Simulazione in tempo reale di un sistema di controllo distribuito dei carichi elettrici negli edifici

Nowadays careful consideration of electric power consumption represents a primary commitment, both in order to reduce the costs linked to consumption as well as for the issues linked to environmental sustainability. The optimal solution that is able to achieve both goals is the use of an automatic control of the loads in the electrical installation based on the power consumption. In this way, it is possible to modulate the demand for electrical energy by avoiding the non-coordinated operation of the loads. In fact, in an electrical system may occur an unexpected peak of power absorbed from the distribution network that can create energy supply problems. In order to avoid the overcoming of the contractual power, the operator will be in the position of having to increase the power supply agreement with an increase of the fixed costs. In an effort to avoid exceeding energy usage contractual agreements with utility suppliers, plant managers may find themselves raising the initial limits and consequently incising costs. Usually the traditional load management provides the installation of programmable logic controller (PLC). However, this solution may require the installation of a large number of dedicated control device. The greater the number of loads to be controlled, the greater the complexity of electrical installation required to individually manage each load. This can command a lofty initial investment when taking into account the complexity and the extra time required to design and ultimately complete the application. The innovative solution proposed by ABB is based on the use of a load management program, called Ekip Power Controller, fully integrated into the electronic trip unit installed in the low voltage air circuit breakers SACE Emax 2 and already used for the protection against overcurrents and short-circuit currents. Therefore, neither complex control systems nor the implementation of dedicated software programs are necessary, revealing an optimum compromise between reliability, simplicity and cost-effectiveness. This paper describes the work I have done during my internship at ABB SACE Division in Bergamo to create a simulation of a low voltage electrical installation equipped with air circuit breakers SACE Emax 2 and Ekip Power Controller function through Hardware-In-the-Loop technique (HIL). This methodology allows using devices that are installed in a real system and simulate real operating conditions via a computer software that processes numerical models, that is LabVIEW. In this way, it is possible to realize test sessions in real time. In particular, voltage and current values measured by the electronic trip unit are simulated via LabVIEW and then converted to analogic signals by digital-to-analog converters, creating in this way the real operating conditions, while all the operations of Load Management, that are connection and disconnection of loads, as well the overcurrent and short-circuit protections are carried out by the electronic trip unit according to set parameters as it happens in a real system.

L’attenzione ai consumi dell’energia elettrica rappresenta oggigiorno un impegno di primaria importanza sia per ridurre i costi legati al consumo stesso, sia per problematiche legate alla sostenibilità ambientale. La soluzione ottimale che è in grado di raggiungere entrambi gli obiettivi è l’impiego di un controllo automatico dei carichi elettrici presenti nell'impianto basato sulla potenza assorbita. In questo modo si è in grado di modulare la richiesta di energia elettrica evitando il funzionamento non coordinato dei carichi. Infatti in un impianto elettrico può verificarsi un inatteso picco di potenza assorbita dalla rete di distribuzione che può creare problemi di approvvigionamento energetico. Al fine di evitare il superamento della potenza contrattuale, il gestore dell’impianto si troverà nella condizione di dover aumentare la potenza contrattuale con un incremento dei costi fissi. Inoltre, nei casi più gravi per evitare l’intervento delle protezioni dia sovraccarico, l’impianto dovrà essere sovradimensionato. Solitamente una gestione dei carichi tradizionale prevede un controllore logico programmabile. Tuttavia questa soluzione può richiedere l’installazione di un gran numero di dispositivi di controllo dedicati, tanto maggiore quanto è maggiore il numero di carichi che devono essere gestiti e quanto maggiore è la complessità dell’impianto elettrico, arrivando a gestire individualmente ciascuno dei carichi. Ciò comporta, oltre all'aumento della complessità e del tempo di progettazione e realizzazione dell’applicazione, un consistente incremento dell’investimento iniziale. La soluzione innovativa proposta da ABB si basa sull'utilizzo di un programma di gestione dei carichi, chiamato Ekip Power Controller, totalmente integrato nello sganciatore elettronico installato negli interruttori automatici aperti di bassa tensione SACE Emax 2 e già impiegato per la protezione dalla sovracorrenti e dalle correnti di cortocircuito; in questo modo si ottiene una soluzione totalmente distribuita e pertanto non sono necessarie né l’installazione di complessi sistemi di controllo, né l’implementazione di alcun software, rivelandosi un ottimo compromesso tra affidabilità, semplicità ed economicità Questo elaborato descrive il lavoro che ho svolto durante il mio tirocinio presso ABB SACE Division a Bergamo per la realizzazione di una simulazione di un impianto elettrico in bassa tensione munito di interruttori automatici SACE Emax 2 e della funzione Ekip Power Controller attraverso la tecnica Hardware-In-the-Loop (HIL). Questa metodologia permette di utilizzare i componenti che vengono installati in un impianto reale e simulare le effettive condizioni di funzionamento dell’impianto tramite un programma informatico che elabora modelli numerici, ovvero LabVIEW. In questo modo è possibile realizzare sessioni di test in tempo reale. In particolare i valori di tensione e corrente misurati dallo sganciatore elettronico sono simulati tramite LabVIEW e convertiti in segnali analogici tramite convertitori digitale-analogico, ricreando in tale maniera le condizioni di funzionamento reali, mentre tutte le operazioni di Load Management, connessione e disconnessione dei carichi, così come l’intervento delle protezioni da sovracorrente o da cortocircuito vengono effettuate dallo sganciatore elettronico in base ai parametri stabiliti, come avviene in un impianto reale.