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LA GENERAZIONE DIFFUSA E LE SMART GRID
Maurizio Delfanti, Andrea Silvestri
Dipartimento di Energia
Tecnologie delle comunicazione e
sostenibilità ambientale:
Green ICT & ICT for Green
M. Delfanti; A. Silvestri
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?
M. Delfanti; A. Silvestri
3Perché rivoluzionare le reti?
ICT come tecnologia abilitante
• 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
M. Delfanti; A. Silvestri
Impatto della generazione diffusa sulle reti di distribuzione
• Studio condotto su circa 60.000 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 50160 con DUmax= 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
Delibera AEEG ARG/elt 25/09:
il supporto del Politecnico nell’Allegato 24
M. Delfanti; A. Silvestri
www.autorita.energia.it/docs/09/025-09arg.htm > Allegato A > Allegato 2
Delibera AEEG ARG/elt 25/09:
esiste una notevole Hosting Capacity…5
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Potenza Installabile [MW]
Limiti di transito Variazioni rapide limitate al 6%
Variazioni lente di tensione Nessun vincolo violato
…ma è davvero sfruttabile senza rischi per la rete e per il sistema?
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Potenza Installabile [MW]
Limiti di transito Variazioni rapide limitate al 6%
Variazioni lente di tensione Nessun vincolo violato
M. Delfanti; A. Silvestri
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):
possibile degrado delle prestazioni per
gli utenti sottesi all’intera CP.
• A livello di singola linea MT:
possibile degrado delle prestazioni per gli
utenti sottesi alla specifica linea MT.
M. Delfanti; A. Silvestri
Criticità legate all’automazione di rete:
richiusure automatiche, isola indesiderata7
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).
M. Delfanti; A. Silvestri
Come si comporta la GD:
Dispositivo Di Interfaccia, Norma CEI 0-168
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~PgATTUALE SPI NON AFFIDABILE
M. Delfanti; A. Silvestri
Come si comporta la GD:
evoluzione con ICT
È necessario esplorare ed implementare i sistemi di comunicazione tra:
• RELÈ di protezione in CP (relè MASTER)
• SPI della GD (relè SLAVE)
Nuova logica di comando e regolazione SPI
• Sistema di comunicazione integro: soglie a minor sensibilità (es. 49-51 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.
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COMUNICAZIONE
SPI AFFIDABILE e CONTROLLABILE
M. Delfanti; A. Silvestri
Generazione Diffusa:
l’impatto prospettico sulle reti10
DG penetration [%]
€
Negligible impact
New protections
ICT
Data
M. Delfanti; A. Silvestri
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?
M. Delfanti; A. Silvestri
Sviluppo delle reti elettriche e di comunicazione:
i progetti in corso
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.
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M. Delfanti; A. Silvestri
Milano Wi-Power:
CP A2A Musocco – GD c/o POLIMI
CP A2A MUSOCCO
POLITECNICO
DI MILANO> 3 km
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M. Delfanti; A. Silvestri
Milano Wi-Power
Sistemi di comunicazione e segnali da scambiare
SISTEMI DI COMUNICAZIONE
• 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) …
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M. Delfanti; A. Silvestri
Milano Wi-Power
Esperienza di comunicazione su rete internet
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.
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PC (MASTER)
10 km DA POLIMI
SEDE DI THYTRONIC (MILANO)
PC (MASTER)
50 km DA POLIMI
(BRIANZA)
PC (MASTER)
80 km DA POLIMI
(PIACENZA)
RELÈ THYTRONIC NV10PS (SPI)
INSTALLATO c/o POLIMI (SLAVE)
M. Delfanti; A. Silvestri
Milano Wi-Power
Risultati comunicazione
• 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
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Test di comunicazione bi-direzionale;
caso su 50 km di distanza
M. Delfanti; A. Silvestri
Milano Wi-Power
Esperienza di comunicazione Wi-Fi / internet17
• Vantaggi:
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
ANTENNE DIREZIONALIRELE’ GD
c/o POLIMI
RELE’ GD
c/o THYTRONIC
BRIDGE
DI RETE
RELE’ CP
c/o A2A
MUSOCCOINTERTRIP
KEEP ALIVE
INTERNET
M. Delfanti; A. Silvestri
Milano Wi-Power
risultati INTERTRIP 18
RELE’ CP (MUSOCCO) e RELE’ GD (THYTRONIC) con INTERNET
MEDIA 37,5
DEV.ST 172,1
RELE’ CP (MUSOCCO) e RELE’ GD (POLIMI) CON Wi-Fi + INTERNET
MEDIA 46,7
DEV.ST 176,5
M. Delfanti; A. Silvestri
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?
M. Delfanti; A. Silvestri
Contatti in corso con:
Enel Distribuzione, CESI, altri partner tecnologici
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 61850.
• 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
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M. Delfanti; A. Silvestri
Conclusioni:
più GD possibile solo con ICT
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)
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M. Delfanti; A. Silvestri
Acknowledgments 22
http://www.fondazionepolitecnico.it/pagine/SmartDGlab.aspx
• 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)