Reti
sotto controllo
SISTEMI DI MONITORAGGIO AVANZATI
PER LA PROTEZIONE DELLE LINEE ELETTRICHE
CÉDRIC CARNAL, JOACHIM BERTSCH, MAREK ZIMA
Utility Automation Systems
Baden, Svizzera
Come in molti paesi europei, anche in Svizzera la
crescita graduale del consumo di elettricità e
l’aumento delle attività commerciali oltre confine,
associati a restrizioni di carattere ambientale, stanno
spingendo molte reti elettriche ai limiti delle loro
capacità, creando notevoli oscillazioni negli schemi
di flusso e sovraccaricandole.
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Le nuove tecnologie di calcolo e comunicazione e i sistemi di
misura vettoriali offrono soluzioni economiche per il monitoraggio
in tempo reale dei flussi di elettricità. Quando si opera ai limiti
delle capacità, anche i miglioramenti marginali acquistano
importanza.
Una piattaforma WAM
Prendendo spunto dai risultati del
progetto pilota realizzato in una
rete di trasmissione esistente,
viene qui di seguito descritto il
ruolo svolto dagli strumenti di
misura vettoriali nel sistema di
monitoraggio Wide Area
Monitoring System (WAMS).
PSGuard, con i suoi moduli
PSG8xx, è una piattaforma per il
sistema di monitoraggio, controllo e protezione delle reti, progettata come soluzione scalabile a
partire dalla piattaforma base
PSG830. La fig. 1 illustra il
design modulare.
Utilizzando un segnale GPS, gli
strumenti di misura vettoriali,
Phasor Measurement Units
(PMU), vengono sincronizzati al
microsecondo. Ciò consente di
osservare le dinamiche del
sistema indipendentemente dalle
distanze fra i punti di misurazione. Applicando diversi strumenti
di analisi software, i moduli
PSG8xx forniscono informazioni
sui parametri di stabilità della
rete: frequenza, tensione e
oscillazioni di energia. L’interpretazione di queste dinamiche
offre preziosi segnali di preallarme dei possibili sovraccarichi
delle reti e garantisce quindi un
esteso margine temporale per
adottare i necessari rimedi.
Figura 1 - PSGuard, una soluzione
scalabile.
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La rete di trasmissione
svizzera sotto controllo
L’obiettivo del progetto pilota di
impiego del sistema WAM nella
rete di trasmissione svizzera è
monitorare l’impatto del forte
carico di trasmissione dell’energia sull’asse nord-sud. Sono stati
quindi posizionati quattro PMU
lungo questo corridoio di
trasmissione (vedi fig. 2).
I PMU misurano i vettori di
tensione e corrente e inviano i
dati ogni 100 ms al System
Monitoring Centre (SMC). I dati
(sia misure dirette che risultati di
calcolo) vengono visualizzati su
un’interfaccia utente grafica
(GUI, fig. 3) intuitiva, costituita
da una videata principale, che
può essere uno schema unifilare
e/o la videata funzionale dei
componenti del sistema WAM,
associata alla cronologia degli
allarmi e delle segnalazioni e a
finestre di applicazione. Queste
contengono le rappresentazioni
delle tendenze, i risultati algoritmici, eccetera.
L’acquisizione dei dati, iniziata
con l’installazione del sistema
WAM prima del collasso verificatosi nell’inverno 2003, è
ancora in corso. I dati ottenuti
dalla configurazione esistente si
dividono in due categorie:
funzionamento e pianificazione
del sistema elettrico.
dal trasferimento di energia dalla
Francia all’Italia.
Monitorando lo sfasamento, è
possibile rilevare eventuali segni
precoci di un sovraccarico della
linea e adottare misure correttive.
La variazione dell’angolo di fase
che si osserva nella fig. 4 è
troppo piccola per costituire una
fonte di preoccupazione. Tuttavia, se supera i 20–30 gradi,
possono prodursi gravi ripercussioni, poiché la linea non può
essere richiusa in caso di sgancio.
Dato che entrambe le estremità
sono supervisionate dai PMU, le
perdite e l’impedenza della linea
possono essere calcolate con
estrema precisione. Da questi
calcoli (fig. 5) è possibile
estrapolare una temperatura
media della linea (potenza
termica dinamica). In questo
esempio, la temperatura media
aumenta da 46 a 49 °C in
conseguenza di un aumento di
200 MW di energia trasferita in
un intervallo di 30 minuti.
L’aumento di temperatura
espande il conduttore, che può
venire in contatto con alberi o
altri oggetti alti messi a terra,
provocando cortocircuiti.
Osservando la dinamica della
temperatura, l’operatore può
agire prima che si verifichino
danni di notevole entità.
Il sistema PSGuard per le linee di
trasmissione svizzere è stato
installato dopo il primo blackout
avvenuto in Italia nel 2003; da
allora non sono stati raccolti dati
indicanti variazioni di temperatura rilevanti.
Le applicazioni menzionate
svolgono un importante ruolo di
supporto decisionale sia durante
le normali condizioni d’esercizio,
sia in situazioni d’emergenza.
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Figura 2 – Sedi dei PMU installati nella rete di trasmissione svizzera.
Funzionamento del sistema
elettrico
Lo sfasamento della tensione
evidenzia il sovraccarico della
rete svizzera dovuto al transito di
energia verso sud. Si osserva un
rapporto quasi lineare fra
l’energia trasferita e lo sfasamento della tensione.
La fig. 4 mostra un trasferimento
di energia attraverso le due linee
monitorate e il rispettivo rapporto
con lo sfasamento nel sistema di
trasmissione. Gli operatori
possono osservare più facilmente
il sovraccarico creato nella rete
Figura 3 – Videata principale dell’interfaccia utente.
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Figura 4 – Risultati del monitoraggio dell’angolo di fase.
power transfer (MW)
= trasferimento di energia (MW)
phase angle (degrees) = angolo di fase (gradi)
time (s)
= tempo (secondi)
Pianificazione del sistema elettrico
I dati delle misure vettoriali possono essere utilizzati anche per
elaborazioni off-line per l’implementazione di modelli dinamici di
vari componenti della rete. Particolarmente interessanti sono le curve
di risposta dei controllori delle centrali elettriche. La capacità di
catturare le dinamiche della rete ad ampio raggio permette di analizzarne il comportamento e identificarne particolari proprietà per la
pianificazione di eventuali potenziamenti. A tal fine i dati possono
essere esportati dalla piattaforma in formati facilmente adattabili.
Monitoraggio della stabilità di rete
Figura 5 – Risultati del monitoraggio della temperatura.
line flow (MW)
line losses (MW)
impedance (Ù)
line temperature (°C)
time (s)
12/13
=
=
=
=
=
flusso linea (MW)
perdite linea (MW)
impedenza (Ù)
temperatura linea (°C)
tempo (secondi)
L’installazione descritta può
essere ulteriormente estesa per
affrontare problemi di stabilità di
maggiore portata. Sono attualmente in corso attività di ricerca
e sviluppo focalizzate sulle
tecniche di monitoraggio della
stabilità basate sugli strumenti di
misura vettoriali che possono
essere utilizzati per valutare lo
stato e offrire numerosi vantaggi
rispetto agli approcci tradizionali.
Le grandezze misurate sono i
vettori tensione e corrente ed è
quindi possibile formulare
espressioni lineari. Inoltre, gli
strumenti di misura vettoriale
possono essere collocati nella
rete e i loro dati fungere da base
per l’identificazione topologica.
Un sistema WAM può essere
utilizzato per monitorare la
stabilità di rete. Gli allarmi e gli
indicatori aiutano l’operatore ad
adottare misure correttive come
illustrato nella fig. 6. Una finestra
di monitoraggio della linea è
sovrapposta alla videata principale raffigurante lo schema
unifilare. La zona nera in alto
serve per elencare gli allarmi
(vedi anche fig. 3).
L’instabilità della tensione
provocata dal sovraccarico può
essere riconosciuta precocemente
mediante una visualizzazione con
curva PV (vedi fig. 7). Alcuni
fenomeni si svolgono però troppo
rapidamente e stanno quindi
acquisendo sempre più importanza le caratteristiche di controllo
avanzate. Attualmente queste
caratteristiche sono dedicate solo
a speciali schemi di protezione
(SPS). Si tratta di gruppi di relè
di protezione locali coordinati da
semplici norme che sono definite
in studi preliminari off-line. Un
evidente punto debole di questo
approccio è il tentativo di coprire
un’ampia gamma di condizioni
d’esercizio correnti con un
insieme limitato di norme fisse.
Figura 6 – Esempio
di interfaccia utente grafica del
sistema WAM, PSGuard.
Figura 7 - Esempio di interfaccia
utente grafica dell’algoritmo di
monitoraggio della stabilità della
tensione. Si utilizza una curva PV per
esprimere la distanza fra il carico
corrente e il punto di massima
caricabilità.
Affinché il sistema possa reagire
più efficacemente tutte le
condizioni di rete correnti devono
essere considerate durante il
monitoraggio e durante il
processo di controllo. Occorre,
pertanto, utilizzare procedure
online o in tempo reale. L’instabilità della tensione indotta da una
qualsiasi circostanza può essere
ridotta utilizzando un metodo
che si concentra sugli aspetti
dello stato di emergenza. Le
misure vettoriali sembrano i
segnali più idonei in grado di
fornire le informazioni necessarie
per identificare le modalità di
oscillazione dell’energia nei
sistemi elettrici.
In conclusione, i sistemi WAM basati sulla tecnologia di misurazione
vettoriale presentano vantaggi quantificabili se applicati a vari settori
del funzionamento dei sistemi elettrici. In questo caso il principale
punto d’interesse è stata la sicurezza delle reti, una questione particolarmente importante a causa dei modelli di carico frequentemente
variabili dei sistemi elettrici. Gli strumenti applicati per garantire
interventi rapidi ed efficaci da parte degli operatori continueranno ad
essere potenziati man mano che il sistema di monitoraggio della rete
svizzera fornirà ulteriori risultati.
Traduzione dell’articolo pubblicato sullo Special Report di ABB
Review dedicato ai Power
Services.
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