Construyendo la red eléctrica auto-reparable del mañana para energía ininterrumpida

Electrónica de Potencia INSIDER

El ingeniero eléctrico de Sandia National Laboratories, Michael Ropp, y su equipo han creado una biblioteca de códigos para mejorar la resiliencia, fiabilidad y naturaleza auto-reparable de la red eléctrica. (Imagen: Craig Fritz)

Visión de una red auto-reparable

No es difícil imaginar el valor potencial de una red auto-reparable, capaz de adaptarse y recuperarse, asegurando energía ininterrumpida incluso cuando es asediada por un huracán o un grupo de malos actores. Juntos, un equipo de Sandia National Laboratories y la Universidad Estatal de Nuevo México está haciendo posible esta visión con una biblioteca de algoritmos de vanguardia. Al codificar estos algoritmos en relés de red, el sistema puede restaurar rápidamente la energía a la mayor cantidad posible de hospitales, tiendas de comestibles y hogares antes de que los operadores de red puedan comenzar reparaciones o dar instrucciones.

"La meta final es permitir que los sistemas se auto-reparen y formen configuraciones ad hoc cuando las cosas van realmente mal", dijo Michael Ropp, ingeniero eléctrico de Sandia y líder del proyecto. "Después de que el sistema es dañado o comprometido, puede automáticamente averiguar cómo llegar a un nuevo estado estable que proporcione energía a la mayor cantidad de clientes posible; eso es lo que queremos decir con 'auto-reparable'. La clave es que lo hacemos completamente con mediciones locales, así que no hay necesidad de fibra óptica costosa o controladores humanos."

Red del futuro: microrredes y recursos distribuidos

La red eléctrica del futuro, como la imaginan Ropp y muchos otros, tendrá más suministros de energía renovable como paneles solares en techos y turbinas eólicas, junto con sistemas locales de almacenamiento de energía como bancos de baterías. Muchos de estos sistemas podrán formar microrredes — pequeñas "islas" de energía alrededor de hospitales, plantas de tratamiento de agua y otra infraestructura crítica incluso si la red principal está caída. Este proyecto de Sandia permite que esas microrredes se auto-reparen automáticamente cuando se dañan y se conecten entre sí para compartir energía y servir a la mayor cantidad de clientes posible.

Desafíos de microrredes con inversores

Si bien las microrredes pueden aumentar la resiliencia de la red, necesitan realizar automáticamente ciertas funciones críticas como balancear producción de energía con consumo y reconfigurar si parte del sistema se daña o no está disponible. Esta capacidad de auto-reparación también debe poder evitar conectar microrredes de formas que causen problemas — por ejemplo, formando un bucle no intencional en el circuito.

Hoy, para lograr esto en microrredes que usan inversores de potencia, los operadores deben instalar comunicaciones de alta velocidad costosas que pueden ser poco fiables durante desastres y vulnerables a ciberataques. El propósito de este proyecto, dijo Ropp, es apoyar la auto-reparación usando solo las mediciones que cada dispositivo individual puede hacer, reduciendo costos mientras aumenta la fiabilidad.

Algoritmos clave desarrollados

Una función clave que microrredes con muchos inversores necesitan hacer es desconectar algunos clientes cuando la demanda de electricidad se vuelve mayor que la oferta. En redes alimentadas por plantas de gas natural, carbón o nuclear, cuando ocurre este desequilibrio oferta-demanda, la frecuencia de la red cae. Cuando los algoritmos de relé existentes detectan esto, desconectan energía a porciones de la red. Sin embargo, cuando inversores diseñados para alimentar microrredes se sobrecargan, dejan de regular el voltaje del suministro de energía y el voltaje cae, dijo Ropp. El equipo desarrolló un algoritmo para usar esta disminución de voltaje para decirle a los relés cuándo desconectar energía a clientes menos vitales.

Durante las secuelas de un desastre natural como huracán o terremoto, hospitales, instalaciones de vida asistida y plantas de tratamiento de agua son especialmente vitales y por lo tanto críticos para mantener con energía. Bancos, tiendas de comestibles y centros de recreación o escuelas que sirven como centros de evacuación también son bastante importantes para el funcionamiento de una comunidad.

El equipo también desarrolló algoritmos que permiten al sistema auto-ensamblarse de formas que evitan áreas dañadas. Usaron software de diseño asistido por computadora para modelar un pequeño sistema de tres microrredes interconectadas y mostraron cómo incluso sin comunicaciones, sus algoritmos permitieron al sistema balancear producción y consumo de energía, aislar ciertos problemas como líneas derribadas por árboles o una planta de energía dañada, y trabajar alrededor del problema para restaurar energía a instalaciones importantes, dijo Ropp.

Evitar bucles inestables en la red

La mayor parte de la infraestructura de red de Norteamérica fue diseñada para tener líneas de potencia simples con flujo de potencia unidireccional a casas, oficinas y otros clientes promedio. Así, la red no está diseñada actualmente para ser estable cuando se opera en bucle, dijeron Ropp y Matthew Reno, otro ingeniero eléctrico de Sandia involucrado en el proyecto. Solo ciertas porciones diseñadas a medida del sistema pueden operar como bucle.

Las microrredes y recursos distribuidos como paneles solares en techos aumentan la resiliencia general pero también permiten la posibilidad de que la red se ensamble en un bucle inestable. Reno dijo: "Estábamos tratando de idear posibles mediciones para averiguar si los dos lados ya estaban conectados de modo que cerrar el interruptor formaría un bucle."

El equipo analizó algunos métodos matemáticos que un interruptor podría usar para determinar si las porciones de la red a cada lado del interruptor son alimentadas por la misma fuente de energía y determinaron que dos de esos métodos funcionaban para este propósito. Los investigadores compartieron una comparación de estos métodos en un artículo publicado en la revista científica IEEE Transactions on Power Delivery.

Solución tipo código Morse para líneas sobrecargadas

El equipo también está trabajando en una solución a un problema similar: qué hacer cuando una línea de potencia que normalmente está al final del sistema se encuentra soportando más corriente de la que está clasificada. Han desarrollado un método tipo código Morse donde un relé de línea sobrecargada modula el voltaje abriendo y cerrando en un patrón específico, para que los relés de clientes de menor prioridad puedan detectar este patrón y desconectarse hasta que la línea ya no esté sobrecargada, dijo Ropp. Aunque esto podría considerarse comunicación, no necesita un sistema separado, que podría ser vulnerable a hackers, o un operador humano — usa la propia línea de potencia para transmitir la señal.

Mejoras continuas y próximos pasos

Los investigadores han estado trabajando en formas de mejorar el rendimiento de estos métodos. Por ejemplo, han desarrollado un método para dividir rápidamente la microrred en sub-microrredes más pequeñas cuando se detecta un problema. La esperanza es que esto aislaría el problema a solo una sub-microrred, permitiendo que las otras operen normalmente. Las pruebas iniciales del equipo sugieren que este método de definir puntos de frontera de microrred funciona a veces, pero no siempre, así que hay más trabajo por hacer.

Ropp y el equipo querrían trabajar con fabricantes de relés de línea y carga para incorporar su biblioteca de algoritmos en los productos de las empresas, primero para probarlos en un banco de prueba hardware-in-the-loop y luego posiblemente en la vida real en instalaciones de prueba como el Laboratorio de Tecnologías de Energía Distribuida de Sandia o en una instalación de media tensión similar en la Universidad Estatal de Nuevo México, dijo Lavrova.

"Queremos que esto se convierta en algo que la gente pueda realmente usar, especialmente comunidades de bajos ingresos que no pueden pagar comunicaciones de fibra óptica en cada punto de cada circuito eléctrico", dijo Ropp. "Puede obtener muy buen rendimiento y muy buena resiliencia usando nuestra biblioteca de algoritmos. Y si tiene las comunicaciones, esto aún puede ser un respaldo."

Fuente