Ottimizzazione della gestione dell' energia elettrica basata sulla misura della potenza assorbita

Testo completo

(1)Università di Pisa Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Elettrica. OTTIMIZZAZIONE DELLA GESTIONE DELL’ ENERGIA ELETTRICA BASATA SULLA MISURA DELLA POTENZA ASSORBITA. ANALISI, STUDIO E REALIZZAZIONE DEL SISTEMA DI CONTROLLO.. Relatore. Candidato. Prof. Roberto Micheletti. Marco Giuntoli. Anno Accademico 2007/2008.

(2) I.

(3) Ringraziamenti …. Dopo tutti questi anni di studio, Formazione e Crescita mi sento in debito con tante persone, con tutti coloro che mi sono stati vicini nel bene e nel male, e che mi hanno sempre sostenuto e creduto in me. In primis ringrazio i miei Genitori, dove credo non ci siamo parole a sufficienza per ringraziarvi, quanti soldi e preoccupazioni vi devo rispettivamente aver preso e dato. Con voi sarò per sempre in debito. Ringrazio il mio relatore Prof. Roberto Micheletti per il tempo e la disponibilità data, il Prof. Paolo Bolognesi per i consigli dati ed il Prof. dell’ ITIS Francesco Bardelli per avermi procurato la strumentazione necessaria per la realizzazione del progetto. Un ringraziamento sentito va a tutti i miei amici ed a tutta la mia famiglia. Ogni parola non potrà mai rendere il senso di gratitudine che ho nei vostri confronti. Ultimo omaggio va a SamantHa, persona che sa donarmi il sorriso anche nei giorni più grigi. Marco Giuntoli.. II.

(4) Prefazione Il continuo aumento di richiesta d’ energia elettrica, contrapposto ad una sempre più scarsa disponibilità d’ essa, fanno del problema energetico uno dei temi attualmente più discussi. Una, fra le soluzioni più adottate, è quella mirata alla riduzione dei consumi d’ energia elettrica. Gli obbiettivi del lavoro sono i seguenti: •. Mettere in evidenzia quali sono gli aspetti da prendere in considerazione per lo sviluppo di un sistema che comporti un risparmio energetico, e quindi, l’ analisi del concetto di misura accurata e veloce della potenza attiva;. •. Constatare,. tramite. simulazione,. della. reale. efficacia. dell’. analisi. fatta. precedentemente; •. Progettare una piattaforma hardware, grazie al quale sia possibile effettuare delle prove del modello matematico precedentemente sviluppato;. •. La realizzazione dell’ hardware, analizzando gli aspetti tecnici e pratici della messa in opera, cercando di mettere in evidenza i concenti più importanti di una realizzazione pratica;. •. Analisi e sviluppo di un sistema di controllo mediante l’ utilizzo di software LabVIEW®, grazie al quale sarà possibile effettuare la supervisione del sistema sviluppato;. •. Un’ analisi delle prove effettuate.. Il lavoro, nel suo complesso, deve mettere in evidenzia le potenzialità dell’ approccio con la quale impostiamo ed affrontiamo il problema, così da lasciar posto ad analisi future e possibili implementazioni aggiuntive dell’ operato svolto. III.

(5) Abstract At present the energetic problem is one of the most discussed topic because of the continuous increase of demand of electric power and a more and more insufficient availability of it. One of the most adopted solution is the aimed reduction of the power consumption. The tasks of this work are: • To highlight the aspects for the development of a system that involves an energetic saving, therefore, the analysis of the concept of an accurate and fast measure of the active power (I.A.A.P.); • To state, with simulations, of the real effectiveness of the previous analysis; • To plan a platform hardware, thanks to it is possible to carry out the tests of previous mathematical developed model; • To analyze technical and practical aspects of the hardware’s realization, trying to highlight the most important concepts of a practical realizations; • Analysis and development of a control system using LabVIEW® software. Thanks to it the supervision of developed system will be carry out; • An analysis of the carried out tests. Altogether, the work must point out the capacity of the method which faces the problem, so we can easily analyze the future and the possible implementation of the work.. IV.

(6) Indice Capitolo. Pag.. 1 1.1 1.2 1.3. Capitolo – 1………………………………………………………………………... Introduzione………………………………………………………………………… SCADA e EMS…………………………………………………………………….. Obiettivi della trattazione………………………………………………………….... 1 1 6 10. 2 2.1 2.2. Capitolo – 2…………………………………………………………...…………… Modello teorico…………………………………………………………………….. Applicabilità……………………………………………………………...…………. 11 11 17. 3 3.1. Capitolo – 3…………………………………………………………………...…… Simulazione…………………………………………………………………………. 21 21. 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5. Capitolo – 4………………………………………………………………………... Realizzazione circuitale…………………………………………………………….. Logica di controllo (ed alimentazione)…………………………………………….. Scheda di potenza (e comparatori)…………………………………………………. Scheda di misura…………………………………………………………………… Interfaccia (e condizionamento dei segnali)……………………………………….... 31 31 43 62 71 77. 5 5.1 5.2. Capitolo – 5…………………………………………………...…………………… Software di controllo……………………………………………………………….. Progettazione del VI……………………………………………………………….... 82 82 91. 6 6.1 6.2 6.3 6.4. Capitolo – 6………………………………………………………………………... Prove ed analisi…………………………………………………………………….. Preparazione del collaudo………………………………………………………….. Analisi delle prove………………………………………………………………….. Conclusioni………………………………………………………………………….. 108 108 109 113 137. App Parte A Parte B. Appendice…….………………………………………………………….………… Analisi caso sistema trifase………………………………………………………… Analisi delle costanti termiche rispetto a quelle elettriche di un locale modello….... 138 138 155. Bibliografia…………………………………………………………………………. 163. V .

(7) . Elenco figure 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13. Fonti di approvvigionamento energia elettrica italiana (dati in GW - 2006)……….….. Andamento temporale della richiesta di olio combustibile………...……….………….. Obiettivi protocollo di Kyoto……………………………………………….………….. Schema di principio di funzionamento di un apparato SCADA………………….......... Suddivisione a livello gerarchico di un sistema SCADA………………………….…... EMS sull’ utenza finale………………………………………….……………………... Circuito in analisi…………………………………………….…………………..…….. Valore nel periodo della tensione, corrente e potenza……………………….………… Tensione e corrente in fase…………………………………….……………….............. Tensione e corrente in quadratura…………………………….………………………... Elementi necessari per EMS…………………………………….……………………... Lettura delle grandezze elettriche……………………………………….……………... Diagramma dell’algoritmo decisionale………………………………….……………... Attuatore………………………………………………..………………………………. Schema a blocchi per la P(t)…………………………………………………………… Schema a blocchi per la V(t) e I(t)……………………………………………….…….. Schema completo IAAP………………………………………………….…………….. Blocco esteriore…………………………………………………….…………………... Tensione e Corrente………………………………………………….…………............ IAAP………………………………………………………………………………........ Valori efficaci istantanei della tensione e corrente…..…………….…………………... Potenza attiva istantanea………………………………….……………………............. Tensione e correnti efficaci istantanei…………………………………………............. Potenza apparente istantanea, fattore di potenza e potenza non attiva………………… Corrente attiva e non attiva istantanei……………………………………………….…. Tensione corrente e potenza istantanea…………………………………………….…... Potenza attiva istantanea………………………………………………….……………. Valori efficaci istantanei della tensione e corrente .…………………………….……... Potenza apparente istantanea, fattore di potenza e potenza non attiva………………… Corrente attiva e non attiva istantanei…………………………….……………………. Schema funzionale del dispositivo…………………………….……………………….. Forma d’ onda in uscita dal triac……………………………….………………………. Tensione in uscita dal triac in funzione dell’ angolo di accensione alfa….……………. Forme d’ onda in un carico R-L……………………….……………………………….. Rapporto tensioni in funzione di alfa e del tipo di carico………….…………………... Legame tensione ingresso angolo alfa………………….……………………………… Legame tensione ingresso potenza parzializzata in uscita…….……………………….. Effetto Hall…………………………….……………………………………………….. Diagramma funzionale del circuito…………….………………………………………. Alimentatore………………….....…………………………………………………….... Schema elettrico alimentatore……….…………………………………………………. Comparatore a zero………………….…………………………………………………. Forma d’ onda teorica……………….…………………………………………………. VI . . 2 3 5 7 8 9 11 13 13 14 16 18 19 20 22 22 23 23 24 24 25 26 26 27 27 28 29 29 30 30 32 33 34 36 36 38 38 40 42 45 46 47 48.

(8) 4.14 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 4.29 4.30 4.31 4.32 4.33 4.34 4.35 4.36 4.37 4.38 4.39 4.40 4.41 4.42 4.43 4.44 4.45 4.46 4.47 4.48 4.49 4.50 4.51 4.52 4.53 4.54 4.55 4.56 4.57 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7. Forma d’ onda reale ottenuta in uscita sul diodo…....…………………………………. Rete generatore Zero-Cross Detector……….………………………………………….. Schema di realizzazione effettivo…….………………………………………………... Segnale di sincronia rispetto al segnale in uscita.……………………………………… Segnale d’ uscita rispetto al segnale della rete sfasatrice.……………………………… Forma d’ onda reale ottenuta in uscita………….……………………………………… Circuito interno NE555……….………………………………………………………... NE555 in modalità oscillatore…….……………………………………………………. Schema di montaggio effettivo NE555….……………………………………………... Forma d’ onda in uscita………….……………………………………………………... Schema di montaggio teorico contatore…………………………….………………….. Andamento dei segnali logici sul bus dati……………………………………………... Schema di principio interno al DAC……………………………….…………………... Schema funzionale AD7224KN……………………………….……………………….. DAC in configurazione unipolare…………………………………………….………... Schema elettrico applicativo del DAC……………………………………….………… Forma d’ onda ottenibile in teoria……………………………………….……………... Forma d’ onda della portante ottenuta…………………………………………………. Schema elettrico scheda di controllo…………………………………………………... Realizzazione pratica…………………………………………………………………... Comparatore Portante-Modulante……………………………….……………………... Forma d’ onda in uscita…………………………….…………………………………... Circuito derivatore……………………………………………………………………... Forma d’ onda teorica ottenibile……….………………………………………………. Forma d’ onda in uscita dal derivatore….……………………………………………… Caratteristica piano V-I Diac…………………………………………………………... Schema elettrico del sistema di controllo……………………………………………… Piedinatura MOC3020…………………………………………………………………. Circuito applicativo………….…………………………………………………………. Schema applicativo………….…………………………………………………………. Circuito reale…………….……………………………………………………………... Schema elettrico scheda di controllo…………………………………………………... Misurazione Classica V-I……….……………………………………………………… Utilizzo dei TV-TA nella misurazione.………………………………………………… Sensore Hall……………….…………………………………………………………… Componente utilizzato…………………………………………………………………. Schema di montaggio………….……………………………………………………….. Circuito misurazione di corrente…….…………………………………………………. Misurazione tensione…………………………………………………………………... Circuito effettivo…………………….…………………………………………………. Circuito di condizionamento…………….……………………………………………... Schema elettrico completo della scheda di condizionamento segnale d’ ingresso.……. Realizzazione pratica…………………………………………………………………... Schema di connessione………………………………………………………………… Semplice VI che calcola l’ ipotenusa di un triangolo………………………………….. Principio di VI da implementare………………….……………………………………. Dettagli del VI…………………………………………….……………………………. Controllo del sistema…………………………………………………………………... Sistema di tele lettura…………………………………………………………….…….. Tele lettura……………………………………………………………………………... Scrittura su file…………………………………………………….…………………… VII . . 48 49 49 50 50 51 53 53 54 55 55 56 57 57 58 58 59 59 60 61 63 63 64 64 65 66 67 67 67 68 69 70 71 72 73 73 74 74 76 76 78 79 79 81 83 85 87 88 90 90 91.

(9) 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 6.17 6.18 6.19 6.20 6.21 6.22 6.23 6.24 6.25 6.26 6.27 6.28 6.29 6.30 6.31 6.32 6.33 A1. Scrittura del file di log interno al ciclo While-Loop……………………………….…... DAQ assistant………………………………………………………………………….. Lettura dal DAQ……………………………………………….……………………….. Parte di scrittura…………………………………………….………………………….. Calcolo dei coefficienti del polinomi interpolante nella funzione SPLINE…………… Controllore di primo livello……………………………………………………………. Contatore……………………………………………………………………………….. Controllore di secondo livello……………………….…………………………………. Controllo manuale……………………………………………………………………… Feedback di controllo…………………………………………………………………... Controllo PID…………………………………………………………………………... TCP/IP lato server……………………………………………………………………… Schema a blocchi del client…………………………………………………………….. Pannello frontale lato Client…………………………………………………………… Pannello frontale Server………………………………………………………………... Schema a blocchi Server……………………………………………………………….. Logica di controllo……………………………………………………………………... Connessione elettrica del collaudo……………………………………………………... Catena di misura………………………………………………………………………... Modifica al VI di controllo…………………………………………………………….. Modifica della libreria………………………………………………………………….. Catena di misura Hardware…………………………………………………………….. Foto del dispositivo IAAP CONTROLL e delle connessioni elettriche……………….. Gerarchia delle prove…………………………………………………………………... Tensione in funzione del tempo nella prova a vuoto………………………………….. Andamento della IAAP e del valore efficace della corrente…………………………… Tensione corrente e potenza istantanea in funzione del tempo………………………… IAAP e valore efficace della corrente………………………………………………….. Tensione corrente e potenza istantanea in funzione del tempo………………………… Passaggio da OFF ad ON………………………………………………………………. Passaggio ON-OFF…………………………………………………………………….. Andamento della IAAP e del valore efficace della corrente per cicli di OFF-ON-OFF. IAAP e potenza massima………………………………………………………………. Forma d’ onda della corrente…………………………………………………………... Forma d’ onda della potenza istantanea………………………………………………... IAAP e valore efficace della corrente con controllore PID……………………………. Forme d’ onda della potenza istantanea in due regimi diversi…………………………. Andamento della forma d’ onda della corrente in due regimi diversi…………………. Andamento della IAAP e del valore efficace della corrente nel tempo………………... Forma d’ onda della corrente…………………………………………………………... Forma d’ onda della potenza istantanea………………………………………………... Profilo della richiesta di potenza e del valore efficace della corrente……………...….. Potenza apparente……………………………………………………………………… Fattore di potenza PF…………………………………………………………………... Profilo del carico con potenza massima di 300W e valore efficace della corrente……. Potenza apparente……………………………………………………………………… Fattore di potenza………………………………………………………………………. Profilo del carico e dal valore efficace della corrente………………………………….. Potenza apparente e IAAP……………………………………………………………... Fattore di potenza………………………………………………………………………. Modalità d’ alimentazione equivalenti in trifase……………………………………….. VIII . . 92 93 93 95 96 98 99 100 100 101 102 103 104 104 105 106 107 109 110 111 111 112 112 114 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 129 130 131 132 132 133 134 135 136 136 140.

(10) A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 B1 B2 B3 B4 B5. Calcolo della P(t)………………………………………………………………………. Modello creato sul simulatore………………………………………………………….. Generazione della terna simmetrica……………………………………………………. Modellazione del carico………………………………………………………………... Trasformata di Park…………………………………………………………………….. Potenza richiesta e potenza fornita……………………………………………………... Tensioni e correnti di fase in funzione del tempo……………………………………… Modulante Portante e segnale Modulato……………………………………………….. Potenza richiesta e potenza assorbita…………………………………………………... Tensioni e correnti di fase in funzione del tempo……………………………………… Modulante Portante e segnale modulato……………………………………………….. Potenza richiesta e potenza assorbita…………………………………………………... Tensioni e correnti di fase in funzione del tempo……………………………………… Modulante Portante e segnale modulato……………………………………………….. Dispersione di calore…………………………………………………………………… Locale in analisi………………………………………………………………………... Circuito elettrico equivalente…………………………………………………………... Andamento temperature………………………………………………………………... Potenza richiesta dal sistema di condizionamento…………………………………….... IX . 142 143 144 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 156 156 160 161 162.

(11) Capitolo 1. Capitolo 1 Introduzione Prima di affrontare questo argomento è opportuno chiarire il significato da dare al verbo “risparmiare”. Se per risparmio energetico si intende di non utilizzare inutilmente l’energia elettrica, come, per esempio, utilizzando elettrodomestici a basso consumo, o spegnendo l’ illuminazione quando si esce da un locale dove non rimane presente più nessuno, allora, in questo senso, risparmiare conviene, poiché significa un onere inferiore a livello economico. Altra cosa sarebbe, invece, risparmiare energia in un contesto di politica energetica, in cui il risparmio avrebbe un senso anche se l’energia fosse gratuita. È evidente che, se le riserve di un bene fossero infinite, risparmiare non sarebbe di alcuna necessità (se non, come abbiamo detto, per una diminuzione d’ onere a livello economico). Il discorso sarebbe diverso se, ovviamente, le riserve energetiche fossero finite. Ad esempio, l’ estrazione de petrolio, fra alcuni decenni, non potrà più avere gli. 1 .

(12) Capitolo 1 stessi ritmi di produzione che ha oggi giorno, quindi, risparmiare, significherebbe utilizzare questa risorsa per un intervallo di tempo maggiore. Quanto più a lungo? Dieci anni, cinquant’ anni? Poco cambia, poiché il petrolio prima o poi si esaurirà. Il risparmio avrebbe quindi un senso solo se il bene di cui si dispone fosse poco ma costante nel tempo.. Figura 1.1 Fonti di approvvigionamento energia elettrica italiana (dati in GW – 2006 Fonte Terna).. L’energia che ci proviene dal Sole, ad esempio, è una fonte diluita ma costante che, se diventasse l’unica disponibile, come fu in passato, il risparmio avrebbe un senso: si dovrebbe bruciare il legno delle foreste con parsimonia o non sottrarre troppo terreno alle culture alimentari per produrre piante da convertire in combustibile utilizzabile. Dovremmo anche far scendere l’acqua dai bacini idroelettrici meno velocemente di quanto cresce il livello dovuto agli afflussi meteorici in modo da non prosciugarli. Fino a quando la tecnologia non avrà trovato il sistema per creare energia attraverso le fonti rinnovabili, che sia competitivo a livello di utilizzo su larga scala, il risparmio deve essere considerato anch’esso una fonte di energia. Attualmente nel mondo si consuma complessivamente l’equivalente di 170 milioni di barili di petrolio al giorno, ovvero 10 miliardi di tonnellate all’anno. La 2 .

(13) Capitolo 1 tonnellata equivalente di petrolio (o tep) è l’energia termica sviluppata dalla combustione completa di una tonnellata di petrolio ed equivale a 7,5 barili di quel combustibile fossile. Le fonti energetiche consumate nel mondo sono così suddivise: •. 35% petrolio;. •. 24% carbone;. •. 21% gas naturale;. •. 11% biomasse (inclusa la legna);. •. 6% energia nucleare;. •. 2% energia idroelettrica;. •. 1% fra eolico, fotovoltaico e geotermico.. Quindi, come si può vedere, circa l’80% dell’energia che si consuma nel mondo proviene dai combustibili fossili.. Figura 1.2 - Andamento temporale della richiesta di olio combustibile (Fonte AspoItalia).. 3 .

(14) Capitolo 1 Il petrolio è il più scarso fra questi, e con i consumi attuali le scorte non potranno superare una durata di 50 anni, mentre, in contrapposizione, il più abbondante è il carbone. Le risorse energetiche del nostro pianeta, come abbiamo visto, si possono dividere in due categorie: •. quelle limitate che provengono dall’interno della Terra (combustibili fossili, uranio e calore);. •. quelle abbondanti e immutabili nel tempo, ma molto diluite e di difficile conversione in forme utili all’uomo, che hanno origine nel Sole.. Le sostanze, come i combustibili fossili, oltre ad essere spesso dannose per gli esseri animali, possono, mediante vari meccanismi, avere l'effetto d’ alterare il clima su scala locale e globale. Per cercare di limitare gli effetti di una mutazione del clima terrestre dovuto all'aumento dell'effetto serra, nel 1997 si è tenuta in Giappone la Convenzione Quadro sui Cambiamenti Climatici, la quale ha redatto un documento noto come “Protocollo di Kyoto”. Nel Protocollo sono indicati gli impegni di riduzione e di limitazione quantificata delle emissioni di gas serra, come anidride carbonica, gas metano, protossido di azoto, esafloruro di zolfo, idrofluorocarburi e per fluorocarburi, di cui si fanno carico i paesi firmatari. Le Parti dovranno, individualmente o congiuntamente, assicurare che le emissioni antropogeniche globali siano ridotte di almeno il 5% rispetto ai livelli del 1990 nel periodo di adempimento 2008 - 2012.. 4 .

(15) Capitolo 1. Figura 1.3 - Obiettivi Protocollo di Kyoto (Fonte Agenzia Italia).. Per l'Italia, è stata fissata una percentuale di riduzione del 6.5% rispetto ai livelli del 1990 nel periodo di adempimento 2008 - 2012. Purtroppo nel nostro paese i consumi energetici sono in costante crescita, e si continua a utilizzare massicciamente le fonti fossili per produrre energia elettrica, a danno delle rinnovabili, in totale contrasto con quanto stabilito a Kyoto.. 5 .

(16) Capitolo 1. SCADA e EMS Come descritto nel paragrafo precedente, l’ importanza che riveste il risparmio energetico è tutt’ altro da trascurare. Possiamo, però, affrontare il problema da un altro punto di vista: ovvero ottimizzare i sistemi di controllo dell’ utilizzo dell’ energia elettrica già esistenti ed in esercizio, per ottenere da essi, un utilizzo più intelligente e di conseguenza una riduzione dei consumi. Per raggiungere ciò abbiamo bisogno di sistemi di supervisione veloci, nell’ acquisizione, elaborazione e gestione dei dati, grazie ai quali possiamo ottenere i nostri scopi. A tal fine ci vengono incontro i sistemi denominati SCADA “Supervisory Control and Data Acquisition”. SCADA si riferisce ad un insieme di elementi che compongono un sistema atti a raccoglie i dati provenienti dall’ apparato fisico da controllare, gestirli ed elaborarli in base a degli obbiettivi ben determinati, per poi applicare, i risultati dell’ elaborazioni, nuovamente sull’ insieme fisico controllato. Una delle caratteristiche principali delle strutture SCADA è quello di controllare il sistema sotto processo in tempo reale; per concretizzare tale caratteristica i sistemi SCADA hanno bisogno dei seguenti apparati: 6 .

(17) Capitolo 1 •. sistema di lettura, condizionamento e trasmissioni dei dati;. •. sistema. di. elaborazione,. gestione. dei. dati. (eventualmente. di. memorizzazione, anche se non essenziale al principio di funzionamento); •. elementi che attuano sul sistema in processo il risultato dell’ elaborazioni dei dati in ingresso.. Figura 1.4 - Schema di principio di funzionamento di un apparato SCADA. Come possiamo osservare dalla Fig.1.4 possiamo concludere che i sistemi SCADA sono composti da tre componenti fondamentali; possiamo però effettuare un’ altra classificazione di tali apparati. Essi, infatti, possono essere classificati per livelli gerarchici, ovvero definiti per livello di importanza; più precisamente possiamo affermare che esistono le seguenti gerarchie:. . •. Hardware;. •. Software;. •. HMI (Human Machine Interface – Interfaccia Uomo Macchina). 7.

(18) Capitolo 1 Tale classificazione può essere giustificata nel seguente modo: l’ Hardware è un insieme di componenti atti alla trasduzione delle grandezze fisiche in segnali elettrici, al trasporto di essi ed alla manipolazione; ad un livello gerarchico più alto troviamo il Software, ovvero tutto l’insieme di istruzioni ed elaborazioni che l’ Hardware è tenuto a compiere; ed infine troviamo l’ HMI, esso consente la comunicazione fra uomo e macchina, consente la gestione dell’ intero sistema, e da esso dipendono tutte le altre componenti dell’ apparato.. Figura 1.5 - Suddivisione a Livello gerarchico di un sistema SCADA. Con l’ acronimo di EMS intendiamo “Energy Management System”. EMS si riferisce al software che racchiude quell’ insieme di strategie adeguate atte al controllo di un sistema elettrico, con lo scopo, nel nostro caso, della riduzione dei consumi. Questa definizione la possiamo introdurre in un contesto di visione più ampio, nella quale può assumere un ruolo d’ importanza non trascurabile, essa infatti può essere guidata dai seguenti fattori:. 8 .

(19) Capitolo 1 •. I produttori e distributori voglio influenzare la domanda di energia elettrica per poterla allinearla con l’ offerta;. •. Desiderio dei consumatori di utilizzare l’ energia in modo più efficiente;. •. Trattati internazionali (atti alla riduzione degli agenti inquinanti).. Tali fattori comprenderebbero, a loro volta, la gestione energetica per l’ ottimizzazione dei profili di consumo, monitorare i consumi energetici ed impiegarli in modo più efficiente; questa conduzione può essere applicata, all’ utente finale, effettuando il controllo sui carichi elettrici che caratterizzano l’ utenza domestica classica, ovvero: aria condizionata, riscaldamento, illuminazione, elettrodomestici, audio/video. I benefici derivanti sarebbero multipli ed applicabili non solo all’ utenza finale, ma anche al distributore/produttore, poiché comporterebbe profili di consumo più accurati e prevedibili, riducendo i picchi di consumo (Load Peak) e registrando, in tempo reale, l’ andamento dei consumi energetici; per l’utenza invece, introduzione di tale sistema di controllo, comporterebbe un’ ovvia riduzione dei consumi, che si ribalterebbe in una diminuzione dell’ onere economico.. Figura 1.6 - EMS sull' utenza finale. 9 .

(20) Capitolo 1. Obiettivi della Trattazione Lo scopo di questo lavoro è la progettazione, la realizzazione e l’analisi di un sistema SCADA che utilizzi, come logica di funzionamento, un criterio EMS, partendo da un’ analisi teorica, fino alla realizzazione del controllo e l’applicazione di esso. In grandi linee possiamo suddividere l’ elaborato nelle seguenti parti: •. Modello teorico, ed inquadramento come tecnica EMS;. •. Implementazione del modello analizzato e simulazione mediante software MatLab Simulink®;. •. Costruzione dell’ interfacciamento Hardware per lo sviluppo applicativo;. •. Realizzazione ed implementazione del controllo del sistema EMS mediante software NI LabVIEW®;. •. Esempi applicativi;. •. Conclusione con l’ analisi e la verifica dei risultati ottenuti.. 10 .

(21) Capitolo 2 . . Capitolo 2 Modello teorico In questo secondo capitolo introduciamo la modello teorico sulla quale si basa la tecnica EMS. Essa si fonda su di una procedura differente di misurazione della potenza attiva elettrica, che ci consente, a livello pratico, una misurazione quasi in “tempo reale” di essa; da tale stima, poi, possiamo decidere, in base ad un algoritmo studiato, quali carichi distaccare, oppure da ridurre in assorbimento di potenza attiva. Partiamo definendo analiticamente la potenza, espressa come prodotto fra tensione e corrente. Prendiamo in analisi questo semplice circuito elettrico, definendo :. Figura 2.1 - Circuito in analisi. 11 .

(22) Capitolo 2 . . la tensione, che può essere espressa, per qualsiasi regime periodico , come:. . mentre la corrente, che anche in questo caso può essere espressa per qualsiasi regime periodico, come:. dove gli indici delle sommatorie j e m sono gli ordini di armonica. Possiamo quindi definire la potenza istantanea come:. in cui, andando a sostituire otteniamo:. Φ. dove N è definito come N=J+M, in cui J e M sono i più alti ordini di armonica sia per la tensione che per la corrente; possiamo dire che la potenza istantanea varia periodicamente secondo la legge sopra riportata e risulta pertanto espressa come somma di un termine costante e dei valori istantanei di una sinusoide di frequenza doppia di quella della corrente (potenza fluttuante). Il valore costate predetto può essere definito analiticamente come: 1. dove T è il periodo delle fondamentale (per 50Hz T è uguale a 0.02 s). Andando a sostituire otteniamo: 12 .

(23) Capitolo 2 1. . Φ. esso rappresenta il valor medio della potenza istantanea. Dalla figura è possibile evidenziare gli andamenti nel tempo delle forme d’ onda sia della tensione che della corrente, e visualizzare il loro rapporto ed il valor medio derivante:. Figura 2.2 - Valore nel periodo della tensione corrente e potenza. Interessanti sono le condizioni in con cui abbiamo tensione e corrente con fase nulla od in quadratura; le figure successive mostrano tali andamenti.. Figura 2.3 - Tensione e corrente in fase. 13 .

(24) Capitolo 2 . . Figura 2.4 - Tensione e corrente in quadratura. Molti sistemi, basandosi sull’ ultima equazione scritta, riescono a ricavare il valore della potenza attiva. Per esempio, uno dei modi più utilizzati, è quello di applicare, in uscita dal prodotto tensione corrente, un filtro passa basso che ci dà come uscita la P0. Proprio per la natura del filtro analogico applicato a suddetto sistema il tempo di ritardo, in tale misurazione, si può aggirare intorno al 160ms. Altro sistema di misurazione della potenza attiva, consiste nell’ effettuare il rapporto fra il flusso d’ energia. durante lo specifico intervallo Δ e Δ stesso, ovvero:. Δ Questo modo indiretto di misurare la potenza Pm, basato su di una definizione a posteriori del rapporto di una energia in un determinato intervallo, non ci consente di determinare le variazioni di potenza attiva nell’ intervallo stesso. Per ovviare a quanto appena detto, possiamo definire in un altro modo la potenza, ed in forma più generale la possiamo esplicitare come: IAAP : Istantaneous Avarage Active Power Ovvero, potenza istantanea attiva P0(t) al tempo t. Essa può essere definita analiticamente come:. 14 .

(25) Capitolo 2 . . 1. dove, andando a sostituire la definizione di tensione e corrente otteniamo: 1. sin . Φ. In questo caso la potenza attiva istantanea P0(t) diventa una quantità dipendente dal tempo, che ovviamente è costante in regime stazionario; non ha senso fisico durante un transitorio, ma è in grado, istantaneamente, di determinare qualsiasi variazione della potenza attiva a seguito del suddetto transitorio. Mediante lo stesso ragionamento possiamo applicare tale definizione anche per il valore efficace della tensione, ovvero:. 1. ed anche per la definizione del valore della corrente efficace:. 1. proseguendo sempre nel medesimo modo definiamo anche il valore di potenza apparente istantanea, ovvero, in forma analitica uguale a:. quindi anche il fattore di potenza, che può essere ricavato come:. 15 .

(26) Capitolo 2 . . in ugual modo può essere determinato il valore della potenza istantanea non attiva Pna(t), definito come:. così anche il valore della corrente attiva istantanea, definita analiticamente mediate la seguente equazione:. mentre per il valore della corrente non attiva istantanea, definita analiticamente mediante la seguente differenza:. Grazie a tutte le grandezze, precedentemente esposte, abbiamo gli strumenti necessari per la realizzazione dell’ algoritmo del modello EMS (Energy Management System). Infatti possediamo, con esse, le variabili elettriche di controllo del sistema. Nel prossimo paragrafo verranno esposti quali e quanti devono essere gli elementi necessari per far funzionare il sistema EMS in discussione.. Figura 2.5 - Elementi necessari per EMS.. . 16 .

(27) Capitolo 2 . . Applicabilità Cerchiamo di capire, adesso, dove questo Energy Management System può avere un risvolto applicativo. Ciò di cui abbiamo bisogno è: •. un sistema in grado di effettuare la lettura delle grandezze elettriche in ingresso al sistema (tensione e corrente); esse vanno prelevate a monte del sistema in processo, sulla linea d’ alimentazione dell’ insieme di carichi in esame;. •. un sistema, il cui compito è quello di analizzare il segnale rappresentativo di tensione e corrente in ingresso, elaborarlo, per ottenere le grandezze a noi necessarie (insieme delle misure che compongono il blocco IAAP, analizzato nel paragrafo precedente). In base al confronto di tali risultati con i livelli di soglia limite di potenza impostati dall’ operatore, il sistema d’ elaborazione provvederà al distacco, anche parziale, di uno o più carichi che compongono il nostro sistema. Questo algoritmo, di gestione ottimale dei carichi elettrici, è adatto anche ai sistemi di gestione del comfort ambientale; può essere applicato in tale sistema poiché le costanti di tempo elettriche in gioco sono molto minori delle costanti di tempo termiche del sistema da climatizzare. Infatti, i singoli stati elettrici, possono essere suddivisi in un insieme di 17. .

(28) Capitolo 2 . . stati, multipli del periodo della fondamentale, ognuno di essi caratterizzati da stazionarietà. Ognuno di questi singoli stati periodici è separato dagli altri da un piccolo transitorio, di poco interesse poiché non ha conseguenze sullo stato di condizionamento finale. In tal modo le variazioni delle grandezze elettriche, definite attraverso il blocco di elaborazione IAAP , possono essere immediatamente rilevate, ed i carichi connessi (riscaldamento elettrico, ventilazione, aria condizionata, frigoriferi, congelatori, possono essere opportunamente controllati in base agli esuberi di potenza richiesta od in base al superamento della potenza contrattuale; •. l’ ultimo stadio del sistema è composto da quell’ insieme di elementi atti all’ attuazione dei comandi provenienti dal sistema di elaborazione. Esso può essere pensato e progettato a seconda delle proprie esigenze e delle condizioni in cui deve andare ad operare. Infatti esso provvederà, poi, al controllo di potenza sui carichi elettrici ed al distaccamento o no di essi dalla linea di alimentazione.. Suddetto sistema di controllo non perde la sua validità anche in sistemi in cui lo scopo non sia quello del condizionamento ambientale. Infatti può essere anche applicato in quei casi in cui l’ unico scopo non sia il superamento di un certo limite di potenza (per motivi contrattuali o no), e dove i carichi consentano un distaccamento, oppure una parzializzazione della potenza assorbita. Andiamo a vedere come sono disposti i singoli componenti che compongono il sistema nella sua totalità.. Figura 2.6 - Lettura delle grandezze elettriche. 18 .

(29) Capitolo 2 . . Dalla fig.2.6 possiamo visualizzare come viene introdotto il primo elemento nel sistema in analisi, ovvero colui che effettua la trasduzione delle grandezze necessarie in ingresso al sistema di gestione. Il sistema di elaborazione può essere schematizzato nel seguente modo:. Figura 2.7 - Diagramma dell' algoritmo decisionale. da esso possiamo distinguere 4 blocchi fondamentali, necessari al funzionamento dell’ insieme dell’ architettura. Essi svolgono le seguenti funzioni: •. IAAP ha il compito di calcolare le grandezze elettriche da esaminare;. •. La logica decisionale ha il compito di determinare una sorta di gerarchia in base al quale decide quali carichi scollegare per prima ed in quale sequenza; 19. .

(30) Capitolo 2 •. . L’ applicazione ai singoli carichi preleva il segnale di potenza dal blocco IAAP, ed in base alle regole decise logica decisionale, ed ai livelli di soglia imposti dall’ operatore, va a disconnettere o parzializzare la potenza assorbila dai carichi;. •. Infine l’ interfaccia uomo macchina serve per avere una porta di comunicazione bidirezionale, dove possiamo visualizzare tutte le grandezze in esame, impostare i valori di soglia limite ed i vari parametri accessori.. Il risultato di tale elaborazione va a controllare un sistema necessario alla gestione delle linee d’ alimentazione dei singoli carichi; esso ha n linee di ingresso quanti n sono i carichi da controllare. La natura dell’ architettura di tale controllo è diversa a seconda dei tipi di carichi da controllare e può variare da esempio ad esempio, ma può essere schematizza nella seguente figura.. Figura 2.8 - Attuatore. 20 .

(31) . Capitolo 3 . . Capitolo 3 Simulazione In questo capitolo mostriamo, come il modello precedentemente proposto, possa lavorare mediante simulazione. Con tale lavoro vogliamo evidenziare come il controllo agisce sulla regolazione di potenza in uscita. Partiamo dalla determinazione della “potenza attiva istantanea”. Come precedentemente esposto riportiamo tale formulazione analitica: 1. Ovvero: 1. sin . Che equivale matematicamente alla seguente operazione:. 21 . Φ.

(32) . Capitolo 3 . 1. sin . . Φ. sin . Φ. Questo ci consente di calcolare l’integrale semplicemente prendendo il primo e ritardandolo del periodo T, oppure integrare il medesimo segnale e poi differirlo di un tempo T. Grazie l’ utilizzo di Matlab Simulink® è possibile esprimere la suddetta relazione mediante il seguente schema:. Figura 3.1 - Schema a blocchi per la P(t). Dove in ingresso ha i due segnali rappresentativi di tensione e corrente. Medesimo principio è stato utilizzato per il calcolo dei “valori efficaci istantanei” sia per la corrente per che la tensione:. Figura 3.2 - Schema a blocchi per la V(t) e I(t). Per il resto delle grandezze in esame, è stato disegnato uno schema che effettua il calcolo di ognuna di esse; da far notare le otto uscite che rappresentano l’ elaborazione complessiva dei segnali. Dopo di che è stata creata una maschera rappresentativa dell’ intero sistema, e chiamata IAAP.. 22 .

(33) . Capitolo 3 . . Figura 3.3 - Schema completo IAAP. Effettuata tale modellazione possiamo eseguire la simulazione. Per prima prova possiamo prendere i due segnale d’ ingresso rappresentativi di tensione e corrente, collocarli in ingresso al sistema e vedere cosa otteniamo in uscita.. Figura 3.4 - Blocco esteriore. 23 .

(34) . Capitolo 3 . . Possiamo effettuare un primo lancio di prova del programma, e vedere (in per unit) le forme d’ onda sei segnali in ingresso ed in uscita. Come prima cosa vengono visualizzati i segnali in ingresso di tensione e corrente, sia per valori istantanei sia per valori efficaci istantanei:. Figura 3.5 - Tensione e Corrente. Mentre la fig.3.6 mostra il valore della potenza attiva istantanea (IAAP):. Figura 3.6 - IAAP. Da entrambi i grafici possiamo notare, che dopo un transitorio della durata di un periodo della fondamentale (20ms per la frequenza di 50Hz), il valore si assesta su di un valore costante. 24 .

(35) . Capitolo 3 . . La seconda simulazione ha una rilevanza maggiore, poiché mette in evidenza il funzionamento del sistema. Si ipotizza ad un istante iniziale che la potenza assorbita fosse di 650W; ad un certo istante t1 abbiamo la connessione di un ulteriore carico che assorbe 400W, per un totale di 1050W. Impostando la soglia limite a 850W, il controllo provvede alla modulazione dell’ assorbimento di potenza da parte del carico, per una riduzione in totale di 200W; l’ assestamento della potenza assorbita lo troviamo all’ istante t2, ovvero solo dopo 40ms dall’ innesto del carico in esubero. Possiamo vedere dalla fig.3.7 gli andamenti nel tempo di tensione corrente e potenza istantanea:. Figura 3.7 - Tensione corrente e potenza istantanea. Analogamente dall’ esempio precedente possiamo anche visualizzare il valore della potenza attiva istantanea (IAAP), dalla fig.3.8 possiamo notare che la potenza, prima costante e pari a 850W, ha un transitorio di 20ms, dopo il quale si porterebbe ad un valore di 1050W; il sistema di controllo accorgendosi dell’ esubero di potenza di 200W effettua una modulazione di potenza assorbita carico, che in un tempo di 20ms, riporta il valore totale al di sotto del valore soglia, 25 .

(36) . Capitolo 3 . . impostato in questo caso a 850W. E’ importante evidenziare il fatto che, il tempo minimo di transitorio della potenza P(t) (IAAP) da uno stato di regime all’ altro, è dettato dalla frequenza operativa di rete se la variazione di carico è istantanea. Nel caso in cui il transitorio di variazione del carico non sia pressoché istantaneo, ma abbia una certa quantità a livello temporale, l’algoritmo di calcolo della P(t) (IAAP) impiegherà sempre il periodo della fondamentale più il tempo dovuto al transitorio.. Figura 3.8 - Potenza attiva istantanea. Dalla fig.3.9 possiamo vedere gli andamenti del tempo del valore efficace istantaneo della tensione e della corrente:. Figura 3.9 – Valori efficaci istantanei della Tensione e corrente. 26 .

(37) . Capitolo 3 . . La figura successiva mostra l’ andamento nel tempo della potenza istantanea apparente, del fattore di potenza e della Pna(t), ovvero potenza non attiva sempre istantanea.. Figura 3.10 - Potenza apparente istantanea, fattore di potenza e potenza non attiva. I grafici successivi rappresentano gli andamenti nel tempo della corrente attiva e non attiva istantanei.. Figura 3.11 - Corrente attiva e non attiva istantanei. 27 .

(38) . Capitolo 3 . . La terza simulazione riveste un’ importanza data dal fatto che viene introdotto un transitorio dovuto all’ aumento del carico. Questo transitorio comincia all’ istante t1=40ms con l’ innesto di un carico che assorbe 1400W ed uno slew rate di 35. . All’ istante t2=80ms il sistema di controllo. sente la presenza di un esubero di potenza richiesta, effettua quindi la disconnessione di 900W per arrivare al limite di soglia impostato sui 2600W. Nella fig.3.12 possiamo evidenziare l’andamento nel tempo della tensione corrente e potenza istantanea.. Figura 3.12 - Tensione corrente e potenza istantanei. Possiamo vedere, nella figura successiva, l’ andamento della potenza attiva istantanea, salta in rilievo il transitorio totale dovuto all’ innesco ed alla regolazione che dura un totale di 80ms.. 28 .

(39) . Capitolo 3 . . Figura 3.13 - Potenza attiva istantanea. Dalla fig.3.14 possiamo vedere gli andamenti del tempo del valore efficace istantaneo della tensione e della corrente:. Figura 3.14 - Valori efficaci istantanei della Tensione e corrente. La fig.3.15 mostra l’ andamento nel tempo della potenza istantanea apparente, del fattore di potenza e della Pna(t), ovvero potenza non attiva sempre istantanea. Da sottolineare il fatto che, alla corrente è stato imposto un leggero angolo di ritardo, corrispondente a ad un carico leggermente induttivo. 29 . , ovvero equivalente.

(40) . Capitolo 3 . . Figura 3.15 - Potenza apparente istantanea, fattore di potenza e potenza non attiva. L’ ultima figura evidenzia l’ andamento delle due correnti: quella attiva istantanea, e quella non attiva istantanea, nominate sequenzialmente ia(t) ed ina(t). Da evidenziare che la somma delle due deve far ottenere nuovamente la corrente in ingresso e che, quando non abbiamo sfasamento fra tensione e corrente, la componente ina(t) deve essere uguale a zero.. Figura 3.16 - Corrente attiva e non attiva istantanei. 30 .

(41) Capitolo 4. Capitolo 4 Realizzazione circuitale In questo capitolo vogliamo prefissarci lo scopo di realizzare un circuito che possa concretizzare le discussioni teoriche affermate nei capitoli precedenti. Ci dobbiamo prima chiedere che strada vogliamo intraprendere in tale esecuzione. Tale concretizzazione deve essere mirata al fatto di provare il reale funzionamento del sistema complessivo, quindi è esente da un analisi di stampo economico che lo porterebbe, oltre che ad un ulteriore ottimizzazione tecnica teorica, ad esulare da questa trattazione. Possiamo affermare che tale circuito deve attenersi alla seguente mansione: effettuare il controllo di potenza in alternata monofase di una serie di carichi, indipendenti, posti a valle; il tutto deve poter essere governato, da un insieme di segnali logici digitali ed analogici provenienti da un’ interfaccia connessa tramite Personal Computer. Inoltre deve adempiere al fatto di poter misurare valori di corrente e tensione in ingresso, deve essere quindi munito di un ulteriore circuito dedicato che possa effettuare tale misurazione e condizionamento del segnale. Possiamo quindi riassumere le sui compiti nei seguenti punti: 31.

(42) Capitolo 4 1. Deve poter far controllare la potenza che i carichi in uscita assorbono; 2. Tali carichi sono caratterizzati da poter essere alimentati con la rete di bassa tensione in monofase, ovvero 230V a 50Hz connessi fra una fase e neutro; 3. Deve poter accettare in ingresso un insieme di segnali analogici ed un insieme di segnali logici digitali; 4. Deve far compiere la misurazione della tensione e corrente in ingresso all’ insieme dei carichi posti a valle; 5. Deve poter essere il tutto interfacciabile tramite personal computer. Possiamo ricapitolare i punti esposti nella fig.4.1, così d’ avere una più completa delucidazione:. Figura 4.1 - Schema funzionale del dispositivo. Abbiamo così intuito quali sono i passi da compiere nel suo funzionamento complessivo. Il passo successivo è quello di andare ad analizzare blocchetto per blocchetto, così poi da effettuarne la realizzazione pratica. La parte di potenza di tale dispositivo deve poter effettuare il controllo, 32.

(43) Capitolo 4 appunto in potenza, di un insieme di carichi indipendenti monofase il alternata posti a valle di esso. Tale convertitore rientra quindi nella categoria dei convertitori AC/AC, ovvero alternata/alternata, che possono essere realizzati mediante l’utilizzo di dispositivi discreti Triac che parzializzano la forma d’onda in uscita della tensione mediante un controllo di fase. Vediamo, prima di introdurci nella realizzazione pratica, cosa sono questi dispositivi di potenza denominati triac.. Figura 4.2 - Simbolo circuitale del triac. Il Triac è un componente elettronico a semiconduttore specificamente progettato per controllare carichi in corrente alternata (dall'inglese TRIode for Alternating Current). Si tratta di un dispositivo a tre terminali, di cui due sono detti anodi e sono la via di passaggio per la corrente controllata, mentre il terzo, definito gate, è l'ingresso di controllo. Idealmente il Triac equivale a due SCR (Silicon Controlled Rectifier) collegati in antiparallelo con il gate in comune. Ciascun elemento conduce solamente nel semiperiodo dell'onda in cui è polarizzato direttamente, da quando viene applicato un impulso di corrente al gate (superiore ad una soglia minima di sensibilità) fino al passaggio per lo zero della corrente. Nel caso della rete elettrica industriale a 50 Hz il semiperiodo dura 0,01 secondi. Si noti che il Triac non regola la corrente, ma può trovarsi esclusivamente nelle modalità di conduzione o interdizione.. Figura 4.2 - Forma d'onda in uscita dal triac. 33.