Day-ahead resource scheduling in smart grids considering Vehicle-to-Grid and network constraints

Energy resource scheduling becomes increasingly important, as the use of distributed resources is intensified and massive gridable vehicle use is envisaged. The present paper proposes a methodology for dayahead energy resource scheduling for smart grids considering the intensive use of distributed generation and of gridable vehicles, usually referred as Vehicle- o-Grid (V2G). This method considers that the energy resources are managed by a Virtual Power Player (VPP) which established contracts with V2G owners. It takes into account these contracts, the user´s requirements subjected to the VPP, and several discharge price steps. Full AC power flow calculation included in the model allows taking into account network constraints. The influence of the successive day requirements on the day-ahead optimal solution is discussed and considered in the proposed model. A case study with a 33 bus distribution network and V2G is used to illustrate the good performance of the proposed method.

Gli obiettivi "rinnovabili" nella pianificazione energetica regionale

Il concetto fondante e le motivazioni alla base di questo lavoro di tesi sono costituiti dalla volontà di analizzare a fondo la problematica energetica ed ambientale, focalizzando l‟indagine sul ruolo delle Fonti Energetiche Rinnovabili e contestualizzandola nel contesto “locale” relativo alla Regione Emilia Romagna: questo lavoro di tesi, infatti, è stato sviluppato nell‟ambito di un progetto di collaborazione stipulato tra Università e Regione Emilia Romagna e si è svolto all‟interno dell‟Assessorato alle Attività Produttive della Regione, lavorando con il “Servizio Politiche Energetiche” emiliano-romagnolo. La crisi energetica (e, contestualmente, la crisi ambientale) rappresenta una problematica al centro del dibattito globale da oltre mezzo secolo, affrontata finora in maniera non organica e realmente efficace dalle nazioni e dagli organismi sovranazionali coinvolti in tale dibattito. Tale tematica è divenuta ancora più pregnante (e la ricerca di una “soluzione” al riguardo, ancora più pressante) negli ultimi anni, in seguito alla deflagrazione di una crisi globale –economica e sociale- che ha intaccato i modelli di crescita e sviluppo (anche tecnologico) conosciuti finora, ponendo di fronte agli occhi dell‟umanità la necessità impellente di ridefinire politiche economiche, ambientali e, conseguentemente, energetiche, caratterizzate da una maggiore sostenibilità globale. La continua crescita della popolazione e il progressivo incremento generalizzato (e disomogeneo) degli standard di vita alimentano con ritmi esponenziali la domanda –e la conseguente produzione- di energia, inevitabilmente correlata (proprio a causa dei modelli di sviluppo seguiti finora) ad un drammatico incremento delle emissioni climalteranti, che continuano a nuocere irreversibilmente alla salubrità del nostro fragile ecosistema. Oltre alla problematica ambientale si aggiunge, con impellenza sempre più marcata, quella relativa alla disponibilità delle principali fonti energetiche (quelle fossili), che si profilano in esaurimento entro lassi temporali che potrebbero divenire drammaticamente prossimi: il “rischio reale” connesso alla prosecuzione di politiche energetiche poggiate sullo sfruttamento intensivo di tali fonti non è tanto connesso all‟eventuale esaurimento assoluto delle risorse stesse, quanto ad una loro progressiva riduzione, tale da renderle viepiù costose e sempre meno convenienti economicamente. Uno scenario di questo tipo si tradurrebbe inevitabilmente in una condizione per la quale solamente i Paesi più ricchi potrebbero usufruire di tali risorse, estremamente costose, mentre i Paesi meno evoluti economicamente rischierebbero di trovarsi nell‟impossibilità di approvvigionarsi, andando incontro a condizioni di deficit energetico: uno scenario inquietante, che però non appare così “ipotetico”, se si tiene conto di come –già ora- siano in aumento segnali di allarme e di conflitto, attivati da localizzate insufficienze energetiche. In un quadro globale di questo tipo le strade risolutive finora riconosciute e percorse dal mondo scientifico, politico ed economico sono sostanzialmente due: - L‟implementazione del risparmio energetico, in un‟ottica di drastica riduzione dei consumi globali; - La “conversione” della produzione energetica (attualmente fondata sulle fonti convenzionali, ossia quelle fossili) verso le cosiddette “Fonti Energetiche Alternative”. Questa seconda direttrice di marcia sembra poter essere quella in grado di reindirizzare verso un orizzonte di maggiore sostenibilità l‟attuale sistema energetico globale, e in quest‟ottica assumono quindi enorme importanza strategica le tecnologie alternative e, prime tra tutte, le Fonti Energetiche Rinnovabili (FER). Queste consentirebbero infatti sia di ridurre l‟impatto ambientale connesso alla produzione energetica da fonti convenzionali, che di implementare politiche di autosufficienza energetica per quei Paesi che attualmente, dal punto di vista del bilancio energetico interno, dipendono in misura marcata dall‟importazione di combustibili fossili dall‟estero. La crisi energetica e il conseguente ruolo chiave delle Fonti Energetiche Rinnovabili è quindi il punto di partenza di questa tesi, che ha voluto confrontarsi con tale problematica globale, misurandosi con le azioni e con i provvedimenti intrapresi al riguardo a livello locale, focalizzando l‟attenzione sulla realtà e sugli sviluppi delle Fonti Energetiche Rinnovabili nella Regione Emilia Romagna. Per sviluppare il lavoro si è proceduto definendo prima di tutto un quadro complessivo della situazione, in termini di problematica energetica e di stato attuale delle Fonti Energetiche Rinnovabili, scendendo progressivamente nel dettaglio: partendo da una fotografia a livello mondiale, quindi europeo, successivamente italiano (basandosi sui dati di pubblicazioni italiane ed estere, di enti competenti in materia come Terna, il GSE o l‟Enea per l‟Italia, e l‟IEA, l‟EIA, l‟UE per l‟Europa e il resto del mondo). Nella terza parte della tesi si è scesi al dettaglio di questo stato attuale delle Fonti Energetiche Rinnovabili a livello Regionale (Emiliano-Romagnolo) e Provinciale (le nove Province della Regione): per procedere alla definizione di questo quadro la “tecnica operativa” è consistita in una raccolta dati effettuata in collaborazione con il ”Servizio Politiche Energetiche” della Regione Emilia Romagna, estesa alle 9 Province e ai 348 Comuni del territorio emiliano-romagnolo. La richiesta di dati avanzata è stata relativa agli impianti alimentati da fonte energetica rinnovabile in esercizio e a quelli in fase di valutazione sul territorio afferente all‟Ente considerato. Il passo successivo è consistito nell‟aggregazione di questi dati, nella loro analisi e nella definizione di un quadro organico e coerente, relativo allo stato attuale (Ottobre 2010) delle Fonti Energetiche Rinnovabili sul territorio emiliano-romagnolo, tale da permettere di realizzare un confronto con gli obiettivi definiti per le FER all‟interno dell‟ultimo Piano Energetico Regionale e con lo stato delle FER nelle altre Regioni italiane. Sono stati inoltre realizzati due “Scenari”, relativi all‟evoluzione stimata del parco “rinnovabile” emiliano-romagnolo, definiti al 2012 (“Breve Termine”) e al 2015 (“Medio Termine”). I risultati ottenuti hanno consentito di verificare come, nell‟orizzonte “locale” emiliano-romagnolo, il sistema globale connesso alle Fonti Energetiche Rinnovabili abbia attecchito e si sia sviluppato in misura marcata: gli obiettivi relativi alle FER definiti nel precedente Piano Energetico Regionale sono infatti stati sostanzialmente raggiunti in toto. Dalla definizione degli “Scenari” previsionali è stato possibile stimare l‟evoluzione futura del parco “rinnovabile” emilianoromagnolo, verificando come questo risulti essere in continua crescita e risulti “puntare” su due fonti rinnovabili in maniera particolare: la fonte fotovoltaica e la fonte a biocombustibili. Sempre dall‟analisi degli “Scenari” previsionali è stato possibile stimare l‟evoluzione delle singole tecnologie e dei singoli mercati rinnovabili, verificando limiti allo sviluppo (come nel caso della fonte idroelettrica) o potenziali “espansioni” molto rilevanti (come nel caso della fonte eolica). Il risultato finale di questo lavoro di tesi è consistito nel poter definire dei nuovi obiettivi, relativi alle differenti Fonti Energetiche, da potersi inserire all‟interno del prossimo Piano Energetico Regionale: l‟obiettivo “complessivo” individua –avendo il 2015 come orizzonte temporale- una crescita incrementale delle installazioni alimentate da FER pari a 310 MWe circa. Questo lavoro di tesi è stato ovviamente organizzato in più “Parti”, ciascuna ulteriormente suddivisa in “Capitoli”. Nella “Prima Parte”, costituita dai primi 4 Capitoli, si è proceduto ad introdurre la problematica energetica e il contesto in cui si muovono le decisioni e le politiche (comunitarie, nazionali e sovra-nazionali) destinate a trovare soluzioni e risposte: Il Primo Capitolo, introduttivo, definisce prima di tutto gli “strumenti” e i concetti che verranno successivamente richiamati più volte nel resto della Tesi, partendo dal concetto di “energia”, definito sia “concettualmente” che attraverso le unità di misura utilizzate per quantificarlo. Il passo successivo è stato quello di contestualizzare l‟evoluzione dello sfruttamento di questa “risorsa”, in relazione allo sviluppo delle tecnologie e delle stesse condizioni di vita umane, così da definire un background storico per le considerazioni introdotte nel Capitolo successivo. Il Secondo Capitolo, infatti, introduce la problematica attuale (ma mutuata dal background storico evidenziato in precedenza) della “crisi energetica” e della “crisi ambientale” ad essa correlata, considerandone gli aspetti prima di tutto globali, connessi a considerazioni di natura sociale, demografica e –conseguentemente economica e sociale: all‟interno di questa analisi, vengono citati anche gli scenari previsionali elaborati da numerosi enti di ricerca e istituzioni, coinvolti su più livelli nell‟ottica di riuscire ad individuare una “risposta” alle problematiche sollevate dallo sfruttamento intensivo della risorsa energetica per vie convenzionali. Tale risposta è rappresentata dalle normative sovranazionali, europee e italiane varate nell‟ottica di attuare una “transizione etica” in materia di sviluppo sostenibile, impatto ambientale e sfruttamento energetico: un presupposto imprescindibile per la transizione energetica sostenibile è proprio l‟impegno a livello locale (quindi anche e prima di tutto di istituzioni quali, in Italia, le Regioni, le Province e i Comuni), senza il quale difficilmente si potranno raggiungere traguardi avanzati, che implicano anche un sostanziale cambio di mentalità. Nell‟ottica di approfondire ulteriormente il contesto all‟interno del quale vengono adottate azioni e intrapresi provvedimenti utili a concretizzare risposte a livello italiano –nazionale e locale- il Terzo Capitolo introduce il tema delle “politiche energetiche sostenibili”, partendo dalla definizione dell‟attuale condizione Italiana (in termini di inquinamento atmosferico e di sfruttamento intensivo della risorsa energetica, nonché di scenari previsionali), per definire successivamente le politiche nazionali per le fonti rinnovabili, per il settore dei trasporti, del riscaldamento e del raffreddamento, della pianificazione energetica e della generazione distribuita. Il Capitolo introduce anche il tema degli interventi in ambito di fiscalità energetica (“Certificati Verdi”, “Certificati Bianchi” e il “Conto Energia”). Proprio per definire al meglio i meccanismi di incentivazione, il Quarto Capitolo esplicita (facendo riferimento alla documentazione pubblicata da enti quali GSE, Terna, GRTN) il meccanismo del cosiddetto “mercato elettrico” e degli scambi che vi avvengono, in modo tale da comprendere come i metodi di incentivazione alle fonti alternative che si appoggiano su interventi di fiscalità energetica, riescano ad avere –o meno- presa sul sistema. La “Seconda Parte” (costituita dai Capitoli dal 5° al 13°) è invece dedicata al necessario approfondimento sullo stato delle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER): in ogni capitolo è stato infatti approfondita la condizione attuale delle principali FER (fonte a Biocombustibili, Eolica, Geotermica, Idraulica, Solare Fotovoltaica, Solare Termica, Solare Termodinamica). Tale approfondimento è stato condotto in termini di sviluppo della tecnologia, incidenza e contributo della singola FER sui bilanci elettrici (considerando prima il quadro mondiale, quindi quello europeo, per scendere infine al dettaglio italiano). Nella parte finale di ogni capitolo sono state riportate anche le principali criticità riscontrate per ogni fonte presa in considerazione, oltre che gli scenari previsionali stimati considerandone i potenziali sviluppi, in un‟ottica di medio termine e di lungo termine. La “Terza Parte” (comprendente i Capitoli dal 14° al 22°) di questa Tesi raccoglie invece il lavoro svolto e i risultati ottenuti e permette di definire lo stato attuale e gli scenari previsionali (a breve termine e a medio termine) per le Fonti Energetiche Rinnovabili nella Regione Emilia Romagna, con un livello di dettaglio sia Regionale che Provinciale. Il lavoro, come detto, è consistito nella raccolta dati effettuata presso gli enti di “governo territoriale” emiliano-romagnoli (la Regione, le 9 Province e i 348 Comuni) e nella successiva aggregazione, elaborazione e interpretazione di questi stessi dati. I Capitoli dal 15° al 19° definiscono lo stato attuale (all‟Ottobre 2010) e gli scenari previsionali (a breve termine e medio termine) per le differenti FER (rispettivamente, Biocombustibili, Eolica, Fotovoltaica, Geotermica e Idroelettrica), prima a livello Provinciale, quindi a livello Regionale. Nella conclusione di ogni Capitolo è contenuto un confronto con lo stato della FER presa in considerazione relativo agli anni precedenti, oltre che il confronto con gli obiettivi definiti per la tecnologia al 2010 dal precedente Piano Energetico Regionale. Questi Capitoli si chiudono con l‟analisi del trend storico della Fonte Energetica Rinnovabile considerata e con la conseguente individuazione dei potenziali obiettivi al 2012 e al 2015 da inserire nel prossimo Piano Energetico Regionale. E‟ presente anche l‟evoluzione stimata del “mercato” della singola FER presa in considerazione, oltre che della “tipologia tecnologica” sulla quale gli installatori e gli investitori tenderanno ad orientarsi sia nel breve che nel medio termine. I Capitoli 20°, 21° e 22° contengono invece lo stato “riassuntivo” delle Fonti Energetiche Rinnovabili, definite per il panorama emiliano-romagnolo (anche in questo caso, prima a livello Provinciale, successivamente a livello regionale) sotto un‟ottica temporale differente: il Capitolo 20° riassume lo stato attuale del parco “rinnovabile” complessivo emiliano-romagnolo, definendone l‟evoluzione storica e confrontandolo con gli obiettivi fissati al 2010 dal precedente Piano Energetico regionale, permettendo così di verificare –nel complesso- se le stime del 2004 erano state corrette. Il Capitolo 21° definisce l‟evoluzione del parco “rinnovabile” complessivo emiliano-romagnolo al 2012, sia a livello Provinciale che Regionale, definendone in questo modo un trend stimato di crescita e dei conseguenti obiettivi di breve termine, riferiti alle singole FER. Il Capitolo 22° definisce infine l‟evoluzione del parco “rinnovabile” complessivo emiliano-romagnolo al 2015 (ancora una volta, sia a livello Provinciale che Regionale) permettendo così di ricavare un trend stimato di crescita e, soprattutto, gli obiettivi di medio termine -riferiti alle singole FER- da inserire all‟interno del prossimo Piano Energetico Regionale. La conclusione permette di chiudere sinteticamente il lavoro svolto in precedenza, traendo le indicazioni più rilevanti dai dati e dalle considerazioni pregresse: come si evincerà, l‟Emilia Romagna risulta una Regione in cui gli obiettivi rinnovabili (e di “conversione energetica”) sono stati sostanzialmente raggiunti e, in alcuni casi, perfino superati. Il mercato rinnovabile è in crescita e le politiche locali e sovra locali evidenziano una marcata volontà di puntare prevalentemente su settori e tecnologie quali quella della biomassa e quella solare fotovoltaica. Nonostante questo, si evidenzia anche la necessità di lavorare a livello di enti regionali e provinciali, per omogeneizzare ulteriormente la distribuzione energetica “rinnovabile” sul territorio (implementando lo sviluppo di determinate fonti su distretti territoriali al momento non ancora raggiunti da tali mercati) e per provvedere ad una riduzione dei consumi energetici che consenta alle FER di avere una maggiore incidenza sui bilanci energetici ed elettrici, locali e regionali. Si ricorda che la “costruzione” di questa tesi è stata sviluppata parallelamente ad un‟attività di stage presso il settore Politiche energetiche dell‟Assessorato alle Attività Produttive della Regione Emilia – Romagna, che in questa fase sta procedendo alla definizione del nuovo Piano Energetico Regionale, e alla conseguente individuazione d

Impatto della propagazione elettromagnetica sulle prestazioni delle reti M3N

Con il termine Smart Grid si intende una rete urbana capillare che trasporta energia, informazione e controllo, composta da dispositivi e sistemi altamente distribuiti e cooperanti. Essa deve essere in grado di orchestrare in modo intelligente le azioni di tutti gli utenti e dispositivi connessi al fine di distribuire energia in modo sicuro, efficiente e sostenibile. Questo connubio fra ICT ed Energia viene comunemente identificato anche con il termine Smart Metering, o Internet of Energy. La crescente domanda di energia e l’assoluta necessità di ridurre gli impatti ambientali (pacchetto clima energia 20-20-20 [9]), ha creato una convergenza di interessi scientifici, industriali e politici sul tema di come le tecnologie ICT possano abilitare un processo di trasformazione strutturale di ogni fase del ciclo energetico: dalla generazione fino all’accumulo, al trasporto, alla distribuzione, alla vendita e, non ultimo, il consumo intelligente di energia. Tutti i dispositivi connessi, diventeranno parte attiva di un ciclo di controllo esteso alle grandi centrali di generazione così come ai comportamenti dei singoli utenti, agli elettrodomestici di casa, alle auto elettriche e ai sistemi di micro-generazione diffusa. La Smart Grid dovrà quindi appoggiarsi su una rete capillare di comunicazione che fornisca non solo la connettività fra i dispositivi, ma anche l’abilitazione di nuovi servizi energetici a valore aggiunto. In questo scenario, la strategia di comunicazione sviluppata per lo Smart Metering dell’energia elettrica, può essere estesa anche a tutte le applicazioni di telerilevamento e gestione, come nuovi contatori dell’acqua e del gas intelligenti, gestione dei rifiuti, monitoraggio dell’inquinamento dell’aria, monitoraggio del rumore acustico stradale, controllo continuo del sistema di illuminazione pubblico, sistemi di gestione dei parcheggi cittadini, monitoraggio del servizio di noleggio delle biciclette, ecc. Tutto ciò si prevede possa contribuire alla progettazione di un unico sistema connesso, dove differenti dispositivi eterogenei saranno collegati per mettere a disposizione un’adeguata struttura a basso costo e bassa potenza, chiamata Metropolitan Mesh Machine Network (M3N) o ancora meglio Smart City. Le Smart Cities dovranno a loro volta diventare reti attive, in grado di reagire agli eventi esterni e perseguire obiettivi di efficienza in modo autonomo e in tempo reale. Anche per esse è richiesta l’introduzione di smart meter, connessi ad una rete di comunicazione broadband e in grado di gestire un flusso di monitoraggio e controllo bi-direzionale esteso a tutti gli apparati connessi alla rete elettrica (ma anche del gas, acqua, ecc). La M3N, è un’estensione delle wireless mesh network (WMN). Esse rappresentano una tecnologia fortemente attesa che giocherà un ruolo molto importante nelle futura generazione di reti wireless. Una WMN è una rete di telecomunicazione basata su nodi radio in cui ci sono minimo due percorsi che mettono in comunicazione due nodi. E’ un tipo di rete robusta e che offre ridondanza. Quando un nodo non è più attivo, tutti i rimanenti possono ancora comunicare tra di loro, direttamente o passando da uno o più nodi intermedi. Le WMN rappresentano una tipologia di rete fondamentale nel continuo sviluppo delle reti radio che denota la divergenza dalle tradizionali reti wireless basate su un sistema centralizzato come le reti cellulari e le WLAN (Wireless Local Area Network). Analogamente a quanto successo per le reti di telecomunicazione fisse, in cui si è passati, dalla fine degli anni ’60 ai primi anni ’70, ad introdurre schemi di rete distribuite che si sono evolute e man mano preso campo come Internet, le M3N promettono di essere il futuro delle reti wireless “smart”. Il primo vantaggio che una WMN presenta è inerente alla tolleranza alla caduta di nodi della rete stessa. Diversamente da quanto accade per una rete cellulare, in cui la caduta di una Base Station significa la perdita di servizio per una vasta area geografica, le WMN sono provviste di un’alta tolleranza alle cadute, anche quando i nodi a cadere sono più di uno. L'obbiettivo di questa tesi è quello di valutare le prestazioni, in termini di connettività e throughput, di una M3N al variare di alcuni parametri, quali l’architettura di rete, le tecnologie utilizzabili (quindi al variare della potenza, frequenza, Building Penetration Loss…ecc) e per diverse condizioni di connettività (cioè per diversi casi di propagazione e densità abitativa). Attraverso l’uso di Matlab, è stato quindi progettato e sviluppato un simulatore, che riproduce le caratteristiche di una generica M3N e funge da strumento di valutazione delle performance della stessa. Il lavoro è stato svolto presso i laboratori del DEIS di Villa Grifone in collaborazione con la FUB (Fondazione Ugo Bordoni).

Ottimizzazione di una microrete con unità di generazione da FER ed accumulo

Le microreti caratterizzate da unità di generazione con Fonti Energetiche Rinnovabili (FER), sono oggetto di crescente interesse in due contesti molto diversi tra loro: l’integrazione della Generazione Diffusa (GD) in reti di distribuzione pubbliche nei paesi sviluppati e l’elettrificazione di zone rurali attualmente non servite dalla rete elettrica. L’introduzione dei sistemi di accumulo nelle microreti rende possibile la compensazione della variabilità delle FER trasformando le microreti in sistemi di produzione che nel complesso risultano completamente regolabili. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è dimostrare come le microreti possono svolgere un ruolo fondamentale per lo sviluppo delle infrastrutture elettriche nei paesi in via di sviluppo e nelle economie emergenti ponendo le basi per l’elettrificazione di aree remote e scarsamente popolate ad oggi non connesse alla rete di distribuzione dell’energia.

Modelling of an efficient dynamic smart solar photovoltaic power grid system

A smart solar photovoltaic grid system is an advent of innovation coherence of information and communications technology (ICT) with power systems control engineering via the internet [1]. This thesis designs and demonstrates a smart solar photovoltaic grid system that is selfhealing, environmental and consumer friendly, but also with the ability to accommodate other renewable sources of energy generation seamlessly, creating a healthy competitive energy industry and optimising energy assets efficiency. This thesis also presents the modelling of an efficient dynamic smart solar photovoltaic power grid system by exploring the maximum power point tracking efficiency, optimisation of the smart solar photovoltaic array through modelling and simulation to improve the quality of design for the solar photovoltaic module. In contrast, over the past decade quite promising results have been published in literature, most of which have not addressed the basis of the research questions in this thesis. The Levenberg-Marquardt and sparse based algorithms have proven to be very effective tools in helping to improve the quality of design for solar photovoltaic modules, minimising the possible relative errors in this thesis. Guided by theoretical and analytical reviews in literature, this research has carefully chosen the MatLab/Simulink software toolbox for modelling and simulation experiments performed on the static smart solar grid system. The auto-correlation coefficient results obtained from the modelling experiments give an accuracy of 99% with negligible mean square error (MSE), root mean square error (RMSE) and standard deviation. This thesis further explores the design and implementation of a robust real-time online solar photovoltaic monitoring system, establishing a comparative study of two solar photovoltaic tracking systems which provide remote access to the harvested energy data. This research made a landmark innovation in designing and implementing a unique approach for online remote access solar photovoltaic monitoring systems providing updated information of the energy produced by the solar photovoltaic module at the site location. In addressing the challenge of online solar photovoltaic monitoring systems, Darfon online data logger device has been systematically integrated into the design for a comparative study of the two solar photovoltaic tracking systems examined in this thesis. The site location for the comparative study of the solar photovoltaic tracking systems is at the National Kaohsiung University of Applied Sciences, Taiwan, R.O.C. The overall comparative energy output efficiency of the azimuthal-altitude dual-axis over the 450 stationary solar photovoltaic monitoring system as observed at the research location site is about 72% based on the total energy produced, estimated money saved and the amount of CO2 reduction achieved. Similarly, in comparing the total amount of energy produced by the two solar photovoltaic tracking systems, the overall daily generated energy for the month of July shows the effectiveness of the azimuthal-altitude tracking systems over the 450 stationary solar photovoltaic system. It was found that the azimuthal-altitude dual-axis tracking systems were about 68.43% efficient compared to the 450 stationary solar photovoltaic systems. Lastly, the overall comparative hourly energy efficiency of the azimuthal-altitude dual-axis over the 450 stationary solar photovoltaic energy system was found to be 74.2% efficient. Results from this research are quite promising and significant in satisfying the purpose of the research objectives and questions posed in the thesis. The new algorithms introduced in this research and the statistical measures applied to the modelling and simulation of a smart static solar photovoltaic grid system performance outperformed other previous works in reviewed literature. Based on this new implementation design of the online data logging systems for solar photovoltaic monitoring, it is possible for the first time to have online on-site information of the energy produced remotely, fault identification and rectification, maintenance and recovery time deployed as fast as possible. The results presented in this research as Internet of things (IoT) on smart solar grid systems are likely to offer real-life experiences especially both to the existing body of knowledge and the future solar photovoltaic energy industry irrespective of the study site location for the comparative solar photovoltaic tracking systems. While the thesis has contributed to the smart solar photovoltaic grid system, it has also highlighted areas of further research and the need to investigate more on improving the choice and quality design for solar photovoltaic modules. Finally, it has also made recommendations for further research in the minimization of the absolute or relative errors in the quality and design of the smart static solar photovoltaic module.

Smart grids : better performance through communication and algorithms

There has been a developing interest in smart grids, the possibility of significantly enhanced performance from remote measurements and intelligent controls. For transmission the use of PMU signals from remote sites and direct load shed controls can give significant enhancement for large system disturbances rather than relying on local measurements and linear controls. This lecture will emphasize what can be found from remote measurements and the mechanisms to get a smarter response to major disturbances. For distribution systems there has been a significant history in the area of distribution reconfiguration automation. This lecture will emphasize the incorporation of Distributed Generation into distribution networks and the impact on voltage/frequency control and protection. Overall the performance of both transmission and distribution will be impacted by demand side management and the capabilities built into the system. In particular, we consider different time scales of load communication and response and look to the benefits for system, energy and lines.

Gap analysis of intrusion detection in smart grids

Given the recent emergence of the smart grid and smart grid related technologies, their security is a prime concern. Intrusion detection provides a second line of defense. However, conventional intrusion detection systems (IDSs) are unable to adequately address the unique requirements of the smart grid. This paper presents a gap analysis of contemporary IDSs from a smart grid perspective. This paper highlights the lack of adequate intrusion detection within the smart grid and discusses the limitations of current IDSs approaches. The gap analysis identifies current IDSs as being unsuited to smart grid application without significant changes to address smart grid specific requirements.

Smart Inter-Phase Switching of Residential Loads in Low Voltage Distribution Feeders

In order to dynamically reduce voltage unbalance along a low voltage distribution feeder, a smart residential load transfer system is discussed. In this scheme, residential loads can be transferred from one phase to another to minimize the voltage unbalance along the feeder. Each house is supplied through a static transfer switch and a controller. The master controller, installed at the transformer, observes the power consumption in each house and will determine which house(s) should be transferred from an initially connected phase to another in order to keep the voltage unbalance minimum. The performance of the smart load transfer scheme is demonstrated by simulations.

On-line Demand Management of Low Voltage Residential Distribution Networks in Smart Grids

A novel intelligent online demand management system is discussed in this chapter for peak load management in low voltage residential distribution networks based on the smart grid concept. The discussed system also regulates the network voltage, balances the power in three phases and coordinates the energy storage within the network. This method uses low cost controllers, with two-way communication interfaces, installed in costumers’ premises and at distribution transformers to manage the peak load while maximizing customer satisfaction. A multi-objective decision making process is proposed to select the load(s) to be delayed or controlled. The efficacy of the proposed control system is verified by a MATLAB-based simulation which includes detailed modeling of residential loads and the network.

State Estimation in Smart Power Grids

In this chapter, the role of State Estimation (SE) in smart power grids is presented. The trend of SE error with respect to the increasing of the smart grids implementation investigated. The observability analysis as a prior task of SE is demonstrated and an analytical method to consider the impedance values of the branches is developed and discussed by examples. Since most principles of smart power grids are appropriate to distribution networks, the Distribution SE (DSE)considering load correlation is argued and illustrated by an example. The main features of smart grid SE, which is here named as “Smart Distributed SE” (SDSE), are discussed. Some characteristics of proposed SDES are distributed, hybrid, multi-micro grid and islanding support, Harmonic State Estimation (HSE), observability analysis and restore, error processing, and network parameter estimation. Distribution HSE (DHSE) and meter placement for SDSE are also presented.

Modified current space vector based powerline communication method for distributed inverters interfaced smart grids

The following paper presents a Powerline Communication (PLC) Method for grid interfaced inverters, for smart grid application. The PLC method is based on the concept of the composite vector which involves multiple components rotating at different harmonic frequencies. The pulsed information is modulated on the fundamental component of the grid current as a specific repeating sequence of a particular harmonic. The principle of communication is same as that of power flow, thus reducing the complexity. The power flow and information exchange are simultaneously accomplished by the interfacing inverters based on current programmed vector control, thus eliminating the need for dedicated hardware. Simulation results have been shown for inter-inverter communication, both under ideal and distorted conditions, using various harmonic modulating signals.

A Networked Control Systems Perspective for Wide-Area Monitoring Control of Smart Power Grids

This paper presents a networked control systems (NCS) framework for wide area monitoring control of smart power grids. We consider a scenario in which wide area measurements are transmitted to controllers at remote locations. We model the effects of delays and packet dropouts due to limited communication capabilities in the grid. We also design a robust networked controller to damp wide-area oscillations based on information obtained from Wide Area Monitoring Systems (WAMS), and analyze the improvement in system stability due to networked control. With communication integration being an important feature of the smart grid, detailed consideration of the effects of communication is essential in the control design for future power systems. We believe that this work is an essential step in this direction.

Harmonic Current Injection based Powerline Communication Method for Grid Connected Single Phase Inverters in Domestic Microgrids

The following paper presents a Powerline Communication (PLC) Method for Single Phase interfaced inverters in domestic microgrids. The PLC method is based on the injection of a repeating sequence of a specific harmonic, which is then modulated on the fundamental component of the grid current supplied by the inverters to the microgrid. The power flow and information exchange are simultaneously accomplished by the grid interacting inverters based on current programmed vector control, hence there is no need for dedicated hardware. Simulation results have been shown for inter-inverter communication under different operating conditions to propose the viability. These simulations have been experimentally validated and the corresponding results have also been presented in the paper.

Holistic Measures for Evaluating Prediction Models in Smart Grids

The performance of prediction models is often based on ``abstract metrics'' that estimate the model's ability to limit residual errors between the observed and predicted values. However, meaningful evaluation and selection of prediction models for end-user domains requires holistic and application-sensitive performance measures. Inspired by energy consumption prediction models used in the emerging ``big data'' domain of Smart Power Grids, we propose a suite of performance measures to rationally compare models along the dimensions of scale independence, reliability, volatility and cost. We include both application independent and dependent measures, the latter parameterized to allow customization by domain experts to fit their scenario. While our measures are generalizable to other domains, we offer an empirical analysis using real energy use data for three Smart Grid applications: planning, customer education and demand response, which are relevant for energy sustainability. Our results underscore the value of the proposed measures to offer a deeper insight into models' behavior and their impact on real applications, which benefit both data mining researchers and practitioners.

Multi-agent modelling for the simulation of a simple smart microgrid

The smart grid is a highly complex system that is being formed from the traditional power grid, adding new and sophisticated communication and control devices. This will enable integrating new elements for distributed power generation and also achieving an increasingly automated operation so for actions of the utilities as for customers. In order to model such systems a bottom-up method is followed, using only a few basic elements which are structured into two layers: a physical layer for the electrical power transmission, and one logical layer for element communication. A simple case study is presented to analyse the possibilities of simulation. It shows a microgrid model with dynamic load management and an integrated approach that can process both electrical and communication flows.