Construindo a Rede Elétrica Auto-Reparadora do Futuro para Energia Ininterrupta

Power Electronics INSIDER

O engenheiro elétrico Michael Ropp do Sandia National Laboratories e sua equipe criaram uma biblioteca de códigos para melhorar a resiliência, confiabilidade e natureza auto-reparadora da rede elétrica. (Imagem: Craig Fritz)

Não é difícil imaginar o valor potencial de uma rede auto-reparadora, capaz de se adaptar e voltar à vida, garantindo energia ininterrupta mesmo quando assolada por um furacão ou um grupo de maus atores. Juntos, uma equipe do Sandia National Laboratories e da Universidade Estadual do Novo México está tornando essa visão possível com uma biblioteca de algoritmos de ponta. Ao codificar esses algoritmos em relés de rede, o sistema pode restaurar rapidamente a energia para o maior número possível de hospitais, mercearias e residências antes que operadores da rede possam iniciar reparos ou fornecer instruções.

"O objetivo final é permitir que sistemas se auto-reparem e formem configurações ad hoc quando as coisas dão muito errado," disse Michael Ropp, engenheiro elétrico do Sandia e líder do projeto. "Após o sistema ser danificado ou comprometido, ele pode descobrir automaticamente como chegar a um novo estado estável que forneça energia para o maior número possível de clientes; isso é o que queremos dizer com 'auto-reparação'. A chave é que estamos fazendo isso inteiramente com medições locais, então não há necessidade de fibra óptica cara ou controladores humanos."

A Rede Elétrica do Futuro

A rede elétrica do futuro, como imaginada por Ropp e muitos outros, terá mais fontes de energia renovável, como painéis solares em telhados e turbinas eólicas, junto com sistemas locais de armazenamento de energia, como bancos de baterias. Muitos desses sistemas poderão formar micro-redes — pequenas "ilhas" de energia ao redor de hospitais, estações de tratamento de água e outra infraestrutura crítica, mesmo se a rede principal estiver inoperante. Este projeto do Sandia permite que essas micro-redes se auto-reparem automaticamente quando danificadas e se conectem umas às outras para compartilhar energia e atender o maior número possível de clientes.

Embora micro-redes possam aumentar a resiliência da rede, elas precisam executar automaticamente certas funções críticas, como equilibrar produção de energia com consumo e reconfigurar se parte do sistema se tornar danificada ou indisponível. Essa capacidade de auto-reparação também deve ser capaz de evitar conectar micro-redes de maneiras que causem problemas — por exemplo, formando um loop não intencional no circuito.

Hoje, para alcançar isso em micro-redes que usam inversores de potência, operadores devem instalar comunicações de alta velocidade caras que podem ser não confiáveis durante desastres e vulneráveis a ciberataques. O propósito deste projeto, disse Ropp, é apoiar a auto-reparação usando apenas as medições que cada dispositivo individual pode fazer, reduzindo custo enquanto aumenta a confiabilidade.

Algoritmos para Desligamento Seletivo e Auto-Montagem

Uma função chave que micro-redes com muitos inversores precisam fazer é desligar alguns clientes quando a demanda por eletricidade se torna maior que a oferta. Em redes alimentadas por gás natural, carvão ou usinas nucleares, quando esse desequilíbrio oferta-demanda ocorre, a frequência da rede cai. Quando os algoritmos de relé existentes detectam isso, eles desconectam energia para porções da rede. No entanto, quando inversores projetados para alimentar micro-redes ficam sobrecarregados, eles param de regular a tensão da fonte de alimentação e a tensão cai, disse Ropp. A equipe desenvolveu um algoritmo para usar essa queda de tensão para dizer aos relés quando desconectar energia para clientes menos vitais.

Após um desastre natural como furacão ou terremoto, hospitais, instalações de vida assistida e estações de tratamento de água são especialmente vitais e, portanto, críticos para manter energizados. Bancos, mercearias e centros de recreação ou escolas que servem como centros de evacuação também são bastante importantes para o funcionamento de uma comunidade.

A equipe também desenvolveu algoritmos que permitem que o sistema se auto-monte de maneiras que evitem áreas danificadas. Eles usaram software de design assistido por computador para modelar um pequeno sistema de três micro-redes interconectadas e mostraram como, mesmo sem comunicações, seus algoritmos permitiram que o sistema equilibrasse produção e consumo de energia, isolasse certos problemas como linhas derrubadas por árvores ou uma usina danificada, e contornassem o problema para restaurar energia a instalações importantes, disse Ropp.

A maior parte da infraestrutura de rede da América do Norte foi projetada para ter linhas de energia únicas com fluxo de energia unidirecional para residências, escritórios e outros clientes médios. Assim, a rede não é atualmente projetada para ser estável quando operada em loop, disseram Ropp e Matthew Reno, outro engenheiro elétrico do Sandia envolvido no projeto. Apenas certas porções customizadas do sistema podem operar como loop.

Micro-redes e recursos distribuídos como painéis solares em telhados aumentam a resiliência geral, mas também permitem a chance de a rede se montar em um loop instável. Reno disse: "Estávamos tentando encontrar medições possíveis para descobrir se os dois lados já estavam conectados de forma que fechar o interruptor formaria um loop."

A equipe examinou alguns métodos matemáticos que um disjuntor poderia usar para determinar se as porções da rede de ambos os lados do disjuntor são alimentadas pela mesma fonte de energia e determinou que dois desses métodos funcionaram para este propósito. Os pesquisadores compartilharam uma comparação desses métodos em um artigo publicado no jornal científico IEEE Transactions on Power Delivery.

A equipe também está trabalhando em uma solução para um problema semelhante: o que fazer quando uma linha de energia que normalmente está no final do sistema se vê suportando mais corrente que sua classificação. Eles desenvolveram um método tipo código Morse onde um relé de linha sobrecarregada modula a tensão abrindo e fechando em um padrão específico, para que os relés de clientes de menor prioridade possam detectar este padrão e se desconectem até que a linha não esteja mais sobrecarregada, disse Ropp. Embora isso possa ser considerado comunicação, não precisa de um sistema separado, que poderia ser vulnerável a hackers, ou um operador humano — usa a própria linha de energia para transmitir o sinal.

Os pesquisadores têm trabalhado em maneiras de melhorar o desempenho desses métodos. Por exemplo, desenvolveram um método para dividir rapidamente a micro-rede em sub-micro-redes menores quando um problema é detectado. A esperança é que isso isolasse o problema a apenas uma sub-micro-rede, permitindo que as outras operem normalmente. Os testes iniciais da equipe sugerem que este método de definição de pontos de fronteira de micro-rede funciona às vezes, mas nem sempre, então há mais trabalho a fazer.

Ropp e a equipe gostariam de trabalhar com fabricantes de relés de linha e carga para incorporar sua biblioteca de algoritmos nos produtos das empresas, primeiro para testá-los em um banco de teste hardware-in-the-loop e então possivelmente na vida real em instalações de teste como o Laboratório de Tecnologias de Energia Distribuída do Sandia ou em uma instalação de média tensão similar na Universidade Estadual do Novo México, disse Lavrova.

"Queremos que isso se torne algo que as pessoas possam realmente usar, especialmente comunidades de baixa renda que não podem pagar comunicações de fibra óptica em cada ponto de cada circuito elétrico," disse Ropp. "Você pode obter desempenho muito bom e resiliência muito boa usando nossa biblioteca de algoritmos. E se você tiver as comunicações, isso ainda pode ser um backup."

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