Confronto ed analisi critica degli schemi di protezione analizzat

Gli aspetti chiave di cui tener conto per implementare un adeguato sistema di protezione sono stati esaminati nei capitoli precedenti. Questi includono: tipo e topologia della microgrid, tipologia di generazione distribuita, presenza o meno di sistema di comunicazione ed i tempi di ritardo associati, metodi dell’individuazione dei guasti e loro tipologia, tipo di relay e metodi di messa a terra. Le considerazioni relative a tali aspetti sono già state riportate in sede di analisi di ciascuno dei vari metodi proposti nel Capitolo3.

La soluzione che sfrutta le componenti di sequenza inversa ed omopolare [40] è in grado di garantire sia protezione primaria che di backup, ma prende in considerazione poche tipologie di guasto, non fornendo la possibilità di apertura della singola fase. Nelle strategia differenziale con apposito canale di comunicazione [41], al netto di buone prestazioni per gli scenari considerati, non vengono effettuate simulazioni per le protezioni di secondarie in caso di fallimento del sistema di comunicazione. La protezione con relay ad ammettenza [43] viene impiegata per microgrid radiali consistenti in diverse sezioni dei feeder, tuttavia rimane da verificarne la validità per sistemi con configurazioni diverse da quella suggerita. Lo schema adoperante impedenza differenziale [45] risulta più efficiente per microgrid in MT che non per scenari in BT. Gli schemi di protezione basati sulla tensione [46, 47] si dimostrano efficienti soprattutto per guasti a terra in microgrid radiali nel funzionamento in isola, ma come altri sistemi, trascurano del tutto i guasti ed elevata impedenza. L’impiego della Total Harmonic Distortion quale parametro in [49], benché teoricamente in grado funzionare per qualsiasi impedenza di guasto, non è comunque ottimale come protezione principale,

105 in quanto non si adatta alle variazioni dinamiche della microgrid. Differentemente, la soluzione basata sull’energia differenziale [50], può essere estesa a più ampie topologie di microgrid, a fronte però della necessità di rivederne le soglie d’intervento dei relay. In generale, i dispositivi limitatori di corrente [55-58] offrono soluzioni poco flessibili; le proposte analizzate infatti non si adeguano a cambiamenti nella configurazione della microgrid, in quanto ciò implicherebbe rivedere l’impedenza del limitatore di corrente, pena l’inefficienza del sistema. Per le protezioni multi agente [60] appare necessario soffermarsi maggiormente sull’avanzato sistema di comunicazione necessario a gestire la grande quantità di informazioni scambiate tra gli agenti, nonché prendere in considerazione lo scenario di mancato funzionamento di alcuni dei numerosi elementi. La soluzione basata sulle onde progressive [61] è impiegabile sia per funzionamento in isola che connesso alla rete, e considera tutte le tipologie di generazione distribuita, mentre lo schema in [63, 64] individua ed isola in modo efficiente disturbi transitori su microgrid in scala testata in laboratorio. Le strategie di tipo adattivo [35, 66] sono in grado di proteggere diverse tipologie di microgrid radiali, ma non son prive di problematiche, sulle quali ci si sofferma maggiormente in seguito. Per quanto riguarda lo schema di protezione con relay a microprocessore [69], si osservano tempi di soluzione dei guasti relativamente lunghi. Infine, la strategia di protezione per microgrid in BT proposta in [72], si dimostra efficiente ed affidabile sotto molteplici aspetti.

Protezione Vantaggi Svantaggi

Componenti di sequenza

della corrente [40]

Fornisce sia protezione primaria che di backup

Non considera l'apertura della singola fase ed i guasti trifase.

Differenziale [41] Molto sensibile e selettiva per guasti interni alla microgrid, in entrambi i modi di funzionamento. Opera in modo affidabile e sicuro

Non si considera il tempo di misura dei fasori della corrente

Relay ad ammettenza [43]

Ogni relay a valle funge da backup per quello a monte. Non necessita di margini di sicurezza per la caratteristica tempo-inverso

Testata in presenza di convertitori back-to-back

Impedenza differenziale [45]

Valido per qualsiasi tipologia di generazione distribuita

Vengono effettuate poche

simulazioni; prestazioni migliori nel caso di MT rispetto a microgrid in BT. Serve sistema di comunicazione Basata sulla tensione

[46, 47]

Protegge dai guasti interni ed esterni alle zone definite

Non considera l'apertura della singola fase ed i guasti ad elevata impedenza

106 Total Harmonic

Distortion [49]

Funziona per qualsiasi impedenza di guasto Valido soprattutto per il

funzionamento in isola; non adatto per variazioni dinamiche di generazione e carico Basata sull'energia

differenziale [50]

Rileva in modo efficace i guasti nella MG. Meno sensibile agli errori di

sincronizzazione delle differenziali convenzionali. Protezione da tutti i guasti in entrambe i modi operativi

Al variare della topologia della microgrid occorre rivedere i valori di soglia delle protezioni.

Dispositivi limitatori della

corrente di guasto [55-58]

Possono potenzialmente permettere di mantenere il sistema di protezione fisicamente presente

Poco flessibile e poco economica; non si adegua alle variazioni topologiche della MG ed alla installazione di nuova generazione Sistema Multi Agente

[60]

Utilizza più elementi per meglio rispondere alle variazioni dei molteplici fattori delle microgrid

Poche simulazioni effettuate. Non si considera lo scenario di fallimento dei molteplici agenti né del sistema di comunicazione

Onde progressive [61] Funziona anche in presenza di rumore. Stabile anche per casi di avvio motore e variazione dinamica isola/rete

Non considera guasti in diversi punti del sistema ed il tipo di sistema di terra. Deve ancora essere

implementato a livello hardware Trasformata Wavelet

[63, 64]

Indipendente dal tipo, taglia e parametri del dispositivo protetto. Individua classifica e isola diversi tipi di disturbi transitori in modo accurato. Schema veloce e affidabile.

[77] manca di coordinamento sistematico, condizione migliorata in [78]. Non viene testato per

microgrid più grandi Protezioni adattive:

[35]

[66]

Dotata di rapido canale di comunicazione, si adatta a diverse configurazioni della MG

Possibile "plug-and-play" dei generatori grazie al modello universale basato sulla norme IEC 61850 ed IEC61850-7-420

Molta memoria richiesta per i calcoli offline; non considera i guasti ad elevata impedenza e l'eventuale connessione di nuovi DG Non tiene di conto del comporta- mento dinamico delle

comunicazioni; non adatto a reti più complesse

Schema con relay a microprocessore [69]

Protezione da vari guasti e livelli di corrente Tempi di soluzione dei guasti relativamenti lunghi a causa dell'assenza di canale di comunicazione

Schema di protezione onnicomprensivo per microgrid in BT [72]

Indipendente dalla modalità di

funzionamento, offre protezioni efficienti per ciascun generatore e per il PCC. I risultati garantiscono sicurezza, affidabilità e selettività per più tipi di guasto

Valido per reti BT; da implementare e testare a livello hardware

107 Basandosi dunque sulle tecniche analizzate, si può affermare che vi sia ancora un numero relativamente basso di referenze che inquadrano e descrivono il problema della protezione della microgrid in maniera esaustiva, fornendo cioè informazioni complete atte a comprenderne l’approccio. Come sopraelencato, i fattori di cui tener conto sono molteplici, ed in taluni casi le informazioni a riguardo sono brevi o incomplete, come ad esempio simulazioni e test; per quanto riguarda poi le metodologie più innovative, in molta della letteratura, ci si limita spesso a fornire un idea dell’approccio piuttosto che una soluzione concretamente implementabile a livello fisico. In fase di analisi delle varie soluzioni sono state di volta in volta evidenziate le lacune, come il fatto di prendere in considerazione solo una tipologia di generatori, oppure trascurare guasti di diversa natura.

Appare inoltre abbastanza chiaro il bisogno, se non la necessità, di un upgrade di molti degli attuali dispositivi impiegati per le protezioni (fusibili, etc.), soprattutto nei sistemi in BT, in modo da garantire l’applicabilità di nuovi sistemi di protezione non convenzionali per le microgrid. Vi sono poi alcuni problemi specifici, quali i guasti ad elevata impedenza, le protezioni per microgrid magliate, nonché gli aspetti dinamici inerenti le protezioni nel passaggio dal funzionamento connesso alla rete a quello in isola, poco considerati ed approfonditi tra le soluzioni proposte. In più, in confronto ad altri ambiti riguardanti la protezione dei sistemi di potenza, si osserva un numero non elevato di proposte impieganti tecniche ad intelligenza artificiale per la protezione delle microgrid.

Dall’analisi delle soluzioni proposte, per i rami principali della microgrid, una possibile soluzione potrebbe essere l’impiego di schema differenziale quale protezione principale e relay di sovracorrente come backup; per la protezione dei carichi, invece, protezioni di sovracorrente a caratteristica tempo- inverso. Per quanto riguarda la protezione al PCC, in riferimento ai problemi sottolineati nella sezione 2.4.5 inerenti la selettività ed il flusso bidirezionale di potenza, pare necessaria la presenza di elementi direzionali. Questo può implicare soglie d’intervento diverse per diverse direzioni del guasto, ed in taluni casi, diverse metodologie in funzione della direzione stessa; ciò può essere osservato, ad esempio, nella soluzione proposta in [72] per quanto riguarda il relay posizionato al PCC.

La necessità di scambiare dati ed informazioni tra i dispositivi nei sistemi più avanzati, rende poi necessaria la presenza di un rapido canale di comunicazione appositamente dedicato (ad esempio connessione Ethernet o fibra ottica), sia esso a controllo centralizzato o decentralizzato, indipendentemente dalla tecnica d’ individuazione dei guasti adoperata. In tale senso dunque, l’impiego di schemi adattivi potrebbe sembrare la soluzione da prediligere, in quanto in grado di tener conto delle variazioni dinamiche sia dei generatori che dello stato degli interruttori, e quindi variare le soglie d’intervento delle protezioni in funzione delle condizioni operative.

108 Un ulteriore aspetto, però, del quale si deve tener conto per la realizzazione di un sistema di protezione realmente efficiente, è la necessità che questo mantenga la propria funzionalità in caso di futuri ampliamenti della microgrid. Ciò può rappresentare un limite per le soluzioni adattive basate su database realizzati offline. Ad esempio, nella soluzione adattiva [35], le varie configurazioni della microgrid vengono determinate offline e caricate nell’apposito modulo del controllore, non tenendo quindi conto di possibili variazioni future del sistema. Questo evidenzia che le decisioni offline possono minare la robustezza dello schema di protezione da tale punto di vista.

Alternativamente, i metodi Multi Agente possono essere in grado di rispondere alle variazioni strutturali della microgrid con elevata flessibilità ed affidabilità; anche in tal caso si rende indispensabile l’impiego di un sistema di comunicazione per l’analisi e le decisioni da prendere online, la cui affidabilità è dunque un aspetto critico: fattori quali elevato rischio di fallimento delle comunicazioni, associati agli elevati costi da affrontare per evitarli, sono i maggiori problemi inerenti la realizzazione di schemi di protezione economicamente fattibili, oltre che aspetti ai quali si deve dare maggior peso nelle corrispondenti simulazioni. Non solo: applicazioni più ampie dei moderni standard di comunicazione basati sulle tecnologia Ethernet secondo la norma IEC61850, introducono

nuove problematiche, come l’aumento della suscettibilità a probabili attacchi informatici [67, 68]. Si comprende la fondamentale importanza di tale aspetto, che dunque deve essere affrontato con tutte

le accortezze del caso, anche attraverso la realizzazione di software e tools che consentano di incorporare tali aspetti nelle simulazioni del funzionamento delle microgrid.

Alla luce di quanto osservato, vale la pena porre l’accento sullo schema di protezione descritto in [72]. Questo infatti tiene conto della vasta gamma di fattori che influenzano le protezioni nella microgrid, fornendo una descrizione dettagliata dei dispositivi adibiti alla protezione dei vari componenti il sistema. Inoltre vengono effettuate simulazione per tutte le tipologie di guasto ed in ogni punto della rete, dimostrandosi affidabile e sicuro. Resta da realizzare la sua implementazione a livello hardware nonché valutarne i costi, osservando che tale strategia non prevede la necessità di sistema di comunicazione e tutto ciò che questo comporta. Tuttavia, viene considerato solo il caso di microgrid radiale in BT: in ottica di un ipotetica soluzione universale, rimane da valutarne l’applicabilità per reti magliate e maggiori livelli di tensione. Inoltre presenta comunque una protezione primaria per i feeder di tipo differenziale, il ché ne fa aumentare il costo complessivo. Risulta infatti indispensabile considerare gli aspetti economici: l’impiego di moderni relay digitali e sensori avanzati, associati ai già citati aspetti riguardanti l’infrastruttura di comunicazione, comportano costi complessivamente elevati, giustificabili solo mettendo in conto lunghi tempi di ritorno degli investimenti ed a seguito di appropriate valutazioni del costo dell’energia.

109 Sulla base delle osservazioni sin qui fatte, si evince che i futuri schemi di protezione per microgrid AC, in generale, saranno con buona probabilità di natura ibrida, comprendendo combinazioni ottimizzate di sistemi tradizionali (sovracorrenti direzionali, differenziali, distanziometriche etc.) e nuovi schemi adattivi basati su sistemi di comunicazione impieganti sincrofasori, FCL, sistemi di accumulo ed intelligenze artificiali. La scelta delle soluzioni sarà da farsi sulla base dei molteplici aspetti sin qui trattati.

Infine, è importante fare un ulteriore osservazione. Nella trattazione, benché si sia accennato solo ad un limitato numero di esse [9-13], non è stato trascurato che ad oggi vi siano numerosi microgrid funzionanti efficientemente. Questo, di fatto, implica che siano dotate di opportuno sistema di protezione: come già sottolineato, le soluzioni per tali casi sono studiate ad hoc e difficilmente replicabili a scenari differenti.