I governi nazionali e le società erogatrici di servizi stanno supportando con grande entusiasmo l'adozione del concetto di smart metering (ovvero la misurazione in modo automatico e remoto del dato di lettura dei contatori): i primi in considerazione del fatto che esso permette di ridurre i consumi di energia, i secondi perché rappresenta un mezzo per migliorare la gestione della loro capacità di erogare energia. La diffusione dello smart metering ha comportato l'implementazione su larga scala della tecnologia Plc (Power line communication), un protocollo di comunicazione a lungo raggio e bassa velocità di trasferimento dati che utilizza la rete elettrica esistente sia per la trasmissione dell’energia, sia come portante per la trasmissione della segnalazione tra dispositivi collegati alla rete. La tecnologia Plc è una forma di comunicazione a radiofrequenza: ciò a prima vista può sembrare sorprendente poiché il mezzo comunemente impiegato per le trasmissioni Rf è l'aria o i cavi coassiali, e non i cavi delle linee di potenza (power line). Tuttavia la tecnologia Plc riesce a utilizza una portante modulata, sebbene operante a frequenze più basse rispetto a quella degli standard radio commerciali (radio, tv, cellulari). Come per qualsiasi collegamento RF, l'affidabilità e il corretto funzionamento di una connessione Plc richiedono che la trasmissione e la ricezione abbiano un tasso di Ber (Bit error rate), in pratica una misura della qualità del segnale, inferiore a una soglia massima: ciò a sua volta richiede che il segnale venga trasmesso con un valore minimo del rapporto C/I (Carrier-to-Interference) o Snr (Signal-to-noise ratio). In un sistema Rf, maggiore è il rapporto C/I, maggiore sarà la distanza ammessa fra trasmettitore e ricevitore. Nel caso della tecnologia Plc tale distanza dovrebbe essere la più estesa possibile, in modo da ridurre il numero di hub richiesti (l’hub è il dispositivo ricevente nella rete Plc, mentre lo smart meter è il dispositivo trasmittente) e quindi il costo di realizzazione della rete. Di conseguenza, quando si progetta e si installa una rete Plc, è importante creare un percorso del segnale contraddistinto da bassi livelli di interferenza. In prima istanza, questo può sembrare un requisito abbastanza strano per una rete Plc: dopotutto, il solo trasmettitore Rf sulla linea di alimentazione dovrebbe essere il trasmettitore Plc, visto che, a differenza di una trasmissione via etere, il cablaggio in rame costituisce una rete chiusa. In realtà le interferenze RF rappresentano un reale problema per le reti Plc. Scopo di questo articolo è spiegare in che modo sia possibile rilevare e localizzare le interferenze, in modo da assicurare che il sistema Plc funzioni nel modo previsto.
Sistemi Plc: principi di funzionamento
In una smart grid (quindi una rete elettrica in grado di integrare in maniera intelligente le azioni di tutti gli utenti connessi) collegata sfruttando la tecnologia Plc, ogni utente disporrà del proprio contatore di energia che comunicherà con un hub, solitamente posto presso il trasformatore. L'hub utilizzerà un modem radio connesso a una rete telefonica cellulare per trasmettere i dati (attraverso un'interfaccia radio) alla società erogatrice del servizio. Il numero di contatori installati per hub può essere dell'ordine di parecchie centinaia: una società erogatrice di servizi può avere una base installata che va dalle migliaia ai milioni di contatori. L'implementazione di una rete Plc deve soddisfare un certo numero di differenti standard imposti dai vari Governi nazionali: molte tecnologie utilizzano un range di frequenza compreso tra 10 e 150kHz (in Europa) oppure tra 150 e 400/500kHz (in Giappone/Stati Uniti). Tra le diverse sorgenti di interferenza, le più comuni sono gli alimentatori a commutazione, i motori elettrici e relativi azionamenti, come i convertitori di frequenza e altri tipi di dispositivi di commutazione e smorzamento. Vi sono molti altri tipi di dispositivi, specialmente se difettosi, malfunzionanti o progettati in maniera inadeguata, che possono provocare interferenze. L'interferenza può essere un segnale di una particolare frequenza, o di un certo numero di frequenze (come nel caso degli alimentatori a commutazione), rumore a larga banda (come accade nel caso dei convertitori di frequenza) oppure una combinazione di frequenze specifiche e rumore a larga banda. Sfortunatamente le norme relative alla compatibilità elettromagnetica di solito stabiliscono dei limiti alle emissioni interferenti provenienti da dispositivi elettronici per valori di frequenza superiori a 150 kHz. Ciò significa che la banda di frequenza utilizzata dalla tecnologia Plc in Europa è praticamente priva di controllo per quando riguarda le emissioni condotte provenienti dalle apparecchiature collegate.
Forma tipica di un'interferenza
L’analisi della frequenza del segnale interferente è il mezzo più comune per identificarne la fonte. Le capacità di osservare le caratteristiche della frequenza dei segnali trasportati sulla linea di alimentazione è quindi un elemento essenziale per affrontare il problema dell'interferenza. Il primo passo da fare per verificare se un'interferenza sta penalizzando le prestazioni di un ricevitore è studiare le caratteristiche del segnale richiesto. Mediante l'analisi del dominio della frequenza condotta con un analizzatore di spettro è possibile misura in modo semplice la frequenza del segnale, il contenuto armonico, la qualità della modulazione, la distorsione e il rumore o interferenza. Nel caso l'interferenza si sovrapponga al segnale del ricevitore desiderato, ciò apparirà in maniera abbastanza ovvia sul display dell'analizzatore di spettro. L'interferenza può essere identificata poichè ogni disturbo ha una propria "impronta" caratteristica: di conseguenza differenti tipi di disturbi hanno caratteristiche diverse tra di loro.
Scelta dell'apparecchiatura di test più adatta
Lo strumento più utile e capace di assicurare la maggior precisione per effettuare l'operazione di ricerca delle interferenze è senza dubbio un analizzatore di spettro portatile a larga banda, come ad esempio gli analizzatori della serie Spectrum Master di Anritsu. Oltre a consentire la misura di uno spettro di frequenza, strumenti di questo tipo mettono anche a disposizione un'ampia gamma di funzioni di analisi selezionabili, oltre a risorse per il trattamento e la memorizzazione dei dati. Nella scelta di un analizzatore di spettro i principali parametri da tenere in considerazione sono range di frequenza, sensibilità, range dinamico, risoluzione in frequenza e accuratezza. Nel caso di misure Plc, il requisito principale è il seguente: il limite della frequenza più bassa non deve essere maggiore di 10kHz. La sensibilità è un parametro da tenere nella massima considerazione perché le linee di alimentazione attenuano in maniera abbastanza marcata i segnali Plc: un'elevata sensibilità consente allo strumento di individuare segnali e interferenze anche se si trovano lontani dal punto di misura. L'ampiezza di banda di risoluzione o Rbw (Resolution bandwidth), la finestra di scansione che esegue lo "spazzolamento" in una certa banda di frequenza, è un indice della capacità dello strumento di distinguere segnali caratterizzati da frequenze molto simili. La selettività, d'altro canto, è la capacità di distinguere un segnale più debole da uno più forte. Per l'accoppiamento tra l'analizzatore di spettro e la linea di alimentazione è necessario il ricorso a una sonda. Le sonde di campo vicino sono veloci e semplici da usare e possono isolare il cavo che alimenta lo strumento interferente dagli altri cavi: lo svantaggio è rappresentato dalla sensibilità, che puo risultare spesso ridotta. In alcuni casi è possibile ricorrere a sonde di corrente a morsetto e sonde di tensione a contatto.
Ricerca delle interferenze in una rete Plc
Nelle tradizionali comunicazioni RF via etere la localizzazione delle interferenze è spesso un compito che richiede parecchio tempo poiché il disturbo può essere intermittente e localizzato in qualsiasi punto in raggio di 360° dal ricevitore. Nel caso delle comunicazioni Plc la situazione è senz'altro più semplice in quanto esiste sempre una connessione cablata tra il ricevitore e il disturbo. La tipica topologia di una rete Plc prevede un hub posto nella stazione di trasformazione dalla quale le linee di alimentazione si dipartono verso più cabine di distribuzione. Qui sono ulteriormente suddivise e instradate verso i singoli edifici, all'interno dei quali avviene un'ulteriore divisione. Il metodo più efficace per individuare l'interferenza è misurare lo spettro dalla corrente – non dalla tensione – dei circuiti. La tensione in un dato punto sarà essenzialmente la stessa in tutto il circuito, mentre la corrente varierà. La corrente assorbita dal disturbo in molti casi conterrà lo spettro dell'interferenza che può così essere localizzato. Il tecnico dovrebbe iniziare dal trasformatore e procedere alla misura di ogni linea (fase) con una sonda di corrente. Una volta individuata la linea sulla quale il segnale interferente è caratterizzato dalla maggiore intensità, bisogna seguirla fino alla successiva giunzione. Qui la linea si dividerà: a questo punto bisogna ripetere la procedura appena descritta e continuare in questo modo finché non viene identificato l'edificio dal quale proviene l'interferenza. A questo punto il compito diventa più complesso, ma la metodologia da utilizzare è identica: mantenendo la sonda in prossimità dell'alimentatore dei vari dispositivi presenti nell'edificio, l'analizzatore di spettro può mostrare il punto in cui l'ampiezza dell'interferenza è maggiore. Questo processo di selezione permetterà di restringere la ricerca della fonte del disturbo a un ridotto numero dei dispositivi. Ciascuno di essi può essere disattivato singolarmente per visualizzare l'effetto sui segnali dell'interferenza, in modo da consentire l'adozione di adeguate contromisure (come ad esempio il filtraggio) atte a eliminare o attenuare l'effetto dell'interferenza.
