Selbstheilendes Stromnetz der Zukunft: Ununterbrochene Energie durch Algorithmen-Bibliothek

Power Electronics INSIDER

Sandia National Laboratories Elektroingenieur Michael Ropp und sein Team haben eine Bibliothek von Codes erstellt, um die Resilienz, Zuverlässigkeit und selbstheilende Natur des Stromnetzes zu verbessern. (Bild: Craig Fritz)

Vision: Ein Netz, das sich selbst heilt

Es ist nicht schwer, sich den potenziellen Wert eines selbstheilenden Netzes vorzustellen – eines, das sich anpassen und zurück zum Leben finden kann, um ununterbrochene Stromversorgung zu gewährleisten, selbst wenn es von einem Hurrikan oder einer Gruppe böswilliger Akteure angegriffen wird. Gemeinsam macht ein Team von Sandia National Laboratories und New Mexico State University diese Vision möglich mit einer hochmodernen Bibliothek von Algorithmen. Indem diese Algorithmen in Netzrelais codiert werden, kann das System schnell Strom für so viele Krankenhäuser, Lebensmittelläden und Haushalte wie möglich wiederherstellen, bevor Netzbetreiber Reparaturen beginnen oder Anweisungen geben können.

„Das ultimative Ziel ist es, Systeme zu befähigen, sich selbst zu heilen und ad-hoc-Konfigurationen zu bilden, wenn es wirklich schlimm wird“, sagte Michael Ropp, Sandia-Elektroingenieur und Projektleiter. „Nachdem das System beschädigt oder kompromittiert wurde, kann es automatisch herausfinden, wie es zu einem neuen Steady-State gelangt, der so vielen Kunden wie möglich Strom liefert; das meinen wir mit ‚selbstheilend‘. Der Schlüssel ist, dass wir es vollständig mit lokalen Messungen tun, sodass keine teuren Glasfasern oder menschlichen Controller nötig sind.“

Zukünftiges Netz: Erneuerbare, Speicher, Mikrogrids

Das elektrische Netz der Zukunft, wie es von Ropp und vielen anderen vorgestellt wird, wird mehr erneuerbare Energiequellen wie Dach-Solarpanels und Windturbinen haben, zusammen mit lokalen Energiespeichersystemen wie Batteriebänken. Viele dieser Systeme werden in der Lage sein, Mikrogrids zu bilden – kleine „Inseln“ der Stromversorgung um Krankenhäuser, Wasseraufbereitungsanlagen und andere kritische Infrastruktur, selbst wenn das Hauptnetz ausfällt. Dieses Sandia-Projekt ermöglicht es diesen Mikrogrids, sich automatisch zu heilen, wenn sie beschädigt sind, und miteinander zu verbinden, um Strom zu teilen und so viele Kunden wie möglich zu versorgen.

Herausforderung: Automatische kritische Funktionen ohne Kommunikation

Während Mikrogrids die Resilienz des Netzes erhöhen können, müssen sie automatisch bestimmte kritische Funktionen ausführen – wie das Ausbalancieren von Energieerzeugung und -verbrauch und Neukonfiguration, wenn Teil des Systems beschädigt oder nicht verfügbar wird. Diese Selbstheilungsfähigkeit muss auch vermeiden, Mikrogrids auf Weisen zu verbinden, die Probleme verursachen – beispielsweise durch Bildung einer unbeabsichtigten Schleife im Stromkreis.

Heute müssen Betreiber, um dies in Mikrogrids mit Leistungsumrichtern zu erreichen, teure Hochgeschwindigkeitskommunikation installieren, die bei Katastrophen unzuverlässig und anfällig für Cyberangriffe sein kann. Der Zweck dieses Projekts, so Ropp, ist es, Selbstheilung nur mit den Messungen zu unterstützen, die jedes einzelne Gerät machen kann – was Kosten reduziert und Zuverlässigkeit erhöht.

Spannungsbasierte Lastabwurf-Algorithmen

Eine Schlüsselfunktion, die Mikrogrids mit vielen Umrichtern erfüllen müssen, ist das Abschalten einiger Kunden, wenn der Strombedarf das Angebot übersteigt. In Netzen, die von Erdgas, Kohle oder Kernkraftwerken betrieben werden, sinkt die Frequenz des Netzes bei diesem Nachfrage-Angebot-Ungleichgewicht. Wenn die bestehenden Relais-Algorithmen dies detektieren, trennen sie Strom für Teile des Netzes. Wenn jedoch Umrichter, die für Mikrogrids ausgelegt sind, überlastet werden, hören sie auf, die Spannung der Stromversorgung zu regeln, und die Spannung fällt ab, sagte Ropp. Das Team entwickelte einen Algorithmus, um diesen Spannungsabfall zu nutzen, um Relais anzuweisen, wann sie Strom für weniger wichtige Kunden abschalten sollen.

Priorisierung kritischer Infrastruktur

Nach Naturkatastrophen wie Hurrikanen oder Erdbeben sind Krankenhäuser, Pflegeeinrichtungen und Wasseraufbereitungsanlagen besonders vital und somit kritisch, um sie mit Strom zu versorgen. Banken, Lebensmittelläden und Freizeitzentren oder Schulen, die als Evakuierungszentren dienen, sind ebenfalls recht wichtig für das Funktionieren einer Gemeinschaft.

Selbstorganisation und Vermeidung instabiler Schleifen

Das Team entwickelte auch Algorithmen, die es dem System erlauben, sich selbst so zusammenzusetzen, dass beschädigte Bereiche umgangen werden. Sie nutzten CAD-Software, um ein kleines System von drei miteinander verbundenen Mikrogrids zu modellieren und zeigten, wie ihre Algorithmen selbst ohne Kommunikation das System befähigten, Stromerzeugung und -verbrauch auszugleichen, bestimmte Probleme wie umgefallene Leitungen oder ein beschädigtes Kraftwerk zu isolieren und das Problem zu umgehen, um Strom für wichtige Einrichtungen wiederherzustellen, sagte Ropp.

Der größte Teil der nordamerikanischen Netzinfrastruktur war für einzelne Stromleitungen mit einseitigem Stromfluss zu Häusern, Büros und anderen Durchschnittskunden ausgelegt. Daher ist das Netz derzeit nicht dafür ausgelegt, stabil im Schleifenbetrieb zu operieren, sagten Ropp und Matthew Reno, ein weiterer Sandia-Elektroingenieur im Projekt. Nur bestimmte maßgeschneiderte Teile des Systems können als Schleife betrieben werden.

Mikrogrids und verteilte Ressourcen wie Dachsolar erhöhen die Gesamtresilienz, erlauben aber auch die Chance, dass das Netz sich in eine instabile Schleife zusammenfügt. Reno sagte: „Wir versuchten, mögliche Messungen zu finden, um herauszufinden, ob die beiden Seiten bereits verbunden sind, sodass das Schließen des Schalters eine Schleife bilden würde.“

Das Team untersuchte mathematische Methoden, die ein Schutzschalter nutzen könnte, um zu bestimmen, ob die Netzbereiche auf beiden Seiten des Schutzschalters von derselben Stromquelle gespeist werden, und stellte fest, dass zwei solche Methoden für diesen Zweck funktionierten. Die Forscher teilten einen Vergleich dieser Methoden in einem Paper, veröffentlicht im wissenschaftlichen Journal IEEE Transactions on Power Delivery.

Morse-Code-ähnliche Überlastsignalisierung

Das Team arbeitet auch an einer Lösung für ein ähnliches Problem: Was tun, wenn eine Stromleitung, die normalerweise am Ende des Systems ist, sich selbst mehr Strom führend findet, als sie ausgelegt ist? Sie entwickelten eine Morse-Code-ähnliche Methode, bei der ein Überlast-Relais die Spannung durch Öffnen und Schließen in einem spezifischen Muster moduliert, sodass Relais für niedrigere-Prioritätskunden dieses Muster detektieren und sich selbst abschalten können, bis die Leitung nicht mehr überlastet ist, sagte Ropp. Während dies als Kommunikation betrachtet werden könnte, benötigt es kein separates System, das anfällig für Hacker sein könnte, oder einen menschlichen Operator – es nutzt die Stromleitung selbst zur Signalübertragung.

Weitere Verbesserungen: Schnelle Aufteilung in Sub-Mikrogrids

Die Forscher arbeiten an Wegen, die Performance dieser Methoden zu verbessern. Beispielsweise entwickelten sie eine Methode, um den Mikrogrid bei Problemerkennung schnell in kleinere Sub-Mikrogrids zu unterteilen. Die Hoffnung ist, dass dies das Problem auf nur ein Sub-Mikrogrid isoliert, sodass die anderen normal operieren können. Die anfänglichen Tests des Teams deuten darauf hin, dass diese Methode zur Definition von Mikrogrid-Grenzpunkten manchmal, aber nicht immer funktioniert – also gibt es noch mehr Arbeit zu tun.

Kommerzialisierung und breite Zugänglichkeit

Ropp und das Team möchten mit Herstellern von Leitungs- und Lastralis zusammenarbeiten, um ihre Algorithmenbibliothek in die Produkte der Unternehmen zu integrieren – zuerst zum Testen in einem Hardware-in-the-Loop-Teststand und dann möglicherweise im echten Leben in Testanlagen wie Sandias Distributed Energy Technologies Laboratory oder einer ähnlichen Mittelspannungsanlage an der New Mexico State University, sagte Lavrova.

„Wir wollen, dass dies etwas wird, das Menschen wirklich nutzen können – besonders einkommensschwache Gemeinden, die sich keine Glasfaserkommunikation an jedem einzelnen Punkt jedes einzelnen Stromkreises leisten können“, sagte Ropp. „Man kann sehr gute Performance und sehr gute Resilienz mit unserer Algorithmenbibliothek erreichen. Und wenn man die Kommunikation hat, kann dies immer noch ein Backup sein.“

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