构建面向未来的自愈电网，保障能源不间断供应

电力电子 INSIDER

Sandia 国家实验室电气工程师 Michael Ropp 及其团队创建算法库，提升电网弹性、可靠性和自愈能力。（图片：Craig Fritz）

不难想象自愈电网潜在价值：能适应、反弹复活，即使遭遇飓风或恶意攻击，也能确保不间断供电。Sandia 国家实验室与新墨西哥州立大学团队通过前沿算法库使这一愿景成为可能。将这些算法编码进电网继电器，系统能在电网操作员开始维修或发出指令前，尽快恢复对医院、杂货店和家庭等尽可能多客户的供电。

“终极目标是让系统在情况极糟时自愈并形成临时配置，”Sandia 电气工程师、项目负责人 Michael Ropp 说。“系统受损或受损后，能自动找到新稳态，尽可能为更多客户供电；这便是‘自愈’含义。关键在于完全依赖本地测量，无需昂贵光纤或人工控制器。”

Ropp 等人设想的未来电网将拥有更多可再生能源：屋顶光伏、风机，以及本地储能系统（如电池组）。许多系统能形成微网——围绕医院、水厂等关键基础设施的小型“电力岛”，即使主网瘫痪也能运行。Sandia 项目使这些微网在受损时自动自我修复，并相互连接共享电力、服务尽可能多客户。

微网虽增强电网弹性，但需自动执行关键功能：平衡发电与用电、在部分系统受损或不可用时重组。自愈能力还须避免以导致问题方式连接微网——例如形成非预期回路。

如今，为在使用电力逆变器的微网实现此功能，运营商须安装昂贵高速通信，灾害中不可靠且易受网络攻击。该项目目的正是仅利用各设备自测量支持自愈，降低成本同时提高可靠性。

逆变器微网关键功能之一：当电力需求超过供应时切断少数客户。天然气、煤电、核电网中，供需失衡时频率下降；现有继电器算法检测到此情况会断开部分电网供电。但为微网供电的逆变器过载时，不再调节电压，电压下降。团队开发算法利用电压下降指示继电器何时切断非关键客户供电。

飓风、地震等自然灾害后，医院、养老院、水厂尤为关键，必须保电。银行、杂货店、作为疏散中心的娱乐中心或学校也对社区运转相当重要。

团队还开发算法让系统自组装以避开受损区域。用计算机辅助设计软件建模三个互联微网小系统，展示即使无通信，其算法也能平衡发电消费、隔离如树木倒伏线路或发电厂受损等问题、绕过问题恢复重要设施供电。

北美大部分配电基础设施设计为单电力线单向供电至住宅、办公室等普通客户。因此电网目前不设计为回路稳定运行。仅特定定制部分可作为回路运行。

微网和屋顶光伏等分布式资源增加整体弹性，但也允许电网组装成不稳定回路。Reno 说：“我们试图找出断路器可能用的测量方法，判断断路器两侧电网部分是否由同一电源供电，从而合闸会形成回路。”

团队研究断路器可用的数学方法，确定两侧部分是否同源供电，发现两种方法有效。研究人员在《IEEE Transactions on Power Delivery》发表论文对比这些方法。

团队也在解决类似问题：正常处于系统末端的电力线发现自身承载超额定电流时如何处理。他们开发类莫尔斯码方法：过载线路继电器按特定模式开合调制电压，低优先级客户继电器检测到该模式后自行断开，直到线路不再过载。虽可视为通信，但不需要易受黑客攻击的独立系统或人工操作员——利用电力线本身传输信号。

研究人员持续改进这些方法性能。例如开发快速将微网划分为更小子微网的方法，检测到问题时隔离至单个子微网，其余正常运行。初步测试显示该定义微网边界点方法有时有效但不总是，仍需工作。

Ropp 团队希望与线路和负载继电器制造商合作，将算法库纳入产品，先在硬件在环测试床测试，随后可能在 Sandia 分布式能源技术实验室或新墨西哥州立大学类似中压设施实际测试。

“我们希望这真正成为人们可用的东西，尤其负担不起每个电路每个点光纤通信的低收入社区，”Ropp 说。“用我们的算法库能获得非常好的性能和弹性。即便有通信，这仍可作为备份。”

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