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Smart Grids: Rivoluzione nella Distribuzione dell’Energia ElettricaNuovi scenari di sviluppo dell’automazione e della generazione diffusa e occasioni per l’industriaCatania, 9 Novembre 2010

Verso le Smart GridsVerso le Smart Gridse lee le

St f i C tiSt f i C tiStefania ContiStefania Conti

UniversitàUniversità degli Studi di degli Studi di CataniaCatania

Università degli Studi di Catania

Stefania ContiDocente di “Dinamica e Controllo dei Sistemi Elettrici”

http://www.diees.unict.it/users/sconti/

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Evoluzione in corso delle reti di distribuzioneEvoluzione in corso delle reti di distribuzione Reti PassiveReti Passive Reti Passive Reti Passive

Nascono in un contesto di “integrazione verticale” del sistema elettrico di potenza.

Sono concepite per la distribuzione a carichi che prelevano potenza dalla rete, secondo il criterio “fit & forget”, proveniente dai grandi centri di produzione e dai livelli del sistema a tensione superiore.

Hanno struttura radiale, secondo tradizionali criteri tecnico-economici (economicità del sistema, semplicità protezioni, relativa affidabilità).

Direttiva 96/92/CE – In Italia In Italia recepimento con Decreto Bersani(Liberalizzazione del Mercato dell’Energia Elettrica)

Direttive dell’AEEG Spinta verso la qualità e la continuità del Direttive dell’AEEG – Spinta verso la qualità e la continuità del servizio – Livelli tendenziali ed incentivi/penali

Incentivi governativi alla diffusione delle energie “rinnovabili”


S. ContiDistributed Generation and Distribution Networks

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Necessità di sviluppo eco-sostenibile a fronte di un costante t d i iaumento dei consumi

Avvicinamento dei centri di produzione a quelli di carico con la generazione diffusa (GD)Effi i t t ti d li i i ti Efficientamento energetico degli impianti

Necessità di livellamento delle curve di domanda …

Reti AttiveReti Attive I criteri tradizionali di pianificazione ed esercizio non sono più

d l f d ladeguati a mantenere il corretto funzionamento del sistema in presenza di GD

Si effettuano monitoraggio e controllo in diversi nodi di rete per ottenere il massimo sfruttamento possibile dell’infrastruttura.

Permangono definiti limiti di penetrazione.


Stefania ContiVERSO LE SMART GRIDS

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Impatto della Generazione Distribuita (GD)Impatto della Generazione Distribuita (GD)DEF: Insieme dei sistemi di generazione di varia tecnologia diDEF: Insieme dei sistemi di generazione di varia tecnologia, di

taglia compresa, tipicamente, tra il kW e la decina di MW,connessi alle reti di distribuzione di MT e BT, in assenza dipianificazione e dispacciamento centralizzati.pianificazione e dispacciamento centralizzati.

Principali effetti negativi: Alterazione dei profili di carico lungo le linee rispetto ai modelli p g p

tradizionali e bidirezionalità dei flussi di potenza Aleatorietà della potenza disponibile da generatori basati su fonti

energetiche rinnovabilig Difficoltà di regolazione della tensione Incremento delle correnti di corto circuito Perdita di selettività delle protezioni di rete Perdita di selettività delle protezioni di rete Potenziale malfunzionamento delle protezioni anti-islanding (intervento

intempestivo o mancato intervento)



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““Dove stiamo andandoDove stiamo andando”?”?

Nella prospettiva di dover gestire Nella prospettiva di dover gestire un sistema elettrico un sistema elettrico

con p esta ioni s pe io icon p esta ioni s pe io icon prestazioni superioricon prestazioni superiorisi punta verso un sistema più intelligente si punta verso un sistema più intelligente

piuttosto che solo più “stressato”!piuttosto che solo più “stressato”!piuttosto che solo più stressato !piuttosto che solo più stressato !

La GD può e deve diventare una risorsa.La GD può e deve diventare una risorsa.



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Finalità del processo evolutivo internazionaleFinalità del processo evolutivo internazionaleLa creazione di una rete più intelligente è la risposta alla necessità di avere un

sistema elettrico più efficiente e sostenibile, più affidabile ed “elastico”, atto a consentire di mantenere

un elevato livello della qualità della vitaelevato livello della qualità della vita. Modernizzazione delle reti di trasmissione e distribuzione (anche topologica) Copertura del crescente consumo di energia, riduzione delle perdite Risposta ai problemi ambientali ed alle nuove politiche energetiche Risposta ai problemi ambientali ed alle nuove politiche energetiche Monitoraggio dello stato della rete e raccolta dati Ottimizzazione e controllo della potenza prodotta dalla GD Incremento di affidabilità sostenibilità e sicurezza di esercizio Incremento di affidabilità, sostenibilità e sicurezza di esercizio Minimizzazione di frequenza e durata delle interruzioni, nonché del rischio

di blackout Integrazione delle energie rinnovabili col mercato dell’energia elettrica Integrazione delle energie rinnovabili col mercato dell energia elettrica Necessità di rendere più attivo e consapevole il ruolo degli utenti del

sistema elettrico.



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Nasce il Paradigma di Rete Intelligente Nasce il Paradigma di Rete Intelligente ((Smart Grid European Technology Platform Smart Grid European Technology Platform 2006)2006)

Rete che integra intelligentemente le azioni di tutti gli utenti connessi – produttori, consumatori e prosumers – al fine di distribuire energia in modo efficiente sostenibile economicamente vantaggioso e sicuroin modo efficiente, sostenibile, economicamente vantaggioso e sicuro.

La Smart Grid utilizzerà prodotti e servizi innovativi assieme a tecnologie intelligenti di monitoraggio, controllo, comunicazione, auto-diagnostica e auto riparazione al fine di:auto-riparazione al fine di:

• facilitare la connessione e l’operatività di generatorigeneratori elettrici eterogenei di varie dimensioni e tecnologie;f i i t i t ti t ib i d tti itti i il• fornire ai consumatori strumenti per contribuire ad ottimizzareottimizzare il funzionamento del sistema globale;

• dare ai consumatoriconsumatori maggior informazione e potere di sceltainformazione e potere di scelta;id i ifi ti t l’i tt bi t li tt bi t l d ll’i t i t• ridurre significativamente l’impatto ambientale impatto ambientale dell’intero sistema

elettrico;• aumentare il grado di affidabilità e sicurezza affidabilità e sicurezza del sistema elettrico.



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Altre Altre defdef. dal Nord America (2009). dal Nord America (2009) U S Department of Energy (DOE) U.S. Department of Energy (DOE)

“A smart grid uses digital technology digital technology to modernize the electric system―from large generation, through the delivery systems to electricity consumption―and is defined by seven enabling performanceseven enabling performance--basedbasedconsumption and is defined by seven enabling performanceseven enabling performance based based functionalitiesfunctionalities: customer participation, integration of all generation and storage options, new markets and operations, power quality for the 21st Century, asset optimization and operational efficiency, self healing from d b d l k d dl k d d ”disturbances, and resiliency against attacks and disastersresiliency against attacks and disasters”

Electric Power Research Institute (EPRI) “The term ‘smart grid’ refers to a modernization of the electricity delivery

system so it monitors, protects, and automatically optimizes the monitors, protects, and automatically optimizes the operation of its interconnected elements operation of its interconnected elements — from the central and distributed generator through the high-voltage network and distribution system to industrial users and building automationbuilding automation systems to energysystem, to industrial users and building automation building automation systems, to energy storage installations and to end-use consumers and their thermostats, electric vehicleselectric vehicles, appliances, and other household devices”.



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Fattori di influenza sulle Smart Grids a livello Fattori di influenza sulle Smart Grids a livello internazionaleinternazionale

Technology &InfrastructuresInfrastructures

Diffused Generation

Climate and Energy Package 20Climate and Energy Package 20--2020--20 20 (EU) (EU) SmartGrids come “mezzo” SmartGrids come “mezzo” indicatoindicato dada EU SET PlanEU SET Plan


9Stefania ContiVERSO LE SMART GRIDS





Da dove nascono le prime criticitàDa dove nascono le prime criticità

Impatto della generazione distribuita generazione distribuita sul sistema di distribuzione, originariamente concepito per una diversadistribuzione, originariamente concepito per una diversa funzione ed intrinsecamente più “debole” dal punto di vista elettrico.

Realizzazione e gestione dell’infrastruttura diinfrastruttura dicomunicazione comunicazione per monitoraggio, controllo e protezione del sistema (bassa quantità di informazione ma elevata affidabilità anche in assetto dinamico) – interoperabilitàinteroperabilitàtra soggetti ed apparecchiaturetra soggetti ed apparecchiature.



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Principali standard e normative vigenti di fortePrincipali standard e normative vigenti di fortePrincipali standard e normative vigenti di forte Principali standard e normative vigenti di forte impatto sulla gestione della distribuzioneimpatto sulla gestione della distribuzione

EN 50160EN 50160: “Caratteristiche della tensione fornita dalle reti pubbliche di distribuzione dell’energia elettrica”, 04/2008.

CEI 11CEI 11--2020: “Impianti di produzione di energia elettrica e gruppi di continuità p p g g ppcollegati a reti di I e II categoria”, 08/2000.

CEI 0CEI 0--1616: “Regola tecnica di riferimento per la connessione di utenti attivi e passivi alle reti AT ed MT delle imprese distributrici di energia elettrica”, 02/2008.

CEI 1058CEI 1058: “Regola tecnica di riferimento per la connessione di utenti attivi e passivi delle reti BT delle imprese distributrici di energia elettrica”, 06/2010.

IEC 61850IEC 61850: “Communication networks and systems for power utility automation” Delibere AEEGDelibere AEEG relative alla continuità del servizio che i gestori devono garantire

nelle reti di distribuzione (333/07333/07) Posizione di AEEG con ARG/ARG/eltelt 39/10 39/10 in merito al field-test// //

“Procedura e criteri di selezione degli investimenti ammessi al trattamento incentivante (…)”



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Funzioni e Tecnologie “chiave” per Funzioni e Tecnologie “chiave” per l’implementazione delle Smart Gridsl’implementazione delle Smart Gridsl implementazione delle Smart Gridsl implementazione delle Smart Grids

daldaldaldalReport del Report del TechnologyTechnology ActionAction PlanPlan Smart GridsSmart Grids

di Italia e Coreadi Italia e Coreaper il Major Economy Forum on Energy and Climate

(2009(2009 2012)2012)(2009(2009--2012)2012)


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Technology / Capabilities Functionality Technology / Capabilities Enablement

1 Active demand response and integration with smart homes

・ Demand-side user participation and response to the market

・ Real-time, bi-directional information flow ・ Smart metering・ Smart home (e.g., smart appliances, energy portal)

・ Time-based energy consumption management based on the market’s various price signals and the grid’s critical and emergency

・ Consumer programs and user interface ・ Electricity price diversity

g yperformance requirements

2 Smart metering infrastructureand data processing

・ Reading remote energyconsumption・ Real-time, bi-directional

・ Real-time, bi-directional information flow ・ Smart metering・ Interoperability and standardization

information exchange between consumer and utility/retailer

・ Data security measures

3 Integration of small- and large-scale renewable energy sources

・ Green energy production through renewable energy

・ Renewable generation technology and grid integration: performance, lifespan, and cost

and storage sources, to reduce high CO2 emissions

・ Energy storage to mitigate technical challenges related to dispatch and control issues ・ Reinforcement of the transmission and distribution (T&D) networks

S f d i h・ Safety and protection schemes ・ Grid operation and control guidelines ・ Engineering, maintenance, safety standards, and guidelines




Technology / Capabilities Functionality Technology / Capabilities Enablement

4 Infrastructure to host electric vehicles

・ Central or local charging and discharging of electric vehicles

・ New and reinforced T&D infrastructure ・ Charging station technologyvehicles of electric vehicles

・ Billing for charging electric vehicles (grid-to-vehicle) ・ Crediting for supply of ancillary services to the grid (vehicle-to-grid)

Charging station technology ・ Specific ICT schemes ・ Billing technologies ・ Solutions/technology standardization ・ Business model definition g ( g )・ Engineering and maintenance standards and guidelines

5 Embedded sensing automation, t ti d t l

・ Intelligent fault and outage detection b d th i t bi d

・ Advanced sensors Ad d t h lprotection, and control based on the sensing system combined

with advanced analytics ・ Self-healing grid ・ State estimation enabling real-time d n mi nd t ti tem t bilit n l i

・ Advanced technology ・ Interoperability and standardization ・ Knowledge rules ・ Engineering and maintenance standards nd g idelinedynamic and static system stability analysis

・ Grid risk and margin evaluation ・ Power system optimization ・ Failure probability

Predictability of possible severe grid

and guidelines

・ Predictability of possible severe grid disturbances leading to major power system outages and blackouts ・ Power system reliability improvement

6 Integrated distributed communication and data security

・ Real-time data transfer between grid assets between generation, transmission, distribution, and end user ・ Secure access and data management for

・ Technology developments (PLC, IP, etc.) ・ Standardization between various smart grids communication technology solutions ・ Interdependence between electric and



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Secure access and data management for all smart grids stakeholders

Interdependence between electric and communication infrastructure ・ Cyber security/data/information standards and rules


Technology / Capabilities Functionality Technology / Capabilities Enablement7 Advanced system operation ・ Dynamic security assessment

・ Wide-area grid reliability improvements

・ Advanced simulation/estimation methods and tools

8 Advanced system management ・ Optimum equipment performance (effective asset utilization) ・ Condition and performance-based

・ Advanced sensing equipment ・ Dynamic engine, methods, and tools

pmaintenance

9 Advanced system planning ・ System planning considering real-time system impacts from large-scale

・ Advanced planning/ simulation/ estimation methods and tools syste pacts o a ge sca e

integration of renewable energy resources, high penetration of distributed generation, and chargeable electric vehicles

et ods a d too s・ New and reinforced T&D infrastructure ・ Grid codes, standards, and regulations

10 Innovative power technologies ・ Grid reliability improvements ・ Grid efficiency and asset utilization improvements

・ Advanced technology ・ Interoperability and standardization ・ Construction and engineering standards and

・ Effective integration of distributed and renewable energy technologies

guidelines ・ Regulation and finance






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Smart Grids Smart Grids come come

incentivo incentivo llllallo allo

sviluppo sviluppo t l it l itecnologicotecnologico




Potenziali barriere per lo sviluppo delle SMPotenziali barriere per lo sviluppo delle SMPotenziali barriere per lo sviluppo delle SMPotenziali barriere per lo sviluppo delle SM



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Le azioni internazionali in atto riguardano:Le azioni internazionali in atto riguardano:Le azioni internazionali in atto riguardano:Le azioni internazionali in atto riguardano:

Politiche energetiche Politiche energetiche adottate Iniziative tecnologichetecnologiche (progetti pilota ed

implementazioni test)S il titi Sviluppo normativonormativo

Promozione della conoscenzaconoscenza e delle capacitàcapacitàtecnichetecniche

Sicurezza informatica Sicurezza informatica e riservatezza delle riservatezza delle informazioniinformazioni



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Principali misure generali Principali misure generali di liti tidi liti tidi politica energeticadi politica energetica

Climate and Energy 20-20-20, 2008 (EU)

EISA 2007 (US): Energy Independence & Security Act EISA 2007 (US): Energy Independence & Security Act

ACES 2009 (US): American Clean Energy & Security Act

Regulatory Review (UK): RPI-X@20



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Sviluppo, progetti pilota e realizzazioneSviluppo, progetti pilota e realizzazione Europa Europa (integrazione RES e partecipazione prosumers)

• Progetti Europei nell’ambito del 6° e 7° PQ (es. ADDRESS)• Spiccano i Progetti Italiani nell’ambito della Ricerca sul Sistema Elettrico (MSE)

EEGI: European Electricity Grid Initiative “Telegestore” (Italia) “E-Energy Project” (Germania)E Energy Project (Germania) “Smart Grid Initiatives” (Francia) “Amsterdam Smart City” (Paesi Bassi)

S t t i i f t tt di i i (S ) Smart metering e infrastrutture di comunicazione (Spagna) “Cell Controller Pilot Project “(Danimarca) “Energy Systems Tomorrow” (Austria)gy y ( )

OFGEM “Registered Power Zones” (U.K.) ----- AEEG (Italia)



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International Smart Grid Action Network International Smart Grid Action Network (ISGAN)(ISGAN)(ISGAN)(ISGAN)

a luglio 2010…a luglio 2010… Australia, Belgium, Canada, China, the European Commission,

France, India, Italy, Japan, Korea, Mexico, Norway, Russia, Sweden the United Kingdom and the United StatesSweden, the United Kingdom, and the United States.



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Grazie per la Vostra attenzione!Grazie per la Vostra attenzione!

Stefania [email protected]

http://www diees unict it/users/sconti/http://www.diees.unict.it/users/sconti/


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