Structural and functional optimization in distribution grid planning

In this thesis, we consider the problem of planning an electric urban distribution network already in place, specifically the electric distribution network of Milano (Italy). Due to historical reasons, it grew up as two feeder systems, resulting of a two different utility companies. Currently, the entire electric distribution network of Milano is running from the utility operator A2A Reti Elettriche, which needs to integrate those two distribution networks changing, at the same time, the feeder system layout in a way that increase reliability. The integration has to be done at the minimal cost and must take into account the distribution network already in place. Two specific feeder design, called step ladder layout, have been studied, investigate advantages and disadvantages of both configurations. Some Integer Linear programming (ILP) approaches are presented and applied on test networks and real sub network of the Milano electric distribution network. Moreover, a clustering optimization procedure has been developed, based on HV/MV substations service areas concept, adapted to take into account the specific future network configuration, i.e. the step ladder layout. Network clusterization is often necessary and preparatory for distribution networks planning especially for biggest systems, as the Milano electric distribution network, otherwise not tackled as an entire entity. Results have been shown that, using the optimization process, there is a significant reduction of the distribution network extension, increasing, at the same time, both reliability of the feeder system and quality of the service offered to the customers.

La presente tesi di dottorato ha come oggetto la pianificazione delle reti urbane di distribuzione dell'energia elettrica, con riferimento specifico alla rete elettrica di distribuzione di Milano. Per ragioni storiche, a Milano sono presenti due reti elettriche di distribuzione, nate e che si sono sviluppate in maniera indipedente e senza nessuna coordinazione, entrambe attualmente operate dall'azienda A2A Reti Elettriche, come se fossero complessivamente una rete unica. L'obiettivo primo del'azienda è la razionalizzazione dell'intera rete di distribuzione, come conseguenza dell'integrazione delle due reti suddette e del contemporaneo aggiornamento della struttura complessiva di rete. La razionalizzazione, che dovrà garantire la minimizzazione complessiva dei costi, non potrà prescindere dal considerare la attuale struttura di rete. Due particolari tipologie di strutture ribattezzate come "scala a pioli" sono state indagate, evidenziando e confrontando vantaggi e svantaggi di entrambe le topologie. Sono stati inclusi nella tesi diversi modelli matematici di programazzione lineare mista intera, sviluppati e successivamente applicati sia a reti test che su porzioni reali della rete elettrica di distribuzione di Milano. In aggiunta, è stata sviluppata una procedura per la clusterizzazione delle reti elettriche di distribuzione, la quale utilizza ed amplia i concetti delle aree di influenza delle cabine primarie. La clusterizzazione è infatti passaggio indispensabile e propedeutico per una successiva pianificazione di dettaglio delle reti elettriche di distribuzione di grandi dimensioni, come appunto quella di Milano, altrimenti non approcciabili come un'unica entità. I risultati dell'applicazione dei modelli di pianificazione ottima di rete hanno dimostrato la loro utilità per la riduzione sostanziale dell'estensione della rete attualmente installata, la riduzione delle perdite di rete e dei costi di manutenzione, l'aumento dell'affidabilità e conseguentemente della qualità del servizio offerto ai clienti.