L’evoluzione delle tradizionali reti elettriche verso le cosiddette “Smart Grid”, ossia ecosistemi per generazione, distribuzione e uso “intelligente” dell’energia elettrica è una delle maggiori rivoluzioni tecnologiche dei prossimi anni e richiederà l’integrazione capillare nella rete elettrica di tecnologie informatiche e telecomunicazioni. La Plc (Power line communication) è una tecnologia di comunicazione che sfrutta le stesse linee elettriche come mezzo fisico per la trasmissione dati ed è quindi uno dei sistemi più interessanti di comunicazione per le Smart Grid. STMicroelectronics è un pioniere nel mercato delle trasmissioni Plc per applicazioni di “comando e controllo” fin dagli anni 80 ed è oggi leader indiscusso in questa tecnologia, avendo fornito a importanti produttori di contatori e società elettriche di tutto il mondo svariati milioni di modem Plc economici e affidabili. In particolare, i modem di STMicroelectronics sono stati utilizzati nel più grande progetto di gestione remota di contatori mai realizzato al mondo, il sistema “Telegestore” di Enel, nonché in reti di contatori intelligenti di altre importanti società elettriche Italiane, quali Acea ed A2A. Tali dispositivi sono stati anche ampiamente impiegati per la lettura e controllo remoto da China National Petroleum Corporation, il gigante petrolifero Cinese, ed Elsweedy Group, uno dei maggiori gruppi industriali operanti in Medio Oriente e Africa, confermando così l’idoneità ed l’affidabilità di tali soluzioni anche in reti estremamente rumorose e poco controllate. Sebbene queste soluzioni siano ampiamente sperimentate ed economicamente competitive, nei prossimi anni saranno necessarie tuttavia nuove tecnologie Plc con velocità e prestazioni superiori, capaci di controllare e gestire la crescente complessità delle smart grid che includerà l’introduzione di massa di micro generatori distribuiti, veicoli elettrici e una sempre maggior partecipazione attiva dell’utilizzatore finale per una gestione razionale della domanda e dell’offerta di energia (attraverso i cosiddetti programmi di “demand-response”). Lo sviluppo di reti intelligenti su così grande scala e in ambiti differenti richiederà inoltre l’adozione di protocolli di comunicazione aperti, per la realizzazione di soluzioni che siano tra loro interoperabili. Per questo, la STMicroelectronics ha recentemente introdotto STarGRID, una piattaforma Plc assolutamente innovativa, flessibile e scalabile, integrata in un dispositivo System-on-Chip e capace di rispondere rapidamente alle esigenze imposte dall’evoluzione delle smart grid.
La piattaforma System-on-Chip STarGRID
Le moderne soluzioni Plc per contatori intelligenti di solito utilizzano soluzioni proprietarie poco flessibili, o Dsp commerciali, sicuramente più flessibili ma anche più costosi e con consumi più elevati, che richiedono tra l’altro l’uso di ulteriori chip per realizzare la funzione di Front End Analogico e di pilotaggio della linea di potenza. La piattaforma STarGRID, offre invece un perfetto bilanciamento tra una totale integrazione di sistema (modem, stack di protocollo, Afe, filtraggio e driver di linea di potenza: tutto in un solo chip), scalabilità e flessibilità per implementazioni che garantiscono reali vantaggi economici e sono pronte per le evoluzioni future. Il risultato è stato ottenuto grazie ad una tecnologia avanzata “multi-power” di STMicroelectronics e a un'architettura di sistema estremamente innovativa. L’unità centrale del modem STarGRID contiene un motore Dsp con una memoria di programma dedicata Rom per gestire, in base al firmware embedded, diversi schemi di modulazione e servizi di livello fisico tra cui una potente codifica convoluzionale per la correzione di errori. La supervisione del sistema, la gestione delle periferiche e i livelli superiori del protocollo di comunicazione (Mac ed eventuali altri livelli) sono invece gestiti da un microcontrollore industriale a 8 bit integrato nello stesso dispositivo con una memoria di programma Rom disponibile sia in configurazioni pre-programmata per implementazioni “chiavi in mano” di standard aperti, o disponibile per implementazioni proprietarie di specifici clienti. La possibilità di utilizzare una memoria di programma opzionale esterna di tipo Flash per il microcontrollore integrato aumenta se necessario la flessibilità della piattaforma durante lo sviluppo o nel corso della vita del prodotto. La piattaforma integra anche un Front End Analogico con tutte le funzioni necessarie per ricevere e trasmettere dati e un amplificatore di potenza lineare, con una topologia studiata appositamente per ridurre le dimensioni e i costi della scheda e facilitare il filtraggio delle armoniche. L'amplificatore di potenza è in grado di generare una corrente d'uscita superiore a 1 Arms e una tensione di uscita di 13V picco-picco; in questo modo è possibile pilotare anche i carichi reali più critici rispettando sempre i rigorosi limiti previsti dalle normative Cenelec. Un loop di controllo di corrente “intelligente” e un sistema di monitoraggio termico garantiscono che l’amplificatore di potenza funzioni sempre in condizioni di sicurezza al massimo delle prestazioni.
L'integrazione opzionale di funzioni specifiche come un acceleratore per la gestione della crittografia dei dati con algoritmo Aes a 128 bit e uno stimatore della qualità del canale basato sulla misura dell’impedenza di linea e del rapporto segnale-rumore, migliorano le prestazioni e le funzionalità del sistema riducendo contemporaneamente il costo complessivo dell’applicazione ed i tempi di sviluppo del cliente.
Dispositivi diversi per applicazioni diverse
Sfruttando in modo efficace la programmabilità e scalabilità della piattaforma STarGRID sono già state ottenute tre importanti famiglie di prodotto, ST7570, ST5780 e ST7590, tutte disponibili in package compatto QFN 7x7 mm, con 48 pin e piedinatura compatibile. In particolare, l’ST7570 implementa i livelli Phy e Mac di protocollo compatibili con lo standard di comunicazione Iec 61334-5-1 che prevede una modulazione di tipo S-Fsk (Spread Frequency shift keying) con baud rate massimo di 2.4 kbit/s, particolarmente robusta in caso di interferenti a banda stretta ed una comunicazione dati sincronizzata con la tensione alternata della rete a 50Hz/60Hz. Il dispositivo, particolarmente indicato per la lettura remota di contatori elettronici secondo lo standard applicativo aperto Dlms/Cosem, integrata inoltre alcuni servizi aggiuntivi di protocollo, come la gestione di messaggi d'allarme e la configurazione “intelligente” di rete, introdotti recentemente nel progetto “Linky” dalla società elettrica Francese Erdf per iniziare la prima installazione massiccia di contatori intelligenti in Francia. L’ST7580 è invece corredato da un firmware che implementa una modulazione di fase multi-modo (B-PSK, QPSK, 8-PSK) con caratteristiche avanzate per la stima della qualità del canale, il funzionamento su due canali e la codifica di errore convoluzionale per garantire una comunicazione estremamente affidabile anche in condizioni di rumorosità elevata ed una velocità massima di trasmissione di 28,8 kbit/s. Tale dispositivo è ideale non solo per applicazioni metering ma anche per il monitoraggio energetico dei carichi domestici, applicazione di estremo interesse in ambito Smart Grid, come dimostra il recente progetto Energy@Home sviluppato da Telecom Italia, Electolux, Indesit ed Enel con cui STMicroelectronics collabora. Una particolare implementazione di questa famiglia, l’ST7581, è stata scelta da Enel per la realizzazione dell’infrastruttura di contatori elettronici intelligenti che verranno installati in Spagna per i circa 13 milioni di clienti della società elettrica Endesa. La nuova soluzione utilizzerà il consolidato stack di protocollo di Enel, che verrà reso disponibile gratuitamente attraverso l’associazione no profit “Meters&More”. L’ST7590 è corredato da un firmware chiavi in mano conforme alle specifiche Prime, il protocollo aperto di comunicazione per Plc sviluppato da STMicroelectronics in collaborazione con la società elettrica spagnola Iberdrola ed altri partner industriali. Il protocollo Prime, basato su modulazione Ofdm (Ortogonal Frequency Division Multiplexing) a 97 sottoportanti con velocità massima di trasmissione di 128 kbit/s, è di tipo plug and play e in grado di ottimizzare automaticamente il link di comunicazione al variare della qualità del canale. Il protocollo prevede un’interfacciamento sia con reti metering di tipo Dlms/Cosem, sia con reti di tipo Tcp/Ip. L’ST7590 è il primo SoC di tipo Prime ad essere adottato su scala industriale nel progetto pilota di Iberdrola denominato “Star Project”.
