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Ciclo di seminari interdisciplinari A.A. 2012-2013
Energy Manager System
smart solution per smart grid
Angelo Liguori
Stefano Capretti
Christian Lenci
EMS: smart solution for smart grid
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Argomento del seminario
Energy
Manager
System
•Smart Grid, efficienza energetica, FER
•Progetto di Ricerca Applicata
•Interdisciplinare
EMS: smart solution for smart grid
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Interdisciplinarità
•Elettronica
•Elettronica di Potenza
•Energy storage
•Software
•Telecomunicazioni
•Sicurezza
•Normative internazionali
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Obiettivi del seminario
1. Fornire i concetti di smart grid e FER, efficienza energetica
2. Condividere alcuni aspetti della ricerca effettuata con analisi
dei risultati conseguiti
3. Mostrare un insieme di problematiche specifiche risolte
durante il progetto a livello di:
•
Ingegneria di Sistema
•
Software
•
Elettronica
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Sistema EMS
EMS: smart solution for smart grid
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Smart Grid
•
Elementi base di una Smart Grid:
1. un sistema informatico che monitorizza la rete da remoto
attraverso sensori e apparecchiature elettroniche intelligenti
collocati presso le utenze, allo scopo di analizzare consumi
e trend;
2. la trasmissione di dati in tempo reale, attraverso reti di
comunicazione;
3. un sistema decisionale in real-time che include modelli,
simulazioni, visualizzazioni e capacità analitiche, capace di
intervenire sulla rete tramite attuatori e di operare in remoto,
interagendo con i carichi attivi e i parametri di esercizio.
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Smart Grid
Con il concetto di smart grid si aggiunge capacità di analisi,
monitoraggio, controllo e comunicazione al sistema di distribuzione
(e trasmissione) elettrico, affinché possa ottimizzare l’efficienza del
sistema e contribuire al risparmio energetico
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Fonti energetiche Rinnovabili (FER)
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Efficienza Energetica
UNI CEI EN ISO 50001:2011, "Sistemi di gestione dell'energia - Requisiti e
linee guida per l'uso“ definisce l’efficienza energetica come:
"rapporto o altra relazione quantitativa tra i risultati in termini di prestazioni,
servizi, beni o energia, e l’immissione di energia".
Fattore di picco: soft-starter
Fattore di potenza (cos φ): condensatori di rifasamento, motori in
continua
Energia: audit energetico
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Ambito operativo
Paesi in via di sviluppo:
•Difficile approvvigionamento energetico
•Rete di distribuzione non capillare e di bassa qualità
•Energia subisce forti oscillazioni V – I
•Rolling blackout (loadshedding)
•Fattori climatici
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Fotovoltaico
Limiti di utilizzo:
•Costo
•Funzionalità limitata alle ore diurne
•Dimensionamento (inverno-estate)
•Inverter grid-connected
•Mercato inverter stand-alone povero
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UPS
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Batterie
I sistemi di accumulo elettrico sono definibili come sistemi che immagazzinano
l’energia elettrica convertendola in un’altra forma di energia. Gli accumulatori
elettrochimici (batterie al piombo, litio, ecc) convertono l’energia elettrica in energia
chimica.
Le batterie al piombo acido rappresentano la soluzione più adottata per l’accumulo
elettrochimico sia nelle applicazioni industriali sia nelle generazione distribuita.
VLA (vented o flooded)
VRLA (valve regulated
o sealed)
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Batterie
Capacità di una batteria: quantità di energia immagazzinabile nella
batteria. Si esprime solitamente in Wh o Ah.
Stato di carica (SoC – State of Charge): percentuale di carica della
batteria (0 – 100%)
Profondità di scarica (DoD – Depth of Discharge): metodo alternativo
per definire lo stato di carica di una batteria. E’ complementare al SoC.
Vita della batteria: numero di cicli di carica-scarica che può essere
sostenuto dalla batteria nella sua durata operativa. La batteria si
considera esaurita quando non è più in grado di sostenere una carica
superiore all’80% della sua capacità.
Indice C: intensità di corrente media che la batteria eroga se scaricata in
un’ora. C/5 indica l’intensità di corrente nel caso di scarica in 5 ore.
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Batterie
Si definisce capacità nominale di un accumulatore al piombo la capacità
corrispondente ad un particolare regime di scarica sufficientemente rappresentativo
del regime di lavoro cui la batteria è destinata.
Solitamente ci si riferisce ad un processo di scarica della durata di 10 ore che
avviene alla temperatura di 25°C (il parametro è rappresentato dal simbolo “C10”).
•
Parametri:
1. Temperatura
2. Corrente erogata
3. Profondità di scarica
4. Numero di cicli di carica -scarica
5. Densità elettrolita
6. Stato di invecchiamento
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Capacità
La resa in capacità di una batteria di accumulatori non è costante, ma dipende dal regime di
scarica, ossia dall’intensità di corrente di scarica.
Fonte: FIAMM
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Capacità - Temperatura
La scarica di una batteria è una reazione elettrochimica fra gli elettrodi (le piastre) e
l’acido solforico diluito. A correnti di scarica relativamente alte, o a basse temperature,
quando la viscosità dell’acido sale e, di conseguenza, la sua diffusione nelle piastre
non riesce più a seguire la scarica, la capacità diminuisce.
Fonte: FIAMM
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Vita batteria - Temperatura
Fonte: FIAMM
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Profondità di scarica
Il numero di cicli ottenibile da una batteria dipende dalla profondità di scarica (DoD);
maggiore è la profondità di scarica e minore è il numero di cicli e quindi la durata di vita delle batterie.
Fonte: FIAMM
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Vita batteria – cicli carica/scarica
Inizialmente la capacità tende ad aumentare grazie alla completa formazione delle piastre.
Il numero di cicli diminuisce se la profondità di scarica aumenta.
Fonte: FIAMM
La densità dell’elettrolita varia con stato di carica di una batteria, quanto più la batteria è
scarica tanto meno denso è l’elettrolita.
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EMS
•audit energetico
•integrazione delle due tecnologie
•batterie stazionarie VRLA con piastre tubolari
•dimensionamento pacco batterie per limitare la profondità di scarica
•progettazione di algoritmi di carica efficienti
•sfruttamento contemporaneo di più sorgenti di energia
•fotovoltaico dimensionato per fornire adeguata ricarica delle batterie
zero ore di loadshedding
azzeramento utilizzo del genset (ridimensionamento)
ROI in 11 mesi (BTS nuova costruzione)
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Energy Manager System
Progetto di Ricerca Tecnologica
Hardware
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Hardware: caratteristiche generali
DIGITALE
PROGETTO MISTO
ANALOGICO
POTENZA
NECESSARIE STRATEGIE PER IMMUNITÀ AI DISTURBI
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Input/Output
MISURA
NUMEROSE
CONNESSIONI
COMANDO
RICEZIONE/
INVIO DATI
• SEMPLICITÀ INSTALLAZIONE
• ISOLAMENTO
• PROTEZIONE DISTURBI
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Monitoraggio alta tensione
NECESSITÀ
ISOLAMENTO
GALVANICO
TRASFORMATORE TRADIZ.
•
•
Ingombro
Costo
OPTOISOLATORE
•
•
Complessità circuitale
Non-linearità
OPTOISOLATORE CON
DOPPIO FOTODIODO
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Controllo del sistema
SCHEDA DI
COMANDO /
INTERFACCIA
DISPLAY / LED ALLARME
PULSANTI
CONNESSIONE USB
GRANDE NUMERO DI LINEE DI
CONNESSIONE
INCAPSULAMENTO IN
PROTOCOLLO SERIALE TIPO
RS-232
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Test del sistema - 1
COMPLESSITÀ
DEL SISTEMA
Rete elettrica, pannelli
fotovoltaici, batterie, etc.
Impossibile testing esaustivo con
componenti reali
NECESSARIO HARDWARE APPOSITO PER
CREARE GLI STIMOLI DA INVIARE ALLA SCHEDA
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Test del sistema - 2
PC
SCHEDA
INTERFACCIA
EMS
Parametri impostati tramite interfaccia grafica su pc
Trasformazione in segnali elettrici da applicare al sistema
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Scelta dei componenti
Fattori ambientali
- temperatura ambiente
Fattori culturali
- provenienza materiali
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ENERGY MANAGER SYSTEM
FIRMWARE
Casi pratici e
problematiche
Roma, 5 giugno
2013
Energy Manager System
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ENERGY MANAGER SYSTEM
FIRMWARE
• Una breve overview funzionale
• Il Microcontrollore e l’IDE
• Organizzazione del codice: retaggi di UML
• Problemi di memoria
• Problematiche tecniche
• Flessibilità logica
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EMS: una breve overview
funzionale
Lettura di valori in input
Analisi dei dati
Output
Requisiti prestazionali
Telemetria e Controllo
Log
Energy Manager System
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EMS: Il microcontrollore
Infineon XC878CM-16FF – Famiglia
8051
14 linee di interrupt con 4 priorità
8 canali di acquisizione analogico/digitale a 10-bit
2 UARTs
4 Timers/Counters
Watchdog Timer
On-chip Debug Support (OCDS via JTAG)
Energy Manager System
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VANTAGGI
Stabilità del modulo già collaudato
Flessibilità dei registri a 8 bit
Possibilità di lavorare in C e
in Assembler
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IDE: MicroVision (KEIL)
C (personalizzato) e Assembler
Debug locale e Debug su device
Monitoring delle memorie
Diverse ottimizzazioni di
compilazione
Caricamento su device
Soltanto 4 breakpoint…
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Organizzazione del codice: retaggi di
UML
Organizzazione a CLASSI
anche in un ambiente che non
prevede programmazione ad oggetti:
MAIN
LOGIC LAYER
DEVICE MNGR
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DRIVER
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Uso parsimonioso della memoria
256 byte on-chip RAM
3072 byte on-chip XRAM
8KB Boot ROM
60 Kbyte on-chip Program Flash
4 Kbyte on-chip Data Flash
MALLOC
TENIAMOCI
LARGHI
SOLO CORE
BUSINESS
UNION e BITFIELD
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PROBLEMATICHE TECNICHE
• Scrivere codice “brutto”
• Usare parole chiave non “ANSI”
• Impossibilità di calcoli “astronomici”
• PROBLEMI CAMUFFATI:
Caduta di tensione “graduale”
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PROBLEMATICHE LOGICHE
Tabelle di KARNAUGH
Prendere decisioni in base a dati di input nel minor tempo
possibile, con massima flessibilità e con minor spazio
possibile.
Byte di stato
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FINE
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