LA GENERAZIONE DIFFUSA E LE SMART GRID

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1 Tecnologie delle comunicazione e sostenibilità ambientale: Green ICT & ICT for Green LA GENERAZIONE DIFFUSA E LE SMART GRID Maurizio Delfanti, Andrea Silvestri Dipartimento di Energia

2 Outline 2 Impatto della GD sulle reti di distribuzione hosting capacity ostacoli allo sviluppo della GD: la protezione di interfaccia ICT: tecnologia abilitante Milano Wi-Power: integrazione delle reti di energia e comunicazione risultati delle prime sperimentazioni Conclusioni & sviluppi futuri: utilizzo protocolli standard (IEC 61850) integrazione con automazione di rete cosa ci serve?

3 Perché rivoluzionare le reti? ICT come tecnologia abilitante 3 Sviluppo iniziale dei sistemi elettrici basato su forme di generazione centralizzata: energia elettrica prodotta in impianti di grande potenza unitaria (centrali elettriche, reti di trasmissione) Sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili (FER) diffuse sul territorio reso necessario dalla crescente attenzione per le problematiche ambientali La Generazione Diffusa (GD): si affaccia sulla rete di distribuzione, in media tensione (MT) o in bassa tensione (BT) Le attuali modalità di protezione, controllo, gestione della rete di distribuzione MT/BT non sono in prospettiva adeguate: serve una vera e propria RIVOLUZIONE CONCETTUALE Integrare le reti di energia con le reti di telecomunicazione: unica via per lo sfruttamento reale delle FER SMART GRID

4 Delibera AEEG ARG/elt 25/09: il supporto del Politecnico nell Allegato 2 4 Impatto della generazione diffusa sulle reti di distribuzione Studio condotto su circa nodi MT reali Campione rappresentativo di circa 8% reti MT Ricostruita la reale topologia di rete e stimata la variazione dei carichi Modello Hosting Capacity (Bollen et al., EU-Deep) Vincoli considerati: - corrente di cortocircuito e protezioni associate - variazioni rapide (EN con DU max = 6%) - variazioni lente (EN 50160, inclusa c.d.t. su rete BT) - portata nominale (limite termico) - inversione dei flussi di potenza sul trasformatore AT/MT

5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 Percentuale di nodi sul totale Delibera AEEG ARG/elt 25/09: esiste una notevole Hosting Capacity 5 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% > Allegato A > Allegato 2 Limiti di transito Variazioni rapide limitate al 6% Variazioni lente di tensione Nessun vincolo violato Potenza Installabile [MW] ma è davvero sfruttabile senza rischi per la rete e per il sistema?

6 Inversione di flusso: criticità legate alle protezioni 6 Inversione di flusso: la potenza attiva fluisce dalla rete MT verso la rete AT. Criticità legate alle protezioni e all automazione di rete hanno crescente incidenza sulle reti (e sulle linee) in cui il flusso di potenza, per almeno una data percentuale delle ore annue di funzionamento, si inverta. A livello di interfaccia AT/MT (CP): A livello di singola linea MT: possibile degrado delle prestazioni per gli utenti sottesi all intera CP. possibile degrado delle prestazioni per gli utenti sottesi alla specifica linea MT.

7 Criticità legate all automazione di rete: richiusure automatiche, isola indesiderata 7 La richiusura rapida è un automatismo in grado di richiudere l'interruttore in testa alla linea (CP) a seguito di un'apertura su guasto: migliora la qualità del servizio. Richiusura: in presenza di GD, bisogna evitare che possa verificarsi un parallelo in controfase dei generatori ancora connessi; la GD connessa continui a sostenere il guasto (richiusura negativa); Apertura definitiva: in presenza di GD, bisogna evitare che uno o più impianti di produzione continuino ad alimentare una porzione della rete successivamente alla disconnessione della stessa porzione dal resto della rete, che rimane connessa al complessivo sistema elettrico (isola indesiderata).

8 Come si comporta la GD: Dispositivo Di Interfaccia, Norma CEI I generatori connessi alla rete MT sono dotati di un dispositivo che assicura la disconnessione dell impianto in caso di perdita della rete (DDI). Il Sistema di Protezione di Interfaccia (SPI): è un relé che dispone esclusivamente di informazioni di tipo locale. Regolazioni tipiche dell attuale SPI: (27) min tensione 0,7 Un (59); max tensione 1,2 Un (81U) min frequenza 49,7 Hz ; (81O) max frequenza 50,3 Hz Regolazione ad elevata sensibilità: diversi utenti sono soggetti a scatti intempestivi del SPI per guasti esterni in emergenza RTN la GD viene distaccata (blackout 2006: persi 2000 MW) per quanto sensibili siano le regolazioni, il SPI non può distaccare la GD se Pc~Pg ATTUALE SPI NON AFFIDABILE

9 Come si comporta la GD: evoluzione con ICT 9 È necessario esplorare ed implementare i sistemi di comunicazione tra: RELÈ di protezione in CP (relè MASTER) SPI della GD (relè SLAVE) COMUNICAZIONE Nuova logica di comando e regolazione SPI Sistema di comunicazione integro: soglie a minor sensibilità (es Hz) In mancanza di comunicazione: commutazione soglie con attuale sensibilità Il sistema di comunicazione garantisce la gestione e l affidabilità nel distacco o nel mantenimento in linea della GD migliorando le prestazioni dell intero sistema. SPI AFFIDABILE e CONTROLLABILE

10 Generazione Diffusa: l impatto prospettico sulle reti 10 Data ICT New protections Negligible impact DG penetration [%]

11 Outline 11 Impatto della GD sulle reti di distribuzione hosting capacity ostacoli allo sviluppo dell GD: la protezione di interfaccia ICT: tecnologia abilitante Milano Wi-Power: integrazione delle reti di energia e comunicazione risultati delle prime sperimentazioni Conclusioni & sviluppi futuri: utilizzo protocolli standard (IEC 61850) integrazione con automazione di rete cosa ci serve?

12 Sviluppo delle reti elettriche e di comunicazione: i progetti in corso 12 MILANO WI-POWER (PoliMi, A2A, SELTA, THYTRONIC, Mobimesh ERSE, CEI, AEEG) Testare prestazioni e affidabilità dei sistemi di comunicazione (anche in forma integrata) da implementare tra CP e GD connessa alla rete; Definire i segnali da scambiare e le relative tempistiche; Effettuare prime prove di comunicazione punto punto tra CP e GD Sperimentare un applicazione combinata su più CP: impiego di VPN già presenti (rete A2A Milano); la GD comunica solo con la CP associata in condizioni normali; in caso di assetto non standard, coordinamento tra diverse CP.

13 Milano Wi-Power: CP A2A Musocco GD c/o POLIMI 13 CP A2A MUSOCCO > 3 km POLITECNICO DI MILANO

14 Milano Wi-Power Sistemi di comunicazione e segnali da scambiare SISTEMI DI COMUNICAZIONE 14 Rete internet: non necessita di supporti dedicati ed è già diffusa sul territorio Reti Wi-Fi e Wi-Max: supporti dedicati, bande libere o proprietarie Sistema PLC: già utilizzato sulla trasmissione Fibra ottica: nuovi sviluppi rete, non utilizzabile nel breve su reti esistenti SEGNALI DA SCAMBIARE TRA CP E GD E TEMPISTICHE INTERTRIP: comando di scatto del SPI inviato dal relè in CP al SPI della GD a seguito di comando di apertura del relè in CP (centinaia di ms) KEEP ALIVE: senza rete ICT il SPI restringe le soglie di intervento (1 s) REG V: modulazione della potenza reattiva (decine di secondi) LIMITAZIONE P: modulazione della potenza attiva (minuti) Altre applicazioni smart (pricing, ecc)

15 Milano Wi-Power Esperienza di comunicazione su rete internet 15 RELÈ THYTRONIC NV10PS (SPI) INSTALLATO c/o POLIMI (SLAVE) PC (MASTER) 50 km DA POLIMI (BRIANZA) PC (MASTER) 80 km DA POLIMI (PIACENZA) PC (MASTER) 10 km DA POLIMI SEDE DI THYTRONIC (MILANO) La comunicazione avviene con protocollo standard TCP/IP e l applicazione di rete delle protezioni utilizza una messaggistica proprietaria (Thytronic) Costi di esercizio e struttura minimi (indirizzo IP fisso) Possibili criticità: cyber security; disponibilità della comunicazione; tempi di ritardo della comunicazione.

16 Milano Wi-Power Risultati comunicazione Test di comunicazione bi-direzionale; caso su 50 km di distanza 16 Inviate stringhe da 32 byte ogni 4 s tra MASTER e SLAVE per una intera settimana (21600 campioni) Il 100% dei pacchetti è arrivato a destinazione con successo Il tempo di invio dell informazione e della conferma di arrivo è < 100 ms in tutti i casi 50 km > della lunghezza massima delle linee di MT La GD è fatta di moltissime unità: approccio probabilistico

17 Milano Wi-Power Esperienza di comunicazione Wi-Fi / internet 17 BRIDGE DI RETE RELE GD c/o POLIMI ANTENNE DIREZIONALI INTERNET Vantaggi: RELE CP c/o A2A MUSOCCO INTERTRIP KEEP ALIVE RELE GD c/o THYTRONIC cyber security; disponibilità della comunicazione; copertura di aree non cablate o rurali. Possibili criticità: problemi di installazione e autorizzativi; problemi di visibilità di antenne direzionali; maggior costo rispetto a rete internet e a supporti di struttura hw

18 Milano Wi-Power risultati INTERTRIP 18 RELE CP CP (MUSOCCO) e RELE e GD GD (POLIMI) (THYTRONIC) CON Wi-Fi con + INTERNET MEDIA 46,7 37,5 DEV.ST 176,5 172,1

19 Outline 19 Impatto della GD sulle reti di distribuzione hosting capacity ostacoli allo sviluppo dell GD: la protezione di interfaccia ICT: tecnologia abilitante Milano Wi-Power: integrazione delle reti di energia e comunicazione risultati delle prime sperimentazioni Conclusioni & sviluppi futuri: utilizzo protocolli standard (IEC 61850) integrazione con automazione di rete cosa ci serve?

20 Contatti in corso con: Enel Distribuzione, CESI, altri partner tecnologici 20 Nuova dimostrazione in campo: Impiegare protocolli standard (IEC 61850): garantire l interoperabilità tra apparati di protezione controllo e monitoraggio scambiare informazioni con GOOSE o comunicazione client-server SOTTOSTAZIONE ESTESA: estensione del sistema di supervisione e protezione della CP al SPI della GD per effettuare la comunicare con protocollo IEC Sfruttare ICT anche per un automazione con prestazioni spinte (sel. logica) Implementare un controllore di CP, in grado di: indirizzare la comunicazione verso ciascun generatore connesso integrare le funzioni avanzate con l automazione esistente

21 Conclusioni: più GD possibile solo con ICT 21 Integrare la rete di energia e di informazione Aree ad alta e media densità (Milano, etc :>70% dei clienti finali in Italia): problemi autorizzativi per l installazione di dispositivi di comunicazione dedicati la rete internet pubblica è molto diffusa; ottenuti buoni risultati Aree a bassa densità (rurali): Nuove linee MT : fibra ottica (soluzione già implementata dai Distributori) Linee già esistenti: sistemi wireless e/o rete internet pubblica: prove in corso Come andare avanti? Servono impianti pilota per validare le scelte in campo Servono incentivi per sviluppare le iniziative su scala reale (Del. 348/07) Serve un apporto più mirato alla ricerca da parte dei costruttori (power; ICT)

22 Acknowledgments 22 AlpEnergy, responsabile ing. Marco Merlo Milano Wi-Power, responsabile ing. Mauro Pozzi Hanno reso possibili le varie iniziative i PhD della Sezione Elettrica: ing. Davide Falabretti; ing. Gabriele Monfredini; ing. Valeria Olivieri Le soluzioni tecnologiche finora messe in campo sono state fornite da: Mobimesh (wireless solutions); Thytronic (relè); Selta (automazione e comunicazione)