Ottimizzazione comparativa del coordinamento dei relè di sovracorrente nelle reti di distribuzione integrate con generazione distribuita: algoritmo del ciclo dell'acqua contro algoritmo genetico e big bang–big crunch

Mantenere le luci accese quando la potenza fluisce in entrambe le direzioni

Man mano che case e aziende installano pannelli solari sul tetto, piccole turbine eoliche e altri generatori locali, l'elettricità non fluisce più solo dalle grandi centrali verso l'esterno. Invece, la potenza può muoversi in molte direzioni contemporaneamente, soprattutto quando parti della rete operano come «microreti» isolate dal sistema principale. Questo cambiamento è positivo per l'energia pulita, ma rende molto più difficile garantire che i guasti — come i cortocircuiti — vengano rapidamente rilevati e isolati senza interrompere più clienti del necessario. Questo studio esplora come algoritmi di ricerca moderni possano tarare i dispositivi di protezione della rete in modo che continuino a funzionare in modo affidabile in questo nuovo mondo più complesso.

Perché le nuove fonti confondono le protezioni tradizionali

Le reti di distribuzione tradizionali sono state progettate con un'idea semplice in mente: la potenza scorre dalla rete principale attraverso linee e trasformatori verso i clienti. Dispositivi di protezione chiamati relè di sovracorrente monitorano quanta corrente li attraversa. Se quella corrente aumenta improvvisamente, segnalando un guasto, un relè vicino interviene per primo mentre gli altri attendono un po' più a lungo, fornendo backup. Questo accurato temporizzazione, chiamato coordinamento, presume che le correnti di guasto provengano sempre da una sola direzione. Quando vengono aggiunti generatori locali come impianti solari e turbine eoliche in tutta la rete, questa assunzione non regge più. Le correnti di guasto possono ora provenire da più punti e in entrambe le direzioni, cambiando la loro entità e il percorso a seconda di come sono configurati in quel momento i generatori e le linee.

Quando la rete diventa un'isola

Il problema è ancora più arduo quando una rete di quartiere si disconnette dal sistema più ampio e funziona autonomamente, una modalità nota come funzionamento in isola. In questo caso, i generatori basati su inverter forniscono solo una corrente di guasto limitata, rendendo la differenza tra condizioni normali e di guasto molto più ridotta. Questo lascia meno margine di errore nella temporizzazione dei relè: intervenire troppo rapidamente può scollegare parti sane della rete, intervenire troppo lentamente rischia danni alle apparecchiature e interruzioni più lunghe. Gli autori studiano due reti di prova — un semplice schema radiale a 9 nodi e una più complessa a maglia con 30 nodi — per verificare quanto bene diversi metodi di ottimizzazione riescono a trovare impostazioni dei relè efficaci nelle condizioni connessa alla rete, con generazione distribuita e in isola.

Lasciare che gli algoritmi cerchino impostazioni migliori

Invece di regolare i relè manualmente, i ricercatori trattano il coordinamento come un problema di ottimizzazione. L'obiettivo è minimizzare il tempo impiegato dai relè primari per eliminare i guasti, mantenendo comunque un margine temporale di sicurezza prima che intervenga qualsiasi relè di backup. Utilizzano calcoli delle correnti di guasto ottenuti da software specializzati per sistemi elettrici e poi applicano tre algoritmi metaeuristici — Algoritmo Genetico (GA), Water Cycle Algorithm (WCA) e Big Bang–Big Crunch (BB‑BC) — per esplorare le possibili impostazioni del fattore temporale per ciascun relè. Questi metodi imitano processi naturali come l'evoluzione, il flusso dell'acqua o l'espansione e la contrazione cosmica per esplorare un ampio numero di combinazioni senza richiedere gradienti matematici dettagliati.

Cosa succede nelle reti semplici e complesse

Per il più semplice sistema a 9 nodi in modalità normale connessa alla rete e senza generazione locale, tutti e tre i metodi trovano rapidamente buone soluzioni con tempi complessivi di eliminazione dei guasti brevi e un coordinamento adeguato. Quando vengono aggiunti generatori distribuiti e le correnti di guasto diventano bidirezionali, il compito si complica. Il GA raggiunge il tempo totale di eliminazione più rapido ma in alcuni casi si avvicina o supera leggermente il margine di sicurezza desiderato tra relè primari e di backup. WCA e BB‑BC forniscono tempi complessivi leggermente più lunghi ma mantengono margini di coordinamento più sani. In funzionamento in isola, dove le correnti di guasto sono più basse e i margini più stretti, il GA fornisce di nuovo il tempo totale più breve ma mostra una violazione del coordinamento in almeno una coppia di relè, mentre il WCA mantiene il coordinamento a costo di un'azione leggermente più lenta e il BB‑BC fatica maggiormente. Nella più complessa rete a maglia da 30 nodi, che utilizza relè in grado di distinguere tra direzioni di guasto avanti e reverse, tutti e tre i metodi hanno successo, con il WCA che produce il tempo combinato di eliminazione più basso.

Cosa significa questo per le reti future

Per i non specialisti, la conclusione è che mantenere un sistema elettrico sia pulito sia affidabile è un esercizio di equilibrio. Spingere la temporizzazione dei relè a essere il più rapida possibile non è sempre la scelta migliore quando sono coinvolti generatori locali basati su inverter e le correnti di guasto sono modeste. Metodi come il Water Cycle Algorithm, che bilanciano velocità, robustezza e rispetto dei margini di sicurezza, possono offrire una protezione più affidabile man mano che le reti diventano più dinamiche e decentralizzate. Lo studio suggerisce che strumenti di ottimizzazione scelti con cura, accoppiati a modelli realistici del comportamento delle correnti di guasto, possono contribuire a garantire che, anche con flussi di potenza più complessi, i guasti vengano isolati in modo selettivo e la maggior parte dei clienti rimanga alimentata.

Citazione: Mohamed, R.E., Saleh, S.M. & Ahmad, A.G. Comparative optimization of overcurrent relay coordination in DG-integrated distribution networks: water cycle algorithm versus genetic algorithm and big bang–big crunch. Sci Rep 16, 10529 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43242-z

Parole chiave: generazione distribuita, protezione delle microreti, relè di sovracorrente, coordinamento dei relè, ottimizzazione metaeuristica