L’importanza del Dsp per le smart grid

DIGITAL SIGNAL PROCESSOR –

Con il passaggio delle applicazioni delle reti intelligenti alla successiva fase di sviluppo, che include soluzioni avanzate di analisi della potenza, la comunicazione su onde convogliate e la comunicazione wireless, i Dsp stanno assumendo sempre maggiore importanza.

Lo sviluppo di “smart grid” sempre più complesse, che comprendono soluzioni analitiche di monitoraggio della potenza, la comunicazione wireless o la comunicazione su onde convogliate, comporta nuove sfide per i progettisti, tra cui la determinazione del giusto mix di elementi di elaborazione e componenti discreti per l'ottimizzazione delle prestazioni dei sistemi. Per rendere possibili le attuali innovazioni nelle reti intelligenti, i progettisti devono spesso integrare svariati elementi di elaborazione in un unico dispositivo. Ci sono diversi vantaggi legati all'integrazione di un processore di segnali digitali in virgola mobile con un processore generico, al fine di ottimizzare l'utilizzo e le capacità di elaborazione di ciascun core. Il Dsp può gestire in tempo reale svariati protocolli di comunicazione wireless e Plc (Power line communication), oltre ad algoritmi di misura della potenza avanzati come gli integratori digitali di Rogowski, soluzioni analitiche nel dominio del tempo o della frequenza e e la metrologia, mentre il Gpp, come un core Arm, può eseguire un sistema operativo di alto livello e gestire il sistema nel suo complesso. I sistemi di reti intelligenti sono composti da diverse applicazioni, che spaziano da contatori intelligenti per la casa a sottostazioni intelligenti. Tali applicazioni richiedono i Dsp per eseguire l'analisi dei segnali in tempo reale relative alle forme d'onda di potenza su qualsiasi punto della rete, per poi trasmettere tali informazioni alla sottostazione. Le informazioni includono qualità del segnale, condizioni di guasto, perdite di trasmissione e consumo energetico.

Architettura di sistema delle reti intelligenti
Un'architettura tipica di rete intelligente basata su Dsp dove i blocchi principali in questo sistema sono rappresentati da un front end analogico trifase, un Dsp per l'analisi della potenza e un Dsp per la comunicazione su onde convogliate. Le funzioni Dsp eseguite in tempo reale includono:
- analisi di precisione della potenza: elabora accuratamente i segnali di potenza in tempo reale in una condizione del segnale molto bassa, utilizzando un Dsp in virgola mobile a doppia precisione;
- analisi nel dominio della frequenza: elabora le trasformate di Fourier e l'analisi delle armoniche;
- analisi nel dominio del tempo: elabora l'analisi e la risposta ai transitori;
- metrologia: include misure di tensione Rms, di corrente, di potenza attiva/reattiva/apparente e fattore di potenza;
- integratore digitale di Rogowski: utilizza l'algoritmo chiave per ottenere una misura accurata di corrente dal sensore di Rogowski;
- comunicazione su onde convogliate: supporta gli standard di comunicazione Prime e G3.

Integratore digitale basato su Dsp
L'integratore rappresenta uno dei componenti chiave per una analisi della potenza nelle reti intelligenti, dato che rileva il valore RMS della corrente a 50 Hz o 60 Hz proveniente da un dispositivo dotato di un sensore della corrente, come una bobina di Rogowski. Il vantaggio offerto dall'utilizzo di tale sensore è la possibilità di misurare la corrente senza dover effettuare incisioni sul cavo di alimentazione, come avviene normalmente con i trasformatori di corrente. Lo svantaggio è che l'uscita non e' data direttamente dal valore Rms della corrente ma da una tensione direttamente proporzionale alla derivata della corrente e che deve essere attentamente elaborata per poter ottenere il valore Rms effettivo. Per ottenere questo risultato, è necessario integrare la forma d'onda di uscita di Rogowski, M (dI/dt), in cui la M rappresenta l'induttanza reciproca della bobina e I la corrente. L'integratore può essere implementato con circuiti analogici o Dsp. Un integratore digitale basato su Dsp fornisce prestazioni migliori rispetto a un integratore analogico relativamente alla reiezione dei rumori a bassa frequenza, con un errore di fase minimo sull' 'intera banda di frequenza, garantendo inoltre un ampio range dinamico. Tutti questi fattori sono molto importanti: al fine di determinare la qualità dell'alimentazione della rete in condizioni gravose, come in caso di sovraccarico dei circuiti, circuiti aperti e interferenze da radiofrequenza, sono infatti richiesti un rilevamento accurato della corrente e una analisi della potenza. Il Dsp ideale per i sistemi di reti intelligenti deve disporre di un'unità in virgola mobile a doppia precisione, della capacita' di elaborare efficacemente segnali complessi e un motore di calcolo veloce per le trasformate di Fourier.

Metrologia
Misurazioni accurate e affidabili dei sistemi elettrici sono essenziali per lo sviluppo e la stabilità delle reti intelligenti. Tali misurazioni vengono utilizzate per rilevare sintomi di scarsa qualità dell'alimentazione nella rete, come picchi e cadute di tensione, armoniche e transitori. Fenomeni di questo tipo posso condurre a problemi come la falsa attivazione di relè, la rottura di fusibili e danni alle apparecchiature elettriche. Inoltre, identificando ed eliminando un'alimentazione di scarsa qualità è possibile ridurre significativamente gli sprechi. La metrologia elettrica riguarda la misurazione di parametri come la corrente e la tensione Rms, le componenti reattiva, attiva e apparente della potenza e la frequenza di un segnale di potenza. Spesso, il calcolo di questi parametri di metrologia richiede svariate istruzioni di moltiplicazione e accumulo. Ad esempio, un modo per calcolare la corrente Rms in base a una serie di campioni "n" {x1, x2, …., xn} consiste nell'individuare la media del quadrato di ciascun campione e ricavarne la radice quadrata.
Per le applicazioni in cui la precisione elevata non è fondamentale, risulta adeguato un microcontroller dedicato in virgola fissa e a basse prestazioni. Tuttavia, sempre più applicazioni odierne richiedono una maggiore precisione e tempi di risposta più rapidi. Per tali applicazioni, un Dsp in virgola mobile rappresenta la soluzione più adatta. Ad esempio, un Dsp in virgola mobile può calcolare il valore Rms per un buffer in virgola mobile a doppia precisione da 512 campioni in circa 2,9 us (1.300 cicli a 456 MHz). Un altro utilizzo dei Dsp nelle applicazioni metrologiche è ricorrere a un filtro Fir (Finite impulse response) di ordine elevato o a un filtro IIR per rimuovere la componente Dc di una forma d'onda e il rumore o l'interferenza dovuta ad accoppiamenti sulle linee. Questo Dsp risulta inoltre utile per l'analisi della risposta dei transitori del sistema, sia nel dominio della frequenza che del tempo. Un sistema di monitoraggio della qualità dell'alimentazione deve essere in grado di rilevare anomalie come i picchi e le cadute di tensione, le sovratensioni e i transitori, le brevi interruzioni e le armoniche. La presenza di armoniche, ad esempio, può comportare un surriscaldamento dei trasformatori, una falsa attivazione dei relè e persino uno sfarfallio luminoso rilevabile a occhio nudo. Un metodo per identificare le armoniche presenti in un segnale di potenza consiste nell'utilizzare le Trasformate di Fourier (Dft o Fft). Quando una Fft o una Dft viene applicata al segnale di potenza in ingresso, la relativa uscita permette identificare le diverse componenti di frequenza presenti nel segnale. Grazie all'integrazione di istruzioni specializzate di moltiplicazione e accumulo, un Dsp risulta molto efficace nell'eseguire Fft e Dft. Ad esempio, il Dsp in virgola mobile e fissa TMS320C674x di Texas Instruments può calcolare una Fft complessa a precisione singola da 256 punti in 8us (3696 cicli a 456 MHz). Anche il tempo di risposta risulta critico in tali tipi di misurazioni, in quanto un sistema deve rispondere rapidamente, spesso nella gamma dei microsecondi, per impedire danni alle apparecchiature. Tale tempo di risposta è ampiamente compreso nelle capacità di un Dsp.

Comunicazione su onde convogliate
La comunicazione su onde convogliate, un altro componente critico per la distribuzione delle reti intelligenti, rappresenta il metodo preferito dai fornitori di servizi per comunicare a distanza con i misuratori elettrici. Ciò è dovuto al fatto che l'infrastruttura di misurazione avanzata richiede una comunicazione dati a velocità moderata per servire un vasto numero di abitazioni e attività, e il Plc rappresenta uno dei metodi di comunicazione più affidabili. Una delle principali fonti di apprensione qui è rappresentata dall'interferenza con altre reti wireless.
La progettazione di Plc basati su Dsp presenta molti vantaggi rispetto ad altre implementazioni, come un Asic. Il vantaggio più rilevante è dato dal fatto che gli standard Plc variano da paese a paese, pertanto è fondamentale avere la capacita' di supportare svariati formati e protocolli. Ad esempio, gli standard principali in Europa sono Prime e G3, mentre negli Stati Uniti sono FCC G3. Le larghezze di banda e gli schemi di modulazione sono diversi all'interno di questi standard, pertanto è preferibile disporre di un unico Dsp flessibile, in grado di gestire simultaneamente svariati protocolli.

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