建设明天的自愈电网以实现不间断能源

电力电子内幕

桑迪亚国家实验室电气工程师 Michael Ropp 和他的团队创建了一个代码库，以提高电网的弹性、可靠性和自愈性。 （图片来源：克雷格·弗里茨）

不难想象自我修复电网的潜在价值，它能够适应并恢复活力，即使受到飓风或一群坏人的袭击也能确保不间断的电力。来自桑迪亚国家实验室和新墨西哥州立大学的团队正在通过尖端算法库使这一愿景成为可能。通过将这些算法编码到电网继电器中，系统可以在电网运营商开始维修或提供指示之前快速恢复尽可能多的医院、杂货店和家庭的电力。

桑迪亚电气工程师兼项目负责人 Michael Ropp 表示：“最终目标是使系统能够在情况变得非常糟糕时进行自我修复并形成临时配置。” “系统受损或受到损害后，它可以自动找出如何达到新的稳态，为尽可能多的客户提供电力；这就是我们所说的‘自我修复’。关键是我们完全通过本地测量来做到这一点，因此不需要昂贵的光纤或人工控制器。”

正如罗普和许多其他人所设想的那样，未来的电网将拥有更多的可再生能源供应，例如屋顶太阳能电池板和风力涡轮机，以及本地储能系统，例如电池组。其中许多系统将能够形成微电网——即使主电网瘫痪，医院、水处理厂和其他关键基础设施周围的小型电力“孤岛”也是如此。桑迪亚项目使这些微电网能够在损坏时自动修复，并相互连接以共享电力并为尽可能多的客户提供服务。

虽然微电网可以提高电网的弹性，但它们需要自动执行某些关键功能，例如平衡能源生产与能源消耗，以及在系统部分损坏或不可用时重新配置。这种自我修复能力还必须能够避免以导致问题的方式连接微电网——例如，在电路中形成无意的环路。

如今，为了在使用逆变器的微电网中实现这一目标，运营商必须安装昂贵的高速通信，这些通信在灾难期间可能不可靠并且容易受到网络攻击。 Ropp 表示，该项目的目的是仅使用每个单独设备可以进行的测量来支持自我修复，从而降低成本，同时提高可靠性。

拥有大量逆变器的微电网需要完成的一项关键功能是，当电力需求大于供应时，关闭一些客户。在由天然气、煤炭或核电站供电的电网中，当出现这种供需失衡时，电网的频率就会下降。当现有的继电器算法检测到这一点时，它们会断开部分电网的电源。然而，罗普说，当设计用于为微电网供电的逆变器过载时，它们会停止调节电源电压并且电压下降。该团队开发了一种算法，利用电压的降低来告诉继电器何时断开对不太重要的客户的电源。

在飓风或地震等自然灾害发生后，医院、辅助生活设施和水处理厂尤其重要，因此对于保持供电至关重要。银行、杂货店、娱乐中心或学校作为疏散中心对于社区的运作也非常重要。

该团队还开发了算法，允许系统以避开损坏区域的方式进行自组装。罗普说，他们使用计算机辅助设计软件对一个由三个互连的微电网组成的小型系统进行建模，并展示了即使没有通信，他们的算法也可以使系统平衡电力生产和消耗，隔离某些问题，例如树木倒塌的线路或受损的发电厂，并解决该问题以恢复重要设施的电力。

北美的大部分电网基础设施都设计为单根电力线，单向电力流向房屋、办公室和其他普通客户。因此，罗普和参与该项目的另一位桑迪亚电气工程师马修·雷诺表示，目前电网的设计并不能保证在循环运行时保持稳定。只有系统的某些定制设计部分可以作为循环运行。

微电网和屋顶太阳能等分布式资源提高了整体弹性，但也使电网有可能形成不稳定的循环。雷诺说：“我们试图提出可能的测量方法，以确定两侧是否已经连接，以便关闭开关会形成一个回路。”

该团队研究了断路器可用于确定断路器两侧的电网部分是否由同一电源供电的一些数学方法，并确定两种此类方法可用于此目的。研究人员在科学期刊IEEE Transactions on Power Delivery上发表的一篇论文中分享了这些方法的比较 .

该团队还在研究类似问题的解决方案：当通常位于系统末端的电源线发现自己支持的电流超过额定值时该怎么办。罗普说，他们开发了一种类似莫尔斯电码的方法，其中过载线路继电器通过以特定模式打开和关闭来调节电压，因此低优先级客户的继电器可以检测到这种模式并自行断开连接，直到线路不再过载。虽然这可以被视为通信，但它不需要单独的系统，该系统可能容易受到黑客或人类操作员的攻击 - 它使用电力线本身来传输信号。

研究人员一直在研究提高这些方法性能的方法。例如，他们开发了一种方法，可以在检测到问题时快速将微电网划分为更小的子微电网。希望这能够将问题隔离到一个子微电网，从而使其他子微电网能够正常运行。该团队的初步测试表明，这种定义微电网边界点的方法有时有效，但并非总是有效，因此还有更多工作要做。

Lavrova 表示，Ropp 和团队希望与线路和负载继电器制造商合作，将他们的算法库纳入公司的产品中，首先在硬件在环测试台中进行测试，然后可能在桑迪亚分布式能源技术实验室等测试设施或新墨西哥州立大学的类似中压设施中进行实际测试。

罗普说：“我们希望它成为人们真正可以使用的东西，特别是那些无力承担每条电路的每一个点的光纤通信费用的低收入社区。” “使用我们的算法库，您可以获得非常好的性能和非常好的弹性。如果您确实有通信，这仍然可以作为备份。”

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