Il sistema di monitoraggio dei buchi di tensione del progetto Smart Grid A.S.SE.M. Davide Falabretti Politecnico di Milano Dipartimento di Energia

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1 Il sistema di monitoraggio dei buchi di tensione del progetto Smart Grid A.S.SE.M. Davide Falabretti Politecnico di Milano Dipartimento di Energia Trento 27 maggio 2016

2 Il Progetto Smart Grid A.S.SE.M. 2 Il progetto Smart Grid A.S.SE.M. è una delle 7 sperimentazioni incentivate dall Autorità per l Energia Elettrica il Gas e il Sistema Idrico ai sensi della Delibera ARG/elt 39/10. Il progetto è realizzato sulla rete MT di San Severino Marche (MC). Utente attivo Tipologia Tensione Linea Potenza contrattuale [kw] UA1 Idroelettrico MT L1V 860 UA2 Idroelettrico MT L4R 330 UA3 Fotovoltaico MT L1V 2320 UA4 Fotovoltaico MT L5R 1700 UA5 Fotovoltaico MT L1R 900 UA6 Fotovoltaico MT L1R 900 UA7 Fotovoltaico MT L1R 900 UA8 Fotovoltaico MT L1R 900 UA9 Fotovoltaico MT L1V 850 UA10 Fotovoltaico MT L1V 850 UA11 Fotovoltaico BT L1V 99 Siti coinvolti: Centro di controllo A.S.SE.M. Cabina Primaria Colotto 132/20 kv (2 TR 25 MVA) 1 Centro Satellite MT/MT 6 Cabine Secondarie 11 Utenti Attivi Il protocollo IEC è impiegato per scambiare segnali in tempo reale tra gli apparati di protezione, controllo e monitoraggio del Progetto.

3 Impianto UA 1 UA 2 UA 3 UA 4 UA 5 UA 6 UA 7 UA 8 UA 9 UA 10 UA 11 Vettore Fibra ottica Rete mobile + Wi-Fi Rete mobile + Wi-Fi Fibra ottica Fibra ottica Fibra ottica Fibra ottica Fibra ottica Rete mobile + Wi-Fi Rete mobile + Wi-Fi Rete mobile Il sistema di comunicazione Rete mobile LTE Wi-Fi Fibra ottica

4 Finalità del Progetto & monitoraggio dei buchi di tensione MT 4 Nel Progetto si sono sviluppate una serie di funzionalità innovative: telescatto della Generazione Diffusa con logica fail-safe; gestione dei guasti con selettività logica tra CP e Centro Satellite; monitoraggio e telecomando Cabine Secondarie in tempo reale; monitoraggio immissioni della GD in tempo reale; regolazione della tensione con logica centralizzata; limitazione/modulazione potenza attiva della GD in emergenza; monitoraggio innovativo buchi di tensione Del. ARG/elt 198/11. I DSO sono tenuti a monitorare la qualità della tensione alle sbarre MT di CP con apparecchiature di misura (qualimetri) conformi alla norma EN Del. 646/15/R/eel (ex Del. ARG/elt 198/11)

5 Monitoraggio dei buchi di tensione MT Quadro normativo-regolatorio Del. 646/15/R/eel 1/3 5 Una Apparecchiatura di Misura (AdM) della qualità della tensione si intende messa in servizio quando un sistema centrale di monitoraggio èingradodi acquisire con continuità i dati monitorati. Per ogni AdM, il DSO è tenuto a registrare i buchi di tensione, secondo la seguente classificazione: a) relativamente a ciascun buco di tensione registrato: i. numero progressivo dell evento; ii. indicazione delle tensioni interessate dall evento; iii. istante di inizio; iv. durata del buco di tensione; v. tensione residua; vi.origine del buco di tensione. AT, MT, fittizio b) a livello di semisbarra MT, separatamente per origine dei buchi di tensione: i. tabella di sintesi dei buchi di tensione (formato CEI EN 50160); ii. numero buchi di tensione più severi rispetto alla soglia di immunità classe 2; iii. numero buchi di tensione più severi rispetto alla soglia di immunità classe 3.

6 Monitoraggio dei buchi di tensione MT Quadro normativo-regolatorio Del. 646/15/R/eel 2/3 6 In esito all attività del Tavolo di lavoro sulla qualità della tensione (AEEGSI, DSO, Terna, RSE, PoliMI) si è convenuto, in una prima fase ( ), di assoggettare a pubblicazione comparativa i soli buchi di tensione che ricadono al di sotto della soglia di immunità classe 3, ovvero gli eventi: gravi, rispetto ai quali l utente non ha possibilità di immunizzarsi; rispetto ai quali l architettura di monitoraggio in essere fornisce risultati attendibili.

7 Monitoraggio dei buchi di tensione MT Quadro normativo-regolatorio Del. 646/15/R/eel 3/3 7 Le AdM devono essere installate da Gestori di rete su ogni semisbarra MT di Cabina Primaria, situata in: a) in una cabina primaria AAT/MT o AT/MT; b) in una stazione di trasformazione AAT/MT o AT/MT; c) in un impianto di produzione con trasformazione AAT/MT o AT/MT a due o tre avvolgimenti. Solo i Distributori di riferimento sono tenuti al monitoraggio della tensione Determinazione 18 febbraio 2016 n. 5/ DIUC: Modalità e formati per la trasmissione all Autorità dei dati relativi ai buchi di tensione registrati dalle imprese di distribuzione alle semisbarre MT di Cabina Primaria: Dal 1 gennaio 2016, i dati relativi ai buchi di tensione e all anagrafica delle semisbarre MT sono trasmessi dai DSO all Autorità, per il tramite dell RSE, previo scambio informativo con Terna. Finalità: pubblicazione comparativa + comunicazione agli utenti MT

8 Sistema di monitoraggio dei buchi di tensione MT Principio di funzionamento 1/3 Le sovracorrenti che si manifestano all occorrenza di un guasto (cortocircuto trifase o bifase) sulla rete MT o presso gli utenti fluiscono dal sistema AT verso il punto di guasto, determinando un buco di tensione. I CC X ext Tutti gli utenti sottesi alla semisbarra coinvolta sono soggetti al disturbo (V res ). E X ext Z TR V n 8 Z L3 Z L2 Z L1 I CC I CC Z TR Z L1 Z L2 Z L3 E V ext I CC X ext V TR Z TR V res Z L3 Z L2 V L Z L1 Z g Gli utenti sulla linea guasta percepiscono un buco di tensione più profondo degli altri ( V L ), e in genere una interruzione.

9 Sistema di monitoraggio dei buchi di tensione MT Principio di funzionamento 2/3 9 Vi è una stretta correlazione tra buchi di tensione con origine MT e sovracorrenti Ma le sovracorrenti possono essere rilevate dalle protezioni del DSO! I CC X ext In caso di guasto AT, entrambe le semisbarre MT sono coinvolte nel buco di tensione. Z TR E V ext X ext I CC Z TR2 Z TR1 V res1 Z g Z L1 V res2 Le tensioni residue rilevate dalle AdM sulle due sbarre (V res1 e V res2 ) sono circa uguali fra loro (il grado di diversità è funzione della posizione dei rispettivi OLTC). Z L1 Z L2 Z L3 Contestualmente all evento di tensione con origine AT, non sono rilevate sovracorrenti sulla rete MT.

10 Sistema di monitoraggio dei buchi di tensione MT Principio di funzionamento 3/3 10 Un guasto a terra sulla rete MT (neutro isolato/compensato) determina: correnti omopolari sulla linea guasta e sulle linee sane dovute alle capacità (alcune decine di Ampere) protezioni direzionali (67N); tensione omopolare in tutti i nodo della rete MT (59N). Un guasto a terra in AT causa invece correnti analoghe a quelle di cortocircuito (neutro efficacemente a terra). I CC L esercizio delle reti MT a neutro isolato/compensato previene il passaggio delle componenti omopolari da monte a valle del TR AT/MT, e viceversa. Esempio: Neutro isolato L avviamento delle protezioni MT 59N/67N contestualmente alla registrazione di un buco di tensione, senza l attivazione delle protezioni di massima corrente di fase, indica che l evento è fittizio (saturazione TV).

11 Sistema di monitoraggio dei buchi di tensione MT Architettura 1/2 11 Le AdM (standard/innovative) rilevano le 3 tensioni di fase alle sbarre MT di CP attraverso i TV installati con finalità di protezione (TV induttivi, fase-terra). Al trasformatore AT/MT Sistema di monitoraggio standard (Specifiche RSE): Ideato quale miglior compromesso tra prestazioni e impatto su CP esistenti (logica locale; comunicazione prevista solo in particolari casi: altri AdM, protezioni TR, ecc). TA Qualimetro TV Sistema di monitoraggio innovativo: L AdM sfrutta la comunicazione protocollare IEC con le protezioni di CP (superamento soglie di protezione) per raccogliere informazioni utili all attribuzione dell origine ai buchi di tensione. Sbarre MT Sincronizzazione GPS (incertezza 20 ms) Nel progetto A.S.SE.M. sono anche monitorate le correnti lato MT trasformatore (misura potenze/energie transitanti, oscilloperturbografia, campionamento correnti di guasto, ecc.).

12 Sistema di monitoraggio dei buchi di tensione MT Architettura 2/2 12 Per lo scambio delle informazioni non è richiesto alcun cablaggio aggiuntivo: è impiegata la LAN Ethernet esistente (presente nel progetto A.S.SE.M. e in tutte le CP realizzate secondo i più recenti standard costruttivi). Protezioni monitorate: relè di linea MT o maxi di fase o direzionali di terra TR/sbarra MT o maxi di fase o maxv omopolare maxi di fase AT trasformatore maxi di fase montante AT (predisposizione) Tutti i dati acquisiti localmente sono storicizzati e rielaborati dal sistema centrale, installato nel centro di controllo A.S.SE.M.

13 Attribuzione dell origine Cabine primarie multisbarra Logica standard 13 La logica di attribuzione dell origine del sistema di monitoraggio standard in CP multisbarra si basa su due criteri. Calcolo della seconda armonica: se il valore efficace della II armonica supera il 10% della tensione misurata su tutte e 3 le fasi per almeno 3 campioni consecutivi, l evento è un buco di tensione fittizio. Criterio del confronto: se su semisbarre di CP adiacenti sono rilevati nello stesso istante buchi di tensione aventi caratteristiche simili, si assume che questi abbiano origine AT: Tensione residua 10% Durata 500 ms Inizio evento 70 ms Registrazione di un buco di tensione Rilevata II armonica? Buco su sbarra MT adiacente? Origine: MT Buco fittizio Origine: AT

14 Attribuzione dell origine Cabine primarie multisbarra Logica Smart Grid A.S.SE.M. 14 La logica Smart Grid A.S.SE.M. per CP multisbarra attribuisce: origine MT agli eventi per i quali si è avuto l avviamento di almeno una protezione di massima corrente di fase del DSO (50/51); l etichetta di evento fittizio ai buchi di tensione durante i quali si è registrato l avviamento di una protezione contro i guasti a terra (59N/67N); origine AT agli eventi di tensione per i quali il criterio del confronto è risultato positivo. Registrazione di un buco di tensione Avviamento protezioni 50/51? Avviamento protezioni 59N/67N? Origine: MT Buco fittizio In caso di anomalia (registrazione di un evento di tensione senza avviamento di protezioni e esito negativo del criterio del confronto), l evento (in ottica cautelativa) è attribuito al DSO (origine MT). Buco su sbarra MT adiacente? Origine: MT Origine: AT

15 Attribuzione dell origine Cabine primarie monosbarra 1/2 15 In CP monosbarra (criterio del confronto non applicabile), il DSO, in funzione della propria situazione impiantistica, può decidere se adottare, in alternativa: 1. il criterio del confronto tra CP limitrofe (la differenza delle tensioni residue limite è elevata a 40% Un; inoltre è richiesta la disponibilità di informazioni da parte di Terna sulla configurazione della rete AT); 2. il criterio basato sul segnale di avviamento delle protezioni di massima corrente del trasformatore AT/MT di CP. Problematiche: 1. Il criterio del confronto tra CP limitrofe non è applicabile dai DSO titolari di una sola CP, oppure di CP non limitrofe sulla rete AT. 2. L applicazione del criterio del confronto dipende dall assetto del sistema AT (scambio informativo Terna/DSO, ecc.). 3. Le soglie di massima corrente del TR AT/MT non consentono di rilevare gli eventi causati da sovracorrenti ridotte (1 soglia % In TR).

16 Attribuzione dell origine Cabine primarie monosbarra 2/2 16 Logica standard Registrazione di un buco di tensione Logica Smart Grid A.S.SE.M. Registrazione di un buco di tensione Rilevata II armonica? Buco fittizio Buco su CP limitrofa? Origine: AT Buco su CP limitrofa? Origine: AT Avviamento protezioni 50/51? Origine: MT Avviamento protezioni 50/51 TR? Origine: MT Avviamento protezioni 59N/67N? Buco fittizio Origine: AT Origine: AT

17 Sensibilità protezioni massima corrente & origine dei buchi di tensione: Approccio e ipotesi 17 Di interesse valutare la sensibilità delle protezioni 50/51 nel rilevare le sovracorrenti associate ai buchi di tensione. Logica convenzionale: la protezione MT del trasformatore è impiegata in via alternativa al metodo del confronto «esteso», o a integrazione dello stesso. Logica Smart Grid: le sovracorrenti (buchi MT) sono individuate attraverso le protezioni in partenza a ciascuna linea MT. Tutti i buchi di tensione con origine MT sono rilevati dalle protezioni 50/51? Determinazione della sovracorrente misurata dalle protezioni 50/51 in funzione della tensione residua, per diversi scenari di guasto. Ipotesi di studio: Pcc = 493 MVA Tensione nominale rete: 20 kv Trasformatore AT/MT: o Vcc = 14.5%, Xcc/Rcc = 10 o 1 soglia 50/51: 120% In 1 soglia 50/51 linea MT: 250 A Analisi parametrica funzione: della tipologia di guasto (bifase / trifase) dell impedenza di ctocto

18 Sensibilità protezioni massima corrente & origine dei buchi di tensione: Risultati 1/2 18 Massima sovracorrente misurata in funzione della tensione residua Guasto Trifase Guasto Bifase Esempio: Vres = 74% Vn Individuazione certa evento solo con TR da 16 MVA X/R = 1 X/R = 1 Caso peggiore (X >> R): Iccmax 820 A Le regolazioni tipiche delle protezioni 50/51 consentono di individuare la totalità dei buchi di tensione.

19 Sensibilità protezioni massima corrente & origine dei buchi di tensione: Risultati 2/2 19 L affinamento delle logiche di attribuzione dell origine dei buchi di tensione è auspicabile fin da oggi.. Oggi: B3, B4, B5 Futuro: + B1, B2 Oggi: A5 Futuro: + A1, A2, A3, A4..ma diviene essenziale nella prospettiva dell evoluzione futura della regolazione (dopo il 2023), per la corretta classificazione di TUTTI gli eventi.

20 Conclusioni 20 Il sistema di monitoraggio dei buchi di tensione sviluppato nel progetto Smart Grid A.S.SE.M.: consente l efficace classificazione dei buchi di tensione, a prescindere dalla configurazione impiantistica di CP (multi/monosbarra, taglia TR, ecc.); in CP che operano in logica protocollare (IEC 61850) non richiede nuovi cablaggi; è basato su logiche che ben si prestano all integrazione con l architettura esistente (II armonica + monitoraggio protezioni 59N/67N, ecc.). Rappresenta la naturale evoluzione dei sistemi di monitoraggio attuali, pensati per le CP tradizionali. Evoluzione necessaria per: l attribuzione affidabile dell origine a tutti gli eventi di tensione (anche meno gravi della soglia di immunità classe 3); ridurre al minimo gli oneri di gestione del sistema per il DSO (e TSO) dovuti ai necessari passaggi informativi, eventuali contenziosi, ecc.

21 GRAZIE PER L ATTENZIONE 21 davide.falabretti@polimi.it