Создание самовосстанавливающейся электросети завтрашнего дня для бесперебойной энергии

Power Electronics INSIDER

Инженер-электрик Sandia National Laboratories Майкл Ропп и команда создали библиотеку кодов для повышения устойчивости, надежности и самовосстанавливающейся природы электросети. (Изображение: Craig Fritz)

Не трудно представить ценность самовосстанавливающейся сети, способной адаптироваться и оживать, обеспечивая бесперебойное питание даже под ударом урагана или группы злоумышленников. Вместе команда из Sandia и New Mexico State University делает это видением реальностью с передовой библиотекой алгоритмов. Зашивая эти алгоритмы в реле сети, система может быстро восстановить питание для максимального числа больниц, магазинов, домов до того, как операторы сети начнут ремонт или дадут инструкции.

«Конечная цель — позволить системам самовосстанавливаться и формировать ad-hoc конфигурации, когда все идет совсем плохо», — говорит Майкл Ропп, инженер-электрик Sandia и руководитель проекта. «После повреждения или компрометации система автоматически вычисляет, как перейти в новое стационарное состояние, дающее питание максимальному числу потребителей; это и есть "самовосстановление". Ключ — мы делаем это исключительно локальными измерениями, без дорогих волокон или человеческих контроллеров».

Электросеть будущего, по видению Роппа и многих других, будет иметь больше возобновляемых источников (крышные солнечные панели, ветряки), локальные накопители (баттерии). Многие смогут формировать микросетя — маленькие «острова» питания вокруг больниц, водоочистных сооружений, другой критической инфраструктуры даже при падении главной сети. Этот проект Sandia позволяет микросетям автоматически самовосстанавливаться при повреждении и соединяться друг с другом для разделения питания и обслуживания максимума потребителей.

Пока микросетя повышают устойчивость сети, они должны автоматически выполнять критические функции: баланс генерации и потребления, реконфигурацию при повреждении части системы. Эта самовосстанавливающаяся способность также должна избегать соединения микросетей способами, вызывающими проблемы — например, формирование непреднамеренной петли в цепи.

Сегодня для этого в микросетях с инверторами операторы должны ставить дорогие высокоскоростные коммуникации, ненадежные при катастрофах и уязвимые для кибератак. Цель проекта — поддержать самовосстановление только измерениями, которые каждое устройство может сделать само, снижая стоимость и повышая надежность.

Одна ключевая функция для микросетей с множеством инверторов — отключать менее важных потребителей, когда спрос на электричество превышает предложение. В сетях на газе, угле, ядерке при таком дисбалансе частота сети падает. Существующие алгоритмы реле детектируют это и отключают части сети. Но когда инверторы для микросетей перегружены, они перестают регулировать напряжение и оно падает, говорит Ропп. Команда разработала алгоритм, использующий это падение напряжения для сигнала реле когда отключать менее жизненно важных потребителей.

После природного катаклизма (ураган, землетрясение) особенно жизненно важны больницы, дома престарелых, водоочистка — критично держать их под питанием. Банки, магазины, рекцентры или школы-эвакуационные пункты — тоже важны для функционирования сообщества.

Команда также разработала алгоритмы, позволяющие системе само-собираться с обходом поврежденных зон. Использовали CAD для моделирования маленькой системы трех взаимосвязанных микросетей и показали, как даже без коммуникаций их алгоритмы позволяют системе балансировать генерацию и потребление, изолировать проблемы (обваленные деревьями линии, поврежденную электростанцию) и обходить их для восстановления питания важных объектов, говорит Ропп.

Большинство инфраструктуры сети Северной Америки спроектировано для одиночных линий с однонаправленным потоком к домам, офисам, средним потребителям. Сеть не рассчитана на стабильность при работе в петле, говорят Ропп и Мэттью Рено, другой инженер-электрик Sandia в проекте. Только специально спроектированные участки могут работать как петля.

Микросетя и распределенные ресурсы (крышные солнечные) повышают общую устойчивость, но дают шанс для сбора сети в нестабильную петлю. Рено: «Пытались придумать измерения, как брекер может определить, обе ли стороны уже соединены, так что замыкание выключателя образует петлю».

Команда рассмотрела математические методы, как брекер может определить, питаны ли участки сети по обе стороны от брекера одним источником, и определили, что два таких метода работают для этой цели. Исследователи поделились сравнением методов в статье в журнале IEEE Transactions on Power Delivery.

Команда также работает над похожей проблемой: что делать, когда линия, обычно в конце системы, оказывается под большим током, чем рассчитана. Разработали морзеподобный метод: реле перегруженной линии модулирует напряжение, открывая и закрывая в специфическом паттерне, так реле низкоприоритетных потребителей детектируют паттерн и отключают себя до снятия перегрузки, говорит Ропп. Хотя это можно считать коммуникацией, не нужна отдельная система (уязвимая для хакеров) или человеческий оператор — используется сама линия питания для передачи сигнала.

Исследователи работают над улучшением производительности методов. Например, разработали метод быстрого деления микросетя на суб-микросетя при детектировании проблемы. Надежда — изолировать проблему в одной суб-микросетке, позволяя остальным работать нормально. Начальное тестирование показывает: метод определения граничных точек микросетей работает иногда, но не всегда — работа продолжается.

Ропп и команда хотят сотрудничать с производителями линейных и нагрузных реле для внедрения своей библиотеки алгоритмов в продукты: сначала тесты в hardware-in-the-loop, потом возможно в реальной жизни на тестовых полигонах вроде Distributed Energy Technologies Laboratory Sandia или аналогичного средневольтного объекта New Mexico State University, говорит Лаврова.

«Хотим, чтобы это стало чем-то, чем люди реально могут пользоваться, особенно низкодоходные сообщества, не способные позволить волоконную оптику в каждой точке каждой цепи», — говорит Ропп. «Наши алгоритмы дают очень хорошую производительность и устойчивость. А если коммуникации есть — это все равно может быть бэкапом».

Источник