Newswise — ALBUQUERQUE, NM — شبکه های برق خود ترمیم شونده: ممکن است مفهومی خارج از داستان علمی تخیلی به نظر برسد، با روبات های کوچک یا برخی فناوری های حساس که در اطراف خطوط برق می خزند، اما در واقعیت، نه چندان دور از داستان، تیمی از محققان پیشنهاد این ایده برای زندگی
چیزی که تصور کردن آن سخت نیست، ارزش بالقوه یک شبکه خوددرمانی است که می تواند سازگار شود و به زندگی بازگردد، حتی در صورت حمله طوفان یا گروهی از افراد بد، قدرت بی وقفه را فراهم می کند. تیمی از آزمایشگاه‌های ملی ساندیا و دانشگاه ایالتی نیومکزیکو با هم این چشم انداز را ممکن می‌کنند – نه با روبات‌های کوچک، بلکه با کتابخانه‌ای پیشرفته از الگوریتم‌ها. با کدگذاری این الگوریتم‌ها در رله‌های شبکه، این سیستم می‌تواند به سرعت برق را به بیمارستان‌ها، فروشگاه‌های مواد غذایی و خانه‌ها قبل از شروع تعمیرات یا صدور دستورالعمل‌ها توسط اپراتورهای شبکه بازیابی کند.
مایکل راپ، مهندس برق ساندیا و رهبر پروژه، گفت: «هدف نهایی این است که سیستم‌ها را قادر به خودترمیمی کردن و شکل دادن به این پیکربندی‌های موقتی در زمانی که اوضاع خیلی بد پیش می‌رود، است. هنگامی که سیستم آسیب ببیند یا به خطر بیفتد، سیستم می تواند به طور خودکار نحوه رسیدن به یک وضعیت پایدار جدید را که برق را تا حد امکان برای مشتریان بیشتری فراهم می کند، بیابد. این همان چیزی است که ما از “خود درمانی” می گوییم. نکته کلیدی این است که ما آن را کاملاً با اندازه گیری های محلی انجام می دهیم، بنابراین نیازی به فیبرهای نوری گران قیمت یا کنترل کننده های انسانی نیست.
شبکه برق آینده، همانطور که توسط Ropp و بسیاری دیگر پیش بینی شده است، دارای منابع انرژی تجدیدپذیر بیشتری مانند پنل های خورشیدی روی پشت بام و توربین های بادی، همراه با سیستم های ذخیره انرژی محلی مانند بانک باتری خواهد بود. بسیاری از این سیستم‌ها توانایی تشکیل ریزشبکه‌ها را خواهند داشت – «جزیره‌های» کوچک انرژی در اطراف بیمارستان‌ها، نیروگاه‌های تصفیه آب و سایر زیرساخت‌های حیاتی، حتی اگر شبکه اصلی خاموش باشد. این پروژه Sandia به این ریزشبکه‌ها اجازه می‌دهد تا در صورت آسیب‌دیدگی به طور خودکار خود را بهبود بخشند و به یکدیگر متصل شوند تا برق را به اشتراک بگذارند و تا حد امکان به مشتریان بیشتری خدمت کنند.
اگرچه ریزشبکه‌ها می‌توانند انعطاف‌پذیری شبکه را افزایش دهند، اما باید به طور خودکار عملکردهای حیاتی خاصی مانند متعادل کردن تولید انرژی با مصرف انرژی و پیکربندی مجدد را انجام دهند، اگر بخشی از سیستم از کار بیفتد یا در دسترس نباشد. این قابلیت خودترمیمی همچنین باید بتواند از اتصال ریزشبکه‌ها به‌گونه‌ای که مشکلاتی را ایجاد می‌کند، جلوگیری کند – برای مثال، با تشکیل یک حلقه ناخواسته در مدار. امروزه، برای دستیابی به همه اینها در ریزشبکه هایی با استفاده از اینورترهای برق، دستگاه هایی که جریان مستقیم تولید شده توسط منابع انرژی تجدیدپذیر را به جریان متناوب تبدیل می کنند که شبکه بتواند از آن استفاده کند، اپراتورها باید ارتباطات پرسرعت گران قیمتی را نصب کنند که می تواند در هنگام بلایا غیرقابل اعتماد باشد و در برابر حملات سایبری آسیب پذیر باشد. . به گفته راپ، هدف این پروژه، پشتیبانی از خوددرمانی تنها با استفاده از اندازه‌گیری‌هایی است که هر دستگاه می‌تواند انجام دهد و هزینه‌ها را کاهش دهد و در عین حال قابلیت اطمینان را افزایش دهد.
یکی از عملکردهای کلیدی که ریزشبکه های چند اینورتر باید انجام دهند این است که وقتی تقاضا برای برق بیشتر از عرضه می شود، چندین مشتری را قطع کنند. در شبکه هایی که از گاز طبیعی، زغال سنگ یا نیروگاه های هسته ای تغذیه می شوند، وقتی این عدم تعادل بین عرضه و تقاضا رخ می دهد، فرکانس شبکه کاهش می یابد. وقتی الگوریتم‌های رله موجود این موضوع را تشخیص می‌دهند، برق را به بخش‌هایی از شبکه قطع می‌کنند. به گفته راپ، با این حال، اینورترهایی که برای تغذیه ریزشبکه‌ها طراحی شده‌اند، در صورت بارگذاری بیش از حد، ولتاژ منبع تغذیه را تنظیم نمی‌کنند. تیم تحت رهبری Sandia الگوریتمی را برای استفاده از این افت ولتاژ ایجاد کرد تا به رله‌ها بگوید چه زمانی برق را به مشتریانی که کمتر حیاتی هستند قطع کنند.
در طول یک بلای طبیعی، مانند طوفان یا زلزله، بیمارستان ها، منازل مسکونی و تصفیه خانه های فاضلاب به ویژه حیاتی هستند و بنابراین برای حفظ برق حیاتی هستند. بانک‌ها، خواربارفروشی‌ها و مراکز تفریحی یا مدارسی که به عنوان مراکز تخلیه عمل می‌کنند نیز برای عملکرد یک جامعه بسیار مهم هستند. خانه ها و محله های فردی اغلب آنقدرها حیاتی نیستند.
این تیم همچنین الگوریتم‌هایی را توسعه دادند که به سیستم اجازه می‌دهد تا خود به روشی جمع شود که از مناطق آسیب‌دیده جلوگیری کند. تیم استفاده می کند نرم افزار طراحی به کمک کامپیوتر یک سیستم کوچک از سه ریزشبکه متصل به هم را مدل‌سازی کرد و نشان داد که چگونه، حتی بدون ارتباطات، الگوریتم‌های آنها به سیستم اجازه می‌دهد تا تولید و مصرف انرژی را متعادل کند، مشکلات خاصی مانند خطوط قطع شده یا یک نیروگاه آسیب‌دیده را جدا کند و مشکل را حل کند تا برق را به برق بازگرداند. راپ گفت که امکانات حیاتی است. محققان نتایج خود را در مقاله ای که به عنوان بخشی از این مقاله منتشر شد به اشتراک گذاشتند سمپوزیوم انرژی آمریکای شمالی 2022.
وی گفت: “کارهای زیادی در مورد نحوه محافظت از مدارها، تجهیزات و افراد در برابر مشکلات شبکه انجام شده است، به همین دلیل است که شبکه برق ما بسیار ایمن و قابل اعتماد است.” اولگا لاوروا، دانشیار مهندسی برق و کارمند سابق ساندیا درگیر پروژه. با این حال، زمانی که منابع انرژی تجدیدپذیر، خورشیدی و بادی زیادی داریم، باید تغییراتی در این منطق که محور پروژه است، ایجاد کنیم.»
بیشتر زیرساخت‌های شبکه آمریکای شمالی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که دارای خطوط برق تکی با جریان یک طرفه برق به خانه‌ها، ادارات و سایر مشتریان متوسط باشد. روپ و متیو رینو، یکی دیگر از مهندسان برق ساندیا که در این پروژه دخیل هستند، می‌گویند بنابراین، شبکه در حال حاضر به گونه‌ای طراحی نشده است که هنگام کار در یک چرخه پایدار باشد. فقط برخی از بخش‌های طراحی شده خاص سیستم می‌توانند به عنوان یک حلقه کار کنند.
ریزشبکه ها و منابع توزیع شده مانند خورشیدی روی پشت بام، انعطاف پذیری کلی را افزایش می دهند، اما همچنین به شبکه اجازه می دهند تا در یک زنجیره ناپایدار جمع شوند. رنو گفت: “ما در تلاش بودیم تا اندازه گیری های ممکن را انجام دهیم تا بفهمیم آیا دو طرف قبلاً به هم وصل شده اند یا خیر تا بستن سوئیچ یک حلقه را تشکیل دهد.”
این تیم به بررسی برخی روش‌های ریاضی پرداختند که یک مدارشکن می‌تواند برای تعیین اینکه آیا قطعات شبکه در دو طرف کلید مدار از یک منبع تغذیه تغذیه می‌شوند یا خیر، استفاده کرد و دریافت که دو روش برای این منظور کار می‌کنند. محققان مقایسه ای از این روش ها را در مقاله ای که در مجله علمی منتشر شده به اشتراک گذاشتند تراکنش های IEEE در تحویل نیرو.
این تیم همچنین در حال کار بر روی راه حلی برای یک مشکل مشابه است: وقتی یک خط برق، که معمولاً در انتهای سیستم قرار دارد، جریان بیشتری نسبت به آنچه که برای آن تعیین شده است، چه باید کرد. راپ گفت، آنها روشی شبیه کد مورس را توسعه داده اند که در آن یک رله خط اضافه بار، ولتاژ را با باز و بسته شدن در یک الگوی خاص تعدیل می کند، و رله های مشتری با اولویت پایین تر می توانند این الگو را تشخیص دهند و تا زمانی که خط دیگر اضافه بار نباشد، حرکت می کند.
در حالی که این را می توان ارتباط در نظر گرفت، اما نیازی به سیستم جداگانه ای ندارد که ممکن است در برابر هکرها یا اپراتور انسانی آسیب پذیر باشد – از خود خط برق برای انتقال سیگنال استفاده می کند.
محققان در حال کار بر روی راه هایی برای بهبود اثربخشی این روش ها هستند. به عنوان مثال، آنها روشی را برای تقسیم سریع ریزشبکه به ریزشبکه های فرعی کوچکتر در هنگام شناسایی مشکل ایجاد کرده اند. امید این است که این مشکل را فقط در یک زیرشبکه جدا کند و به بقیه اجازه دهد تا به طور عادی کار کنند. آزمایش اولیه تیم نشان می دهد که این روش برای تعیین نقاط مرزی ریزشبکه گاهی اوقات کار می کند، اما نه همیشه، بنابراین کار بیشتری برای انجام وجود دارد.
Ropp و تیم مایلند با سازندگان رله‌های خط و بار کار کنند تا کتابخانه الگوریتم‌های خود را در محصولات شرکت‌ها بگنجانند، ابتدا آنها را در سخت‌افزار آزمایشی در حلقه و سپس در تجهیزات آزمایشی واقعی مانند Sandia آزمایش کنند. آزمایشگاه فناوری های انرژی پراکنده لاوروا گفت یا در یک تاسیسات ولتاژ متوسط مشابه در دانشگاه ایالتی نیومکزیکو.
Ropp گفت: “ما قطعاً می خواهیم این به چیزی تبدیل شود که مردم واقعاً بتوانند از آن استفاده کنند، به ویژه جوامع کم درآمدی که توانایی پرداخت ارتباطات فیبر نوری را در هر نقطه از هر مدار الکتریکی ندارند.” با استفاده از کتابخانه الگوریتم‌های ما در واقع می‌توانید عملکرد بسیار خوب و استحکام بسیار خوبی داشته باشید. و اگر ارتباطات دارید، می تواند یک نسخه پشتیبان باشد.
این پروژه تحقیقاتی توسط Sandia’s تامین مالی شد تحقیق و توسعه با هدایت آزمایشگاهی برنامه و دفتر برنامه ریزشبکه برق وزارت انرژی. در دانشگاه ایالتی نیومکزیکو، یک دانشجوی کارشناسی و سه دانشجوی کارشناسی ارشد در این پروژه شرکت کردند که عمدتاً روی مدل‌سازی محاسباتی کار می‌کردند. دو دانشجوی دیگر، یکی از مؤسسه فناوری جورجیا و دیگری از دانشگاه دوک، به عنوان کارآموز تابستانی ساندیا استخدام شدند.
###
آزمایشگاه‌های ملی ساندیا یک آزمایشگاه چند مأموریتی است که توسط شرکت فناوری ملی و راه‌حل‌های مهندسی Sandia LLC، یکی از شرکت‌های تابعه شرکت بین‌المللی هانی‌ول، برای اداره امنیت ملی هسته‌ای وزارت انرژی ایالات متحده اداره می‌شود. آزمایشگاه های Sandia دارای مسئولیت های عمده تحقیق و توسعه در بازدارندگی هسته ای، امنیت جهانی، دفاع، فن آوری انرژی و رقابت اقتصادی است، با تاسیسات اولیه در آلبوکرکی، نیومکزیکو، و لیورمور، کالیفرنیا.
