Enabling grid demand side flexibility through forecasting and distribution management systems

The last decade was full of investments towards the decarbonization of electricity production, which led to massive investments in renewable energy. However, grid infrastructure didn’t receive the same amount of investment, leading to a serious gap. Moreover, the increased frequency of severe climatic events imposes greater stresses on grids, especially in the local distribution sector. This thesis aims to analyse the effect of demand side flexibility on distribution grid management. However, this practice is only feasible if distribution management systems are capable of integrating the large amount of data needed by grid operators to use flexibility as a simple tool rather than a complex system. Furthermore, flexibility can only be used at its maximum potential if there is an accurate short-term forecasting of grid conditions, in order to avoid excessive user disservices while reducing the economic impact for distributors. An analysis of state-of-the-art solutions in demand side flexibility, IDMS and DERMS platforms, and forecasting is presented. These topics are deeply correlated in the context of enabling grid operators to use demand side flexibility as dynamic control method for grid management. Indeed, IDMS and DERMS allow to exploit forecasting and integration of distributed energy resources like flexible users. Moreover, the different strategies of demand flexibility are presented. The thesis is further integrated by case studies on Milan’s grid, which have the objective to show the impact that demand flexibility programs can have on real time grid operations, thanks to their role in reducing overloads during counter supplies of faulted grid feeders. Ultimately, this research contributes to the ongoing efforts in transitioning to a resilient, sustainable, and flexible power grid, paving the way for increased renewable energy integration and the realization of future smart grids.

L'ultimo decennio è stato caratterizzato da ingenti investimenti volti alla decarbonizzazione della produzione di energia elettrica, che hanno portato a massicci investimenti nelle fonti di energia rinnovabile. Tuttavia, le infrastrutture di rete non hanno ricevuto lo stesso livello di attenzione, generando un serio divario. Inoltre, la crescente frequenza di eventi climatici estremi impone maggiori sollecitazioni alle reti, specialmente nel settore della distribuzione locale. Questa tesi si propone di analizzare l’effetto della flessibilità lato domanda nella gestione delle reti di distribuzione. Tuttavia, questa pratica è realizzabile solo se i sistemi di gestione della distribuzione sono in grado di integrare la grande quantità di dati necessaria per consentire agli operatori di rete di utilizzare la flessibilità come uno strumento semplice, piuttosto che un sistema complesso. Inoltre, la flessibilità può essere sfruttata al massimo solo con una previsione a breve termine accurata delle condizioni di rete, al fine di evitare eccessivi disservizi agli utenti e ridurre l'impatto economico per i distributori. Viene presentata un'analisi delle soluzioni più avanzate nello stato dell'arte in materia di flessibilità lato domanda, piattaforme IDMS e DERMS e previsione delle condizioni di rete. Questi temi sono strettamente correlati nel contesto della possibilità, per gli operatori di rete, di utilizzare la flessibilità lato domanda come metodo di controllo dinamico per la gestione delle reti. Infatti, le piattaforme IDMS e DERMS consentono di sfruttare le previsioni e l'integrazione delle risorse energetiche distribuite, come gli utenti flessibili. Inoltre, vengono presentate le diverse strategie di flessibilità della domanda. La tesi è ulteriormente integrata da casi studio sulla rete di Milano, con l'obiettivo di mostrare l'impatto che i programmi di flessibilità della domanda possono avere sulle operazioni in tempo reale della rete, grazie al loro ruolo nella riduzione dei sovraccarichi durante le alimentazioni di emergenza dei segmenti di rete guasti. In definitiva, questa ricerca contribuisce agli sforzi in corso per la transizione verso una rete elettrica resiliente, sostenibile e flessibile, aprendo la strada a una maggiore integrazione delle energie rinnovabili e alla realizzazione delle smart grid del futuro.