L'implementazione di una rete intelligente, detta anche "smart grid", potrebbe ridurre le emissioni di carbonio fino al 15% entro il 2020 e abbattere anche i consumi energetici domestici del 10% nello stesso arco di tempo. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario che in tutti gli stati membri della Comunità Europea almeno l'80% degli edifici e degli immobili adottino dei contatori intelligenti; un raggiungimento straordinario che dovrebbe incoraggiare gli utenti finali a utilizzare l'energia in modo più efficiente, aiutando al contempo le utility company ad abbattere i costi, grazie alla riduzione degli interventi di lettura manuale dei tradizionali contatori.
Contatori intelligenti per reti intelligenti
Come per qualsiasi progetto di larga scala, anche in questo caso sono numerosi i problemi che interessano il cosiddetto “how to”. Molti di questi problemi sono legati alle comunicazioni tra le utility company e i relativi contatori installati. Inoltre vi sono altre problematiche associate all'integrazione di contatori intelligenti ad altri apparecchi intelligenti collegati alle reti domestiche, quali elettrodomestici, dispositivi multimediali e punti di ricarica per i veicoli elettrici. Il costo di implementazione di una rete intelligente deve essere inferiore rispetto al conseguente risparmio, inoltre deve essere scalabile e flessibile per consentire l'adozione di tecnologie in evoluzione e soddisfare le esigenze future. Infine, deve garantire al cliente la flessibilità di cambiare fornitore.
I fattori motivanti di uno standard
Per i collegamenti di breve portata tra il contatore intelligente e il concentratore di dati locale, si stanno considerando diversi approcci wired e wireless di portata ridotta. Tra i candidati, la Power Line Communications offre una serie di vantaggi quali il riutilizzo efficiente dei cavi di alimentazione da installare come canale di comunicazione solido e affidabile. Plc non è una nuova tecnologia; esiste già un'ampia varietà di standard aperti e proprietari. Inoltre, stanno emergendo nuove proposte e molta attenzione viene posta su come aumentare le velocità del trasferimento dati, riducendo al contempo fattori quali i costi e il consumo energetico. In tutto il mondo vengono utilizzate bande di frequenza da 10kHz a 500kHz per il segnale della linea di alimentazione. In Europa, vengono utilizzati generalmente gli standard Cenelec A (60-86kHz), Cenelec B (110kHz) e Cenelec C (132,5kHz). Questa area di frequenza è esposta a disturbi quali interferenze, rumore di sottofondo, rumore di impulso e ritardi di gruppo. Le prime implementazioni di Plc che utilizzavano la modulazione Fsk (Frequency Shift Keyed) erano soggette invece a un tasso Ber (Bit-Error Rate) relativamente alto. Ciò ha avuto un effetto minimo sulle prestazioni dell'applicazione nell'Amr (Automatic Meter Reading) di base. STMicroelectronics ha lanciato il suo primo modem Plc monolitico per Amr nel 1989, utilizzando una modulazione Fsk e supportando la comunicazione fino a 1200 baud. Con le successive evoluzioni la velocità di trasmissione è aumentata fino ad arrivare a 4800 per gli attuali trasmettitori ST7540 Plc dedicati alle applicazioni estremamente compatte, semplici ed economiche. Altre applicazioni utilizzano la modulazione S-Fsk (Spread-Frequency Shift Keyed).
Ottimizzazione delle capacità Plc
Per le applicazioni che impiegano reti e contatori intelligenti, l'industria si sta spostando verso comunicazioni più veloci e potenti e una maggiore integrazione system on chip. Si stanno affermando nuovi standard basati sulla tecnologia Ofdm (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), che abbatte i limiti di velocità dei sistemi Fsk e S-Fsk. Maxim ha sviluppato lo standard G3-Plc utilizzando il multiplexing Ofdm per raggiungere velocità di trasferimento dati maggiori e ottimizzare anche la stabilità delle comunicazioni. La tecnologia Ofdm è in grado di utilizzare un numero maggiore di toni rispetto a uno schema di modulazione single-carrier quale l'Fsk, pertanto utilizza la larghezza di banda disponibile in modo molto più efficiente. Ciò consente di utilizzare algoritmi di codifica canale più avanzati e di conseguenza di perdere meno bit, aumentando in tal modo la velocità di trasferimento dati effettiva anche in caso di un rapporto segnale-rumore più basso. Maxim ha implementato un Phy basato su Ofdm nei suoi ricetrasmettitori digitali MAX2986 e MAX2990. Con il multiplexing Ofdm si ottiene un sensibile aumento prestazionale rispetto a un modem tradizionale Fsk single-carrier che opera nella banda Cenelec A. Il modem S-Fsk è in grado di trasmettere a 2kbit/s con un tasso Ber di 10e-4 a un rapporto Snr di 12dB. Invece, un sistema 3G-Plc che utilizza il multiplexing Ofdm può trasmettere un massimo di 32kbit/s a circa 4dB di Snr, che comporta di conseguenza un aumento prestazionale pari a 8dB e una maggiore velocità di trasferimento dati. Con bande di frequenza più elevate è possibile raggiungere velocità di trasferimento dati maggiori. G3-Plc è uno standard aperto sviluppato in partnership con Sagem dell'Electricité Réseau Distribution France. Ma non è l'unico standard basato sul multiplexing Ofdm del mercato. Un altro standard, denominato Prime (Powerline Intelligent Metering Evolution) viene pubblicizzato da Prime Alliance, tra i cui membri spiccano STMicroelectronics e Texas Instruments, insieme ad altri affermati produttori di contatori, fornitori di servizi e aziende che operano nel settore energetico.
Integrazione di sistema flessibile
Le soluzioni Plc sono state comunemente implementate con chip multipli, per supportare uno schema di modulazione fisso. TI e ST supportano questo approccio con prodotti standard, tra cui modem e ricetrasmettitori compatibili con standard già consolidati. In futuro le applicazioni che impiegheranno con efficacia i contatori intelligenti richiederanno maggiori capacità e flessibilità. Controller completi SoC (System-on-Chip) Plc, quali la piattaforma F28x di TI, sono già disponibili per soddisfare pienamente queste esigenze. I controller F28xx integrano core Dsp avanzati e periferiche efficienti quali convertitori analogico-digitali, timer e blocchi Pwm, unendo un eccezionale livello di integrazione di sistema, prestazioni ottimizzate per applicazioni di controllo a 32 bit da 150 Mips e una facilità di utilizzo paragonabile a quella dei microcontroller. Questo approccio SoC semplifica sensibilmente le procedure di progettazione e al contempo consente di mantenere i sistemi di controllo compatti ed efficienti, anche in termini di costi. Le istruzioni analoghe agli Mcu e la memoria flash su chip consente di velocizzare la prototipazione. La flessibilità e la scalabilità "future-proof" del software rappresentano due punti di forza fondamentali dell'approccio SoC; la serie fornisce un semplice percorso di migrazione da una modulazione all'altra, per seguire l'evoluzione degli standard di comunicazione.
Analogamente, la piattaforma STarGRID di ST unisce modem, core Dsp, motore di protocollo programmabile, front end analogico, filtraggio e amplificatore di potenza su singolo chip per offrire numerose opzioni totalmente aperte e in grado di recepire al meglio gli sviluppi futuri. ST soddisfa un'ampia gamma di requisiti funzionali e di esigenze di mercato con questa piattaforma, la quale comprende tre dispositivi principali. Il dispositivo ST7570 esegue una modulazione S-Fsk con bit rate fino a 2,4 Kbit/sec, integra uno stack di protocollo pienamente conforme allo standard IEC 61334-5 e relativi servizi di comunicazione avanzati. Il dispositivo ST7580 esegue una modulazione n-PSK a due canali ed è in grado di integrare un'ampia gamma di stack di protocollo. Il terzo dispositivo della serie, il ST7590, esegue una modulazione Ofdm fino a 128kbit/s e integra il primo stack di protocollo pienamente conforme allo standard Prime.
Entrambe le piattaforme di ST e TI dimostrano come i rivenditori di chip stiano cercando di offrire una maggiore convenienza a livello di SoC, preservando al contempo una flessibilità tale da consentire l'adattamento e la conformità agli standard e alle esigenze del settore in continua evoluzione. I cambiamenti rapidi sono inevitabili, poiché le aspettative poste sui contatori e sulle reti intelligenti da parte di consumatori, utility company ed enti pubblici sono in continuo e costante aumento. La recente approvazione dello standard G.hn di HomeGrid Forum da parte dell'International Telecommunications Union (ITU-T) rappresenta una risposta concreta alla richiesta di implementare una piattaforma tecnologica effettivamente unificata per le applicazioni di wired home networking. Lo standard G.hn è stato concepito per supportare ogni singolo cavo di un'abitazione, per collegare i dispositivi di sicurezza e automazione domestiche, i sistemi di intrattenimento di prossima generazione, insieme a contatori intelligenti e veicoli elettrici. Un altro interessante standard aperto che si è affermato recentemente è l’Umi (Universal Meter Interface). Lo standard Umi, che annovera Renesas tra i suoi licenziatari, garantisce la flessibilità separando le funzioni di comunicazione e metrologia e fornendo una base per l'interoperabilità plug-and-play.
