Fibre ottiche: le attività del CT86

Introduzione

La comunicazione ad onde convogliate (Power Line Communication – PLC), utilizzando la rete elettrica come mezzo fisico di comunicazione, è intrinsecamente legata allo scenario in continua evoluzione della distribuzione, generazione e consumo intelligente dell’energia. I vantaggi della PLC vanno dai bassi costi di gestione al pieno controllo dell’infrastruttura di comunicazione e alla pervasività sulla rete elettrica, abilitando ciascuna apparecchiatura alimentata dalla rete a partecipare alla gestione intelligente dell’energia o alla trasmissione di dati ad alta velocità per applicazioni Internet.

Gli obiettivi di sviluppo sostenibile ONU in tema di energia pulita e accessibile e salvaguardia ambientale stanno portando ad un nuovo scenario in cui il sistema energetico si sposta anche verso un maggiore fabbisogno di energia elettrica. Questo comporta diverse tendenze di cambiamento: nei trasporti grazie alla diffusione di veicoli elettrici a basse e zero emissioni; nel riscaldamento degli edifici con impianti più efficienti e meno inquinanti grazie all’utilizzo di sistemi come le pompe di calore, spesso abbinati a sistemi di produzione locale di energia rinnovabile; nell’uso sempre più diffuso di impianti di accumulo per sfruttare al meglio i picchi di produzione da fonti rinnovabili.

In questo contesto è facile comprendere quanto sia indispensabile disporre di sistemi digitali e intelligenti distribuiti che permettano lo scambio di informazioni al fine di ottimizzare e controllare i flussi energetici abilitando interazioni efficaci ed efficienti tra tutti gli attori, inclusi produttori, consumatori, fornitori di beni e servizi.

Esempi di applicazione della tecnologia PLC

Alcuni esempi di applicazioni intelligenti in Italia per l’ottimizzazione dell’uso dell’energia basate su PLC sono:

• Smart Lighting per illuminazione pubblica: soluzioni PLC e ibride PLC+RF che abilitano servizi avanzati di monitoraggio e manutenzione predittiva
• Smart Lighting e Safety in ambito ferroviario
• Smart Grid: Advanced Metering Infrastructure (AMI) per controllo e gestione tempestiva della rete di distribuzione, comunicazione tra misuratore e utente (“Chain 2”) per abilitazione di servizi di consapevolezza dei consumi e flessibilità.

Una delle principali applicazioni delle PLC, che coinvolge milioni di abitazioni, riguarda il sistema italiano di Smart Metering di seconda generazione promosso dall’Autorità per l’energia Elettrica, il Gas e il sistema Idrico (ARERA).  La nuova generazione di misuratori intelligenti è caratterizzata da una maggiore frequenza di acquisizione delle grandezze elettriche misurate, da una riduzione dei tempi di telegestione e dalla messa a disposizione dei dati del misuratore verso gli utenti finali attraverso i cosiddetti Dispositivi Utente. L’architettura prevista dalla delibera dell’ARERA, vedi figura 1), definisce due catene (chain) di comunicazione:

• La Chain 1 per le funzionalità di tele-gestione e fatturazione. Si tratta del canale di comunicazione utilizzato per la comunicazione dei dati fra il misuratore ed i sistemi di gestione del Distributore (DSO). Per queste funzionalità è utilizzata la PLC nella gamma di frequenza da 9 kHz a 95 kHz (banda A) sulla linea elettrica tra il misuratore e la cabina secondaria. La comunicazione tra la cabina secondaria del distributore ed i sistemi di gestione del DSO per l’acquisizione e trattamento dei dati in genere è di tipo punto su rete pubblica con tecnologie GPRS, LTE.  In casi particolari, per sopperire ad eventuali problemi della PLC a causa per esempi di disturbi particolarmente elevati, si utilizza anche un canale di back-up a radio frequenza nella banda di libero uso a 169 MHz prevista dalla regolamentazione per applicazioni di misura o di telemetria. Questa banda di frequenza, per esempio, è utilizzata anche per i misuratori del gas;
• La Chain 2 per la messa a disposizione dei dati provenienti dal misuratore intelligente di seconda generazione verso applicazioni intelligenti in ambito residenziale, utilizzando la PLC come per la Chain 1 ma su una banda di frequenze da 125 kHz a 140 kHz (banda C).  A livello normativo per il sistema energia, il lavoro del comitato CT 310 ha supportato il comitato CEI CT 13 “Misura e controllo dell”energia elettrica” nella validazione, specificazione e abilitazione della tecnologia Chain 2.

La tecnologia PLC per Chain 2 è stata collaudata in campo, con valutazione positiva anche da parte di ARERA, ed è ormai oggetto di attivazione estensiva in Italia.

La Chain 2 su PLC abilita tutta una serie di casi d’uso che vanno dalla consapevolezza dell’utente al controllo automatico di consumi e generazione e alla ricarica intelligente dei veicoli elettrici. Quest’ultimo argomento è oggetto di lavori dedicati all’aggiornamento della Norma CEI 0-21 da parte del CT 316 “Connessione alle reti elettriche di distribuzione Alta, Media e Bassa Tensione” con l’obiettivo di abilitare la ricarica intelligente tramite un controllore dell’infrastruttura di ricarica che gestisca le politiche di ricarica in funzione dei dati forniti dalla Chain 2 via PLC.

Grazie al lavoro svolto dagli esperti del CT 310 a supporto della Chain 2, tale tecnologia sta ora riscuotendo interesse a livello internazionale, spingendo associazioni industriali come la DLMS User Association ad adottare il profilo Chain 2 su PLC per abilitare lo stesso ampio raggio di applicazioni mirate ad un utilizzo più intelligente dell’energia elettrica. Il riferimento CEI che specifica l’utilizzo della banda C per la comunicazione con gli apparati di utente è costituito dalla pubblicazione CEI TR 310-2:2017 “Apparati di utente per la comunicazione Power Line nella banda C del CENELEC (125 kHz-140 kHz) in ambiente domestico”.

Problematiche relative all’utilizzo della Tecnologia PLC

Per loro natura le PLC utilizzano un mezzo trasmissivo non specificatamente progettato per il trasporto delle informazioni. Le linee elettriche presentano infatti delle caratteristiche elettriche che rendono a volte particolarmente difficile la trasmissione dei segnali elettrici a frequenze elevate. I problemi principali riguardano l’attenuazione, lo sbilanciamento delle linee verso terra, la bassa impedenza e soprattutto la presenza di molti disturbi elettromagnetici originati dalle altre apparecchiature connesse alla stessa rete elettrica. In aggiunta lo sbilanciamento delle linee elettriche e la loro condivisione porta come conseguenza la potenziale generazione di emissioni nello spettro comunemente utilizzato nello spettro radio e in particolare le PLC a larga banda che utilizzano frequenze da 1.6 MHz a 30 MHz potenziali interferenze verso altri servizi di telecomunicazione come ad esempio la tecnologia VDSL.

L’attività normativa in abito PLC riguarda innanzitutto la compatibilità elettromagnetica. Questo significa definire le condizioni di immunità nell’ambiente elettromagnetico tipico di utilizzo, il quale evolve verso un numero maggiore di disturbi generati da inverter fotovoltaici, sistemi di illuminazione LED ed altre soluzioni a maggiore contenuto di circuiti elettronici a varie frequenze di commutazione. Tali disturbi potenzialmente impattano sulle prestazioni e sul tempo di vita delle applicazioni di gestione dell’energia tipicamente abilitate dalla comunicazione PLC. Per gli aspetti di emissione relativi ai segnali PLC, si è resa necessaria una nuova attività normativa per lo sviluppo di limiti di emissione delle apparecchiature PLC nell’intervallo di frequenza 9 kHz – 500 kHz e nella banda da 1.6 MHz fino a 80.5 MHz e lo sviluppo di una metodologia per la misurazione delle emissioni rispetto ai limiti di nuova concezione utilizzando, ove possibile, apparecchiature e metodi di misurazione della serie di norme CISPR 16 per disturbi sia di modo differenziale che di modo comune differenziale.

La normazione in corso per le PLC

La normativa non è attualmente allineata a livello globale e vi sono differenze nell’assegnazione delle bande per la comunicazione del PLC.

In Europa il CENELEC ha emanato la Norma EN 50065-1 che ha come titolo “Signalling on low-voltage electrical installations in the frequency range 3 kHz to 148,5 kHz Part 1: General requirements, frequency bands and electromagnetic disturbances”che ha l’obiettivo primario di limitare l’influenza reciproca tra le apparecchiature di trasmissione PLC sulla rete elettrica e tra le stesse ed altre apparecchiature connesse sulla rete. La norma si applica a tutte le apparecchiature che utilizzano segnali nella banda da 3 a 148,5 kHz per trasmettere informazioni su reti elettriche a bassa tensione, sia di distribuzione sia all’interno di edifici ad uso abitativo, commerciale o industriale;specifica le bande di frequenza assegnate alle diverse applicazioni, i limiti di tensione per la trasmissione dei segnali nelle bande assegnate alle diverse applicazioni ed i limiti di disturbi condotto e irradiato con i relativi metodi di misura.

La Norma EN 50065-1 definisce le seguenti suddivisioni:

• da 3 kHz a 95 kHz (banda A): riservata esclusivamente ai distributori di energia elettrica, per applicazioni Smart Grid
• da 95 kHz a 125 kHz (banda B): per qualsiasi applicazione
• da 125 kHz a 140 kHz (banda C): riservata a sistemi in ambito residenziale, con regolamentazione dell’accesso al canale
• da 140 kHz a 148,5 kHz (banda D): riservata ad allarmi e sicurezza (non più utilizzata).

L’attività normativa include la regolamentazione dell’utilizzo delle tecnologie PLC più innovative che consentono di estendere i servizi abilitati dalla PLC ad applicazioni che richiedono maggiori prestazioni, come ad esempio l’ottimizzazione della generazione fotovoltaica, garantendo al tempo stesso il minimo livello possibile di interferenza verso sistemi a radiofrequenza già esistenti. A questo scopo la Norma EN 50065-1 è in corso di revisione per estendere le frequenze fino a 500 kHz.

In Figura 2 sono indicate le bande attualmente normate e le estensioni in corso, con le rispettive applicazioni.

L’attività normativa con impatto sulle PLC coinvolge diversi Comitati Tecnici in ambito europeo CENELEC ed internazionale IEC/CISPR.  In ambito CENELEC, l’attività normativa coinvolge i seguenti TC:

1. CLC/TC219/WG 09 manutenzione degli standard relativi al Narrowband PLT e revisione delle norme della serie EN 50065-x;
2. CLC/TC219/WG 10 manutenzione degli standard relativi agli aspetti di immunità delle PLT a larga banda nella banda da 1.6MHz a 87.5 MHz
3. CLC/TC219/WG 11 che tratta i temi di immunità ed EMI in banda CENELEC e l’aggiornamento del report EMI sulla caratterizzazione delle linee elettriche fino a 500 kHz;
4. CLC/TC219/WG 12 che tratta la manutenzione di tutti gli standard obsoleti relativi ai filtri da inserire sulla rete LV nelle varie situazioni in cui sono necessarie azioni di separazione e/o sbarramento dei segnali
5. CLC/TC210/WG 11 per gli aspetti di emissione delle PLT a larga banda nella gamma di frequenza da 1.6 MHz a 87.5 MHz con lo sviluppo della serie di norme EN 50561-x.

In Figura 3 è riportata la suddivisione delle bande di frequenza per applicazioni a banda stretta e a larga banda

Di seguito i principali riferimenti normativi.

È in preparazione anche un nuovo Study Report per estendere l’investigazione fino a 500 kHz ed includere dati sull’impedenza di rete ed il rispettivo impatto sulle interferenze.

Una delle principali attività normative a cui il CT 310 del CEI sta contribuendo nell’ambito del TC 219 CENELEC, riguarda l’aggiornamento della Norma CEI EN 50065-2-3, relativa ai requisiti di immunità delle apparecchiature elettriche utilizzate dai fornitori e distributori di energia elettrica (DSO) per trasmettere o ricevere informazioni sugli impianti elettrici a bassa tensione.

Questa norma si prefigge di definire i metodi e i requisiti per valutare l’immunità relativa alla funzione di base degli apparati PLC in relazione a disturbi continui e transitori, sia condotti che irradiati, e alle scariche elettrostatiche. La norma definisce inoltre delle linee guida per la valutazione delle prestazioni della funzione di comunicazione di un apparato PLC. L’aggiornamento della norma corrispondente per le apparecchiature PLC destinate all’uso in ambiente industriale operanti nella banda di frequenze da 95 kHz a 148,5 kHz (EN 50065-2-2) è previsto a breve.

Un altro tema normativo di forte interesse per il mondo delle Power Line riguarda lo sviluppo dei limiti di emissione per tutte le apparecchiature connesse alla rete elettrica a bassa tensione nell’intervallo di frequenza 9 kHz – 150 kHz, anche alla luce delle ultime modifiche alla Norma CEI EN 61000-2-2 “Livelli di compatibilità per disturbi condotti a bassa frequenza e segnalazione nei sistemi pubblici di alimentazione a bassa tensione”. L’introduzione dei nuovi limiti di emissione nella banda 9 kHz – 150 kHz, non ancora introdotti dalla normativa internazionale, richiede anche lo sviluppo di una metodologia per la misurazione delle emissioni rispetto ai nuovi limiti utilizzando apparecchiature e metodi di misurazione della serie di pubblicazioni IEC/CISPR 16-x-x per disturbi sia di modo differenziale che di modo comune. Per l’introduzione di questi nuovi limiti si è concordato di modificare la norma EMC generica per gli ambienti residenziali CEI EN 61000-6-3 , con l’obiettivo di definire un riferimento per l’introduzione dei nuovi limiti negli standard di prodotto e di famiglia di prodotto. Quest’attività è sviluppata nell’ambito del Joint Working Group CISPR/H – IEC 77A JWG6 con i seguenti obiettivi:

• Garantire la protezione delle radiocomunicazioni con appropriati livelli di protezione sviluppati attraverso l’utilizzo dei modelli definiti dal CISPR nella pubblicazione TR 16-4-4;
• Introduzione di una protezione aggiuntiva contro i disturbi a banda larga per i sistemi PLC che trasmettono dati sulla rete a bassa tensione.

In particolare, la definizione dei requisiti necessari per proteggere i sistemi PLC dai disturbi non intenzionali (NIE) presenti sulla rete a bassa tensione ha richiesto un grande impegno per dimostrare teoricamente e sperimentalmente l’impatto di tali disturbi sulla comunicazione dati tra i sistemi PLC.  Ciò ha portato anche a definire una raccomandazione per le introduzioni dei cosiddetti “Livelli di Tensione Integrale” (IVL) per limitare la densità spettrale delle emissioni non intenzionali nell’intervallo di frequenza da 9 kHz a 150 kHz.

Conclusioni

Abbiamo illustrato alcuni scenari applicativi delle PLC sia a banda stretta che a larga banda (BPL) evidenziandone i punti di forza e potenziali criticità che vengono indirizzate dall’attività normativa. In particolare, è stato posto l’accento sugli sviluppi normativi in ambito CENELEC e sulle attività in corso per definire un insieme di norme che permettano di mitigare le problematiche di compatibilità elettromagnetica. Ciò riguarda sia il tema dell’immunità ai disturbi che l’ottimizzazione delle prestazioni delle PLC in funzione delle caratteristiche del canale trasmissivo e la minimizzazione delle interferenze con i sistemi radio operanti nelle stesse.