Sistema di alimentazione cyber-fisico potenziato dalla rete spaziale Starlink

La tecnologia dell'informazione e della comunicazione è sempre più coinvolta nella misurazione, nell'operazione, nel controllo e nella protezione dei sistemi di potenza cyber-fisici. Starlink, una costellazione di Internet via satellite costruita da SpaceX per fornire un accesso globale a Internet, rappresenta uno dei progetti di infrastruttura di comunicazione più promettenti, e può beneficiare la fornitura di servizi di rete per le attrezzature del sistema di potenza abilitato alla comunicazione in luoghi in cui l'accesso alla rete è instabile, costoso o completamente assente. In questo articolo vengono esplorate le future applicazioni della rete spaziale Starlink nei sistemi di potenza cyber-fisici: si discutono l'infrastruttura di comunicazione e i parametri di trasmissione. Un caso di studio mostra il funzionamento della tecnologia.

INTRODUZIONE

Con i nuovi sviluppi delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT, Information and Communication Technologies) e dell'equipaggiamento di potenza abilitato alla comunicazione, i sistemi di potenza cyber-fisici (CPPS, Cyber-Physical Power Systems) stanno gradualmente maturando grazie alla misurazione in tempo reale abilitata dalle ICT a dall'utilizzo di sistemi di controllo sempre più complessi. L'applicazione delle ICT ai sistemi di potenza non solo richiede l'aggiornamento dei moduli di comunicazione installati su varie attrezzature di potenza come i convertitori di elettronica di potenza, ma si basa anche sull'infrastruttura di rete di comunicazione che può fornire una connessione veloce e stabile tra i dispositivi di rete anche in luoghi remoti. Tuttavia, il servizio di rete non è sempre affidabile in molti luoghi come le zone rurali e i campi offshore, o potrebbe essere addirittura completamente non disponibile durante condizioni ambientali estreme come gli uragani e i terremoti, il che rende difficile la misurazione stabile e l'operazione intelligente dei CPPS in questi luoghi. Per fornire il servizio Internet connesso in tutto il mondo, SpaceX ha iniziato il progetto di costellazione di satelliti, chiamato Starlink, nel 2015. I primi due satelliti prototipo di prova sono stati lanciati nel febbraio 2018. Ad oggi, SpaceX ha lanciato quasi 800 satelliti. Anche se è ancora allo stadio iniziale di tutto il progetto, la rete spaziale Starlink finale sarà composta da quasi 12.000 satelliti (con un possibile prolungamento a 43000 satelliti) quando sarà completato, dove ogni satellite orbiterà intorno alla Terra a un'orbita di 500 km a 1200 km sopra di essa.

Figura 1: Dimostrazione della fase iniziale di Starlink: 1584 satelliti in 72 piani orbitali

Come illustrato nella Figura 1, i numerosi satelliti potrebbero potenzialmente fornire servizi Internet in qualsiasi momento con copertura globale da orbite relativamente basse. Nonostante il costo extra per l'installazione di nuove antenne di comunicazione, l'Internet spaziale potrebbe raggiungere latenze di trasmissione ancora più basse rispetto alle reti in fibra terrestri esistenti per lunghe distanze. Dunque, nonostante ci siano ancora molte sfide tecnologiche da superare, il panorama dell'industria delle telecomunicazioni potrebbe cambiare per sempre se il progetto potesse essere completato con successo. Poiché Starlink si basa sulla trasmissione wireless spaziale in un'orbita bassa senza soffrire di problemi di qualità del servizio in luoghi remoti o in condizioni anormali, potrebbe esporre potenzialità massicce nell'applicazione industriale dei sistemi di potenza cyber-fisici, anche se il progetto è ancora in costruzione. In questo articolo, si propone il concetto di Starlink come rete spaziale potenziata: in primo luogo, si indagano i parametri di trasmissione di Starlink per sfruttare la capacità di trasmissione dati spaziale; quindi, si discutono la struttura del sistema e le tecniche di implementazione per guardare alle future applicazioni; infine, si mostrano i vantaggi del concetto proposto di sistema di potenza cyber-fisico potenziato dalla rete spaziale in uno studio di caso basato sul sistema di prova di potenza IEEE 39-bus. Maggiori informazioni sul caso d'uso sono disponibili nella sezione "Riferimenti".

STRUTTURA E IMPLEMENTAZIONE DEL SISTEMA DI ALIMENTAZIONE POTENZIATO DA SPACE-NETWORK

In un sistema di potenza cyber-fisico, la misurazione e il controllo in tempo reale vengono ottenuti tramite la connessione basata su pacchetti di dati tra i moduli di comunicazione installati su varie attrezzature di potenza. La trasmissione può essere in fibra o wireless in vuoto, purché il ritardo di trasmissione soddisfi i requisiti di prestazioni e il costo economico sia ragionevole. Fortunatamente, a causa dell'orbita bassa (550 km di altitudine) e della velocità di trasmissione rapida nel vuoto, la differenza di ritardo di propagazione tra la costellazione Phase I Starlink di SpaceX e la rete in fibra ottica terrestre è piccola e il ritardo di propagazione spaziale potrebbe essere ancora più piccolo quando la distanza di salto è superiore a 2500 km. Pertanto, la rete Starlink potrebbe essere sfruttata nel CPPS per le applicazioni di misurazione, protezione e controllo a larga area in aree con connessioni di rete deboli. Il sistema di potenza cyber-fisico potenziato dalla rete spaziale proposto è mostrato in Figura 2, dove il livello di rete spaziale viene aggiunto all'architettura CPPS a due livelli esistente.

Figura 2: Architettura del sistema di alimentazione cyber-fisico migliorata per la rete spaziale analizzata

L'architettura di un sistema di potenza cyber-fisico comprende una serie di componenti fisici, come la generazione, distribuzione, trasmissione, conservazione, conversione e protezione dell'energia, che possono includere anche fonti rinnovabili come le centrali eoliche e solari. Il componente principale della rete cibernetica (o livello di accoppiamento e comunicazione nella Figura 2) è il dispositivo di campionamento e segnalazione installato sull'attrezzatura di potenza o sui bus di elaborazione, di solito una unità di misura di fase (PMU, Phasor Measurement Unit). Il PMU ha il compito di misurare le grandezze elettriche e inviare i valori di fase corrispondenti al concentratore di dati di fase (PDC, Phasor Data Concentrator) che raccoglie le misurazioni dai PMU nell'area o al controllore che prende decisioni per il controllo globale. In questo articolo, viene descritto un terzo livello, la rete spaziale, per migliorare il sistema di potenza cyber-fisico.

La struttura della rete spaziale viene utilizzata per fornire servizi di connessione veloci e affidabili per le aree in cui il servizio di rete basato sulla terra non è buono. Come mostrato in Figura 2, supponiamo che alcune PMU (chiamate PMU a base di comunicazione spaziale, SCPMU da Space Communication based PMU) si trovino in luoghi elevati o in mare aperto e non siano disponibili link stabili, a differenza delle tradizionali PMU basate sulla comunicazione terrestre (GC-PMU, Ground Communication based PMU). Quindi, le loro operazioni (compreso il trasferimento dei dati di misura ai PDC e ai controller e la ricezione delle politiche di controllo dal controller) si basano sulla comunicazione spaziale tra le PMU, i PDC e i controller. Come stimato in recenti studi, il ritardo di trasmissione per una distanza di 5000 km potrebbe essere inferiore a 20ms, il che è abbastanza significativo per soddisfare i requisiti di ritardo delle connessioni PMU. In effetti, il tempo richiesto per la rilevazione basata sulla misura del fascio e l'azione di controllo è dell'ordine di 200-300ms, e i ritardi di trasmissione sono insignificanti per influire sul tempo di funzionamento complessivo del piano di controllo a vasta area. Pertanto, si può prevedere che la misura e il controllo del sistema di alimentazione globale possano essere raggiunti con la partecipazione della struttura della rete spaziale nella struttura cibernetica.

Figura 3: Sistema di alimentazione di prova IEEE 39-bus e configurazione cyber-layer

Per la realizzazione del sistema di potenza cyber-fisico potenziato dalla rete Starlink, SC-PMU è la componente chiave poiché la costruzione della rete spaziale è il compito di Starlink. L'SC-PMU può essere personalizzato installando un terminale utente per abilitare la trasmissione dei dati spaziali tramite i satelliti: secondo alcuni studi, le dimensioni del terminale utente piatto sono simili a quelle di un cartone per la pizza, che ha antenne a array fasato e può tracciare i satelliti. I terminali possono essere montati ovunque, purché possano vedere il cielo. Con lo sviluppo della tecnologia e la produzione di massa, il prezzo del terminale può essere molto basso. Un'altra questione di implementazione è rappresentata dai protocolli di comunicazione, poiché non è pratico ed economico personalizzare i satelliti Starlink per le applicazioni CPPS pure. Fortunatamente, ad eccezione delle reti di comunicazione locali all'interno di una sottostazione in cui i protocolli sono personalizzati in base all'indirizzo MAC (Media Access Control), nella comunicazione a larga area del CPPS gli standard di trasmissione come l'IEC 61850 si basano tutti sull'indirizzo IP, il che significa che la rete di comunicazione del CPPS può utilizzare direttamente il servizio Internet Starlink per le proprie applicazioni.

[...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2503 parole ed è riservato agli ABBONATI. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici che potrai leggere in formato PDF per un anno. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.