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PORTALE DELLA DIDATTICA

Smart grids

01QWVBH

A.A. 2018/19

Course Language

English

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Ict For Smart Societies - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 60
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Bompard Ettore Francesco Professore Ordinario ING-IND/33 25 0 0 0 4
Teaching assistant
Espandi

Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/33
ING-INF/03
4
2
C - Affini o integrative
B - Caratterizzanti
Attività formative affini o integrative
Ingegneria delle telecomunicazioni
L’insegnamento intende fornire a studenti con una conoscenza di base riferita al settore delle tecnologie dell’informazione e comunicazione (ICT) una visione sulla struttura e sul funzionamento delle reti elettriche intelligenti (smart grid) moderne e future, anche con riferimento agli aspetti riguardanti l’interazione tra i sistemi elettrici per l’energia ed i contenuti del settore ICT. Partendo da una panoramica generale dell’evoluzione dei sistemi elettrici di potenza verso la realizzazione di supergrid nella trasmissione ad alta tensione e di microreti elettriche di distribuzione, l’insegnamento tratta in modo specifico i temi riferiti alla gestione dei sistemi elettrici di distribuzione in media tensione e in bassa tensione, evidenziando i contributi del settore ICT alla modernizzazione delle reti con incremento del livello di automazione, controllo, comunicazione e gestione dei dati. Al termine del semestre, lo studente dovrà aver acquisito un insieme di conoscenze che lo mettono in grado di dialogare con gli operatori del sistema elettrico di distribuzione utilizzando la corretta terminologia e mostrando adeguata preparazione nella discussione delle problematiche di base. Inoltre, lo studente dovrà aver acquisito abilità di formulazione di problemi di ottimizzazione riferiti alle reti elettriche di distribuzione, scegliendo i metodi adatti per la soluzione di tali problemi. Infine, lo studente potrà interagire in modo efficace con gli operatori del sistema elettrico per discutere l’applicazione di soluzioni ICT alle smart grid.
This course is aimed at giving students with an ICT background a view on the structure and operation of modern and future electrical networks (smart grids), also pointing out the aspects referring to the interaction between power and energy systems and ICT contents. Starting from an overview on the evolution of the power and energy systems towards the construction of supergrids in high voltage bulk transmission systems and of microgrids in electrical distribution systems, the course addresses in a specific way the topics referring to the structure and operation of Medium Voltage and Low Voltage distribution systems, highlighting the contributions of the ICT sector to network modernization with increasing levels of automation, control, communication and data management. At the end of the semester, the student will have to gain knowledge on a set of aspects that enable him/her to dialogue with the operators of the electrical distribution system by using appropriate terminology and showing adequate competence in discussing about basic network-related problems. In addition, the student will have to gain competence in formulating optimization problems referring to the electrical distribution networks, choosing the most suitable methods to solve these problems. Finally, the student will be able to interact in an effective way with the network operators to discuss about the application of ICT solutions to the smart grid.
Gli studenti che superano l’esame saranno in grado di comprendere i concetti di base riferiti alla struttura e al funzionamento dei sistemi di trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica; utilizzare la terminologia corretta per trattare problemi riguardanti le smart grid nel contesto dei sistemi elettrici di potenza; interpretare in modo appropriato il ruolo delle smart grid nei sistemi elettroenergetici attuali; formulare problemi di analisi e ottimizzazione riferiti ad applicazioni delle smart grid e scegliere il metodo di soluzione adatto; comprendere il ruolo della generazione distribuita e delle risorse distribuite nella gestione delle reti elettriche attive e nella gestione della domanda elettrica, incluse le connessioni con soluzioni ICT per la comunicazione, il controllo e la gestione dei dati.
The students who pass the exam will be able to understand the basic concepts referring to the structure and operation of the electrical networks at the transmission and distribution levels; use the correct terminology to address power and energy systems problems referring to smart grids; interpret appropriately the role of smart grids in the current energy system context; formulate analysis and optimization problems referring to smart grid applications and choosing the suitable solver; understand the role of distributed generation and resources in active distribution network management and demand-side management, and their connections with ICT solutions for communication, control and data management.
Le precedenze raccomandate comprendono la conoscenza del calcolo matriciale, dell’algebra dei numeri complessi, delle nozioni base di elettrotecnica (circuiti in corrente continua e in corrente alternata monofase), controlli automatici (funzioni di trasferimento, controllo in retroazione) e misure elettriche (incertezza di misura, principio di funzionamento degli strumenti di misura delle grandezze elettriche).
The prerequisites include the knowledge of matrix calculations, complex numbers, basic electrotechnics (direct current and single-phase alternating current circuits), automatic control (transfer functions, feedback control) and electrical measurement (measurement accuracy, principle of operation of the instrumentation for electrical measurement).
Introduzione ai paradigmi emergenti: smart grid, super-reti e microreti. Servizi di fornitura di capacità e di energia, adeguatezza della generazione, bilanciamento del carico. Ruolo della ICT per le smart grid. Rappresentazione a livelli basata su flussi di potenza e flussi di informazioni. Trasmissione e distribuzione di energia elettrica: sistemi trifase in condizioni simmetriche e dissimmetriche. Struttura dei sistemi di trasmissione e di distribuzione dell’energia elettrica. Caratteristiche e modelli dei generatori, delle linee, dei trasformatori, dei carichi e dei sistemi di accumulo. Evoluzione tecnica delle infrastrutture di rete. Rappresentazione delle reti magliate, radiali e debolmente magliate riconfigurabili. Note sulla continuità del servizio e sull'affidabilità. Analisi e ottimizzazione dei sistemi di distribuzione. Rappresentazione matriciale della rete. Calcolo dei flussi di potenza nelle reti elettriche di distribuzione radiali e debolmente magliate. Analisi dei guasti, calcolo delle correnti di cortocircuito. Principi di protezione delle reti. Relè, interruttori e dispositivi di protezione. Tecnologie di misura e applicazioni. Stazioni e automazione della rete di distribuzione. Note sulle norme IEC. Riconfigurazione ottimale delle reti di distribuzione: funzione obiettivo, vincoli, metodi di risoluzione ed algoritmi euristici. Esempi di pianificazione operativa ottimale: formulazione del problema, metodi di soluzione e algoritmi euristici. Generazione e risorse distribuite: schemi di generazione distribuita, sistemi autonomi, sistemi connessi alla rete, funzionamento in isola, microreti. Note sulla generazione distribuita (da fonti rinnovabili e produzione combinata di energia) e tecnologie di accumulo. Modelli del sistema di distribuzione con risorse distribuite, gestione della rete di distribuzione attiva. Calcolo dei flussi di potenza probabilistico. Effetti della diffusione delle risorse distribuite. Evoluzione delle norme. Interfaccia con le reti, controllo locale della tensione, regolazione della frequenza. Virtual power plant. Integrazione dell’energia rinnovabile fluttuante nei sistemi di trasmissione e di distribuzione. Gestione della domanda: tecnologie per la gestione del carico elettrico. Interazioni dei clienti con sistemi di misura intelligenti, valutazione del carico controllabile. Carichi a controllo termostatico, carichi residenziali aggregati. Concetti e programmi di “demand response”, flessibilità della domanda, impatti della gestione della domanda sulle scelte dei clienti. Aspetti specifici di applicazioni ICT per il funzionamento delle smart grid. Analisi di casi reali.
Introductory concepts: Structure of the electricity transmission and distribution systems. Emergent paradigms: smart grids, supergrids, microgrids. Energy and electricity supply. Capacity and energy provisions, supply adequacy, load balancing. Role of ICT for smart grids. Layer-based representation of power and information flows. Electricity transmission and distribution: Three-phase systems in balanced and unbalanced conditions. Characteristics and modelling of generators, lines, transformers, loads and storage systems. Technical evolution of the network infrastructure. Meshed, radial and reconfigurable weakly meshed network representations. Notes on service continuity and reliability. Smart distribution network analysis and optimization: Matrix-based representation of the network. Power flow calculations in radial and weakly meshed networks. Fault analysis, calculation of the short-circuit currents. Principles of network protection. Relays, switchgears, protective devices. Measurement technologies and applications. Distribution substations and distribution grid automation. Notes on the IEC Standardization. Optimal reconfiguration of distribution networks: objective function, constraints, solution methods and heuristics. Examples of optimal operational planning: problem formulation, solution methods and heuristics. Distributed generation and resources: distributed generation schemes, autonomous systems, grid-connected systems, islanding operation, microgrids. Notes on distributed generation (from renewable sources and combined energy production) and storage technologies. Distribution network models with distributed resources, active distribution network management. Probabilistic power flow calculations. Effects of the diffusion of the distributed resources. Evolution of the standards. Interface with the networks, local voltage control, frequency control. Virtual power plants. Integration of fluctuating renewable energy in transmission and distribution systems. Demand-side management: technologies for electrical load management. Customer interactions with smart metering systems, assessment of the controllable load. Thermostat-controlled loads. Aggregate residential load. Demand response concepts and programmes, demand flexibility, impacts of demand-side management on customer choices. Specific aspects of ICT applications for smart grid operation. Analysis of real cases.
I contenuti dell’insegnamento vengono presentati durante le lezioni, con eventuali esempi numerici o di calcolo. Non sono previste esercitazioni.
The lectures present the course contents, with possible numerical examples and calculations. No experimental activity is planned.
Non ci sono testi commerciali che coprono interamente i contenuti dell’insegnamento. Il materiale (videate e appunti) usato durante le attività svolte viene inserito sul portale della didattica.
There is no commercial book covering the contents of this course. The material (slides and handouts) used during the lectures and course activities will be available on the web portal.
L’esame comprende una prova scritta obbligatoria (con punteggio massimo 30/30) e una prova orale facoltativa (accessibile soltanto se il risultato della prova scritta è di almeno 27/30. Durante l’esame, gli studenti sono chiamati a rispondere ad un insieme di domande che riguardano tutto il programma svolto, fornite su supporto scritto, che possono contenere anche esercizi numerici. Il punteggio massimo assegnato ad ogni domanda è indicato nel testo. Il risultato minimo per superare l’esame (18/30) non viene raggiunto se manca la risposta a una o più domande. Le competenze principali valutate sono l’abilità di illustrare concetti, formulare problemi, descrivere i metodi di soluzione e risolvere eventuali esercizi numerici. La prova scritta dura 2 ore. L’ora di consegna viene riportata sulla lavagna all’inizio della prova. Durante la prova viene identificata e riportata su un foglio la localizzazione degli studenti. Si richiede di tenere in evidenza un documento valido con fotografia. Durante la prova non è permesso uscire, se non ritirandosi o dopo la consegna definitiva dell’elaborato. Nel caso di ritiro il testo della prova deve essere riconsegnato con l’indicazione di nome e cognome negli appositi spazi e con la scritta “RITIRATO” oppure “NON CONSEGNATO”. Alla consegna della prova il testo, con indicazione di nome e cognome, deve essere inserito nell’elaborato. E’ possibile usare soltanto fogli nuovi, penna e calcolatrice. Non sono ammessi calcolatori portatili o tablet, né l’uso di apparecchi per scattare fotografie. Gli indumenti e gli effetti personali non devono rimanere sul piano di lavoro né sotto il banco, e devono essere posti, debitamente chiusi, sulla sedia vicina o in posizione non raggiungibile. Non è consentito consultare altre persone o altro materiale. Per chi viene sorpreso con materiale non consentito sul piano di lavoro o sotto il banco, è previsto l’immediato annullamento della prova con allontanamento dall’aula. Tutte le eventuali domande devono essere rivolte a un membro della Commissione che, in caso di risposte di interesse generale, provvede a informare tutti i presenti. I risultati vengono comunicati attraverso il portale della didattica. Gli studenti avranno la possibilità di visionare l’elaborato corretto entro la fine della sessione di esami in corso.
The exam is composed of a mandatory written part (with maximum score 30/30) and of a non-mandatory oral part (accessible only is the score of the written exam is equal to or higher than 27/30. During the exam, the students have to respond a number of questions referring to the entire course programme, provided in a written way, with possible inclusion of numerical exercises. The maximum score assigned to each question is indicated after the text of the question. The minimum score to pass the exam (18/30) cannot be reached if one or more questions are not responded at all. The main competences evaluated are the ability of illustrating concepts, formulating problems, describing solution methods, and solving possible numerical exercises. The written test has duration of 2 hours. The time limit for completing the test is indicated on the blackboard at the beginning of the period. During the test the Commission identifies the location of the students. The students must exhibit a valid document with photo. During the test the students may exit from the room only if they withdraw from the test of deliver the final writing. In case of withdrawal the text of the exam has to be given back with the indication of the student’s name and surname on the first page and with the writing “WITHDRAWN” or “NOT DELIVERED”. When the writing is delivered, the text with the indication of the student’s name and surname must be included in the delivered material. The students may use only clean paper, pen and pocket calculator. Personal computers, laptops, tablets, or equipment for taking photos are not allowed. The clothes and the personal belongings must not remain on the work plan, nor under the desk, and must be closed and located in a position in which the contents relevant to the exam cannot be reached. Contacting other persons of material is not admitted. If a student is found with any material not allowed in accessible location, or contacting other persons, his/her test is immediately annulled and the student will have to leave the room. Any question concerning the test must be addressed to a member of the exam Commission. In case the question is of general interest, a member of the exam Commission will inform all the students participating in the exam. The results of the exam will be communicated through the web portal. The students will have the possibility of viewing the corrected test during the period of the current exam session.


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