Construyendo la red eléctrica autorreparable del mañana para obtener 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, la confiabilidad y la naturaleza de autorreparación de la red eléctrica. (Imagen:Craig Fritz)

No es difícil imaginar el valor potencial de una red autocurativa, capaz de adaptarse y volver a la vida, garantizando energía ininterrumpida incluso cuando sea atacada por un huracán o un grupo de malos actores. Juntos, un equipo de los Laboratorios Nacionales Sandia y la Universidad Estatal de Nuevo México están haciendo posible esta visión con una biblioteca de algoritmos de vanguardia. Al codificar estos algoritmos en relés de la red, el sistema puede restaurar rápidamente la energía a tantos hospitales, tiendas de comestibles y hogares como sea posible antes de que los operadores de la red puedan comenzar las reparaciones o dar instrucciones.

"El objetivo final es permitir que los sistemas se autorrecuperen y formen configuraciones ad hoc cuando las cosas van realmente mal", dijo Michael Ropp, ingeniero eléctrico de Sandia y líder del proyecto. "Una vez que el sistema se daña o se ve comprometido, automáticamente puede descubrir cómo llegar a un nuevo estado estable que proporcione energía a tantos clientes como sea posible; eso es lo que queremos decir con 'autorreparación'. La clave es que lo hacemos completamente con mediciones locales, por lo que no hay necesidad de costosas fibras ópticas ni controladores humanos".

La red eléctrica del futuro, tal como la imaginan Ropp y muchos otros, tendrá más suministros de energía renovable, como paneles solares en los tejados 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 otras infraestructuras críticas, incluso si la red principal no funciona. Este proyecto de Sandia permite que esas microrredes se recuperen automáticamente cuando se dañan y se conecten entre sí para compartir energía y atender a tantos clientes como sea posible.

Si bien las microrredes pueden aumentar la resiliencia de la red, deben realizar automáticamente ciertas funciones críticas, como equilibrar la producción de energía con el consumo de energía y reconfigurarlas si parte del sistema se daña o no está disponible. Esta capacidad de autorreparación también debe poder evitar la conexión de microrredes de formas que causen problemas, por ejemplo, formando un bucle involuntario en el circuito.

Hoy en día, para lograr esto en microrredes que utilizan inversores de energía, los operadores deben instalar costosas comunicaciones de alta velocidad que pueden ser poco confiables durante los desastres y vulnerables a los ciberataques. El propósito de este proyecto, dijo Ropp, es apoyar la autocuración utilizando solo las mediciones que cada dispositivo individual puede realizar, reduciendo costos y aumentando la confiabilidad.

Una función clave que deben realizar las microrredes con muchos inversores es desconectar a algunos clientes cuando la demanda de electricidad supera el suministro. En las redes alimentadas por gas natural, carbón o centrales nucleares, cuando se produce este desequilibrio entre la oferta y la demanda, la frecuencia de la red cae. Cuando los algoritmos de relés existentes detectan esto, desconectan la energía de partes de la red. Sin embargo, cuando los inversores diseñados para alimentar microrredes se sobrecargan, dejan de regular el voltaje de la fuente de alimentación y el voltaje cae, dijo Ropp. El equipo desarrolló un algoritmo para utilizar esta disminución de voltaje para indicar a los relés cuándo desconectar la energía a los clientes menos vitales.

Después de un desastre natural, como un huracán o un terremoto, los hospitales, las instalaciones de vida asistida y las plantas de tratamiento de agua son especialmente vitales y, por lo tanto, fundamentales para mantener la energía eléctrica. Los bancos, las tiendas de comestibles y los centros recreativos o escuelas que sirven como centros de evacuación también son muy importantes para el funcionamiento de una comunidad.

El equipo también desarrolló algoritmos que permiten que el sistema se autoensamble de manera que se eviten áreas dañadas. Utilizaron 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 equilibrar la producción y el consumo de energía, aislar ciertos problemas como líneas caídas de árboles o una planta de energía dañada, y solucionar el problema para restaurar la energía a instalaciones importantes, dijo Ropp.

La mayor parte de la infraestructura de la red de América del Norte fue diseñada para tener líneas eléctricas únicas con flujo de energía unidireccional hacia casas, oficinas y otros clientes promedio. Por lo tanto, 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. Sólo ciertas partes del sistema diseñadas a medida pueden funcionar como un bucle.

Las microrredes y los recursos distribuidos, como la energía solar en los tejados, aumentan la resiliencia general, pero también permiten que la red se una en un circuito inestable. Reno dijo:"Estábamos tratando de encontrar posibles medidas para determinar si los dos lados ya estaban conectados de modo que al cerrar el interruptor se formara un bucle".

El equipo analizó algunos métodos matemáticos que un interruptor podría usar para determinar si las partes de la red a cada lado del interruptor están alimentadas por la misma fuente de alimentación y determinó 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. .

El equipo también está trabajando en una solución a un problema similar:qué hacer cuando una línea eléctrica que normalmente está al final del sistema soporta más corriente de la que está nominal. Han desarrollado un método similar al código Morse en el que un relé de línea sobrecargado modula el voltaje abriéndose y cerrándose en un patrón específico, de modo que los relés para clientes de menor prioridad puedan detectar este patrón y desconectarse hasta que la línea ya no esté sobrecargada, dijo Ropp. Si bien esto podría considerarse comunicación, no necesita un sistema separado, que podría ser vulnerable a los piratas informáticos, ni a un operador humano:utiliza la propia línea eléctrica para transmitir la señal.

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 submicrorredes más pequeñas cuando se detecta un problema. La esperanza es que esto aísle el problema a una sola submicrorred, permitiendo que las demás funcionen normalmente. Las pruebas iniciales del equipo sugieren que este método de definir los puntos límite de la microrred funciona a veces, pero no siempre, por lo que queda más trabajo por hacer.

A Ropp y al equipo les gustaría trabajar con fabricantes de relés de línea y de carga para incorporar su biblioteca de algoritmos en los productos de las empresas, primero para probarlos en un banco de pruebas de hardware en el circuito 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 similar de media tensión en la Universidad Estatal de Nuevo México, dijo Lavrova.

"Queremos que esto se convierta en algo que la gente realmente pueda utilizar, especialmente las comunidades de bajos ingresos que no pueden permitirse comunicaciones de fibra óptica en cada punto de cada circuito eléctrico", dijo Ropp. "Puede obtener muy buen rendimiento y muy buena resiliencia utilizando nuestra biblioteca de algoritmos. Y si tiene las comunicaciones, esto puede seguir siendo una copia de seguridad".

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