为未来的自愈微电网开发算法

　　

　　

　　自我修复电网:这听起来像是科幻小说里的概念，微型机器人或一些有感知能力的技术在周围爬行，修理电线，但在离小说不远的现实中，一组研究人员正在把这个想法变成现实。

　　不难想象，自我修复电网的潜在价值是什么，它能够适应并恢复正常，即使受到飓风或一群坏人的袭击，也能确保不间断的电力供应。

　　一个来自桑迪亚国家实验室和新墨西哥州立大学的团队正在使这一愿景成为可能——不是用微型机器人，而是用尖端的算法库。通过将这些算法编码到电网中继中，系统可以在电网运营商开始维修或提供指令之前，迅速恢复尽可能多的医院、杂货店和家庭的电力供应。

　　Sandia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自我修复，并在情况非常糟糕时形成这些特殊配置。”“在系统被损坏或受到威胁后，系统可以自动找出如何达到一个新的稳定状态，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局部测量来完成，因此不需要昂贵的光纤或人工控制器。”

　　正如罗普和其他许多人所设想的那样，未来的电网将有更多的可再生能源供应，如屋顶太阳能电池板和风力涡轮机，以及当地的储能系统，如电池组。许多这样的系统将有能力形成微电网——在医院、水处理厂和其他关键基础设施周围的小型电力“岛屿”，即使主电网宕机。

　　桑迪亚的这个项目使这些微电网在受损时能够自动修复，并相互连接，共享电力，为尽可能多的客户服务。

　　虽然微电网可以增加电网的弹性，但它们需要自动执行某些关键功能，如平衡能源生产和能源消耗，并在部分系统损坏或不可用时进行重新配置。这种自我修复能力还必须能够避免以一种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。

　　今天，为了在微电网中实现所有这些，运营商必须安装昂贵的高速通信设备，这些设备可以将可再生能源产生的直流电转换成电网可以使用的交流电，这些设备在灾难期间可能不可靠，而且容易受到网络攻击。

　　Ropp说，这个项目的目的是支持自我修复，仅使用每个设备可以进行的测量，在提高可靠性的同时降低成本。

　　拥有大量逆变器的微电网需要做的一个关键功能是，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，当这种供需失衡发生时，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，为微电网供电的逆变器，当它们过载时，就会停止调节电源的电压。桑迪亚领导的团队开发了一种算法，利用电压的下降来告诉继电器何时切断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为重要，因此对保持电力供应至关重要。作为疏散中心的银行、杂货店、娱乐中心或学校对社区的运作也很重要。个人住宅和社区往往没有那么重要。

　　该团队还开发了算法，使系统能够以避免损坏区域的方式自组装。罗普说，该团队使用计算机辅助设计软件模拟了一个由三个相互连接的微电网组成的小型系统，并展示了即使没有通信，他们的算法如何允许系统平衡电力生产和消费，隔离某些问题，如树木倒下的线路或损坏的发电厂，并围绕这些问题恢复重要设施的电力。

　　研究人员在2022年北美电力研讨会上发表的一篇论文中分享了他们的研究结果。

　　电气工程副教授Olga Lavrova说:“在如何保护电路、设备和人员免受电网问题的影响方面已经做了很多很好的工作，这就是为什么我们的电网非常安全可靠。”Olga Lavrova是桑迪亚公司的前雇员，参与了这个项目。“然而，当我们有很多可再生能源，太阳能和风能时，我们需要对这种逻辑做出一些改变，这是该项目的重点。”

　　北美大多数电网基础设施都设计成单线供电，单向向住宅、办公室和其他普通用户输送电力。因此，罗普和另一位参与该项目的桑迪亚电力工程师马修·雷诺(Matthew Reno)说，目前的电网设计不能保证在环路运行时稳定。系统中只有特定的定制设计部分可以作为循环运行。

　　微电网和分布式资源(如屋顶太阳能)增加了整体弹性，但也使电网有机会组装成不稳定的环路。雷诺说:“我们试图想出可能的测量方法，以确定两边是否已经连接起来，这样关闭开关就会形成一个回路。”

　　研究小组研究了断路器可以使用的一些数学方法，以确定断路器两侧的电网部分是否由同一电源供电，并确定有两种方法可以实现这一目的。研究人员在《IEEE电力传输学报》上发表的一篇论文中分享了这些方法的比较。

　　该团队还在研究一个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大于额定电流时，该怎么办?Ropp说，他们已经开发了一种类似莫尔斯码的方法，其中过载的线路继电器通过以特定模式打开和关闭来调制电压，低优先级客户的继电器可以检测到这种模式并断开自己，直到线路不再过载。

　　虽然这可以被认为是通信，但它不需要一个单独的系统，这可能容易受到黑客的攻击，也不需要人工操作——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将微电网快速划分为更小的亚微电网。希望这能将问题隔离在一个亚微电网上，允许其他的正常运行。

　　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，但不是一直有效，因此还有更多的工作要做。

　　Lavrova说，Ropp和团队希望与线路和负载继电器制造商合作，将他们的算法库整合到公司的产品中，首先在硬件在环测试平台上进行测试，然后可能在桑迪亚分布式能源技术实验室或新墨西哥州立大学类似的中压设备等测试设施中进行测试。

　　罗普说:“我们绝对希望它成为人们真正可以使用的东西，特别是低收入社区，他们无法在每个电路的每个点上都负担得起光纤通信。”“实际上，使用我们的算法库可以获得非常好的性能和非常好的弹性。如果你有通讯设备，这可以作为备份。”

　　更多信息:Elijah Silva等人，仅使用本地测量的自愈微电网保护元素，2022年北美电力研讨会(NAPS)(2023)。DOI: 10.1109 / NAPS56150.2022.10012232

　　Michael E. Ropp等，自修复电力系统和微电网中无意形成环路的检测和预防，IEEE电力传输学报(2023)。DOI: 10.1109 / TPWRD.2023.3254300

　　桑迪亚国家公司提供

　　部分实验室

　　引用:开发未来自愈微电网的算法(2024年1月23日)，2024年1月23日检索自https://techxplore.com/news/2024-01-algorithms-microgrids-future.html本文档

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