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Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

01APPNC

A.A. 2020/21

2020/21

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

L'insegnamento si colloca nell'area di apprendimento dei Sistemi elettroenergetici e si propone di approfondire gli aspetti riguardanti i principali componenti dei sistemi di distribuzione dell'energia elettrica in Media Tensione e in Bassa Tensione. Vengono trattati la struttura dei sistemi, le caratteristiche dei dispositivi di protezione, le tecniche di analisi e ottimizzazione delle reti, lo studio della continuità e qualità del servizio elettrico nelle reti elettriche di distribuzione, gli effetti della diffusione della generazione distribuita connessa in rete, e la pianificazione ottimale delle reti.

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

The course belongs to the learning area of Electroenergetic systems and deals with the details of the analysis of components and operation of the electricity distribution systems at Medium Voltage and Low Voltage. The course contents include the structures of the distribution systems, the characteristics of the protection devices, the study and application of the distribution system analysis and optimization techniques, the study of power quality and continuity of supply in distribution networks, the effects of the diffusion of grid-connected distributed generation, and the optimal distribution network planning.

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

I contenuti trattati intendono fornire conoscenze e capacità di comprensione, in modo specifico o integrato con i contenuti degli altri insegnamenti della medesima area di apprendimento, e far acquisire allo studente un’appropriata consapevolezza verso i problemi trattati, con riferimento ai seguenti punti: - soluzioni progettuali per sistemi di distribuzione dell'energia elettrica; - scelta e coordinamento delle protezioni negli impianti elettrici; - modelli e tecniche numeriche di soluzione delle reti elettriche di distribuzione in condizioni normali e di guasto; - ottimizzazione del funzionamento delle reti elettriche; - impatto della generazione distribuita nelle reti elettriche; - affidabilità e qualità della fornitura dell'energia elettrica. Dal punto di vista applicativo, le capacità da acquisire rientrano in quelle indicate per l'area di apprendimento Sistemi elettroenergetici. Nel dettaglio, gli obiettivi minimi riguardano: - capacità di scegliere e interpretare le caratteristiche di funzionamento delle apparecchiature di manovra e protezione per sistemi elettrici di distribuzione; - capacità di impiego dei modelli dei componenti dei sistemi di distribuzione e di scrittura delle equazioni delle reti di distribuzione; - capacità di applicare almeno una tecnica numerica di soluzione di ciascuno dei problemi di analisi, riconfigurazione e pianificazione dei sistemi di distribuzione; - capacità di interpretare le problematiche di affidabilità e qualità del servizio nelle reti elettriche di distribuzione; - padronanza dei concetti principali riferiti alla connessione in rete della generazione distribuita.

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The course contents aim at providing knowledge and understanding skills, in a specific way or integrated with the contents of other courses belonging to the same learning area, with reference to the following points: - structures and solutions for electrical energy distribution; - selection and coordination of the protections in electrical installations; - modelling and numerical solution of distribution networks in normal operation and in case of faults; - distribution network optimization; - impact of the distributed generation in the distribution systems; - power quality and reliability of electricity supply. On the application side, knowledge and understanding aspects refer to the ones indicated for the Electroenergetic systems learning area. More specifically, the minimum objectives of the course include: - selection and interpretation of the operational characteristics of the switching and protection systems for electrical distribution systems; - defining the models of the components used in distribution systems and writing the equations describing the distribution system operation; - applying at least one numerical technique for solving each of the problems of distribution system analysis, reconfiguration and planning; - interpreting the aspects of reliability and power quality in the electrical distribution networks; - understanding the main concepts referred to the grid connection of distributed generation.

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Le conoscenze e abilità richieste come prerequisiti riguardano: - nozioni di base di calcolo matriciale e di elettrotecnica; - elementi di probabilità e statistica - conoscenza della struttura dei sistemi elettrici di produzione, trasporto e utilizzazione dell'energia elettrica; - conoscenza dei componenti e dispositivi di manovra e protezione impiegati in sistemi in Bassa Tensione; - conoscenza del comportamento delle macchine elettriche in condizioni normali e di guasto; - conoscenze elementari di programmazione (es. Matlab); - abilità nell'uso di supporti informatici di base (editor di testi e foglio elettronico).

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Knowledge and skills required as prerequisites for attending the course refer to: - basic notions of matrix calculations and electrical circuit analysis; - elements of probability theory and statistics - structure of the electrical systems for electrical energy production, transmission and utilization; - components and devices for operation and protection of Low Voltage systems; - behaviour of electrical machines in normal and fault conditions; - basic programming (e.g., Matlab); - use of basic text editing and spreadsheet tools.

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Il programma è suddiviso in quattro parti. Si riporta nel seguito l'elenco degli argomenti con il numero di ore indicativo per ciascun argomento. PARTE I – Protezione e manovra dei sistemi di distribuzione (27 ore): Definizioni di sovracorrente, sovraccarico, cortocircuito. Corrente di cortocircuito: componenti simmetrica e unidirezionale. Generalità sull'arco elettrico. Struttura e principio di funzionamento degli interruttori automatici per Media e Bassa Tensione. Fusibili. Tensione transitoria di ritorno (TTR). Interruzione di correnti in circuiti trifasi. Schemi funzionali ed esempi di applicazione. Generazione e misura di alte tensioni continue, alternate e impulsive. Prove con forti correnti. Connessione a terra delle reti (neutro a terra, neutro a terra tramite impedenza, neutro isolato). PARTE II – Struttura ed esercizio dei sistemi di distribuzione (25 ore): Schemi delle reti, modello dei componenti. Generazione distribuita e risorse distribuite. Modello delle reti elettriche con risorse distribuite. Classificazione e modelli dei carichi elettrici. Carichi residenziali aggregati, carichi uniformemente distribuiti, carichi a controllo termostatico e cold load pickup. Esempi di applicazione. Rappresentazione delle reti, calcolo dei flussi di potenza nelle reti radiali e debolmente magliate. Calcolo dei flussi di potenza nelle reti trifasi squilibrate, deterministico e probabilistico. Microreti ed evoluzione delle reti verso le “smart grid”. PARTE III – Ottimizzazione delle reti elettriche di distribuzione (24 ore): Classificazione dei problemi di ottimizzazione, riconfigurazione ottimale in condizioni normali, funzioni obiettivo, vincoli e tecniche di soluzione. Esempi di calcolo. Pianificazione operativa delle reti. Funzioni obiettivo individuali e multi-obiettivo, vincoli e metodi di soluzione. PARTE IV – Continuità e qualità del servizio elettrico (24 ore): Automazione delle reti elettriche di distribuzione, ripristino del servizio e affidabilità delle reti. Indicatori di affidabilità locali e globali. Qualità delle forme d'onda. Distorsione armonica nei sistemi squilibrati. Buchi di tensione e relativi indicatori. Flicker. Load-flow armonico delle reti. Qualità commerciale.

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The contents are composed of four main parts, reported below together with the indicative number of hours for each part. PART I – Distribution network switching and protection (27 hours): Definitions of overcurrent, overload and short-circuit. Short-circuit currents, symmetrical and uni-directional components. Generalities on the electric arc. Structure and operation of circuit-breakers for Medium and Low Voltage. Transient Recovery Voltage (TRV). Current interruption in three-phase circuits. Functional schemes and applications. Generation and measurement of direct, alternative and impulsive high voltages. High-current tests. Analysis of the neutral point connections (grounded, grounded through impedance, isolated). PART II – Distribution system structure, analysis and operation (25 hours): Network structures, component models, electrical load classification, aggregate residential loads, uniformly distributed loads, thermostat-controlled loads and cold load pickup; application examples. Distributed generation and resources. Grid connection of the distributed resources. Network representations, power flow calculations in radial and weakly-meshed networks, power flow of unbalanced three-phase systems, probabilistic power flow. Microgrids and evolution of the networks according to the smart grids paradigm. PART III – Distribution system optimization (24 hours): Classification of the optimization problems, optimal reconfiguration in normal conditions, objective functions, constraints, solution techniques. Examples. Optimal distribution operational planning. Single objective functions, multi-objective formulations, constraints and solution methods. PART IV – Service continuity and power quality (24 hours): distribution network automation, service restoration. Distribution system reliability, local and global reliability indicators. Waveform quality, harmonic distortion in unbalanced systems, voltage dips and related indicators. Flicker. Harmonic power flow. Commercial quality.

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

Relevant sustainable development goals: 4, 7, 9, 11, 12, and 13.

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

Relevant sustainable development goals: 4, 7, 9, 11, 12, and 13.

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

Oltre alle lezioni in aula, sono previste esercitazioni di laboratorio informatico e sperimentale. Laboratorio informatico (15 ore): calcolo dei flussi di potenza nelle reti elettriche con profili di carico e generazione distribuita; ottimizzazione delle reti elettriche. Laboratori ed esercitazioni sperimentali (3 ore): misure su reti elettriche in condizioni di funzionamento non sinusoidali. Attività presso i laboratori INRIM di Torino (6 ore): prove termiche, prove con alte tensioni e prove con forti correnti. Eventuali visite tecniche presso enti o aziende del settore.

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In addition to the lectures, the course programme includes the use of software tools laboratory activities. Solution of problems with software tools (15 hours): distribution system power flow calculations; distribution network optimization. Laboratory and experimental activities (3 hours): measurements on electrical components and systems in non-sinusoidal operating conditions. Laboratory for thermal, high-voltage and high-current tests at INRIM Torino (6 hours). Possible technical visits at companies and industries.

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Appunti dalle lezioni e documentazione disponibile sul portale della didattica. Non esiste alcun testo commerciale che comprenda integralmente gli argomenti trattati. Libri di riferimento: J. Arrillaga, N.R. Watson, Power system harmonics, 2nd edition, Wiley (ISBN 0-470-85129-5), 2003. R. Billinton, R.N. Allan, Reliability evaluation of power systems, 2nd edition, Plenum Press, New York (ISBN 0-306-45259-6), 1996. M. Bollen, Understanding power quality problems: voltage sags and interruptions, IEEE Press (ISBN 978-0-7803-4713-7), 2000. R.E. Brown, Electric power distribution reliability, Marcel Dekker (ISBN 0-8247-0798-2), 2002. V. Cataliotti, Impianti elettrici, Vol. III: Analisi dei sistemi di distribuzione a media e bassa tensione, Flaccovio, Palermo (ISBN 8878042579). N. Jenkins, R. Allan, P. Crossley, D. Kirschen, G. Strbac, Embedded generation, IET (ISBN 978-0-85296-774-4), 2000. W. H. Kersting, Distribution systems modeling and analysis, CRC Press (ISBN 0-8493-0812-7), 2001. D.N. Gaonkar (ed.), Distributed Generation, Intech (ISBN 978-953-307-046-9), 2010. Available on-line at http://sciyo.com/books/show/title/distributed-generation. Altri riferimenti: T.E. Browne, Jr. (ed.), Circuit interruption - Theory and techniques, Dekker, New York, (ISBN 0-8247-7177-X), 1984. C.H. Flurscheim (ed.), Power circuit breaker theory and design, Peregrinus, London, UK (ISBN 0-906048-70-2), 1975. R.D. Garzon, High Voltage Circuit Breakers, Dekker, New York (ISBN 0-8247-9821-X), 1997. M. Khalifa (ed.), High-Voltage Engineering - Theory and practice, Dekker, New York (ISBN 0-8247-8128-7), 1990.

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Lecture notes and material available on the course web site. There is no commercial text covering the whole course topics. Reference books: J. Arrillaga, N.R. Watson, Power system harmonics, 2nd edition, Wiley (ISBN 0-470-85129-5), 2003. R. Billinton, R.N. Allan, Reliability evaluation of power systems, 2nd edition, Plenum Press, New York (ISBN 0-306-45259-6), 1996. M. Bollen, Understanding power quality problems: voltage sags and interruptions, IEEE Press (ISBN 978-0-7803-4713-7), 2000. R.E. Brown, Electric power distribution reliability, Marcel Dekker (ISBN 0-8247-0798-2), 2002. N. Jenkins, R. Allan, P. Crossley, D. Kirschen, G. Strbac, Embedded generation, IET (ISBN 978-0-85296-774-4), 2000. W. H. Kersting, Distribution systems modeling and analysis, CRC Press (ISBN 0-8493-0812-7), 2001. D.N. Gaonkar (ed.), Distributed Generation, Intech (ISBN 978-953-307-046-9), 2010. Available on-line at http://sciyo.com/books/show/title/distributed-generation. Other references: T.E. Browne, Jr. (ed.), Circuit interruption - Theory and techniques, Dekker, New York, (ISBN 0-8247-7177-X), 1984. C.H. Flurscheim (ed.), Power circuit breaker theory and design, Peregrinus, London, UK (ISBN 0-906048-70-2), 1975. R.D. Garzon, High Voltage Circuit Breakers, Dekker, New York (ISBN 0-8247-9821-X), 1997. M. Khalifa (ed.), High-Voltage Engineering - Theory and practice, Dekker, New York (ISBN 0-8247-8128-7), 1990.

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

L’insegnamento riguarda un vasto insieme di concetti e applicazioni. Per accertare le conoscenze, le competenze e la consapevolezza che lo studente ha raggiunto al termine delle attività svolte, la prova orale offre l’ampiezza appropriata per pervenire a un’adeguata valutazione. Il file contenente il consuntivo dettagliato degli argomenti svolti, riferito alle quattro parti del programma svolto, viene inserito dal docente sul portale della didattica al termine delle attività e serve come riferimento per la preparazione dell'esame. L’accesso alla prova orale è subordinato alla verifica (senza voto) di saper risolvere alcuni problemi con l'uso del calcolatore; tali abilità vengono verificate nel corso delle esercitazioni, sulla base dell'ottenimento dei risultati previsti dall'esecuzione dei programmi di calcolo, oppure successivamente con appuntamento concordato con il docente per chi non ha terminato le attività durante le esercitazioni. Non è prevista la stesura di relazioni. Le date di esame vengono concordate con la Commissione all'interno dei periodi di esame prestabiliti. Le condizioni per la partecipazione alla prova orale in remoto, oltre ad aver ottenuto l'ammissione con approvazione delle esercitazioni di calcolo, includono: (1) disponibilita' di audio e webcam; (2) presenza locale della sola persona che partecipa al colloquio; (3) uso di penna e foglio bianco, senza possibilita' di consultazione di testi, altro materiale, o persone; (4) telefoni e altri sistemi di comunicazione spenti. La discussione orale comprende di norma quattro domande, una per ogni parte del programma svolto, e può richiedere la discussione di materiale prodotto durante le esercitazioni e l'esecuzione di calcoli con calcolatrici portatili o al calcolatore. L'esame viene superato se sono stati raggiunti gli obiettivi minimi indicati nella sezione "Risultati di apprendimento attesi". Il mancato raggiungimento di uno o più obiettivi minimi comporta il non superamento dell'esame.

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Exam: Compulsory oral exam;

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The course includes a wide set of concepts and applications. In order to assess the knowledge, and ability level reached on the different topics of the course programme. The file containing the detail of the topics addressed, referring to the four parts of the course programme, is posted on the web site at the end of the activities of the course and serves as a reference for preparing the exam. The access to the oral exam is subject to prior demonstration of the ability to solve application problems with the use of the personal computer; the acquisition of this kind of ability is tested on the basis of the obtainment of the correct results by running the calculation programs, either during the classwork time or during agreed meetings with the professor responsible of the course. No written report has to be prepared. The exam dates are agreed with the Commission during the scheduled exam periods. The conditions for participating in the oral exam online, provided that the student has been admitted with the approval of the activity carried out to solve the application problems, are as follows: (1) availability of a webcam; (2) local presence of the only student who participates in the exam; (3) use of a pen and of a clean paper only, with no possibility of consulting texts and other material; and (4) telephone(s) and other communication systems switched off. The oral colloquium generally includes four questions, one on each part of the course, and could include the discussion on material produced during the execution of the calculation programs. The exam is passed if all the minimum objectives indicated in the section "Expected learning outcomes" are reached. Failure in reaching one or more of the minimum objectives determines the non-passed exam evaluation.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

L’insegnamento riguarda un vasto insieme di concetti e applicazioni. Per accertare le conoscenze, le competenze e la consapevolezza che lo studente ha raggiunto al termine delle attività svolte, la prova orale offre l’ampiezza appropriata per pervenire a un’adeguata valutazione. Il file contenente il consuntivo dettagliato degli argomenti svolti, riferito alle quattro parti del programma svolto, viene inserito dal docente sul portale della didattica al termine delle attività e serve come riferimento per la preparazione dell'esame. L’accesso alla prova orale è subordinato alla verifica (senza voto) di saper risolvere alcuni problemi con l'uso del calcolatore; tali abilità vengono verificate nel corso delle esercitazioni, sulla base dell'ottenimento dei risultati previsti dall'esecuzione dei programmi di calcolo, oppure successivamente con appuntamento concordato con il docente per chi non ha terminato le attività durante le esercitazioni. Non è prevista la stesura di relazioni. Le date di esame vengono concordate con la Commissione all'interno dei periodi di esame prestabiliti. Le condizioni per la partecipazione alla prova orale in remoto, oltre ad aver ottenuto l'ammissione con approvazione delle esercitazioni di calcolo, includono: (1) disponibilita' di audio e webcam; (2) presenza locale della sola persona che partecipa al colloquio; (3) uso di penna e foglio bianco, senza possibilita' di consultazione di testi, altro materiale, o persone; (4) telefoni e altri sistemi di comunicazione spenti. Nel caso in cui la prova orale sia in presenza, si tiene senza possibilita' di consultazione di testi, altro materiale, o persone. La discussione orale comprende di norma quattro domande, una per ogni parte del programma svolto, e può richiedere la discussione di materiale prodotto durante esercitazioni e l'esecuzione di calcoli con calcolatrici portatili o al calcolatore. L'esame viene superato se sono stati raggiunti gli obiettivi minimi indicati nella sezione "Risultati di apprendimento attesi". Il mancato raggiungimento di uno o più obiettivi minimi comporta il non superamento dell'esame.

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

Exam: Compulsory oral exam;

Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica

The course includes a wide set of concepts and applications. In order to assess the knowledge, and ability level reached on the different topics of the course programme. The file containing the detail of the topics addressed, referring to the four parts of the course programme, is posted on the web site at the end of the activities of the course and serves as a reference for preparing the exam. The access to the oral exam is subject to prior demonstration of the ability to solve application problems with the use of the personal computer; the acquisition of this kind of ability is tested on the basis of the obtainment of the correct results by running the calculation programs, either during the classwork time or during agreed meetings with the professor responsible of the course. No written report has to be prepared. The exam dates are agreed with the Commission during the scheduled exam periods. The conditions for participating in the oral exam online, provided that the student has been admitted with the approval of the activity carried out to solve the application problems, are as follows: (1) availability of a webcam; (2) local presence of the only student who participates in the exam; (3) use of a pen and of a clean paper only, with no possibility of consulting texts and other material; and (4) telephone(s) and other communication systems switched off. If the oral exam is onsite, there is no possibility of consulting texts, other material, or persons. The oral colloquium generally includes four questions, one on each part of the course, and could include the discussion on material produced during the execution of the calculation programs, and the execution of calculations with a portable calculator or the personal computer. The exam is passed if all the minimum objectives indicated in the section "Expected learning outcomes" are reached. Failure in reaching one or more of the minimum objectives determines the non-passed exam evaluation.

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