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:

Al termine di questo corso, gli studenti avranno acquisito conoscenze di base su:

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.):

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.

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: 

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.

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

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

                                                       SMGR-NA01

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

  caseSKELETON.m

12  18.10.2023   14:00-17:00       Power-flow studies Matpower 7.1  

                                                             caseSMGR01.m  

                                                             caseSMGR02.m

  caseSMGR03.m

  caseSMGR04.m

  caseMVdist01.m

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

  SMGR-NA04.m

17 31.10.2023   11:00-13:00        Numerical applications SMGR-NA04

  caseSMGR05_1.m

  caseSMGR05_2.m

  caseSMGR05_3.m

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

SMGR-NA05.m

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

    SMGR-NA06.m

25 20.11.2023   08:00-11:00        Numerical applications SMGR-NA06

SMGR-NA06.m

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

                                                                                                                         caseSMGR-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

Verifiche in itinere

                                  DATA                                                                         LINK                              

ASSEGNAZIONE CONSEGNA TRACCIA SOLUZIONE

                                                                                                                          caseSMGR-SO2302   

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                              

INIZIO SESSIONE ESAME TRACCIA SOLUZIONE

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.