La direzione del flusso di corrente, o anche di energia, deve essere sempre più presa in considerazione dai gestori delle reti elettriche. In particolare, nelle reti di distribuzione di media e bassa tensione, in passato si poteva supporre che l’elettricità fluisse dalle grandi centrali fino alla presa. Di conseguenza, solo i grandi produttori immettevano energia mentre le utenze la consumavano.
Tuttavia, a causa dell’espansione degli impianti di energia rinnovabile e in seguito all’emergere di nuove utenze, come le pompe di calore o le stazioni di ricarica per le auto elettriche che aumentano i picchi di carico, si genera un cambiamento della direzione del flusso di energia dalle cabine secondarie e dagli armadi di distribuzione dei cavi. È qui che l’elettricità generata dagli impianti di generazione decentralizzati viene immessa nella rete a bassa tensione, causando fluttuazioni della tensione nei singoli collegamenti a bassa tensione. In questo modo possono essere superati i limiti di sistema consentiti quali il range di tensione o la corrente termica limite che il gestore della rete elettrica è obbligato a rispettare.
Una ulteriore sfida è rappresentata dalla mancanza di trasparenza riguardo i flussi di carico nell’intera rete a bassa tensione. I singoli flussi di carico possono influenzarsi vicendevolmente, senza però giocare alcun ruolo nel sistema di controllo della rete. Di regola, la media tensione è misurata solo sulla linea di alimentazione. Un esempio dovrebbe chiarire la situazione: numerosi alimentatori decentralizzati si collegano all’uscita con fusibile 1 nella rete a bassa tensione, con l’energia già fornita alle utenze all’uscita del cavo 2. Un tale flusso di carico attraverso la struttura a bassa tensione in un distributore di cavi o in una cabina secondaria non può essere mappato in modo trasparente dal gestore della rete nelle reti estese a bassa tensione prive di tecnologia di misurazione.
Il problema, da un lato, è che l’elettricità viene immessa da reti subordinate in reti di livello superiore e tale approccio ha un impatto negativo sulla tensione nel punto di connessione alla rete. Dall’altro lato, la mancanza di tecnologia di misurazione fa sì che non sia possibile determinare i flussi di carico ai nodi della rete nelle reti elettriche a bassa tensione.
Peter Wiacker, responsabile dell’Asset Management di Energienetze Mittelrhein GmbH & Co. KG, si trova di fronte a un’altra difficoltà: “Nell’asset management, vorremmo guardare al futuro per quanto riguarda l’espansione della rete. A questo scopo, abbiamo assolutamente bisogno di valori di misura dalle aree della rete non ancora digitalizzate. Questo è l’unico modo per valutare l’impatto, per esempio, della considerevole espansione dei sistemi fotovoltaici sulle abitazioni unifamiliari e dell’influenza sulla rete elettrica del crescente numero di punti di ricarica pubblici e privati e delle utenze intelligenti”.
Gli impianti fotovoltaici danno un contributo significativo alla fornitura di energia elettrica in Germania
In qualità di società di rete di Energieversorgung Mittelrhein AG di Coblenza, Energienetze Mittelrhein assicura il funzionamento sicuro e affidabile della rete elettrica in 227 comuni nonché della rete del gas naturale in 255 comuni della Renania-Palatinato.
Una frazione in cui si stanno installando sempre più impianti fotovoltaici appartiene al comune di Kadenbach nel circondario di Westerwald, circa 17 chilometri a nord-est di Coblenza.
Ci sono un totale di 27 impianti fotovoltaici sui tetti, nell’area di rete di una cabina secondaria, che, in giornate particolarmente soleggiate, immettono nella rete a media tensione di livello superiore 190 kilowatt/picco di elettricità in più di quanto possano consumare le 188 unità residenziali. Occorreva quindi trovare una soluzione intelligente. I collaboratori di ENM sono giunti rapidamente alla conclusione che la sola l’installazione di una cabina secondaria regolabile non sarebbe stata sufficiente.
Piuttosto, la regolazione dei livelli di tensione dovrebbe essere automatizzata sulla base delle tensioni nei punti di connessione alla rete o nei punti peggiori. Inoltre, equipaggiare l’intera rete a bassa tensione con la tecnologia di misurazione risulta tuttora antieconomico. Pertanto, il team ENM ha cercato un sistema di controllo ad ampio raggio ed un gemello digitale della struttura di Kadenbach. L’obiettivo è quello di ottenere un’immagine digitale e quindi calcolabile della rete a bassa tensione, specifica per ogni nodo, senza dover installare una tecnologia di misurazione in modo capillare su tutta la rete. Un algoritmo di calcolo integrerà la tecnologia di misurazione mancante con i dati.
Nella cabina secondaria sono installati il trasformatore regolabile nonché l’unità centrale SmartRTU del sistema PSIngo
Con Energy Control Interface (ECI) di Phoenix Contact, i requisiti di Energienetze Mittelrhein sono stati implementati in un progetto di smart grid con altri produttori.
Phoenix Contact si propone come forza trainante che, insieme ad altri attori, sviluppa e promuove soluzioni innovative per le sfide attuali. Un buon esempio è costituito dalla cabina secondaria regolabile con sistema di controllo ad ampio raggio di Energienetze Mittelrhein. L’impegno della popolazione nei confronti di sistemi fotovoltaici e di elettromobilità non deve essere accompagnato da un deterioramento della qualità della tensione e da un peggioramento dell’accettazione di nuove forme di energia e di mobilità.
All’interno della cabina secondaria lo spazio è limitato
ECI è un sistema di elaborazione dei valori misurati che si basa sulla piattaforma SmartRTU e può essere installato in maniera poco ingombrante nella rete a bassa tensione o nel distributore di cavi. La soluzione, corrispondente alle dimensioni di un comune sezionatore con fusibile, è montata sulla barra collettrice.
SmartRTU funge da piccolo sistema di controllo remoto per connettersi alla piattaforma di smart grid basata su cloud “Intelligent Grid Operator” (PSIngo)
ECI raccoglie i valori dai sensori di misurazione dei sezionatori intelligenti PLPlano del produttore Jean Müller GmbH, li elabora e li inoltra alla cabina secondaria tramite il protocollo di telecontrollo IEC 60870-5-104. Per la trasmissione del protocollo di comunicazione sono utilizzati i moduli Powerline di Eichhoff. Anche l’alimentazione e i fusibili sono alloggiati nell’ECI. La soluzione hardware per la digitalizzazione delle uscite a bassa tensione può quindi essere installata tramite plug-and-play. Se lo SmartRTU non può essere parametrizzato in loco, è possibile farlo anche tramite uno strumento offline o a distanza, tramite accesso remoto HTTPS.
Christoph Baumeister della SPIE perfeziona l’elaborazione dei dati dei valori misurati
I sensori di misura sono installati in due armadi di distribuzione dei cavi nei sezionatori con fusibile PLPlano e sono collegati all’ECI tramite il protocollo Modbus RTU, utilizzando una linea USB. Per ogni linea di bassa tensione, vengono misurati in tre fasi i seguenti valori: corrente, tensione (L-L, L-N), fattore di potenza e fattore di potenza attiva, potenza reattiva e apparente, energia reattiva e attiva.
Tutti i valori misurati sono trasmessi alla piattaforma smart grid PSIngo (Intelligent Grid Operator) del produttore di software PSI Gridconnect GmbH. Il calcolo viene eseguito localmente sul posto, in modo che il controllo ad ampio raggio possa funzionare autonomamente. Allo stesso tempo, i valori misurati vengono trasferiti al cloud, dove vengono anche analizzati e successivamente memorizzati per aumentare la trasparenza della rete. Se i nodi della rete non possono essere misurati direttamente, essi vengono calcolati da PSIngo. In questo modo, gli stati della rete di Kadenbach sono visibili in modo trasparente per il sistema di gestione della rete. Il valore di controllo per la regolazione della posizione di funzionamento del trasformatore locale regolabile è determinato da PSIngo dopo la valutazione di tutte le tensioni, correnti e potenze nella rete e dopo la loro implementazione nella SmartRTU. Al superamento di un valore limite, il sistema invia notifiche ai dipendenti ENM responsabili, che possono intervenire manualmente in caso di necessità. Normalmente, la regolazione dei livelli di tensione funziona in modo completamente automatico.
“La SmartRTU ci offre la possibilità di implementare sia la classica tecnologia di telecontrollo, sia l’algoritmo di controllo della cabina secondaria della rete locale regolabile. Questo assicura una digitalizzazione innovativa della rete elettrica e un’elevata disponibilità dei componenti di automazione. – spiega Christoph Baumeister, project manager di SPIE, il principale fornitore di servizi multi-tecnologici per edifici, impianti ed infrastrutture – Per noi, in qualità di integratori di sistemi smart grid, è sempre entusiasmante riunire gli ultimi sviluppi di diversi produttori nelle varie strutture di rete, per creare un sistema globale”.
Il team del progetto davanti a un distributore via cavo, ora digitale. In basso da destra: Fabian Palm (Asset Manager enm) e Christoph Baumeister (Project Manager SPIE); in alto da destra, Michael Löh (Responsabile Elettronica Jean Müller), Timo Beuth (reparto vendite tecnologia di protezione e di controllo Phoenix Contact), Julian Kemper (Project Manager, PSI GridConnect) e Stefan Kämpfer (reparto vendite tecnologia di protezione e di controllo Phoenix Contact)
“Le soluzioni intelligenti, come la cabina secondaria regolabile con sistema di controllo ad ampio raggio installata a Kadenbach, permettono di padroneggiare le sfide della transizione energetica in corso. – spiega Andreas Hoffknecht, amministratore delegato di Energienetze Mittelrhein – Il bilanciamento completamente automatico delle fluttuazioni di tensione garantirà anche in futuro la fornitura affidabile di energia alla popolazione”.
A ciò contribuisce anche il fatto che la nuova tecnologia consente di correggere gli errori più rapidamente in caso di guasto. La stretta cooperazione tra i partner nell’ambito delle nuove tecnologie ha portato alla realizzazione di progetti efficaci.
Dopo tutto, oltre a ECI, anche PSIngo è un nuovo prodotto sul mercato delle smart grid. La soluzione di Kadenbach illustra come un concetto di software intelligente non possa essere realizzato in modo mirato senza un’adeguata tecnologia di misurazione e trasmissione e senza l’esecuzione professionale del progetto e dell’installazione. Nell’ulteriore attuazione di tali approcci, si mettono in evidenza i costi secondari di tali sistemi. Oltre alla semplice installazione in loco della tecnologia di misurazione, è importante anche la gestione centrale e automatizzata delle patch e dei dispositivi, con gestione delle password per l’amministrazione dei sistemi digitali. PSI GridConnect e Phoenix Contact stanno lavorando ad una soluzione multi-produttore per soddisfare i requisiti della All Electric Society.
