Orologi elettronici basati su frequenza di rete

[Rossi]

Buongiorno a tutti.

 

Molti di voi probabilmente sono a conoscenza del fatto che, durante i primi mesi del 2018, il valor medio della frequenza di rete è stato significativamente al di sotto dei 50 Hz. Questo ha comportato un ritardo negli orologi che ancora basano il loro asse temporale sul 50 Hz prelevato dall'alimentazione, accumulando un ritardo superiore ai 5 minuti.

 

Personalmente, pensavo che non fosse quasi più diffusa come pratica; invece ho notato che è molto comune, soprattutto negli elettrodomestici. C'è una ragione per cui questa soluzione è preferita al quarzo? è puramente economica, o ci sono delle motivazioni tecniche (come ad esempio la dipendenza frequenza-temperatura del quarzo)?

 

Grazie e buona giornata 

 

[Livio Orsini]

39 minuti fa, Rossi scrisse:

è puramente economica, o ci sono delle motivazioni tecniche (come ad esempio la dipendenza frequenza-temperatura del quarzo)?

 

Oltre alle motivazioni economiche ci sono motivazioni tecniche non trascurabili.

 

La frequenza di rete, salvo condizioni particolari assolutamente anomale, tende ad oscillare nell'intorno dei 50Hz; in un periodo medio - lungo, qualche mese, l'errore medio è molto prossimo allo zero.

Un oscillatore al quarzo tende a derivare sempre in un senso, considerando anche che le variazioni di temperatura in ambiente domestico risultano essere piuttosto ridotte.

Nel lungo periodo lo scostamento di tempo tenderà a ritardi o anticipi visibili.

Ci sono tecniche per minimizzare questi scostamenti, come negli orologi al quarzo di buona qualità, ma questo fa crescere il costo dell'oscillatore.

 

Quindi la tendenza, per orologi che non sono certo standard di tempo, è quella di usare la rete come segnale di riferimento.

[Riccardo Ottaviucci]

3 ore fa, Livio Orsini scrisse:

Quindi la tendenza, per orologi che non sono certo standard di tempo

leggasi radiosveglie

[Rossi]

Interessante. Grazie. Immaginavo una cosa del genere.

 

Analizzando il comunicato di ENTSO-E, si legge che "gli operatori di rete attueranno dei programmi al fine di correggere la deviazione temporale" (cosa che hanno fatto in effetti). Deve essere stato un problema non da poco.

 

Rincuora sapere che, qualora il mio forno fosse in ritardo (o in anticipo), TERNA cambierà i set point di regolazione della frequenza per ripristinare l'orario corretto 😁

 

[Livio Orsini]

La frequenza della rete dipende dalla velocità di rotazione degli alternatori.

La perdita di velocità può dipendere o dal motore primario, che in genere è una turbina, o da un improvviso sovraccarico non compensato.

Secondo l'articolo sembrerebbe che sia stato causato da un cortocircuito che ha sovraccaricato la rete europea.

Può essere che ci sia stata una diminuzione di frequenza per un certo tempo. Ovviamente non essendo un'oscillazione questo calo non è stato compensato da un corrispondente aumento. Gli orologi che in pratica sono degli integratori, hanno integrato l'errore istantaneo protratto per un periodo significativo; risultato: orologi in ritardo.

 

Oggi però è abbastanza economico disporre di un orologio casalingo sincronizzato ad uno standard primario di frequenza come, ad esempio, quello dell'istituto Galileo Ferraris di Torino, che manda i segnali di sincronismo via radio.

Io ho quello della piccola stazione meteo casalinga che mi funge da standard per tutti gli orologi di casa.

[Rossi]

Mi è chiaro. Trovo sorprendente come, nelle settimane successive al problema, gli operatori abbiano attuato delle misure per correggere il ritardo (per quanto si può dedurre dal comunicato, hanno impostato i regolatori in modo da avere una frequenza media superiore ai 50 Hz, fino all'azzeramento del ritardo).

 

Questo sembra essere confermato dall'integrale:

 

Chi si è accorto del problema e ha risistemato l'orologio del forno, si è trovato con l'orologio avanti di 6 minuti alla fine (senza considerare che siamo passati all'orario legale nel frattempo).

 

Sarei curioso di capire se la ragione della correzione è esclusivamente la compensazione del ritardo degli orologi (dal comunicato sembra essere così in effetti), oppure se c'è qualche altro motivo. Tuttavia, non è questo il forum più adatto.

Se vi può interessare, ho provato a calcolare velocemente anche il 2017. Non si supera mai il minuto di errore: evviva gli orologi basati su frequenza di rete!! 

 

 

 

 

 

[gabri-z]

Vendi orologi f.rete o sei preoccupato del tempo di cottura della bistecca ?

[Rossi]

In realtà la deviazione media è stata di 3 mHz, quindi le mie bistecche (che tendenzialmente non faccio al forno) avranno cotto per qualche centesimo di secondo in più 😋. 

 

Probabilmente è un business non da trascurare, anche se con le rinnovabili la frequenza diventerà sempre più ballerina.

[Livio Orsini]

15 minuti fa, Rossi scrisse:

anche se con le rinnovabili la frequenza diventerà sempre più ballerina.

 

Se riversi in rete l'energia in eccesso, l'inverter è comunque sincronizzato in fase con la rete.

 

Solo se l'impianto di foto generazione o eolico, è completamente sganciato dalla rete può avere derive differenti.

[Rossi]

2 ore fa, Livio Orsini scrisse:

Solo se l'impianto di foto generazione o eolico, è completamente sganciato dalla rete può avere derive differenti.

 

Mi riferivo a scenari futuri in cui la generazione "rotante sincrona" potrebbe essere inferiore e, senza le dovute cautele, sarà meno efficace la regolazione in frequenza. Rispetto a qualche anno fa, la frequenza "oscilla" sensibilmente di più (è sufficiente confrontare le misure di frequenza di 2016 e 2017). Oggi, i piccoli generatori (soprattutto quelli basati su interfaccia di conversione elettronica) non partecipano ai servizi di regolazione della frequenza, se non in casi di emergenza.

[Livio Orsini]

3 ore fa, Rossi scrisse:

Oggi, i piccoli generatori (soprattutto quelli basati su interfaccia di conversione elettronica)

 

Per mettere in parallelo alla linea qualsiasi generatore è indispensabile che il generatore sia esattamente isofase con la linea.

Se il generatore è isofase è, per definizione, anche isofrequenza.

 

Chiunque in vita sua abbia effettuato almeno un parallelo tra 2 generatori, o tra un generatore e la rete elettrica, sa bene a quali problemi potrebbe andare incontro se non c'è la condizione di isofase.

 

Negli inmpianti FV collegati alla rete elettrica l'inverter ha un circuito di sincrofasatura con la rete; anzi nel caso in cui per un guasto o altro perdesse il sincronismo avviene l distacco automatico.

Idem per i generatori eolici e idrici.

[Rossi]

Devo essermi spiegato male. Non mi riferivo alla regolazione di frequenza per l'inseguimento della fase (come avviene con l'impiego di PLL e FLL), ma alla regolazione di frequenza operata a livello di rete: ovvero tutti quei controlli che a fronte di una perturbazione della frequenza di rete vanno ad agire sullo lo scambio di potenza (attiva o reattiva) dei generatori (o carichi). I servizi a cui mi riferisco sono (in ordine di attivazione):

• supporto inerziale (controllo derivativo) 
• regolazione primaria di frequenza (controllo proporzionale)
• regolazione secondaria di frequenza (controllo integrale-proporzionale)
• regolazione terziaria di frequenza (controllo manuale - ottimo)

e la loro sequenza mantiene la rete attorno i 50 Hz.

 

Gli impianti FV, se la potenza disponibile è 10 kW, immagino iniettino 10 kW a 50 Hz come a 50.05 Hz. Un impianto di generazione convenzionale (accoppiato alla rete per mezzo di macchina sincrona), a fronte di una disponibilità primaria di 10 kW, inietterà una potenza istantanea che dipende dalla frequenza, dalla derivata della frequenza, dall'integrale della frequenza, etc.

 

Con l'incremento delle rinnovabili, la riserva di generazione convenzionale potrebbe non essere sufficiente per garantire una regolazione efficace della frequenza. Per questo immagino che, un giorno, i suddetti servizi saranno richiesti anche agli impianti FV.

 

[Livio Orsini]

7 ore fa, Rossi scrisse:

Con l'incremento delle rinnovabili, la riserva di generazione convenzionale potrebbe non essere sufficiente per garantire una regolazione efficace della frequenza.

 

 

 

Non credo che questa tua teoria sia valida.

Tutti i generatori che riversano energia nella medesima maglia devono essere isofasi per definizione.

Analizzare le variazioni di frequenza possibili, la loro influenza reciproca in funzione dei carichi è un fenomeno molto complesso e non è possiible annalizzarlo in modo semplice e banale.

 

Comunque staremo a vedere in un prossimo futuro quello che accadrà

 

[Rossi]

Sicuramente non è una cosa semplice o banale, sta di fatto che ci sono anelli di regolazione della frequenza esterni agli impianti (nel caso italiano, sono integrati negli SCADA di TERNA) in cui gli impianti FV non sono inclusi oggigiorno. In particolare, è di vitale importanza la regolazione secondaria (proporzionale integrale) che transitoriamente annulla l'errore di frequenza riportando quest'ultima a 50 Hz. (in realtà, sono d'accordo, è più complicato, perché la regolazione secondaria ripristina anche gli scambi di potenza sulle linee transfrontaliere).

 

Provate a fare una rete in cui l'alimentazione è fornita da soli FV per cui è richiesta la sola condizione di isofase se ci riuscite. Provate invece ad integrare nel vostro sistema di controllo (sia locale sugli FV, sia centrale su uno SCADA) le regolazioni elencate sopra, poi ne possiamo riparlare.

 

La condizione di isofase è valida in condizione di regime stazionario. Transitoriamente la fase (e quindi la frequenza) di generatore e punto di connessione divergono per il semplice fatto che i PLL degli FV non hanno banda infinita e i generatori rotanti hanno un'inerzia meccanica. A fronte di un gradino di frequenza, gli FV avranno qualche prurito, ma continueranno a fornire la loro potenza massima. I gruppi rotanti, variando la velocità dei rotori, accumuleranno/perderanno parte della loro energia cinetica, determinando (a parità di fonte primaria) una variazione transitoria di potenza iniettata.

[Livio Orsini]

2 ore fa, Rossi scrisse:

Provate a fare una rete in cui l'alimentazione è fornita da soli FV per cui è richiesta la sola condizione di isofase se ci riuscite. Provate invece ad integrare nel vostro sistema di controllo (sia locale sugli FV, sia centrale su uno SCADA) le regolazioni elencate sopra, poi ne possiamo riparlare.

 

Sincronizzare in fase 2 inverters sinusoidali l'ho realizzai, per la prima volta, circa 40 anni fa. Con le tecnologie oggi disponibili sicuramente mi risulterebbe più semplice e preciso.

 

2 ore fa, Rossi scrisse:

Transitoriamente la fase (e quindi la frequenza) di generatore e punto di connessione divergono per il semplice fatto che i PLL degli FV non hanno banda infinita e i generatori rotanti hanno un'inerzia meccanica.

 

Questa è una verità lapalissiana, valida per tutte le regolazioni ad anello chiuso. Infatti si indica sempre la precisione a transitorio esaurito, si indica anche il massimo errore istantaneo e la risposta al gradino. Non credo sia il caso di dilungarmi. Dopo quasi mezzo secolo, in cui mi sono occupato professionalmenti di regolazioni ad anello chiuso affrontando parecchi campi applicativi (dalla sintesi di freqeunza PLL, ai sistemi di controllo avionico sino ai sitemi di controllo industriale), credo di capirne almeno un poco di queste problematiche.

 

Comunque non ho nessuna intenzione di proseguire con questa diatriba.

[Rossi]

Ci mancherebbe. Non desideravo creare una diatriba, e non era assolutamente mettere in dubbio l'esperienza delle persone (soprattutto se con un bagaglio confrontabile con quello di Livio). Chiedo perdono se ho dato questa impressione.

 

Devo essermi nuovamente spiegato male e mi assumo la responsabilità di questo fuori tema: cerco di recuperare l'argomento originario.

Volevo solo dire che la frequenza è 50 Hz  perché ci sono dei sistemi di controllo (centralizzato e non) che mantengono il sistema stabilmente attorno a quel valore. Gli FV (oggi) non partecipano a questa regolazione. Questo non vuol dire che sono gli FV a causare le pendolazioni di frequenza, ma piuttosto la diminuzione della generazione convenzionale (che a parità di carico è inevitabile).

Se l'azione di questo controllo dovesse diminuire (per qualsiasi ragione, non solo l'aumento di FV), le oscillazioni di frequenza aumenterebbero in ampiezza, e di conseguenza gli orologi basati su frequenza di rete risulterebbero meno affidabili in modo proporzionale. Fortunatamente (?), grazie ad interventi manuali, i nostri cari operatori di rete fanno in modo che queste oscillazioni abbiano valore medio nullo.

 

5 ore fa, Livio Orsini scrisse:

Comunque staremo a vedere in un prossimo futuro quello che accadrà

 

[fisica]

io da 30 anni ho la sveglia della Oregon sincronizzata con l'orologio atomico della Nord Corea, se l'enel decidesse di mandarmi in rete una bella DC funzionerebbe lo stesso, ha l'alimentatore switching!

[one25]

Secondo me i motivi per mantenere gli orologi sincronizzati sono 2:

* uno che è stato già presentato e che periodicamente i grandi produttori aggiustano la frequenza utilizzando come riferimento orologi atomici

* altro che secondo me, i produttori di apparecchiature fanno delle migliorie ai prodotti ma tendono a mantenere spesso principi dimostrati funzionali e non rischiano di fare minime modifiche.

La riduzione dei costi arriva fino al risparmiare sul quartz, che dovrebbe essere selezionato per avere precisione e quindi lasciano perdere questa soluzione, anzi mettono un risonatore ceramico.

 

In quanto riguarda la generazione dell'energia elettrica, si che 2 inverter si possono sincronizzare, ma quale dei 2 sarebbe il riferimento ?

Se abbiamo acceso uno da 1kW e poi accendiamo uno da 10kW quale segue quale ? Finché la potenza dei pannelli è inferiore alla rete esistente, è facile seguire la fase, ma se fossero tanti produttori piccoli di elettricità allora sarebbe più facile che si verifichino delle variazioni di frequenza..

Secondo me nel futuro i grandi produttori dovranno mantenere la sincronizzazione con un riferimento universale (come adesso) ma i piccoli saranno incoraggiati verso soluzioni tipo isola con accumulo locale e immettere meno energia possibile in rete. Che io sappia, negli Stati Uniti stanno già andando in questa direzione.

[one25]

14 minuti fa, fisica scrisse:

io da 30 anni ho la sveglia della Oregon sincronizzata con l'orologio atomico della Nord Corea, se l'enel decidesse di mandarmi in rete una bella DC funzionerebbe lo stesso, ha l'alimentatore switching!

Lasciando a parte lo scherzo

chiaro che funzionerebbe, perché la sveglia ha dentro un quarzo  😂

[fisica]

eh no, potrebbe non funzionare, con certi tipi di alimentatori! Inoltre non so cosa ci sia dentro, ma potrebbe anche esserci un oscillatore RC, visto che il sistema viene continuamente allineato alle centrifughe atomiche in iran...  😁

[Livio Orsini]

2 ore fa, one25 scrisse:

In quanto riguarda la generazione dell'energia elettrica, si che 2 inverter si possono sincronizzare, ma quale dei 2 sarebbe il riferimento ?

 

Uno a caso., l'altro seguirebbe.

Nel caso che ho citato la freqeunza non era fissa a 50Hz, ma variava tra zero e 400 Hz. La scelta del pilota era dovuta alle caratteristiche dell'apparato in cui erano inseriti gli inverters.

La maggiore o minore potenza non ha nessuna influenza sulla scelta del pilota.

Addirittura, volendo esagerare in precisione, è possibile usare un riferimento di freqeunza esterno ai 2 o più inverters, magari partire da un oscillatore quarzato sincronizzato da uno standard primario di frequenza.

 

Comunque la legge Italiana, conforme alle direttive Europee ed agli standard mondiali, stabilisce che la deviazione della frequenza di rete deve essere contenuta entro +/-2%; per una rete a 50Hz nominali significa che la frequenza può essere compresa tra 49hz e 51hz.

 

16 minuti fa, fisica scrisse:

ma potrebbe anche esserci un oscillatore RC, visto che il sistema viene continuamente allineato alle centrifughe atomiche in iran..

 

In genere questi orologi hanno un risuonatore ceramico e l'oscillatore è sincronizzato da standard primari di freqeunza che trasmettono i segnali di sincronizzazione su onde lunghe (se ricordo bene).

La mia stazione Oregon Scientific (che è una mezza porcata) è sincronizzata da un geenratore campione che trasmette da Monaco di Baviera.

 

 

Nella mia lunga e, soprattutto, variegata carriera professionale mi capitò in gioventù, di dover progettare un oscillatore a 29Mz, in cui la deviazione totale di freqeunza dova essere <= +/- 1/10⁷ Che significava +/- 2.9 Hz di errore totale dovuto alle derive ed alle variazioni di temperatura e carico.

La parte più difficile, oltre al reperimento del quarzo adatto, fu nel mantenere la temperatura dell'oscillatore nell'intorno della temperatura di derivata minima della funzione freqeunza - temperatura del quarzo.

I quarzi hanno un andamento sinusoidale dove i 2 punti di inversione sono a circa 25°C, frequenza minima, e circa 75°C, frequenza massima. Ogni quarzo ha la sua curva particolare che presenta piccole variazioni, +/-2°C circa, dei punti di inversione.

Dal punto di vista della praticità era conveniente mantenere tutto l'oscilaltore alla temperatura di freqeunza massima; dal punto di vista dell'affidabilità la scelta migliore era quella della frequenza minima.

Inizialmente si pensò ad una celal di peltiè come elemento raffrescante/riscaldante, ma le difficoltà pratiche e le dimensioni dell'apparato fecero cassare questa scelta e si optò per la frequenza massima.

[Rossi]

2 ore fa, one25 scrisse:

In quanto riguarda la generazione dell'energia elettrica, si che 2 inverter si possono sincronizzare, ma quale dei 2 sarebbe il riferimento ?

Se abbiamo acceso uno da 1kW e poi accendiamo uno da 10kW quale segue quale ? Finché la potenza dei pannelli è inferiore alla rete esistente, è facile seguire la fase, ma se fossero tanti produttori piccoli di elettricità allora sarebbe più facile che si verifichino delle variazioni di frequenza..

 

Ci sono più possibilità. Una di queste, è quella dell'inverter prevalente (che funziona come un generatore di tensione a frequenza fissa). Poi si testano altre logiche: una tecnica interessante è quella di controllare gli inverter con logiche di controllo che scimmiottano il comportamento di un generatore sincrono meccanico (Virtual Synchronous Generator), completo di regolazione automatica della frequenza (risposta inerziale alle variazioni veloci di frequenza, cambio della potenza iniettata in funzione della frequenza, etc.). Chiaro che si perdono i benefici del generare nel punto di massima potenza.

 

3 ore fa, one25 scrisse:

periodicamente i grandi produttori aggiustano la frequenza utilizzando come riferimento orologi atomici

In realtà i produttori non hanno bisogno di nessuna misura temporale. La regolazione della frequenza viene effettuata sulla base di set-point di potenza (non di frequenza) mandati da TERNA. Poi sicuramente avranno anche loro orologi estremamente precisi, ma (credo) per altri scopi (i.e. la misura dei sincrofasori).

 

3 ore fa, one25 scrisse:

i piccoli saranno incoraggiati verso soluzioni tipo isola con accumulo locale e immettere meno energia possibile in rete

Potrebbe essere una possibilità. Si stanno studiando comunque architetture di regolazione centralizzate (di frequenza, di tensione), che includono anche interazioni con il mercato elettrico, in cui anche i più piccoli produttori possono fornire i servizi di supporto alla stabilità della rete (anche al posto della generazione convenzionale). In Italia stanno facendo dei test con dei fotovoltaici nella zona di Forlì/Cesena (e-distribuzione) e con dei piccoli idroelettrici in Alto Adige (EDYNA).

 

 

Tornando all'oggetto della discussione, il "disciplinamento" di  un oscillatore è una pratica comune. Ho citato prima i sincrofasori, che misurano le grandezze elettriche e stimano il fasore (modulo, fase, frequenza, variazione di frequenza) secondo un riferimento di tempo assoluto (gli operatori di rete li utilizzano per avere delle misure simultanee in diverse posizioni della rete). Questi utilizzano oscillatori al quarzo, la cui frequenza di oscillazione viene corretta via firmware utilizzando il segnale fornito dal GPS (il cui funzionamento si basa su orologi atomici).

 

Ora, con la mania dell'internet of things (per cui anche l'asciugacapelli sarà connesso), si potrebbe davvero pensare di utilizzare l'NTP dell'INRIM (è lo stesso suggerito da Livio?).

 

Infine, ultime notizie (informali) da TERNA: le misure implementate per ripristinare il ritardo dei 5/6 minuti, sono state effettuate con il solo scopo di ripristinare i ritardi negli orologi elettronici!!!

 

 

[Rossi]

Qualora interessasse a qualcuno il problema dei ritardi sugli orologi basati su frequenza di rete, segnalo https://www.entsoe.eu/news/2018/07/09/frequency-deviations-in-continental-europe-originating-from-kosovo-started-again-technical-measures-kicked-off-to-keep-time-delay-below-60-seconds/