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INTERRUTTORE AUTOMATICO VD4 EVO PER LA PROTEZIONE DEGLI IMPIANTI DI DISTRIBUZIONE PER UN FUTURO PIÙ INTELLIGENTE ED ECOLOGICO
Scardinare la consuetudine
Combinando i progressi delle tecnologie digitali ed ecologiche per offrire un ottimo livello di sicurezza e protezione, il nuovo interruttore automatico (CB) VD4 evo (Immagine 1) di ABB si basa sul successo comprovato del VD4. Il modello basato su algoritmi consente la manutenzione predittiva e basata sulle condizioni per garantire l'affidabilità e una maggiore durata di vita; la sicurezza, la connettività e la cybersecurity sono garantite.
Immagine 1 Il VD4 evo è la nuova versione dell'interruttore in vuoto per indoor VD4 di ABB. Questo dispositivo intelligente può ridurre il rischio di interruzioni di corrente del 30% e aumentare l'efficienza delle operazioni e della manutenzione fino al 60%, migliorando così l'OpEx.
In linea con il concetto emergente di smart grid, in cui il flusso di energia e la comunicazione sono bidirezionali, il ruolo del CB MT si sta evolvendo. Questi dispositivi non sono più utilizzati semplicemente per la protezione, ma sono apparati proattivi in grado di interagire con le principali entità elettriche specifiche dell'impianto e di coordinare le operazioni. La richiesta sempre più pressante da parte delle aziende di servizi pubblici e dell'industria privata di una maggiore continuità del servizio e di una migliore qualità dell'approvvigionamento energetico porta a ulteriori requisiti: la capacità di gestire i flussi di energia generati da fonti energetiche rinnovabili di input variabile, ad esempio le risorse energetiche distribuite (DER), lo stoccaggio aggiuntivo e l'elettrificazione dei trasporti (Immagine 2).
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I profondi cambiamenti nelle modalità di generazione e distribuzione dell'energia elettrica vanno di pari passo con i notevoli progressi nel controllo e nella protezione della rete.
Immagine 2 Le fonti di energia rinnovabili, come le turbine eoliche illustrate, richiedono la capacità di gestire i flussi di energia a causa della variabilità degli input.
Questi profondi cambiamenti nelle modalità di generazione e distribuzione dell'energia elettrica vanno di pari passo con i notevoli progressi nello sviluppo dei componenti di controllo e protezione della rete, con la crescita dell'uso di sistemi di sensori elettronici per la raccolta dei dati e con l'applicazione di analisi avanzate. La combinazione di queste innovazioni potrebbe contribuire a rendere la rete elettrica più intelligente, robusta e affidabile, nonché efficiente in termini di energia e manutenzione, migliorando al contempo la sicurezza e la protezione.
Riconoscendo le opportunità di questa convergenza, ABB ha riesaminato il suo CB VD4 tradizionale, ma di grande successo. Con oltre 2 milioni di unità installate, questo CB interno a vuoto con attuatore meccanico (meccanismo a molla) è destinato alla distribuzione primaria fino a 46 kV, 4.000 A, 63 kA. ABB si è chiesta se fosse possibile offrire agli utenti finali i vantaggi delle nuove tecnologie digitali ed ecologiche, continuando a garantire lo straordinario livello di sicurezza e protezione del VD4. L'innovativo VD4 evo CB è la risposta di ABB: un sistema di protezione intelligente che si basa sul successo del VD4 CB per creare una soluzione più sicura, più connessa, cyber-sicura e sostenibile.
Diagnostica e protezione per la smart grid di MT del futuro
La nuova famiglia VD4 è progettata per fornire protezione e controllo a cavi, linee aeree, sottostazioni di distribuzione, motori, trasformatori, generatori e banchi di condensatori. Questa nuova generazione di CB considera lo stato dell'alimentazione elettrica (tensione, frequenza, componenti armoniche, ecc.) e le condizioni del carico (valori di corrente, spostamento, ecc.) nel controllo e nell'esecuzione dei comandi, consentendo così di ottimizzare l'interruzione della corrente, la durata meccanica ed elettrica adattando il loro comportamento alle condizioni del sistema elettrico [Rif. 1-2].
Con un miglioramento dell'efficienza fino al 60%, una riduzione del 30% delle interruzioni impreviste e un aumento del 15% della compattezza, il VD4 evo migliora il funzionamento grazie alle funzioni di monitoraggio e diagnostica integrate. I sensori non solo monitorano e analizzano continuamente lo stato operativo, ma comunicano anche questo stato, visualizzato su un'interfaccia uomo-macchina (HMI) in sede. Integrando nuovi componenti, funzioni di controllo e diagnostica e introducendo nuovi servizi nella gestione del ciclo di vita del VD4, è possibile intraprendere azioni di recupero mirate e una manutenzione predittiva e basata sulle condizioni [Rif. 3]. In questo modo, l'affidabilità viene migliorata, con conseguente allungamento della vita utile e limitazione dell'impatto sulla rete elettrica.
Migliorare le operazioni di MV CB
I sensori integrati ad alta tecnologia incorporati nel CB sono gli "occhi e le orecchie" della nuova famiglia di CB VD4 evo. Per la prima volta sono disponibili a bordo dell'apparecchio sensori dedicati al monitoraggio di vari parametri: meccanici, ad esempio, profilo di moto, vibrazioni; elettrici, ad esempio, corrente, tensione, temperatura e altri segnali rilevanti.
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VD4 evo migliora le operazioni grazie alle funzionalità di monitoraggio e diagnostica integrate.
I sensori raccolgono costantemente dati relativi al funzionamento che consistono sia in parametri "continui", ad esempio la temperatura e la corrente CA primaria, sia in parametri "su evento", ad esempio le vibrazioni durante la chiusura o l'apertura di un'operazione. Inoltre, le informazioni possono essere condivise con il dispositivo intelligente all'interno dell'unità di controllo e monitoraggio (CMU) del CB, il cuore delle funzioni di monitoraggio e diagnostica (M&D) del VD4 evo.
CMU e Piattaforma Maxwell
La CMU del VD4 evo è basata su Maxwell, la piattaforma proprietaria di ABB progettata specificamente per supportare M&D e ABB Ability™. Questa soluzione consente di raccogliere, elaborare e analizzare i dati provenienti da sensori o altri dispositivi intelligenti. L'importante architettura Maxwell di ABB si basa su un design modulare (Immagine 3):
- System on Module (CPUM), in cui sono stati sviluppati il sistema operativo Linux embedded e interfacce analitiche e utente personalizzate in base ad applicazioni specifiche.
- Carrier Board che fornisce un alloggiamento dedicato per le interfacce hardware adeguate ai requisiti di ciascuna applicazione specifica: gestione dell'alimentazione, interfacce di comunicazione upstream/downstream, ad esempio connettività seriale e wireless, I/O. (Immagine 3a).
Grazie a capacità di comunicazione più avanzate, è possibile garantire il monitoraggio a distanza e una risposta tempestiva agli eventi critici. Comunicando con i sistemi di automazione e controllo, ad esempio con il sistema di supervisione e acquisizione dati (SCADA) ABB Ability™ zenon, per implementare la necessaria protezione correttiva, si riducono al minimo gli impatti negativi sulle altre parti della smart grid, si garantisce l'efficienza e l'affidabilità, si riducono i tempi di interruzione e si migliora la continuità energetica (Immagine 3b).
Immagine 3 Schema a blocchi che indicano l'architettura di VD4 evo e CMU e le interazioni e le connessioni importanti.
3a Lo schema illustra l'hardware e il software e le interfacce per ogni specifica esigenza applicativa.
3b La CMU è basata su Maxwell di ABB e ha una struttura modulare; è stata progettata per supportare M&D e ABB Ability™.
Le immagini dalla 4 alla 6 sono tratte da questo video sul VD4 evo.
Il concentratore per il monitor e la diagnostica
Poiché la raccolta rapida dei dati non è sufficiente, il concentratore intelligente del VD4 evo elabora i dati, aggregando e inoltrando le informazioni ricevute dai sensori, ad esempio i parametri misurati continuamente in tempo reale o periodicamente (Immagine 4). Utilizzando algoritmi specifici, il dispositivo cerca anomalie o problemi nell'interruttore, ad esempio sovratemperature o altri comportamenti anomali. Sulla base delle informazioni elaborate, il dispositivo intelligente diagnostica le condizioni del CB e fornisce avvisi di allarme o segnalazioni di eventuali situazioni critiche che richiederebbero un intervento immediato.
Immagine 4 Il concentratore, qui raffigurato, è abbastanza piccolo da poter essere inserito nella versione più compatta del demolitore e garantisce che la tecnologia VD4 evo sia a prova di futuro.
Il "cuore" digitale del VD4 evo consente inoltre la connessione diretta al sistema di health management del CB [Rif. 3]: CMU offre sia un punto di accesso Wi-Fi, su telefoni cellulari e tablet tramite un codice QR (Immagine 5), sia l'integrazione diretta al sistema SCADA.
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Comunicando con lo SCADA zenon per la protezione e le azioni correttive, si riducono al minimo gli impatti negativi sulla smart grid.
Il trasferimento e l'archiviazione dei dati sono completamente sicuri grazie all'applicazione dei più recenti standard di sicurezza informatica.
Gestione dei dati: la chiave della sicurezza informatica
Un CB che consente la raccolta di dati non solo pone sfide tecniche per il monitoraggio avanzato dei circuiti elettrici, ma anche le sfide di sicurezza derivanti dalla disponibilità e dalla condivisione dei dati possono essere significative.Pur offrendo i vantaggi della flessibilità e dell'efficienza, la connettività aumenta la superficie di attacco relativa alle funzioni M&D, fornendo così maggiori opportunità per lo sfruttamento delle vulnerabilità relative alla parte digitale - la funzione primaria dell’interruttore non viene intaccata. Tuttavia, la crescente integrazione delle tecnologie operative (OT) con le tecnologie informatiche (IT) porta alla creazione di reti e dispositivi sempre più complessi, che potrebbero essere soggetti a violazioni se la sicurezza informatica non è adeguata.
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Il VD4 evo consente di ottenere un miglioramento dell'efficienza fino al 60% e una riduzione del 30% delle interruzioni impreviste.
ABB ha quindi applicato le migliori pratiche al proprio approccio alla sicurezza informatica per il VD4 evo. La sicurezza informatica in ambito OT è molto diversa da quella in ambito IT perché i dispositivi devono funzionare in tempo reale, le interruzioni sono vietate, il ciclo di vita della tecnologia è più lungo (>20 anni rispetto a 5 anni) e gli aggiornamenti delle patch sono più difficili e richiedono più tempo per essere applicati. Inoltre, la consapevolezza della sicurezza da parte degli utenti è in genere inferiore.
5a Accedendo semplicemente al codice QR tramite tablet o smartphone, i clienti possono accedere rapidamente a informazioni importanti.
5b Con il codice QR è possibile ottenere i cataloghi più recenti, i manuali di istruzione e i risultati dei test più recenti. Inoltre, i clienti possono contattare direttamente ABB e, naturalmente, accedere all'interruttore.
Tuttavia, è necessario garantire la riservatezza, la disponibilità e l'integrità dei dati, valutare i rischi per la sicurezza dei dati e adottare una strategia di difesa in profondità. Per questi motivi, la soluzione VD4 evo di ABB integra i requisiti di sicurezza informatica a partire dalla fase del processo di sviluppo, sfruttando la modellazione delle minacce. Questo approccio è stato inizialmente definito da Microsoft [Rif. 4] e dal processo di gestione delle vulnerabilità di ABB [Rif. 5], oltre a valutare l'architettura con un approccio STRIDE.
Di conseguenza, il prodotto è stato irrobustito rimuovendo le porte e i servizi inutilizzati, integrando un limitatore di traffico per prevenire gli attacchi Denial-Of-Service dalle interfacce upstream, compresa la crittografia dei dati su un canale Transport Layer Security (TLS). Il dispositivo implementa una politica di controllo degli accessi basata sui ruoli (RBAC) che consente la configurazione di tanti account utente quanti sono gli utenti reali del prodotto. Ai fini della sicurezza, a questi utenti vengono assegnati diversi livelli di privilegio secondo il principio dei minimi privilegi. Il sistema può essere facilmente aggiornato collegandosi alla sua interfaccia web. Tutti gli aggiornamenti software sono firmati utilizzando l'infrastruttura a chiave pubblica (PKI) di ABB e qualsiasi software non autentico viene automaticamente scartato.
Per una maggiore sicurezza in caso di interfacciamento con il cloud, il prodotto è basato su un microprocessore con un modulo di avvio sicuro a bordo e include un chip di sicurezza (dispositivo simile al Trusted Platform Model). Questi miglioramenti della sicurezza del VD4 evo garantiscono che la sicurezza informatica soddisfi gli standard necessari.
Immagine 6 Vengono mostrati esempi di alcune pagine della dashbaord del VD4 evo.
6a Questa Dashboard mostra lo stato di salute delle componenti termiche, elettriche e meccaniche del CB, riflettendo così le grandezze fisiche.
6b Un esempio dei tempi di apertura e chiusura utilizzati per verificare il corretto funzionamento del CB.
6c Un esempio dell’analisi per rilevare le criticità della corrente primaria che scorre nel CB.
Dashboard VD4 evoSolo quando le informazioni approfondite, rese possibili da analisi e competenze, possono essere interpretate e trasmesse agli utenti finali in modo sicuro, è possibile evitare guasti e interruzioni. Nel caso del VD4 evo, la dashboard è la cabina di comando dell'utente (Immagine 6). Le interfacce CB e dei parametri mostrano il valore del flusso di corrente e lo stato di salute generale dell'interruttore, informando e mantenendo i limiti di corrente di picco attraverso l'uso di sensori elettronici incorporati, ad esempio i contatori. Queste informazioni riflettono quantità fisiche: termiche, elettriche e meccaniche (Immagine 6a).
Per quanto riguarda il monitoraggio termico, è possibile installare fino a 13 sensori termici: sei sensori sono incorporati nei bracci di contatto del CB (vicino all'interfaccia con il pannello), sei sensori wireless sono aggiunti per controllare lo stato dei cavi e delle sbarre e un sensore ambientale è aggiunto per controllare la temperatura e l'umidità ambientale. In questo caso, l'analisi rileva le criticità sul percorso della corrente primaria, ad esempio connessioni meccaniche e elettriche difettose, allentate o danneggiate (Immagine 6c).
Per quanto riguarda il monitoraggio elettrico, i dati che arrivano da un sensore di corrente, i TA, installati sul pannello, vengono utilizzati per stimare la vita residua degli interruttori a vuoto CB (VI) monitorando continuamente la corrente primaria, comprese le correnti di interruzione che attraversano il CB (Immagine 6).
Il monitoraggio meccanico è una complessa interazione di parti cinematiche: tolleranze, accessori e movimento della molla. In questo caso, ogni operazione meccanica è monitorata da un sensore angolare magnetico, posizionato esattamente sull'albero principale del CB per rilevare l'intero movimento (posizione, velocità), e da tre sensori a effetto Hall che monitorano le correnti ausiliarie che alimentano le bobine di apertura e di chiusura del dispositivo e il motore di carica della molla di chiusura.
I parametri critici, ad esempio i tempi e le velocità di apertura e chiusura, vengono analizzati per verificare se il CB funziona entro le prescrizioni di progetto (Immagine 6b).
A ogni parametro risultante viene assegnato un indice di salute unico. Il sistema VD4 evo traduce queste informazioni in visualizzazioni di facile utilizzo visualizzate sull'HMI. E se si verificano anomalie, gli utenti, ad esempio il responsabile della manutenzione o l'operatore, possono accedere facilmente ai dettagli all'interno della dashboard per determinare la possibile causa principale o se sono necessarie azioni. L'utente ha anche la possibilità di contattare un esperto ABB attraverso il servizio di assistenza e manutenzione.
Gestione sostenibile e protezione della distribuzione di energia
Dimostrando un forte impegno nei confronti dell'ambiente, ABB mira a raggiungere operazioni a zero emissioni di carbonio entro il 2030 e aiuta attivamente i clienti a ridurre le emissioni di gas serra (GHG) nelle loro operazioni. Sviluppando soluzioni tecniche e digitali ecologiche e sostenibili come la VD4 evo, ABB dimostra il proprio impegno nell'aiutare l'industria a raggiungere i propri obiettivi di sostenibilità.In linea con queste ambizioni, ABB ha considerato l'impatto ambientale del VD4 evo in tutte le fasi di sviluppo del prodotto [Rif. 7]. Gli effetti dei componenti elettronici aggiuntivi potrebbero essere valutati confrontando il costo del ciclo di vita e l'impatto ambientale degli apparecchi e delle soluzioni tradizionali con quelli di nuova generazione.
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Le soluzioni tecniche e digitali eco-compatibili di ABB, come la VD4 evo, aiutano l'industria a raggiungere i propri obiettivi di sostenibilità.
Per valutare le prestazioni ambientali del VD4 evo è stato applicato il metodo del Life Cycle Assessment, definendo, compilando e valutando gli input, gli output e i potenziali impatti ambientali per la produzione, compresi i processi a monte (ad esempio, l'acquisizione di materie prime, ecc.), le principali fasi di produzione e lavorazione; la distribuzione; l'installazione, compresa la preparazione all'uso [Rif. 7]. L'utilizzo comprende le fasi di manutenzione necessarie; la fase di fine vita comprende tutte le fasi fino allo smaltimento finale o al recupero del sistema del prodotto. Sulla base dei modelli risultanti, ABB ha scoperto che durante la prima fase di vita del prodotto, l'impatto ambientale è maggiore a causa dell'uso aggiuntivo di risorse ed energia, ma che questo può essere compensato da una maggiore efficienza durante la fase operativa [Rif. 7]. Inoltre, l'affidabilità e l'estensione della vita utile grazie alla manutenzione predittiva aiutano il VD4 evo a raggiungere il minor impatto complessivo possibile. Sulla base del successo del VD4, il nuovo CB digitale per MT di ABB, il VD4 evo, offre funzionalità avanzate di controllo e diagnostica, utilizzando un modello di previsione basato su algoritmi che consente di valutare gli asset in tempo reale. In questo modo, VD4 evo aiuta i clienti a soddisfare le pressanti richieste di una rete elettrica intelligente in continua evoluzione in modo efficiente e affidabile, ma anche sicuro e sostenibile con la massima sicurezza informatica (Immagine 7).
Immagine 7 Il VD4 evo non solo soddisfa in modo sostenibile le esigenze della rete elettrica intelligente in evoluzione, ma questo prodotto evoluto lo fa in modo affidabile e sicuro secondo gli standard di cybersecurity.
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Il VD4 evo digitale di ABB offre funzionalità avanzate di controllo e diagnostica per soddisfare le esigenze in continua evoluzione delle smart grid.
Riferimenti
[1] M. Riva, et al., "The future evolution of medium voltage circuit-breakers: new developments and possible applications" in Proceedings CIGRE, Paris, France, Aug. 2018, pp. 1 - 10
[2] M. Testa, et al., "Verso gli interruttori digitali intelligenti che consentono funzioni avanzate di controllo e diagnostica". Atti 25° Intl. Conferenza sulla distribuzione dell'energia elettrica, Madrid, Spagna, 2019, pagg. 1 - 5.
[3] M. Scarpellini, et al., "Asset assessment method in a MV predictive model to estimate the asset status", Proceedings 2018 Petroleum and Chemical Industry Conference Europe, Antwerp, Belgium, 2018, pp. 6 - 11
[4] Sito web di Microsoft, "Security Engineering, Microsoft Security Development Lifecyle, Threat Modeling", Disponibile: https://www.microsoft.com/en-us/securityengineering/sdl/threatmodeling [Consultato il 9 agosto 2023].
[5] Documento interno di ABB, "Approccio di ABB alla gestione delle vulnerabilità del software".
[6] L. Kohnfelder e P. Garg, "Le minacce ai nostri prodotti" Microsoft Interface, Microsoft Corporation 33, 1 aprile 1999.
[7] La Fondazione norvegese EPD, "Dichiarazione ambientale di prodotto VD4/P 12/17.12.40", 5 settembre 2022, disponibile: https://library.abb.com/d/2RDA044481, [accesso 17 novembre 2023].
Ulteriori informazioni
Sito web del prodotto ABB: Interruttore sottovuoto per interni VD4
Sito web del prodotto ABB: VD4 evo L'evoluzione che potenzia
Sito web di ABB: ABB Strategia di sostenibilità 2030
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Autori
Claudio Cenci
Andrea Delpozzo
Luca Marcolongo
Stefano Premarini
Marco Riva
Marco Testa
Lorenzo Verniani
ABB Electrification, Dalmine, Italia