Создание самовосстанавливающейся энергосистемы завтрашнего дня для бесперебойного энергоснабжения

Инсайдер силовой электроники

Инженер-электрик Sandia National Laboratories Майкл Ропп и его команда создали библиотеку кодов для повышения устойчивости, надежности и самовосстановления электрической сети. (Изображение:Крейг Фриц)

Нетрудно представить потенциальную ценность самовосстанавливающейся сети, способной адаптироваться и вернуться к жизни, обеспечивая бесперебойное электроснабжение даже при нападении урагана или группы злоумышленников. Вместе команда из Национальных лабораторий Сандии и Университета штата Нью-Мексико делает эту идею возможной с помощью передовой библиотеки алгоритмов. Запрограммировав эти алгоритмы в сетевые реле, система может быстро восстановить электроснабжение как можно большего числа больниц, продуктовых магазинов и домов, прежде чем операторы сети смогут начать ремонт или дать инструкции.

«Конечная цель — дать возможность системам самовосстанавливаться и формировать специальные конфигурации, когда дела идут совсем плохо», — сказал Майкл Ропп, инженер-электрик Sandia и руководитель проекта. "После того, как система повреждена или скомпрометирована, она может автоматически определить, как перейти к новому устойчивому состоянию, обеспечивающему питание как можно большего числа потребителей; это то, что мы подразумеваем под "самовосстановлением". Ключ в том, что мы делаем это полностью с помощью локальных измерений, поэтому нет необходимости в дорогостоящем оптоволокне или человеческих контроллерах".

Электрическая сеть будущего, по мнению Роппа и многих других, будет иметь больше источников возобновляемой энергии, таких как солнечные панели на крышах и ветряные турбины, а также локальные системы хранения энергии, такие как аккумуляторные батареи. Многие из этих систем смогут формировать микросети — небольшие «островки» электроэнергии вокруг больниц, водоочистных сооружений и другой критически важной инфраструктуры, даже если основная сеть выйдет из строя. Этот проект Sandia позволяет этим микросетям автоматически восстанавливаться при повреждении и соединяться друг с другом, чтобы делиться электроэнергией и обслуживать как можно больше клиентов.

Хотя микросети могут повысить отказоустойчивость сети, они должны автоматически выполнять определенные важные функции, такие как балансирование производства энергии с потреблением энергии и реконфигурация, если часть системы становится поврежденной или недоступной. Эта возможность самовосстановления также должна позволять избегать соединения микросетей способами, вызывающими проблемы — например, путем образования непреднамеренного цикла в цепи.

Сегодня, чтобы добиться этого в микросетях, использующих силовые инверторы, операторам приходится устанавливать дорогостоящую высокоскоростную связь, которая может быть ненадежной во время стихийных бедствий и уязвимой для кибератак. Целью этого проекта, по словам Роппа, является поддержка самовосстановления с использованием только тех измерений, которые может выполнить каждое отдельное устройство, что позволит снизить затраты и одновременно повысить надежность.

Одна из ключевых функций, которую должны выполнять микросети с большим количеством инверторов, — это отключение нескольких потребителей, когда спрос на электроэнергию становится больше, чем предложение. В сетях, работающих на природном газе, угле или атомных электростанциях, когда возникает дисбаланс спроса и предложения, частота сети падает. Когда существующие алгоритмы реле обнаруживают это, они отключают питание на участках сети. Однако, когда инверторы, предназначенные для питания микросетей, перегружаются, они перестают регулировать напряжение источника питания, и напряжение падает, говорит Ропп. Команда разработала алгоритм, позволяющий использовать это снижение напряжения, чтобы сообщать реле, когда отключать питание менее важных потребителей.

Во время стихийного бедствия, такого как ураган или землетрясение, больницы, дома престарелых и водоочистные сооружения особенно важны и, следовательно, имеют решающее значение для поддержания электроснабжения. Банки, продуктовые магазины и центры отдыха или школы, служащие центрами эвакуации, также весьма важны для функционирования сообщества.

Команда также разработала алгоритмы, которые позволяют системе самособираться таким образом, чтобы избежать повреждений. Они использовали программное обеспечение для автоматизированного проектирования для моделирования небольшой системы из трех взаимосвязанных микросетей и показали, как даже без связи их алгоритмы позволяют системе сбалансировать производство и потребление электроэнергии, изолировать определенные проблемы, такие как обрушенные деревья или поврежденная электростанция, и обойти проблему для восстановления подачи электроэнергии на важные объекты, сказал Ропп.

Большая часть сетевой инфраструктуры Северной Америки была спроектирована так, чтобы иметь одиночные линии электропередачи с односторонней подачей электроэнергии к домам, офисам и другим обычным потребителям. Таким образом, сеть в настоящее время не рассчитана на стабильность при работе в цикле, говорят Ропп и Мэтью Рено, еще один инженер-электрик из компании Sandia, участвовавший в проекте. Только определенные, специально разработанные части системы могут работать в циклическом режиме.

Микросети и распределенные ресурсы, такие как солнечные батареи на крышах, повышают общую устойчивость, но также дают возможность сети собраться в нестабильный цикл. Рено сказал:«Мы пытались придумать возможные измерения, чтобы выяснить, соединены ли обе стороны уже так, чтобы замыкание переключателя образовало петлю».

Команда рассмотрела некоторые математические методы, которые выключатель может использовать, чтобы определить, питаются ли части сети по обе стороны от выключателя от одного и того же источника питания, и определила, что для этой цели подходят два таких метода. Исследователи поделились сравнением этих методов в статье, опубликованной в научном журнале IEEE Transactions on Power Delivery. .

Команда также работает над решением аналогичной проблемы:что делать, если линия электропередачи, которая обычно находится в конце системы, обнаруживает, что выдерживает больший ток, чем рассчитано. Они разработали метод, аналогичный азбуке Морзе, при котором перегруженное линейное реле модулирует напряжение, открываясь и закрываясь по определенному шаблону, поэтому реле для клиентов с более низким приоритетом могут обнаружить этот шаблон и отключиться до тех пор, пока линия не перестанет перегружаться, сказал Ропп. Хотя это можно считать связью, для этого не требуется отдельная система, которая может быть уязвима для хакеров, или человек-оператор — для передачи сигнала используется сама линия электропередачи.

Исследователи работают над способами улучшения эффективности этих методов. Например, они разработали метод быстрого разделения микросети на более мелкие субмикросети при обнаружении проблемы. Есть надежда, что это позволит изолировать проблему только в одной субмикросети, позволяя остальным работать нормально. Первоначальное тестирование команды показало, что этот метод определения граничных точек микросетки работает иногда, но не всегда, поэтому предстоит еще много работы.

Ропп и его команда хотели бы сотрудничать с производителями линейных реле и реле нагрузки, чтобы включить их библиотеку алгоритмов в продукцию компаний, сначала протестировать их на испытательном стенде «аппаратно-в-контуре», а затем, возможно, в реальной жизни на испытательных объектах, таких как Лаборатория технологий распределенной энергетики Sandia или на аналогичном объекте среднего напряжения в Университете штата Нью-Мексико, сказала Лаврова.

«Мы хотим, чтобы это стало чем-то, что действительно смогут использовать люди, особенно сообщества с низкими доходами, которые не могут позволить себе оптоволоконную связь в каждой точке каждой электрической цепи», — сказал Ропп. "Вы можете добиться очень хорошей производительности и очень хорошей устойчивости, используя нашу библиотеку алгоритмов. И если у вас есть связь, это все еще может быть резервной копией".

Источник