Distribuzione elettrica e generazione distribuita: automazione e controllo

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1 Torna al programma Distribuzione elettrica e generazione distribuita: automazione e controllo Tecnologie e sistemi di comunicazione per il controllo di generatori distribuiti e reti L. Capetta

2 Definizione di generazione distribuita Un sistema di produzione di energia in prossimità dei carichi, Che può, ma non necessariamente, essere connessa alla rete di distribuzione, Composta da unità medio-piccole che utilizzano le più svariate sorgenti primarie di energia. Il CIGRE ne ha dato la seguente definizione: Non centralmente pianificata Non soggetta a dispacciamento centralizzato Normalmente connessa alla rete di distribuzione Di taglia inferiore a MW

3 Opportunità e Rischi Può dare un contributo significativo alla copertura della domanda, crescendo in modo incrementale continuo, parallelamente al carico Può contribuire al miglioramento dell impatto ambientale Rende il sistema nel suo complesso più sicuro e meno sensibile ai guasti Migliora la qualità del servizio Impatta sul controllo di tensione Occorre prevedere protezioni anti-islanding Aumenta i livelli di corto circuito Ha un impatto sulla qualità della fornitura Pone nuovi problemi al dispacciamento ed al controllo della rete

4 Evoluzione del sistema elettrico Cresce il numero degli attori (produttori, distributori, gestori, autorità regolatrici, broker). In un mercato competitivo cresce la volatilità della generazione ma anche dei carichi 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. La sicurezza del sistema elettrico va garantita, a fronte della transizione da una struttura integrata verticalmente ad un mercato aperto. Le due visioni vanno integrate in modo che la crescita della GD contribuisca al rafforzamento del sistema elettrico.

5 Le sfide e le opportunità per il monitoraggio e controllo in tempo reale Per mantenere globalmente bilanciato il rapporto Generazione- Carichi l industria elettrica ha sviluppato sempre di più i sistemi EMS - DMS 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

6 Il monitoraggio e controllo in tempo reale: I flussi di informazione 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 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 Cresce globalmente il numero delle variabili da considerare e la complessità delle strategie di analisi e controllo. Cresce il rischio di sovraccarico di informazioni

7 Il monitoraggio e controllo in tempo reale: L architettura del sistema 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 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

8 Il monitoraggio e controllo in tempo reale: Le comunicazioni 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 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

9 Il protocollo IEC 61850

10 Obiettivi e caratteristiche dello standard Obiettivo primario dello standard di comunicazione IEC è supportare l interoperabilità tra IED di differenti costruttori, intesa come la capacità di operare sulla stessa rete condividendo informazioni e comandi. Si concentra sulla modellazione dei requisiti operazionali che deve supportare ma non ha l obiettivo di standardizzare le funzioni o la loro distribuzione. Si basa il più possibile su standard esistenti. È aperto e supporta self descriptive devices. È basato su data objects per i bisogni della industria elettrica, in particolare l automazione di stazione.

11 Funzioni, Nodi logici e Dispositivi fisici Identifica le funzioni e le loro caratteristiche Compiti Risultati Prestazioni Ne effettua la decomposizione in parti distribuibili : Nodi logici 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 I nodi logici sono le parti allocabili sui dispositivi fisici

12 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

13 Differenti tipi di messaggi

14 Indipendenza tra applicazione e comunicazione 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. L ACSI è mappato sui servizi di uno specifico protocollo secondo quanto specificato da uno specifico SCSM (Specific Communication Service Mapping)

15 ACSI interfaccia di comunicazione astratta e mapping sui protocolli

16 Mapping di ACSI su protocolli specifici Client- Server Gestione Eventi GSSE Time synch ACSI servizi MMS GSE manag. protocol GOOSE services MMS SNTP Application Connection oriented Vuoto Vuoto Connection less Vuoto Presentation Session OSI TCP/IP Vuoto Vuoto OSI Vuoto IP Transport Network Ethernet Data Link 10BaseT Fibra Ottica - ST Physical

17 Modellazione dei dati e servizi 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 ACSI che definisce modelli astratti e servizi di comunicazione tra nodi logici Common data classes (CDC) che definisce informazioni strutturate che consistono di uno o più attributi. 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

18 Engineering tools 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) 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.

19 Tecnologia di comunicazione power line

20 La comunicazione power line a banda larga L uso delle linee di energia come vettore per comunicazioni di controllo è consolidato e ritenuto altamente affidabile. 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 EN 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.

21 Caratteristiche tecniche 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. I dispositivi di accoppiamento sono di tipo sia capacitivo che induttivo. Questi ultimi particolarmente interessanti per l agevole installazione. Le tecniche di modulazione e codifica impiegate sono tipiche delle trasmissioni a larga banda OFDM DSS IEEE

22 Prestazioni tecniche Le bande di frequenze utilizzate attualmente sono allocate tra 2 e 30 MHz I componenti disponibili, chip set, supportano data rate fino a 45 Mbps Su reti reali si sono misurate prestazioni superiori a 10 Mbps. 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.

23 Stato attuale 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 Non esiste ancora un vero mercato Molti field trials sono stati attivati sia in EU che US

24 Torna al programma Conclusioni Definire le regole di mercato e le regole tecniche prodotti e tariffe chi fa cosa, responsabilità regole di interconnessione Vanno definiti gli scenari e l architettura di sistema con il coinvolgimento di tutti gli attori. Stabilire lo standard di riferimento per i protocolli di comunicazione e le interfacce. Il sistema va testato e dimostrato attraverso sia siti ad alta concentrazione di tecnologie GD che distribuiti su scala regionale.

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