Construire le réseau électrique auto-réparateur de demain pour une énergie ininterrompue

Power Electronics INSIDER

L'ingénieur électricien Michael Ropp des Laboratoires nationaux de Sandia et son équipe ont créé une bibliothèque de codes pour améliorer la résilience, la fiabilité et la nature auto-réparatrice du réseau électrique. (Image : Craig Fritz)

Il n'est pas difficile d'imaginer la valeur potentielle d'un réseau auto-réparateur, capable de s'adapter et de rebondir, assurant une alimentation ininterrompue même face à un ouragan ou à un groupe d'acteurs malveillants. Ensemble, une équipe des Laboratoires nationaux de Sandia et de l'Université d'État du Nouveau-Mexique rend cette vision possible avec une bibliothèque d'algorithmes de pointe. En codant ces algorithmes dans les relais du réseau, le système peut rapidement rétablir l'électricité vers le plus grand nombre possible d'hôpitaux, épiceries et foyers avant que les opérateurs du réseau ne puissent commencer les réparations ou donner des instructions.

« L'objectif ultime est de permettre aux systèmes de s'auto-réparer et de former des configurations ad hoc quand les choses tournent vraiment mal », dit Michael Ropp, ingénieur électricien à Sandia et chef de projet. « Après que le système est endommagé ou compromis, il peut automatiquement déterminer comment atteindre un nouvel état stable qui fournit de l'énergie au plus grand nombre possible de clients ; c'est ce que nous entendons par "auto-réparation". La clé est que nous le faisons entièrement avec des mesures locales, donc pas besoin de fibres optiques coûteuses ni de contrôleurs humains. »

Le réseau du futur

Le réseau électrique du futur, tel qu'envisagé par Ropp et beaucoup d'autres, aura plus de sources d'énergie renouvelable comme des panneaux solaires sur toits et des éoliennes, ainsi que des systèmes de stockage d'énergie locaux comme des batteries. Beaucoup de ces systèmes pourront former des micro-réseaux — de petites « îles » d'énergie autour d'hôpitaux, stations de traitement d'eau et autres infrastructures critiques même si le réseau principal est en panne. Ce projet Sandia permet à ces micro-réseaux de s'auto-réparer automatiquement quand ils sont endommagés et de se connecter entre eux pour partager l'énergie et servir le plus de clients possible.

Si les micro-réseaux peuvent augmenter la résilience du réseau, ils doivent automatiquement effectuer certaines fonctions critiques comme l'équilibrage de la production d'énergie avec la consommation et la reconfiguration si une partie du système devient endommagée ou indisponible. Cette capacité d'auto-réparation doit aussi pouvoir éviter de connecter des micro-réseaux de façon à causer des problèmes — par exemple, en formant une boucle involontaire dans le circuit.

Aujourd'hui, pour y parvenir dans des micro-réseaux utilisant des onduleurs, les opérateurs doivent installer des communications haut débit coûteuses qui peuvent être peu fiables pendant les catastrophes et vulnérables aux cyberattaques. Le but de ce projet, dit Ropp, est de soutenir l'auto-réparation en utilisant seulement les mesures que chaque dispositif individuel peut faire, réduisant les coûts tout en augmentant la fiabilité.

Algorithmes clés développés

Une fonction clé dont les micro-réseaux avec beaucoup d'onduleurs ont besoin est de couper quelques clients quand la demande d'électricité dépasse l'offre. Dans les réseaux alimentés par centrales à gaz, charbon ou nucléaire, quand ce déséquilibre offre-demande se produit, la fréquence du réseau chute. Quand les algorithmes de relais existants détectent cela, ils déconnectent l'alimentation de portions du réseau. Cependant, quand des onduleurs conçus pour alimenter des micro-réseaux sont surchargés, ils arrêtent de réguler la tension de l'alimentation et la tension chute, dit Ropp. L'équipe a développé un algorithme pour utiliser cette baisse de tension pour dire aux relais quand déconnecter l'alimentation des clients moins vitaux.

Après une catastrophe naturelle comme un ouragan ou un tremblement de terre, les hôpitaux, établissements de soins assistés et stations de traitement d'eau sont particulièrement vitaux et donc critiques à maintenir alimentés. Les banques, épiceries et centres de loisirs ou écoles servant de centres d'évacuation sont aussi assez importants pour le fonctionnement d'une communauté.

L'équipe a également développé des algorithmes permettant au système de s'auto-assembler en évitant les zones endommagées. Ils ont utilisé un logiciel de CAO pour modéliser un petit système de trois micro-réseaux interconnectés et montré comment, même sans communications, leurs algorithmes permettaient au système d'équilibrer production et consommation d'énergie, d'isoler certains problèmes comme des lignes abattues par des arbres ou une centrale endommagée, et de contourner le problème pour rétablir l'alimentation vers des installations importantes, dit Ropp.

La plupart de l'infrastructure réseau d'Amérique du Nord a été conçue pour avoir des lignes d'alimentation simples avec un flux d'énergie unidirectionnel vers les maisons, bureaux et autres clients moyens. Ainsi, le réseau n'est pas actuellement conçu pour être stable quand il fonctionne en boucle, disent Ropp et Matthew Reno, un autre ingénieur électricien de Sandia impliqué dans le projet. Seules certaines portions conçues sur mesure du système peuvent fonctionner en boucle.

Les micro-réseaux et ressources distribuées comme le solaire sur toit augmentent la résilience globale mais permettent aussi au réseau de s'assembler en une boucle instable. Reno dit : « Nous essayions de trouver des mesures possibles pour déterminer si les deux côtés étaient déjà connectés de sorte que fermer l'interrupteur formerait une boucle. »

L'équipe a examiné certaines méthodes mathématiques qu'un disjoncteur pourrait utiliser pour déterminer si les portions du réseau de chaque côté du disjoncteur sont alimentées par la même source d'alimentation et a déterminé que deux telles méthodes fonctionnaient pour ce but. Les chercheurs ont partagé une comparaison de ces méthodes dans un article publié dans la revue scientifique IEEE Transactions on Power Delivery.

L'équipe travaille aussi sur une solution à un problème similaire : que faire quand une ligne d'alimentation qui se trouve normalement à la fin du système se retrouve à supporter plus de courant que sa capacité nominale. Ils ont développé une méthode de type code Morse où un relais de ligne surchargée module la tension en ouvrant et fermant selon un motif spécifique, pour que les relais des clients à priorité inférieure détectent ce motif et se déconnectent jusqu'à ce que la ligne ne soit plus surchargée, dit Ropp. Bien que cela puisse être considéré comme de la communication, cela n'a pas besoin d'un système séparé, qui pourrait être vulnérable aux pirates, ou d'un opérateur humain — cela utilise la ligne d'alimentation elle-même pour transmettre le signal.

Les chercheurs ont travaillé sur des moyens d'améliorer la performance de ces méthodes. Par exemple, ils ont développé une méthode pour diviser rapidement le micro-réseau en sous-micro-réseaux plus petits quand un problème est détecté. L'espoir est que cela isolerait le problème à un seul sous-micro-réseau, permettant aux autres de fonctionner normalement. Les tests initiaux de l'équipe suggèrent que cette méthode de définition des points de frontière de micro-réseau fonctionne parfois, mais pas tout le temps, donc il reste du travail à faire.

Ropp et l'équipe aimeraient travailler avec des fabricants de relais de ligne et de charge pour incorporer leur bibliothèque d'algorithmes dans les produits des entreprises, d'abord pour les tester dans un banc d'essai matériel-boucle, puis éventuellement dans la vie réelle sur des installations de test comme le Laboratoire des technologies d'énergie distribuée de Sandia ou une installation moyenne tension similaire à l'Université d'État du Nouveau-Mexique, a dit Lavrova.

« Nous voulons que cela devienne quelque chose que les gens peuvent vraiment utiliser, surtout les communautés à faible revenu qui ne peuvent pas se permettre des communications par fibre optique à chaque point sur chaque circuit électrique », dit Ropp. « Vous pouvez obtenir de très bonnes performances et une très bonne résilience en utilisant notre bibliothèque d'algorithmes. Et si vous avez les communications, cela peut encore être une sauvegarde. »

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