Network efficiency and DG integration : some regulatory studies on a detailed model of Italian distribution networks

Promoting and implementing an Energy Efficiency plan and integrating Dispersed Generation (DG) in the grid are the most important challenge of the near future for power systems in most of EU countries. The studies presented in this work were performed considering two different directions of investigation. The first one consists of the identification of technical solutions that can be implemented in the Italian networks. The second one is related to regulating issues: starting from the current regulatory framework, some new possible regulating schemes have been identified. Many of the results obtained in these three years of research (as discussed in previous chapters) have been used as a basis for Consultation Documents and Resolutions of the Italian Authority. The initial part of the thesis work led to the definition of a significant sample of the Italian distribution networks, that includes suitable load profile curves. For the load losses factor investigation, three different levels of width and depth were adopted: the whole national transmission electrical network (according to network data and calculations made by Terna); a large sample of MV distribution networks (representing about 10% of MV Italian networks ); and a reduced sample of LV distribution networks (representing about 1% of MV networks existing in Italy): the three different levels of in-depth analysis of the study (and the three different methods chosen) are due to the different availability of real information (operational data). Then, in order to correctly simulate the behavior of electrical systems in real operating conditions (one year), suitable load profile curves have been defined, with particular attention to MV loads. In fact, with a simulation period of one year it is possible to capture the seasonality effects and to gain insights into the system behavior under different conditions. To overcome the difficulties related to managing an excessive quantity of data (hourly profiles for some thousands MV loads), an approximated approach was chosen, based on publicly available data, that resulted in Hour Band Curves for two different classes of MV loads. Once the models of distribution networks and the algorithms needed for analysis, were completed and validated, the thesis work has been focused on four different parts. The first one concerned the calculation of energy losses for the transmission and distribution Italian networks, along with and the relevant loss factors: the final results of the study were used by the Regulator in order to revise the standard losses (Resolution ARG/elt 196/11 and DCO 13/2012/R/eel). After determining the new loss factors that make standard losses closer to the real ones and induce the DSOs to promote energy efficiency measures on the electricity network, further analysis (detailed on MV distribution networks) were undertaken, focused on the customers power factor: this is the second part of the thesis work. Among the various methods to reduce technical losses on distribution networks, improving the PF can be seen as the quickest and cheapest solution. The results showed that the higher PF limits involve the reduction of losses incurred in transporting electricity through transmission and distribution networks, the reduction in the total capacity needed within networks, the reduction in peak provision by upstream network, with an higher efficiency in energy delivering. These results are reported in DCO 13/11 that describes a possible new regulation scheme in order to incentive the customers to install reactive compensation devices at their premises. The third part of the thesis work is focused on the DG integration into the network. Based on the previous Nodal Hosting Capacity researches carried out by the Department of Energy of Politecnico di Milano, we performed more sophisticated investigations, by using the Probabilistic Nodal Hosting Capacity approach. In fact, a realistic evaluation of where and when a constraint infringement occurs can be difficult to obtain by simply using traditional deterministic LF analysis, based on an arbitrary combination of consumer loads, e.g. using average loads, as this does not take into account the statistical variation of customers withdrawal. The results show that the PLF approach can be more appropriate than the DLF one, due to the realistic representation of the variability of the actual loading conditions, and the capability of providing probabilistic margins with respect to constraint violation. Furthermore, moving from a nodal approach (each bus considered separately) to a circuit approach (set of MV busses considered jointly) or to a Primary Station approach (set of MV circuits considered jointly, System Hosting Capacity, SHC), or even to a system approach, we observed that the high degree of DG penetration has considerable impacts on operation, control, protection and reliability of the existing power systems: this is the fourth part of thesis work. In order to avoid negative impacts, we performed some studies about a new framework (smart grids) for improved management of distribution networks, with attention to interoperability, security, and resilience problems in presence of a huge quantity of DG. In more detail, the studies were used as a base for submitting a project in the selection process for smart grid demonstration initiatives.. The A2A Lambrate Project has been selected, and obtained the highest ranking. It represents a field demonstration of smart grid concepts, and is aimed at restructuring a specific power network through innovative technologies that allow, after being implemented, an active RES management, focusing on the need for standardization and unification, as well as on cost reduction. The new solutions and components proposed in the Project are aimed at remove the network constraints so as to accept a larger amount of DG.

Aumentare l’efficienza energetica e integrare le fonti energetiche rinnovabili (FER), disponibili sul territorio e altrimenti non sfruttabili, è la più importante sfida del prossimo futuro per i sistemi elettrici nella maggior parte dei Paesi dell’Unione Europea e rappresenta oggi l’unica via ragionevolmente percorribile per soddisfare gli obiettivi definiti dal Protocollo di Kyoto e dal pacchetto europeo “20-20-20”. Tutti gli studi sono stati condotti considerando due diverse direzioni di indagine, una scientifica volta all’identificazione delle soluzioni tecniche più opportune da implementare in campo, e una di tipo normativo-regolatorio, che partendo dallo studio della regolazione attuale, ha contribuito a definire nuove possibili prospettive di regolazione: molti dei risultati conseguiti in questi tre anni di ricerca sono infatti allegati a Delibere e Documenti di Consultazione dell’Autorità per l’energia elettrica e il gas. La parte iniziale del lavoro di tesi ha portato alla realizzazione di un modello capace di simulare correttamente il comportamento dei sistemi elettrici in reali condizioni di esercizio (un intero anno), nella prospettiva di stimare quali siano i risparmi conseguibili tramite lo sviluppo di tecnologie in grado di ridurre il fabbisogno di energia primaria a parità di servizio energetico. Per il livello MT si è utilizzato un campione significativo di reti di distribuzione MT (in numero pari a circa il 10% del totale sistema di distribuzione nazionale), che comprende dati reali relativi a reti di diversi distributori che rappresentano ambiti ad alta, media e bassa densità, appartengono a zone geografiche piuttosto estese del territorio nazionale e ricoprono in modo omogeneo tutte le regioni italiane. Per le reti BT il campione utilizzato è pari a circa l’1‰ della totale rete nazionale. Al fine di garantire un elevato grado di realismo nelle simulazioni, è stato fondamentale implementare una corretta modellazione delle traiettorie temporali dei carichi. A tale scopo si sono effettuate analisi approfondite per la determinazione di profili di carico da attribuire alle utenze collegate in rete. A partire dalle curve cronologiche (relative ad un intero anno di esercizio, 8760 punti) di utenti MT e cabine MT/BT, sono state sviluppate procedure finalizzate ad individuare curve con un ridotto numero di punti capaci di mantenere le stesse informazioni di utilizzo e contemporaneità di quelle reali. La accuratezza di tale modellizzazione è stata provata attraverso indicatori statistici di valenza generale (deviazione standard) e parametri elettrici più specifici. Ulteriori studi e analisi hanno poi portato ad una gestione probabilistica dei carichi, implementando funzioni di distribuzione cumulative per ogni punto della curva di prelievo, e il corrispondente modello di load flow probabilistico, in modo da considerare anche gli effetti dovuti alla non contemporaneità dell’utilizzo di energia elettrica. Conclusa e validata la modellizzazione delle reti e degli algoritmi necessari per le analisi, la ricerca si è focalizzata su tre differenti direzioni. La prima ha riguardato la revisione dei fattori percentuali convenzionali di perdita di energia elettrica sulle reti di distribuzione e trasmissione. In particolare, si sono determinate le perdite di rete e i relativi fattori percentuali per l’intero territorio nazionale sulla RTN (in collaborazione con Terna) e per le reti di distribuzione MT e BT. La seconda direzione di indagine è relativa alla definizione di nuovi criteri di esercizio per le utenze MT e BT in relazione all’assorbimento di potenza reattiva. Lo studio è stato condotto prendendo come riferimento temporale un intero anno di esercizio, durante il quale per ogni carico collegato in linea è stato simulato un prelievo di potenza variabile di ora in ora, secondo una specifica curva di carico. Per ciascuno di tali scenari si è determinato come cambiano le perdite rispetto alla variazione del fattore di potenza dei soli carichi MT (congruentemente con una realistica possibile evoluzione della relativa regolazione). La terza parte del lavoro ha riguardato la generazione diffusa sulle reti di distribuzione e la conseguente evoluzione verso le smart grids. Relativamente allo sviluppo della GD si sono svolte analisi sulla capacità di accettare quantità crescenti di potenza di generazione sulle reti di distribuzione MT, in accordo con i vincoli tecnici attualmente vigenti (variazioni lente e rapide di tensione, portata a regime delle linee MT, livelli di cortocircuito ammissibili e inversione del flusso di potenza sul trasformatore AT/MT): tali analisi sono poi state ulteriormente approfondite attraverso studi probabilistici con metodo Monte Carlo in modo da considerare anche la variabilità dei carichi. Il lavoro riporta anche una approfondita descrizione dei problemi legati alla gestione della rete di distribuzione (sistemi di protezione e automazione nonché per la regolazione di tensione) in presenza di GD, che di fatto costituisce l’ultimo tema della ricerca. Una massiccia penetrazione della GD impone, infatti, un ripensamento delle modalità di gestione delle reti, che devono passare da ‘passive’ ad ‘attive’. In tale ambito, l’ultima parte del lavoro, è relativa alla descrizione di un progetto smart grid su una rete reale preparato per A2A Reti Elettriche S.p.A. il progetto che è stato selezionato dall’Autorità per l’energia elettrica e il gas è in corso di svolgimento. Nell’ultimo capitolo sono ampiamente descritti i componenti da implementare e le funzioni da sviluppare (utilizzando un sistema di comunicazione basato esclusivamente su rete internet pubblica), nonché i benefici attesi a valle del progetto.