Digitalizzare le utility con LoRa

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Le utility cercano sempre di più di ottenere maggiori informazioni sulle loro reti di distribuzione. Di fronte alle sfide legate alla riduzione dei costi di manutenzione, all’evitare interventi di manutenzione non necessari e al mantenimento di una fornitura di alta qualità per gli utenti finali, desiderano sistemi in grado di fornire aggiornamenti rapidi sullo stato di apparecchiature come le sottostazioni.

La società europea specializzata nella gestione dei dati della rete elettrica, Elvexys, voleva soddisfare le esigenze dei DSO (Distribution System Operator). Questi in particolare desideravano una soluzione IoT che consentisse il monitoraggio delle installazioni esistenti senza risultare invadente o causare interruzioni alla fornitura.

In particolare, un’azienda con cui Elvexys collabora è il fornitore di utenze elettriche Oiken, che serve 90.000 clienti nella regione del Vallese, il terzo cantone più grande della Svizzera. L’azienda desiderava ricevere informazioni migliori sullo stato degli IED (Intelligent Electronic Device) che controllano la conversione da 16 kV a 400 V nelle sue sottostazioni elettriche ad alta/media tensione. Ogni sottostazione elettrica ha due IED, per un totale di 2.400 IED per il monitoraggio delle 1.200 sottostazioni elettriche di Oiken. In passato, la rete di distribuzione di Oiken si basava su cavi aerei, sia per la bassa che per la media tensione. Queste reti sono ora principalmente sotterranee, il che offre il vantaggio di una migliore affidabilità, ma rende anche più difficile l’individuazione dei guasti. Con il sistema di distribuzione aerea, infatti, i guasti sono facilmente visibili, anche se possono verificarsi ritardi dovuti alla necessità di inviare ingegneri sul luogo probabile del problema.

Elvexys ha una vasta esperienza delle sfide che devono affrontare i DSO. Fra queste figura spesso la mancanza o carenza di dati. Le sottostazioni ad alta tensione sono dotate di IED, ma i DSO spesso non dispongono di strutture simili per le loro apparecchiature di media tensione. Per questo motivo, spesso prendono decisioni basandosi sull’esperienza, ovvero considerando come si è comportata la rete in passato, non su dati precisi e aggiornati. La mancanza di informazioni diventa un problema particolarmente serio quando ci sono guasti sulla linea. In questo caso, i DSO dovranno stimare dove si trova il problema e inviare persone a bordo di un veicolo per cercare di localizzarlo in modo più accurato. Oltre a perdite in termini monetari e di interruzione della fornitura per gli utenti finali, ciò può comportare sanzioni per il DSO a causa dell’interruzione della fornitura stessa.

Dal trasformatore alla sala di controllo

Elvexys ha una lunga esperienza nell’acquisizione, elaborazione e conversione di protocolli di comunicazione industriale. Combinando questo know-how con le tecnologie IoT, propone soluzioni scalabili di raccolta dati sia alle utility che all’industria. L’utilizzo dei dispositivi LoRa di Semtech per le reti wireless industriali consente una facile connessione a dispositivi remoti come sottostazioni e contatori di gas, elettricità e acqua.

Elvexys offre una soluzione di raccolta dati end-to-end basata su una rete LoRaWAN. Altri fornitori di soluzioni possono proporre l’uso di PLC, che però sono complessi da utilizzare e forniscono troppe informazioni. Inoltre, i dati non vengono mai raccolti fino ai sistemi Scada. La soluzione end-to-end di Elvexys si estende dalla bobina di Rogowski al nodo di misura, attraverso gateway che utilizzano LoRa e che trasmettono i dati fino al sistema Scada del cliente. I parametri sono misurati su tutte e tre le fasi e comprendono le correnti nei trasformatori di bassa, media e alta tensione, nonché la temperatura e l’umidità. I dati possono poi essere elaborati e amalgamati in base alle esigenze del cliente, con calcoli eseguiti sui dati grezzi, e i risultati vengono presentati nel modo desiderato dal DSO.

Esiste anche un quarto canale per misurare le correnti omopolari. Con questo, le tre fasi vengono misurate contemporaneamente. Questo significa che, ove vi fosse uno squilibrio sulla linea oppure una perdita di corrente attraverso un ramo, su una singola fase, il canale omopolare lo rileverebbe e avviserebbe il sistema Scada tramite un gateway che sfrutta LoRa.

Elvexys fornisce anche la rete LoRaWAN al DSO, oltre a tutte le necessarie conversioni di protocollo, inclusi IEC61850, Mbus ed Ethercat. Poiché la rete è privata, il DSO può proteggerla da black-out e altre interruzioni, sia con power over Ethernet sia tramite batterie.

LoRa è la piattaforma wireless de facto per l’IoT. Rispetto alle tecnologie di connettività, come 4G cellulare e fibra ottica, LoRa offre un’implementazione rapida e semplice su un’ampia area, riducendo sia i costi per il capitale investito, sia quelli operativi. È particolarmente adatto ai DSO che necessitano di monitorare apparecchiature che potrebbero trovarsi in luoghi remoti e/o difficili da raggiungere. I chipset LoRa di Semtech nei gateway consentono la comunicazione in tempo reale di dati e analisi che possono essere utilizzati per migliorare l’efficienza e la produttività.

I dispositivi LoRa consentono applicazioni smart IoT che risolvono alcune delle più grandi sfide globali, tra le quali la gestione dell’energia, la riduzione delle risorse naturali, il controllo dell’inquinamento e l’efficienza delle infrastrutture.

Rilevamento degli errori a costi inferiori

Grazie alla collaborazione con Elvexys, Oiken dispone di una soluzione basata sull’IoT che utilizza rilevatori di cortocircuito installati nella sua sottostazione elettrica. Ciò permette all’azienda di individuare le posizioni esatte dei guasti da cortocircuito sulla rete. La soluzione consente quindi a Oiken di risparmiare tempo nel rilevamento dei guasti e anche denaro, fornendo una migliore protezione sia ai propri beni sia a quelli dei suoi clienti, ed evitando conseguenze quando si ricollega l’alimentazione dopo un cortocircuito.

“È chiaro che se avessimo optato per una soluzione basata su comandi di controllo, ci sarebbe voluto molto più tempo, circa 20 anni, per l’implementazione e ci sarebbe costato 10 volte di più” ha affermato Xavier Emmery, responsabile dell’implementazione dei sensori che utilizzano LoRa e della loro integrazione nel centro di supervisione, sempre gestito da lui. “LoRa ci ha fornito una soluzione migliore semplificando la raccolta di informazioni tramite una bobina Rogowski e visualizzandole direttamente sulla nostra piattaforma di supervisione, facilitando così l’individuazione e localizzazione dei guasti”.

Al centro di futuri sviluppi

Lavorare con Semtech significa per Elvexys essere al centro della comunità LoRaWAN, il movimento per gli standard open di cui LoRa costituisce la base. “Semtech ci ha fornito molte informazioni sugli standard” afferma Christian Leggett, project engineer di Elvexys. “E LoRa, poiché è uno standard relativamente giovane, viene continuamente e rapidamente migliorato. Lavorare con Semtech, che definisce molti degli aspetti dello standard, ci permette di rimanere informati sui nuovi sviluppi dello standard, che potremo utilizzare per migliorare la nostra soluzione”.

Un progetto che Elvexys intende intraprendere riguarda la capacità di inviare dati ai nodi, oltre che di riceverli. Ciò consentirebbe la modifica dei set-point, l’invio di comandi ai nodi e di aggiornamenti del firmware via etere. L’azienda sta anche valutando l’utilizzo del rilevamento omopolare per controllare le perdite di corrente a tensioni inferiori, assicurando l’approvvigionamento energetico fino agli edifici serviti dai DSO client.

Tanti vantaggi con una sola soluzione

Elvexys era alla ricerca di una soluzione di connettività che consentisse ai suoi clienti DSO di risolvere le sfide legate al monitoraggio della rete. Doveva basarsi su soluzioni di comunicazione standard, che offrissero un lungo raggio di azione e la possibilità di connettersi a sensori di alimentazione e di corrente senza causare interruzioni alle strutture dei clienti. In qualità di principale sostenitore dello standard LoRaWAN, Semtech può aiutare Elvexys a sviluppare la sua offerta man mano che lo standard si evolve. Le soluzioni offerte da Elvexys permettono ai DSO come Oiken di avere una visione molto più ampia e precisa delle prestazioni dei loro sistemi di distribuzione, consentendo loro di soddisfare meglio i propri obblighi e migliorare il servizio verso i clienti.

Remi Demerle, director, developer ecosystem, WSP LoRa Alliance and Community, Semtech

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