VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA E CONTROLLO PREVENTIVO PER I SISTEMI ELETTRICI: L ESPERIENZA DI UN PROGETTO EUROPEO

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1 Torna al programma VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA E CONTROLLO PREVENTIVO PER I SISTEMI ELETTRICI: L ESPERIENZA DI UN PROGETTO EUROPEO G. Demartini, D.Lucarella Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano Milano S. Massucco, P. Scalera, F. Silvestro Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Genova

2 PREMESSA Il sistema elettrico è un sistema complesso: Suddivisione in Generazione, Trasmissione, Distribuzione, Utilizzazione Dimensioni ed estensione geografica Il mercato elettrico dell energia La sicurezza del sistema elettrico nel rispetto di vincoli tecnici ed economici

3 Complessità del sistema elettrico Generazione Potenza installata totale: circa MW: Idroelettrica: MW, circa 1900 impianti Termoelettrica: MW, circa 900 impianti Rinnovabile (eolico/fotovoltaico): 670 MW, circa 90 impianti Energia totale richiesta: GWh (di cui circa il 16% da import estero) 52% industria; 24% terziario; 22% trasporti; 2% altro Potenza disponibile dalle interconnessioni con l estero MW su di un picco di carico di circa MW

4 Complessità del sistema elettrico Trasmissione, Sub-trasmissione e Distribuzione Ad alta ed altissima tensione 400 kv e 230 kv: circa km di linee elettriche (in Europa km) Subtrasmissione a 132 kv: circa km di linee elettriche e 2000 cabine di trasformazione Distribuzione a 15 kv: km di linee elettriche e cabine di trasformazione Distribuzione all utente finale (380/220 volt)

5 Estensione della rete europea di trasmissione (km di linee - dati UCTE) Country 220 kv 380 kv Belgium (B) Germany (D) Spain (E) France (F) Greece (GR) Italy (I) Slovenia (SI) + Croatia (HR) JIEL (Federal Republic of Yugoslavia and Former Yugoslav Republic of Macedonia) Luxemburg (L) Netherlands (NL) Austria (A) Portugal (P) Switzerland (CH) UCTE Czech Republic (CZ) Hungary (H) Poland (PL) Slovack Republic (SK) CENTREL UCTE + CENTREL

6 Recenti trasformazioni Generazione più efficiente e (in alcuni casi) di taglia minore Passaggio da sistemi monopolistici (verticalmente integrati) a sistemi competitivi Il mercato elettrico Invecchiamento del sistema di trasmissione e obsolescenza del suo concetto originario (da soccorso reciproco a transiti significativi e mercato)

7 Significativi cambiamenti nel settore della generazione Cicli combinati Tecnologia più pulità ed efficiente Realizzabili più facilmente (sito) e meno costosi Ingombri ridotti rendimenti fino a 50% ed oltre Generazione Distribuita (di piccola-media taglia: pochi kw 10 MW) Sorgenti distribuite sul territorio Costo combustibile basso/nullo (per le rinnovabili) ma generazione aleatoria

8 prima considerazione l aumento della complessità nel controllo e gestione dei sistemi elettrici richiede una valutazione della sicurezza veloce ed affidabile, possibilmente in tempo reale Static Security Assessment (SSA) Dynamic Security Assessment (DSA)

9 Aspetti di valutazione della sicurezza Static Security Assessment (SSA) Sovraccarichi termici Limiti di tensione Limite sull eccitazione dei gruppi (capability) Dynamic Security Assessment (DSA) Transient Stability Assessment (TSA) Voltage Stability Assessment (VSA)

10 Inoltre. Lesson learned dai recenti black-out Il fenomeno si è scatenato in tempi brevi anche se preceduto da circa 15 minuti di evoluzione del problema da una situazione normale ad una di allerta e poi di emergenza. Il ripristino è stato eccessivamente lungo AZIONI: rinforzare e rendere più economico il sistema (sia G che T&D), prevenire le situazioni, migliorare il ripristino

11 Stati operativi di un sistema elettrico per l energial Sicurezza: capacità del sistema elettrico, a partire da uno stato operativo normale, di portarsi in uno stato normale (lo stesso iniziale od un altro), a fronte di contingenze e con l ausilio dei sistemi di regolazione e protezione

12 CARATTERISTICHE GENERALI DELLA Security Assessment Enorme quantità di dati filtering Severità ranking Valutazione qualitativa ma anche quantitativa margini Azioni di controllo correlate alla valutazione quantitativa della sicurezza azioni preventive azioni correttive

13 Azioni di controllo Preventivo Stabilizzare il sistema rispetto alle contingenze più credibili, prima che esse accadano Aumentare i margini Ri-dispacciare le generazioni, variare topologia; eventuale ricorso al distacco del carico Correttivo Dopo la contingenza, intervenire per stabilizzare il sistema (se instabile) Anello aperto Azioni decise preventivamente Anello chiuso Anello chiuso Azioni valutate e attuate in tempo reale, con retroazione

14 Necessità di strumenti on-line per la DSA Aumento della complessità della gestione e controllo del sistema elettrico Transmission System Open Access e Mercato Elettrico Difficoltà a costruire nuove linee e centrali Aumento della richiesta di carico Sfruttamento vicino ai limiti tecnici delle linee di trasmissione Gestione delle congestioni di rete Con queste premesse, é possibile mantenere un adeguato livello di sicurezza e a che costo? Occorre supervisionare, valutare e controllare la sicurezza (dinamica) del sistema elettrico on-line

15 Progetto Europeo su DSA: OMASES OMASES - O - Open Market Access and Security Assessment System V Programma Quadro, settore Energia, EU Contract N. ENK6-CT

16 Open Market Access and Security Assessment System il CONSORZIO ALSTOM T&D (F) TRACTEBEL S.A. (B) CESI S.p.A.. (I) HTSO Hellenic Transmission System Operator (G) UNIVERSITY of LIEGE (ULG) (B) UNIVERSITY of GENOVA (UGDIE) (I) National Technical UNIVERSITY of ATHENS (NTUA ICCS) (G) UNIVERSITY of STRATHCLYDE (USTRAT) (UK) 2 Industrie,, 1 Centro di Ricerca,, 1 Transmission Operator, 4 Università Durata: 2.5 anni, ~350 person-months,, conclusosi nel luglio 2003

17 OMASES architettura generale e modalità operative 4 differenti tool relativi alla Security Assessment integrati in una unica piattaforma nei Centri di Controllo Transient Stability Assessment (TSA) Voltage Security Assessment (VSA) Training Simulator (TS) Market Simulator (MS) Real-time mode: l EMS fornisce a OMASES lo stato della rete e la soluzione statica. Il processo DSA é sincronizzato con il data transfer e gira ciclicamente con un tempo di esecuzione complessivo di circa 15 minuti Training (Study) mode: Training (Study) mode: l operatore utilizza gli strumenti DSA con un simulatore del sistema elettrico e uno del mercato

18 OMASES - Open Market Access and Security Assessment System architettura generale Existing EMS New OMASES NT Processors EMS Processor OMASES Application Server OMASES DB Server OMASES UI Server OMASES OMASES UI UI Client User interface machines are at operator work or training positions. file export LAN OMASES VSA OMASES TSA OMASES Training Simulator OMASES Market Simulator Dedicated computation machines as necessary.

19 la DSA comprende il filtering e il ranking CONTINGENCY FILTERING AND RANKING Solo poche del totale delle contingenze esaminabili in un ciclo DSA ( ~1000) necessitano azioni correttrici di tipo preventivo (ctg stabili ma potenzialmente pericolose) o correttivo (contingenze instabili) HIGHLY STABLE molte STABLE but POTENTIALLY HARMFUL poche HARMFUL

20 Transient Stability Assessment and (preventive) Control TSA & C Metodo IBRIDO basato sul metodo SIME Singe Machine Infinite Bus Diagnosi Calcolo dei limiti di of stabilità (cct, margini, power flow) Identificazione delle macchine critiche Contingency Filtering & Ranking Terapia: Transient Stability Control, ridispacciando le potenze delle macchine critiche anche per un set di più contingenze

21 State Estimator (EMS) Contingency System List Operating State (e.g., 1000) Contingency Filtering, Ranking and Assessment (FILTRA) (1) Transient Stability Assessment and (preventive) Control Transient Stability Assessment & Control Unstable Contingencies (margin < 0)? Yes No Transient Stability Control Finding preventive control actions to stabilize the system operating state Improved Operating State after applying the Preventive Control Actions Stable Operating State (2) Stop TSA & C Transient Stability Assessment (3) StabilityMargins, Critical Machines Yes Unstable Contingencies (margin < 0)? No Proposed (New) Stable Operating State

22 Transient Stability Assessment & Control basati su di un metodo ibrido (SIME) Informazioni ricavate dal metodo ibrido (SIME): Identificazione delle macchine critiche Calcolo dei margini di stabilità che variano quasi linearmente con il tempo critico e con la potenza delle m.c. Multi-machine dynamics OMIB dynamics

23 condizioni di stabilità P a (t) P m - P e = M dω/dt, ω(t) degli OMIB candidati. P a (t u ) = 0 & P a (t u ) > 0 Implica un critical OMIB la simulazione si ferma Indice di instabilità Indice di instabilità: η u = A dec - A acc = - ½ M ω u 2

24 condizioni di stabilità δ r ω(t r ) = 0 & P a (t r ) < 0 Margine: η s = A dec(max) - A acc = δ = u u P = a dδ = Pa dδ δr δr ½ P acc_r (δ u - δ r ) δ

25 Transient Stability Assessment FILTRA (Harmless contingency) no CCT < CT3? yes (Potentially Harmful contingency) Contingency list Discarded (I) FSS CT 1 (II) Interpolation (III) MSS Harmful η FSU 1 contingency η CT 2, 2 CMs (712) (23) (14) CCT, CMs Filtering block Ranking / Assessment block

26 OMASES ha realizzato due siti sperimentali: sito sperimentale italiano al CESI, con connessione remota al GRTN sito sperimentale greco al HTSO TSO host Network data translator OMASES Server (A) VSA TSA (B) Connessione remota Modem host Modem host National Control Center s LAN Rome CESI headquarters LAN Milan Bridge che cattura la fotografia dello stato del sitema elettrico per successiva DSA OMASES DADIR /DAVA exported files (CESI) EMS Bridge OMASES Data Loader Italian OMASES Database Application Functions (TSA and VSA) Load flow

27 Output di FILTRA (1) TSA parameters Ranked List of Contingencies

28 Output di FILTRA (2) Critical machine list for Harmful contingencies

29 Output del modulo di controllo Proposed redispatch of Critical Machines

30 OMASES User Interface VSA output One-line diagram tensioni e flussi di potenza in specifici siti Voltage profile severità e posizione di punti critici in relazione a problemi di tensione

31 OMASES User Interface VSA margini operativi di sicurezza Tabelle ctg ranking stress ammissibili Bar chart Tutti i margini in un solo grafico

32 OMASES User Interface VSA output Andamento delle tensioni V(t) della primo stress rifiutato e dell ultimo accettato per una specifica contingenza Riserva di reattivo per ciascun generatore

33 OMASES User Interface VSA output Tabella riassuntiva dei margini di sicurezza per una situazione specifica rete in esame

34 OMASES User Interface VSA output Valutazione e presentazione dei margini di sicurezza

35 TRAINING SIMULATOR (1) Necessità che un operatore sia addestrato a fronteggiare fenomeni del tipo voltage e transient stability, oscillazioni interarea, fenomeni di interventi a cascata Necessità di modelli adegauti per componenti e protezioni Sessioni di training realistiche Ripristino del servizio

36 TRAINING SIMULATOR (2) In OMASES, il training simulator può: Lanciare un caso interattivo da uno scenario iniziato da un punto di lavoro effettivo estratto dall EMS Lanciare un caso off-line in una sessione di training guidata da un istruttore

37 MARKET SIMULATOR (1) per Omases il Market Simulator ha costituito La preparazione di casi realistici (per il sito Greco) basati sulla struttura di quel mercato e sulle specifiche regole Potenzialmente: aiutare a valutare situazioni di criticità sul sistema elettrico causate dal mercato (dispacciamento market-based per operator training session)

38 MARKET SIMULATOR (2) OMASES Market Simulator acquisition Scenarios Network data generator OMASES Database OMASES Control Run parameters Network & Generators Data Power Demand OMASES Market load-flow Market prices Power Market Dispatch Load Flow Details ISO controlled market Real Power Dispatching Algorithm Strategist Mercantile data Bids Power Market Rules Balancing Segment Settlement Power Bids Technical data Bids Booking Market Rules T/C Market Settlement Booking Bids Generators specification Contracts Market Rules Contracts Suppliers/Loads Technical data Economic data ISO independent market Settlement Contracts specification Mercantile data Strategist Bids Power Market Rules Power Exchange Settlement Power Bids Mercantile data Strategist Trader Strategy Market Database Mercantile data Strategy Library

39 Conclusioni relativamente alla DSA Necessità di metodologie e strumenti per la valutazione in tempo reale della sicurezza e dell affidabilità del sistema elettrico e per mettere in atto in tempi ragionevoli (ordine di alcuni minuti) azioni azioni preventive per ripristinare adeguati livelli di sicurezza Necessità di eseguire azioni correttrici estremamente veloci perché supportate dalla conoscenza di alcune grandezze del sistema elettrico con sistemi di misura tecnologicamente avanzati (PMU, GPS, WAN, ecc.) Necessità di formare operatori dei Centri di Controllo (Transmission System Operator) con adeguati sistemi di training sia per le procedure preventive che per quelle di ripristino

40 OMASES Risultati Integrazione in una unica piattaforma di strumenti per l analisi realtime di differenti fenomeni dinamici (TSA and VSA) TS e MS: criticità Possibilità di suggerire azioni di controllo preventivo e correttivo quali generator rescheduling e/o load-shedding per migliorare i transiti di potenza Migliorare la conoscenza e la comprensione della gestione e del controllo del sistema elettrico (compresi aspetti del mercato elettrico) da parte dei decision makers e dei potenziali investitori nel settore elettrico Automatic scenario building per addestramento di una nuova generazione di System Operator adeguata alle esigenze poste dal libero mercato Esempio di integrazione e cooperazione Industria - Università

41 Torna al programma Grazie dell attenzione