Integrazione di sistemi multi-microrete (o Cluster di Micro Grid) in una Macro Grid di Media Tensione

Criticità legate all’automazione e temi di Ricerca e Sviluppo collegati nell’intervento di Ferruccio Giornelli e Pasquale Motta (DeMEPA) e Giulio Santagostino

Scopo di questo articolo è di richiamare molto sinteticamente le principali criticità legate all’automazione e al controllo di Micro Grid, o meglio di Cluster di Micro Grid nelle reti pubbliche di Media Tensione (Macro Grid MT) e di indicare nel contempo alcuni temi di Ricerca e Sviluppo collegati.
In questo settore la terminologia a livello internazionale non è ancora assestata, in questo articolo si fa riferimento a quella che sembra la più utilizzata.
Per comodità del lettore si richiama a precedenti articoli apparsi su canaleenergia.com, per quanto riguarda:
• la nuova terminologia delle reti elettriche, Le Macro e Micro Grid. Nuovi concetti e terminologia
• la gestione della Qualità del servizio nelle Micro Grid, Le Micro Grid e la qualità del servizio. 

2. Automazione ed Integrazione di Macro e Micro Grid

Per quanto riguarda l’automazione ed il controllo delle Micro Grid e della loro eventuale interconnessione con le Macro Grid, particolare attenzione viene rivolta alla regolazione di tensionee alla regolazione di frequenza sia nel funzionamento delle microreti in modalità  interconnessa (con la Macro Grid) o isolata. Dal punto di vista concettuale i problemi dell’automazione di una Micro Grid o di Cluster di Micro Grid sono ormai risolti attraverso lo sviluppo di applicazioni intelligenti che risiedono nel sistema di automazione della Micro Grid. Questo sistema di automazione ha in piccolo tutte le funzioni dei sistemi di automazione delle reti di Alta Tensione (EMS – Energy Management System) o di Media Tensione (DMS – Distribution Management System).
Più complessa è l’automazione di un Cluster di Micro Grid in funzionalità interconnessa con la Macro Grid di Media Tensione che, ricordiamo, a sua volta è interconnessa con la Macro Grid di Alta Tensione.
In questo caso i sistemi di automazione e controllo dei due ambienti (Macro Grid da un lato e Cluster dall’altro) devono prevedere logiche di comportamento condivise sia in fase di pianificazione che di esercizio, con un significativo impatto sia di tipo tecnico/operativo che di  tipo regolatorio e normativo.
L’insieme delle funzionalità che gestiscono l’automazione delle Micro Grid e l’integrazione con la Macro Grid viene spesso definita con l’acronimo MGCCS (Micro Grid Cluster Controller System).

Una Micro Grid attraverso le moderne funzionalità di un MGCCS potrà perseguire i seguenti obiettivi principali:
• Fornitura d’energia agli utenti della Micro Grid
• Scambio di potenza tra Macro e Micro Grid: Vendita/Acquisto
• Vendita di servizi ancillari alla rete di Media Tensione(Macro Grid)  ed acquisto di servizi back up
Queste funzioni  potranno essere raggiunti attraverso questi strumenti:
• Misura delle grandezze fisiche della fornitura, e registrazione degli eventi oggetto del contratto utente/Micro Grid
• Elaborazione della misura dei consumi e dei parametri di continuità, affidabilità e, in generale, di qualità del servizio
• Contabilizzazione dei servizi forniti agli utenti
• Controllo dei sistemi di accumulo
• Regolazione e controllo della frequenza e tensione della Micro Grid
• Sincronizzazione con la Macro Grid
• Dispacciamento della generazione distribuita
• Gestione della configurazione di rete
• Gestione dell’informazione in linea con i clienti (allerta, allarme, coordinamento azioni)
• Taglio o alleggerimento dei carichi

Le funzionalità previste in unMGCCS devono essere in grado di controllare delle mini  rete che spesso sono in situazioni diverse da quelle tipiche delle grandi reti (Macro Grid) ed in particolare:
• Un insieme di Micro Grid non sempre interconnesse tra di loro o con la Macro Grid
• Interfacciamento con una Macro Grid di Media Tensione gestita dal Distributore (in inglese: DSO – Distribution System Operator) attraverso un DMS (Demand Side Management) con cui dovrà colloquiare.
• Generazioni Distribuite in Media Tensione e Bassa Tensione appartenente alla Macro Grid
• Carichi in Media Tensione controllati da funzioni DMSed appartenenti alla Macro Grid
• Carichi in Bassa Tensione controllati da funzionalità DMS e facenti parti della Micro Grid.
• Micro generazione collegata alle Micro Grid.

A sua volta l’operatore della Macro Grid dovrà prevedere a livello del suo sistema di automazione della rete di media tensione una funzionalità chiamata in letteratura CAMCS (Central Autonomous Management ControllerSystem) che dovrà colloquiare con i vari MGCCS  dei diversi Cluster di microreti collegate e che dovrà essere installato nel DMS stesso eprobabilmente nelle sottostazioni MT/AT della Macro Grid, tutte le volte che l’integrazione Macro Grid di Media tensione e sistemi multi micro grid può impattare con la rete di Alta Tensione.

Le principali funzioni che i sistemi di automazione e regolazione delle Macro Grid (CAMCS)  e delle Micro Grid MGCCS devono condividere sono quelli relativi a:
• Mantenimento dei contratti di interscambio di potenza con la macro-rete e ottimazione dell’utilizzo dei servizi di soccorso dalla macro-rete
• Mantenimento della tensioni dei nodi di riferimento entro limiti stabiliti ed in particolare:
o all’interno della Micro Grid ed all’ interno delle Macro Grid
o eventualmente sui nodi di interfaccia (Micro Grid / macro Grid) secondo i contratti che saranno definiti.
• Garantire la continuità e qualità del servizio
• Gestione dei componenti di rete (dei trasformatori, delle linee)  e dei carichi (interrompibilità e qualità del servizio)
• Riduzione delle perdite di potenza attiva
Questi servizi possono devono essere forniti evidentemente sia in modalità interconnessa (grid-connected ) che in quella in isola o in emergenza.

Questi obiettivi potranno essere raggiunti attraverso gli strumenti seguenti:
• Gestione dalla configurazione di rete (smistamento e ri-alimentazione dei carichi)
• Regolazione di tensioneper il  controllo dei flussi di potenza reattiva e del miglioramento dei profili di tensione.
• Controllo del fattore di potenza dei carichi mediante la gestione dei mezzi comuni di rifasamento 
• Regolazione di frequenza di rete in caso di funzionamento in isola e partecipazione alla regolazione in eserciziointerconnesso

Vale la pena ricordare che i ritorni degli investimenti dello sviluppo di una Micro Grid sono relativi non solo alla maggior efficienza energetica (e minor costi relativi), alla miglior efficienza operativa capace di rispondere,  ad esempio, ad una domanda variegata di qualità del servizio ed affidabilità di alimentazione (fattore PQR – Power Quality and Reliability) collegata alla domanda, ma anche dalla vendita di servizi ancillari alla Macro Grid; vendita che può evidentemente essere  effettuata solo in modalità grid-connected.
Come noto questi ultimi servizi garantiscono la sicurezza dell’intero sistema elettrico e sono  legati alla gestione della rete di trasmissione o distribuzione e sono relativi soprattutto a:
• riserva statica
• regolazione di frequenza
• regolazione della tensione
• riavviamento della rete.

L’esperienza dell’esercizio delle prime Micro Grid e relativi studi di pianificazione ed operation dimostrano che i benefici tecnico/economici del supporto delle Micro Grid alla stabilità delle Macro  Grid può essere importante, alleggerendo l’operatore della rete di Media Tensione della responsabilità di effettuare onerosi investimenti sia a livello di infrastrutture che di sistemi di controllo.

3. I due approcci

A questo riguardo vale la pena ricordare che si stanno affrontando due approcci diversi che comportano modalità organizzative ed applicative differenti.Evidentemente i rapporti tra le due realtà (Micro e Macro) sarà regolato da un contratto tecnico e commerciale che, in base alle indicazioni delle Autorità nazionali,  definirà chiaramente gli obbiettivi, le responsabilità, i prezzi, gli incentivi e le penalitàe le procedure di verifica dei risultati ottenuti.
Sottesa a questo accordo dovrebbe esserci una “strategia win win” che porti vantaggio sia al sistema elettrico nel suo assieme  sia ai due interlocutori Macro e Micro.  Evidentemente fino a quando la penetrazione delle micro reti sarà limitata, i vantaggi saranno principalmente a favore del gestore delle Micro Grid, piuttosto che del DSO. Questi, infatti,potrebbe dover sostenere gli  “stranded cost”  per quelle  infrastrutture meno utilizzate, senza aver vantaggi (alleggerimento della struttura organizzativa, riduzione dei costi variabili di operativi e re-engineering delle strutture esistenti, riduzione della necessità di attivare nuovi investimenti).
Analogo contratto dovrà essere stabilito tra il gestore della Micro Grid e gli utenti della rete a cui,come minimo, dovrà essere garantito le stesse condizioni tecniche (accesso alla rete, qualità del servizio ed affidabilità) e  commerciali di un collegamento diretto con la Macro Grid.

Approccio gerarchico
Filosofia che sarà molto probabilmente adottata in tutti quei contesti già di forte elettrificazione in media e bassa tensione (es. gran parte delle reti di distribuzione dell’Unione Europea) ed in cui il processo di sviluppo delle Micro Grid è legato essenzialmente al passaggio di micro reti oggi di proprietà dei DSO a “gestori privati” (consorzi di utenti, aggregazioni di comuni, etc.) che gestiranno le nuove Micro Grid e che in prospettiva potrebbero addirittura diventarne proprietari.
In questo caso, soprattutto nelle prime fasi del processo,  la responsabilità principale della automazione e regolazione del sistema elettrico (Macro Grid MT e multi microreti) nel suo complesso  potrà essere  affidata al gestore della  Macro Grid, anche per quanto riguarda le “minireti private”, gestite quindi da operatori diversi da quelli della Macro rete.
L’automazione e la regolazione delle Micro Grid sarà quindi, almeno nelle prime fasi, particolarmente dedicata al funzionamento in isola e alla vendita ed acquisto di energia.
E’ importante notare che con questo approccio, la Macro Grid continuerà ad offrire non solo i servizio legati all’esercizio delle Micro Grid (automazione e regolazione compresa), ma anche quelle di manutenzione.
Il contratto tra la Macro e la Micro rete indicherà chiaramente i margini di manovra che potrà avere il gestore della Micro Grid  ed i relativi costi del supporto (es. back – up).

Approccio partecipativo
Questa filosofia prevede che tutti i protagonisti (Macro e Micro) siano  in grado  di partecipare alla responsabilità della gestione della rete nel suo complesso ed è quella che si sta affermando in tutte quelle aree geografiche (Nord America, Australia, Asia) in cui le Micro Grid vengono realizzate come progetti “green field”; cioè come nuove reti progettate per funzionare in isola,  che possono essere integrate tra di loro ed eventualmente interconnesse con la Macro Grid per acquistare servizi di back – up e con la possibilità di vendere/acquisire energia.
In questo caso la Micro Grid dovrà essere in grado di fornire tutti i servizi per l’esercizio e la manutenzione della sua rete, ricorrendo a terzi (es. società di Engineering &Consulting, Macro Grid) solo per gli aspetti di interoperabilità delle reti, espansione e panificazione.

Sinteticamente con il primo approccio si avranno micro-reti “leggere” connesse a una macro-rete “pesante”, con il secondo approccio la situazione si rovescia. Ovviamente la quota di carico che viene fornito da energia fornita localmente è un indicatore derimente per la scelta razionale dello sviluppo coordinato della macro-rete  e delle micro-reti.

4. La modellazione dell’interazione Macro – Micro
I due approcci precedentemente descritti  anche per quanto riguarda la  modellazione fisico/matematica  del Sistema Elettrico che terrà conto che una parte rilevante dei nodi di Media e Bassa Tensione possa essere rappresentata da nodi che, secondo i casi e i momenti, possano essere considerati come nodi di carico e/o di generazione (sia per quanto riguarda la Potenza Attiva e Reattiva) e che sono chiamati dalla terminologia ufficiale nodi Prosumer (Producer+Consumer).
Nel modello del sistema elettrico, questi nodi Prosumer  sono affiancati agli  altri nodi tipici della rete (nodi di carico   e di generazione) e rappresentano, dal punto di vista della schematizzazione della rete elettrica, le Micro Grid [Reti quindi di Bassa Tensione gestite potenzialmente da Operatori Privati, quindi diversi da quelli che gestiscono la Macro Grid MT] secondo varie modalità operative (“modalità interconnessa” o in  “modalità in isola”)
I nodi Prosumer possono quindi generare, assorbire potenza attiva e/o reattiva o essere scollegati dalla Macro Grid
Da quanto descritto nel punto precedente, l’approccio gerarchico richiede una modellazione completa del sistema elettrico sia per la parte Macro (non solo per la parte MT di Distribuzione, ma anche per quella AT di Trasmissione) che Micro
Per quanto riguarda l’approccio partecipativo, la modellazione della rete potrebbe essere invece più semplice contenente la sola rete MT per  il gestore della Macro Grid e quella BT per il gestore della Micro Grid.Così facendo ciascuna delle parti considera solo l’interfaccia con le altre parti e non l’altra rete
Occorre precisare che per il successo di queste due  soluzioni è necessario  conoscere il comportamento (a livello puntuale e statistico) dei clienti e soprattutto le modalità per influenzare il cambiamento virtuoso di questi comportamenti.
Il forecast di questi comportamenti necessita di una modellazione dei clienti BT che richiede  l’utilizzo di sofisticati strumenti d’analisi e di previsione che tenga in conto anche di variabili piscologiche e sociologiche (età media, scolarizzazione, reddito, etc.).

5. Conclusioni
Come si può capire dalla succinta descrizione qui effettuata, l’automazione e la regolazione di Sistemi integrati di più multi-microrete (o Cluster di Micro Grid) con  Macro Grid di Media Tensione può avere un impatto non solo locale sulla rete di Bassa Tensione, ma anche su quella di Media e forse anche su quella  di Alta Tensione.  Ciò è soprattutto vero quando la penetrazionedelle Micro Grid diventa significativa, per quanto riguarda la quota di potenza  del carico  che viene fornita dalle reti locali e quindi transita attraverso la macro-rete.

Da qui l’attenzione dei principali attori Internazionale ad approfondire queste tematiche e di sviluppare Ricerche volte a definire una  strategia ottimale e coordinata che, per quanto riguarda i servizi di rete (tra cui controllo di  tensione e frequenza), e che faccia riferimento ai diversi livelli di tensione nella rete di Distribuzione (Bassa e Media Tensione) e, se necessario, di Trasmissione (Alta ed Altissima Tensione).
In particolare queste attività di sviluppo si stanno concentrando sullo sviluppo di modelli ed algoritmi complessi, nuovi sistemi di pianificazione, simulazione e di supporto all’esercizio.

Ferruccio Giornelli e Pasquale Motta (DeMEPA) e Giulio Santagostino
Questo articolo riassume attività condotte in collaborazione di Riccardo Avigni, Fabio Leopaldi