tecnologie delle comunicazione e sostenibilità ambientale...

LA GENERAZIONE DIFFUSA E LE SMART GRID

Maurizio Delfanti, Andrea Silvestri

Dipartimento di Energia

Tecnologie delle comunicazione e

sostenibilità ambientale:

Green ICT & ICT for Green

M. Delfanti; A. Silvestri

Outline 2

• Impatto della GD sulle reti di distribuzione

hosting capacity

ostacoli allo sviluppo della GD: la protezione di interfaccia

ICT: tecnologia abilitante

• Milano Wi-Power:

integrazione delle reti di energia e comunicazione

risultati delle prime sperimentazioni

• Conclusioni & sviluppi futuri:

utilizzo protocolli standard (IEC 61850)

integrazione con automazione di rete

cosa ci serve?


3Perché rivoluzionare le reti?

ICT come tecnologia abilitante

• Sviluppo iniziale dei sistemi elettrici basato su forme di generazione

centralizzata: energia elettrica prodotta in impianti di grande potenza unitaria

(centrali elettriche, reti di trasmissione)

• Sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili (FER) diffuse sul territorio

reso necessario dalla crescente attenzione per le problematiche ambientali

• La Generazione Diffusa (GD): si affaccia sulla rete di distribuzione,

in media tensione (MT) o in bassa tensione (BT)

• Le attuali modalità di protezione, controllo, gestione della rete di distribuzione

MT/BT non sono in prospettiva adeguate: serve una vera e propria

RIVOLUZIONE CONCETTUALE

• Integrare le reti di energia con le reti di telecomunicazione:

unica via per lo sfruttamento reale delle FER SMART GRID


Impatto della generazione diffusa sulle reti di distribuzione

• Studio condotto su circa 60.000 nodi MT reali

• Campione rappresentativo di circa 8% reti MT

• Ricostruita la reale topologia di rete e stimata la variazione dei carichi

• Modello Hosting Capacity (Bollen et al., EU-Deep)

• Vincoli considerati:

- corrente di cortocircuito e protezioni associate

- variazioni rapide (EN 50160 con DUmax= 6%)

- variazioni lente (EN 50160, inclusa c.d.t. su rete BT)

- portata nominale (limite termico)

- inversione dei flussi di potenza sul trasformatore AT/MT

Delibera AEEG ARG/elt 25/09:

il supporto del Politecnico nell’Allegato 24


www.autorita.energia.it/docs/09/025-09arg.htm > Allegato A > Allegato 2

Delibera AEEG ARG/elt 25/09:

esiste una notevole Hosting Capacity…5

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Potenza Installabile [MW]

Limiti di transito Variazioni rapide limitate al 6%

Variazioni lente di tensione Nessun vincolo violato

…ma è davvero sfruttabile senza rischi per la rete e per il sistema?

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Potenza Installabile [MW]

Limiti di transito Variazioni rapide limitate al 6%

Variazioni lente di tensione Nessun vincolo violato


Inversione di flusso:

criticità legate alle protezioni 6

Inversione di flusso: la potenza attiva fluisce dalla rete MT verso la rete AT.

Criticità legate alle protezioni e all’automazione di rete hanno

crescente incidenza sulle reti (e sulle linee) in cui il flusso di potenza, per

almeno una data percentuale delle ore annue di funzionamento, si inverta.

……

……

• A livello di interfaccia AT/MT (CP):

possibile degrado delle prestazioni per

gli utenti sottesi all’intera CP.

• A livello di singola linea MT:

possibile degrado delle prestazioni per gli

utenti sottesi alla specifica linea MT.


Criticità legate all’automazione di rete:

richiusure automatiche, isola indesiderata7

La richiusura rapida è un automatismo in grado di richiudere l'interruttore in testa

alla linea (CP) a seguito di un'apertura su guasto: migliora la qualità del servizio.

Richiusura: in presenza di GD, bisogna evitare che

• possa verificarsi un parallelo in controfase dei generatori ancora connessi;

• la GD connessa continui a sostenere il guasto (richiusura negativa);

Apertura definitiva: in presenza di GD, bisogna evitare che

uno o più impianti di produzione continuino ad alimentare una porzione della rete

successivamente alla disconnessione della stessa porzione dal resto della rete,

che rimane connessa al complessivo sistema elettrico (isola indesiderata).


Come si comporta la GD:

Dispositivo Di Interfaccia, Norma CEI 0-168

I generatori connessi alla rete MT sono dotati di un dispositivo che assicura la

disconnessione dell’impianto in caso di perdita della rete (DDI).

Il Sistema di Protezione di Interfaccia (SPI): è un relé che dispone

esclusivamente di informazioni di tipo locale.

Regolazioni tipiche dell’attuale SPI:

• (27) min tensione 0,7 Un (59); max tensione 1,2 Un

• (81U) min frequenza 49,7 Hz ; (81O) max frequenza 50,3 Hz

Regolazione ad elevata sensibilità:

• diversi utenti sono soggetti a scatti intempestivi del SPI per guasti esterni

• in emergenza RTN la GD viene distaccata (blackout 2006: persi 2000 MW)

• per quanto sensibili siano le regolazioni, il SPI non può distaccare

la GD se Pc~PgATTUALE SPI NON AFFIDABILE


Come si comporta la GD:

evoluzione con ICT

È necessario esplorare ed implementare i sistemi di comunicazione tra:

• RELÈ di protezione in CP (relè MASTER)

• SPI della GD (relè SLAVE)

Nuova logica di comando e regolazione SPI

• Sistema di comunicazione integro: soglie a minor sensibilità (es. 49-51 Hz)

• In mancanza di comunicazione: commutazione soglie con attuale sensibilità

Il sistema di comunicazione garantisce la gestione e l’affidabilità nel distacco o

nel mantenimento in linea della GD migliorando le prestazioni dell’intero sistema.

9

COMUNICAZIONE

SPI AFFIDABILE e CONTROLLABILE


Generazione Diffusa:

l’impatto prospettico sulle reti10

DG penetration [%]

€

Negligible impact

New protections

ICT

Data


Outline 11


hosting capacity

ostacoli allo sviluppo dell GD: la protezione di interfaccia








cosa ci serve?


Sviluppo delle reti elettriche e di comunicazione:

i progetti in corso

MILANO WI-POWER (PoliMi, A2A, SELTA, THYTRONIC, Mobimesh

ERSE, CEI, AEEG)

• Testare prestazioni e affidabilità dei sistemi di comunicazione (anche in

forma integrata) da implementare tra CP e GD connessa alla rete;

• Definire i segnali da scambiare e le relative tempistiche;

• Effettuare prime prove di comunicazione punto – punto tra CP e GD

• Sperimentare un’applicazione combinata su più CP:

• impiego di VPN già presenti (rete A2A Milano);

• la GD comunica solo con la CP associata in condizioni normali;

• in caso di assetto non standard, coordinamento tra diverse CP.

12


Milano Wi-Power:

CP A2A Musocco – GD c/o POLIMI

CP A2A MUSOCCO

POLITECNICO

DI MILANO> 3 km

13


Milano Wi-Power

Sistemi di comunicazione e segnali da scambiare

SISTEMI DI COMUNICAZIONE

• Rete internet: non necessita di supporti dedicati ed è già diffusa sul

territorio

• Reti Wi-Fi e Wi-Max: supporti dedicati, bande libere o proprietarie

• Sistema PLC: già utilizzato sulla trasmissione

• Fibra ottica: nuovi sviluppi rete, non utilizzabile nel breve su reti esistenti

SEGNALI DA SCAMBIARE TRA CP E GD E TEMPISTICHE

• INTERTRIP: comando di scatto del SPI inviato dal relè in CP al SPI

della GD a seguito di comando di apertura del relè in CP (centinaia di ms)

• KEEP ALIVE: senza rete ICT il SPI restringe le soglie di intervento (1 s)

• REG V: modulazione della potenza reattiva (decine di secondi)

• LIMITAZIONE P: modulazione della potenza attiva (minuti)

• Altre applicazioni smart (pricing, ecc) …

14


Milano Wi-Power

Esperienza di comunicazione su rete internet

La comunicazione avviene con protocollo standard TCP/IP e l’applicazione di rete

delle protezioni utilizza una messaggistica proprietaria (Thytronic)

Costi di esercizio e struttura minimi (indirizzo IP fisso)

• Possibili criticità:

cyber security;

disponibilità della comunicazione;

tempi di ritardo della comunicazione.

15

PC (MASTER)

10 km DA POLIMI

SEDE DI THYTRONIC (MILANO)

PC (MASTER)

50 km DA POLIMI

(BRIANZA)

PC (MASTER)

80 km DA POLIMI

(PIACENZA)

RELÈ THYTRONIC NV10PS (SPI)

INSTALLATO c/o POLIMI (SLAVE)


Milano Wi-Power

Risultati comunicazione

• Inviate stringhe da 32 byte

ogni 4 s tra MASTER e SLAVE

per una intera settimana

(21600 campioni)

• Il 100% dei pacchetti è

arrivato a destinazione con

successo

• Il tempo di invio

dell’informazione e della

conferma di arrivo è < 100 ms

in tutti i casi

• 50 km > della lunghezza

massima delle linee di MT

• La GD è fatta di moltissime

unità: approccio probabilistico

16

Test di comunicazione bi-direzionale;

caso su 50 km di distanza


Milano Wi-Power

Esperienza di comunicazione Wi-Fi / internet17

• Vantaggi:

cyber security;

disponibilità della comunicazione;

copertura di aree non cablate o rurali.

• Possibili criticità:

problemi di installazione e autorizzativi;

problemi di visibilità di antenne direzionali;

maggior costo rispetto a rete internet e a supporti di struttura hw

ANTENNE DIREZIONALIRELE’ GD

c/o POLIMI

RELE’ GD

c/o THYTRONIC

BRIDGE

DI RETE

RELE’ CP

c/o A2A

MUSOCCOINTERTRIP

KEEP ALIVE

INTERNET


Milano Wi-Power

risultati INTERTRIP 18

RELE’ CP (MUSOCCO) e RELE’ GD (THYTRONIC) con INTERNET

MEDIA 37,5

DEV.ST 172,1

RELE’ CP (MUSOCCO) e RELE’ GD (POLIMI) CON Wi-Fi + INTERNET

MEDIA 46,7

DEV.ST 176,5


Outline 19


hosting capacity

ostacoli allo sviluppo dell GD: la protezione di interfaccia








cosa ci serve?


Contatti in corso con:

Enel Distribuzione, CESI, altri partner tecnologici

Nuova dimostrazione in campo:

• Impiegare protocolli standard (IEC 61850):

garantire l’interoperabilità tra apparati di protezione controllo e monitoraggio

scambiare informazioni con GOOSE o comunicazione client-server

SOTTOSTAZIONE ESTESA: estensione del sistema di supervisione e protezione

della CP al SPI della GD per effettuare la comunicare con protocollo IEC 61850.

• Sfruttare ICT anche per un’automazione con prestazioni spinte (sel. logica)

• Implementare un controllore di CP, in grado di:

indirizzare la comunicazione verso ciascun generatore connesso

integrare le funzioni avanzate con l’automazione esistente

20


Conclusioni:

più GD possibile solo con ICT

Integrare la rete di energia e di informazione

Aree ad alta e media densità (Milano, etc…:>70% dei clienti finali in Italia):

problemi autorizzativi per l’installazione di dispositivi di comunicazione dedicati

la rete internet pubblica è molto diffusa; ottenuti buoni risultati

Aree a bassa densità (rurali):

Nuove linee MT : fibra ottica (soluzione già implementata dai Distributori)

Linee già esistenti: sistemi wireless e/o rete internet pubblica: prove in corso…

Come andare avanti?

Servono impianti pilota per validare le scelte in campo

Servono incentivi per sviluppare le iniziative su scala reale (Del. 348/07)

Serve un apporto più mirato alla ricerca da parte dei costruttori (power; ICT)

21


Acknowledgments 22

http://www.fondazionepolitecnico.it/pagine/SmartDGlab.aspx

• AlpEnergy, responsabile ing. Marco Merlo

• Milano Wi-Power, responsabile ing. Mauro Pozzi

Hanno reso possibili le varie iniziative i PhD della Sezione Elettrica:

ing. Davide Falabretti; ing. Gabriele Monfredini; ing. Valeria Olivieri

Le soluzioni tecnologiche finora messe in campo sono state fornite da:

Mobimesh (wireless solutions);

Thytronic (relè);

Selta (automazione e comunicazione)

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