Aufbau des selbstheilenden Stromnetzes von morgen für unterbrechungsfreie Energie

Leistungselektronik INSIDER

Der Elektroingenieur Michael Ropp von den Sandia National Laboratories und sein Team haben eine Bibliothek mit Codes erstellt, um die Widerstandsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Selbstheilungskraft des Stromnetzes zu verbessern. (Bild:Craig Fritz)

Es ist nicht schwer, sich den potenziellen Wert eines selbstheilenden Netzes vorzustellen, eines Netzes, das sich anpassen und wieder zum Leben erwachen kann und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung gewährleistet, selbst wenn es von einem Hurrikan oder einer Gruppe böser Akteure angegriffen wird. Gemeinsam macht ein Team der Sandia National Laboratories und der New Mexico State University diese Vision mit einer hochmodernen Algorithmenbibliothek möglich. Durch die Codierung dieser Algorithmen in Netzrelais kann das System schnell die Stromversorgung für möglichst viele Krankenhäuser, Lebensmittelgeschäfte und Haushalte wiederherstellen, bevor die Netzbetreiber mit Reparaturen beginnen oder Anweisungen erteilen können.

„Das ultimative Ziel besteht darin, den Systemen die Möglichkeit zu geben, sich selbst zu reparieren und Ad-hoc-Konfigurationen zu bilden, wenn etwas wirklich schlecht läuft“, sagte Michael Ropp, Elektroingenieur bei Sandia und Projektleiter. „Nachdem das System beschädigt oder kompromittiert wurde, kann es automatisch herausfinden, wie es in einen neuen stabilen Zustand gelangt, der so viele Kunden wie möglich mit Strom versorgt. Das verstehen wir unter ‚Selbstheilung‘. Der Schlüssel liegt darin, dass wir dies ausschließlich mit lokalen Messungen tun, sodass keine teuren Glasfaserkabel oder menschlichen Steuerungen erforderlich sind.“

Das Stromnetz der Zukunft wird, wie Ropp und viele andere es sich vorgestellt haben, über mehr erneuerbare Energiequellen wie Solarpaneele auf Dächern und Windturbinen sowie lokale Energiespeichersysteme wie Batteriebänke verfügen. Viele dieser Systeme werden in der Lage sein, Mikronetze zu bilden – kleine „Strominseln“ rund um Krankenhäuser, Wasseraufbereitungsanlagen und andere kritische Infrastrukturen, selbst wenn das Hauptnetz ausfällt. Dieses Sandia-Projekt ermöglicht es diesen Mikronetzen, sich bei Beschädigung automatisch selbst zu reparieren und miteinander zu verbinden, um Strom zu teilen und so viele Kunden wie möglich zu bedienen.

Während Mikronetze die Widerstandsfähigkeit des Netzes erhöhen können, müssen sie bestimmte kritische Funktionen automatisch ausführen, wie z. B. den Ausgleich von Energieproduktion und Energieverbrauch und die Neukonfiguration, wenn ein Teil des Systems beschädigt oder nicht verfügbar ist. Diese Selbstheilungsfähigkeit muss auch verhindern, dass Mikronetze auf eine Weise verbunden werden, die Probleme verursacht – beispielsweise durch die Bildung einer unbeabsichtigten Schleife im Stromkreis.

Um dies heute in Mikronetzen mit Wechselrichtern zu erreichen, müssen Betreiber teure Hochgeschwindigkeitskommunikation installieren, die bei Katastrophen unzuverlässig und anfällig für Cyberangriffe sein kann. Der Zweck dieses Projekts besteht laut Ropp darin, die Selbstheilung nur mithilfe der Messungen zu unterstützen, die jedes einzelne Gerät durchführen kann, um die Kosten zu senken und gleichzeitig die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Eine wichtige Funktion von Mikronetzen mit vielen Wechselrichtern besteht darin, einige Kunden abzuschalten, wenn die Stromnachfrage das Angebot übersteigt. Wenn in Netzen, die mit Erdgas, Kohle oder Kernkraftwerken betrieben werden, dieses Ungleichgewicht zwischen Nachfrage und Angebot auftritt, sinkt die Frequenz des Netzes. Wenn die vorhandenen Relaisalgorithmen dies erkennen, unterbrechen sie die Stromversorgung von Teilen des Netzes. Wenn jedoch Wechselrichter, die für die Stromversorgung von Mikronetzen ausgelegt sind, überlastet werden, regulieren sie die Spannung der Stromversorgung nicht mehr und die Spannung sinkt, sagte Ropp. Das Team entwickelte einen Algorithmus, um diesen Spannungsabfall zu nutzen, um den Relais mitzuteilen, wann die Stromversorgung weniger wichtiger Kunden unterbrochen werden soll.

Nach einer Naturkatastrophe wie einem Hurrikan oder einem Erdbeben sind Krankenhäuser, Einrichtungen für betreutes Wohnen und Wasseraufbereitungsanlagen besonders wichtig und daher von entscheidender Bedeutung, um mit Strom versorgt zu werden. Banken, Lebensmittelgeschäfte und Freizeitzentren oder Schulen, die als Evakuierungszentren dienen, sind ebenfalls sehr wichtig für das Funktionieren einer Gemeinschaft.

Das Team entwickelte außerdem Algorithmen, die es dem System ermöglichen, sich so selbst zusammenzubauen, dass beschädigte Bereiche vermieden werden. Sie verwendeten computergestützte Designsoftware, um ein kleines System aus drei miteinander verbundenen Mikronetzen zu modellieren, und zeigten, wie ihre Algorithmen es dem System auch ohne Kommunikation ermöglichten, Stromproduktion und -verbrauch auszugleichen, bestimmte Probleme wie umgestürzte Leitungen oder ein beschädigtes Kraftwerk zu isolieren und das Problem zu umgehen, um die Stromversorgung wichtiger Einrichtungen wiederherzustellen, sagte Ropp.

Der größte Teil der nordamerikanischen Netzinfrastruktur war auf einzelne Stromleitungen mit einseitigem Stromfluss zu Häusern, Büros und anderen Durchschnittskunden ausgelegt. Daher sei das Netz derzeit nicht darauf ausgelegt, stabil zu sein, wenn es in einem Kreislauf betrieben wird, sagten Ropp und Matthew Reno, ein weiterer an dem Projekt beteiligter Elektroingenieur aus Sandia. Nur bestimmte kundenspezifische Teile des Systems können als Schleife betrieben werden.

Mikronetze und verteilte Ressourcen wie Solaranlagen auf Dächern erhöhen die allgemeine Widerstandsfähigkeit, bieten aber auch die Möglichkeit, dass sich das Netz zu einem instabilen Kreislauf zusammenfügt. Reno sagte:„Wir haben versucht, mögliche Messungen zu finden, um herauszufinden, ob die beiden Seiten bereits verbunden waren, sodass das Schließen des Schalters eine Schleife bilden würde.“

Das Team untersuchte einige mathematische Methoden, mit denen ein Leistungsschalter bestimmen könnte, ob die Teile des Netzes auf beiden Seiten des Leistungsschalters von derselben Stromversorgung gespeist werden, und stellte fest, dass zwei solcher Methoden für diesen Zweck geeignet waren. Die Forscher teilten einen Vergleich dieser Methoden in einem Artikel mit, der in der Fachzeitschrift IEEE Transactions on Power Delivery veröffentlicht wurde .

Das Team arbeitet auch an einer Lösung für ein ähnliches Problem:Was ist zu tun, wenn eine Stromleitung, die sich normalerweise am Ende des Systems befindet, mehr Strom unterstützt, als sie ausgelegt ist? Sie haben eine Morsecode-ähnliche Methode entwickelt, bei der ein überlastetes Leitungsrelais die Spannung moduliert, indem es in einem bestimmten Muster öffnet und schließt, sodass die Relais für Kunden mit niedrigerer Priorität dieses Muster erkennen und sich selbst abschalten können, bis die Leitung nicht mehr überlastet ist, sagte Ropp. Dies könnte zwar als Kommunikation betrachtet werden, erfordert jedoch kein separates System, das für Hacker oder einen menschlichen Bediener anfällig sein könnte – es nutzt die Stromleitung selbst, um das Signal zu übertragen.

Die Forscher haben daran gearbeitet, die Leistung dieser Methoden zu verbessern. Sie haben beispielsweise eine Methode entwickelt, um das Mikronetz schnell in kleinere Sub-Mikronetze zu unterteilen, wenn ein Problem erkannt wird. Die Hoffnung besteht darin, das Problem auf nur ein Sub-Mikronetz zu beschränken und den anderen einen normalen Betrieb zu ermöglichen. Die ersten Tests des Teams legen nahe, dass diese Methode zur Definition von Mikronetz-Grenzpunkten manchmal funktioniert, aber nicht immer, sodass noch mehr Arbeit zu tun ist.

Ropp und das Team würden gerne mit Herstellern von Leitungs- und Lastrelais zusammenarbeiten, um deren Algorithmenbibliothek in die Produkte der Unternehmen zu integrieren, um sie zunächst in einem Hardware-in-the-Loop-Prüfstand und dann möglicherweise im realen Leben in Testeinrichtungen wie Sandias Distributed Energy Technologies Laboratory oder einer ähnlichen Mittelspannungsanlage an der New Mexico State University zu testen, sagte Lavrova.

„Wir möchten, dass dies etwas wird, das die Menschen wirklich nutzen können, insbesondere einkommensschwache Gemeinden, die sich Glasfaserkommunikation an jedem einzelnen Punkt jedes einzelnen Stromkreises nicht leisten können“, sagte Ropp. „Mit unserer Algorithmenbibliothek können Sie eine sehr gute Leistung und eine sehr gute Ausfallsicherheit erzielen. Und wenn Sie über die Kommunikation verfügen, kann dies immer noch ein Backup sein.“

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