Di Gabriele Ribichini, Amministratore Delegato, Dewesoft S.R.L., Italia

Introduzione

Viviamo in un periodo storico dove risulta evidente che investire in una sola sorgente di energia può essere molto rischioso. Per la solidità dell’economia di una nazione è importante approvvigionare l’energia da mix di sorgenti energetiche diverse, e meglio se questo mix include buona parte di sorgenti rinnovabili.

Alcune sorgenti rinnovabili hanno raggiunto ormai uno stato avanzato di industrializzazione e sono da anni presenti nel mix. Tra le più diffuse troviamo i parchi fotovoltaici e quelli eolici, ben consolidati sul territorio Italiano.

offshore wind farm

Negli anni, abbiamo innovato molto, ma è ancora molta la strada che si può fare sia in termini di produzione che in termini di distribuzione intelligente (smart grid). Basti solo pensare all’energia elettrica che potrebbe essere generata dalle onde del mare (wave energy converter), nella quale l’Italia potrebbe primeggiare nel mondo grazie al riutilizzo delle capacità cantieristiche navali ed alla presenza di chilometri di costa.

Purtroppo queste tecnologie si trovano ancora in uno stato poco più che prototipale nonostante gli innumerevoli benefici che porterebbero alla comunità.

Da poco si stanno affermando diversi parchi eolici marini (già ampiamente utilizzati nel nord Europa) dove generatori eolici e generatori ad onda potrebbero essere combinati per stabilizzare la rete. Inoltre usufruendo della stessa infrastruttura di rete si ridurrebbero i costi d’installazione, visto che l’infrastruttura rappresenta una buona parte dei costi di realizzazione dell’intero parco.

I vari generatori, connessi ad una rete elettrica comune, non sono però in grado di produrre energia elettrica stabile e sicura, proprio per la natura della sorgente rinnovabile che può cambiare continuamente.

Pur differenziando il mix produttivo, fotovoltaico, solare termodinamico, eolico, marino, etc.. non è possibile garantire una produzione ad un livello di stabilità simile al termodinamico o nucleare.
E’ qui che si rafforza la necessità di una rete di sistemi intelligenti, o smart grid, in grado di auto bilanciarsi e auto regolare eventuali instabilità che potrebbero altrimenti portare a grossi problemi su ampie aree geografiche.

Se i parchi di generazione raggiungono potenze produttive elevate, vengono interfacciati direttamente alla rete elettrica nazionale in AT (Alta Tensione).
Eventuali instabilità a questo livello potrebbero ripercuotersi sull’intera rete nazionale e, per questo motivo, Terna SpA (il gestore della rete elettrica nazionale italiana) è particolarmente attenta alle capacità di autoregolazione dei flussi energetici sui vari punti di scambio.

Tutti i sistemi connessi alla Rete Elettrica Nazionale Italiana devono essere collaudati e verificati periodicamente secondo quanto descritto dal Codice di Rete.
In questo articolo approfondiremo gli aspetti critici di queste verifiche, tutt’altro che banali, che mettono in crisi buona parte dei sistemi di misura disponibili sul mercato.

Riferimenti normativi nazionali

Il Codice di rete, applicato dal 1° novembre 2005, è stato predisposto in conformità a quanto previsto nel D.P.C.M. dell’11 maggio 2004 in materia di unificazione tra proprietà e gestione della rete, e sulla base delle direttive dell'allora Autorità per l'energia elettrica e il gas (oggi ARERA), di cui alla delibera n. 250/04. Il Codice di rete, verificato positivamente dall'Autorità con delibere n. 79/05 e 49/06 e dal Ministero delle attività produttive, è sottoposto a un continuo processo di aggiornamento secondo le procedure previste dallo stesso documento.

[cit. https://www.terna.it/it/sistema-elettrico/codici-rete/codice-rete-italiano]

La rete RTN

La rete elettrica nazionale (RTN) Italiana è costituita da un complesso di linee lungo le quali transita l’energia elettrica tra i vari impianti di produzione verso i principali nodi di trasformazione a livelli di tensione inferiori.

Il sistema a 220 kV è alimentato da una percentuale non trascurabile di centrali e assolve in parte a funzioni di distribuzione in alta tensione. 

l sistema a 150-132-120 kV assolve il compito di distribuzione in alta tensione, alimentando le cabine primarie AT/MT o direttamente le utenze di grande potenza. 

Allegato A.18

L’allegato A.18 del Codice di Rete Italiano è una guida tecnica che descrive la modalità di “Verifica della conformità degli impianti di produzione alle prescrizioni tecniche del Gestore” TERNA SpA.

La rev. 02 del 15 Febbraio 2021 recepisce i requisiti tecnici di connessione derivanti dal Codice Europeo di Connessione (Rfg). 

Campo di applicazione

Le prescrizioni dell’Allegato A.18 si applicano agli impianti di produzione connessi alla RTN (Rete Elettrica Nazionale).

Con il crescere della produzione da energie rinnovabili, aumentano gli impianti di produzione ad alta capacità connessi in AT direttamente alla Rete Elettrica Nazionale, tali sistemi ed in particolare gli apparati di regolazione devono rispettare la conformità con le prescrizioni del Codice di Rete e relativi allegati, nonché le procedure e modalità per effettuare le verifiche stesse, che sono descritte dall’Allegato A.18.

Grandezze da misurare

La sezione 8 dell’Allegato A.18 riporta tutte le grandezze da registrare per ciascun tipo di generatore:

  • Gruppi di generazione sincroni
    P
    : potenza attiva trifase di gruppo istantanea generata
    Q: potenza reattiva trifase di gruppo generata
    V: tensione efficace del gruppo di generazione
    I: corrente efficace del gruppo di generazione
    f: frequenza di rete
    Vf: tensione di eccitazione/campo del gruppo di generazione
    w: velocità del rotore
    dfsim: errore di frequenza simulato
    freg: frequenza di rete misurata dal regolatore di velocità / potenza
    Prif: riferimento di potenza attiva
    Preg: potenza attiva misurata dal regolatore di velocità / potenza
    dVrif: variazione del riferimento di tensione di macchina simulato
    Vrif: riferimento di tensione di macchina
    Vsi1: ingresso di frequenza del PSS dove applicabile
    Vsi2: ingresso di potenza del PSS dove applicabile
    Vst: uscita del PSS dove applicabile
    AVRo: uscita del regolatore di tensione
    Vaux: tensione di alimentazione dei servizi ausiliari
    Livq: livello di reattivo della regolazione SART dove applicabile
    Qlim: limite di reattivo istantaneo di SART (sovra e sottoeccitazione) dove applicabile
    Vrif_RTS: riferimento del calibratore di sbarra RTS di SART dove applicabile
    Intervento limite sovraeccitazione
    Intervento limite sottoeccitazione
    Paux: potenza assorbita dai servizi ausiliari
    VAT: tensione lato AT/AAT
    PAT: potenza attiva lato AT/AAT del trasformatore elevatore
    QAT: potenza reattiva lato AT/AAT del trasformatore elevatore
    Posizione interruttore AT
    Tap: tacca2 del variatore sotto carico sul trasformatore elevatore dove applicabile

    • Gruppi di generazione sincroni termoelettrici a vapore tradizionali
      Pressione ammissione turbina
      Richiesta Turbina
      Posizione valvole di adduzione vapore
      Livello corpo cilindrico (ove applicabile)
      Posizione valvole di bypass

    • Gruppi di generazione sincroni di tipo turbogas in ciclo aperto o in ciclo combinato
      Richiesta combustibile TG
      Temperatura scarico TG
      Riferimento di temperatura termoregolazione TG
      Intervento termoregolazione TG
      Posizione IGV
      Livelli corpi cilindrici (per cicli combinati)
      Posizione valvole di adduzione TV (per cicli combinati)
      Posizione valvole di bypass TV (per cicli combinati)
      Temperatura ambientale
      Pressione ambientale
      Umidità ambientale 

  • Parchi di generazione (PPM)
    P: potenza attiva trifase generata al PdC dal PPM
    Q: potenza reattiva trifase generata al PdC dal PPM
    V: tensione efficace al PdC del PPM
    I: corrente efficace al PdC del PPM
    f: frequenza di rete al PdC
    dfsim: errore di frequenza simulato
    freg: frequenza di rete misurata dal PPC
    Prif: riferimento di potenza attiva del PPM
    Pme: potenza massima erogabile dal PPM in funzione delle condizioni ambientali
    Preg: Potenza attiva misurata dal PPC
    Segnale di limitazione della potenza attiva
    dVrif: variazione del riferimento di tensione simulato
    Vrif: riferimento di tensione del PPM
    Qrif: riferimento di potenza reattiva del PPM
    Qlim: massima potenza reattiva erogabile/assorbibile dal PPM (sovra e sottoeccitazione)
    Raggiungimento massima potenza reattiva erogabile (sovraeccitazione)
    Raggiungimento massima potenza reattiva assorbibile (sottoeccitazione)
    Posizione interruttore AT
    Tap: tacca del variatore sotto carico sul trasformatore elevatore dove applicabile
    Temperatura ambientale 

  • Impianti fotovoltaici    
    Irraggiamento solare

  • Impianti eolici
    Velocità media del vento
    Densità dell’aria
    Pressione ambientale
    Umidità ambientale 

Caratteristiche minime della strumentazione

La maggior parte degli strumenti disponibili in commercio non riescono ad effettuare le misure come previsto dal Codice di Rete.

Le procedure di test e collaudo prevedono l’utilizzo di diversi strumenti diversi:

  • Trasduttore di tensione, corrente, potenza attiva, potenza reattiva e frequenza

  • Trasduttore di valor medio della tensione di eccitazione

  • Sistema rapido di registrazione

  • Generatore di funzioni

  • Generatore programmabile delle terne di tensione e di corrente 

  • Analizzatore di armoniche 

  • Simulatore di rete isolata 

Ma tutte le funzioni degli strumenti evidenziati in grassetto possono essere realizzate con un solo strumento Dewesoft.

Fig.1. Uno strumento Dewesoft non è un normale wattmetro, ma include molte funzioni aggiuntive richieste dal Codice di Rete.

Trasduttori di tensione, corrente, potenza attiva, potenza reattiva e frequenza

L’allegato A.18 del Codice di Rete specifica le seguenti caratteristiche minime per i trasduttori.

Precisione di misura

Il Codice di Rete richiede:

  • Precisione migliore o pari a ±0.2% del fondo scala per le misure di tensione e corrente

  • Precisione migliore o pari a ±0.5% del fondo scala per le misure di potenza attiva e reattiva

  • Risoluzione sulle misure di tensione, corrente, potenza attiva e reattiva migliore o pari a 0.1% del fondo scala

Un sistema Dewesoft SIRIUS garantisce una precisione dello 0,03% della lettura per la misura di tensione diretta mentre la precisione della corrente è strettamente legata al tipo di trasduttore di corrente che viene scelto.

I trasduttori di tensione e corrente hanno sempre un errore di ampiezza e uno sfasamento in funzione della frequenza che può essere compensato con una specifica funzione del database dei sensori in DewesoftX.

Database DewesoftXFig.2 e 3. Il database dei sensori integrato in DewesoftX permette di raggiungere precisioni di misura ben superiori ai dati di targa del trasduttore a seguito di una calibrazione

Con l'esclusiva tecnologia di calibrazione del software di Dewesoft, l'ampiezza e la fase possono essere corrette per l'intera gamma di frequenze dalla DC fino a 1 MHz (ad esempio clamp a nucleo ferromagnetico, clamp AC / DC, bobine di Rogowski).

Software DewesoftX

I wattmetri Dewesoft sono unici grazie al potente software combinato all’hardware ad alte prestazioni.

Per l'analisi di potenza elettrica, sono assolutamente necessari amplificatori ad alta precisione. Gli amplificatori ad alta velocità SIRIUS per ingressi in alta e bassa tensione raggiungono nuovi livelli di accuratezza. Questi amplificatori hanno una precisione da DC a 1 kHz di 0,03% della lettura. Questo aspetto è unico nel mondo degli analizzatori di rete (o wattmetri), specialmente nelle misure in presenza di convertitori di frequenza dove è assolutamente necessario raggiungere risultati di misurazione più accurati.

Accurancy Graph
Fig.4. Altri produttori forniscono spesso un'accuratezza elevata a 50Hz / 60Hz ma l'errore commesso a frequenze diverse è molto più alto

La risoluzione delle misure e dei parametri di potenza calcolati per un wattmetro / analizzatore di rete Dewesoft sono legate al rapporto segnale/rumore dello strumento.

Con la tecnologia DualCoreADC® SIRIUS raggiunge un rapporto segnale-rumore superiore a 130 dB e oltre 160 dB in gamma dinamica. Performance queste che sono di 20 volte migliori di quelle che si hanno con sistemi a 24 bit e con il rumore ridotto di 20 volte.

Misura di frequenza

Il Codice di Rete richiede:

  • Precisione migliore di 5 mHz per la misura di frequenza

  • Risoluzione sulla misura di frequenza migliore o pari a 5 mHz

Solo con alta precisione della frequenza di rete è possibile estrarre le armoniche con precisione dal segnale e quindi effettuare calcoli di potenza elettrica precisi.
Il software DewesoftX include un algoritmo PLL che garantisce una misura della frequenza elettrica molto precisa (1 mHz). Un wattmetro / analizzatore di rete Dewesoft può anche effettuare calcoli di potenza elettrica su più reti indipendenti e ciascuna può avere la propria frequenza. 

Intervallo di calcolo

Il Codice di Rete richiede:

  • Tempo di risposta inferiore o uguale a 50 ms

  • Per tutte le grandezze in regime periodico alternato sinusoidale sono richiesti valori RMS calcolati non oltre 40 ms

Il Wattmetro basato su software DewesoftX permette di calcolare le componenti periodiche dei parametri power (incluso i valori RMS) con un intervallo programmabile a piacere (fino ad un minimo di 0,5 ms).

period values

Il calcolo delle componenti periodiche permette di ottenere i parametri power fino ad ¼ del periodo (50 ms) e un'ulteriore funzione di sovrapposizione dei dati (Overlap) permette di calcolare i suddetti parametri ad intervalli più brevi (fino a 0,5 ms).

Questa velocità di calcolo è molto apprezzata per l’analisi della risposta degli inverter AT quando sollecitati con transitori.

Trasduttore di valor medio

Un sistema Dewesoft non è un semplice wattmetro / analizzatore di rete.

I segnali grezzi sono sempre disponibili ed è possibile effettuare qualsiasi elaborazione matematica su di essi.
L’allegato A.18 richiede l’impiego di trasduttori di valor medio, ma nel caso del wattmetro Dewesoft non è necessario aggiungere alcun trasduttore. I segnali acquisiti dai trasduttori per la misura di potenza elettrica possono essere mediati nel tempo (anche con periodo inferiore a 10ms), ed il valore calcolato è disponibile come se fosse stato acquisito da un sensore apposito.

Sistema rapido di registrazione

I wattmetri Dewesoft permettono l’acquisizione contemporanea di un grande numero di segnali analogici, da 8 a 64 canali per singolo sistema, e più sistemi possono essere combinati tra loro.
Ciascun canale viene acquisito con convertitori A/D sincroni a 24 o 16 bit con frequenze di campionamento che possono raggiungere rispettivamente 200kS/S oppure 1MS/s.

La peculiarità di un sistema Dewesoft è la possibilità di integrare segnali di natura diversa, inclusi bus industriali come il MODBUS TCP/IP, OPC-UA, Siemens S7 e molto altro.
In questo modo è possibile comparare i segnali acquisiti dai sensori analogici con quelli degli apparati di regolazione e molti altri valori provenienti dall’automazione.

Tutti i dati acquisiti, possono essere successivamente esportati in svariati formati dati, compatibili con i principali programmi di analisi:

  • MS Excel - software standard per fogli di calcolo

  • FlexPro - software di analisi potente e semplice da usare 

  • Text/CSV and ASCII - file di testo con delimitatori di campo

  • Diadem - software di analisi dati potente da NI

  • Famos - software di analisi segnali

  • NSoft -  formato file NCode per software Somat

  • Matlab - formato file Matlab

  • Sony - formato compatibile con registratori magnetici Sony

  • RPC III - formato file MTS utilizzato per banchi prova a fatica

  • Comtrade - utilizzato nel settore power & energy 

  • UNV - universal file format

  • WAV - standard audio file format

  • KML - GPS export per rivedere i dati in Google Earth

  • BWF - wave file format multicanale

  • ATI - formato nativo iDeas per analisi dinamica del segnale

  • SDF - utilizzato dal software Prosig di LMS

  • WFT - formato dati Nicolet

  • CSV - per esportare i messaggi CAN

  • TDF - formato file definito e utilizzato dal software LMS

  • ASAM ODS e MDF - Open Data Services e Measurement Data Format secondo gli standard dell' organizzazione ASAM

  • TAFFmat - Formato file di acquisizione dati TEAC

  • Winplot [* .sun] - Formato dati compatibile con Winplot, un potente strumento di analisi grafica desktop che consente all'utente di generare visualizzazioni di quantità illimitate di dati

Generatore di funzioni

Tutti i sistemi Dewesoft possono integrare la funzione di generazione di funzioni.

Questa funzionalità è supportata da un modulo software per la programmazione delle funzionalità e da una elettronica di interfacciamento con canali a 16bit e range ±10 V

Generatore di FunzioniFig.5. DewesoftX Functions Generator

Analizzatore di armoniche

Il modulo Power del wattmetro Dewesoft permette di calcolare tutto il contenuto armonico in conformità alla normativa CEI EN 61000-4-7 in vigore.

Lo strumento è in grado di interfacciarsi a qualsiasi trasduttore di corrente presente in impianto. 

L’analizzatore di rete Dewesoft

L'analizzatore di rete Dewesoft è in grado di misurare tutti i parametri di qualità dell'energia elettrica secondo IEC 61000-4-30 Classe A. Rispetto ad altri, con l'analizzatore di rete Dewesoft è possibile eseguire analisi power più dettagliate (ad esempio registrazione delle forme d'onda, analizzatore di spettro, comportamento ai guasti, calcolo di parametri aggiuntivi, ecc...).

Principali caratteristiche

Si tratta di una soluzione estremamente flessibile che racchiude molti strumenti di misura in un unico dispositivo. Questo si traduce in molti vantaggi per la misura:

  • tutti i segnali sono sincroni e dunque pronti per comparazioni e correlazioni,

  • tutte le forme d'onda possono essere sempre salvate ed analizzate in ogni momento (online e offline),

  • l'utilizzatore non ha la necessità di imparare ad usare diversi strumenti di misura,

  • costo complessivo inferiore.

Le nostre soluzioni possono essere utilizzate per misure elettriche ed analisi elettriche molto diverse tra loro:

  • Armoniche e THD fino a 150 kHz

  • Interarmoniche e alte frequenze

  • Flicker, Flicker Emissions, Variazioni Rapide di Tensione

  • Analizzatore di spettro FFT, Armoniche FFT, Waterfall FFT

  • Componenti simmetriche

Standard implementati

Standard Descrizione
IEC 61000-4-30, IEC 61000-4-7, IEC61000-4-15 Requisiti di misura elettrica, Calcolo di Armoniche, Flicker etc.
EN50160, EN50163, IEE519, IEC 61000-2-4, etc. Limiti di misura elettrica della rete pubblica, applicazioni industriali e ferroviarie
IEC 61400-21, IEC61400-12, FGW-TR3, BDEW, VDE-AR4105 etc. Analisi elettrica per Energie Rinnovabili
IEC 61000-3-3, IEC61000-3-11 EMC - variazioni rapide di tensione e Flicker
IEC 61000-3-2, IEC 61000-3-12 EMC - armoniche di corrente

Armoniche, Interarmoniche e THD

L'analizzatore di rete elettrica Dewesoft può misurare armoniche per tensione, corrente, potenza attiva e reattiva fino all' ordine 3000. Tutti i calcoli sono implementati secondo lo standard IEC 61000-4-7.

L'utente può definire il numero di bande laterali e mezze-bande per il calcolo degli ordini. Le alte frequenze possono essere raggruppate in banda da 200Hz fino a 150kHz.

A completare le analisi è disponibile il calcolo del THD per tensione e corrente fino al 3000esimo ordine ed il calcolo delle interarmoniche.
Queste funzionalità per l'analisi delle armoniche si applicano ad ogni apparecchiatura elettrica.

Variazione rapide di tensione

Le variazioni rapide di tensione vengono rilevate dall'analizzatore di rete elettrica dewesoft secondo lo standard IEC 61000-4-15.

Sbilanciamento elettrico - componenti simmetriche

Uno sbilanciamento elettrico indica che le tensioni (U1, U2, U3) e/o le correnti (I1, I2, I3) in un sistema trifase hanno moduli con valori diversi. Questo fenomeno elettrico è causato da fasi caricate in modo non sincrono. Per analizzare lo sbilanciamento elettrico l'analizzatore di rete elettrica Dewesoft utilizza il metodo delle componenti simmetriche. Questo metodo divide il sistema originario in sistema positivo (rotazione come il sistema originario), sistema negativo (rotazione in verso opposto) e sistema zero.

Frequenza elettrica

Lo strumento di misura elettrica Dewesoft permette di misurare la frequenza rete elettrica e può essere utilizzato per il monitoraggio e test di generatore elettrico (ad esempio energie rinnovabili).

La precisione di calcolo della frequenza di rete è di 1 mHz, calcolata con l’algoritmo PLL, e può essere visualizzata nel tempo con un grafico Recorder.

Conclusione

Il wattmetro Dewesoft è uno strumento perfetto per il test di generatori di energia elettrica, e risponde completamente alle richieste dell’Allegato A.18 del Codice di Rete Italiano per i test di collaudo in campo e verifica periodica.

Gli strumenti Dewesoft sono progettati per essere utilizzati in campo, realizzati con meccanica molto robusta, leggera e con accorgimenti particolari che possono risultare molto utili, come ad esempio:

  • alimentazione DC

  • batterie integrate

  • autoriconoscimento dei trasduttori di corrente

  • correzione automatica di non linearità dei sensori

  • visualizzazione calcoli power durante il test

Questo significa che è possibile utilizzare la stessa strumentazione sia per i test di laboratorio che per i test descritti nell’Allegato A.18 del Codice di Rete Nazionale, con interessanti ottimizzazione in termini di investimento e formazione sul personale.