Abstract
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The proposed research project focuses on the definition of the procedures, the measuring system, and the telecommunications infrastructure needed to perform the state estimation of a smart electric distribution network.
The need for this research arises from the recent changes affecting the distribution systems, such as, for example, the pervasive distributed generation, obtained from renewable sources, and the presence of non-linear loads.
Traditional control systems and static models are not able to deal with these changes. An “intelligent” operation of the network that allows an electric service to become sustainable, efficient and reliable, starting from the optimal use of existing infrastructure, is now required.
In this regard, the concept of Smart Grid, SG, is emerging. SG is a network becoming “smart” by means of the ICT infrastructure, through which electronic devices can interact for a proper management and protection systems.
The SG might contribute to the achievement of the European energy policy, but it is necessary to understand what the enablers for such complex systems are.
The definition of procedures aimed to obtain the information required for the network management is a crucial aspect for the practical feasibility of SG and presents several issues, such as the cost/benefit ratio of the required measurement and communication systems. Measured quantities are required, in the “decision-making positions,” with the proper accuracy and a sufficient availability.
In the literature, several methods to estimate the state of distribution systems have been proposed, but the SG features require innovative procedures that take into account, among others, the following aspects:
– Faster dynamics with respect to those previously expected, due to variations, even intermittent, in the power drawn/generated by new types of loads and/or generators;
– The different topology of networks that are becoming increasingly “meshed” and/or subject to topology variations during the year;
– The evolution of the measurement devices, such as, for example, the increasingly widespread Smart Meter (SM) and Phasor Measurement Unit (PMU, for the measurement of synchronized phasors, or synchrophasors).
To meet the aforementioned peculiarities of the SG, the Research Units propose a research work based on three Work Packages:
- WP1: Procedures for the state estimation of the Smart Grids: Smart State Estimation, SSE
- WP2: Measurement devices for SSE
- WP3: Communications infrastructure for the SSE implementation
WP1 will cover the definition of innovative procedures of SSE, that provide an accurate picture of the SG also in terms of the branch currents, quantities that are fundamental to the proper operation of the protection and management systems.
In order to follow the dynamic evolution of the system, but also to fulfill the economic requirement of optimally exploiting the available instrumentation, the SSE will integrate data from measurement devices (eg PMU and SM) with very different characteristics, in terms of accuracy, possibility of data synchronization and measurement rate.
The WP2 will tackle the more specific features that will be required to the measurement instrumentation for the SGs, in terms of both dynamic behavior and accuracy. Referring to the aforementioned PMUs, solutions to improve the algorithms currently used in the measurement of the dynamic synchrophasor will be designed. In addition, proper metrics for the evaluation of PMU performance will be defined. Finally, an experimental phase to verify the behavior of both the prototypes developed in the laboratory and the commercial PMUs is expected.
WP3 will deal with the characteristics of the communication system required to share data in the distributed system. Currently, solutions of various kinds, including optical fibers, wireless systems and power line carrier (PLC Power Line Carrier) are taken into account.
In the proposed project, the use of protocols typical of the Wireless Sensor Network (WSN), for the exchange of information between the measuring devices and concentrators, will be studied. The communication systems within the backbone infrastructure (fiber optic, WiMax, WiFi, etc.), allowing the interconnection of data concentrators located a great distance will be examined.
Furthermore, the performance of the analyzed networks will be evaluated; this will allow the necessary information to define the guidelines for the design and configuration of the networks themselves in such application scenarios.
it
Presentazione Progetto
Il progetto di ricerca proposto è incentrato sulla definizione delle procedure, del sistema di misura e delle infrastrutture di telecomunicazione necessari per effettuare la stima dello stato in una rete intelligente di distribuzione dell’energia elettrica.
La necessità di tale ricerca nasce dai recenti mutamenti che stanno interessando i sistemi di distribuzione, quali, ad esempio,
l’ormai pervasiva generazione distribuita da fonti rinnovabili e la presenza di carichi non lineari.
Sistemi di controllo tradizionali e modelli statici non sono in grado di affrontare tali trasformazioni. È ormai richiesto un esercizio “intelligente” della rete che consenta un servizio elettrico sostenibile, efficiente e affidabile, a partire dallo sfruttamento ottimale dell’infrastruttura esistente. A tal proposito si sta imponendo il concetto di Smart Grid, SG, una rete resa “intelligente” da infrastrutture ICT, grazie alle quali i dispositivi elettronici possono interagire per consentire adeguati sistemi di gestione e protezione.
Le SG dovranno contribuire al raggiungimento degli obiettivi europei sulla politica energetica, ma è necessario capire quali
siano i fattori abilitanti per sistemi così complessi.
La definizione delle procedure atte a ricavare le informazioni necessarie per la gestione della rete è un aspetto cruciale per la pratica realizzabilità delle SG e presenta molteplici criticità, quali ad esempio il rapporto costi/benefici dei sistemi di misura e di comunicazione necessari allo scopo.
Servono grandezze misurate che abbiano, nelle “postazioni decisionali”, l’accuratezza adeguata e siano disponibili con sufficiente continuità.
In letteratura si trovano diverse metodologie di stima dello stato per sistemi di distribuzione, ma le specificità delle SG richiedono procedure innovative che tengano conto, tra gli altri, dei seguenti aspetti:
– una dinamica più rapida di quella prevista finora, per le variazioni, anche intermittenti, nella potenza assorbita/generata dalle nuove tipologie di carichi e/o generatori;
– la differente topologia delle reti, sempre più “magliate” e/o soggette a variazioni durante l’esercizio;
– l’evoluzione degli strumenti di misura, quali, ad esempio, i sempre più diffusi smart meter (SM) e Phasor Measurement Unit (PMU, per la misura di fasori sincronizzati, o sincrofasori).
Per rispondere alle citate specificità delle SG le unità di ricerca proponenti lavoreranno su tre Work Package:
- WP1: Procedure di stima dello stato per Smart Grid: Smart State Estimation, SSE
- WP2: Strumentazione di misura per SSE
- WP3: Infrastrutture di comunicazione per l’implementazione della SSE
Il WP1 riguarderà la definizione di procedure innovative di SSE che forniscano un’immagine accurata della SG in termini di correnti di ramo, grandezze ormai fondamentali per il corretto funzionamento dei sistemi di protezione e gestione.
Al fine di seguire l’evoluzione dinamica del sistema, ma considerando anche la necessità economica di sfruttare in modo ottimo la
strumentazione disponibile, l’SSE integrerà dati provenienti da strumenti di misura (ad esempio PMU e SM) dalle caratteristiche molto diverse, in termini di accuratezza, possibilità di sincronizzazione dati e frequenza di misura.
Il WP2 affronterà il problema delle specifiche più spinte che saranno richieste alla strumentazione di misura da impiegare nelle SG, in termini sia di comportamento dinamico sia di accuratezza.
Con riferimento alle già citate PMU si prevede lo sviluppo di soluzioni migliorative degli algoritmi attualmente impiegati nella misura dei sincrofasori dinamici, la definizione delle metriche di valutazione più adeguate per le loro prestazioni e una fase sperimentale per
verificare il comportamento sia dei prototipi sviluppati in laboratorio sia delle PMU commerciali.
Il WP3 si occuperà delle caratteristiche del sistema di trasmissione necessario per la condivisione dei dati nel sistema distribuito. Attualmente si impiegano soluzioni di varia natura, tra cui fibre ottiche, sistemi wireless e onde convogliate (Power Line Carrier PLC).
Nel progetto proposto, si intende studiare l’utilizzo di protocolli tipici delle Wireless Sensor Network (WSN) per lo scambio delle informazioni fra i dispositivi di misura e i concentratori.
Verranno poi esaminati i sistemi di comunicazione all’interno dell’infrastruttura di backbone (fibra ottica, WiMax, WiFi, etc.), che consente di interconnettere concentratori posti a grande distanza fra loro.
Inoltre, saranno valutate le prestazioni delle reti analizzate; ciò consentirà di ricavare le informazioni necessarie a definire le linee guida per la progettazione e la configurazione delle reti stesse in tali scenari applicativi.