Design of a testbed for smart load management

Energy consumption is one of the main indexes of development: higher energy consumption per capita for a country typically indicate higher levels of development and a stronger economy. However, in recent years, economic and environmental reasons have prevented steady growth of energy production: a trend has thus established towards smart, automatically controlled energy management systems that can make energy usage more efficient, and overcome the limitations of primary power availability. The present work focuses on the smart power management system developed by ABB as part of the Low Voltage distribution network, and embedded in the circuit breakers: the system can control connection and disconnection of loads with the purpose of maintaining average power within preset boundaries, and preventing demand peaks. With the purpose of testing load management systems in realistic condition, a real time, hardware in the loop test system was designed and built, which is the subject of the present thesis. The system is based on a mathematical model of the electrical consumption of the installation under control: based on such model, a real time, simulated power measurement signal is generated, that the controller uses to implement its load activation and deactivation strategy. In turn, activation and deactivation are taken into account for the continuation of simulation, thus closing the loop. After describing the architecture and components of the designed system, a number of test cases used for validation are shown. The simulation system includes a complete graphical operator interface, which can be used for demonstration and training purposes, so that performance and operation of load management systems can be made apparent.

Il consumo di energia è uno degli indicatori di sviluppo più utilizzati: un maggior consumo pro capite di energia per un paese indica di solito un maggior livello di sviluppo e una economia più avanzata. Tuttavia, negli ultimi anni, la crescita della produzione energetica è divenuta più difficile per ragioni sia ambientali che economiche: è quindi divenuto necessario creare sistemi di gestione dell'energia più intelligenti ed efficienti, che utilizzino l'automazione per superare i limiti dovuti alla scarsità di energia primaria. Il presente lavoro di tesi riguarda un sistema di gestione intelligente dei carichi elettrici sviluppato da ABB come parte delle reti di distribuzione di bassa tensione, e installato negli interruttori: tale sistema può comandare la connessione e la disconnessione di carichi, con lo scopo di mantenere la potenza media consumata all'interno dei limiti consentiti evitando picchi di consumo. Per realizzare test dei sistemi di controllo dei carichi in condizioni realistiche, è stato realizzato un sistema di test in tempo reale con tecnologia Hardware In The Loop, che è oggetto dell'attività di tesi qui descritta. Il sistema utilizza un modello matematico del consumo elettrico del sistema sotto controllo: sulla base di tale modello, viene generato una simulazione del segnale di misura della potenza, che il controllore usa per implementare la propria strategia di connessione e disconnessione. A loro volta, tali operazioni di connessione e disconnessione sono considerate nel determinare i valori successivi del consumo di potenza, facendo così funzionare il sistema ad anello chiuso. Dopo la descrizione dell'architettura e dei componenti utilizzati, verranno mostrati di casi d'uso utilizzati per la validazione. Il sistema di simulazione comprende un'interfaccia grafica completa, che si può utilizzare per dimostrazione o per formazione tecnica, rendendo così possibile mostrare in cari realistici il funzionamento e le prestazioni otenibili con il controllo carichi.