Energy Manager System

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1 Ciclo di seminari interdisciplinari A.A Energy Manager System smart solution per smart grid Angelo Liguori Stefano Capretti Christian Lenci EMS: smart solution for smart grid 1

2 Argomento del seminario Energy Manager System Smart Grid, efficienza energetica, FER Progetto di Ricerca Applicata Interdisciplinare EMS: smart solution for smart grid 2

3 Interdisciplinarità Elettronica Elettronica di Potenza Energy storage Software Telecomunicazioni Sicurezza Normative internazionali EMS: smart solution for smart grid 3

4 Obiettivi del seminario 1. Fornire i concetti di smart grid e FER, efficienza energetica 2. Condividere alcuni aspetti della ricerca effettuata con analisi dei risultati conseguiti 3. Mostrare un insieme di problematiche specifiche risolte durante il progetto a livello di: Ingegneria di Sistema Software Elettronica EMS: smart solution for smart grid 4

5 Sistema EMS EMS: smart solution for smart grid 5

6 Smart Grid Elementi base di una Smart Grid: 1. un sistema informatico che monitorizza la rete da remoto attraverso sensori e apparecchiature elettroniche intelligenti collocati presso le utenze, allo scopo di analizzare consumi e trend; 2. la trasmissione di dati in tempo reale, attraverso reti di comunicazione; 3. un sistema decisionale in real-time che include modelli, simulazioni, visualizzazioni e capacità analitiche, capace di intervenire sulla rete tramite attuatori e di operare in remoto, interagendo con i carichi attivi e i parametri di esercizio. EMS: smart solution for smart grid 6

7 Smart Grid Con il concetto di smart grid si aggiunge capacità di analisi, monitoraggio, controllo e comunicazione al sistema di distribuzione (e trasmissione) elettrico, affinché possa ottimizzare l efficienza del sistema e contribuire al risparmio energetico EMS: smart solution for smart grid 7

8 Fonti energetiche Rinnovabili (FER) EMS: smart solution for smart grid 8

9 Efficienza Energetica UNI CEI EN ISO 50001:2011, "Sistemi di gestione dell'energia - Requisiti e linee guida per l'uso definisce l efficienza energetica come: "rapporto o altra relazione quantitativa tra i risultati in termini di prestazioni, servizi, beni o energia, e l immissione di energia". Fattore di picco: soft-starter Fattore di potenza (cos φ): condensatori di rifasamento, motori in continua Energia: audit energetico EMS: smart solution for smart grid 9

10 Ambito operativo Paesi in via di sviluppo: Difficile approvvigionamento energetico Rete di distribuzione non capillare e di bassa qualità Energia subisce forti oscillazioni V I Rolling blackout (loadshedding) Fattori climatici EMS: smart solution for smart grid 10

11 Fotovoltaico Limiti di utilizzo: Costo Funzionalità limitata alle ore diurne Dimensionamento (inverno-estate) Inverter grid-connected Mercato inverter stand-alone povero EMS: smart solution for smart grid 11

12 UPS EMS: smart solution for smart grid 12

13 Batterie I sistemi di accumulo elettrico sono definibili come sistemi che immagazzinano l energia elettrica convertendola in un altra forma di energia. Gli accumulatori elettrochimici (batterie al piombo, litio, ecc) convertono l energia elettrica in energia chimica. Le batterie al piombo acido rappresentano la soluzione più adottata per l accumulo elettrochimico sia nelle applicazioni industriali sia nelle generazione distribuita. VLA (vented o flooded) VRLA (valve regulated o sealed) EMS: smart solution for smart grid 13

14 Batterie Capacità di una batteria: quantità di energia immagazzinabile nella batteria. Si esprime solitamente in Wh o Ah. Stato di carica (SoC State of Charge): percentuale di carica della batteria (0 100%) Profondità di scarica (DoD Depth of Discharge): metodo alternativo per definire lo stato di carica di una batteria. E complementare al SoC. Vita della batteria: numero di cicli di carica-scarica che può essere sostenuto dalla batteria nella sua durata operativa. La batteria si considera esaurita quando non è più in grado di sostenere una carica superiore all 80% della sua capacità. Indice C: intensità di corrente media che la batteria eroga se scaricata in un ora. C/5 indica l intensità di corrente nel caso di scarica in 5 ore. EMS: smart solution for smart grid 14

15 Batterie Si definisce capacità nominale di un accumulatore al piombo la capacità corrispondente ad un particolare regime di scarica sufficientemente rappresentativo del regime di lavoro cui la batteria è destinata. Solitamente ci si riferisce ad un processo di scarica della durata di 10 ore che avviene alla temperatura di 25 C (il parametro è rappresentato dal simbolo C10 ). Parametri: 1. Temperatura 2. Corrente erogata 3. Profondità di scarica 4. Numero di cicli di carica -scarica 5. Densità elettrolita 6. Stato di invecchiamento EMS: smart solution for smart grid 15

16 Capacità La resa in capacità di una batteria di accumulatori non è costante, ma dipende dal regime di scarica, ossia dall intensità di corrente di scarica. Fonte: FIAMM EMS: smart solution for smart grid 16

17 Capacità - Temperatura La scarica di una batteria è una reazione elettrochimica fra gli elettrodi (le piastre) e l acido solforico diluito. A correnti di scarica relativamente alte, o a basse temperature, quando la viscosità dell acido sale e, di conseguenza, la sua diffusione nelle piastre non riesce più a seguire la scarica, la capacità diminuisce. Fonte: FIAMM EMS: smart solution for smart grid 17

18 Vita batteria - Temperatura Fonte: FIAMM EMS: smart solution for smart grid 18

19 Profondità di scarica Il numero di cicli ottenibile da una batteria dipende dalla profondità di scarica (DoD); maggiore è la profondità di scarica e minore è il numero di cicli e quindi la durata di vita delle batterie. Fonte: FIAMM EMS: smart solution for smart grid 19

20 Vita batteria cicli carica/scarica Inizialmente la capacità tende ad aumentare grazie alla completa formazione delle piastre. Il numero di cicli diminuisce se la profondità di scarica aumenta. Fonte: FIAMM La densità dell elettrolita varia con stato di carica di una batteria, quanto più la batteria è scarica tanto meno denso è l elettrolita. EMS: smart solution for smart grid 20

21 EMS audit energetico integrazione delle due tecnologie batterie stazionarie VRLA con piastre tubolari dimensionamento pacco batterie per limitare la profondità di scarica progettazione di algoritmi di carica efficienti sfruttamento contemporaneo di più sorgenti di energia fotovoltaico dimensionato per fornire adeguata ricarica delle batterie zero ore di loadshedding azzeramento utilizzo del genset (ridimensionamento) ROI in 11 mesi (BTS nuova costruzione) EMS: smart solution for smart grid 21

22 Energy Manager System Progetto di Ricerca Tecnologica Hardware EMS: smart solution for smart grid 22

23 Hardware: caratteristiche generali DIGITALE PROGETTO MISTO ANALOGICO POTENZA NECESSARIE STRATEGIE PER IMMUNITÀ AI DISTURBI EMS: smart solution for smart grid 23

24 Input/Output MISURA NUMEROSE CONNESSIONI COMANDO RICEZIONE/ INVIO DATI SEMPLICITÀ INSTALLAZIONE ISOLAMENTO PROTEZIONE DISTURBI EMS: smart solution for smart grid 24

25 Monitoraggio alta tensione NECESSITÀ ISOLAMENTO GALVANICO TRASFORMATORE TRADIZ. Ingombro Costo OPTOISOLATORE Complessità circuitale Non-linearità OPTOISOLATORE CON DOPPIO FOTODIODO EMS: smart solution for smart grid 25

26 Controllo del sistema SCHEDA DI COMANDO / INTERFACCIA DISPLAY / LED ALLARME PULSANTI CONNESSIONE USB GRANDE NUMERO DI LINEE DI CONNESSIONE INCAPSULAMENTO IN PROTOCOLLO SERIALE TIPO RS-232 EMS: smart solution for smart grid 26

27 Test del sistema - 1 COMPLESSITÀ DEL SISTEMA Rete elettrica, pannelli fotovoltaici, batterie, etc. Impossibile testing esaustivo con componenti reali NECESSARIO HARDWARE APPOSITO PER CREARE GLI STIMOLI DA INVIARE ALLA SCHEDA EMS: smart solution for smart grid 27

28 Test del sistema - 2 PC SCHEDA INTERFACCIA EMS Parametri impostati tramite interfaccia grafica su pc Trasformazione in segnali elettrici da applicare al sistema EMS: smart solution for smart grid 28

29 Scelta dei componenti Fattori ambientali - temperatura ambiente Fattori culturali - provenienza materiali EMS: smart solution for smart grid 29

30 ENERGY MANAGER SYSTEM FIRMWARE Casi pratici e problematiche Roma, 5 giugno 2013 EMS: smart solution for smart grid 30 Energy Manager System 30

31 ENERGY MANAGER SYSTEM FIRMWARE Una breve overview funzionale Il Microcontrollore e l IDE Organizzazione del codice: retaggi di UML Problemi di memoria Problematiche tecniche Flessibilità logica EMS: smart solution for smart grid 31 Energy Manager System 31

32 EMS: una breve overview funzionale Lettura di valori in input Output Analisi dei dati Requisiti prestazionali Telemetria e Controllo Log EMS: smart solution for smart grid 32 Energy Manager System 32

33 EMS: Il microcontrollore Infineon XC878CM-16FF Famiglia linee di interrupt con 4 priorità 8 canali di acquisizione analogico/digitale a 10-bit 2 UARTs 4 Timers/Counters Watchdog Timer On-chip Debug Support (OCDS via JTAG) EMS: smart solution for smart grid 33 Energy Manager System 33

34 VANTAGGI Stabilità del modulo già collaudato Flessibilità dei registri a 8 bit Possibilità di lavorare in C e in Assembler EMS: smart solution for smart grid 34 Energy Manager System 34

35 IDE: MicroVision (KEIL) C (personalizzato) e Assembler Debug locale e Debug su device Monitoring delle memorie Diverse ottimizzazioni di compilazione Caricamento su device Soltanto 4 breakpoint EMS: smart solution for smart grid 35 Energy Manager System 35

36 Organizzazione del codice: retaggi di UML Organizzazione a CLASSI anche in un ambiente che non prevede programmazione ad oggetti: MAIN LOGIC LAYER DEVICE MNGR DRIVER EMS: smart solution for smart grid 36 Energy Manager System 36

37 Uso parsimonioso della memoria 256 byte on-chip RAM 3072 byte on-chip XRAM 8KB Boot ROM 60 Kbyte on-chip Program Flash 4 Kbyte on-chip Data Flash MALLOC SOLO CORE BUSINESS TENIAMOCI LARGHI UNION e BITFIELD EMS: smart solution for smart grid 37 Energy Manager System 37

38 PROBLEMATICHE TECNICHE Scrivere codice brutto Usare parole chiave non ANSI Impossibilità di calcoli astronomici PROBLEMI CAMUFFATI: Caduta di tensione graduale EMS: smart solution for smart grid 38 Energy Manager System 38

39 PROBLEMATICHE LOGICHE Tabelle di KARNAUGH Prendere decisioni in base a dati di input nel minor tempo possibile, con massima flessibilità e con minor spazio possibile. Byte di stato EMS: smart solution for smart grid 39 Energy Manager System 39

40 FINE EMS: smart solution for smart grid 40 Energy Manager System 40