La crescente necessità di un uso più razionale dell'energia in generale e dell'energia elettrica in particolare, sta portando allo sviluppo di nuove tecnologie che permettono un miglioramento della gestione della stessa per mezzo di nuove politiche di generazione, trasporto, distribuzione, misurazione e di nuovi sistemi di comunicazione bi-direzionale tra utenze e fornitori. L'insieme di tutte queste tecnologie e sistemi prende il nome di smart grid. Lo smart meter assume un ruolo chiave in questo contesto grazie alla capacità di misurazioni bidirezionali dell'energia consumata ed eventualmente generata localmente permettendo allo stesso tempo una comunicazione bidirezionale tra le singole utenze e i centri di controllo dei fornitori. Grazie a questo sistema il fornitore è in grado di leggere da remoto le misurazione sia allo scopo di facilitare la tariffazione sia allo scopo più importante di acquisire informazioni relative al profilo di carico delle utenze al fine di migliorare la gestione della distribuzione. Allo stesso tempo è possibile aggiornare da remoto i parametri di tariffazione in funzione delle fasce orarie in base al tipo di contratto e di eseguire tutte le operazioni di diagnosi e monitoraggio del sistema stesso. Gli elementi principali che compongono uno smart meter sono quindi un modulo di misura, un modulo di comunicazione, bidirezionale, il quale può essere basato sia su tecnologia Plc (Power Line Communication) sia su tecnologia RF (Radio Frequenza), un modulo di storage locale e un modulo di processamento. Indipendentemente dal tipo di comunicazione, gli smart-meter comunicano con il sistema informativo del fornitore tramite un sistema di diversi data-concentrator i quali hanno il compito di raccogliere i dati riguardanti diversi sotto-insiemi di smart-meter e trasferirli a un sistema centrale connesso ad essi tipicamente per mezzo di una rete Tcp/IP su Gprs/3G. Allo stesso tempo i data-concentrator permettono il trasferimento d'informazioni dal sistema informativo centrale verso i diversi smart meter. All'interno di questo contesto, STMicroelectronics, oltre a essere un fornitore di componenti elettronici a largo spettro con un ampio portafoglio prodotti (che spaziano dall'analog, al power ai microcontrollori), ha saputo creare con i propri clienti dei rapporti di collaborazione che sfociano in soluzioni e design che rappresentano sia lo stato dell'arte sia l'innovazione nel campo applicativo delle smart grid in generale e dello smart metering in particolare.
La razionalizzazione dell'energia
La razionalizzazione della risorsa energetica, conseguenza di una corretta pianificazione grazie al monitoring e al processamento dei profili di carico delle utenze, permette un risparmio in termini economici ed evita situazioni di sovraccarico della rete di distribuzione. Ne consegue un migliore funzionamento delle reti elettriche e, inoltre, grazie all'interazione delle utenze con il sistema di gestione della tariffazione dei fornitori, la razionalizzazione dell'energia è accompagnata da un risparmio economico da parte degli utenti i quali sono incentivati a un uso dell'energia più consapevole incontrando anche le necessità dei fornitori.
Le funzioni dello smart meter
Le funzioni principali di uno smart meter sono quelle di misurare l'energia elettrica consumata (in ingresso), ed eventualmente prodotta (in uscita) dall'utenza, e di fornire dati, sulla base delle misurazioni suddette, e servizi di gestione dell'utenza al fornitore di energia. In alcuni casi lo smart meter, in base all'infrastruttura dove è installato, è in grado di scambiare dati con altre tipologie di meter quali gas meter e water meter. STMicroelectronics, grazie al proprio ampio portafoglio prodotti, riesce supportare ogni parte del sistema, con diverse opzioni implementative, per coprire le specifiche applicative.
La comunicazione dei dati
La comunicazione dati tra lo smart meter e il data-concentrator necessita di una velocità di trasmissione (bitrate) tra le migliaia di bit per secondo (bps) e le centinaia di migliaia di bit per secondo (kbps) e comunque nel range classificato come “narrow-band”. Questo perchè sia la quantità di dati sia la periodicità con la quale essi sono trasmessi e collezionati dal data-concentrator non richiedono una comunicazione ad alta velocità. In Europa questo modulo è implementato per mezzo della tecnologia Plm (Modulazione su linea elettrica) per la quale esistono diverse opzioni in funzione delle specifiche di bit-rate e dello specifiche relative al protocollo di comunicazione. Per basse velocità di trasmissione fino a 4800 bps e per comunicazioni di tipo B-FSK, è disponibile il dispositivo ST7540; esso è particolarmente utile quando si vuole una personalizzazione completa di tutti i livelli (dal livello fisico a quello applicativo) del protocollo grazie al fatto che il framing dei messaggi è completamente gestibile dal microcontrollore host. Restando nell'ambito delle basse velocità è disponibile il dispositivo ST7570 (parte della famiglia STarGRID) il quale offre una soluzione compatibile con lo standard Iec 61334-5-1 fino al livello Mac del protocollo di comunicazione; i livelli superiori, come la gestione di oggetti Dlms/Cosem sono lasciati all'implementazione nel microcontrollore host. Per velocità di trasmissione fino a 28.8 kbps è disponibile il dispositivo ST7580, il quale offre la maggiore versatilità nell'ambito della famiglia STarGRID in quanto supporta sia modulazione S-FSK sia Bpsk, Qpsk e 8psk; allo stesso tempo nonostante il framing di livello fisico sia definito e implementato dal dispositivo stesso, i livelli superiori sono aperti a personalizzazioni. Inoltre esso è compatibile a livello fisico con le specifiche del protocollo Meters&More. Se invece si vuole una soluzione Ofdm fino a 128.8 kbps e compatibile con le specifiche Prime per quel che riguarda il livello fisico e Mac, è disponibile il dispositivo ST7590, l'ultimo nato della famiglia STarGRID. Esso, inoltre implementa il sotto-livello di servizi (per i livelli superiori) compatibile con lo standard Iec 61334-4-32 utile per l'implementazione di una rete basata su oggetti Dlms/Cosem. In Paesi come gli Stati Uniti è molto più diffusa la tecnologia RF per la comunicazione tra lo smart meter e il data-concentrator. Sono disponibili sia dispositivi con tecnologia Ieee 802.15.4 a 2.4 GHz con velocità di 250 kbps come l'STM32W, sia dispositivi con tecnologia sub-gigahertz come lo SPIRIT1 in grado di lavorare da 150 MHz fino a 956 MHz con velocità fino a 500 kbps. Il dispositivo STM32W, è di fatto un microcontrollore disponibile con diverse dimensioni di memoria flash/Sram e con core Arm Cortex-M3 a 32 bit che include una radio con tecnologia 802.15.4; per cui in un sistema smart meter è possibile usarlo come un co-processore di rete che si può prendere carico della gestione completa della comunicazione. Il dispositivo SPIRIT1 è invece un transceiver che permette una grande flessibilità sia in termini di tipi di modulazione supportata (2-FSK, GMSK, GFSK, MSK, OOK, e ASK) sia in termini di banda. Allo stesso tempo include alcune funzionalità chiave per alleggerire il lavoro del microcontrollore host quali il supporto dell'algoritmo di accesso al mezzo Csma/CA, il packet-handling, la gestione dell'Ack e la crittografia Aes128 dei messaggi. Inoltre supporta una modalità di funzionamento specifica per l'implementazione del protocollo Wireless M-BUS particolarmente usato in ambito per la misurazione di gas e acqua.
La misurazione dei flussi di energia
In ST è anche disponibile una famiglia di circuiti integrati dedicati alla misurazione delle grandezze elettriche di una rete Ac, che permette l'acquisizione e il processamento dei segnali di tensione e corrente della rete elettrica. Infatti, a partire dai segnali di tensione e corrente, i quali devono essere acquisiti e digitalizzati ad altissima precisione, è necessario calcolarne i relativi valori Rms, ed i valori Rms di energia attiva, reattiva e apparente. Inoltre le specifiche della misurazione per le nuove applicazioni in ambito smart grid richiedono calcoli aggiuntivi per di tener conto anche della direzione del flusso di energia e che permettono la misura della qualità dell'energia in termini di distorsione armonica e frequenza. Per tali misure, su reti monofasi, sono disponibili circuiti integrati come i dispositivi STPM01 e STPM10 che integrano degli Adc sigma-delta del primo ordine e il Dsp di calcolo delle grandezze elettriche tipiche offrendo una precisione in classe 0.5. Per misure di energia su reti trifase e polifase è disponibile un chipset composto dal calcolatore Dsp STPMC1, che è in grado di processare fino a 5 ingressi di segnali sigma-delta, e da un set di sensori selezionabile in funzione delle specifiche di precisione richiesta: i sensori STPMS1/2 offrono un Adc sigma-delta del primo ordine per precisioni fino a classe 0.2. Tutti i dispositivi descritti offrono anche versatilità nella scelta del sensore di misura di corrente: è possibile selezionare sia trasformatori di corrente, sia trasduttori Rogwsky-coil, sia sensori Hall, sia semplici shunt.
Il ruolo della memoria
Dal processamento delle misurazioni sono ottenute un insieme di informazioni statistiche utili a creare dei profili degli utenti, inoltre lo smart meter deve mantenere e gestire in modo interattivo con il fornitore di energia alcune informazioni dell'utente, quali per esempio il tipo di contratto i dati di tariffazione e le relative fasce orarie di pertinenza. L'insieme di tali informazioni sono tipicamente immagazzinate in una memoria dedicata esterna al microcontrollore principale. Sono disponibili diverse famiglie di memorie Eeprom quali la M24xxx con interfaccia I2C e la M95xxx con interfaccia Spi che offrono una vasta scelta in termini di dimensioni fino a 2Mbit. In particolare, della famiglia M42xxx esiste una sottofamiglia, Dual Interface Eeprom - M24LRxx, che offre la possibilità di accedere, leggere e scrivere, i dati nella Eeprom, oltre che dalla classica interfaccia seriale verso il microcontrollore centrale, anche da un interfaccia esterna Rfid, permettendo ad un utente con un lettore Nfc o Rfid la configurazione e la lettura dei parametri dello smart meter, andando a soppiantare la classica interfaccia IrDa.
Progettare l'alimentazione
La progettazione della sezione di alimentazione richiede particolare attenzione per limitare il rumore indotto sulle altre parti del sistema soprattutto in caso di utilizzo della tecnologia Plm per la sezione di comunicazione. Tipicamente le tensioni di alimentazioni dei componenti del sistema sono generate da almeno uno stadio di conversione Ac/Dc switching, eventualmente accoppiato a stadi Dc/Dc switching o lineari. Le frequenze di commutazione dei regolatori switching devono essere scelte in modo tale da non interferire con le frequenze portanti relative alla comunicazione Plm. I dispositivi della famiglia VIPer possono essere utilizzati per l'implementazione delle diverse topologie di convertitori switching (flyback, buck, boost,…). Per l'implementazione di topologie quasi-risonanti possono essere usati invece i dispositivi della famiglia Altair.
L'importanza del microcontrollore
Il sistema tipicamente è gestito da un microcontrollore a 32 bit in grado di implementare contemporaneamente tutte le funzionalità previste dallo smart meter, comunicando con i vari dispositivi presenti sul sistema: Plm, sensore di misura, memorie, ecc. Esso infatti deve gestire allo stesso tempo diversi canali di comunicazione per la gestione dei dispositivi periferici i quali possono essere connessi per mezzo di canali Usart, Spi o I2C; per questo motivo è preferibile avere dispositivi con diversi canali Dma e abbastanza memoria per gestire i buffer dei messaggi relativi a ciascun canale di comunicazione. Le famiglie di microcontrollori STM32F e STM32L, i quali sono basati su core a 32 bit Arm Cortex-M3 o Cortex-M4, offrono una vasta scelta sia in termini di dimensioni di memoria flash a Sram, sia per tipologia e dimensioni di package, sia per numero e tipologia di periferiche integrate con possibilità di gestione tramite Dma. La famiglia F1 è suddivisa nelle seguenti linee di dispositivi:
- Value line STM32F100 - 24 MHz Cpu
- Access line STM32F101 - 36 MHz Cpu, fino a 1 Mbyte Flash
- Usb access line STM32F102 - 48 MHz Cpu con USB FS
- Performance line STM32F103 - 72 MHz, fino 1 Mbyte Flash
- Connectivity line STM32F105/107 - 72 MHz Cpu con Ethernet Mac e Usb 2.0 Otg.
La famiglia L1 estende la famiglia F1 per applicazioni ultra-lowpower con frequenza di Cpu fino a 32MHz, minimo consumo di 0.27uA e consumo dinamico di 230uA/MHz. La famiglia F2 è caratterizzata da un alto grado di integrazione delle memorie combinando flash fino a 1 Mbyte e Sram fino a 128 kbyte associate a un acceleratore hardware per funzioni crittografiche Aes128, a Ethernet Mac, Usb 2.0 HS Otg e una Cpu Cortex-M3 con clock fino a 120 MHz. La famiglia F4 estende la F2 per mezzo di dimensioni maggiori di Sram, fino a 192 kbyte, e di una Cpu Arm Cortex-M4 con clock fino a 168 MHz caratterizzata da un set d'istruzioni dedicate per il Dsp e dall'integrazione dell'unità di calcolo a virgola mobile che aumenta in modo sensibile la già alta potenza di calcolo.
