Dalla SMART GRID alla Smart City

Dalla SMART GRID alla Smart City Alessandroni Silvio, Ph.D. Resp. Telecontrollo Acea Distribuzione S.p.A Alessandroni.silvio@aceaspa.it

in viaggio verso Roma smart city 2011 2014 1. PROGETTO PILOTA SMART GRID ACEA DISTRIBUZIONE 2012 2014 2. NUOVI SVILUPPI SPERIMENTALI 2014-2016 3. PROGETTO R.o.M.A. 4. PROGETTO PANOPTESEC 2

2011-2012 1. PROGETTO PILOTA SMART GRID ACEA DISTRIBUZIONE Automazione evoluta di rete MT rialimentare la città di Roma da alcuni minuti a pochi secondi Monitoraggio di rete MT/BT controllare la rete invisibile i ibil che entra nelle nostre case Nuovi criteri di gestione della rete MT energia a km zero E-Car & Storage modello sostenibile di mobilità elettrica per la citta di Roma 3

Progetto pilota Smart Grid di ACEA per Roma 2 cabine 2 bi primarie i i 76 cabine 76 cabine secondarie (20kV e 8.4kV) (20kV e 8 4kV) 6 linee l MT 4 generatori distribuiti (Biomasse, fotovoltaico) 6 utenti MT Circa 1.200 utenti BT 4

Automazione evoluta di rete MT rialimentare la città di Roma da alcuni minuti a pochi secondi

Selettività Logica A C1 C2 C3 C4 C5 B 6

Selettività Logica Hiperlan A C1 C2 C3 C4 C5 B 7

Selettività Logica A C1 C2 C3 C4 C5 B 8

Selettività Logica - Superamento dei vincoli di replicabilità t max selezione guasto: 300 msec HIPERLAN A C2 C3 C4 C5 B RAME R HIPERLAN R R t max selezione R guasto: 1 sec FIBRA A A C 1C1 R R C 2C2 R R C 3C3 R R C4 R C 5C5 B B 9

Monitoraggio MT/BT controllare la rete invisibile che entra nelle nostre case

MONITORAGGIO MT/BT ANTENNA HIPERLAN ANTENNA GPRS ANTENNA TETRA IMS REF 615 REF 630 SWITCH RTU 560 rs 232 DOLPHIN MODEM TETRA PROSUMER REMOTE I/O CCS L E N N T M O. B. T. M O. B. T. M O. B. T. Modulo TA Modulo TA NCG zigbee UP 8 output SWITCH SISTEMA DI CONTROLLO PROSUMER Modulo TA Modulo temperatura/umidità CABINA SECONDARIA 11

Monitoraggio MT/BT e Tlc BT Ingegnerizzazione della soluzione COMUNICAZIONE ORIZZONTALE ANTENNA O MODEM ANTENNA GPRS COMUNICAZIONE VERTICALE ANTENNA TETRA IMS RECLOSER REF 615 Gateway CCS L E N N T I. B T I. B T I. B T 12

Monitoraggio MT/BT e Tlc BT Estensione rete TETRA 13

Monitoraggio MT/BT e Tlc BT Estensione rete TETRA Rete TETRA proprietaria più robusta alle problematiche delle reti pubbliche 14

Nuovi Criteri di Gestione della rete MT Il distributore si trasforma in dispacciatore per ottenere energia a km zero

Punti di misura di V in alta tensione Acea Distribuzione SpA Punti di misura di V e I in media tensione Gd ~ Gd ~ Gd ~ Gd ~ Attuatori 14 dicembre 2012

NUOVI CRITERI DI GESTIONE DELLA RETE MT Approccio Classico Approccio genetico 17

Nuovi criteri di gestione della rete MT Isola Smart Progetto Pilota 18

E-Car & Storage modello sostenibile di mobilità elettrica per la citta di Roma.

E-CAR & STORAGE CP Raffinerie Photovoltaic plant GPRS Sistema di controllo locale GPRS GPRS GPRS GPRS GPRS Postazioni Acea 3kW 3kW 3kW 3kW Sistema di accumulo Rete Elettrica 20

2012 2014 2. NUOVI SVILUPPI SPERIMENTALI Storage Distribuito per la rete MT/BT ridurre le interruzioni per gli utenti e gestire le fonti rinnovabili sulla bassa tensione Smart Grid Intelligence apprendere dal passato per prevedere il futuro 21

Storage distribuito eliminare le interruzioni brevi per gli utenti e gestire le fonti rinnovabili sulla bassa tensione

STORAGE DISTRIBUITO 100kW nominale 17,6kWh capacità 160kW nominale 45kWh capacità 100kW nominale 45kWh capacità 23

Smart Grid Intelligence apprendere dal passato per prevedere il futuro

Smart Grid Intelligence Data mining per prevedere i guasti 010001001.. 100010100.. 100001111 25

SFIDA: Scalabilità verso il basso N Nodi Consistenza Nodi AT 70 1.000-76.000 MT BT 13.000 1.600.000 000 1-600 1 kw- 100kW STRUMENTI PER AFFRONTARLA? Soluzioni tecniche specifiche per interventi su specifici elementi di rete TECNOLOGIA HW: (Prog. SG - Storage) Soluzioni tecnologiche: Più economiche Più veloci Meno ingombranti INFORMAZIONE SW: (FIT- prog. R.O.M.A.) Driver per interventi: Di investimento Di Manutenzione Di esercizio rete 26

METODOLOGIA: Piano investimenti 2015 27

TARGET 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 AUTOMAZIONE EVOLUTA MT Riduzione guasti MT Smart Grid MONITORAGGIO e TLC BT Riduzione durata guasti BT Smart Grid NUOVI CRITERI MT Gestione Prosumer Smart Grid INFRASTRUTTURA RETE TLC Migliorare i livelli di servizio Smart Grid R.o.M.A DATA MINING Manutenzione predittiva Investimenti mirati Nuovi Sviluppi R.o.M.A STORAGE DISTRIBUITO Gestione e utenti critici Nuovi Sviluppi NETWORK SYSTEM SECURITY 28 Nuove policy per sicurezza informatica su sistemi «smart grid» Panoptesec

... D una città non godi le sette o settantasette meraviglie, ma la risposta che dà a una tua domanda. [I.Calvino] Per Roma Capitale una tecnologia capace di coniugare innovazione, sostenibilità e qualità della vita 29

2014-2016 3. PROGETTO ROMA: DALLA SMART GRID ALLA SMART CITY Dalla rete elettrica intelligente alla rete di servizi per rendere una 2014-2016 3. PROGETTO ROMA: DALLA SMART GRID ALLA SMART CITY Dalla rete elettrica intelligente alla rete di servizi per rendere una 31

SGI Da strumento di analisi al di fuori del processo a strumento di guida del processo B I DWH Classifico (Elenco dettaglio) Comprendo (Report Analitici) Osservo (Dashboard KPI) BIG DATA DATA MINING ANALISI (CONTROLLO) SCELGO (pianificazio ne; schedulazio 32 ne) SINTESI (PROCESSO) INTERVENGO (operation)

SGI: scelta interventi Driver di Rischio! Mensile Investimenti TLC RETE Giornaliera Manutenzioni Programmata Su guasto 33 Tempo Reale Ottimizzazion e Topologic a Assetto Riconfigurazione su guasto Riconfigurazione i preventiva

SGI Non solo strumento informatico ma metodologia abilitante un nuovo modo per gestire la rete Smart Grid «Processo di scalatura verso il basso diffusione di intelligenza da un nodo centrale ai nodi secondari di una rete sottesa» 34

Smart Grid la RETE INTELLIGENTE QUALE RETE? La rete elettrica MT/BT del distributore la rete AT del dispacciatore è già intelligente! COSA SIGNIFICA INTELLIGENTE? Capace di gestire e «dispacciare» i flussi di energia che la attraversano, senza più subirli passivamente! COME REALIZZARLA? Distribuendo l intelligenza, oggi presente solo nel nodo centrale in Cabina Primaria verso i nodi secondari MT e BT (Cabine Secondarie e utenti finali) AT MT BT

SFIDA: Scalabilità verso il basso N Nodi Consistenza Nodi AT 70 1.000-76.000 MT BT 13.000 1.600.000 000 1-600 1 kw- 100kW STRUMENTI PER AFFRONTARLA? Soluzioni tecniche specifiche per interventi su specifici elementi di rete TECNOLOGIA HW: (Prog. SG - Storage) Soluzioni tecnologiche: Più economiche Più veloci Meno ingombranti INFORMAZIONE SW: (FIT- prog. R.O.M.A.) Driver per interventi: Di investimento Di Manutenzione Di esercizio rete 36

STRUMENTO SGI Filo di Arianna pattern costitutivo della rete elettrica SCADA CP Linea MT CS Linea BT CENTRO GESTIONE CC S 37 GIS Quadro BT Lennt Pod BILLING

ANALISI: efficiente - efficace Valutare andamento processo [Dashboard indicatore processo] Osservo 38

ANALISI: efficiente - efficace Valutare andamento processo [Dashboard indicatore processo] Osservo Comprendo Capire le variabili del processo [Analisi dimensioni del processo] 39

ANALISI: efficiente - efficace Valutare andamento processo [Dashboard indicatore processo] Osservo Comprendo Capire le variabili del processo [Analisi dimensioni del processo] Classifico Classificare gli elementi [Dettaglio analitico per elemento di rete] 40

SGI: STRUMENTO (Interconnessione delle fasi di analisi) ANALISI (CONTROLL O) Classifico Elenchi ordinati di ripartizione del KPI su elementi di dettaglio Comprendo Report sulle dimensione di analisi disponibili del KPI Osservo Dashboard di sintesi del KPI di processo SGI: METODOLOGIA (Misura di rischio) SCELGO Da elenchi ordinati->a misure Dal passato ->al futuro SINTESI (PROCESSO) INTERVEN GO 41

METODOLOGIA Progressione del beneficio interventi: ordinamento degli interventi per costo beneficio e progressione del beneficio totale sulla rete 42

METODOLOGIA: Metrica di rischio AT Evento dannoso Guasti Disserviz i MT BT Impatto N1: n guasti D1: T guasti 43

METODOLOGIA: Metrica di rischio AT Evento dannoso Guasti Disserviz i MT BT Impatto N1 D1 MODELLO RISCHIO 44

METODOLOGIA: Metrica di rischio AT Evento dannoso Guasti Disserviz i MT BT Impatto N1 D1 MODELLO RISCHIO 45

METODOLOGIA: Modello di intervento Metrica unica di costo Ambito di concentrazione Franchigia 46

METODOLOGIA: Modello di intervento Metrica unica di costo Ambito di concentrazione Franchigia ORDINAMENTO 47

PIANO INVESTIMENTI TLC SMART ORIENTED 2015 Classifico Comprendo Osservo Rilasciata ANALISI (CONTROLLO) O O) In sviluppo SCEL GO SINTESI (PROCESSO) INTERVENGO 48 «non sai quello di cui hai bisogno finché non lo usi» Steve Jobs 48

Esempio MODELLO IMPATTO (durata MT) CP a b b c 49

Esempio MODELLO IMPATTO (durata MT) automazione CP a automazione a: numero cs in automazione 50

Esempio MODELLO IMPATTO (durata MT) automazione telecontrollo telecontrollo CP a b b c automazione 51 telecontrollo a: numero cs in automazione b: numero cs in telecontrollo c: numero cs manovre manuali T M : tempo arrivo in cs t M : tempo medio manovra manuale T T : tempo connessione tlc t T : tempo medio manovra tlc

Esempio MODELLO IMPATTO (durata MT) automazione telecontrollo telecontrollo manuale CP a b b c automazione telecontrollo manuale a: numero cs in automazione b: numero cs in telecontrollo c: numero cs manovre manuali T M : tempo arrivo in cs t M : tempo medio manovra manuale T T : tempo connessione tlc t T : tempo medio manovra tlc 52

Esempio MODELLO IMPATTO (durata MT) CP a b b c 53 a: numero cs in automazione b: numero cs in telecontrollo c: numero cs manovre manuali T M : tempo arrivo in cs t M : tempo medio manovra manuale T T : tempo connessione tlc t T : tempo medio manovra tlc

Esempio MODELLO IMPATTO (durata MT) CP a b b c y 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 N tel lecontrolli 54 1 N automazioni 0 0 1 2 3 4 x

Esempio MODELLO PROB. GUASTI MT 2010 2011 2012 Coefficiente previsionalità 2013 N N N statistica N funzionale Capacità previsionale del modello statistico 55

METODOLOGIA: Piano investimenti 2015 IMPATTI MT D1 N1 BT D1 N1 56

METODOLOGIA: Piano investimenti 2015 EVENTI IMPATTI Guasti MT Disservizi D1 N1 Tlc Guasti BT D1 N1 57

METODOLOGIA: Piano investimenti 2015 EVENTI IMPATTI INTERVENTI MT Guasti Disservizi D1 N1 Tlc Guasti BT D1 N1 Automazione Telecontrollo Manutenzione tlc Monitoraggio Telecontrollo Coordinamento squadre operative 58

METODOLOGIA: Piano investimenti 2015 59

SGI Da strumento di ANALISI per controllare a strumento di SINTESI per GUIDARE LE SCELTE Grazie per l attenzione 60

INDICE 1. PROGETTO PILOTA SMART GRID 2. ULTERIORI SVILUPPI SPERIMENTALI 2. PROGETTO ROMA 61

INDICE 1. PROGETTO PILOTA SMART GRID 2. ULTERIORI SVILUPPI SPERIMENTALI 3. PROGETTO ROMA 62

INDICE 1. PROGETTO PILOTA SMART GRID 2. ULTERIORI SVILUPPI SPERIMENTALI 3. PROGETTO ROMA 63

ASSET RETE Acea Distribuzione 1. Rete Elettrica 73 Cabine Primarie 13,7 mila Cabine Secondarie 1,6 mila Dorsali 2. Rete Telecomunicazioni 100 punti di accesso alla infrastruttura proprietaria 13,7 mila punti di accesso alla infrastruttura pubblica di cui 6 mila per il telecontrollo 64

STORAGE DISTRIBUITO Obiettivo Migliorare la continuità del servizio eliminando le interruzioni Come? Distribuendo sistemi di accumulo nelle cabine secondarie Benefici Funzione di back-up della rete per le interruzioni brevi Funzione di peak sheaving Funzione di compensazione per la generazione distribuita Criticità Costi 65

Smart Grid Intelligence Obiettivo Migliorare la continuità del servizio prevenendo i malfunzionamenti e fornire strumenti di supporto alla decisione sia in back office che in tempo reale Come? Sviluppando indicatori di probabilità di guasto mediante analisi statistiche evolute Benefici Diminuzione numero guasti Diminuzione durata guasti 66

Fase 3: PREDICTIVE ANALYTICS Analisi Clusters 2009 Training set K opt e Centroidi DATA SET 2010 d opt Validation set 2011 Test set 67

Fase 3: PREDICTIVE ANALYTICS Analisi Clusters r d r d d i < r i +d i r d 68

600 Driver criticità dorsali criticità dorsale Lineare (criticità dorsale) 400 N gua asti 200 0 0 2.000 4.000 6.000 8.000 n utenti 69

NUOVI CRITERI DI GESTIONE DELLA RETE MT Obiettivi Distribuire energia a km Ø ST SMART Come? Input =misure ST BASE Output =set point Gestendo profili di tensione Gestendo flussi di potenza fase E fase A fase G State Estimator fase B fase C Ottimizzando le perdite sulla rete Benefici Optimizer fase D fase F Qualità del servizio Schema di Telecontrollo Continuità del servizio Minimizzare le perdite fase ø fae epedte RETE RETE 70

NUOVI CRITERI DI GESTIONE DELLA RETE MT COLLABORAZIONE Approccio classico di ottimizzazione basato su discesa a gradiente COLLABORAZIONE Approccio euristico di ottimizzazione basato su algoritmo genetico 71

Ottimizzatore RSE Assetto rete iniziale i i S= {s1,s2,,sn} Funzionale di ottimo vincolato +λλ Eq (S) Vincoli λ λ Vincoli 1 +λ Rete 2 (S) +λ Tensioni 3 Correnti Φ(S)= ( ) λ Perdite(S) (S) (S) +λ Costi 4 ( (S)) Attuatori ( (S)) Funzione costo Attuatori = { 1(s1), 2(s2),,, n(sn)} Assetto rete Ottimo S*= {s 1*, s 2*,, s n* }

Collaborazione La Sapienza Creazione simulatore per la Smart Grid in Simulink Più leggero rispetto a DigSilent Più versatile: può rappresentare aspetti non solo elettrici dell anello di controllo: infrastruttura di telecomunicazione (latenze) Adatto anche alla ricerca automatica della configurazione topologica ottima Implementazione algoritmo di controllo genetico derivative free: versatile per le possibili evoluzioni della rete Facilmente estensibile alla ricerca della configurazione di ottimo topologico Robusto alla non convessità dell operatore rimane più difficilmente intrappolato in minimi locali Simulazioni e comparazioni con DigSilent e algoritmi RSE

Algoritmo genetico Geni: SetPoint S 1 S 2 S n Individuo - Assetto Generazione 1: Insieme assetti Vita?! : Fitness Function Produzione nuova generazione Mutazione genetica

NUOVI CRITERI DI GESTIONE DELLA RETE MT Algoritmo Classico RSE Algoritmogenetico genetico La Sapienza 75

Intelligenza distribuita Controllo centrale: critico su larga scala Controllo locale: critico per mancanza di coordinamento Controllo distribuito: coordinato e robusto L intelligenza degli stromi di uccelli 76

Nuovi criteri di gestione della rete MT Risultati preliminari Ottimizzazione dell assetto della rete con topologia standard di esercizio Regolazione dei profili di V e dei flussi di P e Q Ottimizzazione della topologia della rete Minimizzazione delle perdite Vincoli di replicabilità Adeguamento dell interfaccia degli attuatori (macchine prosumer e variatore sotto carico del trasformatore AT/MT) Gestione modulare del controllo su isole desiderate ed ulteriore livello gerarchico superiore di controllo Soluzioni Intervento normativo dell Autorità Ulteriori sviluppi per modifiche al controllore locale 77

E-CAR & STORAGE Obiettivi Sviluppare un modello replicabile per la mobilità elettrica su Roma Come? Coordinando un sistema integrato, FV + Storage + colonnine per la ricarica delle autovetture, finalizzato alla minimizzazione dello scambio di energia sulla rete elettrica Attivando e verificando un opportuno sistema centrale per la gestione della fatturazione Benefici Utilizzo efficiente e coordinato delle energie rinnovabili per una città ecosostenibile 78

AUTOMAZIONE DI RETE MT Obiettivi i i Miglioramento continuità del servizio sulla rete di media tensione Come? Disalimentando i clienti sottesi al solo tronco guasto invece che disalimentare l intera dorsale Selezionando il tronco guasto in meno di un secondo rispetto ai diversi minuti necessari attualmente Diminuendo lo stress della rete Benefici Diminuzione durata guasti Diminuzione dei clienti disalimentati per guasto Incremento del tempo di vita della rete MT 79

AUTOMAZIONE DI RETE MT - Intelligenza distribuita sulla media tensione Risultati preliminari Implementazione algoritmo di selettività logica a 4 cabine secondarie con generazione distribuita e senza generazione distribuita Studio benefici (1 linea MT in 1 anno): durata D1 [min]: 0.0240 numero N1: 0.0043 Vincoli di replicabilità Disponibilità mezzo vettore per comunicazione a basso tempo di latenza fra le cabine secondarie nelle zone urbane Soluzioni Infrastruttura di rete ibrida (rame, fibra ottica, hiperlan e LTE) Automazione evoluta degradata (cronometrica a 3/4 recloser per dorsale) 80

AUTOMAZIONE DI RETE MT ESTENSIONE DEL PROGETTO PILOTA 2013 DAL ALLA PROGETTO PRIMA PILOTA... FASE (PRE-INDUSTRIALIZZAZIONE) 81

MONITORAGGIO MT/BT Obiettivi Accendere una luce sulla bassa tensione Come? Monitorando V, I (tensione e corrente) in media tensione Monitorando P,Q (potenza attiva e reattiva) V,I sul secondario del TR MT/BT Monitorando correnti su ciascuna linea BT Telecontrollando interruttori linee BT Riduzione fenomeni di sovraccarico linee BT (equilibrio dei carichi) Riduzione numero/durata guasti BT Benefici Fornire input misure per la regolazione (Nuovi Criteri di gestione rete MT) 82

Monitoraggio MT/BT e Tlc BT - Infrastruttura di rete per comunicazioni verticali e orizzontali Risultati preliminari Acquisizione in tempo reale delle misure in MT/BT Sviluppo della rete proprietaria Tetra ed estensione della rete GPRS Spazio in cabina secondaria Vincoli di replicabilità Indisponibilità di campo per la comunicazione con il sistema centrale Soluzioni Ingegnerizzazione degli apparati: dal prototipo al prodotto pre-industriale Efficientamento copertura Tetra Estensione da rete GPRS a rete UMTS 83

PROGETTO ROMA: Resilience Enhancement of Metropolitan Areas

Progetto RoMA: Smart cosa significa? ALTRI SISTEMI RETE ELETTRICA 1. Raccolta dati P Q I P V CSAM 2. Trasmissione dati Rete TLC 3. Elaborazione dati 85 SGI

Progetto RoMA: Smart Grid verso Smart City 1. Smart Grid (1 servizio) Autostrada sicura per energie alternative Energia a km zero garantire sicurezza, affidabilità ed efficienza energetica 2. Smart City (N servizi) Integrazione N servizi di rete Servizi COORDINATI e SINERGICI rendere la vita del cittadino sempre più SEMPLICE 86