Construindo a rede elétrica autocurativa do futuro para energia ininterrupta

Eletrônica de Potência INSIDER
O engenheiro elétrico do Sandia National Laboratories, Michael Ropp, e sua equipe criaram uma biblioteca de códigos para melhorar a resiliência, a confiabilidade e a natureza de autocura da rede elétrica. (Imagem:Craig Fritz)
Não é difícil imaginar o valor potencial de uma rede autocurativa, capaz de se adaptar e recuperar a vida, garantindo energia ininterrupta mesmo quando atacada por um furacão ou por um grupo de malfeitores. Juntas, uma equipe dos Laboratórios Nacionais Sandia 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 tantos hospitais, supermercados e residências quanto possível antes que os operadores da rede possam iniciar os reparos ou fornecer instruções.

“O objetivo final é permitir que os sistemas se auto-reparem e formem configurações ad hoc quando as coisas vão realmente mal”, disse Michael Ropp, engenheiro elétrico da Sandia e líder do projeto. "Depois que o sistema é danificado ou comprometido, ele pode descobrir automaticamente como chegar a um novo estado estacionário que forneça energia para o maior número possível de clientes; é isso que queremos dizer com 'auto-reparação'. A chave é que estamos fazendo isso inteiramente com medições locais, então não há necessidade de fibras ópticas caras ou controladores humanos."

A rede eléctrica do futuro, tal como prevista por Ropp e muitos outros, terá mais fontes de energia renovável, tais como painéis solares nos telhados e turbinas eólicas, juntamente com sistemas locais de armazenamento de energia, tais como bancos de baterias. Muitos destes sistemas serão capazes de formar microrredes – pequenas “ilhas” de energia em torno de hospitais, estações de tratamento de água e outras infraestruturas críticas, mesmo que a rede principal esteja desligada. Este projeto Sandia permite que essas microrredes se recuperem automaticamente quando danificadas e se conectem entre si para compartilhar energia e atender o maior número possível de clientes.

Embora as microrredes possam aumentar a resiliência da rede, elas precisam executar automaticamente certas funções críticas, como equilibrar a produção de energia com o consumo de energia e reconfigurar se parte do sistema ficar danificada ou indisponível. Essa capacidade de autocorreção também deve ser capaz de evitar a conexão de microrredes de maneiras que causem problemas – por exemplo, formando um loop não intencional no circuito.

Hoje, para conseguir isto em microrredes que utilizam inversores de energia, os operadores devem instalar comunicações dispendiosas de alta velocidade que podem não ser fiáveis durante desastres e vulneráveis a ataques cibernéticos. O objetivo deste projeto, disse Ropp, é apoiar a autocura usando apenas as medições que cada dispositivo individual pode fazer, reduzindo custos e aumentando a confiabilidade.

Uma função fundamental que as microrredes com muitos inversores precisam realizar é desligar alguns clientes quando a demanda por eletricidade se torna maior que a oferta. Nas redes alimentadas por gás natural, carvão ou centrais nucleares, quando ocorre este desequilíbrio entre a procura e a oferta, a frequência da rede cai. Quando os algoritmos de relé existentes detectam isso, eles desconectam a energia de partes da rede. No entanto, quando os inversores projetados para alimentar microrredes 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 diminuição de tensão para informar aos relés quando desconectar a energia de clientes menos vitais.

Durante a sequência de um desastre natural, como um furacão ou um terremoto, os hospitais, as instalações de vida assistida e as estações de tratamento de água são especialmente vitais e, portanto, essenciais para manter a energia. Bancos, mercearias e centros recreativos ou escolas que servem como centros de evacuação também são muito importantes para o funcionamento de uma comunidade.

A equipe também desenvolveu algoritmos que permitem que o sistema se monte de forma a evitar áreas danificadas. Eles usaram software de design auxiliado por computador para modelar um pequeno sistema de três microrredes interconectadas e mostraram como, mesmo sem comunicações, seus algoritmos permitiram que o sistema equilibrasse a produção e o consumo de energia, isolasse certos problemas, como linhas derrubadas de árvores ou uma usina danificada, e contornasse o problema para restaurar a energia de 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 está atualmente projetada para ser estável quando operada em circuito fechado, disseram Ropp e Matthew Reno, outro engenheiro elétrico da Sandia envolvido no projeto. Apenas certas partes do sistema personalizadas podem operar como um loop.

As microrredes e os recursos distribuídos, como a energia solar nos telhados, aumentam a resiliência geral, mas também permitem que a rede se monte num circuito instável. Reno disse:“Estávamos tentando encontrar medidas possíveis para descobrir se os dois lados já estavam conectados, de modo que fechar a chave formaria um loop”.

A equipe analisou alguns métodos matemáticos que um disjuntor poderia usar para determinar se as partes da rede em ambos os lados do disjuntor são alimentadas pela mesma fonte de alimentação e determinou que dois desses métodos funcionavam para esse propósito. Os pesquisadores compartilharam uma comparação desses métodos em um artigo publicado na revista científica 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 fica no final do sistema suporta mais corrente do que o esperado. Eles desenvolveram um método semelhante ao código Morse, onde um relé de linha sobrecarregado modula a tensão abrindo e fechando em um padrão específico, de modo que os relés para clientes de baixa prioridade possam detectar esse padrão e se desconectar até que a linha não esteja mais sobrecarregada, disse Ropp. Embora isso possa ser considerado comunicação, não precisa de um sistema separado, que pode ser vulnerável a hackers, ou a um operador humano – ele 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 microrrede em submicrorredes menores quando um problema é detectado. A esperança é que isto isole o problema em apenas uma submicrorrede, permitindo que as outras operem normalmente. Os testes iniciais da equipe sugerem que esse método de definição dos pontos limite da microrrede funciona às vezes, mas não o tempo todo, portanto, há mais trabalho a ser feito.

Ropp e a equipe gostariam de trabalhar com fabricantes de relés de linha e de carga para incorporar sua biblioteca de algoritmos aos produtos das empresas, primeiro para testá-los em um ambiente de teste de hardware no circuito e depois, possivelmente, na vida real em instalações de teste como o Laboratório de Tecnologias de Energia Distribuída da Sandia ou em uma instalação semelhante de média tensão na Universidade Estadual do Novo México, disse Lavrova.

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

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