Unità di Ricerca 2 - Smartgridproject.it

Principali Obiettivi e Risultati della UR2 - Settore energia elettrica
L’automazione dei sistemi elettrici nasce e si evolve storicamente mutuando l’esperienza fatta con le reti di
trasmissione a partire dalla fine degli anni Sessanta e trasferendola sui livelli di distribuzione a minore
tensione. Le reti di distribuzione sono ad oggi caratterizzate da una struttura topologica e una capacità di
monitoraggio e controllo che non colgono appieno le nuove sfide che derivano dai mutamenti tecnologici in
atto con l’introduzione di una capacità di generazione da fonti rinnovabili o di microcogenerazione, la
presenza di carichi aggiuntivi ed aleatori quali le stazioni di ricarica dei veicoli elettrici, la diffusione di
tecnologie abilitanti ICT, dispositivi di elettronica di potenza e capacità di accumulo distribuita. Questo
scenario impone un radicale rinnovamento, dettato anche dal mutato scenario regolatorio, delle reti di
distribuzione che, nate per servire unidirezionalmente e capillarmente il trasferimento di energia elettrica
generata da grandi impianti verso le utenze finali, dovranno incrementare il loro livello di automazione e di
“smartness”, ed essere in grado di gestire flussi aleatori e bidirezionali, trasferire informazione per la
gestione locale delle risorse energetiche e fornire un supporto fisico per lo sviluppo di nuovi servizi orientati
al consumatore. In aggiunta, la concentrazione dei consumi energetici nelle aree urbane spinge
all’individuazione di una nuova architettura di distribuzione che sia caratterizzata da una maggiore
efficienza e dalla possibilità di accogliere i nuovi servizi di produzione e fornitura senza compromettere i
livelli di qualità e affidabilità del sistema.
La richiesta di rinnovamento delle reti elettriche genera e ha generato ingenti investimenti nelle nuove
tecnologie abilitanti. Nel 2012, gli investimenti nel settore delle smart grids sono globalmente aumentati
del 7%, per un totale di 13,9 Miliardi di dollari nel mondo, di cui 1,4 Miliardi nella sola Europa con un trend
di crescita del +27% (fonte Worldwatch Institute). Tale dinamismo economico offre un sostegno concreto
nelle effettive chance di innovazione di infrastrutture che paiono a tratti obsolete e anacronistiche. Nella
ottica di sviluppo di infrastrutture intelligenti e complesse su scala urbana e metropolitana (smart city), il
raggiungimento di un elevato livello di flessibilità, controllo e automazione delle reti elettriche può
rappresentare una svolta significativa verso un’integrazione efficiente di tutti i vettori energetici, ivi
compresi gas, acqua e altre fonti di energia.
Le reti elettriche del futuro saranno in grado di coordinare ed integrare in modo intelligente, il
comportamento e le azioni di tutti gli utenti ad essa connessi, sia passivi che attivi, e garantiscono
approvvigionamenti elettrici sostenibili, efficienti, economici e affidabili. A tal fine devono essere introdotti
nuovi dispositivi per il monitoraggio e il controllo delle reti, con il supporto delle tecnologie ICT e
l’installazione di sensori e chip dislocati su tutto il sistema, e l’integrazione di software in grado di analizzare
ed elaborare tali informazioni, e di regolare i flussi di energia in tempo reale sulla base delle offerte e della
domanda locale in tempo reale. La rete diventa così una fusione di tante sub-reti, in grado di gestire
autonomamente il trasferimento di energia, dalla produzione ai consumi, o di collegarsi in maniera
integrata con i livelli superiori. Inoltre, con la diffusione di sistemi di accumulo, si assiste alla presenza di
carichi elastici distribuiti, in grado di rilasciare energia nelle ore di maggior domanda e ricaricarsi quando
essa è minore. Pertanto, per assicurare un’integrazione ottimale e per la gestione e il coordinamento di
queste isole virtuose, la smart grid risulta una risorsa fondamentale e altamente innovativa, tale da
prevedere nuovi ruoli per i distributori locali di energia, nuovi aspetti regolatori e nuovi sistemi e dispositivi
intelligenti, supportati chiaramente dal ruolo attivo e fondamentale della ricerca scientifica.
Le attività di ricerca del progetto “Smart Grids: Tecnologie avanzate per i servizi pubblici e l’energia”, legate
al settore elettrico e alla distribuzione dell’energia elettrica, sono state pertanto svolte avendo come
riferimento il succitato scenario di evoluzione delle reti e di incremento dei livelli di automazione, di
controllo e monitoraggio dei sistemi di distribuzione. Le attività, coerentemente con gli obiettivi di
progetto, hanno consentito l’instaurarsi di una collaborazione attiva tra università e aziende su queste
tematiche innovative. La presenza come partner di un distributore elettrico su scala municipale ha
permesso al gruppo di ricerca del Politecnico di Bari di prendere confidenza con le reali necessità di aziende
di questa dimensione. D'altronde, l’attività di ricerca svolta ha permesso al distributore AMET di prendere
contatto con alcune tecnologie innovative, che opportunamente calibrate sul sistema di distribuzione
esistente, possono consentire una migliore gestione del sistema elettrico in termini di qualità del servizio
ed una maggiore penetrazione di generazione distribuita.
Il primo passo è stato un approfondito stato dell’arte delle caratteristiche dei sistemi di distribuzione
soprattutto con un alto grado di penetrazione della generazione distribuita. Si sono definite le architetture
di controllo e dei sistemi e protocolli di comunicazione per reti di distribuzione attive, verificando la
compatibilità dei protocolli e dei software con quelli adottati nella distribuzione dell’energia elettrica.
Una delle prime problematiche affrontate è stata quella della progettazione e gestione ottimale di sistemi
di trigenerazione (produzione di energia elettrica, calore e freddo). In particolare si è compiuto uno studio
per la determinazione della migliore scelta impiantistica, in termini di taglia, tecnologia utilizzata e benefici
finanziari, per un sistema di accumulo di calore e freddo in un distretto energetico. La determinazione della
taglia ottimale ha richiesto una ottimizzazione dei cicli di carica/scarica dei sistemi di accumulo termico e la
modulazione ottimale della potenza prodotta.
Nella fase preliminare del progetto sono stati identificati gli strumenti software di gestione e pianificazione
di reti di distribuzione di elevata dimensione (migliaia di nodi come nel caso di AMET) da realizzarsi in
presenza di condizione operative caratteristiche dei sistemi di distribuzione classici (sbilanciamento dei
carichi sulle fasi, sistemi radiali e multi-radiali) e dei sistemi di distribuzione attivi (presenza di risorse
energetiche rinnovabili, flessibilità dei carichi, presenza di generazione distribuita).
Le attività di ricerca condotte hanno permesso di ipotizzare una struttura di Advanced Distributed
Management System (ADMS), ovvero un sistema avanzato di gestione, controllo e monitoraggio delle reti
di distribuzione. Tale sistema prevede lo sviluppo di una piattaforma software che supporta la suite
completa di gestione e ottimizzazione delle reti di distribuzione elettriche. Il sistema di controllo e
monitoraggio include funzioni che automatizzano il ripristino dopo un’interruzione e ottimizzano le
prestazioni delle reti di distribuzione. Per mezzo di opportuni strumenti di ottimizzazione le principali
funzioni ADMS possono includere l’ottimizzazione dei profili di tensione, la gestione dei picchi della
domanda, la regolazione di tensione e il controllo del carico attivo, la gestione dell’accumulo e il supporto
per microgrid e veicoli elettrici.
ADMS (Advanced Distributed Management System)
Sulla base della struttura ADMS ipotizzata, è stata progettata e realizzata una piattaforma software di
ottimizzazione, basata sul simulatore open-source Open-DSS attuale standard di rappresentazione e
risoluzione delle reti elettriche di distribuzione, e basato su un modello dei componenti attualmente
impiegati nella rete AMET. A tal fine sono stati acquisiti dati che hanno consentito una mappatura GIS e
rappresentazione della suddetta rete di distribuzione, con analisi dei carichi e della generazione diffusa. Si è
inoltre valutato l’andamento delle richieste di connessione alla rete da parte di impianti di piccola e media
taglia per la generazione di energia elettrica da fonti alternative (fotovoltaico principalmente), studiandone
e prevedendone gli impatti in relazione con modelli statistici di carico basati su dati storici.
Le principali funzioni di ottimizzazione sono state risolte per mezzo di procedure di Three-phase
Distribution Optimal Power Flow (TDOPF), sviluppate per sistemi trifase e sbilanciati. In particolare, sono
stati sviluppati alcuni strumenti software che possono essere utilizzati nella gestione e nell’esercizio
giornaliero della rete di distribuzione AMET. Il pacchetto software comprende un modulo per l’analisi della
rete in regime stazionario e sbilanciato sulle tre fasi (Unbalanced Three-phase Power Flow) ed un modulo
per l’ottimizzazione delle rete basato sulla rappresentazione per singola fase di una rete di distribuzione
(Three-phase Distribution Optimal Power Flow - TDOPF) e sull’utilizzo delle risorse di controllo attualmente
disponibili agli operatori di rete.
Il sistema software sviluppato è in grado di svolgere le seguenti funzioni:
•
controllo dei flussi di energia e delle tensioni su particolari sezioni critiche del sistema;
•
rilevamento automatico della topologia del sistema (topology processor) e ottimizzazione della
configurazione di rete (optimal network reconfiguration) per reti radiali e magliate;
•
controllo e ottimizzazione delle risorse di potenza attiva e reattiva;
•
ottimizzazione dei profili di tensione (Volt-VAr optimization);
•
regolazione della tensione per il risparmio energetico (conservative voltage regulation);
•
minimizzazione delle perdite;
•
rappresentazione GIS della rete urbana di AMET.
Dal punto di vista hardware è stato sviluppato un progetto di telecontrollo per la rete di distribuzione
elettrica che sostanzialmente aggiunge misure analogiche allo SCADA pre-esistente che prevedeva solo la
presenza di un topology processor. Sulla base di questo progetto, è stato realizzato un software necessario
alla integrazione delle misure analogiche nel sistema SCADA e sono stati installati strumenti di misura sui
principali feeder della cabina primaria. Grazie alla presenza di numerosi sezionatori motorizzati e di percorsi
alternativi di alimentazione tra feeder diversi sono stati identificati, tramite simulazione sulla piattaforma
software sviluppata, i possibili vantaggi in termini di sicurezza legati alla possibilità di spostamento rapido di
porzioni di carico o di generazione distribuita sui feeder del sistema.