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 NAPOLI "Federico II" - INGEGNERIA ELETTRICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Nello Polese

Descrizione

L’attività dell’Unità di Ricerca consisterà nella progettazione, sviluppo e caratterizzazione di dispositivi per il monitoraggio di grandezze di interesse per la misura di energia elettrica. Un misuratore di energia deve essere inevitabilmente dotato di una sezione di trasduzione per tensione e corrente di linea e, in genere, è proprio tale sezione di trasduzione che influenza in maniera preponderante le caratteristiche metrologiche dell’intero misuratore. Per tale motivo, particolare attenzione sarà dedicata allo sviluppo di tecniche per la compensazione dei trasformatori di tensione e corrente i quali sono, allo stato attuale, i dispositivi di trasduzione più impiegati in questo tipo di misure.
Un ulteriore obiettivo che si intende perseguire è la realizzazione di strumentazione innovativa finalizzata alla misurazione di grandezze di interesse il cui valore può essere messo in diretta corrispondenza con caratteristiche qualitative dell’energia scambiata tra fornitori ed utenti.
Il lavoro dell’Unità sarà suddiviso in diverse fasi di avanzamento, di seguito descritte con la corrispondente durata.

FASE 1 (6 mesi) – Analisi bibliografica e definizione delle specifiche.
Questa fase sarà caratterizzata dall’analisi approfondita della letteratura esistente e della letteratura tecnica del settore, allo scopo di individuare le differenti soluzioni progettuali attualmente disponibili. Riguardo alla compensazione dei trasformatori di corrente, l’Unità ha già raggiunto una sufficiente conoscenza delle tecnologie proposte in ambito internazionale. La parte principale, quindi, di questa fase sarà dedicata all’approfondimento dello stato dell’arte delle soluzioni proposte in letteratura per la compensazione dei trasformatori di tensione. Contemporaneamente sarà svolta un’approfondita analisi delle funzionalità degli strumenti attualmente disponibili in commercio per la misura di parametri della qualità dell’energia. Infine, l’attività dell’Unità di ricerca condurrà una analisi preliminare per studiare in che modo e con quali conseguenze i dispositivi elettrici ed elettronici usati nella strumentazione realizzata, (i) possono essere suscettibili ai disturbi elettromagnetici esterni (che potrebbero inficiarne le caratteristiche metrologiche), e (ii) possono essere essi stessi origine di fenomeni di disturbo elettromagnetico verso l’esterno.
A valle di tale fase sarà possibile individuare le aree di miglioramento nel settore e, dunque, i requisiti richiesti alla strumentazione da sviluppare.

FASE 2 (12 mesi) – Realizzazione della strumentazione.
In questa fase, l’attività dell’Unità di Ricerca sarà incentrata sulla progettazione e realizzazione della strumentazione in accordo con le specifiche individuate nella Fase 1. Al fine di permettere la possibilità di diffusione su larga scala della strumentazione realizzata durante l’attività di ricerca, due condizioni devono essere soddisfatte: (i) un elevato rapporto prestazioni/costo e (ii) la semplicità di installazione ed integrazione nei sistemi esistenti. L’attività sarà, dapprima, incentrata su sistemi a basso costo per la compensazione dei trasformatori di misura per il rilievo di tensione e corrente. In particolare, la semplicità di integrazione deve essere ottenuta sfruttando strategie di compensazione che permettono di riutilizzare i trasduttori eventualmente già in opera, senza comportare costose modifiche di carattere strutturale od operativo. L’Unità parte, a tal riguardo, da un’esperienza pregressa che ha portato allo sviluppo di un circuito per la compensazione dei trasformatori di corrente (TA). Per migliorare la classe di precisione di un TA è indispensabile ridurre la corrente a vuoto, necessaria per la magnetizzazione del nucleo. Tale corrente è proporzionale alla forza elettromotrice richiesta dal circuito secondario per sostenere le cadute di tensione. È stato, dunque, realizzato un apposito circuito in grado di generare una tensione aggiuntiva tale da azzerare la forza elettromotrice richiesta al secondario e, quindi, di annullare la corrente a vuoto, portando ad un miglioramento generale delle caratteristiche di incertezza del trasduttore. La generazione della tensione aggiuntiva avviene attraverso un circuito da disporre in serie ai morsetti secondari del TA, senza la necessità di modificarne il circuito interno. Questa tecnica di compensazione, allora, consente, in maniera agevole, di migliorare le caratteristiche metrologiche di trasformatori a basso costo presenti sul mercato o di trasformatori già funzionanti in sistemi di misura preesistenti.
Sulla base dell’esperienza acquisita, l’attività di ricerca sarà finalizzata ad un’analoga tecnica di compensazione per i trasformatori di tensione (TV). In questo caso, la principale sorgente di incertezza è costituita dalle cadute di tensione sul circuito primario, causate dall’assorbimento di corrente da parte del trasduttore che, al contrario del caso ideale, non è nullo. Un adeguato circuito di compensazione dovrebbe, quindi, essere in grado di sommare, alla forza elettromotrice secondaria, una tensione ausiliaria uguale alla somma delle cadute di tensione primarie. Per individuare il valore della tensione ausialiara sarà necessario misurare con un’accuratezza proporzionale alla classe di precisione desiderata del TV compensato, la corrente circolante nel circuito primario. A tale scopo, sarà necessaria la messa a punto di un sensore di corrente che presenti come principali caratteristiche una buona sensibilità (deve essere in grado di misurare correnti dell’ordine dei milliampere), un’accuratezza che permetta di adeguare la classe di precisione del TV agli scopi prefissi e che garantisca una tensione di isolamento confrontabile con quella del trasformatore di tensione da compensare.
Al fine di monitorare grandezze utili per la misura di energia, l’attività dell’Unità di Ricerca dovrà essere finalizzata anche allo sviluppo di strumentazione per monitoraggio di altre grandezze caratterizzanti che, soprattutto con riferimento alle problematiche di Power Quality, rivestono particolare importanza, come sfasamento, distorsione armonica, etc. Le politiche di liberalizzazione introdotte nel mercato dell’energia elettrica, infatti, tenderanno ad aprire un nuovo scenario che vede diversi enti produttori in competizione tra loro. In un simile contesto, si evidenzia la particolare rilevanza che sta assumendo la qualità dell’energia fornita, che potrebbe condurre ad una diversificazione dei contratti di fornitura sulla base della qualità del prodotto. Uno strumento dedicato alla misura dell’energia assorbita, in tal caso, non sarà più sufficiente, ma sarà sempre più pressante l’esigenza da parte dei vari protagonisti del mercato di strumentazione in grado di quantificare anche la qualità dell’energia misurata. Nello specifico, l’attività prevede la realizzazione di strumenti basati su unità DSP, in grado di acquisire le grandezze di rete ed elaborare, in linea, i campioni di tensione e corrente per fornire indici di interesse per il monitoraggio della qualità dell’energia. In tal modo si consentirà la realizzazione di strumenti a basso costo che, attraverso l’acquisizione continua di tensione e corrente di rete, affiancano alla misura dell’energia un’operazione di data-logging dei principali disturbi di Power Quality, ovvero buchi, abbassamenti ed innalzamenti di tensione ed interruzioni di breve e lunga durata. Inoltre si intende aggiungere ulteriori funzionalità che, prevedendo l’esecuzione in linea di un algoritmo di FFT, consentono la misura della distorsione armonica dei segnali di tensione e corrente. In merito alla progettazione di tale strumentazione sarà fondamentale l’interazione con le altre Unità che, a valle di un’indagine sulle metriche ottimali da adottare, dovranno definire i relativi algoritmi per la misura di grandezze in regime non sinusoidale (e.g. fattore di potenza o energia reattiva) per le quali, allo stato dell’arte, manca la definizione condivisa a livello nazionale e internazionale.
La verifica della compatibilità elettromagnetica sarà condotta, facendo uso delle conoscenze acquisite nella fase precedente, per conseguire una corretta caratterizzazione dei dispositivi oggetto della ricerca proposta. In particolare, ed è su di essi che si focalizzerà l’attività di ricerca dell’Unità, si intende analizzare alcuni fenomeni, sia di natura condotta che radiata, che rientrano nella categoria della immunità: infatti, si intende condurre una fitta campagna sperimentale volta a comprendere se e in che entità la presenza dei nuclei di materiale ferromagnetico usati nella realizzazione dei trasformatori di misura può costituire un elemento di criticità nei confronti dei campi magnetici esterni a frequenza di rete. In questa fase, la ricerca dovrà procedere parallelamente al filone di sviluppo dei prototipi per la compensazione dei TA e TV, in quanto le misure di compatibilità dovranno essere condotte sugli stessi prototipi per verificare se essi siano sensibili ai campi esterni in modo tale da modificarne in maniera impredicibile la caratteristiche metrologiche di trasduzione. Quindi, l’obiettivo principale di questo filone sarà quello di determinare l’impatto dei disturbi sulla grandezza misurata, per comprendere entro quali limiti la strumentazione proposta ne risulti immune elettromagneticamente e introdurre, se necessario, specifiche modifiche topologiche al circuito, o dotare i dispositivi di apposite protezioni quali schermi o filtri.

FASE 3 (6 mesi) – Caratterizzazione della strumentazione realizzata.
Questa fase dell’attività sarà dedicata alla caratterizzazione, attraverso prove di laboratorio, della strumentazione realizzata nella fase precedente ed alla validazione dei metodi di misura proposti.
Riguardo alla caratterizzazione dei trasformatori di misura, dovranno essere eseguite delle prove preliminari per stabilire le caratteristiche metrologiche dei dispositivi allo stadio iniziale; a seguito della compensazione, poi, saranno condotti nuovi test sperimentali allo scopo di verificare il miglioramento delle prestazioni apportato dalla compensazione. Le prime prove sperimentali saranno condotte in condizioni sinusoidali, a frequenza industriale, utilizzando, come riferimento, un comparatore elettronico ad elevate prestazioni. Saranno, successivamente condotte prove a frequenze superiori, allo scopo di individuare la banda dei trasduttori compensati. In questo caso, data l’impossibilità di usare il comparatore, sarà necessario implementare un metodo assoluto, che consenta di determinare gli errori di angolo e di rapporto del trasformatore attraverso l’acquisizione delle grandezze primarie e secondarie. I test saranno condotti impiegando un AC power source programmabile per la generazione di tensione e corrente di prova, mentre la misura delle grandezze primarie e secondarie sarà eseguita tramite l’ausilio di un sistema di acquisizione la cui risoluzione verticale e la cui frequenza di campionamento possano consentire un’analisi quanto più accurata possibile con riferimento all’incertezza desiderata.
Un’ulteriore caratterizzazione dovrebbe essere finalizzata alla determinazione delle prestazioni dei trasduttori in regime non sinusoidale. In questa fase sarà indispensabile un’interazione combinata e sistemica con le altre Unità del Progetto, le quali avranno individuato, nelle fasi precedenti, le configurazioni e le condizioni di misura che meglio possano mettere in evidenza caratteristiche ed eventuali criticità dei dispositivi in prova.
Altrettanta attenzione sarà posta nell’individuazione di una corretta metodologia per la verifica delle prestazione della strumentazione basata su microprocessore per la misura di indici di qualità dell’energia elettrica. A tale scopo si renderà necessario l’utilizzo di stazioni di misura capaci di assicurare segnali le cui caratteristiche, in termini di ampiezza e distorsione armonica, possono essere modificate in maniera controllata per replicare disturbi tipici delle reti di trasmissione.
Infine in questa ultima fase saranno condotte le prove conclusive per la verifica delle caratteristiche di compatibilità elettromagnetica dei dispositivi prodotti nell’attività di ricerca proposta. Per caratterizzare in tal senso i dispositivi, saranno eseguite prove di compatibilità elettromagnetica nella camera semi-anecoica e nella cella GTEM del Dipartimento di Ingegneria Elettrica, i cui risultati saranno poi confrontati con quelli ottenuti dalle unità collegate ai fini della verifica della compatibilità delle misure. Inoltre, si dovrà verificare che i campi elettromagnetici in alta frequenza irradiati sui dispositivi realizzati, o transitori veloci di tensione e campi elettrici a radiofrequenza che viaggiano sui cavi di collegamento non si accoppino con la circuiteria elettronica in modo da causare interruzioni del funzionamento o, ancora peggio, variazioni nelle modalità di funzionamento, con un aumento intollerabile e in teoria ignoto dell’incertezza di misura.