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Distribuzione elettrica e generazione
distribuita: automazione e controllo
Tecnologie e sistemi di comunicazione per il
controllo di generatori distribuiti e reti
L. Capetta
CESI
Definizione di generazione distribuita
¾ Un sistema di produzione di energia in prossimità dei
carichi,
¾ Che può, ma non necessariamente, essere connessa alla
rete di distribuzione,
¾ Composta da unità medio-piccole che utilizzano le più
svariate sorgenti primarie di energia.
Il CIGRE ne ha dato la seguente definizione:
¾
¾
¾
¾
Non centralmente pianificata
Non soggetta a dispacciamento centralizzato
Normalmente connessa alla rete di distribuzione
Di taglia inferiore a 50-100 MW
CESI
Opportunità e Rischi
¾ Può dare un contributo
significativo alla copertura della
domanda, crescendo “in modo
incrementale continuo”,
parallelamente al carico
¾ Può contribuire al
miglioramento dell’impatto
ambientale
¾ Rende il sistema nel suo
complesso più sicuro e meno
sensibile ai guasti
¾ Migliora la qualità del servizio
¾ Impatta sul controllo di
tensione
¾ Occorre prevedere protezioni
anti-islanding
¾ Aumenta i livelli di corto
circuito
¾ Ha un impatto sulla qualità
della fornitura
¾ Pone nuovi problemi al
dispacciamento ed al controllo
della rete
CESI
Evoluzione del sistema elettrico
¾ Cresce il numero degli attori (produttori, distributori,
gestori, autorità regolatrici, broker).
¾ In un mercato competitivo cresce la volatilità della
generazione ma anche dei carichi
¾ Vi sono due punti di vista circa la DG :
Può dare un contributo all’esercizio della rete elettrica come servizi
ancillari e parte del DSM
Prevalentemente orientata a soddisfare bisogni locali.
¾ La sicurezza del sistema elettrico va garantita, a fronte della
transizione da una struttura integrata verticalmente ad un
mercato aperto.
¾ Le due visioni vanno integrate in modo che la crescita della
GD contribuisca al rafforzamento del sistema elettrico.
CESI
Le sfide e le opportunità per il monitoraggio e
controllo in tempo reale
¾ Per mantenere globalmente bilanciato il rapporto GenerazioneCarichi l’industria elettrica ha sviluppato sempre di più i
sistemi EMS - DMS
¾ La nuova architettura C&C non riguarda solamente le utility,
va superata l’inerzia che deriva dalle architetture attuali,
occorre sviluppare una infrastruttura C&C di base unificata
Garantisca la sicurezza ed affidabilità del sistema
Coordini la complessità di tante entità indipendenti
Si integri con i sistemi già installati delle utility
Sia scalabile in modo da facilitare l’integrazione di apparati diversi
Sia flessibile in modo da adattarsi rapidamente al variare della
configurazione del sistema
CESI
Il monitoraggio e controllo in tempo reale:
I flussi di informazione
¾ Nuove informazioni richiedono maggiore attenzione
Variabili economiche, non solo legate ai costi ma anche ai prezzi
Variabili ambientali, legate ai livelli di emissione
La qualità della fornitura, il suo costante monitoraggio e
miglioramento è un obiettivo primario
¾ Nuove tecniche possono accrescere l’affidabilità del
sistema
Protezioni adattative, coordinate con il controllo, funzione della
configurazione della rete
Costruzione dello stato della rete basato sulla misura dei fasori in
punti tra loro remoti con sincronizzazione GPS
¾ Cresce globalmente il numero delle variabili da
considerare e la complessità delle strategie di analisi e
controllo.
¾ Cresce il rischio di sovraccarico di informazioni
CESI
Il monitoraggio e controllo in tempo reale:
L’architettura del sistema
¾ Architettura articolata su più livelli, di tipo distribuito che
alloca quanta più intelligenza possibile in periferia.
A livello globale servono visioni di sintesi.
A livello periferico occorre aggregare le unità più piccole.
Il livello di controllo periferico deve disporre di tutte le
informazioni che necessitano a prendere decisioni in modo
autonomo
• Possibile il funzionamento in rete isolata
¾ Multicentrica, con riferimento ai diversi Attori.
Va garantita la trasparenza sui dati così come va preservata la
privacy dei dati. È critica la definizione dei confini
CESI
Il monitoraggio e controllo in tempo reale:
Le comunicazioni
¾ Protocolli di comunicazione Plug and Play che garantiscano
l’interoperabilità tra diverse soluzioni tecnologiche.
Basati su standard industriali
Compatibili con i sistemi installati o che consentano una agevole
migrazione
Che abbiano capacità real time
Che sfruttino le potenzialità del web
Che garantiscano la sicurezza
¾ I vettori di comunicazione non rappresentano una
limitazione tecnica
Le fibre ottiche possono essere impiegate per realizzare schemi di
protezione non più solo locali
Comunicazioni su rame per i comandi e la regolazione centralizzate
Comunicazioni wireless e power line a larga banda per il controllo di
isole locali
CESI
Il protocollo IEC 61850
CESI
Obiettivi e caratteristiche dello standard
Obiettivo primario dello standard di comunicazione IEC 61850 è
supportare l’interoperabilità tra IED di differenti costruttori,
intesa come la capacità di operare sulla stessa rete
condividendo informazioni e comandi.
¾ Si concentra sulla modellazione dei requisiti operazionali che
deve supportare ma non ha l’obiettivo di standardizzare le
funzioni o la loro distribuzione.
¾ Si basa il più possibile su standard esistenti.
¾ È aperto e supporta “self descriptive devices”.
¾ È basato su “data objects” per i bisogni della industria
elettrica, in particolare l’automazione di stazione.
CESI
Funzioni, Nodi logici e Dispositivi fisici
¾ Identifica le funzioni e le loro caratteristiche
Compiti
Risultati
Prestazioni
………
¾ Ne effettua la decomposizione in parti distribuibili : Nodi
logici
¾ Identifica le relazioni tra i componenti di una funzione
distribuita definendo il flusso dei dati tra i nodi logici: le
interfacce.
Informazioni scambiate e loro attributi
¾ I nodi logici sono le parti allocabili sui dispositivi fisici
CESI
Un esempio di distribuzione funzionale
Esempio di relazioni tra funzioni, nodi logici e nodi fisici
Dispositivo fisico 1: Station computer, 2: comando interruttore sincronizzato, 3:
protezione distanziometrica con funzione di overcurrent integrata, 4: unità
controllo montante, 5 e 6: trasformatori di misura di corrente e tensione, 7:
trasformatore di misura di tensione di sbarra
CESI
Differenti tipi di messaggi
CESI
Indipendenza tra applicazione e
comunicazione
¾ Lo standard specifica un insieme di oggetti e servizi astratti
di comunicazione che consentono di scrivere una
applicazione in modo da essere indipendente da uno
specifico protocollo (ACSI Abstract Communication
Service Interface)
Una applicazione verrà scritta in modo da invocare/rispondere
all’appropriato insieme di servizi ACSI.
¾ L’ACSI è mappato sui servizi di uno specifico protocollo
secondo quanto specificato da uno specifico SCSM
(Specific Communication Service Mapping)
CESI
ACSI interfaccia di comunicazione
astratta e mapping sui protocolli
CESI
Mapping di ACSI su protocolli specifici
ClientServer
MMS
Connection
oriented
Gestione
Eventi
GSSE
GSE manag.
protocol
GOOSE
services
MMS
Vuoto
Connection
less
Vuoto
SNTP
TCP/IP
Vuoto
Vuoto
Session
IP
10BaseT
Application
Vuoto
OSI
Ethernet
servizi
Presentation
Vuoto
OSI
ACSI
Time
synch
Transport
Network
Data Link
Fibra Ottica - ST
Physical
CESI
Modellazione dei dati e servizi
¾ L’interoperabilità tra nodi logici implica la loro capacità di
interpretare i dati ricevuti (sintassi e semantica).
Dati e servizi di una applicazione sono modellati su tre livelli
¾ ACSI che definisce modelli astratti e servizi di
comunicazione tra nodi logici
¾ Common data classes (CDC) che definisce informazioni
strutturate che consistono di uno o più attributi.
¾ Compatible logical nodes classes and data classes,
definisce un modello ad oggetti per nodo logico e classi di
dati che sono una specializzazione di CDC.
Un esempio di data class è: “posizione dell’interruttore con
associato un indice di qualità e il tempo”
CESI
Engineering tools
¾ Per consentire lo scambio di parametri di sistema e della
descrizione dei dispositivi tra i tools di diversi costruttori è
stato definito un linguaggio di configurazione di stazione
(SCL)
¾ Il linguaggio, basato su XML contiene le seguenti sezioni
sezione stazione: descrive il diagramma unifilare di stazione, il suo
legame con i nodi logici e la distribuzione dei nodi logici negli
IED.
Sezione comunicazione: descrive le comunicazioni tra IED
sezione IED: descrive le funzionalità degli IED e le connessioni ai
nodi logici di altri IED
sezione nodi logici: descrive quali reali oggetti sono contenuti in
una istanza di nodo logico.
CESI
Tecnologia di comunicazione power line
CESI
La comunicazione power line a banda
larga
¾ L’uso delle linee di energia come vettore per comunicazioni
di controllo è consolidato e ritenuto altamente affidabile.
¾ Utilizza un mezzo esistente e di proprietà delle utility, è
particolarmente interessante anche per l’impiego nel
telecontrollo delle reti ai livelli più bassi di tensione.
IEC 61334
EN 50065
¾ In anni recenti si sono sviluppate soluzioni che puntano a
realizzare con questo mezzo reti di accesso a larga banda.
Utilizzando la rete in bassa ed in media tensione
L’impiego primario proposto è quello della copertura del cosiddetto
“ultimo miglio” dove compete con le connessioni wireless.
CESI
Caratteristiche tecniche
¾ L’architettura dei sistemi attuali è di tipo master - slave,
con unità master distribuite nelle cabine MT/BT,
ripetitori che possono essere collocati lungo la rete, ad esempio
nelle cassette stradali della rete BT,
terminali di utente.
¾ I dispositivi di accoppiamento sono di tipo sia capacitivo
che induttivo. Questi ultimi particolarmente interessanti
per l’agevole installazione.
¾ Le tecniche di modulazione e codifica impiegate sono
tipiche delle trasmissioni a larga banda
OFDM
DSS
IEEE 802.11
CESI
Prestazioni tecniche
¾ Le bande di frequenze utilizzate attualmente sono allocate
tra 2 e 30 MHz
¾ I componenti disponibili, chip set, supportano data rate
fino a 45 Mbps
¾ Su reti reali si sono misurate prestazioni superiori a 10
Mbps.
¾ La capacità di penetrazione del segnale è funzione della
potenza del segnale, delle caratteristiche della rete e della
qualità dei prodotti.
Su rete BT si arriva a circa 100 m
Su rete MT, con opportune scelte, si può arrivare a 500 m.
CESI
Stato attuale
¾ La standardizzazione non è ancora assestata,
Ci sono consistenti attività in corso (CENELEC, ETSI, CISPR)
L’atteggiamento delle autority EU e US è aperto
Sono disponibili primi prodotti industriali
¾ Non esiste ancora un vero mercato
Molti field trials sono stati attivati sia in EU che US
CESI
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Conclusioni
¾ Definire le regole di mercato e le regole tecniche
prodotti e tariffe
chi fa cosa, responsabilità
regole di interconnessione
¾ Vanno definiti gli scenari e l’architettura di sistema con il
coinvolgimento di tutti gli attori.
¾ Stabilire lo standard di riferimento per i protocolli di
comunicazione e le interfacce.
¾ Il sistema va testato e dimostrato attraverso sia siti ad alta
concentrazione di tecnologie GD che distribuiti su scala
regionale.
CESI
