Le smart grid sono ormai universalmente riconosciute essere le reti di distribuzione di energia che risponderanno alle sfide energitiche del prossimo futuro. Il concetto di Smart Grid non racchiude solamente il puro trasporto di energia elettrica, ma un completo redesign del concetto di distribuzione dell'energia, per una produzione e un trasporto di energia nettamente più efficiente. Le Smart Grid sono integrate con un sistema di trasmissione dati “sicuro” che permette di controllare la dinamica delle curve domanda offerta di energia. L'aspetto della sicurezza dei dati è fondamentale, considerando i potenziali danni che gli Hackers possono causare a reti di questo tipo. Le Smart Grid rispondono inoltre alla domanda di riduzione delle emissioni di monossido di carbonio e permettono una felice integrazione delle sorgenti di produzione energetica rinnovabile con le sorgenti tradizionali. La situazione odierna è infatti molto lontana dall'integrazione efficiente e molto spesso l'energia rinnovabile incrementa i costi totali di gestione della rete.
Contatori intelligenti al centro del sistema
Negli ultimo decennia la domanda di contatori intelligenti è cresciuta in maniera repentina. Tramite questi contatori le aziende operanti nel settore della produzione e della distribuzione di energia sono in grado di gestire intelligentemente i carichi di domanda “crescenti” sulla rete. I contatori intelligenti, attori di primo piano nelle smart grid, sono usati dalle Utility energetiche per raccogliere i dati di consumo energetico in real-time e per aggiornare il prezzo dell'energia in funzione del rapport domanda/offerta disponibile sulla rete in uno specifico momento. Alcuni dei fattori critici per uno Smart Meter sono: accuratezza della misura accompagnata dall'affidabilità e flessibilità della soluzione (per esempio una piattaforma che possa funzionare sia come monfase che trifase…), la sicurezza e flessibilità degli standard di comunicazione supportati, i livelli di sicurezza (Antitamping Hw, sicurezza Sw con Secure Flash, certificazione Welmec compliance), un real-time calendar accurato. Il tutto con target di costo estremamente aggressivi, in relazione ai volumi in gioco. La gamma di microcontrollori da 8 e 32 bit di Freescale offre la risposta a questi requisiti. Mentre i dispositivi a 8 bit rappresentano la soluzione più “cost-effective” per i contatori monofase i 32 bit 32-bit Coldfire MCF51EM256, assieme alla nuova famiglia Kinetis basata su Core ARMCortex- M4 rispondono alle esigenze dei contatori monofase e trifase più sofisticati. Con un'attenzione particolare agli obiettivi di costo della soluzione. Il microcontrollore MCF51EM256 integra due banchi di memoria Flash sicura da 128Kb ciascuno e un convertitore Adc 16 bit con alta accuratezza di conversione. Il dispositivo è complementato da sistema anti-tamping e Rtc con funzione calendario totalmente integrata. L'Lcd controller ha una modalità di funzionamento che permette di rinfrescrare il display del contatore anche quando il micro è in stand-by, riducendo notevolmente i consumi energetici. La famiglia di microcontrollori Kinetis basata su Core Arm Cortex- M4 rappresenta invece la piattaforma che, oltre ad integrare molti degli IP già inseriti nel micro MCF51EM256, offre un'ampia flessibilità sul taglio di memoria (da 32Kb sino a 1Mb). Freescale ha sviluppato diverse reference board che permettono ai progettisti di ridurre il tempo di sviluppo di uno Smart Meter. Questi reference designs sono completamente “aperti” e offrono la completa Bill Of Material, file Gerber, schematici e codici sorgente degli algoritmi di misura. Il sistema operativo MQX di Freescale complementa l'offerta, fornendo un sistema operativo real time senza costi ulteriori per gli sviluppatori che lavorano sulle sue piattaforme. Questo Rtos è stato usato in molte delle reference board sviluppate da Freescale. La sicurezza nella metrologia è un altro fattore estremamente critico. Freescale ha recentemente presentato una soluzione per il mercato dei meter prepagati. Questa reference design contiene la comunicazione Nfc (Near Field Communication) e un chip di sicurezza conforme alle norme VaultIC. In aggiunta, la sicurezza fisica dello smart meter può essere incrementata con sensori di accellerazione (Tilt Sensor).
La comunicazione wired e wireless
Gli smart meter spediscono i dati sul consumo energetico alle utilities e ricevono informazioni dalle stesse riguardo alle tariffe. Il network di comunicazione dati viene identificato come Nan (Neighborhood Area Network) e ha lo scopo di connettere il meter con il più vicino punto di concentrazione dei dati, tipicamente sito nelle sottostazioni di trasformazione. Freescale ha sviluppato soluzioni e reference design sia per la comunicazione wired (Power Line Communication) che per quella wireless. Ma, dato l'alto livello di incertezza sulla standardizzazione nel campo della comunicazione, Freescale propone una libreria software che implementa physical layers differenti garantendo il massimo della flessibilità di progetto ai suoi clienti. Tutti gli standard emergenti sono supportati nelle librerie software. All'interno della case e degli edifici si stanno affermando le Han (Home Area Network) che permettono di visualizzare in real-time le informazioni sulle tariffe energetiche e di gestire in maniera intelligente gli oggetti “smart” di prossima generazione. Esempi di questi oggetti sono gli elettrodomestici, i termostati programmabili, i pannelli solari, i veicoli elettrici. Freescale fornisce soluzioni basate su Zigbee, Wireless M-Bus e altri protocolli. Dal punto di vista hardware Freescale ha incrementato il valore aggiunto del prodotto integrando in un unico chip sia il microcontrollore che la parte radio e molto della logica necessaria al funzionamento della stessa. Queste soluzioni sono delle proprie “Platform In Package” e vanno dall'MC13226 (Zigbee) basato su core Arm e con 128Kb di Flash all'MC12311 (Wireless M-Bus) che integra un core 8 bit low power consumption con un transceiver Ism (<1GHz). Alla fine del 2011 Freescale ha anche annunciato delle partnership con Qualcomm per sviluppare una soluzione conforme allo standard HomePlug Green Phy. La funzionalità del blocco Hem (Home Energy Management) all'interno della rete smart grid è di essere un gateway tra la rete Han e il mondo esterno (tipicamente con una comunicazione Ethernet verso l'esterno). All'interno dell'Home Energy Management esiste tipicamente un display che permette all'utente di interagire in modo attivo con il meter e la smart grid selezionando le preferenze di utilizzo degli elettrodomestici in base alle tariffe proposte o alla preferenza nell'uso di energia rinnovabile. Le reference boards per HEM è basata sui microprocessori i.MX283 (ARM 9) e Power Architecture MPC8308. Il processore i.MX283 fornisce la capacità di calcolo necessaria per gestire differenti protocolli di comunicazione e data-base di dati, unita a un controllore grafico integrato per pilotare display o tablet industriali. HEM supporta i sistemi operative Linux, Windows Embedded, JVM e OSGI. Freescale propone una soluzione molto competitiva dal punto di vista dei costi anche per l'In-Home Energy Display con una reference board realizzata intorno al microprocessore Kinetis MK40 (Cortex CM4). Il display comunica con il contatore elettrico e fornisce informazioni real-time sul consumo elettrico e suggerimenti su un utilizzo “virtuoso” dell'energia in casa. Diverse informazioni possono essere visualizzate sul display (costo dell'energia, emissioni di CO2). La comunicazione con il contatore avviene tramite protocolli wireless (Zigbee o Wireless M-Bus).
Il concentratore per la raccolta dei dati
Il concentratore ha la funzione principale di raccogliere i dati che arrivano dai diversi contatori intelligenti e di trasmetterli alla centrale. Si tratta di un'applicazione molto simile alle centrali di comunicazione digitale per telefonia. Freescale, grazie alla sua posizione di leadership nel mercato del networking, offre più di una soluzione in grado di rispondere alle differenti esigenze dei concentratori. I microprocessori QorIQ della serie P102x, gli MPC8308 e la famiglia i.MX28x (ARM9) sono adatte alla funzione. Esistono reference board di Freescale orientate alla funzione di concentratore per ognuno di questi dispositivi. Recentemente è stata anche presentata una reference board basata su QorIQ P1025 che implementa la funzione di comunicazione e controllo real-time bidirezionale tramite l'integrazione delle specifiche DLMS (IEC 62056).
