RICERCA ITALIANA     

Monitoraggio dei sistemi di distribuzione dell'energia elettrica in un contesto di libero mercato: progettazione e sviluppo di architetture metrologicamente garantite per l'attendibilita' dei risultati

Politecnico di Milano

Abstract

Questo programma di ricerca si propone lo studio, da un punto di vista prettamente metrologico, di metodi per il monitoraggio dei sistemi di distribuzione dell'energia elettrica e in particolare per la stima della Power Quality.
La valutazione della qualità dell’energia elettrica scambiata in un nodo di rete è diventata, recentemente, una forte necessità, sia per il contesto di libero mercato in cui ci si muove, sia per la Direttiva Europea 85/374/CEE sulla responsabilità per i prodotti difettosi.
Finora la politica di Power Quality seguita dagli Organismi di controllo nazionali e dal CEER (Council of European Energy Regulators) in sede europea ha privilegiato la continuità del servizio e sta iniziando a considerare la conformità delle forme d’onda di tensione e corrente alla forma d’onda sinusoidale. Tuttavia, ciò non è ancora sufficiente ad assicurare un accettabile livello della qualità dell’energia scambiata in un nodo di rete, se non vengono identificate le sorgenti che iniettano disturbi in rete e non viene loro imposto di adottare tutte le necessarie azioni per ridurre l’entità dei disturbi iniettati a livelli accettabili.
Inoltre, gli effetti potenzialmente nocivi alla salute umana dei disturbi transitori presenti sulle reti di distribuzione sono stati recentemente oggetto di attenta analisi, rendendo ancora più necessario il rilievo dei disturbi e l’identificazione della loro origine.
Da un punto di vista prettamente metrologico, l’identificazione delle sorgenti di disturbo è un processo complesso, che potrebbe portare a risultati totalmente inattendibili se non fossero tenuti nel debito conto tutti i contributi all’incertezza di misura e se non venissero usati dispositivi di misura adatti allo scopo.
Partendo dalla base scientifica disponibile, a cui le Unità di Ricerca che prendono parte a questo programma hanno dato un significativo contributo, gli aspetti principali identificati dal programma di ricerca riguardano i trasduttori, necessari a garantire l’isolamento fra il sistema elettrico e gli strumenti di misura ed a ridurre il livello dei segnali di rete a quello compatibile con gli ingressi degli strumenti impiegati, ed il sistema di misura che, sulla base della letteratura disponibile, deve essere distribuito.
Per quanto riguarda il primo aspetto, è necessario sviluppare trasduttori innovativi, dal momento che i tradizionali trasformatori di misura hanno una risposta in frequenza totalmente inadeguata, tale non solo da mascherare alcune componenti di disturbo, ma anche da introdurre, nel segnale secondario, componenti di disturbo non presenti nel segnale primario. Il programma di ricerca si propone pertanto di studiare e realizzare nuovi trasduttori, e di analizzarne il comportamento anche dal punto di vista della loro affidabilità.
Per quanto riguarda il secondo aspetto, il programma di ricerca si propone da un lato di definire l'architettura ottimale per il sistema di misura distribuito (con riferimento sia alle singole stazioni di misura sia alla loro collocazione nella rete) e dall'altro di analizzare nuovi algoritmi di identificazione delle sorgenti di disturbo. Le prestazioni di tali metodologie verranno verificate su un prototipo di sistema di misura distribuito installato su una rete di distribuzione reale. Verrà anche affrontata la caratterizzazione metrologica di tale sistema, ponendo particolare attenzione ai problemi sollevati dalla possibile carente sincronizzazione fra le diverse unità costituenti il sistema di misura distribuito. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Alessandro Ferrero Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

La recente liberalizzazione del mercato dell’energia elettrica ha reso il problema della Power Quality (PQ) di stretta attualità. Invero, il principio che produttori e distributori di energia elettrica debbano garantire che la qualità dell’energia fornita sia sufficientemente elevata da non causare danni ai dispositivi dei clienti connessi alla rete di distribuzione era stato ufficialmente affermato da una Direttiva del Consiglio Europeo (Direttiva 85/374/CEE) relativa al ravvicinamento delle disposizioni legislative, regolamentari ed amministrative degli Stati Membri in materia di responsabilità per danno da prodotti difettosi [1]. Questa direttiva recita, all’Art. 1, che: “ Il produttore è responsabile del danno causato da un difetto del suo prodotto” e, all’Art. 2, che: “ Ai fini della presente direttiva, per 'prodotto' s'intende ogni bene mobile, anche se forma parte di un altro bene mobile o immobile. Per 'prodotto' s'intende anche l'elettricità”.
L’influenza di questa Direttiva sul mercato elettrico è stata minima, fintando che il mercato era retto da pochi monopolisti, che esercitavano un pieno controllo su tutte le fasi di generazione, trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica.
Tuttavia, nell’attuale mercato liberalizzato, in cui sono presenti differenti soggetti che hanno la responsabilità non solo di fornire energia ai propri clienti, ma anche quella di non deteriorare la qualità dell'energia che ricevono dal proprio fornitore, il tema della Qualità deve essere attentamente considerato.
Sfortunatamente, finora, l’Ente Nazionale di controllo (l’Autorità per l’Energia Elettrica ed il Gas – AEEG) [2] ed il CEER (Council of European Energy Regulators) in sede europea [3] hanno affrontato il problema della Power Quality essenzialmente in termini di continuità del servizio, lasciando così irrisolti molti problemi critici.
Questi problemi sono essenzialmente legati ai metodi ed ai dispositivi che possono essere impiegati per il rilievo dei disturbi che viaggiano lungo la rete elettrica e per l’identificazione delle sorgenti di tali disturbi.
Quest’ultimo sembra essere il punto più critico nella valutazione della Power Quality, poiché è ben noto che, a causa del valore finito della potenza di corto circuito in un qualunque nodo di rete, un disturbo generato in un carico (problema di qualità del prelievo) si traduce inevitabilmente in un disturbo sulla tensione di alimentazione (problema di qualità della fornitura), in modo più o meno marcato a seconda del valore della potenza di corto circuito [4-8]. E’ anche noto che un disturbo sulla tensione di alimentazione, qualunque sia la sua origine, viene ridistribuito dalla rete a tutti gli utenti connessi allo stesso punto di accoppiamento comune (PCC). Per evitare che il costo dei disturbi iniettati da un utente e ridistribuiti dal fornitore agli altri utenti gravino su un qualunque altro utente (o sul fornitore), e tutti i conseguenti problemi economici e legali che ne deriverebbero [9], la sorgente dei disturbi deve essere identificata.
Inoltre, si pone sempre maggiore attenzione agli effetti che l’esposizione ai campi elettrici può avere sulla salute umana. Limiti molto severi sono stati posti all’intensità ammissibile di campo elettrico in aree dove gli esseri umani possono essere esposti al campo con continuità. Questi limiti sono stati fissati per i campi creati dal sistema elettrico operante a regime dal momento che, finora, sono stati analizzati solo gli effetti di esposizione a campi stazionari o lentamente variabili. Tuttavia, diversi disturbi transitori possono verificarsi e propagarsi lungo le linee elettriche, a causa di eventi atmosferici, guasti, inserzioni di carichi, variazioni nella configurazione della rete; questi disturbi possono causare brusche variazioni del campo elettrico in prossimità delle linee. L’entità di queste variazioni e il loro potenziale impatto sulla salute umana non sono ancora state analizzate, e quindi rappresentano una motivazione aggiuntiva per iniziare un progetto di ricerca sulla Power Quality.
Tutte le problematiche sopra menzionate, connesse con il rilievo dei disturbi in un sistema elettrico, implicano un gran numero di differenti argomenti, che spaziano su quasi tutti gli aspetti di gestione di un sistema elettrico, da quelli sistemici ed economici (tipici di un mercato liberalizzato), a quelli più propriamente tecnici, inclusi gli aspetti di misura.
Proprio i problemi di misura meritano un’indagine ad hoc, dal momento che i risultati di un processo di misura rappresentano il punto di partenza per ogni successivo processo decisionale e, se non correttamente impiegati, possono portare a decisioni non corrette. Gi aspetti economici, legali e di salute pubblica legati ad una corretta gestione del sistema elettrico rivestono un così alto valore, che ogni decisione inappropriata può portare a conseguenze drammatiche.
Per questo motivo, ogni azione correlata ai problemi di qualità deve assolutamente essere basata su risultati di misura attendibili, la cui incertezza sia stata adeguatamente stimata e rientri nei limiti posti a garanzia che ogni successiva decisione sia quella corretta, entro un assegnato livello di fiducia.
Al momento, come verrà brevemente mostrato al successivo punto 2.2, diversi problemi sono ancora insoluti, legati sia alla definizione della migliore metodologia di misura, sia all’impiego dei sistemi di misura più adatti (specialmente per quanto riguarda i trasduttori di tensione e corrente) ed alla loro caratterizzazione metrologica.
Questo progetto di ricerca si propone di trovare una risposta ai problemi più critici, in modo che si possa poi iniziare una intensiva campagna di misura con le modalità più appropriate, prima che i problemi di Power Quality diventino talmente critici da risultare esplosivi.
Le tre Unità di Ricerca che prendono parte al progetto sono probabilmente fra le più qualificate, in Italia, per i risultati scientifici ottenuti dai coordinatori locali (che sono testimoniati dai più significativi loro articoli), la reputazione internazionale di molti membri delle Unità di Ricerca (due di essi sono Fellow members dell’IEEE e alcuni di essi hanno ricevuto Premi dell’IEEE) ed le molte collaborazioni in programmi di ricerca con altri qualificati gruppi di ricerca Americani ed Europei, con importanti produttori italiani di strumentazione elettrica e con alcuni Enti italiani fornitori di energia elettrica. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

In accordo con la base di partenza brevemente descritta nel precedente punto 2.1., la valutazione della qualità del prelievo e della fornitura di energia elettrica rappresenta un problema complesso, che non può prescindere dal rilievo dei disturbi presenti su tensioni e correnti e dall’identificazione delle sorgenti di tali disturbi.
E’ ben noto che la presenza di disturbi sia periodici a regime che transitori, sulle tensioni di alimentazione e sulle correnti di linea, è la causa principale dei danni ai dispositivi elettrici ed elettronici connessi alla rete ed è anche la causa principale dei malfunzionamenti dei dispostivi elettrici ed elettronici collegati alla rete o posti nelle sue immediate vicinanze. Inoltre, si è recentemente iniziato ad indagare anche sugli effetti che disturbi transitori possono avere sulla salute umana; sotto questo punto di vista, la sicurezza, riferita ai danni causati a persone, processi ed altri prodotti, rappresenta un significativo aspetto della qualità di un prodotto.
Il concetto di responsabilità del produttore per i danni causati da imperfezioni del proprio prodotto, elettricità inclusa, è stato introdotto dalla Direttiva del Consiglio Europeo 85/374/CEE [1], ed il concetto di gestione della qualità è stato sviluppato nell’ambito delle norme ISO della serie 9000, norme che possono essere applicate anche all’energia elettrica, dal momento che può essere assimilata ad un prodotto fornito a flusso continuo (ISO 9004-3).
Pertanto, la necessità di valutare la qualità dell’energia elettrica (la cosiddetta Power Quality – PQ) è presente in ogni aspetto della vigente normativa europea. Il problema della Power Quality non è stato particolarmente sentito fintanto che, fino ad un recente passato, il mercato dell’energia elettrica era dominato da un singolo monopolista; infatti a quest’unico attore era demandato il controllo completo di tutti gli aspetti di produzione, trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica.
Recentemente, la liberalizzazione del mercato dell’energia elettrica ha portato ad un significativo incremento del numero di soggetti presenti sul mercato, e ad una significativa distinzione dei ruoli assunti: un soggetto può infatti acquistare energia da un produttore, trasmetterla a distanza e rivenderla ad un distributore. Pertanto, si agisce contemporaneamente da cliente del produttore e da fornitore del distributore. Il quadro può ulteriormente complicarsi, dal momento che lo stesso soggetto può acquistare energia da diversi produttori, convogliarla sulla stessa linea di trasmissione e, a valle di questa, venderla a diversi distributori. E’ chiaro che i problemi di Power Quality diventano particolarmente importanti e, di conseguenza, richiedono misure volte non solo a controllare i flussi di energia, ma anche a tenere sotto controllo le possibili cause di deterioramento della qualità del servizio fornito ai clienti e ad individuare le origini di tali cause [10-11].
Inoltre, la crescente diffusione di impianti di generazione distribuita (GD), cioè piccoli impianti di generazione (microturbine, sistemi fotovoltaici, celle a combustibile, ecc.), spesso alimentati da fonti rinnovabili di energia (Renewable Energy Sources – RES), collocati in diversi punti della rete di distribuzione, può modificare la struttura locale della rete, rendendola non più radiale [12, 13].
Le nuove problematiche di misura che nascono dalla necessità di monitorare la Power Quality ed identificare le sorgenti di disturbo che ne causano il deterioramento aprono nuove problematiche, sia metodologiche che strumentali. Tali problematiche saranno analizzate nel seguito.

A. Problematiche metodologiche
La letteratura scientifica concorda ampiamente sul fatto che i problemi di power quality non possono essere risolti in modo esaustivo semplicemente monitorando la qualità della fornitura (qualità della tensione) o la qualità del prelievo (qualità della corrente). In realtà, a causa dei valori finiti di potenza di corto-circuito in ciascun nodo della rete, i problemi della qualità del prelievo si tramutano inevitabilmente in un problema della qualità della fornitura [4-8].
Per evitare che i costi della presenza di un disturbo iniettato da un altro utilizzatore, e ridistribuito dall’Ente fornitore, siano ingiustamente attribuiti ad un utilizzatore (o all’Ente fornitore stesso) [9], le sorgenti del disturbo devono essere inequivocabilmente identificate.
In letteratura, sono disponibili diversi contributi scientifici, i quali mostrano differenti possibili metodi di analisi per l’identificazione delle sorgenti dei disturbi. Le principali differenze tra i diversi metodi proposti consistono nei diversi tipi di disturbi che vengono considerati, in particolare i disturbi periodici a regime (armoniche ed inter-armoniche) ed i disturbi transitori.
Comunque, nonostante la diversità dei vari metodi proposti, tutti i più recenti contributi concordano sul fatto che è necessario acquisire ed elaborare dati provenienti da diversi nodi di rete.
In particolare, se si considerano disturbi periodici, tutti i metodi proposti [4-8] concordano sulla necessità di elaborare dati provenienti da tutte le linee connesse al Punto di Accoppiamento Comune (PCC). In modo analogo, se si considerano disturbi transitori, tutti i recenti metodi proposti per l’identificazione dell’origine di tali disturbi [14-17] sono basati su sistemi di misura distribuiti.
Questi metodi richiedono che tutti i nodi di rete siano equipaggiati con una unità locale del sistema di misura distribuito, il quale, pertanto, risulta essere esteso e costoso. È quindi auspicabile adottare una qualche regola di ottimizzazione, che definisca il numero ottimo di strumenti di misura da adottare ed i nodi sui quali essi devono essere installati.
Tecniche di Stima dello Stato (SE) potrebbero essere utili a tale scopo. Esse sono utilizzate per lo studio di sistemi elettrici di potenza e sono progettate per osservare il sistema a partire da tutte le misure disponibili e dalle informazioni provenienti da dati storici disponibili, chiamati pseudo-misure, ottenute da conoscenze a priori [18-21].
Nei sistemi di trasmissione, è richiesto un numero limitato di pseudo-misure, dato che un grande numero di misure reali sono generalmente disponibili. Le soluzioni adottate su tali sistemi non possono essere adottate su reti di distribuzione, dove il numero di misure disponibili è, per ragioni economiche, molto inferiore al numero di nodi di rete.
Devono pertanto essere adottati algoritmi più semplici, possibilmente implementati sulle singole unità locali del sistema di misura distribuito, che cooperano insieme al fine di ottenere una stima accurata ed affidabile dello stato del sistema, in grado di fornire informazioni che non sono ottenute da misure dirette, ma sono necessarie per identificare l’origine dei disturbi.
L’implementazione di un sistema di misura distribuito, come quello richiesto dalle attività sopra menzionate, porta a tutta una serie di problemi metrologici, che riguardano la corretta valutazione di tutti i contributi all’incertezza finale di misura [22-26].
Uno dei problemi ancora non risolti riguarda la valutazione dei contributi di incertezza dati dalla casualità dei tempi di trasmissione dei dati tra le differenti unità del sistema distribuito [27].
Il programma di ricerca proposto ha lo scopo di investigare tutti i problemi sopra esposti, come verrà più precisamente descritto nel seguente punto 2.3.

B. Problematiche strumentali
Alla base dell’identificazione dell’origine di un disturbo sta sicuramente il rilievo del disturbo stesso. Ad oggi, la determinazione di un disturbo su un segnale di tipo elettrico, sia esso di tipo transitorio oppure periodico, non rappresenta un problema metodologico, dal momento che si trovano, in letteratura, numerosi algoritmi adatti a questo scopo [28-33]. Questi ultimi, generalmente basati sull’elaborazione numerica dei segnali, sono in grado di garantire operazioni in tempo reale anche su strumenti di tipo commerciale.
Il problema fondamentale, ancora per la maggior parte irrisolto, è invece la riduzione dei valori assunti dai segnali di corrente e di tensione a valori compatibili con la dinamica di ingresso degli strumenti elettronici impiegati in tutta la banda di frequenza richiesta, in modo tale da evitare inaccettabili distorsioni sui segnali di misura.
Attualmente, per effettuare tale riduzione, vengono ancora utilizzati i tradizionali trasformatori di misura elettromagnetici di corrente (TA) e di tensione (TV), i quali assicurano un corretto isolamento della sezione di misura, ma non sono in grado di operare correttamente in tutta la banda di frequenza desiderata. In particolare, nei trasformatori di tensione, sono possibili risonanze alle componenti di frequenza che sono presenti nei disturbi rilevati, soprattutto se questi ultimi sono di tipo transitorio. Le risonanze, introducendo componenti di tipo oscillatorio che non sono presenti sul circuito primario del trasformatore, modificano il segnale sul circuito secondario. Pertanto, tutti i risultati di misura risultano alterati.
Questi problemi possono essere evitati a patto di utilizzare trasduttori più moderni, basati su tecniche elettroniche o elettro-ottiche [34-36]: le caratteristiche metrologiche dei primi prototipi realizzati sembrano incoraggianti, anche se non sono ancora disponibili dati del loro comportamento in campo e della loro affidabilità. In particolare, l’affidabilità riguarda un aspetto critico ed estremamente importante. Infatti, mentre i dati circa l’affidabilità della tradizionale tecnologia elettromagnetica sono ben noti da un punto di vista sia teorico sia sperimentale, vista la notevole esperienza acquisita in campo, per i trasduttori non convenzionali, che sono già commercialmente disponibili, nessun dato specifico è disponibile, né nella letteratura scientifica, né da prove in campo. Sia per il ruolo critico giocato dai trasduttori nei sistemi di potenzia, sia per il loro costo, risulta estremamente importante conoscere la durata del loro ciclo di vita e fornire linee guida per una efficace manutenzione preventiva durante tale ciclo.
Una diversa possibile soluzione ai problemi introdotti dai trasduttori, quando si richiede di rilevare disturbi sovrapposti alla tensione di alimentazione, è dato dall’uso di sensori di campo elettrico e dall’analisi delle variazioni del campo elettrico misurato. Questa soluzione non richiede la connessione diretta dello strumento al sistema elettrico, garantendo così il livello di isolamento richiesto tra lo strumento ed il sistema. Ha anche il vantaggio di fornire una misura diretta del campo elettrico in prossimità del sistema elettrico, i cui valori possono essere utilizzati per monitorarne gli effetti sulla salute umana.
Con tale approccio, la questione aperta è la definizione dell’algoritmo ottimale per mettere in relazione le variazioni del campo elettrico misurate con il disturbo.
Il programma di ricerca proposto è finalizzato allo studio di tutti gli argomenti introdotti, come più precisamente descritto nel seguente punto 2.3. <<<