficacia metrologica; a tale riguardo, saranno studiate e realizzate configurazioni di prova comprendenti le apparecchiature (generatori, amplificatori, antenne) necessarie alla generazione degli opportuni campi elettromagnetici di prova e verranno studiati i meccanismi di accoppiamento.
La durata prevista del milestone è di 10 mesi uomo.

(4) L’entrata in vigore del Decreto Legislativo 2 febbraio 2007, n. 22, se da un lato ha fornito una chiara volontà del legislatore nel definire i requisiti cui debbono conformarsi i dispositivi e i sistemi di misura (tra cui i contatori di energia elettrica attiva) ai fini della loro commercializzazione e messa in servizio garantendo la tutela dei consumatori e la lealtà delle transazioni commerciali, dall’altro ha aperto le porte ad un rilevante problema, caratterizzato da notevoli risvolti tecnici ed economici, legato alla necessità di dover tarare periodicamente tutti i contatori di energia elettrica installati sul territorio nazionale. Le soluzioni attualmente disponibili per la taratura dei contatori di energia elettrica sono essenzialmente governate dalla norma CEI 13 4 e possono essere distinte in: (1) tarature in laboratorio e (2) tarature in loco (le quali prevedono che un operatore esperto esegua la taratura del contatore nel suo luogo di installazione sia mediante tecniche a carico reale che a carico fittizio). Per i contatori di energia elettrica già installati, la prima soluzione è sostanzialmente inapplicabile in quanto, imponendo il distacco del contatore, provocherebbe un disservizio inaccettabile per l’utente. La seconda, sebbene sembri essere la più percorribile, presenta limitazioni sia di carattere economico, dovute ai costi di movimentazione dell’operatore e della strumentazione necessaria alla taratura, sia di carattere tecnico connesse alle problematiche dei campioni viaggianti. In tale ambito, il progetto di ricerca dell’Unità di Cassino prevede, a conclusione della attività, la progettazione di un dispositivo per la taratura in loco ed automatica dei contatori di energia elettrica. Tale dispositivo, realizzabile a basso costo sia in versione “Add On” (da utilizzare sui contatori già installati), o “On board” (da implementare sulle nuove versioni dei contatori di energia elettrica), agisce da “carico elettronico campione” installato in loco, attivabile da remoto al momento della taratura mediante idonei sistemi di telecontrollo (power line communication, GSM, ecc.). In tal modo, è possibile pervenire ad una conferma metrologica del contatore accurata, veloce, riferibile e senza interruzione di servizio, in accordo con quanto espresso nei punti precedenti.
Le fasi del milestone sono le seguenti:
(4.a) Progettazione e realizzazione del dispositivo “Add On”;
(4.b) Progettazione e realizzazione del dispositivo “On Board”
(4.d) Caratterizzione metrologica de dispositivi realizzati
(4.e) Progettazione e realizzazione delle interfacce e dei sistemi di comunicazione, controllo e taratura da remoto.
La durata prevista del milestone è di 20 mesi uomo.