Implementazione di una Infrastruttura completa per il Monitoraggio della Power Quality

Abstract

L’estrema difficoltà che si ha ad immagazzinare grandi quantità di energia elettrica ha reso necessario lo sviluppo di un’efficace rete di distribuzione in grado di permetterne l’utilizzo, da parte di un utente, praticamente nell’istante stesso in cui questa viene prodotta ed anche se questo utente si trova a centinaia di chilometri di distanza dalla centrale elettrica di produzione. Ecco quindi che con la nascita del sistema elettrico ha avuto origine anche lo studio dei problemi legati alla distribuzione dell'energia elettrica, infatti, affinché l'energia sia usufruibile non è sufficiente generarla e trasportarla all'utilizzatore, ma bisogna garantire che arrivi a quest’ultimo con una ben determinata "forma", ovvero con ben determinate caratteristiche. L’energia elettrica che viene distribuita in Italia ed in Europa, idealmente, presenta le caratteristiche principali di avere una forma d’onda sinusoidale con frequenza di 50 Hz ed una tensione efficace di 230 V. Andando però, ad analizzare le forme d’onda che arrivano ad un utilizzatore si trova, spesso, qualcosa di differente e che cambia nel tempo e da punto a punto di osservazione. Questo discostamento dell’energia elettrica dalla sua idealità può avere diverse cause, ognuna che incide diversamente a seconda del caso:  la complessità ed irregolarità della rete di distribuzione, costituita da svariati chilometri di conduttori e da numerosi trasformatori che si incontrano lungo il percorso;  la grandissima varietà di carichi elettrici connessi alla rete, ognuno con le proprie caratteristiche di assorbimento ed i propri intervalli di funzionamento;  la disomogeneità nella distribuzione sul territorio di questi carichi;  la crescente presenza di Generazione Distribuita, che presenta spesso i suoi convertitori elettronici per adattare la forma dell’energia elettrica generata a quella dell’energia distribuita sulla rete a cui è connessa. Capitolo 1 - Introduzione 2 Perciò questo “discostamento dall’idealità” non dipende solo da come viene generata l’energia elettrica e dal suo sistema di trasporto, ma dipende anche dagli utenti che utilizzano l’energia stessa e che sono in grado con i loro carichi, spesso inconsapevolmente, di modificarne le caratteristiche sia per loro che per gli altri utenti della rete. Quindi la “qualità della fornitura di energia elettrica” che arriva all’utente finale, intesa, per ora, come il discostamento dalle forme d’onda ideali, può essere ben più scarsa di quella dichiarata dal distributore a causa di tutto ciò che ruota attorno alla rete di distribuzione, utenti inclusi. Oggigiorno gli utilizzatori dell’energia elettrica sono sempre più sensibili a questo argomento, in quanto una “bassa qualità” dell’alimentazione è in grado di compromettere il corretto funzionamento delle apparecchiature ad essa collegate e quindi, ad esempio in ambito industriale, può condizionare fortemente il normale processo produttivo e causare intollerabili disservizi. Questo si traduce, molto spesso, in perdite economiche anche di notevole entità. In questo contesto, in cui si inserisce il settore della Power Quality, il monitoraggio della qualità dell’energia acquista un ruolo fondamentale per ottenere informazioni sullo stato di una sottorete elettrica, utili non solo per individuare e quantificare i disturbi ma anche per cercare di determinare delle responsabilità. Inoltre, in alcune situazioni, avendo un’ottima conoscenza della rete, potrebbe anche essere possibile prevederne il comportamento ed agire in tempo per prevenire delle anomalie o il peggioramento della situazione. Perciò l’obiettivo di questo lavoro è stato quello di sviluppare un’infrastruttura completa per il monitoraggio della Power Quality, da poter distribuire geograficamente su larga scala, in modo da aumentare notevolmente la conoscenza dello stato della rete elettrica. Quindi, realizzare una struttura con dei punti di monitoraggio che abbiano bassi costi, che siano compatti, affidabili e capaci di fornire dei dati riferibili temporalmente, in modo da poter essere confrontati rispetto ai vari siti. Inoltre, questa struttura deve essere in grado di visualizzare agevolmente tutti i dati di Power Quality acquisiti e di gestire facilmente numerosi punti di osservazione che potrebbero essere dislocati ovunque sul territorio. Si parla di infrastruttura “Completa” perché è stata sviluppata sia la parte hardware, per acquisire i segnali fisici dalla rete, sia il software per elaborarli e visualizzarli, sia, Capitolo 1 - Introduzione 3 soprattutto, un meccanismo per la gestione ed il controllo, completamente da remoto, dei vari siti, cosa non affatto banale e spesso non presente nei sistemi di monitoraggio. Questo lavoro è stato suddiviso in 3 sezioni principali. Nella prima verrà data una breve descrizione della Power Quality, menzionando quali possono essere gli effetti di una cattiva alimentazione, classificando i maggiori disturbi e fornendo alcune informazioni sulle principali normative in vigore nel settore della PQ e della sua strumentazione. Inoltre, si parlerà dei sistemi di monitoraggio e verrà mostrato il vecchio sistema realizzato ed utilizzato dal laboratorio di Misure Elettriche ed Elettroniche. Nella seconda parte verranno dapprima elencati gli obiettivi da raggiungere e poi verrà descritta, in dettaglio, la “nuova” infrastruttura realizzata. Questa descrizione è stata articolata esponendo separatamente i componenti dei 3 aspetti principali dell’infrastruttura. Prima verrà descritta la parte hardware, il cui elemento principale è il BeagleBone Black che ha permesso di ridurre notevolmente costi e dimensioni, aumentando l’affidabilità, poi il software ed in ultimo la parte dedicata al sistema di gestione e controllo, entrambi basati sul web. Infine, nell’ultima parte, sono state tratte delle conclusioni, mostrando gli obiettivi raggiunti e riassumendo le caratteristiche principali della nuova strumentazione. Inoltre, in Appendice, è stato inserito il codice (commentato) di alcuni programmi e script sviluppati e descritti nel testo.