“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
La produzione delle centrali italiane pur sufficiente a coprire il
fabbisogno di energia della nazione, non viene sfruttata
appieno perché è più conveniente acquistarla all’estero.
Questo è possibile perché la rete elettrica italiana è
interconnessa con la rete europea.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari

Interconnessione tra la rete italiana e quella europea
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
La notte del 28 settembre 2003 la caduta di un albero sulla
linea Airolo-Mettlen, fatto apparentemente poco rilevante,
ha causato una concatenazione di avvenimenti che hanno
portato prima alla separazione del sistema elettrico italiano
dal resto della rete europea e successivamente al
blackout.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
3.25:25 Airolo-Mettlen
(740 MW). Il Canton Ticino è separato dalla
rete svizzera
3.25:28 Avise-Riddes
(281 MW) e RiddesValpelline (299 MW)
3.25:33 RondissoneAlbertville (841+682 MW):
Separazione di I e F
3.25:32 Albertville-La
Coche (F). Instabilità
rapida di tensione
3.25:33 Le Broc CarrosCamporosso (248 MW)
3.25:33 Soverzene-Lienz
(309 MW).
3.25:34 Redipuglia-Divaccia (646 MW):
L’Italia rimane connessa solo attraverso
un collegamento 132 kV in modo
asincrono
3.26:30 Separazione
completata
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari



IL distacco dalla rete europea e la perdita
dell’importazione,
L’inadeguatezza della modifica del programma di
scambio richiesta dall’operatore elvetico,
Una serie di inattesi malfunzionamenti del piano di
difesa della rete e degli impianti di produzione,
hanno determinato uno squilibrio fra la potenza
richiesta e quella generata con conseguente
interruzione totale della fornitura di energia agli
utenti.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Il progetto ha l’obbiettivo di riprodurre e simulare
l’andamento di alcune grandezze elettriche, con
particolare attenzione alla frequenza, della rete italiana
negli istanti immediatamente successivi alla separazione
completa dal resto d’Europa.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Allo scopo si è costruito un modello matematico che
raggruppa i vari componenti del sistema e
precisamente si sono studiati in sequenza:

- Il regolatore di frequenza dei gruppi di generazione

- Il comportamento della singola macchina in
regolazione primaria di frequenza

- Il piano di difesa della rete italiana
I modelli dei gruppi idroelettrici e termoelettrici sono infine
stati assemblati all’interno del programma “Matlab” per
studiare il comportamento dinamico dell’intera rete
italiana
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Il gruppo macchina, costituito da una turbina
accoppiata ad un alternatore permette di trasformare
energia primaria, normalmente termica o idrica, in
energia elettrica.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari

La grandezza fondamentale analizzata dal nostro
sistema è la frequenza, legata alla velocità di rotazione
del generatore dalla relazione Pn = 60f.

50Hz è il valore nominale della frequenza per la rete
europea. Questa condizione si ha quando la coppia
motrice (dipendente dalla quantità di fluido immesso in
turbina) eguaglia la coppia resistente (dipendente
dalla richiesta del carico).

Qualsiasi azione che modifichi la condizione sopra
citata comporta un regime transitorio



durante il quale la frequenza si discosta dal valore nominale e
al termine del quale la condizione di equilibrio deve essere
ripristinata.
In condizioni normali, il problema si risolve modificando
la quantità di fluido immesso in turbina.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari

Il regolatore è un dispositivo che fa variare, in caso di
regime transitorio, la portata del fluido motore alla
turbina con lo scopo di ripristinare la velocità nominale
(regolazione primaria).
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari

Il regolatore è stato da noi modellizzato con un sistema
retroazionato.
Il nodo
Il blocco
C confronta
di retroazione
la variazione
K2 riporta
al nodo
frequenza
di confronto
-K1/s
(blocco
integratore).
K1relativa
lega
la di
variazione
Df*l’informazione
con
l’informazione
della variazione
del blocco
della
di retroazione
portata
del fluido
di portata
di fluido
con
la conseguente
variazione
di potenza erogata e di frequenza.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Lo schema precedente è convertibile agevolmente nel più
schematico blocco:
G1 legato allo statismo S (sensibilità alle variazioni di
frequenza),
alla potenza
generata
e alla frequenza
nominale
T1
è
la
costante
di
tempo
del
regolatore
pari
al
rapporto
Poiché si può ritenere la potenza generata Pg proporzionale
dalla
relazione
G1 = Pg / (S · fn). Valori tipici per lo statismo
1/
(K1·
K2
)
:
solamente all’apertura del distributore del fluido della turbina, è
sono :
valida
l’equivalenza
Dpg*
-Impianti
termoelettrici
10=sDA* .
-5-8% per impianti termoelettrici
-Impianti idroelettrici 6 s
-2-5% per impianti idroelettrici
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari



Un gruppo di generazione è caratterizzato da una
propria inerzia che influisce sui tempi di risposta alla
regolazione in caso di una perturbazione.
La coppia motrice infatti deve sopperire alla coppia
resistente e alla coppia di inerzia definibile dalla
relazione Cj = J · (dω / dt ).
Macchine di elevata potenza, e conseguenti ingenti
masse rotanti avranno inerzie considerevoli e quindi
tempi di risposta più alti rispetto a macchine di minore
potenza.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Quanto precedentemente detto è riassumibile nel
seguente schema a blocchi:
Il tempo di avviamento Ta è dato dal rapporto
potenza
( JLa·ω0
) / C0;regolante in ingresso (Dpr) è legata
variazione
frequenza
relativa
(Df*)
Valorialla
tipici
sono: perdigruppi
a vapore
circa
8s e
per gruppi idrici circa 6 s.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Tutti gli elementi fino a qui analizzati si traducono nello
schema a blocchi che segue:
Il termine relativo DQ0* che può essere positivo o negativo,
Il termine
G2 del blocco
di retroazione,
favorevole
alla stabilità
rappresenta
la variazione
del carico
(perturbazione)
che di
attiva la
funzionamento
del primaria.
sistema, Ilrappresenta
l’energia
autoregolante
regolazione
segno negativo
di DQ0*
indica un del
carico.aumento
Per metterci
nelleche
condizioni
di un
funzionamento
più sfavorevoli,
non
di carico
comporta
valore di Df negativo;
al segno
lo abbiamo
considerato.
positivo
invece corrisponde una diminuzione del carico e un
conseguente aumento di frequenza.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
La seguente figura rappresenta lo schema di principio di una rete in regolazione primaria dal quale
siamo partiti per modellizzare la reale rete elettrica italiana:
•Nel
C convergono le variazioni di potenza generata
comandate
• Nel nodo D
•Il blocco [ 1/ ( 1+Tae s ) ] rappresenta l’inerzia
•Nel
nodo sommatore
B
convergono
le variazioni
delle
dai
regolatori
e di
potenza
generata
dai gruppi
nondel
regolanti;
totale,
potenza
del
carico
e
energia
autoregolante
di
tutta
la/ rete.
Tae
è il tempo di i regolatori
•Iequivalente
blocchi dei
del gruppi
tipo
[-Gin
(1+sT)
] rappresentano
potenze
regolazione;
il risultato
sarà la Latotale
in
uscita
dal
nodo
si
ha
la
variazione
di
potenza
generata
carico
(che
però
non
sarà,
come
già
detto,
considerata).
equivalente
(definitodella
meglio
diavviamento
frequenzadi
dei
gruppiregolante
regolanti
retein seguito)
variazione
potenza
totale
somma è la potenza accelerante DPr*.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Considerazioni iniziali:
Nella simulazione, abbiamo comandato gli eventi di
distacco
di carichicoinvolte
o generazioni
in funzione
dell’istante
Tutte le potenze
sono state
riferiteoalla
potenza
nel
tempo odall’estero
del valorealdella
frequenza
utilizzando
appositi
importata
momento
della
separazione
Le centrali sono state suddivise in due gruppi: quelledella
blocchi
logici. che era pari a 6700 MW. Ciò determina la
rete
italiana,
regolanti,
cheregolante
partecipano
alla centrale
regolazione
La potenza
di una
non primaria
è infinitaema
presenza
dei
blocchi Abbiamo
“moltiplicatori”
indicati
nello
schema
quelle
non
regolanti.
tenuto
conto
di
queste
limitata ad un valore massimo. Per questo motivo sono
con
la sigla
“rel”:per quanto riguarda il loro eventuale
ultime
soltanto
stati creati appositi blocchi limitatori.
distacco intempestivo.
In alcuni casi essi non compaiono esplicitamente nello
La
decisione,
basata sui
dati ainclusi
nostranei
disposizione,
è stata
schema
complessivo
perché
blocchi
presa
caso per caso.
corrispondenti
a sottosistemi (come ad esempio il blocco
del distacco “generatori non regolanti”).
E’ stato quindi possibile assemblare le singole parti in un
modello generale di principio di una rete elettrica in
regolazione primaria.
Esso è stato riferito all’intera rete elettrica italiana.
Il modello complessivo è stato suddiviso in sottosistemi al
fine di renderlo agevolmente comprensibile.
Modello
complessivo
Sottosistema “regolazione
primaria”.
I regolatori delle centrali di maggior
potenza (tutte termoelettriche)
distaccatesi intempestivamente sono
singolarmente indicati; quelli delle
altre centrali sono raggruppati in un
unico blocco denominato
“eq.regolanti”.
Il valore di G1 è stato calcolato:
 utilizzando i dati noti delle potenze
generate,
 in funzione della potenza
complessiva per le “eq.regolanti”,
 considerando uno statismo di 0,08.
La costante di tempo dei regolatori
vale 10 s per le centrali
termoelettriche e 6.2 s per le “eq.
Regolanti” (per modellizzare la
presenza anche di gruppi
idroelettrici).
Sezione di
generazione
Blocchi di esclusione dei
regolatori primari.
Durante la perturbazione, si sono avuti
distacchi intempestivi di centrali
elettriche.
Questi blocchi ne consentono la
simulazione escludendo i regolatori
primari secondo una sequenza
temporale evinta dai documenti
disponibili.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Sezione di
generazione
Blocchi limitatori dell’energia
regolante
Limitano il valore dell’energia regolante in
funzione delle caratteristiche della centrale
a cui si riferiscono.
Il blocco non compare per “Montalto-TrinoLivorno” perché considerato inutile a causa
del subitaneo distacco dal servizio di questi
gruppi regolanti.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Sezione di
generazione
•Sottosistema “distacco generatori regolanti”.
Il sottosistema effettua la somma delle variazioni dovute ai
distacchi dei gruppi in regolazione primaria. L’uscita dal
servizio di una centrale determina il totale distacco della
stessa ( potenza programmata + potenza regolante).
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Sezione di
generazione
Sottosistema “distacco generatori non regolanti e
MT”.
Il blocco è di composizione complessa in quanto sono
presenti:
 i generatori di media tensione, per i quali l’istante del
distacco è sconosciuto, sono stati suddivisi in due blocchi:
il primo si sconnette alla frequenza di 49.7Hz, come da
Norme tecniche. Il secondo blocco è stato separato ad un
istante successivo
 le centrali non regolanti sono presenti nominalmente nel
caso di potenza significativa, mentre quelle di minor
importanza sono raggruppate in due blocchi. Il loro
distacco avviene secondo una sequenza temporale.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Sezione di
generazione
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Complesso
del carico
Import
Rappresenta il deficit iniziale di potenza verificatosi
all’istante della separazione dall’estero (6700 MW). Il
blocco, è rappresentato come un carico che
all’istante t = 2 s viene a gravare sulla rete elettrica
italiana funzionante in “isola”.
Blocco “aumento carico per aumento
tensione”
Il blocco tiene conto del fatto che il carico è funzione
della tensione e questa aumenta durante il
transitorio.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Il distacco delle centrali idroelettriche di
pompaggio, che sfruttano l’energia notturna
eccedente al fine di riportare l’acqua negli
invasi, fa parte delle strategie messe in atto
per contrastare l’insorgenza di un blackout.
Nella nostra simulazione abbiamo escluso le
centrali di pompaggio in funzione del tempo,
altre in base al valore della frequenza,
secondo i dati disponibili
Distacco pompaggi in funzione del
tempo.
Il blocco rappresenta due gruppi la cui uscita
dal servizio avviene in successione.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Complesso
del carico
Distacco pompaggi
in funzione della
frequenza.
L’esclusione di alcune
centrali di pompaggio è
avvenuta comparando la
frequenza di rete al
valore di riferimento per il
distacco. Ciò è stato
possibile perché siamo in
possesso di dati precisi.
Complesso
del carico
Sottosistema
“distacco carichi
utenze “.
L’alleggerimento del
carico è una parte
codificata del piano
di difesa della rete: i
carichi sono stati
suddivisi su 11
gradini per un valore
complessivo di 4000
MW escludibili a
tempo secondo i
valori suggeriti dal
piano di difesa.
Naturalmente sono
state escluse per
prime le utenze
meno importanti.
Complesso
del carico
Inerzia
equivalente
Inerzia equivalente:
Il blocco rappresenta l’inerzia media equivalente di tutti i gruppi
di generazione, compresi anche quelli non regolanti. Il Tae è il
risultato di una media pesata fra le costanti di tempo delle
centrali termoelettriche ed idroelettriche presenti nella rete,
tenendo conto anche delle rispettive potenze generate. Il
semplice calcolo qui riportato :
( PTidroe x Taeidroe + PTtermoe x Taetermoe ) / PT = 9.7 sec
evidenzia che il Tae assume un valore molto vicino a 10 sec
come era nelle aspettative, visto il contributo estremamente
rilevante della potenza generata dalle centrali termoelettriche
rispetto alle idroelettriche.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Il risultato della simulazione è l’andamento della frequenza
durante il transitorio determinato dal Blackout.
Il valore della frequenza si evince dallo studio del blocco sotto
riportato.


Gli oscilloscopi inseriti nello schema complessivo
visualizzano l’andamento di alcuni parametri importanti per il
sistema (visualizzati nei grafici seguenti).
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
•Il grafico rappresenta l’andamento della frequenza in
funzione del tempo. Sono da evidenziare:
-un primo intervallo di tempo 2-39 s nel quale si ha una
ripida discesa inizialmente corrispondente a 1 Hz/s,
causata dal deficit iniziale e da una serie di distacchi di
centrali.
- un secondo intervallo di tempo 40-130 s caratterizzato
da un appiattimento della curva ( in riduzione della
frequenza) come conseguenza di distacchi di carico.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
50,5
Monfalcone=-327MW
Entracque+S.Massenza+S.
Fiorano+Presenzano=2159
0,1
50,0
0,0
Montalto+Trino+Livorno=-677MW
Bargi+Roncovalgrande+Anapo=1157
f [Hz]
49,0
-0,1
La Spezia=-622 MW
48,5
48,0
ISAB=-180 MW
-0,2
Edolo=538
TVDN=-502 MW
47,5
-0,3
P.Tolle=-400 MW
df/dt [Hz/s]
49,5
Trino=-105 MW
47,0
46,5
Trino=-105 MW
P.Tolle=-496 MW
-0,5
03
:2
5:
03 30
:2
5:
03 40
:2
5:
03 50
:2
6:
03 00
:2
6:
03 10
:2
6:
03 20
:2
6:
03 30
:2
6:
03 40
:2
6:
03 50
:2
7:
03 00
:2
7:
03 10
:2
7:
03 20
:2
7:
03 30
:2
7:
03 40
:2
7:
03 50
:2
8:
00
46,0
-0,4
Time
Nel grafico sovrastante è riportato l’andamento reale della frequenza registrata
nella stazione di Musignano (linea blu) e della sua derivata (linea rossa). Sono
presenti inoltre le indicazioni dei tempi degli istanti di distacco delle maggiori
centrali di produzione, che hanno determinato l’insorgenza del blackout.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Potenza totale generata (disponibile).
La
curva hadei
sempre
valore negativo ad evidenziare i
Distacco
carichi.
distacchi
di alcune
centrali
di produzione.
Si
osservaintempestivi
la perturbazione
iniziale
di grande
entità.
Quando
la
pendenza
è
nulla,
non
si
verificano
eventi.
I gradini negativi corrispondono agli alleggerimenti
diLe
carico del piano di difesa.
variazioni
negative
corrispondono
ad ungli
distacco
Quelli
positivi
schematizzano
a gradino
aumentididi carico conseguenti
centrale,
le variazioni
positive
prima
parte
all’incremento
del valore
della evidenti
tensionenella
, aumenti
che
a rigore dovrebbero essere
del grafico sono
dovute
all’intervento della regolazione.
modellizzati
in modo
continuo
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Potenza
totale
regolante
. regolanti.
Distacco
delle
centrali
L’incremento
potenza
evidente
nellaschema
prima parte
La logicadida
noi seguita
nello
a
del grafico
dovuto
all’intervento
della
blocchièfa
corrispondere
segno
positivo al
regolazione
prosecuzione
del transitorio
distaccoche
di nel
una
centrale regolante.
Ciò
ha sempre
diminuito
la
sua
efficacia
a
causa
dei
premesso, ad ogni gradino corrisponde
distacchi
sequenziali
delle
centrali
regolanti,
l’uscita
dal servizio
di una
singola
centrale.
nonché di una diminuzione non voluta dovuta a
malfunzionamenti dei sistemi di regolazione
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Il grafico ha solo lo scopo di indicare che la potenza
gestita da un regolatore non può assumere valori
infiniti ma è limitata ad un valore massimo scelto in
funzione delle caratteristiche delle singole centrali.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari


La comparazione dell’andamento della frequenza
risultante dalla nostra simulazione con quella reale
registrata nella stazione di Musignano evidenzia la
sostanziale correttezza del modello costruito e la bontà
delle scelte di distacco effettuate.
Il modello inoltre si presta per ulteriori studi e
simulazioni che tendono a verificare la possibilità di
evitare eventi analoghi coordinando in modo diverso i
vari interventi e le strategie di difesa.
“Luce sul blackout” di F. Cancarini, R. Sansoni, A. Marzari
Si ringraziano gli studenti:
Davide De Giacomi e
Davide Stabile 5^A,
Gianluca Foccoli 5^AL ,
e il webmaster Alin Savin 5^V .
I docenti:
Ing. Alberto Berizzi - Politecnico di Milano;
Ing. Edoardo Donini
Dott. Mariuccia Dolci
-Itis e liceo scient. Tecn. B.Castelli