Smart Grids Analysis and Design
10606467 - SMART GRIDS ANALYSIS AND DESIGN
È un insegnamento da 9 CFU (che corrispondono a 90 ore di didattica frontale ed a 135 ore di studio individuale) erogato nel 1° primo semestre del 2° anno della Laurea Magistrale in Ingegneria dell'Energia Elettrica (LM-28).
È un corso introduttivo sulle smart grids, ovvero sul nuovo campo multidisciplinare delle reti "intelligenti". Il tema è affrontato dal punto di vista del DSO (i.e. del Distribution System Operator), ovvero dell'operatore del sistema di distribuzione (e.g., e-distribuzione, a-reti, A2A ecc.). Il corso inizia con un'introduzione al vasto e complesso tema delle reti di distribuzione dell'energia elettrica. In particolare, verrà proposta un'analisi dei sistemi di distribuzione esistenti, del loro funzionamento e delle loro protezioni. Nella seconda parte del corso verranno invece introdotti i concetti fondamentali ed i principali componenti caratterizzanti le smart grids, nonché verrà analizzato il loro contributo all'integrazione delle energie rinnovabili, alla penetrazione dei veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV), alla gestione della domanda e alla riduzione delle emissioni di gas serra (GHG). Infine, nella terza parte del corso, saranno discussi alcuni casi studio legati ai più avanzati progetti pilota sviluppati da alcune aziende di distribuzione italiane all'interno delle loro reti, al fine di implementare tecnologie innovative per la realizzazione, il controllo e la gestione delle smart grids, nonché per aumentare la sostenibilità e la resilienza del sistema elettrico. Le esercitazioni si alterneranno alle lezioni senza seguire un ordine predefinito: le esercitazioni avranno infatti la funzione di illustrare ed approfondire gli aspetti applicativi degli argomenti teorici trattati nelle lezioni. Il materiale didattico messo a disposizione degli studenti (i.e., slide, appunti, libri di testo ecc.) coprirà integralmente gli argomenti trattati a lezione o discussi nelle esercitazioni.
Informazioni generali
Risultati di apprendimento attesi
Gli obiettivi principali di questo corso sono tre:
analizzare la struttura dei tipici sistemi elettrici di potenza e, in particolare, delle attuali reti di distribuzione dell'energia elettrica, nonché le loro principali condizioni operative;
mostrare allo studente una visione di come le attuali reti di distribuzione si trasformeranno nelle future “smart grids” ovvero in sistemi elettrici moderni, affidabili, sostenibili e resilienti, in grado di integrare e gestire in modo ottimale e sicuro la generazione distribuita da fonti energetiche rinnovabili non programmabili, i sistemi di accumulo dell’energia ed i sistemi di ricarica dei veicoli elettrici, trasformando gli utenti da semplici fruitori passivi di un servizio a possibili attori nel mercato dell’energia;
presentare lo stato di avanzamento degli studi e della penetrazione delle tecnologie abilitanti le smart grid in Italia, analizzando i progetti pilota realizzati su reti di distribuzione in esercizio.
Al termine di questo corso, gli studenti avranno acquisito conoscenze di base su:
le architetture delle attuali reti elettriche di distribuzione e le loro principali condizioni operative;
lo sviluppo di appropriati modelli per la simulazione delle reti di distribuzione;
le modalità di esecuzione dei principali studi di rete (load flow, corto-circuito, ecc.) scrivendo/utilizzando semplici software di simulazione;
le caratteristiche delle principali protezione e degli attuali sistemi di automazione delle reti di distribuzione;
le opportunità di sviluppo e le possibili barriere alla trasformazione delle attuali reti elettriche di distribuzione nelle future smart grids;
i sistemi di produzione da fonte energetica rinnovabile, i sistemi di accumulo ed i sistemi di ricarica dei veicoli elettrici, nonché le loro modalità di integrazione e gestione nelle reti di distribuzione.
Prerequisiti
Per comprendere compiutamente gli argomenti trattati in questo corso sono imprescindibili le conoscenze di base sulle macchine elettriche ed sugli impianti elettrici. Pertanto, gli studenti dovranno aver quantomeno frequentato i corsi di "Macchine Elettriche" e di "Impianti Elettrici I"; preferibilmente, dovrebbero aver sostenuto e superato i corrispondenti esami di profitto.
Programma
Dalle cabine primarie (CP) ai contatori degli utenti finali di media e di bassa tensione, il nuovo ruolo del DSO nella prospettiva di un dispacciamento locale: l’integrazione della generazione distribuita prevalentemente da fonti rinnovabili non programmabili, dei sistemi di storage e delle stazioni di ricarica dei veicoli elettrici, nel nuovo paradigma di progettazione ed esercizio delle reti attive di distribuzione pubblica. Segue il programma del corso.
Dalle attuali reti pubbliche di distribuzione in media e bassa tensione alle smart grids: scenari energetici a medio (PNIEC-Fit For 55%, 2030) e lungo termine (LTS, 2050) e loro impatto sulle reti; architettura, controllo ed automazione delle attuali reti; definizione, caratteristiche e funzioni delle future smart grids; requisiti funzionali minimi delle cabine secondarie.
Strumenti e metodi di analisi delle smart grids: calcolo delle reti di distribuzione; tecniche di valutazione ed ottimizzazione della hosting capacity relativa alla penetrazione della generazione distribuita prevalentemente da fonti energetiche rinnovabili non programmabili (FERNP), accoppiate o meno a sistemi di storage; tecniche di valutazione ed ottimizzazione della hosting capacity relativa alla penetrazione delle stazioni di ricarica pubbliche (da 2x22 kW a 500 kW) dei veicoli elettrici ed il loro possibile ruolo nel bilanciamento della rete (V2G). Smartizzazione delle colonnine e studi armonici.
Soluzione innovative e casi studi: reti di distribuzione ibride AC/DC prospettive di sviluppo e problematiche; integrazione delle Comunità Energetiche Rinnovabili (CER) e dei Positive Energy District (PED) nelle reti pubbliche di distribuzione; integrazione della produzione di H2 verde (P2G, G2P e G2G); analisi di alcuni casi studio: caratteristiche principali e benefici attesi dall’implementazione di alcune tecnologie abilitanti le smart grids.
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N.B. Essendo l'A.A. 2023-'24 il primo anno di erogazione di questo corso, il programma proposto è da ritenersi ancora provvisorio.
Modalità di valutazione
Le quattro verifiche in itinere previste, se pervenute nei fissati termini, saranno oggetto di valutazione ai fini di un possibile incremento del voto finale: ogni verifica consegnata nei termini e svolta in modo corretto potrà contribuire fino ad un massimo di un trentesimo e quindi, complessivamente, potranno incrementare il voto finale fino ad un massimo di quattro trentesimi. La prova scritta verrà valutata come media dei punteggi espressi in trentesimi attribuiti a ciascun quesito. Per accedere alla prova orale è necessario conseguire nella prova scritta almeno una votazione 18/30. Il voto della prova orale verrà espresso in trentesimi ed il voto finale scaturirà dalla media del voto conseguito nella prova scritta e di quello conseguito nella prova orale, più l’eventuale incremento derivante dalla valutazione delle verifiche in itinere, con un arrotondamento finale alla seconda cifra decimale (e.g., 26,45 diventa 27/30).
Modalità di svolgimento delle prove
L'esame potrà essere sostenuto solo alla fine del corso e nelle date pubblicate su INFOSTUD, nella sezione Esami di questa pagina e nella pagina Esami di questo sito. Tutte le verifiche in itinere dovranno essere obbligatoriamente consegnate prima di sostenere l'esame finale, altrimenti lo studente non sarà ammesso a sostenere la prova, o la prova sarà annullata. Gli studenti riceveranno direttamente via e-mail tutte le informazioni sulle prove di esame (e.g., aula, orario, voto, verbalizzazione ecc.):
verifiche in itinere: verranno assegnate approssimativamente con cadenza bi- o tri-settimanale, e verranno pubblicate nella sezione Verifiche in itinere; la soluzione dovrà essere inviata per e-mail ed in formato PDF entro la scadenza fissata (tipicamente non prima di una settimana dall’assegnazione), ed utilizzando per il nome file la seguente convenzione:
SMGR-SOXXXX-ilvostroCognome.pdf
Esempio Traccia ............ SMGR-TR2303.pdf
Soluzione ....... SMGR-SO2303-Geri.pdf
In generale, le verifiche consegnate in ritardo non verranno valutate, a meno che non ci siano ragionevoli motivazioni comunicate per tempo (i.e., prima della data di scadenza). La soluzione della verifica verrà pubblicata e resa accessibile sempre nella sezione Verifiche in itinere; dopo la pubblicazione della soluzione, eventuali file inviati in ritardo non potranno più essere oggetto di valutazione; in ogni caso, tutte le verifiche assegnate durante il corso dovranno essere obbligatoriamente inviate prima di sostenere la prova di esame, pena l’esclusione dalla stessa, indipendentemente dalla possibilità o meno di essere oggetto di valutazione ai fini di un possibile incremento del voto finale.
prova scritta: l'accesso all'aula sarà possibile solo dopo essere stati identificati; per entrare in aula si dovrà rispondere all'appello mostrando un documento di riconoscimento; dopodiché, ci si potrà sedere dove verrà indicato dal docente; durante la prova scritta non si potranno consultare libri e/o appunti di qualsiasi genere, né in formato cartaceo né in formato elettronico. Inoltre, durante l'esame, tutti i dispositivi elettronici dovranno essere spenti e tutto, tranne la calcolatrice e il materiale di cancelleria (penne, matite, gomme, ecc.), dovrà essere rimosso dal banco; borse e zaini dovranno essere depositati in prossimità della cattedra.
prova orale: consisterà in una domanda che verterà sugli argomenti di maggiore interesse trattati durante il corso; la data, l'ora ed il luogo della prova orale verranno tempestivamente comunicati attraverso la pubblicazione degli Esiti della prova scritta e calendario della prova orale.
Esempi di domande d'esame
Nella sezione Esami di questa pagina saranno rese disponibili le tracce delle prove scritte con le relative soluzioni, e verranno raccolte le domande di esame più frequenti. Nella sezione Verifiche in itinere verranno invece rese disponibili le tracce delle verifiche in itinere assegnate durante il corso con le relative soluzioni.
Testi adottati
Tutto il materiale didattico messo a disposizione degli studenti (i.e., presentazioni, appunti, manuali, libri ecc.) coprirà integralmente gli argomenti trattati a lezione o discussi nelle esercitazioni, e sarà liberamente scaricabile da questa pagina: tutte le presentazioni delle lezioni potranno essere direttamente scaricate cliccando sul link nella colonna Materiale della sezione Calendario delle lezioni; il materiale didattico aggiuntivo potrà essere liberamente scaricato dalla sezione Ulteriore materiale didattico sempre di questa pagina; tutti i software utilizzati saranno open source.
Inoltre, per eventuali approfondimenti degli argomenti presentati durante il corso o a completamento del materiale didattico distribuito, si suggeriscono i seguenti libri di testo:
Abdelhay A. Sallam OM P. Malik, Electric Distribution Systems, A John Wiley & Sons, Inc. Publication
This book addresses the main topics concerning planning, operation and protection that must be known by operators or utility engineers who are interested in studying or working on electric distribution systems.
The aim of this book is to describe the future electricity grids that will enable all energy services to become sustainable. Attention is given to power elements, to new types of demand, and to all aspects of control and system interactions.
James Momoh, A John Wiley & Sons, SMART GRID - Fundamentals of Design and Analysis, Inc. Publication
The objective of this book is to equip readers with a working knowledge of fundamentals, design tools, and current research, as well as the critical issues in the development and deployment of the smart grid.
This handbook does an excellent job of bringing together information for the electric distribution engineer from a wide variety of resources. The result is a very complete guidebook for designing and maintaining the electric distribution system, including recognition of the new challenges that we are facing.
Per ottenere l'autorizzazione ad effettuare il dowload di tutto il materiale messo a vostra disposizione DOVETE iscrivervi alla mailing list del corso, utilizzando il form accessibile attraverso il LINK riportato anche nella bacheca della Scheda docente nel Catalogo dei Corsi di studio, ed indicando solo ed esclusivamente la vostra e-mail istituzionale.
Modalità di svolgimento
Le lezioni (circa 57 ore) e le esercitazioni (circa 33 ore) si terranno tutte in aula, e si alterneranno senza seguire un ordine predefinito: le esercitazioni avranno infatti la funzione di illustrare gli aspetti applicativi degli argomenti teorici trattati nelle lezioni. Saranno periodicamente proposte delle verifiche in itinere che costituiranno dei test di autovalutazione per dare modo agli studenti di verificare il livello di preparazione raggiunto in vista della prova scritta finale, e se inviate nei termini previsti potranno anche essere oggetto di valutazione ai fini di un possibile incremento del voto finale (fino a 4 trentesimi).
Modalità di frequenza
La frequenza è prevista ma non è obbligatoria. Tuttavia, se uno studente sceglie di venire a lezione, deve essere puntuale e presente in aula prima dell'inizio della stessa. I telefoni cellulari e gli altri dispositivi elettronici devono essere silenziati. Non è consentito inviare messaggi di testo durante la lezione.
Sarebbe preferibile che gli studenti abbiano letto il materiale delle lezioni prima delle stesse, in modo che in classe il tempo sia proficuamente utilizzato per meglio comprendere i concetti che verranno esposti.
E' auspicabile che gli studenti dedichino mediamente a questo corso, al di fuori delle lezioni, da dodici a quindici ore alla settimana, per rivedere il materiale didattico e risolvere le verifiche in itinere assegnate. Per quanto riguarda tali verifiche, ogni studente deve svolgere il compito assegnato in assoluta autonomia. Si possono chiedere spiegazioni al docente o discutere in generale l'oggetto della verifica con gli altri studenti, ma ciascuno è tenuto a fare un onesto tentativo di risolvere autonomamente il compito assegnato. Qualsiasi violazione di questa politica potrebbe ridurre l'efficacia delle verifiche in itinere ai fini del conseguimento di una adeguata preparazione per il superamento dell'esame scritto finale.
Assegnazione tesi
Sono disponibili diversi temi, elencati nella pagina Tesi di questo sito. Le tesi potranno essere a carattere compilativo o "sperimentale". In quest'ultimo caso potranno essere svolte o presso i DSO o presso la nostra Facoltà, e richiederanno lo sviluppo o di apparati sperimentali o di modelli di simulazione quest'ultimi realizzati prevalentemente mediante i software studiati durante questo corso e/o durante il laboratorio Smart Grids Computational Tools.
Calendario delle lezioni
N° DATA ORA ARGOMENTO MATERIALE
01 25.09.2023 08:00-11:00 Introduction: SMGR-LZ01
General information
Power system structure
02 26.09.2023 11:00-13:00 Introduction: SMGR-LZ02
Power system operation
Il PdS 2023 della REN
by TERNA [ing. Enrico M. Carlini]
03 27.09.2023 14:00-17:00 Primary Substations SMGR-LZ03
by TERNA [ing. Francesco Palone]
04 02.10.2023 08:00-11:00 Symmetrical components SMGR-LZ04
05 03.10.2023 11:00-13:00 Fault analysis SMGR-LZ05
06 04.10.2023 14:00-17:00 Numerical examples SMGR-LZ06
07 09.10.2023 08:00-11:00 Numerical applications SMGR-LZ07
08 10.10.2023 11:00-13:00 Per-unit method SMGR-LZ08
09 11.10.2023 14:00-17:00 Numerical application SMGR-NA02
10 16.10.2023 08:00-11:00 Power-flow studies SMGR-LZ09
Numerical application SMGR-NA03
11 17.10.2023 11:00-13:00 Power-flow studies Matpower 7.1
Introduction to MATPOWER use
12 18.10.2023 14:00-17:00 Power-flow studies Matpower 7.1
13 23.10.2023 08:00-11:00 Primary and secondary distribution SMGR-LZ10
14 24.10.2023 11:00-13:00 Analysis and design of distribution grids SMGR-LZ11
15 25.10.2023 14:00-17:00 Numerical applications SMGR-NA04
16 30.10.2023 08:00-11:00 Numerical applications SMGR-NA04
17 31.10.2023 11:00-13:00 Numerical applications SMGR-NA04
18 06.11.2023 08:00-11:00 Short-circuit studies TB01-CH04
19 07.11.2023 11:00-13:00 Short-circuit studies TB01-CH04
Numerical examples
20 08.11.2023 14:00-17:00 Numerical applications SMGR-NA05
21 13.11.2023 08:00-11:00 Protection of distribution grids TB01-CH05
22 14.11.2023 11:00-13:00 Neutral earthing practice in MV grids Vol. 1 - § 7.5
Impianti Elettrici - F.M. Gatta
23 15.11.2023 14:00-17:00 Neutral earthing practice in MV grids Vol. 1 - § 7.5
Impianti Elettrici - F.M. Gatta
24 17.11.2023 14:00-17:00 Numerical applications SMGR-NA06
25 20.11.2023 08:00-11:00 Numerical applications SMGR-NA06
26 21.11.2023 11:00-13:00 Sapienza-TDE Terni [ing. T. Bragatto] PresentationTDE01
Progetti Innovativi per la transizione energetica
27 22.11.2023 14:00-17:00 Sapienza [ing. F. Carere] SMGR-EMHC
Electric Mobility Hosting Capacity
28 27.11.2023 08:00-11:00 e-distribuzione [ing. L. D'Orazio] ED_Operation
Operation of distribution grids
29 28.11.2023 11:00-13:00 Le reti di distribuzione e la loro automazione Vol. 1 - Cap. 9
30 29.11.2023 14:00-17:00 Discussion SMGR-TR2301 SMGR-SO2301
31 04.12.2023 08:00-11:00 Discussion SMGR-TR2302 SMGR-SO2302
32 05.12.2023 11:00-13:00 Sapienza [ing. T. Bragatto] Presentation
Monitoring and digital twin
33 06.12.2023 14:00-17:00 Areti [Ing. Ercole DE Luca] PresentatioAreti01
La Flessibilità delle reti - RomeFlex
34 11.12.2023 08:00-11:00 Discussion SMGR-TR2303 SMGR-SO2303
35 13.12.2023 10:00-12:00 TDE Terni [ing. M. Paulucci] PresentationTDE02
Cybersecurity in smart grids
12:00-15:00 Visita guidata agli impianti di distribuzione di TDE
15:00-17:00 TDE Terni [ing. M. Cresta] PresentationTDE03
Demand response in smart grids
36 18.12.2023 08:00-11:00 Areti [Ing. Ludovico Nati] PresentationAreti02
La pianificazione delle reti
37 19.12.2023 09:00-11:00 RSE [Ing. Emanuele Ciapessoni] PresentationRSE
11:00-13:00 Discussion SMGR-TR2304 SMGR-SO2304
38 12.12.2023 14:00-17:00 e-distribuzione [ing. A. Cerretti] ED_GridForming
Grid forming
Ulteriore materiale didattico
APPUNTI
RAPPORTI
Piano Sviluppo TERNA 2023: Overview; Pianificazione della rete elettrica; Stato del sistema elettrico; Il progetto Hypergrid e necessità di sviluppo; Benefici di sistema e analisi robustezza rete; Documenti di avanzamento degli interventi Nord Ovest, Nord Est e Centro Sud; Documento di analisi delle richieste di connessione; Documento di riferimento normativo; Documento di descrizione delle metodologie.
TABELLE E CATALOGHI
OCTAVE SCRIPTS
MATPOWER CASE
Verifiche in itinere
DATA LINK
N° ASSEGNAZIONE CONSEGNA TRACCIA SOLUZIONE
17/10/2023 25/10/2023 SMGR-TR2301 SMGR-SO2301
08/11/2023 20/11/2023 SMGR-TR2302 SMGR-SO2302
20/11/2023 30/11/2023 SMGR-TR2303 SMGR-SO2303
20/12/2023 15/12/2023 SMGR-TR2304 SMGR-SO2304
ATTENZIONE: le date definitive delle verifiche saranno stabilite durante il corso, così come saranno progressivamente attivati i LINK alle traccie e successivamente alle relative soluzioni.
Esami
DATA LINK
N° INIZIO SESSIONE ESAME TRACCIA SOLUZIONE
09/10/2023 21/10/2023 SMGR-TE2301 SMGR-SE2301
08/01/2024 12/01/2024 SMGR-TE2302 SMGR-SE2302
01/02/2024 13/02/2024 SMGR-TE2303 SMGR-SE2303
04/03/2024 23/03/2024 SMGR-TE2304 SMGR-SE2304
03/06/2024 16/06/2024 SMGR-TE2305 SMGR-SE2305
01/07/2024 15/07/2024 SMGR-TE2306 SMGR-SE2306
02/09/2024 13/09/2024 SMGR-TE2307 SMGR-SE2307
ATTENZIONE: le date definitive degli esami saranno stabilite entro il mese di settembre del corrente A.A., così come saranno progressivamente attivati i LINK alle traccie e successivamente alle relative soluzioni.