Innovazione e rinnovamento. Riccardo Maria Seresini CESI S.p.a Romano Napolitano ENEL S.p.a

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1 CESI Tecnologie ed Architetture per le Telecomunicazioni nella Gestione delle reti di Distribuzione dell Energia elettrica in presenza di Generazione Distribuita Innovazione e rinnovamento Riccardo Maria Seresini CESI S.p.a Romano Napolitano ENEL S.p.a Forum Telecontrollo Reti Acqua Gas ed Elettriche Roma ottobre 2009

2 Scenario Attuale (1) Sviluppo delle Telecomunicazioni a supporto dell'esercizio della rete di distribuzione elettrica italiana flussi informativi Centro Operativo (CO) - Cabine Primarie (CP) CO - Cabine Secondarie (CS) esigenze di gestione della distribuzione con modello di flusso unidirezionale dell'energia generazione presso la rete Alta Tensione (AT) carichi (l'utenza) posti nelle reti di Media (MT) o di Bassa Tensione (BT)

3 Scenario Attuale (2) CP CPf AT MT CS CS CS NTW BT CO NTW: Network (pubblica e/o privata)

4 Scenario Attuale e sua evoluzione (1) introduzione sulle direttrici MT di Generazione Distribuita (GD), in particolare di Generatori di Piccola Taglia (GPT) (in seconda istanza) Carichi Controllabili (CC) dispersi sul territorio contributo GD lungo linea introduce complessità durante il normale esercizio nelle situazioni di disservizio (guasti / attività di manutenzione). osservazione locale grandezze fisiche / gestione locale processi in possibile crisi (ad. es. gli interventi delle protezioni) visione (non troppo remota): studi ed analisi interdisciplinari

5 Scenario Attuale e sua evoluzione (2) AT CP MT GPT ~ GPT ~ GPT ~ ~ ~ ~ GPT~ ~ CV CV CC CV CV CC CPf CS CS CS NTW BT CO NTW: Network (pubblica e/o privata)

6 Previsione di Scenario Futuro (1) sistema di telecomunicazione tra CP, CS, GPT (CC) per garantire la continuità dell esercizio secondo le modalità correnti in ambiente che diviene più complesso (affidabilità e raggiungibilità degli apparati connessi) migliorare/adeguare i comportamenti di quelli già definiti supportare nuovi processi (regolazione e/o il controllo della distribuzione su MT supportare il continuo miglioramento del servizio offerto dall Utility sia in termini di continuità (obiettivi sempre più stringenti richiesti dal regolatore/normative) che di qualità (delle caratteristiche/parametri elettrici concordati contrattualmente) attraverso raccolta della conoscenza distribuita processi coordinamento decisioni / azioni / riconfigurazioni nel rispetto dei vincoli temporali di esecuzione

7 Previsione di Scenario Futuro (2) CP ~ GPT ~ CV CV CC CPf AT MT CS CS CS NTW BT CO Nuova Comunicazione NTW: Network (pubblica e/o privata)

8 Dominio dell analisi (1) rete geografica, capillarmente distribuita sul territorio nazionale: considerazioni di natura tecnica + opportunità/convenienza sia logistica che economica ridurre al minimo gli impatti infrastrutturali massimizzando l uso di vettori di comunicazione esistenti o di realistica implementazione -> più tecnologie, coerenti al contesto di applicazione. uso di reti sia cablate (wired) che radio (wireless) l una in alternativa ma non in esclusione dell altra definizione della priorità nel loro impiego (ove entrambe disponibili) scelte implementative specifiche a ridotto impatto di realizzazione. scambio dei flussi informativi sia su reti private che pubbliche (prestazioni e sicurezza da garantire) ulteriori implicazioni a livello di processi applicativi, apparati, struttura della comunicazione interna (ai siti) ed interfacce verso l esterno

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10 Processi Elettrici supportati (1) Due tipologie in prima battuta: Automatismi di ricerca tronco guasto su linee MT Controllo/regolazione della rete MT 1. Automatismi di ricerca tronco guasto su linee MT oggi: procedure con timer locali per apertura/chiusura sezionatori/interruttori in CS/CP (algoritmi e dispositivi di protezione specifici in base al tipo di guasto e di neutro adottato), fino all isolamento tratta interessata tra due CS (e rialimentazione delle parti indenni). Tempistiche di completamento (a parità di algoritmo) dipendenti da dove si verifica il problema. Ipotesi: i tronchi di linea MT, di volta in volta isolati, non trasportano potenza domani: contributo energetico per introduzione dei GPT può mascherare gli effetti delle disalimentazioni programmate, confondendo le protezioni durante tali procedure

11 Processi Elettrici supportati (2) domani: sistema coordinato (ad. es. dalla CP) con scambio di messaggi CP-CS, CP-GPT (CP-CP f per rialimentazioni), permette di: conoscere prontamente chi ha rilevato l'evento, pilotare l'intervento delle sole due CS ai bordi del guasto staccare GPT interfacciati a tale isola per successive operazioni di manutenzione in sicurezza completare il tutto con un tempo complessivo di esecuzione univoco, indipendente dalla posizione del guasto e comparabile alla procedura tradizionale più breve (pochi secondi). Valore aggiunto: maggior controllo sulla qualità e continuità dell'erogazione dell'energia, con una caratterizzazione deterministica ed un contenimento dei tempi di disservizio, agevolando l'osservanza degli aspetti normativi in materia.

12 Processi Elettrici supportati (3) 2. Controllo/Regolazione della MT oggi: andamento profili MT sulle linee afferenti ad una CP condizionato essenzialmente dalla variazione temporale dei carichi presenti Mantenimento parametri elettrici di targa (tensione, potenze, frequenza, ) entro i margini stabiliti contrattualmente con l utenza tramite regolazione delle prese del trasformatore AT/MT di CP in base alla rilevazione locale della tensione sulle sbarre MT Ipotesi: trafo AT/MT unico punto di ingresso del flusso energetico (secondo un modello unidirezionale con la generazione a monte della rete AT e l utenza a valle di quella MT/BT) in CP verso i carichi serviti. domani: GD su rete MT di distribuzione può modificarne le normali condizioni di funzionamento (rilevabile fin dai flussi energetici che transitano sul trasformatore di CP). Caso limite: l energia prodotta dalla GD superiore a quella consumata dai carichi presenti rete MT esporta energia verso la AT (inversione del flusso di potenza).

13 Processi Elettrici supportati (4) Ipotesi: profilo della tensione lungo le linee MT fortemente influenzato dalla presenza (e dalla taglia), dei GPT (e CC) andamento della produzione (GPT) variabile nel tempo secondo una legge generalmente indipendente dai consumi di energia, legato a fattori:» ambientali/climatici (per le fonti rinnovabili)» di convenienza economico/contrattuale (per le tradizionali) carichi variabili nel tempo in funzione della tipologia dell utenza servita dalla rete di distribuzione (industriale, commerciale, domestica, etc.) domani: gestione profili della tensione di rete MT, con GD, grazie ad un sistema di comunicazione per intervenire, in modo coordinato ed entro certi limiti: sulla regolazione del trasformatore AT/MT di CP e sul funzionamento di GPT (nonché CC) in base a misure e segnali scambiati tra il Distributore (attraverso la CP) ed i GPT (nonché i CC) stessi.

14 Scelte tecnologiche (1) Principi per la progettazione di un sistema di telecomunicazioni (infrastrutture e protocolli) che realizzi gli obiettivi descritti complesso di requisiti più o meno facilmente misurabili : aspetti di pura performance (data-rate, throughput) dei dati scambiati (per dimensione e modello di traffico) parametri che qualificano il sistema (affidabilità, disponibilità, integrità dei dati, sicurezza) vincoli di realistica fattibilità in termini ambientali, normativi ed economici. analisi di prospettiva che consideri tecnologie: consolidate, ma anche in (possibilmente avanzato grado di) sperimentazione con aspetti innovativi (e future-proof) mutuate da campi di applicazione sia simili che differenti (quando chiare e fattibili modifiche ne facciano intuire un'efficace l'applicazione) possibilmente regolate da standard internazionali.

15 Scelte tecnologiche (2) Valutate le caratteristiche dei molteplici standard e tipi di vettori di comunicazione presenti in letteratura, sul mercato ed in corso di studio, si ipotizza l adozione di: IEC61850 suite di protocolli modelli funzionali e dei dati profili di comunicazione tra apparati intra/extra cabine/impianti di generazione due tipologie di vettori di telecomunicazione Power Line Communication (PLC) per la rete Cablata (Wired) WiMAX per quella via radio (Wireless).

16 Tecnologie: IEC (1) importanza crescente, a livello globale, per la progettazione dei sistemi di comunicazione a supporto dello scambio informativo tra gli apparati (IED, Intelligent Electronic Devices) presenti in rete elettrica (ed altri servizi, acqua, gas ) regolamentazione completa: stacks di protocolli da utilizzare i profili di comunicazione (struttura, a livello di interfaccia, delle funzioni e relativi dati) degli IED i modelli dei dati (per le varie funzioni inerenti le protezioni, misure, interruttori, trasformatori, generatori, HMI, ecc) ed i linguaggi per descriverli i servizi di comunicazione le tipologie di bus nelle cabine/impianti gli strumenti di configurazione le figure professionali ed i ruoli/responsabilità ad esse competenti le procedure di test, ecc.,

17 Tecnologie: IEC (2) Obiettivo: INTEROPERABILITA Sottostazione α Sottostazione/Generatore/ Carico Controllabile β IED α1 Funzione a 1α Funzione A Funzione a 1β IED β 1 IED α2 Funzione b 1α Funzione b 2α Funzione B Funzione b 1β IED β 1

18 Tecnologie: IEC (3) definiti i modelli/funzioni logiche ed i dati caratterizzanti i profili di comunicazione degli IED, si implementa lo scambio informativo: all'interno dei siti: vari servizi in base alle esigenze di processo tramite Reports (scambio di complesse strutture di dati), Goose (messaggistica real-time), SV (misure), ecc tra CP, CS e GPT: servizio in primis candidato è il GOOSE comunicazione multicast ritrasmissione per irrobustire la comunicazione efficienza, snellezza e ridotto uso di banda nell invio delle informazioni?

19 Tecnologie: PLC (Power Line Communications) (1) non una novità nel mondo delle Utilities, sebbene usate in ambiti differenti (controllo della trasmissione AT, metering per utenza BT); nuovo utilizzo nell'esercizio della distribuzione di MT con GD; può apportare tutti benefici di controllabilità e gestibilità tipici di una rete privata all interno dell Utility stessa. infrastruttura: la rete elettrica stessa, necessariamente esistente e disponibile esattamente in ogni sito dove serve tra le tipologie (per banda e frequenza dello spettro) disponibili se ne individua una che risponde ai requisiti per l esercizio della distribuzione in presenza di GD: con un data rate dell'ordine dei kbit/s (compatibile con il volume di traffico preventivato con l'adozione dei Goose IEC61850) copertura distanze (tra due siti) di circa 10km a banda stretta (narrow band) nello spettro khz (senza problemi di interferenza con sistemi radio) ulteriori caratteristiche di interesse: tipi di modulazione (ad. es. OFDM con codifica differenziale lungo le sottoportanti) supporto della correttezza e della qualità della trasmissione interfacce degli apparati costituenti i punti di accesso alla rete PLC (Ethernet elettrica/ottica e seriale RS232/RS485)

20 Tecnologie: PLC (Power Line Communications) (2) aspetti di sviluppo ed innovazione richiesti (per applicazioni con requisiti sempre più esigenti) caratteristici della tecnologia: tecnica di realizzazione (per la banda di frequenze usate) e installazione degli accoppiatori (in particolare gli induttivi, più economici e facili da installare) carenza di meccanismi nativi in materia di Sicurezza dei dati (indirettamente aiutata dalla natura del mezzo fisico e collocazione degli apparati) da sopperire tramite servizi aggiuntivi a livelli protocollari più alti completa integrabilità degli apparati (ed esempio modem) PLC nell'interfacciamento tra i propri livelli 1 e 2 e quelli del mondo Ethernet/Internet elettrici e meccanici dove si verifica un'interruzione del mezzo fisico (ai capi di interruttori e sezionatori in CP e CS) -> prevedere bypass del solo segnale modulato la convergenza, fisicamente, di più linee MT (tipicamente sulle sbarre di MT in CP) -> progettare adeguatamente l'uso delle risorse di comunicazione per evitare collisioni normativi circa la designazione e l uso delle frequenze (nell ambito dei khz), da parte delle Utilities, per la tecnologia Narrowband in ambito MT

21 Tecnologie: PLC (Power Line Communications) (3) Architettura dell infrastruttura di Rete PLC in esame

22 Tecnologie: WiMAX (1) in via di diffusione sul territorio nazionale grazie al processo di riduzione del Digital Divide: da un punto di vista dell uso nell ambito delle Utilities rappresenta senz'altro una frontiera tecnologica standard internazionale per le telecomunicazioni wireless a diffusione globale dalle notevoli caratteristiche con tecnologia broadband adatto sia a utenti fissi (di interesse per questa analisi) che mobili data rate dichiarato dell'ordine delle decine di Mb/s connection-oriented indipendente dai protocolli (IP, Ethernet ) offre meccanismi di sicurezza, crittografia ed autenticazione nativi (indicati in modo mirato per ogni parte dallo standard) a Livello Fisico e basata su OFDM e promette una copertura (teorica massima) sia NLOS (di circa 15Km) che LOS (fino a 50 Km) l'utente, una volta connesso, ottiene uno slot statico con porzione di banda variabile (con politiche di QoS).

23 Tecnologie: WiMAX (2) Aspetti di applicabilità tecnici: recente ma tecnologicamente più maturo e pronto all uso, rispetto alle PLC, per una introduzione nella gestione della distribuzione in presenza di GD gli apparati di accesso e infrastrutturali di rete WiMAX sono ampiamente disponibili sul mercato. normativi: in Italia, questo vettore può essere utilizzato solo su frequenze licenziate, ad oggi assegnate unicamente a gestori specializzati nel campo delle telecomunicazioni. Due visioni: forte limitazione in quanto l Utility è impossibilitata ad implementare una rete privata oppure opportunità di poter usufruire: dell esperienza di operatori specializzati di una rete in via di diffusione e con un alta potenzialità in termini di prestazioni e sicurezza, senza sostenere i costi iniziali di una rete ex novo e quelli successivi di manutenzione di accordi tecnico-commerciali in termini di garanzia di servizi adeguati alle esigenze del processo elettrico (il che comporta una accurata sperimentazione) e relativa tariffazione

24 Tecnologie: WiMAX (3) Architettura dell infrastruttura di Rete WiMAX in esame

25 Tecnologie: altre considerazioni criticità dell'infrastruttura servita (la rete di distribuzione elettrica) -> valutazioni/requisiti sul comportamento delle comunicazioni (e del sistema in presenza di situazioni anomale/di guasto) doppio sistema di telecomunicazione con vettori eterogenei: disaccoppiamento a fronte di una possibile condizione di malfunzionamento attenzione ai meccanismi di ridondanza che li governa (primary/backup piuttosto che a duplicazione continua del traffico) riconfigurazioni da effettuare in base alla indisponibilità transitoria di uno dei due canali di comunicazione valutazione parametri (ad esempio, il tempo di switch da un vettore all'altro nel rispetto alle tempistiche dei processi elettrici in corso) criteri personalizzati per CP, CS e GPT. effetti consegna anomala (la cui frequenza va minimizzata) dei dati trasmessi al loro utilizzatore (dove i processi si basino su requisiti di periodicità e/o sequenzialità). definizione del comportamento (funzionale) dei processi applicativi (quando possibile mutuati dai tradizionali, precedenti l'introduzione delle telecomunicazioni) per una consistente (anche se non efficiente) gestione dei processi elettrici in assenza di comunicazione

26 Conclusioni->Prospettive (1) scelte di progetto, da parte dell Utility, nell adozione delle tecnologie indicate per l esercizio delle Reti di Distribuzione Elettrica con GD: di rinnovamento per le PLC tecnico richiesto di utilizzo specifico di innovazione per WiMAX diretta introduzione nell architettura di rete tra le due profonda diversità per storia, natura e caratteristiche specifiche integrazione con previsti benefici sia tecnologici che economici: non soffrono contemporaneamente delle stesse problematiche -> elevata continuità del servizio quando coordinati opportunamente. entrambe non comportano la realizzazione ad-hoc di nuove infrastrutture di rete a copertura nazionale. di innovazione si può parlare senz altro anche per l IEC Può costituire un driver per una più generale politica di adeguamento ed evoluzione della architettura delle sottostazioni di trasformazione (CP e CS), con l'adozione di apparati e protocolli sempre più orientati alla interoperabilità, disponibilità sul mercato ed aderenza a standard internazionali

27 Prospettive (2) Esempio: possibile architettura CP

28 Grazie per l attenzione!