1. SmartGen: metodi e strumenti
innovativi per la gestione di reti di
distribuzione attive
Stefano Massucco
Università di Genova
stefano.massucco@unige.it
2. 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
Immagine tratta da Consumer Energy Report - http://www.consumerenergyreport.com/wp-content/uploads/2010/04/smartgrid.jpg - Tutti i diritti riservati
2
3. 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
* www.smartgrids.eu
3
4. Requisiti per un moderno sistema elettrico
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
• Affidabilità
• Economicità
• Basso impatto ambientale
smart grid
• Sostenibilità
• Flessibilità
5. 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”.
6. Active Distribution Network
DMS
Distribution
networks where
P, Q, V P, Q, V
generators,
P, Q, V
P, Q, V
storage units,
P, Q P, -Q
P, Q power electronic
S WT = PV devices are fully
integrated (DER)
CHP
A Distribution Management Systems (DMS) provides:
management of load & generating sources, protection and control
of the network, matching PQ requirements.
7. le reti di trasmissione sono sempre state smart:
occorre passare da reti di distribuzione passive a reti attive
Senza
Transmissione
generazione
distribuita
Sub-transmissione
Flussi di potenza
unidirezionali
dalla rete di
Distribuzione (MT) trasmissione a
quella di
distribuzione
Distribuzione
(BT)
7
8. Da reti di distribuzione passive a reti attive
Transmissione Con
generazione
distribuita
Sub-transmissione
Flussi di potenza
bidirezionali
Distribuzione (MT) tra la rete di
trasmissione e le
infrastrutture di
Distribuzione distribuzione
(BT)
8
9. SmartGen
MERCATO ELETTRICO
Aggregatori / Active Demand
1. BILANCIAMENTO ENERGETICO
Bilanciamento generazione / carico
Mantenimento della curva di carico
2. SICUREZZA DELLA RETE
Stabilità dei parametri di rete
Continuità di fornitura
INFRASTRUTTURA RETE ELETTRICA
Rete di distribuzione
Microgrid, VPP/VPU
9
10. 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
11. 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
12. SmartGen – Consorzio, ruoli & dati
Università di Genova - DINAEL
Coordinamento scientifico
Architettura del DMS, Softeco Sismat S.r.l.
identificazione delle tecnologie e Coordinamento tecnico e amministrativo
attività di disseminazione Integrazione di sistema, software di
automazione e comunicazione,
collegamento con gestione economica
Università di Bologna - DIE
Funzioni innovative del DMS,
interfaccia con sistemi di
monitoraggio evoluto s.d.i. S.p.A.
1
Autumn Load Profiles
Residential
Agricultural
Progettazione e integrazione su
0. 9 Industrial
piattaforma sdi eXPert SCADA e DMS di
Commercial
0. 8
0. 7
0. 6
Active Power (pu)
0. 5
0. 4
0. 3
metodi e strumenti innovativi per la
Ricerca universitaria 0. 2
0. 1
0
0 24 48 72 96 1 20 1 44 1 68
gestione intelligente della rete
Time (h)
Ricerca Industriale / Soluzioni & Prodotti
Enel Ingegneria e Ricerca
Requisiti di sistema, definizione
dell’architettura del DMS e INIZIO: Gennaio 2011
sperimentazione sul campo DURATA: 36 mesi
COSTO = oltre 2.8 M€
Contributo = 1.1 M€
Ricerca Industriale / Infrastruttura sperimentale
12
13. Piano di lavoro
2011 2012 2013
2011-I 2011-II 2012-I 2012-II 2013-I 2013-II
WP7 WP6 WP5 WP4 WP3 WP2 WP1
ANALISI E DEFINIZIONE DEI REQUISITI E
SCELTA DEI SITI DIMOSTRATIVI REQUISITI
AVANZAMENTO
IDEAZIONE E SVILUPPO DELLE
METODOLOGIE METODOLOGIE
DISEGNO ARCHITETTURALE, SPECIFICA,
SVILUPPO ED ACQUISIZIONE DEI ARCHITETTURA
COMPONENTI HARDWARE E SOFTWARE
INTEGRAZIONE OGGI INTEGRAZIONE
DIMOSTRAZIONE IN CAMPO SPERIMENTAZIONE
DISSEMINAZIONE SCIENTIFICA
ED USO DEI RISULTATI DISSEMINAZIONE
GESTIONE DEL PROGETTO GESTIONE
Durata totale: 36 mesi
13
14. 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
15. Attività in fase di finalizzazione - 2
• 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
16. Collocazione di SmartGen
MERCATO
EMS Trading
Ancillary Service
Reti AT
Vincoli economici
RETE ELETTRICA
Funzionalità
Trasmissione (reti AT) Gestione Controllo
Previsioni
Distribuzione (MT/BT) Simulazioni
Microgrid
Virtual Power Plant Reti MT/BT
Virtual Power Utility
Vincoli tecnici
DMS
16
17. Architettura - Dettaglio
VINCOLI TECNICI (CAMPO / INFRASTRUTTURA)
VINCOLI ECONOMICI (MERCATO)
COMUNICAZIONE
TRASMISSIONE
TRADING
SCADA
AT EMS
ACTIVE DEMAND / DSM
ANCILLARY SERVICES
LOAD/PRODUCTION AGGREGATION
CONTROLLO LOCALIZZAZIONE
AT/MT DECENTRATO GUASTI
CONTROLLO CENTRALE
SCHEDULATORE / BROKER / ESB
CONTROLLO (ALGORITMI)
GENERAZIONE
LOCALE
PREVISIONE CARICO
CONTROLLO
MT ACCUMULO
LOCALE
PREVISIONE GENERAZIONE (METEO)
CONTROLLO
CARICO STIMA STATO
LOCALE
COMUNICAZIONE
CONTROLLO LOCALIZZAZIONE OTTIMIZZAZIONE PUNTO DI LAVORO
SCADA
AT/MT DECENTRATO GUASTI
(RI)CONFIGURAZIONE OTTIMA
DISTRIBUZIONE
CONTROLLO LOCALIZZAZIONE GUASTI
GENERAZIONE
LOCALE
CONTROLLO
BT ACCUMULO
LOCALE CIM SERVER I/O
CONTROLLO
CARICO
LOCALE
REAL TIME HISTORIAN CIM
OPC
VINCOLI TECNICI (CAMPO REALE) DB DB DB
VINCOLI TECNICI (CAMPO SIMULATO)
SmartGen DMS
17
18. Architettura - Dettaglio
VINCOLI TECNICI (CAMPO / INFRASTRUTTURA)
2. Controllo VINCOLI ECONOMICI (MERCATO)
1. Controllo
TRADING
COMUNICAZIONE
TRASMISSIONE
distribuito
SCADA
AT EMS ACTIVE DEMAND / DSM centrale
ANCILLARY SERVICES
LOAD/PRODUCTION AGGREGATION
AT/MT CONTROLLO DECENTRATO
CONTROLLO CENTRALE
SCHEDULATORE / BROKER / ESB
(ALGORITMI)
CONTROLLO
GENERAZIONE
LOCALE
PREVISIONE CARICO
CONTROLLO
MT ACCUMULO
LOCALE PREVISIONE GENERAZIONE (METEO)
CONTROLLO STIMA STATO
CARICO
LOCALE
COMUNICAZIONE
OTTIMIZZAZIONE PUNTO DI LAVORO
SCADA
MT/BT CONTROLLO DECENTRATO
(RI)CONFIGURAZIONE OTTIMA
DISTRIBUZIONE
CONTROLLO LOCALIZZAZIONE GUASTI
GENERAZIONE
LOCALE
CONTROLLO
BT ACCUMULO
LOCALE CIM SERVER I/O
CONTROLLO
3. Controllo CARICO
LOCALE
REAL TIME HISTORIAN CIM
OPC
VINCOLI TECNICI (CAMPO REALE) DB DB DB
locale
VINCOLI TECNICI (CAMPO SIMULATO)
SmartGen DMS
18
19. Architettura – scambio dati CIM
SCHEDULATORE / BROKER / ESB
Middleware
CIM CIM CIM
xml xml xml
CIM CIM
xml xml
Convertitore Convertitore
RDF MAT2CIM
GIPE2CIM
GIPE MAT
xml ENTSO 2010 CIM v15 xml
<network>_EQ.xml: equipment
<network>_SV.xml: system variables
<network>_TP.xml: topology
FUNZIONALITÀ
SCADA CIM SERVER PREVISIONE CARICO
PREVISIONE GENERAZIONE (METEO)
Archiviazione CIM
STIMA STATO
RETE ELETTRICA CIM OTTIMIZZAZIONE PUNTO DI LAVORO
Distribuzione (MT/BT) xml CIM
xml CIM CIM (RI)CONFIGURAZIONE OTTIMA
xml
DB LOCALIZZAZIONE GUASTI
19
20. Architettura – deployment
ESB support Web Service Web Application FTP
CIMServer
Hot deployment on container POJO Instant Deployment File metadata / model mgmt Embeddable/Stand-alone
Apache TOMCAT
HAND SHAKING
Servlet Container
RDBMS
ALGORITMI
HOST fisico (macchina virtuale)
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
20
21. 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
22. 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)
CIM
– State Variables (variabili) 600+ classi
– Diagram Layout (layout di diagramma)
– Dynamic (simulazione dinamica)
ENTSO-E
– Geographical (coordinate geografiche)
~60 classi
• 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
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23. Ottimizzazione multilivello dell’esercizio
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
23
24. Attività in fase di finalizzazione - 3
Identificazione siti sperimentali:
– Accessibilità e controllabilità
– Vantaggi tecnici ed operativi
– Disponibilità di
• generazione distribuita,
• accumulo,
• carico controllabile
– Identificazione di indicatori
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
24
25. Area Sperimentale di Livorno (ENEL IIN)
• 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):
CARICO
– Impianti sperimentali generazione distribuita (1200 kW) GENERAZIONE
– Sistemi sperimentali di accumulo elettrico (100 kW) ACCUMULO
• Possibilità di prove in campo ed interventi senza impatto sul distributore
• Funzioni sperimentali applicabili
– Stima dello Stato
– Ottimizzazione punto di lavoro
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26. 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.
• 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.
26
27. VPP Ateneo Genovese
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 Cabina
tecnologia litio
• Carichi controllabili Aux
• Sistema di
monitoraggio e
controllo in tempo reale Micro
FV Batteria Carico
SCADA
27
28. Monitoraggio in tempo reale del carico elettrico
Localizzazione monitoraggio
Sensore sui 19 punti MT/BT
28
29. 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
29
30. Cos’è una smart city
Cosa è una smart grid per una smart city?
è il cosiddetto «enabling factor»
