Massucco

SmartGen: metodi e strumenti

innovativi per la gestione di reti di distribuzione attive

Stefano Massucco

Università di Genova

[email protected]

Contesto: Smart grid

• Scopo:

– Facilitare il funzionamento di generatori di ogni taglia e tecnologia

– Permettere un ruolo attivo del carico elettrico nell’ottimizzazione del

funzionamento del sistema

– Fornire agli utenti maggiori informazioni e una più ampia scelta di fornitori

– Ridurre significativamente l’impatto ambientale

– Aumentare i livelli di affidabilità, sicurezza e qualità del servizio

2

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http://www.consumerenergyreport.com/wp-content/uploads/2010/04/smartgrid.jpg



Smart Grids Technology Platform*

Priorità identificate dalla piattaforma tecnologica

– Ottimizzazione della gestione della rete

– Ottimizzazione delle infrastrutture di rete

– Integrazione di impianti di generazione aleatoria di grandi

dimensioni

– Utilizzo di ICT - Information & Communication Technology

– Reti di distribuzione attive

– Nuovi mercati e coinvolgimento degli utenti

– Efficienza energetica

3

* www.smartgrids.eu

Requisiti per un moderno sistema elettrico

• Affidabilità

• Economicità

• Basso impatto ambientale

• Sostenibilità

• Flessibilità

smart grid

Reelle Netzteile 380/220kV

• more than 450 M population •Power: 350 GW •Energy/Year: 2300 TWh •EHV & HV grid: > 200,000 km •1,500 euro/person investment

Rete elettrica di distribuzione

“attiva”(smart):definizione

Tratta dalle attività del Working Group SC C6 della CIGRE:

“Le reti di distribuzione attive sono reti di distribuzione equipaggiate con controlli per la gestione di risorse distribuite (generatori, carichi, accumuli).

I Distribution System Operator (DSO) hanno la possibilità di gestire i flussi di potenza usando in modo flessibile la topologia di rete. Le risorse distribuite, inoltre, prendono parte al supporto del sistema in modo regolato da opportuni quadri normatori e da accordi di connessione”.

Active Distribution Network

Distribution

networks where

generators,

storage units,

power electronic

devices are fully

integrated (DER)

=S

P, Q, V P, Q, V

P, Q

, V

P, Q P, -QP, Q

DMS

CHP

PVWT==SS

P, Q, V P, Q, V

P, Q

, V

P, Q P, -QP, Q

DMS

CHP

PVWT

A Distribution Management Systems (DMS) provides:

management of load & generating sources, protection and control

of the network, matching PQ requirements.

le reti di trasmissione sono sempre state smart:

occorre passare da reti di distribuzione passive a reti attive

Transmissione

Sub-transmissione

Distribuzione (MT)

Distribuzione

(BT)

Flussi di potenza

unidirezionali

dalla rete di

trasmissione a

quella di

distribuzione

Senza

generazione

distribuita

7

Flussi di potenza

bidirezionali

tra la rete di

trasmissione e le

infrastrutture di

distribuzione

Da reti di distribuzione passive a reti attive

Transmissione

Sub-transmissione

Distribuzione (MT)

Distribuzione

(BT)

Con

generazione

distribuita

8

SmartGen

9

1. BILANCIAMENTO ENERGETICO Bilanciamento generazione / carico Mantenimento della curva di carico

MERCATO ELETTRICO Aggregatori / Active Demand

2. SICUREZZA DELLA RETE Stabilità dei parametri di rete Continuità di fornitura

INFRASTRUTTURA RETE ELETTRICA Rete di distribuzione Microgrid, VPP/VPU

SmartGen - Obiettivi • Individuare e analizzare scenari di reti attive intelligenti con:

– Generazione distribuita e da rinnovabili

– Possibilità di gestione attiva del carico

– Possibilità di interazione attiva con il mercato elettrico

• Definire e implementare l’architettura di un DMS (Distribution Management

System) per la gestione di porzioni di rete – Interfaccia con SCADA / Comunicazione con il campo

– Integrazione di diverse funzioni di monitoraggio, controllo, supervisione e gestione

– Supporto a servizi di gestione di produzione/carico

– Aspetti di cyber security

• Sviluppare algoritmi e tecniche di controllo per specifiche problematiche e

modalità di funzionamento da integrare nel DMS – Ottimizzazione, di controllo dei flussi di potenza, della tensione e di fornitura dei servizi ausiliari da

generazione rinnovabile diffusa e dal carico

– Stima dello stato

– Previsione di produzione, consumi flussi di potenza

– Gestione situazioni di emergenza / anomale (disconnessione dalla rete principale)

• Dimostrare funzionalità e vantaggi in ambiente reale – integrazione simulazione/sito reale

10

Smartgen - Benefici e Ricadute

• Integrazione

– Generazione distribuita (in particolare da fonti rinnovabili) nelle reti di

distribuzione

• Miglioramento

– Controllabilità e gestione della rete elettrica

– Gestione delle congestioni di rete

– Qualità del Servizio (QdS)

– Stabilità della rete

– Procedure di recupero da eventi di emergenza (black out)

• Aumento

– Partecipazione degli attori al mercato dell'elettricità, in particolare aggregatori

(load/generation aggregator) e utenti finali

• Riduzione

– Nuove linee di trasmissione

– Perdite nella rete

11

Softeco Sismat S.r.l. Coordinamento tecnico e amministrativo Integrazione di sistema, software di automazione e comunicazione, collegamento con gestione economica

s.d.i. S.p.A. Progettazione e integrazione su piattaforma sdi eXPert SCADA e DMS di metodi e strumenti innovativi per la gestione intelligente della rete

SmartGen – Consorzio, ruoli & dati

Enel Ingegneria e Ricerca Requisiti di sistema, definizione dell’architettura del DMS e sperimentazione sul campo

Università di Genova - DINAEL Coordinamento scientifico Architettura del DMS, identificazione delle tecnologie e attività di disseminazione

Università di Bologna - DIE Funzioni innovative del DMS, interfaccia con sistemi di monitoraggio evoluto

0 24 48 72 96 1 20 1 44 1 680

0. 1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Autumn Load Profiles

Active Pow

er (pu)

Time (h)

ResidentialAgriculturalIndustrialCommercial

Ricerca universitaria

Ricerca Industriale / Infrastruttura sperimentale

Ricerca Industriale / Soluzioni & Prodotti

INIZIO: Gennaio 2011 DURATA: 36 mesi COSTO = oltre 2.8 M€

Contributo = 1.1 M€

12

Piano di lavoro

2011 2012 2013

ANALISI E DEFINIZIONE DEI REQUISITI E SCELTA DEI SITI DIMOSTRATIVI

IDEAZIONE E SVILUPPO DELLE METODOLOGIE

DISEGNO ARCHITETTURALE, SPECIFICA, SVILUPPO ED ACQUISIZIONE DEI COMPONENTI HARDWARE E SOFTWARE

INTEGRAZIONE

DIMOSTRAZIONE IN CAMPO

GESTIONE DEL PROGETTO

DISSEMINAZIONE SCIENTIFICA ED USO DEI RISULTATI

WP

1

WP

2

WP

3

WP

4

WP

5

WP

6

WP

7

REQUISITI

METODOLOGIE

ARCHITETTURA

INTEGRAZIONE

SPERIMENTAZIONE

DISSEMINAZIONE

GESTIONE

Durata totale: 36 mesi

2011-I 2011-II 2012-I 2012-II 2013-I 2013-II

AV

AN

ZAM

ENTO

OGGI

13

Attività in fase di finalizzazione - 1

La definizione della “visione” di SmartGen

– A cosa si applica

• Il modello SmartGen

– Quali effetti produce

Come agisce

• L’effetto SmartGen

– Quali benefici e vantaggi offre

• I benefici, costi e risparmi di SmartGen

14


• Definizione del modello SmartGen – Modello concettuale

generico di sottorete cui si rivolge SmartGen

• Lo scenario della visione completa di SmartGen

• La struttura di rete prima e dopo

• Definizione Architettura – Comunicazione con apparati di campo

– Moduli ed algoritmi

– Funzionalità

15

Collocazione di SmartGen

16

DMS

RETE ELETTRICA Trasmissione (reti AT) Distribuzione (MT/BT)

Microgrid Virtual Power Plant Virtual Power Utility

Vincoli tecnici

MERCATO Trading

Ancillary Service

Vincoli economici

EMS Reti AT

Funzionalità Gestione Controllo

Previsioni Simulazioni

Reti MT/BT

Architettura - Dettaglio

17

VINCOLI TECNICI (CAMPO / INFRASTRUTTURA)

VINCOLI TECNICI (CAMPO REALE)

DIS

TRIB

UZI

ON

E TR

ASM

ISSI

ON

E

SCA

DA

VINCOLI ECONOMICI (MERCATO)

MT

BT

GENERAZIONE

ACCUMULO

CARICO

AT/MT CONTROLLO DECENTRATO

CONTROLLO LOCALE

GENERAZIONE

ACCUMULO

CARICO

EMS AT

CO

MU

NIC

AZI

ON

E

SmartGen DMS

CONTROLLO CENTRALE (ALGORITMI)

SCH

EDU

LATO

RE

/ B

RO

KER

/ E

SB

CIM SERVER

(RI)CONFIGURAZIONE OTTIMA

STIMA STATO

LOCALIZZAZIONE GUASTI

OTTIMIZZAZIONE PUNTO DI LAVORO

SCA

DA

PREVISIONE CARICO

PREVISIONE GENERAZIONE (METEO)

VINCOLI TECNICI (CAMPO SIMULATO)

HISTORIAN DB

CIM DB

REAL TIME DB

CO

MU

NIC

AZI

ON

E

ACTIVE DEMAND / DSM

OP

C

LOAD/PRODUCTION AGGREGATION

TRADING

ANCILLARY SERVICES

I/O

CONTROLLO LOCALE

CONTROLLO LOCALE

CONTROLLO LOCALE

CONTROLLO LOCALE

CONTROLLO LOCALE




Architettura - Dettaglio

18

VINCOLI TECNICI (CAMPO / INFRASTRUTTURA)

VINCOLI TECNICI (CAMPO REALE)

DIS

TRIB

UZI

ON

E TR

ASM

ISSI

ON

E

SCA

DA

VINCOLI ECONOMICI (MERCATO)

MT

BT

GENERAZIONE

ACCUMULO

CARICO


CONTROLLO LOCALE

GENERAZIONE

ACCUMULO

CARICO

EMS AT

CO

MU

NIC

AZI

ON

E

SmartGen DMS

CONTROLLO CENTRALE (ALGORITMI)

SCH

EDU

LATO

RE

/ B

RO

KER

/ E

SB

CIM SERVER


STIMA STATO



SCA

DA

PREVISIONE CARICO


VINCOLI TECNICI (CAMPO SIMULATO)

HISTORIAN DB

CIM DB

REAL TIME DB

CO

MU

NIC

AZI

ON

E

ACTIVE DEMAND / DSM

OP

C

LOAD/PRODUCTION AGGREGATION

TRADING

ANCILLARY SERVICES

I/O

CONTROLLO LOCALE

CONTROLLO LOCALE

CONTROLLO LOCALE

CONTROLLO LOCALE

CONTROLLO LOCALE

MT/BT CONTROLLO DECENTRATO

2. Controllo distribuito

3. Controllo locale

1. Controllo centrale

Middleware

Architettura – scambio dati CIM

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SCADA

RETE ELETTRICA Distribuzione (MT/BT)

FUNZIONALITÀ

SCHEDULATORE / BROKER / ESB

CIM SERVER Archiviazione CIM

CIM xml CIM

xml CIM xml

ENTSO 2010 CIM v15 <network>_EQ.xml: equipment <network>_SV.xml: system variables <network>_TP.xml: topology

CIM DB

RDF


STIMA STATO



PREVISIONE CARICO


Convertitore GIPE2CIM

Convertitore MAT2CIM

MAT xml

CIM xml

GIPE xml

CIM xml

CIM xml

CIM xml

CIM xml

Apache TOMCAT Servlet Container

File metadata / model mgmt Embeddable/Stand-alone

CIMServer

HOST fisico (macchina virtuale)

POJO Instant Deployment

Web Service Web Application FTP

RDBMS

Architettura – deployment

20

ALGORITMI

http://www.mulesoft.org/documentation/display/MULE3USER/Deploying+Mule+as+a+Service+to+Tomcat http://axis.apache.org/axis2/java/core/docs/pojoguide.html http://mina.apache.org/ftpserver/embedding-ftpserver-in-5-minutes.html http://www.mulesoft.org/documentation/display/MULE3USER/Deploying+Mule+as+a+Service+to+Tomcat

ESB support

Hot deployment on container

HAND SHAKING

http://www.mulesoft.org/documentation/display/MULE3USER/Deploying+Mule+as+a+Service+to+Tomcat



http://axis.apache.org/axis2/java/core/docs/pojoguide.html

http://axis.apache.org/axis2/java/core/docs/pojoguide.html

http://mina.apache.org/ftpserver/embedding-ftpserver-in-5-minutes.html












Common Information Model (CIM)

• CIM è uno standard adottato da International Electrotechnical Commission (IEC) per la creazione di un modello semantico – Originariamente concepito come mezzo per la definizione della semantica

di accesso ai dati elettrici da parte dei vari componenti dei sistemi di controllo delle reti di trasmissione

– Esteso alla modellazione delle reti di distribuzione

– Scopo di garantire l’interoperabilità e lo scambio di informazioni

• Il CIM è sviluppato e manutenuto da Working Group WG3 all’interno del Technical CommitteeTC 57 di IEC – Fa uso di Enterprise Architect, un tool di progettazione di modelli UML della

Sparxs Systems

• Norme IEC – Core del CIM in IEC 61970-301 per la trasmissione

– Pacchetti addizionali in IEC 61968-11 per l’estensione alla distribuzione

– Pacchetti addizionali in IEC 62325-301 per l’estensione al mercato elettrico

21

Adozione standard CIM

• Gruppo di profili CIM adottati in SmartGen – CIM v14 ENTSO-E 2009 (disponibile)

– CIM v15 ENTSO-E 2011 (appena sarà rilasciato)

• Profili CIM v15 ENTSO-E 2011 – Equipment (apparecchiature)

– Topology (connessione tra componenti)

– State Variables (variabili)

– Diagram Layout (layout di diagramma)

– Dynamic (simulazione dinamica)

– Geographical (coordinate geografiche)

• Novità di CIM v15 rispetto al precedente v14 del 2009 – Nuovo modello di trasformatore

– Modellazione reti squilibrate (distribuzione)

– Distinzione tra layout di diagramma e coordinate geografiche

22

CIM 600+ classi

ENTSO-E ~60 classi

Ottimizzazione multilivello dell’esercizio

23

A. Borghetti, S. Grillo, S. Massucco, A. Morini, C.A. Nucci, M. Paolone, F. Silvestro: “Generazione diffusa, sistemi di controllo e accumulo in reti elettriche” AEIT n. 11/12, Dicembre 2010, pp. 6-15, ISSN: 1825-828X


Identificazione siti sperimentali:

– Accessibilità e controllabilità

– Vantaggi tecnici ed operativi

– Disponibilità di

• generazione distribuita,

• accumulo,

• carico controllabile

– Identificazione di indicatori

24

Navicelli Amaie Ateneo Livorno Ventotene

Uno o più feeder MT x x x

Reg V/Q x x x

Accumulo x x

Logiche protezione

Utenti attivi x x

Comunicazione x

SCADA interfacciabile x x x x x

TOTALE 2 3 4 4 2

CARICO

ACCUMULO

GENERAZIONE

• Area di proprietà di ENEL INGEGNERIA e INNOVAZIONE

• Rete interna d’utenza MT e BT :

– Servizi e utenze impiantistiche comuni (300kW)

– Impianti pilota per sperimentazione su combustione (1900kW):

– Impianti sperimentali generazione distribuita (1200 kW)

– Sistemi sperimentali di accumulo elettrico (100 kW)

• Possibilità di prove in campo ed interventi senza impatto sul distributore

• Funzioni sperimentali applicabili

– Stima dello Stato

– Ottimizzazione punto di lavoro

Area Sperimentale di Livorno (ENEL IIN)

25

Rete Distribuzione Sanremo AMAIE

• La porzione di rete elettrica di distribuzione di Sanremo gestita da AMAIE S.p.A. si

sviluppa su circa metà del territorio comunale e comprende sia aree urbane sia

aree rurali.

26

• La rete è composta da una cabina

primaria AT/MT 132/15 kV

(struttura a doppia sbarra

equipaggiata con 2 trasformatori

da 40 MVA) da cui si dipartono 10

feeder MT gestiti normalmente in

assetto radiale. Le linee di MT

sono sia cavi sia linee aeree e

raggiungono un’estensione

globale di 115 km circa. La rete

MT è gestita a neutro compensato.

• Impianti PV (uno da 500 kW)

• Le cabine secondarie MT/BT 15/0,4 kV assommano, fra pubbliche e private, a

200 unità. Di queste 200 poco più del 10% sono telecontrollate. Le uniche

funzioni ad oggi implementate sono comandi apri/chiudi ma si pianifica di

rendere in futuro operativa la ricerca automatica del tronco guasto.

VPP Ateneo Genovese

27

FV Batteria Carico

Aux

Cabina

Micro SCADA

Microgrid presso una delle cabine MT/BT (DARSENA)

• Impianto FV da 20 kWp

– Progetto con modulo monocristallino da 180 Wp.

– Produzione attesa annua: 24,4 MWh

• Accumulo da 10 kW/12kWh con batterie tecnologia litio

• Carichi controllabili

• Sistema di monitoraggio e controllo in tempo reale

Sensore sui 19 punti MT/BT

Localizzazione monitoraggio

Monitoraggio in tempo reale del carico elettrico

28

Conclusioni

• SmartGen intende fornire e tecnologie abilitanti per

le reti di distribuzione attive

– Generazione / Gestione dei carichi

• Sviluppo di un DMS evoluto (aperto anche ai futuri

scenari del mercato elettrico) in fase di progettazione e

sviluppo

– Controllo della rete / Bilanciamento energetico

• Il consorzio comprende l’intera filiera ed integra le

competenze di ricerca necessarie e sperimenterà su

siti test di dimensioni reali

– Distributore / Università / Imprese di prodotti e servizi

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Cos’è una smart city

Cosa è una smart grid per una smart city? è il cosiddetto «enabling factor»

Coordinamento tecnico e amministrativo

Gianni Viano Softeco Sismat S.r.l.

[email protected]

Coordinamento scientifico

Stefano Massucco Università di Genova

[email protected]

Contatti: www.smartgen.it [email protected]

http://www.smartgen.it/

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