Responsabile scientifico: Paolo Attilio Pegoraro
Gruppo di ricerca: Giuliano Armano, Massimo Barbaro, Luca Didaci,
Alessandro Fanti, Emilio Ghiani, Gian Luca Marcialis, Virginia Pilloni, Carla Seatzu, Alessandro Serpi, Giuliana Sias
Descrizione stato avanzamento progetto Il progetto SUM2GRIDS, ovvero “Solu-tions by mUltidisciplinary approach for intelligent Monitoring and Management of power distribution GRIDS”, si prefigge di studiare e progettare metodi e modelli per il monitoraggio, la gestione e il controllo delle reti elettriche di distribuzione di nuo-va generazione.
Le trasformazioni rilevanti che interessa-no i sistemi elettrici e, in particolare, la dif-fusione della generazione distribuita e dei sistemi di accumulo, l’introduzione dei vei-coli elettrici, le modifiche legate al mercato dell’energia spingono per un radicale cam-bio di paradigma nella gestione delle reti:
dalla pianificazione, unita ad una gestione manuale, ad una automazione delle reti di media e, in prospettiva, di bassa tensione.
Le reti di nuova generazione, spesso descritte come intelligenti o “smart” per il forte ruolo che l’elaborazione e la trasmis-sione dell’informazione giocheranno nel loro progetto e funzionamento, presenta-no nuove criticità e peculiarità, dovute alla complessità del sistema, che include sia aspetti fisici legati alle reti sia aspetti legati appunto all’elaborazione, manipolazione e comunicazione dei dati usati per la super-visione e il controllo. Tali peculiarità vanno considerate a livello di sistema per garan-tire il successo nell’implementazione delle reti intelligenti.
Per avere la possibilità di gestire tali reti e di attuare qualunque tipo di automazione delle applicazioni è richiesta la conoscenza dello stato della rete stessa e quindi l’esi-stenza di un sistema di monitoraggio che possa supportare l’implementazione delle tecniche “intelligenti” di gestione. Il siste-ma di misura deve inoltre essere concepito in senso molto ampio come l’insieme di tut-ti quei dispositut-tivi, quei modelli e quelle me-todologie che operano in modo coordinato per ottenere una rappresentazione della rete che tenga conto di tutti i dati disponibi-li e della loro “incertezza”. In questo conte-sto, il progetto si propone di integrare dati raccolti da strumenti tradizionali con quelli ottenuti da moderni strumenti (tipicamen-te sincronizzati) e con quelli che derivano dall’elaborazione di dati di origine eteroge-nea (meteorologici, storici, previsionali).
La sfida principale è quella di progettare un sistema di monitoraggio per le reti di di-stribuzione che sia già concepito unitamen-te ai sisunitamen-temi di gestione e controllo per ga-rantire migliore efficacia ed efficienza alle applicazioni. Questo è possibile solo se si considera l’impatto dei sistemi di comuni-cazione e gestione dei dati sulle temporiz-zazioni del sistema di misura e, di conse-guenza, sull’accuratezza con cui si riescono a stimare lo stato e le condizioni operative della rete. Tali informazioni sono infatti i dati di ingresso alle applicazioni di gestione
Ingegneria industriale e dell’informazione è stata riposta in particolare sui sistemi di gestione dell’energia (Energy Management System, EMS) e sulla possibilità di effettua-re il controllo in tempo effettua-reale, con stringenti requisiti temporali, in presenza di sistemi di accumulo e di veicoli elettrici. Il sistema di gestione e controllo e il sistema di misura necessitano di infrastruttura e tecnologia di comunicazione e calcolo (Information and Communication Technology, ICT) adegua-te, che garantiscano il necessario supporto di trasmissione, memorizzazione ed elabo-razione dell’informazione. Tale sistema ha quindi dei vincoli di banda trasmissiva e di latenza imposti sia dal sistema di misura che da quello di gestione, in quanto costituisce il veicolo sia delle misure sia dei comandi di controllo. Si è scelto dunque di lavora-re su soluzioni Cloud e Internet of Things (IoT) che permettano una virtualizzazione della strumentazione e degli “oggetti” del sistema e forniscano il livello di scalabilità cercato. Si è inoltre lavorato per includere i concetti di sicurezza e integrità del dato fin dalle prime fasi del progetto.
Per quanto riguarda il sistema di misu-ra si può evidenziare che si è opemisu-rato su tre fronti principali: la progettazione e re-alizzazione di strumenti di misura dotati di sincronizzazioni spinte (tramite Global Positioning System, GPS) per l’etichetta-tura temporale di ogni singola misura e di dispositivi di instradamento dei dati di misura all’interno dell’architettura che va dal singolo sensore al centro di controllo; la definizione di modelli per generare dati di ingresso di tipo predittivo per la stima del-lo stato (che sfruttino informazioni storiche sui consumi e anche dati meteorologici) e gli algoritmi necessari per ottenere la stima stessa a partire da tutte le informazioni di-sponibili, di misura e previsionali.
Focalizzando l’attenzione sulle altre atti-vità portate avanti fino ad ora, si è studiata e implementata una piattaforma di simula-zione ciber-fisica (di interasimula-zione tra sistema informatico e sistema fisico) per i nuovi mercati elettrici locali nei quali anche i pic-coli produttori e consumatori, che insisto-no su una limitata area geografica, possoinsisto-no e controllo che devono, a loro volta, tener
conto dei sistemi informativi e di comuni-cazione già nella fase progettuale.
Inoltre vanno considerate la sicurezza e la scalabilità dell’architettura e delle appli-cazioni, cosicché la cosiddetta Smart Grid possa diventare una realtà concreta.
Il progetto SUM2GRIDS ha tutti questi obiettivi e si prefigge di raggiungerli at-traverso un approccio multidisciplinare. Il progetto combina, in un modo originale, tecniche di diversa natura che permettono di intervenire in modo coordinato ai diversi livelli del sistema. SUM2GRIDS sfrutta le di-verse esperienze dei ricercatori partecipan-ti per la progettazione di un’architettura di monitoraggio e controllo distribuita che sia rigorosamente qualificata dal punto di vista metrologico e sia allo stesso tempo flessibile e sicura, in grado di considerare i problemi legati alla comunicazione e di riflettere le esi-genze delle nuove applicazioni di gestione e controllo della rete intelligente.
Il progetto SUM2GRIDS, che è giunto alla fine del suo primo anno di attività, vede impegnati i ricercatori di ben nove aree dell’ingegneria industriale e dell’informa-zione allo scopo di ideare il sistema e pro-gettarlo sin da subito in modo coordinato.
In particolare, come si vede in Figura 1, i ricercatori si stanno occupando di tre ma-cro-moduli: il sistema di misura, il sistema di gestione e controllo e il sistema di comu-nicazione ed elaborazione. Tali sottosiste-mi fanno capo a tre principali tematiche di investigazione e progettazione, fortemente interconnesse tra loro. È importante evi-denziare i legami tra le diverse aree tema-tiche perché essi corrispondono, dal punto di vista pratico, sia alle scelte di multidisci-plinarietà che hanno improntato l’attività di ricerca sia a vincoli di tipo progettuale (e quindi alle specifiche) del sistema stesso.
Per la progettazione del sistema di mi-sura è stato necessario partire dai requisiti sull’accuratezza, l’intervallo di aggiorna-mento delle misure e il ritardo o latenza nella produzione di informazioni di misura che vengono imposti dalle applicazioni di gestione e controllo della rete. L’attenzione
Ingegneria industriale e dell’informazione
sazioni commerciali tra i suoi utenti. La tec-nologia scelta per tali transazioni è quella della Blockchain.
Dal secondo anno di attività ci si atten-dono, oltre alle versioni aggiornate degli algoritmi e dei modelli, novità significative soprattutto nell’integrazione dei tre ma-cro-sistemi descritti brevemente e si pre-vede uno sforzo notevole nel processo di validazione dell’architettura e delle appli-cazioni che permetta di dimostrare l’impat-to delle scelte progettuali e delle soluzioni basate sui principi di multidisciplinarietà.
In questo contesto, si metterà a punto una piattaforma hardware e software che con-sentirà di emulare il funzionamento di una microrete; in particolare, saranno definiti vendere o comprare energia elettrica per
contribuire al bilancio del sistema energe-tico. Il mercato elettrico locale è gestito da aggregatori commerciali, organizzati nei cosiddetti Virtual Power Plant (VPP), ovve-ro impianti di generazione virtuali costitui-ti da più impiancostitui-ti di generazione distribuicostitui-ti sul territorio, collegati e gestiti attraverso una rete intelligente. Il VPP è in grado di raccogliere e gestire le offerte di flessibilità relative alla potenza ed energia dei consu-matori/produttori afferenti ad esso. L’ag-gregatore è responsabile per le offerte ef-fettuate nel giorno precedente per i servizi ancillari quali regolazione della tensione e gestione delle congestioni ed è inoltre re-sponsabile degli aspetti tecnici e delle
tran-Fig. 1. Tematiche principali del progetto SUM2GRIDS: sistemi, problematiche e interazioni.
Ingegneria industriale e dell’informazione ed emulati i profili di potenza di carichi e
generatori di energia elettrica da fonti rin-novabili mediante la realizzazione di un nodo di rete “virtuale”, il quale rappresen-terà il punto di connessione comune fra la microrete emulata e la rete elettrica princi-pale (Point of Common Coupling, PCC). Si prevede inoltre che il PCC sarà fisicamen-te connesso a sisfisicamen-temi di accumulo
dell’e-Paolo Attilio Pegoraro è Professore associato di Misure Elettriche ed Elettroniche presso il Di-partimento di Ingegneria Elettrica ed Elettroni-ca dell’Università degli Studi di Cagliari. Il Prof.
Pegoraro si è laureato con lode in Ingegneria delle Telecomunicazioni presso l’Università de-gli Studi di Padova dove ha conseguito il Dotto-rato in Ingegneria Elettronica e delle Telecomu-nicazioni.
La sua attività di ricerca è incentrata sui siste-mi di siste-misura distribuiti e sulle tecniche di ela-borazione dei segnali di misura, con particolare attenzione alle reti elettriche di potenza. Tale
attività ha condotto alla pubblicazione di oltre cento pubblicazioni scientifiche e di diversi ca-pitoli di libro.
È membro dell’Associazione Gruppo Misure Elettriche ed Elettroniche (GMEE), della IEEE Instrumentation and Measurement Society (IMS), per la quale è componente del comitato TC-39 - Measurements in Power Systems. È inol-tre membro del comitato tecnico CT 38 - Trasfor-matori di misura del Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) e del CENELEC - TC 38 - Instru-ment transformers. È il responsabile scientifico del progetto SUM2GRIDS.
nergia, dotati dei propri sistemi di gestio-ne e controllo. La piattaforma hardware/
software sarà quindi collegata a tali sistemi, nonché ai sistemi di misura e comunica-zione sviluppati nel progetto, in modo da consentire l’emulazione del funzionamento della microrete, unitamente allo sviluppo di strategie di gestione e controllo delle risorse energetiche connesse o emulate al PCC.
Bibliografia
1. Ghiani E, Serpi A, Pilloni V, et al. A Mul-tidisciplinary Approach for the Devel-opment of Smart Distribution Networks.
Energies, 2018; 11(10): 2530.
2. Ferrero R, Pegoraro PA, Toscani S. Impact of Capacitor Voltage Transformers on Pha-sor Measurement Units Dynamic Perfor-mance. IEEE 9th International Workshop on Applied Measurements for Power Sys-tems (AMPS); Bologna, settembre 2018.
3. Pau M, Pegoraro PA, Monti A, et al.
Impact of Current and Power Measure-ments on Distribution System State Es-timation Uncertainty. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2019; 68(10): 3992-4002.
4. Carta D, Muscas C, Pegoraro PA, et al.
Identification and Estimation of Harmon-ic Sources Based on Compressive Sensing.
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2019; 68(1): 95-104.
5. Castello P, Ferrero R, Pegoraro PA, et al. Space Vector Taylor–Fourier Mod-els for Synchrophasor, Frequency, and ROCOF Measurements in Three-Phase Systems. IEEE Transactions on Instru-mentation and Measurement, 2019;
68(5): 1313-1321.
6. Ferrero R, Pegoraro PA, Toscani S. A Space Vector Phase-Locked-Loop ap-proach to synchrophasor, frequency and ROCOF estimation. IEEE International Instrumentation and Measurement Tech-nology Conference (I2MTC); Auckland, New Zealand, maggio 2019.
7. Frigo G, Derviskadic A, Pegoraro PA, et al. Harmonic Phasor Measurements in Real-World PMU-Based Acquisitions.
IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC); Auckland, New Zealand, mag-gio 2019.