Smart Technology 3 novembre

Forum Telecontrollo Reti Acqua Gas ed Elettriche Torino, 3-4 novembre 2011

IL PARCO SCIENTIFICO VEGA DI VENEZIAUN ESEMPIO CONCRETO DI

SMART METERING INTEGRATO

Gas Metano – Energia Elettrica – Acqua – Energia Termica

Autore: Riccardo DuòCPL Concordia Soc. Coop.

Agenda Premessa

Parco Scientifico e Tecnologico VEGA di Venezia

Smart Grids Definizione Smart Grid Rete Passiva e Rete Attiva Architettura Smart Grids Smart Metering Settore ICT

VEGA – Applicazione di Smart Grid Apparecchiature Utilizzate

Sistema Telelettura Contatori Sistema Telecontrollo Impianto Fotovoltaico Postazione di Calcolo

Progetti Futuri

Conclusioni

Premessa• La relazione vuole presentare un impianto pilota per lo studio e l’applicazione delle

Smart Grids all’interno di un complesso tecnologico comprendente vari settori. Nel documento sarà presentato il Parco Scientifico e Tecnologico VEGA di Venezia, verrà trattato brevemente l’argomento delle Smart Grids e verrà illustrato come l’azienda vuole realizzare il progetto.

• L’argomento delle Smart Grids è ormai all’ordine del giorno in quanto l’attenzione per la sostenibilità dello sviluppo delle società e delle economie dell’intero pianeta ha assunto livelli di massima rilevanza per i Governi nazionali ed internazionali.

• L’Information and Communication Technology (ICT), mettendo a disposizione i propri strumenti di affiancamento alle trasformazioni in atto e quelle attese nei processi di produzione, distribuzione, stoccaggio e utilizzo delle risorse, è utile per raggiungere alcuni obiettivi delle Smart Grid. Tra questi obiettivi si punta ad aumentare l’efficienza di gestione ed uso dell’energia, abilitare il passaggio da una rete passiva orientata alla distribuzione dell’energia da pochi centri di generazione verso i carichi, ad una rete attiva orientata al flusso controllato di energia in condizioni del mercato e con integrazione di fonti diffuse, accrescere la sicurezza e la qualità della rete energetica ed infine ridurre le emissioni di CO2.


• Il VEGA (acronimo di VEnice GAteway for Science and Technology), Parco Scientifico e Tecnologico di Venezia è un punto d’incontro tra l’Università, i Centri di ricerca e il settore produttivo volto alla promozione e allo sviluppo di iniziative di ricerca scientifica per facilitare il trasferimento di conoscenze a favore della crescita tecnologica e della competitività delle imprese.

• Opera nei settori di punta dell’innovazione tecnologica: Nanotecnologie, ICT, Green Economy. VEGA è uno dei più importanti Parchi Scientifici Tecnologici italiani, modello di riconversione ambientale riconosciuto dalle certificazioni internazionali per la qualità della gestione rispetto all’ambiente. È l’esempio di riqualificazione di Porto Marghera, area industriale di oltre 2000 ettari tra le più grandi d’Europa. L’azienda si è aggiudicata la concessione per la progettazione, costruzione e gestione di sistemi di generazione fotovoltaica di energia elettrica, per l’adozione di misure migliorative riguardanti l’efficienza energetica del parco stesso, per la concessione del servizio integrato di approvvigionamento e gestione dei 4 vettori energetici principali quali l’energia elettrica, energia termica, energia frigorifera, gas naturale e in più l’acqua potabile.


• Il progetto, in sintesi, comprende un impianto fotovoltaico di almeno 350 kWp, alcune proposte migliorative per l’efficienza energetica del complesso degli edifici ed una proposta tariffaria e gestionale per la vendita dei vettori sopra elencati.

• Il sistema sarà quindi composto da:o Un impianto fotovoltaico da 511,83 kWpo Servizio di telelettura di tutti i contatori e creazione di un archivio energeticoo La sostituzione dei corpi illuminanti esterni con altri di maggiore efficienzao L’utilizzo di regolatori di flusso per un uso più contenuto di acqua potabile

• CPL è già in contatto con un’Università italiana che, avendo a disposizione questa piccola città, vuole effettuare sul campo gli studi del caso, cercando un algoritmo per il corretto bilanciamento dei carichi. Questo algoritmo potrebbe, in futuro, essere riportato su realtà più estese, ed essere il punto di partenza per una nuova gestione dell’energia.

Smart GridsDefinizione Smart Grid

• Per SMART GRID si intende una rete elettrica intelligente, in grado di interfacciarsi con tutti gli utenti connessi, siano essi produttori, consumatori o prosumers, allo scopo di distribuire energia in modo efficiente, sostenibile, economicamente vantaggioso e sicuro.

• La SMART GRID utilizzerà prodotti e servizi innovativi assieme a tecnologie intelligenti di monitoraggio, controllo, comunicazione, self-healing allo scopo di:

o facilitare la connessione e l’operatività di generatori elettrici eterogenei di qualunque dimensione e tecnologia

o fornire ai consumatori strumenti per contribuire ad ottimizzare il funzionamento del sistema globale

o dare ai consumatori maggior informazione e potere di sceltao ridurre significativamente l’impatto ambientale dell’intero sistema elettricoo aumentare il grado di affidabilità e sicurezza del sistema elettrico

Smart GridsRete Passiva e Rete Attiva

La rete di distribuzione elettrica attuale è del tipo passivo, in cui il flusso di energia è unidirezionale:

CENTRALE ELETTRICA

TRASFORMATORE

SOTTOCENTRALE DIDISTRIBUZIONE

RESIDENZIALECOMMERCIALE INDUSTRIALE

GENERAZIONE

TRASMISSIONE

DISTRIBUZIONE

La rete di distribuzione elettrica che si vuole ottenere è del tipo attivo, in cui il flusso di energia è bidirezionale:

CENTRALE ELETTRICA

TRASFORMATORE

SOTTOCENTRALE DIDISTRIBUZIONE

RESIDENZIALECOMMERCIALE INDUSTRIALE

ACCUMULATORE

COGENERATOREFOTOVOLTAICO

CONCENTRATORE RESIDENZIALE

RETE DI TRASMISSIONE DATI

Smart GridsArchitettura Smart Grids

• HAN: Home Area NetworkRete Domestica, che interconnette i misuratori delle utilities energetiche, siano essi contatori elettrici, gas, acqua o calore, con i sistemi locali di monitoraggio e controllo, quali gli impianti di micro-generazione e accumulo di energia, le auto elettriche, la sensoristica domestica, i termostati, i termosifoni, le caldaie, gli elettrodomestici e, in generale, tutti gli apparati che contribuiscono a generare, consumare, monitorare e controllare l’energia domestica.

WAN

HAN

NAN

Smart GridsDefinizione Smart Grid

• NAN: Neighborhood Area NetworkRete di Quartiere per interconnettere i misuratori di un quartiere e consente di gestire il bilancio energetico a livello aggregato.

• WAN: Wide Area NetworkLa rete metropolitana trasporta i dati alle utilities e include tutte le piattaforme di gestione sia di tipo energetico sia di tipo ICT.

• IR: Inter GridLa rete Inter-Grid permette la comunicazione fra Smart Grid di paesi diversi al fine di gestire dinamicamente accordi di bilancio energetico.

Smart GridsSmart Metering

• I misuratori compatibili con le Smart Grid, sono di fondamentale importanza per il corretto funzionamento del sistema. Risulta fondamentale quindi, la capacità di rendere disponibili nel minor tempo possibile i dati relativi ai consumi delle varie utenze, sia agli utilizzatori sia ai gestori delle reti energetiche. Questa modalità di rilevamento e gestione dei consumi prende il nome di Smart Metering.

• La delibera 155/08 dell’Authority per l’energia ha reso obbligatori meccanismi di telelettura e telegestione per i contatori del gas, mentre a Marzo 2009 la commissione europea ha dato mandato agli enti di competenza di sviluppare gli standard necessari alla realizzazione di un’architettura aperta di sistemi di Smart Metering interoperabili.

Smart GridsSmart Metering

• La stessa delibera 155/08 ha reso obbligatoria la telelettura per i contatori ad uso domestico a partire dal 2012, fino a coprire l’80% dei contatori istallati entro il 2016, mentre per i contatori di calibro maggiore destinati alle imprese e agli impianti industriali, tale obbligo è scattato già dal 2010. A questo scopo è stato creato un gruppo di lavoro del CIG (Comitato Italiano Gas), di cui fanno parte grosse aziende italiane per la definizione dell’architettura del sistema di telelettura e telegestione. Le frequenze di trasmissione per la comunicazione tra Smart Meter e concentratore solitamente sono 169 MHz, 433MHz, 868MHz e 2,45GHz.

• Le frequenze più basse permettono maggiore copertura radio, però i protocolli a 2,45 GHz stanno iniziando ad essere utilizzati in quanto mettono a disposizione più canali e quindi un maggior numero di percorsi.

• Non dimentichiamo comunque che nel processo di efficienza energetica, le persone, i loro modelli di consumo e le loro abitudini giocano un ruolo determinante. Le tecnologie ICT devono quindi saper indirizzare verso un’evoluzione virtuosa dei consumi e che questa può diventare duratura solo se radicata nello stile di vita dei consumatori.

Smart Grids Settore ICT

• In questo contesto il compito del settore ICT è quello di impegnare tecnologie per la comunicazione fra utilities e utenti finali, per le piattaforme informatiche e gli algoritmi di controllo distribuito necessari ad ottimizzare l’efficienza di tutti i sistemi coinvolti, tra i quali grande e micro generazione, trasporto, distribuzione, vendita, consumo, accumulo.

• Le tecnologie ICT sono utilizzate a livello applicativo per servizi di smart metering, per nuovi schemi tariffari dell’energia, portali domestici per la gestione di consumi e generazione, sistemi di acquisto, accumulo e vendita dell’energia elettrica, sistemi di bilanciamento della domanda e offerta di energia.

• Tra i vantaggi delle fonti rinnovabili troviamo una maggiore efficienza dei sistemi in quanto si avvicinano il punto di produzione e di consumo dell’energia riducendo le perdite che solitamente si hanno lungo la rete di distribuzione.

• Si pone però il problema del controllo, in quanto i sistemi di produzione sono privati in grandi quantità e si hanno diverse tipologie di impianti, dipendenti spesso dalle condizioni atmosferiche, rendendo complesso il controllo centralizzato da parte del gestore di rete.


• L’ utente avrà la possibilità di diventare un prosumer di energia elettrica, cioè un compratore, ma anche un venditore di energia. Sono in fase di progettazione alcuni contatori funzionanti in un contesto dove il costo dell’energia varia dinamicamente e che comunicano con gli elettrodomestici coordinandosi per reagire ed adattare il funzionamento al profilo di consumo attivo in quel momento. Ad esempio si ritarda il ciclo di riscaldamento dell’acqua della lavatrice o della caldaia ad un momento in cui l’energia costa meno.

• Affiancata a questo tipo di tecnologia è utilizzabile anche il self-healing. In momenti di sovraccarico, la rete potrebbe richiedere a dispositivi elettrici meno prioritari di spegnersi, evitando un black-out o uno stacco totale di energia ad un appartamento, ad esempio spegnendo il solo condizionatore o ritardando il ciclo di accensione degli elettrodomestici.


• Le Smart Grids generano quindi meccanismi che portano alla partecipazione attiva gli utenti, l’introduzione di tecnologie ICT dovrà anche saper indirizzare gli utilizzatori verso comportamenti, modelli di consumo e stili di vita ecosostenibili nel lungo periodo. Parlando di Smart Grid non si può trascurare il problema della sicurezza informatica. L’introduzione dell’informatica, del controllo distribuito e della comunicazione bidirezionale fra i dispositivi in rete, rappresenta infatti un punto di vulnerabilità della Smart Grid. Per questo si è resa necessaria una precisa standardizzazione di tutte le parti coinvolte.

• I più importanti enti, tra cui la IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) stanno lavorando ad un progetto di sviluppo di una mappa degli standard necessari alle Smart Grids, e definendo le regole di accesso alle reti e allo spettro radio da allocare per queste applicazioni.

VEGA Applicazione di Smart Metering

• Il progetto prevede lo studio delle tecniche di design e controllo di una smart grid, al fine di ottimizzare il consumo energetico.

• È dedicata particolare attenzione allo studio di tecniche che permettono di modellizzare e controllare, in modo quanto più semplice ed efficace, complessi sistemi energetici costituiti da molti componenti che devono interagire tra loro in modo stretto, impianti piccoli, medi e grandi di produzione dell’energia, infrastrutture di distribuzione, e utilizzatori.

VEGAApplicazione di Smart Metering

• Il sistema avrà la seguente struttura:

SERVER CPLWEB

CARICO 1

CARICO 2

CARICO 3

CENTRALINA DI

CONTROLLO

PCCALCOLO

CONTATOREELETTRICO

PC CLIENT

PC CLIENT

IMPIANTOFOTOVOLTAICO COGENERATORE

• La centralina di controllo effettua le acquisizioni dei consumi degli utenti e dei dati di produzione dell’impianto fotovoltaico. Da notare che l’impianto di generazione locale di energia può essere espanso in altri modi, il simbolo del cogeneratore sta ad indicare che possono essere utilizzate più tecnologie contemporaneamente.

• La centralina di controllo è collegata tramite protocollo Modbus ad un PC di calcolo che effettua, tramite apposito algoritmo, le elaborazioni necessarie al bilanciamento dei carichi. Inizialmente si pensava di collegare pochi carichi per controllare in modo semplice il sistema e per verificare l’effettivo risparmio energetico per poi, successivamente, aumentare il numero di utenze collegate e verificarne i risultati.

VEGAApplicazione di Smart Metering

• Nel corso della sperimentazione il numero dei carichi e la loro complessità sarà sempre maggiore, per arrivare alla completa gestione del VEGA Park. Tutti i dati rilevati sono inviati, con scadenza oraria, al centro di controllo e pubblicati su di un portale Web consultabile da ciascun utente. La consultazione dei propri dati di consumo permetterà all’utente di capire come gestire i carichi d’interesse.

• La Smart Grid che verrà costruita nel tempo permetterà di costruire delle tabelle di utilizzo dei carichi in cui saranno indicate le priorità di funzionamento con la possibilità di staccare i carichi meno prioritari a vantaggio dei carichi a maggiore priorità senza sovraccaricare la rete elettrica oppure utilizzando in ausilio l’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico e dagli altri eventuali generatori di energia.

• Il sistema di telecontrollo proposto permette il monitoraggio e la trasmissione a distanza dei consumi idrici, termici, elettrici e gas, rilevati da contalitri, contatermie/frigorie, contatori elettrici e contatori gas connessi a moduli radio di lettura. Questo modulo trasmette i dati ad un concentratore gsm che a sua volta trasmette i dati al portale WEB dedicato.

• I moduli di acquisizione dati sono alimentati a batteria e rilevano e memorizzano gli impulsi generati dai misuratori. La trasmissione con il concentratore avviene in radiofrequenza tramite protocollo ZigBee ed il concentratore trasmette periodicamente i dati al server centrale tramite GSM/GPRS.

• La distanza massima di comunicazione fra moduli acquisitori e concentratore è dipendente dall’architettura del luogo di istallazione, ma può essere estesa tramite appositi ripetitori di segnale. I dati, dopo essere stati ricevuti dal centro di controllo, vengono pubblicati sul sito web e possono essere consultati tramite un browser web standard, dopo l’accesso tramite proprio username e password.

• Di seguito si descriveranno l’architettura e le apparecchiature del sistema proposto per la telelettura di consumi. Data la configurabilità del sistema, si possono monitorare altri tipi di grandezze, a patto che i misuratori siano dotati di uscita impulsiva.

Apparecchiature Utilizzate - Consumi Sistema Telelettura Contatori

Apparecchiature Utilizzate - Consumi Architettura del Sistema

• Il sistema utilizza un concentratore per gestire i dati acquisiti dai dispositivi radio e li trasmette al Portale web tramite GSM/GPRS.

• I moduli radio sono alimentati da batteria interne, non necessitano quindi di fonti di alimentazione esterna garantendo una estrema facilità di installazione.

• Normalmente, i dati sono spediti dal concentratore al centro di raccolta 1 volta alla settimana, così da prolungare la vita delle batterie di alimentazione.

• Tale periodo è sufficiente per garantire la fatturazione mensile o bimestrale dei consumi. Un discorso a parte va fatto sulla telelettura dei misuratori elettrici. Per questo tipo di contatori non vengono utilizzati i moduli radio ma una centralina dedicata alimentata a 230V, che trasmette le letture tramite FTP al centro di controllo in modo tale da poter gestire più fasce orarie di tariffazione con la possibilità di effettuare le letture anche una volta all’ora.

• Il dispositivo radio legge su quattro canali. I primi due canali monitorizzano i valori di acqua calda e fredda che l’utente ha consumato, mentre gli altri due canali monitorizzano i valori di energia consumata dalla centrale termica per produrre calore (in caso di riscaldamento) e per produrre fresco (in caso di raffrescamento).

Apparecchiature Utilizzate - ConsumiTelelettura Consumi Idrici e Termici

• Come nel caso dei consumi idrici, il dispositivo radio può leggere fino a quattro canali, che sono utilizzati tutti per il monitoraggio del consumo letto da quattro contatori elettrici. È possibile configurare la rete anche in modo diverso, ed esempio è possibile la configurazione mista con il monitoraggio di consumi idrici ed elettrici. Come anticipato precedentemente, è possibile utilizzare una centralina dedicata per il monitoraggio dei consumi energetici nel caso in cui si abbia la necessità di tariffazione con diverse fasce orarie.

Apparecchiature Utilizzate - Consumi Telelettura Consumi Elettrici

• Utilizzando una barriera di protezione passiva (o attiva in caso di presenza di alimentazione elettrica) è possibile utilizzare i dispositivi radio per il monitoraggio del consumo letto da quattro contatori gas. La lettura può essere eseguita sia da contatori che da correttori. È possibile configurare la rete anche in modo diverso, ed esempio è possibile la configurazione mista con il monitoraggio di consumi idrici, elettrici, termici e gas.

Apparecchiature Utilizzate - Consumi Telelettura Consumi Gas

• Il portale rende possibile la consultazione sia da parte del gestore sia da parte di ogni singolo utente (il singolo utente può visualizzare solamente i propri consumi e non quelli di altri).

• Un esempio di lettura è riportata di seguito:

Apparecchiature Utilizzate - Consumi Portale Web Telelettura Contatori

• Per le utenze sono disponibili i dati dell’ultima lettura dell’impianto e i dati storici.Attraverso l’applicativo è possibile programmare i periodi di interrogazione del sistema, i dati delle utenze, inviati dal concentratore in campo, vengono sottoposti ad una verifica da parte del sistema centrale, il quale in caso di dato assente o errato (valore del totalizzatore inferiore alla lettura precedente), si occupa di stimare (attraverso specifici algoritmi) i valori errati o mancanti. I qualificatori DV e DS indicano se il dato è un dato valido DV o un dato stimato DS. In oltre è possibile consultare le letture presenti nel sistema sia attraverso filtri di data sia per tipologia di utenza ed esportare i dati dall’archivio storico del sistema.

• Il sistema gestisce anche una serie di allarmi che permettono di avere il corretto funzionamento.

• Gli allarmi principali che vengono segnalati sono:o Tentativo di frodeo Flusso inversoo Mancanza alimentazioneo Batteria scarica

• Le segnalazioni vengono gestite dal centro di controllo ed è possibile avvertire eventuali operatori reperibili tramite:

o SMSo e-mailo gli allarmi sono memorizzati all’interno del database, quindi consultabili quando

necessario.

Apparecchiature Utilizzate - Consumi Portale Web Telelettura Contatori

• Il sistema si compone di due elementi distinti, apparato di telecontrollo e servizio di ricezione/pubblicazione dati.

• Lo schema generale del sistema è il seguente:

Apparecchiature Utilizzate – FotovoltaicoArchitettura del Sistema

ALLARME SMS

ReperibileGsm

ReperibileGsm

RS485

RS485 ETHERNET

CENTROCPL

ESUN Service HTTP

PCCLIENTE

PCCLIENTE

PCCLIENTE

HTTP

HTTPFTP-XMLGPRS-TCPIP

ALLARME SMS

ALLARME MAIL

ALLARME MAIL

Inverter

Contatore GSE

TotalizzatoreInterno o esterno

Correnti di stringa

Irraggiamento

Temperatura

Anemometro

Temperatura locali

Pluviometro

RS485Wireless (GPRS)Wired

Digitale

Centralina antifurto

Analogico

• La centralina acquisisce i dati dagli inverter, sensori meteo e contatori GSE. Il sistema è predisposto per acquisire dati ambientali quali:

o temperatura ambienteo temperatura moduli fotovoltaicio temperatura locali invertero irraggiamento piano orizzontaleo irraggiamento piano modulio quantità di precipitazionio velocità del ventoo direzione del vento

• Per la raccolta dati viene installato un datalogger evoluto dotato di connessioni multiple: seriali, analogiche e digitali. Il datalogger memorizza i dati e li invia periodicamente al centro di controllo. La comunicazione avviene tramite connessione ethernet, se disponibile, oppure tramite connessione wireless GPRS. È previsto inoltre l’invio di sms di allarme, direttamente dalla periferica, nel caso di anomalia dell’impianto. Il servizio sarà disponibile al cliente attraverso un portale web. Il Cliente potrà accedere ai dati dei propri impianti dopo la procedura di identificazione (Login) che consiste nell’inserimento di username (o UserID) e password nella pagina di accesso ai servizi. Dal portale i dati possono poi essere visualizzati sia in forma grafica che tabellare, oppure essere esportati per una successiva analisi.

Apparecchiature Utilizzate – FotovoltaicoArchitettura del Sistema

• Effettuando l’accesso al portale è possibile consultare i dati acquisiti dalla centralina. in particolare è possibile visualizzare:

o Sinottico, in cui visualizzare, in forma grafica, lo stato istantaneo dell’impianto o Dati tecnici, suddiviso a sua volta in Giornaliero, Istantanei e Diagnosticao Dati meteo, suddiviso in Orario, Giornalieri, Mensili, Annualio Produzione, suddiviso in Oraria, Giornaliera, Mensile, Annuale

Apparecchiature Utilizzate – FotovoltaicoPortale Web Telecontrollo Impianto Fotovoltaico

• Alcune visualizzazioni del portale sono:

Sinottico Fotovoltaico Potenze massime degli inverter

Apparecchiature Utilizzate – FotovoltaicoPortale Web Telecontrollo Impianto Fotovoltaico

Potenze istantanee degli inverter Produzione oraria

• Le centraline di acquisizione dati dei consumi elettrici e di produzione dell’impianto fotovoltaico sono collegate ad un PC di calcolo su cui è installato il software di bilanciamento dei carichi.

• Il software, in base alla richiesta di energia da parte degli utenti ed alla priorità di ciascun carico, decide la procedura di bilanciamento.

• Ad esempio, se in un certo momento della giornata, l’energia richiesta dalle utenze è superiore a quella prodotta dall’impianto fotovoltaico, il sistema provvede a staccare un carico definito meno prioritario (esempio un condizionatore) a favore di un carico definito più prioritario (esempio un forno elettrico per lavorazioni speciali) in modo tale che la rete non vada in black-out o per non richiedere energia direttamente alla rete del gestore.

Apparecchiature UtilizzatePostazione di Calcolo

Progetti Futuri

• Per sfruttare al meglio un sistema di questo tipo, in futuro si potrebbero:o sviluppare algoritmi più performantio controllare un numero maggiore di carichio utilizzare tecnologie più avanzate per la produzione dell’energia e per la gestione o delle risorse

Conclusioni

Conclusioni

• Il progetto in via di realizzazione ci permetterà di sviluppare pratica nella gestione di una piccola Smart Grid con la possibilità di utilizzare l’esperienza per progetti sempre più complessi passando magari dalla gestione di un complesso tecnologico alla gestione di un piccolo paese ad una città e via via a superfici sempre più estese.

• L’introduzione di portali web consultabili direttamente dall’utente finale infine, permette di sensibilizzare i cittadini alla corretta gestione dell’energia.