Optimal management of distribution networks: the grid perspective

This thesis investigates the optimal use of flexibility in Distribution Networks, with a focus on enabling Distribution System Operators to operate increasingly active and complex grids. As renewable generation, storage systems, and flexible loads become more widespread, traditional planning and control approaches are no longer sufficient. The work addresses this challenge by proposing a set of optimization models and tools that can support grid operation while respecting technical constraints. The first part of the research is dedicated to the development of linear programming models for the activation of flexibility in both low and medium voltage networks. The models account for grid limitations and are suitable for integration into market mechanisms such as the Ancillary Services Market. Another contribution concerns network reconfiguration. The proposed method introduces the concept of configuration shift steps to represent transition paths between network states, improving the realism and safety of reconfiguration strategies. Further developments include the modeling of voltage variations and zero-impedance branches. Additional work focuses on voltage regulation through decentralized reactive power control and on battery degradation modeling for long-term optimization. The models have been tested on realistic case studies and offer a practical balance between detail and computational efficiency. Results show how flexibility can be effectively used to support secure and efficient grid operation. Some assumptions and simplifications are discussed, such as deterministic load and generation profiles, and possible future extensions are identified, such as the inclusion of the stochasticity of renewable resources.

Questa tesi studia l’uso ottimale della flessibilità nelle reti di distribuzione, con l’obiettivo di consentire ai gestori dei sistemi di distribuzione di gestire reti sempre più attive e complesse. Con la diffusione della generazione rinnovabile, dei sistemi di accumulo e dei carichi flessibili, gli approcci tradizionali di pianificazione e controllo non sono più sufficienti. Il lavoro affronta questa sfida proponendo una serie di modelli e strumenti di ottimizzazione in grado di supportare il funzionamento della rete nel rispetto dei vincoli tecnici. La prima parte della ricerca è dedicata allo sviluppo di modelli di programmazione lineare per l’attivazione della flessibilità nelle reti a bassa e media tensione. I modelli tengono conto delle limitazioni della rete e sono adatti all’integrazione in meccanismi di mercato come il mercato dei servizi ausiliari. Un altro contributo riguarda la riconfigurazione della rete. Il metodo proposto introduce il concetto di fasi di spostamento della configurazione per rappresentare i percorsi di transizione tra gli stati della rete, migliorando il realismo e la sicurezza delle strategie di riconfigurazione. Ulteriori sviluppi includono la modellazione delle variazioni di tensione e dei rami a impedenza zero. Un ulteriore lavoro si concentra sulla regolazione della tensione attraverso il controllo decentralizzato della potenza reattiva e sulla modellazione del degrado delle batterie per l’ottimizzazione a lungo termine. I modelli sono stati testati su casi di studio realistici e offrono un equilibrio pratico tra dettaglio ed efficienza computazionale. I risultati mostrano come la flessibilità possa essere efficacemente utilizzata per supportare un funzionamento sicuro ed efficiente della rete. Vengono discusse alcune ipotesi e semplificazioni, come i profili di carico e generazione deterministici, e vengono identificate possibili estensioni future, come l’inclusione della stocasticità delle risorse rinnovabili.