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.

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.

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).

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.

I contenuti dell’insegnamento vengono presentati durante le lezioni, con eventuali esempi numerici o di calcolo. Non sono previste esercitazioni.

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.

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.