L'attuale infrastruttura di erogazione e distribuzione dell'energia elettrica deve essere migliorata al fine di garantire livelli più elevati di efficienza, affidabilità e sicurezza. Enti che si occupano di standardizzazione e ingegneri hanno raccolto la sfida, individuando nelle cosiddette smart grid (ovvero le reti intelligenti per la distribuzione dell'energia elettrica) una soluzione a numerosi problemi. La realizzazione di una smart grid presenta comunque sfide complesse: essa deve assicurare una lunga durata non solo in termini di affidabilità, ma anche dal punto di vista di garanzia di prestazioni e disponibilità di componenti. L'architettura di una moderna rete per l'erogazione dell'energia elettrica prevede numerosi livelli: generazione, trasmissione e distribuzione e utenze finali. Una smart grid differisce dai sistemi tradizionali sotto molti aspetti: essa, infatti, integra sorgenti di energie rinnovabili, risorse per l'immagazzinamento dell'energia oltre a strumenti per la misurazione dei consumi e l'analisi delle prestazioni della rete. Un controllo ottimizzato della rete richiede la presenza di funzioni di comunicazione, un controllo e un monitoraggio accurati dei parametri della rete e la disponibilità delle risorse e dei servizi atti a garantire affidabilità e sicurezza. Prima della metà degli anni 90 non esisteva uno standard globale per le reti elettriche che consentivano ai fornitori di energia di installare apparecchiature intercambiabili. Al fine di semplificare e migliorare il controllo e la flessibilità, la rete elettrica si doveva trasformare passando da una singola rete di linee di trasmissione a una coppia di reti di comunicazione e distribuzione dell'energia. La commissione elettrotecnica internazionale ha sviluppato una serie di standard che si occupano di aspetti quali architettura della sottostazione, comunicazioni e sicurezza, oltre che di temporizzazione e sincronizzazione. Il lavoro ha avuto inizio nel 1995 con la definizione dello standard Iec 61850 - Communication Networks and Systems in Substations - nato dalla collaborazione tra Iec e Ansi (American National Standards Institute) che hanno iniziato a delineare un nuovo modello per sottostazioni e reti di comunicazione affidabili, oltre a definire una struttura atta a semplificare l'automazione.
L'evoluzione dello standard Iec 61850
Fin dalla sua introduzione lo standard Iec 61850 (che ha per oggetto la progettazione dei sistemi di automazione per le sottostazioni elettriche) ha subito una costante evoluzione finalizzata alla sua estensione ad altri ambiti quali ad esempio impianti fotovoltaici, energia idroelettrica e Der (Distributed Energy Resources) ovvero piccoli sistemi modulari decentralizzati situati vicino a dove viene utilizzata l'energia. Dal punto di vista dell'infrastruttura interna della sottostazione, lo standard semplifica l'interoperabilità, oltre a migliorare la flessibilità e il controllo, grazie a una rete di apparecchiature della sottostazione che comunicano mediante cavi in fibra ottica. Tale rete, se da un lato permette di risolvere un certo numero di problemi legati alla flessibilità e all'interoperabilità, dall'altro ne crea di nuovi. Per esempio, la rete in fibra ottica (con gli associati livelli di hardware di comunicazione e di stack di comunicazione) sostituisce le connessioni mediante fili di rame a bassa latenza: per questo motivo lo standard Iec 61850, supporta un particolare tipo di invio di messaggi che permette di bypassare i livelli dello stack di comunicazione allo scopo di ridurre la latenza. Gli standard per l'automazione delle sottostazioni come appunto Iec 61850 specificano che non debba esistere un solo punto di guasto che possa portare al malfunzionamento dell'intero sistema e che le sottostazioni debbano adottare il concetto di ridondanza per tutti i componenti “mission critical”. Inoltre i sistemi delle sottostazioni devono risultare conformi alle specifiche relative al tempo di ripristino da un guasto. Lo standard Iec 61850 prescrive l'uso dei protocolli di ridondanza Prp (Parallel Redundancy Protocol) e Hsr (High -Availability Seamless Redundancy) previsti da Iec 62439-3.
SoC e Fpga per l'implementazioni di smart grid
Al fine di conferire un certo grado di “intelligenza” a una smart grid le apparecchiature di una rete elettrica integrano una combinazione di blocchi per l'elaborazione del segnale, per la gestione della comunicazione oltre a blocchi hardware dedicati. Sistemi di questo tipo utilizzano quindi un processore Dsp, una Cpu e un Fpga. Grazie al continuo incremento delle risorse e dei livelli di integrazione degli Fpga, parecchie applicazioni relative alle smart grid sfruttano ora un Fpga o un SoC per l'implementazione di tutti questi blocchi, con evidenti vantaggi in termini di flessibilità, affidabilità, manutenibilità e costi. Senza dimenticare il fatto che questi dispositivi programmabili supportano gli standard 10/100 e Gigabit Ethernet. Un esempio di utilizzo di un Fpga in un'applicazione per smart grid è rappresentata da un commutatore Ethernet a 4 porte che supporta i protocolli HSR/PRP e Ieee 588-2008 sviluppato da Altera in collaborazione con il proprio partner Flexibilis. Lo switch a 4 porta in questione, espandibile a 8 porte, supporta lo standard 10/100/1000 Gigabit Ethernet, l'implementazione dei protocolli PRP/HSR conformi alle specifiche Iec 62439-3, lo standard Ieee1588-2008 e non richiede una memoria esterna. Un'altra apparecchiatura per l'automazione della sottostazione (ad esempio un relè di trasmissione) può integrare questa implementazione con altre funzioni su un SoC della serie Cyclone V. Questo SoC Fpga include un processore Arm Cortex-A9 dual core funzionante a 800 MHz, memoria flash embedded, memoria Ram, cache, Gpio e porte di comunicazione di solito utilizzate nei sistemi per smart grid. La struttura Fpga mette a disposizione degli sviluppatori di smart grid numerosi vantaggi e offre diverse opportunità in termini di integrazione, accelerazione delle prestazioni e possibilità di aggiornamento.
Affidabilità, prestazioni e time to market
Alcune caratteristiche degli attuali Fpga e SoC contribuiscono a migliorare l'affidabilità delle apparecchiature per smart grid. Gli elevati livelli di integrazione permettono ad esempio di ridurre il numero di componenti richiesti, con conseguente miglioramento del Mtbf/Fit rate (tasso di guasto). La presenza di memorie con codici di correzione dell'errore unitamente all'uso di più processori contribuisce a garantire una maggiore affidabilità di funzionamento. In alcune configurazioni è prevista l'implementazione di un core Risc di piccole dimensioni all'interno della struttura Fpga, mentre in altre viene eseguito il lockdown (ovvero il caricamento di codice e dati critici nella cache in modo tale che le linee della cache che li contengono non vengano successivamente riallocati) della cache di livello 1 di uno dei due core processore Arm Cortex-A9 mentre il core dedicato viene impiegato per espletare funzioni di diagnostica. I SoC realizzati in tecnologia da 28 nm a basso costo e ridotti consumi possono garantire prestazioni fino a 4.000 Mips utilizzando il processore Arm Cortex-A9 dual core. Un coprocessore Neon con un'unità in virgola mobile a doppia precisione è associato a ciascun core. Ciascun processore integra 32 Kbyte di cache coerente di livello 1 e i core condividono 512 Kbyte of cache di secondo livello. Le applicazioni che richiedono funzionalità di elaborazione in tempo reale spesso implementano nella struttura Fpga risorse di accelerazione hardware. L'utilizzo di un Fpga contribuisce a ridurre il time to market grazie alla disponibilità di core di Cpu standard, tool di sviluppo allo stato dell'arte e blocchi IP già pronti all'uso.
Manutenabilità e durata
Quando si devono fornire soluzioni per prodotti caratterizzati da lunghi cicli di vita bisogna considerare altri aspetti che vanno oltre l'affidabilità e l'impegno a fornire soluzioni atte a supportare i prodotti durante l'intero arco della loro vita operativa. La capacità di riconfigurare e aggiornare i prodotti, in produzione come pure sul campo, è critica in particolar modo se si considera la costante evoluzione degli standard. Gli Fpga contribuiscono a mitigare questo problema garantendo la scalabilità e la riconfigurabilità necessarie per implementare tutti quegli aggiornamenti dei prodotti che vanno al di là di semplici modifiche a livello software.
