Introduzione alle reti intelligenti (Smart Grid): reti di distribuzione che supportano il flusso bidirezionale di energia con un livello informativo.

La rete di distribuzione tradizionale è stata progettata partendo dal presupposto che l'elettricità fluisca in un'unica direzione, dalla centrale elettrica al consumatore. Il compito del trasformatore su palo era semplicemente quello di ridurre l'alta tensione alla bassa tensione utilizzata nelle abitazioni; non era mai stato progettato per gestire il flusso di corrente nella direzione opposta. Ma una volta che pannelli solari sui tetti, batterie domestiche e veicoli elettrici sono collegati alla linea di distribuzione, si creano tratti in cui, in un pomeriggio di sole, l'elettricità fluisce in senso inverso, dal consumatore alla rete. Una smart grid è una rete di distribuzione in grado di gestire in sicurezza questo flusso bidirezionale di energia, sovrapponendo un "livello informativo" di misurazione, comunicazione e controllo. Il funzionamento delle sottostazioni e delle linee di trasmissione che trasportano l'energia – lo "scheletro" del sistema – è stato trattato nel Guida introduttiva a sottostazioni e linee di trasmissione. Questo articolo esamina i cambiamenti che vanno oltre, a livello di distribuzione, attraverso quattro pilastri: contatori intelligenti, protocolli di comunicazione, gestione della domanda e automazione della distribuzione con capacità di auto-riparazione.

In sintesi, in 30 secondi

• La rete di distribuzione tradizionale era unidirezionale, con un design dall'alto verso il basso. Con l'aumento delle risorse energetiche distribuite (solare, batterie, veicoli elettrici), si stanno creando tratti in cui l'elettricità fluisce a ritroso dal consumatore alla rete, generando problemi – come l'aumento di tensione – che il vecchio modello non aveva previsto.

• Il contatore intelligente (AMI: Advanced Metering Infrastructure) non è solo un dispositivo che automatizza la lettura dei contatori. È un terminale di comunicazione bidirezionale che gestisce dati di consumo dettagliati, come le letture ogni 30 minuti, la connessione/disconnessione a distanza e il rilevamento delle interruzioni. In Giappone, si prevede che l'implementazione per il segmento a bassa tensione (abitazioni, ecc.) sia stata sostanzialmente completata entro la fine dell'anno fiscale 2024.

• Esistono tre percorsi di comunicazione: il percorso B, che collega il contatore intelligente al sistema HEMS (Home Energy Management System); il percorso A, utilizzato dalla società elettrica; e il percorso C, che trasmette i dati ai rivenditori e a terze parti, ognuno con un metodo e uno scopo di comunicazione differente. ECHONET Lite e OpenADR sono protocolli standard internazionali che coprono diversi livelli: controllo domestico e risposta alla domanda business-to-business, rispettivamente.

• La risposta alla domanda (DR) è un meccanismo che controlla a distanza le apparecchiature lato domanda per regolare l'offerta e la domanda come se la produzione di una centrale elettrica fosse stata aumentata o diminuita. Non si tratta tanto di una singola tecnologia, quanto di un termine generico che indica un'operazione che combina comunicazione, contratti e progettazione del mercato.

• L'automazione della distribuzione con autoriparazione, che isola automaticamente una sezione guasta e ripristina l'alimentazione alle sezioni funzionanti tramite un percorso alternativo, è già ampiamente utilizzata a livello commerciale dalle aziende elettriche giapponesi. La novità della smart grid non risiede tanto nel ripristino automatico in sé, quanto nella granularità e nella velocità dei dati ora disponibili per prendere tale decisione.

1. Perché la rete elettrica doveva diventare "intelligente"

La rete di trasmissione è un mondo di centinaia di kV, alta tensione e alta capacità, dove il flusso di energia è stato a lungo gestito centralmente dai relè di protezione delle sottostazioni e dagli operatori di rete. La rete di distribuzione, al contrario, è un mondo a bassa tensione all'estremità del sistema, originariamente progettato sul presupposto che "l'elettricità fluisca da monte a valle". Ciò che ha infranto questo presupposto è stata la rapida diffusione delle risorse energetiche distribuite (DER) su piccola scala: pannelli solari sui tetti, batterie domestiche e veicoli elettrici.

Diagram 1 · Use the button to switch views

Figura 1 — La direzione del flusso di potenza varia in base alla sezione al variare dell'equilibrio tra domanda e generazione da fonti energetiche distribuite.

I contatori intelligenti e i sensori di linea inviano dati di telemetria alla rete di distribuzione e alla gestione delle risorse energetiche distribuite (DER), che a sua volta restituisce informazioni su tensione, carica e comandi per la gestione della domanda.

Con l'aumento del flusso di potenza inverso, la tensione lungo la linea di distribuzione può aumentare, sollevando preoccupazioni in merito alla violazione degli obblighi di mantenimento della tensione previsti dalla legge giapponese sulle attività elettriche (101±6V a bassa tensione, 202±20V, ecc.). Tradizionalmente, la tensione veniva gestita tramite il commutatore di prese sotto carico (OLTC) di una sottostazione o tramite regolatori automatici di tensione (SVR) a livello di sezione, ma questi schemi di controllo si basano sul flusso di elettricità da monte a valle. Quando la variazione della produzione solare e la variazione della domanda si verificano simultaneamente sulla stessa linea di distribuzione, il semplice controllo delle prese non è più sufficiente. La smart grid è il termine generico che indica l'impegno profuso per integrare la misurazione, la comunicazione e il controllo distribuito nella rete di distribuzione in risposta a questo cambiamento fisico.

2. Il contatore intelligente (AMI) — Dalla lettura del contatore a una piattaforma dati bidirezionale

Un contatore intelligente non è solo un dispositivo che misura il consumo di elettricità al posto del letturista. Funziona come punto di accesso a un'intera rete di comunicazione chiamata AMI (Advanced Metering Infrastructure), con le seguenti funzioni:

• Misurazione a intervalli precisi: registra i dati di consumo a intervalli come 30 minuti e li invia al fornitore di energia, costituendo i dati di base per la tariffazione a fasce orarie e per la misurazione dell'effetto della gestione della domanda.

• Connessione/disconnessione a distanza: può controllare l'erogazione o l'interruzione dell'elettricità a distanza, senza necessità di un intervento in loco, per diverse ragioni, dalle modifiche contrattuali alle bollette non pagate, fino alla sicurezza in caso di calamità.

• Rilevamento delle interruzioni: inviando un segnale di "ultimo respiro" da parte del contatore, il fornitore di energia può valutare l'entità di un'interruzione senza dover attendere le telefonate dei clienti.

In Giappone, seguendo le direttive del Ministero dell'Economia, del Commercio e dell'Industria, le aziende di servizi pubblici hanno accelerato la transizione ai contatori intelligenti, e si ritiene che l'implementazione sia stata sostanzialmente completata per il segmento ad alta tensione (fabbriche, ecc.) entro il 2016 e per il segmento a bassa tensione (abitazioni, ecc.) entro la fine dell'anno fiscale 2024. Ciò ha portato al completamento di una vasta rete di misurazione a livello nazionale. L'Agenzia per le Risorse Naturali e l'Energia sta inoltre studiando la fase successiva: un sistema di "contatori intelligenti di nuova generazione", concepito come infrastruttura per nuovi servizi (trasformazione digitale del settore energetico) basati sui dati di potenza.

I dati dei contatori intelligenti vengono instradati attraverso tre percorsi di comunicazione separati, utilizzati per scopi diversi.

Percorso B | Contatore ⇔ utente (HEMS, ecc.) | Visualizzazione, controllo degli elettrodomestici, gestione della domanda | Principalmente wireless a banda 920 MHz (Wi-SUN), secondariamente G3-PLC |

Percorso C | Contatore ⇔ fornitore di energia elettrica/terza parte (tramite percorso A) | Piani tariffari, servizi di utilizzo dati | Coordinamento business-to-business tramite il percorso A |

Con i dati di consumo trasmessi all'HEMS tramite il percorso B, diventano possibili servizi che gestiscono l'impianto solare, la batteria e il condizionatore di un'abitazione come un'unica unità, "visualizzando" il consumo energetico e controllandolo automaticamente.

3. I livelli dei protocolli di comunicazione: controllo domestico e coordinamento business-to-business su livelli separati

La comunicazione delle reti intelligenti non si basa su un singolo protocollo. Il controllo dei dispositivi domestici e la comunicazione tra le utility/aggregatori richiedono proprietà diverse.

• ECHONET Lite: un protocollo per il controllo delle apparecchiature all'interno di una casa intelligente, definito dal Consorzio ECHONET. Basato su UDP/IP, definisce oltre 90 classi di dispositivi, tra cui condizionatori d'aria, scaldabagni, batterie e caricabatterie per veicoli elettrici. Standardizzato a livello internazionale come standard ISO/IEC, gestisce l'"ultimo miglio" tra il sistema HEMS (Home Energy Management System) e i dispositivi domestici.

• OpenADR (Open Automated Demand Response): un protocollo standard internazionale per lo scambio automatico di segnali di risposta alla domanda tra utility/aggregatori e consumatori (o i loro gateway). OpenADR 2.0b è una specifica rappresentativa utilizzata per automatizzare la risposta alla domanda tra aziende.

• Protocolli lato rete e sottostazione: la protezione e il controllo all'interno di una sottostazione utilizzano lo standard IEC 61850 (vedere il Manuale introduttivo su sottostazioni e linee di trasmissione per i dettagli). Il monitoraggio e il controllo del sistema di distribuzione a volte utilizzano standard di comunicazione come IEC 60870-5-104 o DNP3, utilizzati nei sistemi SCADA.

In breve, ECHONET Lite gestisce la comunicazione domestica, OpenADR gestisce i segnali di risposta alla domanda (DR) tra aziende e i protocolli della famiglia IEC 61850 gestiscono la dorsale di trasmissione/distribuzione: la smart grid è un sistema in cui più protocolli con scopi diversi sono sovrapposti a strati. Spesso si pensa erroneamente che esista un unico "protocollo per la smart grid"; non è così.

4. Risposta alla domanda (DR) - Utilizzare il lato della domanda come una "centrale elettrica"

La risposta alla domanda (DR) è un meccanismo che controlla le apparecchiature dei consumatori per dare alla rete lo stesso effetto di aumentare o diminuire la produzione di una centrale elettrica. Esiste la "DR verso il basso", che riduce la domanda quando l'energia tende ad essere scarsa, e la "DR verso l'alto", che aumenta la domanda quando l'energia tende ad essere in eccesso, come durante i picchi solari di mezzogiorno.

A livello istituzionale, si divide in due categorie principali.

• Riduzione della domanda basata su incentivi: un'azienda di servizi pubblici o un aggregatore controlla direttamente e da remoto le apparecchiature dei consumatori che hanno stipulato un contratto, pagando un compenso proporzionale alla risposta.

• Riduzione della domanda basata sulle tariffe: le tariffe dell'elettricità variano in base all'ora del giorno o durante i periodi di forte domanda e offerta, consentendo ai consumatori di decidere autonomamente come modificare i propri consumi.

L'aggregazione della riduzione della domanda in modo che possa essere scambiata sul mercato come se fosse un'unica centrale elettrica è ciò che fa la VPP (Virtual Power Plant), di cui parleremo nel prossimo articolo. Il modo in cui la riduzione della domanda viene scambiata come prodotto di mercato è descritto in dettaglio nel Manuale introduttivo sulla VPP (Virtual Power Plant).

5. Reti di distribuzione auto-riparanti

Il meccanismo che isola rapidamente solo la sezione guasta durante un guasto su una linea di trasmissione è proprio il ruolo dei relè di protezione, descritto nel Manuale introduttivo su sottostazioni e linee di trasmissione. Un concetto simile esiste anche a livello di distribuzione, ed è chiamato automazione della distribuzione. È già ampiamente utilizzato a livello commerciale dalle aziende elettriche giapponesi: ad esempio, il sistema di controllo automatico delle linee di distribuzione della Kyushu Electric Power Transmission and Distribution rileva automaticamente la sezione guasta e ripristina rapidamente l'alimentazione alle sezioni funzionanti tramite un percorso alternativo.

Uno schema rappresentativo è il ripristino sequenziale con ritardo temporale. Quando si verifica un guasto, l'interruttore della sottostazione interrompe completamente l'alimentazione, quindi gli interruttori automatici installati in ciascuna sezione si chiudono in sequenza dal lato della sottostazione, uno dopo l'altro con un ritardo temporale preimpostato. Se viene rilevata nuovamente una corrente di guasto in una determinata sezione, l'interruttore immediatamente precedente rimane aperto, isolando solo la sezione guasta; l'alimentazione alle sezioni funzionanti a valle viene quindi instradata tramite un percorso alternativo (una linea di distribuzione adiacente e interconnessa).

Figura 2 — L'automazione della distribuzione apre automaticamente gli interruttori su entrambi i lati di una sezione guasta per isolarla, quindi reindirizza l'alimentazione da una linea di distribuzione adiacente sana (del sistema di una sottostazione diversa), riducendo al minimo i tempi di interruzione al di fuori della sezione guasta stessa. Il meccanismo che rende possibile questa decisione e il passaggio di alimentazione La riparazione rapida senza intervento umano è ciò che viene definita "autoriparazione".

Questo tipo di automazione esisteva già prima della rete intelligente, ma l'aggiunta del rilevamento delle interruzioni tramite contatori intelligenti e dei dati dei sensori in tempo reale ha migliorato sia la precisione della stima della sezione guasta sia la velocità di ripristino. La novità del termine "rete autoriparante" non risiede tanto nel ripristino automatico in sé, quanto nel fatto che i dati che supportano tale valutazione ora includono anche i dati provenienti dal lato del consumatore.

6. Aumento di tensione e regolazione della tensione dell'inverter

La prima sfida tecnica che si presenta con l'aumento delle risorse energetiche distribuite è l'aumento di tensione sulla linea di distribuzione. Indicando con R+jX l'impedenza della linea di distribuzione, con P la potenza attiva e con Q la potenza reattiva, la differenza di tensione tra il punto di invio e quello di ricezione può essere approssimata come

Quando la generazione solare Quando la domanda supera i limiti, P punta dal lato del consumatore verso il lato della rete (il segno si inverte), il che tende ad aumentare la tensione all'estremità della linea di distribuzione. Per contrastare questo fenomeno, si utilizza una combinazione di misure: funzioni automatiche di regolazione della tensione che consentono al condizionatore di potenza (PCS) di regolare automaticamente la potenza reattiva Q, revisioni alla logica di controllo degli SVR e dei regolatori automatici di tensione e limitazione della potenza erogata tramite batterie. Il mantenimento della tensione è "la sfida meno appariscente ma più fondamentale della smart grid", e la precisione con cui questo controllo può essere eseguito dipende dalla granularità dei dati AMI.

7. Tecnologia attuale e focus di ricerca

• Contatori intelligenti di nuova generazione: è in corso uno studio per rivedere gli attuali standard di comunicazione e le funzionalità AMI, con l'obiettivo di acquisire dati a frequenza più elevata e garantire una maggiore sicurezza.

• Gemelli digitali dei sistemi di distribuzione: simulazione del flusso di potenza e della tensione sulle linee di distribuzione per valutare, in anticipo, quanta generazione distribuita può essere Interconnessi.

• Mercati e controllo a livello di distribuzione più sofisticati: analisi di una funzione di tipo Operatore del Sistema di Distribuzione (DSO) che tenga conto dei vincoli di tensione e di flusso di potenza.

• Sicurezza informatica: con decine di milioni di contatori intelligenti e le relative reti di comunicazione, la superficie di attacco è ampia e l'autenticazione, la crittografia e la progettazione del rilevamento delle anomalie sono ora una condizione preliminare per il funzionamento.

• DERMS (Distributed Energy Resource Management System): una piattaforma software che coordina e controlla un gran numero di impianti solari, batterie e veicoli elettrici entro i limiti del sistema di distribuzione.

Riepilogo: La Smart Grid è "una rete di distribuzione con un sistema informativo a livelli"

La smart grid non è una singola tecnologia; è un sistema composto da diversi meccanismi a livelli: misurazione tramite contatori intelligenti, molteplici livelli di protocollo di comunicazione, utilizzo della domanda tramite la gestione della domanda e automazione della distribuzione con capacità di auto-riparazione. Ciò che hanno in comune è il tentativo di gestire, attraverso un flusso di informazioni bidirezionale, un flusso di potenza che le risorse energetiche distribuite hanno già fisicamente generato. bidirezionale.

Quando si esaminano gli sforzi di una regione in materia di reti intelligenti, è opportuno verificare i seguenti aspetti:

1. Quale percorso di comunicazione e quale protocollo vengono utilizzati per lo scambio di dati?

2. Chi gestisce la gestione della tensione (PCS, SVR, batteria) e con quale tempistica?

3. La risposta alla domanda è basata su incentivi o su tariffe fisse e a quale mercato o contratto è collegata?

4. Quanta parte del ripristino automatico durante un guasto viene completata senza intervento umano?

Tenendo a mente questi quattro punti, è possibile andare oltre un titolo come "i contatori intelligenti sono in aumento" e comprendere la filosofia progettuale della rete di distribuzione che ne è alla base.

Riferimenti

• Agenzia per le Risorse Naturali e l'Energia Energia — Riepilogo del gruppo di studio sul sistema di contatori intelligenti di nuova generazione
• Agenzia per le risorse naturali e l'energia — Sull'opt-out dei contatori intelligenti
• Specifiche/Panoramica di ECHONET Lite
• Trasmissione e distribuzione di energia elettrica di Kyushu — Sistema di controllo automatico delle linee di distribuzione
• Agenzia per le risorse naturali e l'energia — Modernizzazione della rete elettrica
• Organizzazione per il coordinamento interregionale degli operatori di trasmissione, Giappone (OCCTO)
• IEC 61850 — Reti e sistemi di comunicazione per l'automazione delle aziende elettriche
• NREL — Modernizzazione della rete