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

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Michael Ropp, ingénieur électricien des Sandia National Laboratories, 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 reprendre vie, garantissant une alimentation ininterrompue même lorsqu’il est assailli par un ouragan ou un groupe de mauvais acteurs. Ensemble, une équipe des Sandia National Laboratories et de l'Université d'État du Nouveau-Mexique rend cette vision possible grâce à une bibliothèque d'algorithmes de pointe. En codant ces algorithmes dans des relais de réseau, le système peut rapidement rétablir l'électricité dans autant d'hôpitaux, d'épiceries et de foyers que possible avant que les opérateurs de réseau puissent commencer les réparations ou fournir des instructions.

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

Le réseau électrique du futur, tel qu’envisagé par Ropp et bien d’autres, comportera davantage de sources d’énergie renouvelables telles que des panneaux solaires sur les toits et des éoliennes, ainsi que des systèmes de stockage d’énergie locaux tels que des batteries de batteries. Beaucoup de ces systèmes pourront former des micro-réseaux – de petits « îlots » d’électricité autour des hôpitaux, des usines de traitement des eaux et d’autres infrastructures critiques, même si le réseau principal est en panne. Ce projet Sandia permet à ces micro-réseaux de se réparer automatiquement lorsqu'ils sont endommagés et de se connecter les uns aux autres pour partager l'énergie et servir autant de clients que possible.

Bien que les micro-réseaux puissent augmenter la résilience du réseau, ils doivent exécuter automatiquement certaines fonctions critiques, comme équilibrer la production d'énergie avec la consommation d'énergie et reconfigurer si une partie du système est endommagée ou indisponible. Cette capacité d'auto-guérison doit également permettre d'éviter de connecter les micro-réseaux d'une manière qui pourrait causer des problèmes, par exemple en formant une boucle involontaire dans le circuit.

Aujourd’hui, pour y parvenir dans les micro-réseaux utilisant des onduleurs, les opérateurs doivent installer des communications à haut débit coûteuses qui peuvent s’avérer peu fiables en cas de catastrophe et vulnérables aux cyberattaques. Le but de ce projet, a déclaré Ropp, est de prendre en charge l'auto-réparation en utilisant uniquement les mesures que chaque appareil individuel peut effectuer, réduisant ainsi les coûts tout en augmentant la fiabilité.

L’une des fonctions clés que doivent remplir les micro-réseaux dotés de nombreux onduleurs est de couper l’alimentation de quelques clients lorsque la demande d’électricité devient supérieure à l’offre. Dans les réseaux alimentés par des centrales au gaz naturel, au charbon ou nucléaires, lorsque ce déséquilibre entre l’offre et la demande se produit, la fréquence du réseau diminue. Lorsque les algorithmes de relais existants détectent cela, ils coupent l’alimentation de certaines parties du réseau. Cependant, lorsque les onduleurs conçus pour alimenter les micro-réseaux sont surchargés, ils cessent de réguler la tension de l'alimentation électrique et la tension chute, a expliqué Ropp. L'équipe a développé un algorithme pour utiliser cette diminution de tension pour indiquer aux relais quand couper l'alimentation des clients les moins vitaux.

À la suite d'une catastrophe naturelle telle qu'un ouragan ou un tremblement de terre, les hôpitaux, les résidences-services et les usines de traitement de l'eau sont particulièrement vitaux et donc essentiels à maintenir en électricité. Les banques, les épiceries et les centres de loisirs ou les écoles qui servent de centres d'évacuation sont également très importants pour le fonctionnement d'une communauté.

L’équipe a également développé des algorithmes qui permettent au système de s’auto-assembler de manière à éviter les zones endommagées. Ils ont utilisé un logiciel de conception assistée par ordinateur pour modéliser un petit système de trois micro-réseaux interconnectés et ont montré comment, même sans communications, leurs algorithmes permettaient au système d'équilibrer la production et la consommation d'énergie, d'isoler certains problèmes tels que des lignes abattues ou une centrale électrique endommagée, et de contourner le problème pour rétablir l'électricité dans des installations importantes, a déclaré Ropp.

La majeure partie de l’infrastructure du réseau nord-américain a été conçue pour comporter des lignes électriques uniques avec un flux d’énergie unidirectionnel vers les maisons, les bureaux et d’autres clients moyens. Ainsi, le réseau n'est actuellement pas conçu pour être stable lorsqu'il est exploité en boucle, ont déclaré Ropp et Matthew Reno, un autre ingénieur électricien de Sandia impliqué dans le projet. Seules certaines parties personnalisées du système peuvent fonctionner comme une boucle.

Les micro-réseaux et les ressources distribuées comme l’énergie solaire sur les toits augmentent la résilience globale, mais permettent également au réseau de s’assembler en une boucle instable. Reno a déclaré :"Nous essayions de trouver des mesures possibles pour déterminer si les deux côtés étaient déjà connectés afin que la fermeture de l'interrupteur forme une boucle."

L'équipe a examiné certaines méthodes mathématiques qu'un disjoncteur pourrait utiliser pour déterminer si les parties du réseau de chaque côté du disjoncteur sont alimentées par la même alimentation et a déterminé que deux de ces méthodes fonctionnaient à cette fin. 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 également sur une solution à un problème similaire :que faire lorsqu'une ligne électrique qui se trouve normalement à l'extrémité du système se retrouve à supporter plus de courant que ce pour quoi elle est prévue ? Ils ont développé une méthode semblable au code Morse dans laquelle un relais de ligne surchargé module la tension en s'ouvrant et en se fermant selon un modèle spécifique, afin que les relais des clients moins prioritaires puissent détecter ce modèle et se déconnecter jusqu'à ce que la ligne ne soit plus surchargée, a déclaré Ropp. Bien que cela puisse être considéré comme une communication, il n'a pas besoin d'un système séparé, qui pourrait être vulnérable aux pirates informatiques ou à un opérateur humain :il utilise la ligne électrique elle-même pour transmettre le signal.

Les chercheurs ont travaillé sur les moyens d'améliorer les performances de ces méthodes. Par exemple, ils ont développé une méthode permettant de diviser rapidement le micro-réseau en sous-micro-réseaux plus petits lorsqu’un problème est détecté. L’espoir est que cela limiterait le problème à un seul sous-micro-réseau, permettant ainsi aux autres de fonctionner normalement. Les premiers tests de l'équipe suggèrent que cette méthode de définition des limites des micro-réseaux fonctionne parfois, mais pas tout le temps, il y a donc encore du travail à faire.

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

"Nous voulons que cela devienne quelque chose que les gens peuvent réellement utiliser, en particulier les communautés à faible revenu qui ne peuvent pas se permettre des communications par fibre optique à chaque point de chaque circuit électrique", a déclaré Ropp. "Vous pouvez obtenir de très bonnes performances et une très bonne résilience en utilisant notre bibliothèque d'algorithmes. Et si vous disposez des communications, cela peut toujours servir de sauvegarde."

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