UNITÀ OPERATIVA DI BENEVENTO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA UNIVERSITÀ DEL SANNIO PIAZZA ROMA BENEVENTO

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1 UNITÀ OPERATIVA DI BENEVENTO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA UNIVERSITÀ DEL SANNIO PIAZZA ROMA BENEVENTO TRASMISSIONE E MERCATO DELL'ENERGIA ELETTRICA Linea_1: Integrazione di tecniche di Information and Communication Technology (ICT) per lo sviluppo di sistemi avanzati per il telecontrollo e la diagnostica remota di reti elettriche. L innovazione tecnologica, ed in particolare i recenti progressi avviati nel campo dell ICT, rappresentano uno strumento strategico di supporto alla gestione del sistema elettrico, nel quale la conoscenza esatta dello stato della rete stessa rappresenta un requisito essenziale per conseguire un incremento significativo del tasso di utilizzo delle infrastrutture. In tale ambito, gli studi avviati hanno condotto alla identificazione di un architettura di riferimento per lo sviluppo di un sistema di controllo e gestione per reti elettriche che include funzionalità avanzate dedicate al monitoraggio, alla protezione ed al controllo remoto dei componenti della rete, all analisi in linea della sicurezza del sistema. Per lo sviluppo di tali funzionalità è stata in particolare definita e prototipata un architettura di controllo che impiega risorse computazionali geograficamente distribuite, per la risoluzione in parallelo delle equazioni di stato del sistema e per l analisi delle contingenze. Tale architettura integra: una rete di unità di controllo, remotamente distribuite nelle sezioni più critiche della rete elettrica, per l acquisizione dei dati sul campo ed il controllo delle violazioni dei vincoli; un sistema web-based che utilizza, per il calcolo dell analisi della sicurezza, un motore risolutivo parallelo, quindi una rete di calcolatori paralleli (cluster); un interfaccia grafica web (GUI Graphic User Interface) per la comunicazione tra utente e sistema di calcolo. Le unità a distanza sono completamente controllate mediante il protocollo TCP/IP ed includono sia prodotti industriali standard, come sistemi di misura di grandezze elettriche, che una versione prototipale di un dispositivo elettronico intelligente (IED - Intelligent Electric Device) per la determinazione dinamica del profilo di carico dei dispositivi di potenza. Tali IED sono basati su microcontrollori dotati di funzionalità web-based ed utilizzano modelli termici adattativi che integrano i modelli fisici con l ausilio di tecniche d intelligenza artificiale (e.g.semi-physical modeling), per valutare Pagina 1 di 9

2 dinamicamente l'effetto di ogni ipotetica contingenza critica sui componenti di potenza e per rilevare automaticamente se la contingenza provoca la violazione dei limiti fisici di caricabilità del singolo componente controllato. Il corretto funzionamento dell architettura di controllo proposta ha richiesto lo sviluppo di un sistema di comunicazione che garantisca un affidabile scambio di informazioni tra le diverse unità costituenti il sistema. In tale ambito sono stati attivati ulteriori studi tesi a definire un architettura di comunicazione idonea a garantire il corretto funzionamento del sistema di telegestione della rete, anche in condizioni operative critiche, nonché ad assicurare la comunicazione bidirezionale tra il gestore e l utenza che risulta determinante, in particolare, per l attuazione di politiche di tariffazione differenziata dell energia al variare delle richieste dell utente stesso, delle prestazioni della rete in un dato momento nonchè delle condizioni di mercato dell energia. A tal riguardo gli obiettivi di riferimento posti nella identificazione delle soluzioni realizzative proposte hanno condotto alla identificazione di una infrastruttura di sistema caratterizzata da un elevato grado di modularità ed espansibilità. In particolare, essa risulta costituita da unità funzionali basate su architetture standard di tipo industriale, equipaggiate con unità di comunicazione satellitare. L impiego di tali tecnologie consente in particolare di ridurre, rispetto a soluzioni tecnologiche di tipo proprietario, sia gli investimenti iniziali, necessari per la implementazione della infrastruttura, sia i costi di gestione necessari a modificare od aggiornare i dati e le applicazioni software implementate. Esse possono inoltre garantire il corretto scambio di informazioni anche in condizioni operative critiche, quali quelle successive ad eventi catastrofici, riducendo di conseguenza la vulnerabilità del sistema. D altro canto, la piena concretizzazione di tali benefici ha richiesto, per la criticità dei dati scambiati nel Sistema Elettrico, una approfondita analisi sul grado di sicurezza delle informazioni trattate in termini di confidenzialità, integrità e disponibilità. Ciò soprattutto alla luce del fatto che tali tecnologie impiegano componenti standard che risultano potenzialmente sensibili ad attacchi esterni quali, sabotaggi hacker, virus informatici ecc. Linea 2: Sviluppo e prototipazione di unità di controllo basate su sistemi esperti e modellazione di tipo SEMI FISICO per la stima dinamica dei margini di caricabilità dei componenti di potenza. I principali contributi originali della ricerca svolta in tale ambito consistono nella messa a punto di metodologie per lo sviluppo di sistemi di controllo e supervisione in grado di migliorare il livello di utilizzo delle reti elettriche, avvicinandolo a quello reale. In particolare, sono stati studiati, Pagina 2 di 9

3 sviluppati e, in alcuni casi, realizzati sistemi e dispositivi di controllo intelligenti che, attraverso l impiego delle moderne tecnologie telematiche, offrono una concreta possibilità di migliorare la gestione ed il controllo, con la dovuta flessibilità ed affidabilità, delle reti elettriche. In tale ambito i primi studi effettuati hanno condotto ad una revisione critica delle tecniche di riferimento adottate in letteratura per la identificazione dei reali margini di caricabilità dinamici. Si è evidenziato, anche con il conforto di rilievi sperimentali eseguiti su alcuni componenti reali, come i livelli di caricabilità normalmente ottenuti applicando gli algoritmi di calcolo proposti dalle diverse guide di carico, spesso non risultano essere adeguati. Nel caso dei trasformatori in olio, ad esempio, tali limiti risultano essere sottostimati in condizioni di funzionamento nominale e pericolosamente sovrastimati in condizioni di sovraccarico. Simili incertezze inducono i gestori ad adottare margini di sicurezza nella caricabilità dei componenti che possono risultare sovente troppo cautelativi, con conseguente sottoutilizzo degli stessi. Al fine di incrementare il margine di utilizzo e quindi la redditività delle reti si è proposto l integrazione di sensori a fibra ottica per la misura del profilo di temperatura ed architetture identificative basate su tecniche di modellazione di tipo semi fisico (grey box). In tale ambito si è sviluppato, in particolare, un sistema esperto che consente, sia in fase di pianificazione (sul breve e sul brevissimo periodo) che in fase di esercizio, di poter valutare i margini di impiego dei componenti di potenza e di poter gestire detti margini con la massima flessibilità. Il sistema, implementato su unità a microcontrollore, impiega metodologie di modellazione di tipo grey box che, a partire dalla conoscenza dello stato termico attuale del componente (acquisito mediante l impiego di sensori a fibra ottica) della corrente di carico e delle grandezze rappresentative delle condizioni meteo-ambientali, è in grado di identificare un modello termico equivalente del componente e di modificarlo nel momento in cui le caratteristiche del componente stesso e/o le condizioni di scambio termico con l ambiente di posa dovessero mutare. Tale unità hardware è stata inoltre equipaggiata con avanzati strumenti di comunicazione basati su protocollo TCP/IP per il controllo e la gestione remota del componente attraverso connessioni web-based. DISTRIBUZIONE DELL'ENERGIA ELETTRICA Linea 1: Sviluppo di reti di sensori cooperativi per il monitoraggio pervasivo di Smart Grids Pagina 3 di 9

4 Lo sviluppo su larga scala del paradigma Smart Grid richiede lo sviluppo di nuove architetture distribuite per il controllo e la gestione in tempo reale delle reti, nonché il potenziamento delle attuali funzionalità EMS/DMS con strumenti matematici avanzati di supporto alle decisioni nella gestione delle contingenze basati sull impiego dell Information & Communication Technology (ICT). In particolare, un importante contributo che tali tecnologie possono fornire al controllo ed alla gestione del sistema elettrico riguarda lo sviluppo di sistemi di comunicazione affidabili tesi a garantire il corretto scambio di informazioni anche in condizioni operative critiche, quali quelle successive ad eventi catastrofici, riducendo di conseguenza la vulnerabilità del sistema. In tale ambito l impiego diffuso delle reti di sensori cooperative risulta essere particolarmente promettente poiché essa renderebbe tra l altro possibile l implementazione di servizi di comunicazione dedicati senza richiedere complesse e costose infrastrutture ed assicurando, allo stesso tempo, una serie di vantaggi intrinseci come l aumento dell affidabilità del servizio, la copertura globale dell area, facilità di accesso ai siti remoti, basso error rate, elevata flessibilità rispetto alla variazione dell assetto della rete. D altro canto, la piena concretizzazione di tali benefici richiede, per la criticità dei dati scambiati, una approfondita analisi sul grado di sicurezza delle informazioni trattate in termini di confidenzialità, integrità e disponibilità. Ciò soprattutto alla luce del fatto che tali tecnologie, rispetto a soluzioni proprietarie, impiegano componenti standard di derivazione industriale che risultano potenzialmente sensibili ad attacchi esterni quali, sabotaggi hacker, virus informatici ecc. In linea con tali considerazioni, l obiettivo della Ricerca è rivolto all analisi dei sistemi di comunicazione basati su reti di sensori cooperativi per il controllo e la gestione di Smart Grids per quanto concerne aspetti relativi alla riservatezza, sicurezza ed affidabilità del servizio. A tal fine saranno analizzate le prestazioni dei principali protocolli di trasmissione con particolare riferimento ai principali indici di merito, quali tempi di connessione, livello di degradazione del servizio, data throughput, confidenzialità ed integratezza delle informazioni, ed al loro impatto sul controllo e sulla sicurezza del sistema elettrico. Linea 2: Sviluppo di algoritmi basati sulla teoria dell Interval Computing per l analisi dei flussi di potenza e per la regolazione della tensione in reti di distribuzione in presenza di generazione distribuita Pagina 4 di 9

5 I recenti interventi legislativi attuati in sede nazionale e comunitaria e i sempre più restrittivi vincoli di salvaguardia ambientale comporteranno, nell immediato futuro, un incremento significativo del tasso di penetrazione di sistemi di generazione distribuita (GD) nelle reti elettriche di distribuzione. Ciò indurrà una serie di ben noti impatti sul sistema la cui mitigazione richiederà una revisione delle attuale metodologie di controllo, gestione e protezione delle reti. In tale ambito lo sviluppo di modelli di rete dotati di strumenti intrinseci per la gestione delle incertezze dei dati (quali ad esempio le fluttuazione delle potenze generate e dei profili di carico in funzione delle variabili metereologiche) rappresentano un elemento strategico per la gestione ottimale del sistema di distribuzione. Per affrontare tale problematica si è proposto lo sviluppo e l applicazione di metodologie basate su tecniche di Interval Computing, quali la matematica degli intervalli e l aritmetica affine, che consentono una efficace elaborazione di variabili incerte descritte attraverso un intervallo di possibili valori o una forma affine di fluttuazioni attese. Il principale vantaggio derivante dall applicazione di tali metodologie nella gestione delle incertezze negli studi di load flow è rappresentato dalla possibilità di esprimere l incertezza dei parametri del modello attraverso un intervallo di possibili valori senza richiedere la conoscenza della relativa struttura probabilistica che, in molti casi, non risulta di agevole identificazione. L applicazione delle metodologie proposte su diversi casi studio reali ha evidenziato come tra i principali impatti indotti dalla GD sulle reti, la perturbazione della tensione ai nodi rappresenta uno dei potenziali ostacoli al tasso di penetrazione di sistemi di generazione distribuita, in special modo per sistemi basati su fonti rinnovabili, in cui la intrinseca aleatorietà dei livelli di potenza immessa in rete può alterare sensibilmente i profili di tensione. Per superare tale problema è stata proposta un architettura computazionale per la regolazione della tensione in presenza di GD. L architettura integra un sistema esperto che, a partire dallo stato attuale della rete e da una base di conoscenza adattativa, identifica l assetto ottimale dei sistemi di controllo (banchi di capacità, D-FACTS, potenza reattiva di eventuali generatori distribuiti ecc.). Le prestazioni del sistema esperto vengono continuamente monitorate da un processo di supervisione che, qualora riscontri condizioni di funzionamento abnormi (come ad esempio tensioni ai nodi al di fuori del range consentito o perdite troppo elevate), invoca una procedura di ottimizzazione multiobiettivo che risolve in maniera rigorosa il problema della regolazione della tensione. Il nuovo assetto di controllo calcolato, congiuntamente al corrispondente stato della rete, sono quindi utilizzati per aggiornare la base di conoscenza del sistema esperto. I risultati ottenuti hanno dimostrato come tale architettura risulti Pagina 5 di 9

6 essere efficiente, in quanto l assetto ottimale dei sistemi di controllo viene identificato da un sistema esperto evitando la continua risoluzione del problema di ottimizzazione multiobiettivo, e robusta, in quanto consente di gestire efficacemente le intrinseche tempo-varianze che caratterizzano l esercizio della rete (quali forti cambiamenti del carico e dei profili di generazione) attraverso una base dati dinamicamente adattata alle nuove condizioni di funzionamento. Linea 3: Sviluppo di algoritmi di data fusion per la previsione degli indici di producibilità energetica di Impianti Eolici In tale ambito le attività di ricerca si sono concentrate sulla implementazione e sulla validazione sperimentale dei modelli meteoclimatici per la previsione degli indici di producibilità energetica di sistemi di generazione alimentati da fonti rinnovabili. La previsione degli indici di producibilità energetica di impianti di produzione di energia elettrica alimentati da fonte eolica ha richiesto lo sviluppo di modelli matematici per la stima della velocità del vento nell area di interesse. Per affrontare tale problematica si è proposto l impiego di architetture identificativa di tipo semi fisico. L architettura proposta integra i seguenti moduli: - Il modello atmosferico deterministico sviluppato dall European Centre for Medium- Range Weather Forecasts ECMWF caratterizzato da una risoluzione spaziale di [16x16] km; - Un modello ambientale locale che consente di aumentare la risoluzione spaziale del modello ECMWF attraverso l integrazione di un modello digitale del terreno; - Un algoritmo di correzione adattativi basata sulla teoria dell apprendimento locale; - Una base dati di osservazioni storiche acquisite attraverso stazioni meteorologiche distribuite nell area di interesse. Al fine di valutare le prestazioni di tale architettura sono stati sviluppati intensi studi sperimentali su diversi casi studio. Si è individuata, in primis, un area geografica caratterizzata da una pervasione massiva di impianti eolici. L area individuata, ubicata presso il comune di San Giorgio la Molara (BN), è risultata quella più interessante da analizzare, visto soprattutto il sensibile livello di potenza elettrica immesso nella rete di trasmissione nazionale. Si è quindi proceduto ad acquisire le previsioni sviluppate dal ECMWF e le misurazioni delle principali variabili meteo-climatiche per l area di studio. Si è proceduto, infine, a sviluppare un modello atmosferico locale dell area di interesse attraverso la caratterizzazione della orografia, della topografia e della rugosità del terreno. L impiego di tale modello consente di descrivere i campi Pagina 6 di 9

7 di vento, a differenti quote verticali, con una risoluzione spaziale dell ordine delle decine di metri. A partire da tali dati è stata, quindi, applicata l architettura identificativa proposta. Essa ha consentito di prevedere l evoluzione della velocità del vento e della energia prodotta dalle I risultati sperimentali ottenuti dimostrano come l impiego dell architettura proposta consenta di migliorare le prestazioni dei modelli di previsione di tipo fisico. Ciò è dovuto, in particolare, alla capacità dell algoritmo di correzione adattativo di estrarre informazioni dai dati misurati e dalle stime di primo livello fornite dai modelli di previsione di tipo fisico. Tali conclusioni sono confermate anche da ulteriori studi sperimentali che hanno dimostrato, in particolare, il buon livello di robustezza della previsione anche in presenza di stagionalità dei dati. Linea 4: Sviluppo di metodologie innovative basate su analisi multicriteriale per la pianificazione di sistemi di distribuzione dell'energia elettrica Un problema di pianificazione energetica territoriale, ed in particolare di sviluppo di infrastrutture elettriche, è un problema decisionale complesso, dal momento che coinvolge dimensioni profondamente eterogenee e conflittuali tra di esse. L' attenzione sempre più crescente nei confronti di tematiche di carattere ambientale e sociale richiede l'utilizzo di metodologie strutturate in grado di portare i conto le performaces delle alternative di pianificazione in relazione a tali tematiche. Lo sviluppo di un sistema elettrico in una prospettiva di sviluppo sostenibile quindi, non può ridursi alla selezione dell'alternativa caratterizzata dal minor costo globale. Per affrontare la problematica di pianificazione di un sistema elettrico in una prospettiva di sviluppo sostenibile, nel lavoro [1] si è proposto lo sviluppo e l applicazione di una metodologia basata su analisi multicriteriale (MCDA MultiCriteria Decision Analysis). Il contributo del lavoro è stato quello di definire un framework innovativo da processare sotto il metodo di valutazione AHP (Analytic Hierarchy Process) in grado di condurre il pianificatore verso scelte generalmente condivisibili. La metodologia proposta è stata testata su un caso studio reale e complesso riguardante la scelta della migliore alternativa di elettrificazione per un'isola della Tanzania. Da uno screening iniziale si è immaginato di valutare tre differenti sistemi di alimentazione: 1) Un sistema convenzionale costituito da una centrale alimentata a combustibile fossile direttamente realizzata sull'isola e da una rete di distribuzione tradizionale; 2) Un sistema convenzionale che conserva la tradizionale rete di distribuzione ma è alimentato dalla terraferma attraverso un sistema HDVC monopolare; Pagina 7 di 9

8 3) Una Smart Grid con produzione locale da RES (Renewable Energy Sources), in particolar modo da fonte eolica e solare; La valutazione delle performances di ciascuna alternativa in riferimento ad ogni elemento del framework è stata condotta sia su elementi di valutazione oggettivi che soggettivi. Queste ultime sono state sintetizzate in un indice di prestazione globale, in ragion del quale si è potuta stilare una graduatoria di preferibilità tra i sistemi esaminati. REFERENZE Riviste Internazionali [BN 1] [BN 2] [BN 3] [BN 4] [BN 5] [BN 6] [BN 7] A.Vaccaro, D.Villacci, Radial Power Flow Tolerance Analysis by Interval Constraint Propagation, IEEE Trans. On Power Systems vol. 24(1), pp , Feb A.Vaccaro, C. Canizares, D.Villacci, An Affine Arithmetic based Methodology for Reliable Power Flow Analysis in the presence of Data Uncertainty IEEE Trans. On Power Systems May 2010 Volume: 25 Issue:2, pp: S. Ullo, A. Vaccaro, G. Velotto Performance Analysis of IEEE based Sensor Networks for Smart Grids Communications Journal of Electrical Engineering: Theory and Application (JEETA) Vol. 1 (3) pp June 2010 G. Andersson, K.Frohlich, T. Krause, A.Vaccaro, Multiple Energy Carriers: Modeling of Production, Delivery and Consumption Invited Paper - IEEE Proceedings Vol.99 Issue 1, pp , Jan A.Vaccaro, M. Popov, D.Villacci, V. Terzija, An Integrated Framework for Microgrids Modeling, Control, Communication and Verification Invited Paper - IEEE Proceedings Vol.99 Issue 1, pp , Jan A. Vaccaro, P. Mercogliano, P.Schiano, D.Villacci, an Adaptive Framework based on Multi-Model Data Fusion for one day ahead Wind Power Forecasting Electric Power Systems Research Volume 81, Issue 3, March 2011, Pages A.Vaccaro, A. Zobaa, Fuzzy Controllers for Autonomous Voltage Regulation in Smart Grids Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing vol.2 issue 1, pp.1 10, March Convegni Internazionali [BN 8] [BN 9] [BN 10] M. di Bisceglie, C. Galdi, A. Vaccaro, D. Villacci Cooperative Sensor Networks for Voltage Quality Monitoring in Smart Grids proc. of Powertech Innovative ideas toward the Electrical Grid of the Future, 28 June - 2 July 2009, Bucharest, Romania A.Vaccaro, C.Canizares, D.Villacci, A Simple and Reliable Algorithm for Computing Boundaries of Power Flow Solutions due to System Uncertainties proc. of Powertech Innovative ideas toward the Electrical Grid of the Future, 28 June - 2 July 2009, Bucharest, Romania A.Vaccaro, D.Villacci, A Decision Support System for Optimal Energy Sourcing in Liberalised Energy Markets International Electricity Conference & Exhibition on Electricity Distribution CIRED Innovation in Electricity Distribution for a Sustainable Future June 2009 Prague Pagina 8 di 9

9 [BN 11] [BN 12] [BN 13] [BN 14] [BN 15] [BN 16] [BN 17] S. Ullo, A. Vaccaro, G. Velotto The Role of Pervasive and Cooperative Sensor Networks in Smart Grids Communication MELECON 2010, The 15th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference,25th 28th April 2010, MALTA V Terzija, D Cai, G Valverde, P Regulski, A. Vaccaro, M Osborne, J Fitch, Flexible Wide Area Monitoring, Protection and Control Applications in Future Power The 10th Institution of Engineering and Technology Conference on Developments in Power System Protection DPSP March 1 April 2010 The Hilton Deansgate, Manchester,UK. V Terzija, D Cai, A. Vaccaro, J Fitch Architecture of wide area monitoring systems and their communication requirements 2010 Cigre Session August/September 2010 Paris. A Vaccaro, D Villacci, M Osborne, J Fitch, V Terzija The Role of Cooperative Sensor Networks in Wide Area Power Systems Communication The 10th Institution of Engineering and Technology Conference on Developments in Power System Protection DPSP March 1 April 2010 The Hilton Deansgate, Manchester,UK. A.F. Zobaa, A. Vaccaro, H. H. Zeineldin, A. Lecci, A. M. Abdel Monem, Sizing of Passive Filters in Time-Varying Nonsinusoidal Environments 14th IEEE International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), September Bergamo, Italy. A. Vaccaro, A. F. Zobaa and H. H. Zeineldin, The Role of Smart Sensor Networks for Voltage Monitoring in Smart Grids The 3rd European Conference Smart Grids and E-Mobility NH Hotel Munich Dornach, Germany October 17th/18th, C.Pisani, D.Villacci, A Novel AHP Framework for Decision Making in Power System Sustainable Development, CIRED 2011 '21st International Conference on Electricity Distribution', 6-9 June Franfurt. Libri e Capitoli di libri [BN 18] [BN 19] G.J.Anders, A.Vaccaro, Innovations in Power Sytems Reliability Springer Series in Reliability Engineering, 1st Edition., 2011, XXVI, 426 p. 107 illus., Hardcover, ISBN: , January A. Dimitrovski, K.Tomsovich, A.Vaccaro Reliable Algorithms for Power Flow Analysis in the Presence of Data Uncertainties in Innovations in Power Sytems Reliability 1st Edition., 2011, XXVI, 426 p. 107 illus., Hardcover, ISBN: , Chapter 10, pp Brevetti Internazionali [BN 20] A.Vaccaro (50%), Tarek EL-Fouly (20%), C.Canizares (15%), K. Bhattacharya (15%), An innovative architecture for medium and long term hourly energy price forecasting acquisito da Energent Incorporated Ontario (Canada). Pagina 9 di 9