Test della protezione ROCOF

Autore: Andrea Bonetti

La protezione della velocità di variazione della frequenza (ROCOF) è obbligatoria nella maggior parte dei paesi per gli schemi di produzione distribuita e integrata che siano collegati direttamente alla rete di distribuzione dell'energia elettrica. Ma cos'è esattamente la protezione ROCOF, perché è necessaria e come può essere testata? Risponde a queste domande Andrea Bonetti di Megger.

Anche se la diffusione di sistemi di produzione distribuita (DG) per fornire energia alle reti di distribuzione nazionali apporta molti vantaggi, in particolare in termini di impatto ambientale ridotto, presenta anche nuove sfide. Una di queste riguarda il fenomeno di "islanding", che si verifica quando un sistema DG perde la propria connessione di rete ma continua ad alimentare i circuiti locali, con il sistema ora isolato che funziona come "un'isola". 

A prima vista, questo potrebbe sembrare un vantaggio, poiché i circuiti locali continueranno a ricevere energia nonostante la perdita della connessione alla rete. Tuttavia, nella pratica il fenomeno dell'islanding è nella maggior parte dei casi sgradito e potenzialmente pericoloso. I motivi sono molti: senza un collegamento alla rete, il sistema DG potrebbe non erogare potenza alla tensione e alla frequenza corrette, con conseguente rischio di danni alle apparecchiature. I tecnici che lavorano sul sistema potrebbero incontrare cavi che sono inaspettatamente sotto tensione e ricollegare alla rete un sistema che funziona in isole è spesso problematico a causa della necessità di far corrispondere frequenza, fase e tensione. Per questi e altri motivi, nella maggior parte dei paesi i gestori delle reti di distribuzione (DNO) insistono sul fatto che i sistemi DG che devono essere collegati alle loro reti debbano incorporare apparecchiature in grado di rilevare rapidamente un eventuale funzionamento in isole e, quando questo fenomeno si verifica, arrestare immediatamente la generazione locale. Nel corso del tempo, sono stati sperimentati molti metodi, tra cui il rilevamento di sottotensione e transienti. Tuttavia, ottenere la risposta rapida necessaria e ridurre al minimo il rischio di falsi scatti con effetti distruttivi si è dimostrato problematico fino a quando non è stato adottato un approccio alternativo, che prende in considerazione i cambiamenti della frequenza di alimentazione. 

Si tratta della protezione ROCOF (velocità di variazione della frequenza) e si basa sull'idea che, se un generatore locale viene improvvisamente scollegato dalla rete, la frequenza dell'alimentazione prodotta dal generatore cambierà, a condizione che il flusso di potenza da o verso la rete in quel momento non sia pari a zero. Poiché l'analisi ha dimostrato che la probabilità di un sistema DG collegato alla rete senza afflusso o deflusso netto di potenza è molto ridotta, questa variazione di frequenza è un indicatore affidabile e istantaneo della perdita della connessione alla rete. 

Per questo motivo, la protezione ROCOF è ora inserita negli standard nazionali come ANSI 81R e G59/3. Inoltre, da febbraio 2019, è stato adottato un nuovo standard per relè di protezione basato sullo standard IEC – IEC 60255-181, che specifica le prestazioni e le metodologie di test dei relè utilizzati per implementare la protezione ROCOF.

Figura 1: equazione obbligatoria per la generazione della rampa di frequenza 

Infatti, la norma IEC 60255-181 prescrive un regime di test molto specifico per i relè ROCOF. Fondamentalmente, ciò si basa sull'utilizzo di un segnale di test che assume la forma di una "rampa di frequenza", ossia la frequenza del segnale aumenta in modo uniforme nel tempo. L'uso di una rampa nella forma corretta è essenziale se le prestazioni del relè devono essere valutate correttamente e in modo affidabile e, per questo motivo, lo standard richiede che l’incremento segua una formula matematica definita, mostrata nella Figura 1. Lo standard non consente l'utilizzo di altri metodi di test o forme di segnale di test.

Figura 2: rampa di frequenza uniforme, come richiesto dalla norma IEC 60255-181

Ai fini di questo articolo, non è necessario analizzare in dettaglio l'equazione della rampa di frequenza, ma è importante notare che descrive una forma d'onda in cui le variazioni di frequenza sono fluide e continue. Un esempio di tale forma d'onda è mostrato nella Figura 2. 

Lo standard chiarisce che non è accettabile utilizzare un segnale di test nella forma di una rampa di frequenza nel formato mostrato nella Figura 3, dove la frequenza varia in fasi separate. Ciò si applica a prescindere dalle dimensioni delle fasi di frequenza.

Figura 3: non è possibile utilizzare una rampa in cui la frequenza cambia in incrementi separati

Sebbene all'inizio possa sembrare che una definizione così precisa della forma d'onda del test sia inutilmente pedante e restrittiva, è di fatto di fondamentale importanza. Ciò è dovuto al fatto che molte operazioni indesiderate dei relè ROCOF in servizio sono state causate da incomprensioni riguardo la forma d'onda di test. L'esperienza ha dimostrato che i test con una rampa di frequenza in cui, ad esempio, la frequenza varia in incrementi separati di 0,04 Hz ogni 20 ms, in teoria equivalente a una frequenza di rampa di 2 Hz/s, potrebbero non fornire gli stessi risultati dell'utilizzo della forma d'onda di test prescritta in cui la frequenza cambia continuamente a 2 Hz/s anziché in incrementi. 

Fortunatamente, sono ora disponibili apparecchiature di verifica dei relè che forniscono strutture per testare i relè ROCOF utilizzando metodi che soddisfano pienamente i requisiti del nuovo standard IEC 60255-181. Un ottimo esempio è l'apparecchiatura di verifica SVERKER 900 di Megger, uno strumento versatile ed economico che offre un funzionamento intuitivo tramite un ampio touch screen a colori ed è adatto per testare non solo i relè ROCOF, ma anche quasi tutti gli altri tipi di relè utilizzati nei moderni schemi di protezione. 

Con un'apparecchiatura di questo tipo, la verifica e la configurazione dei relè ROCOF diventano attività semplici, rendendo i relè affidabili per eseguire le loro funzioni operative e di sicurezza essenziali, proteggendo dalle conseguenze distruttive e potenzialmente pericolose di funzionamento in isole non rilevato nelle reti di alimentazione.