明日の自己修復型電力グリッド構築：途切れないエネルギー供給へ

パワーエレクトロニクス インサイダー

サンドヤ国立研究所の電気エンジニア、マイケル・ロップ氏と彼のチームが、電力グリッドのレジリエンス、信頼性、自己修復性を向上させるコードライブラリを作成。（画像：Craig Fritz）

自己修復型グリッドのビジョン

ハリケーンや悪意ある行為者の攻撃を受けても、適応し、復活し、病院、食料品店、家庭への無停電電源を確保する自己修復型グリッド。その潜在的価値を想像するのは難しくありません。サンドヤ国立研究所とニューメキシコ州立大学のチームが、最先端のアルゴリズムライブラリでこのビジョンを実現しようとしています。これらのアルゴリズムをグリッドリレーにコーディングすることで、グリッドオペレータが修復を開始したり指示を出したりする前に、できるだけ多くの顧客に電力を迅速に復旧できます。

「究極の目標は、事態が本当に悪化したときに、システムが自己修復し、アドホックな構成を形成できるようにすることです」と、サンドヤ電気エンジニアでプロジェクトリーダーのマイケル・ロップ氏。「システムが損傷または侵害された後、できるだけ多くの顧客に電力を供給する新しい定常状態へ自動的に到達する方法を見つけます。それが私たちが『自己修復』と呼ぶものです。鍵は、ローカル測定のみでこれを完全に行うことです。そのため、高価な光ファイバー通信や人間のコントローラは不要です。」

将来のグリッド：マイクログリッドと分散リソース

ロップ氏や多くの人々が描く未来の電気グリッドには、屋上ソーラーパネルや風力タービンのような再生可能エネルギー供給、バッテリーバンクのようなローカルエネルギー貯蔵システムがより多く含まれます。これらのシステムの多くはマイクログリッドを形成できます。メイングリッドがダウンしていても、病院、浄水場、その他の重要インフラ周辺の小さな「電力の島」です。このサンドヤプロジェクトは、それらマイクログリッドが損傷時に自動的に自己修復し、互いに接続して電力を共有し、可能な限り多くの顧客に給電できるようにします。

マイクログリッドが自動実行すべき重要機能

マイクログリッドはグリッドのレジリエンスを高めますが、エネルギー生産と消費のバランス取り、システムの一部が損傷または利用不能になった場合の再構成といった特定の重要機能を自動的に実行する必要があります。この自己修復能力は、意図しない回路ループを形成するような、問題を引き起こす方法でマイクログリッドを接続することも回避しなければなりません。

今日、パワーインバータを使用するマイクログリッドでこれを実現するには、オペレータが高価な高速通信を設置する必要があります。これは災害時に信頼性が低く、サイバー攻撃に対して脆弱です。このプロジェクトの目的は、各個別デバイスが行える測定のみを使用して自己修復をサポートすることで、コストを削減しながら信頼性を高めることです。

電圧低下をトリガーとした負荷遮断アルゴリズム

多数のインバータを持つマイクログリッドが必要とする重要な機能の一つは、電力需要が供給を超えたときに一部の顧客を遮断することです。天然ガス、石炭、原子力発電所で動くグリッドでは、この需給アンバランスが発生するとグリッド周波数が低下します。既存のリレーアルゴリズムがこれを検出すると、グリッドの一部を遮断します。しかし、マイクログリッドを駆動するインバータが過負荷になると、電源電圧の調整を停止し、電圧が低下するとロップ氏は説明します。チームは、この電圧低下を用いてリレーに、それほど重要でない顧客への電力遮断タイミングを伝えるアルゴリズムを開発しました。

災害時の優先給電施設

ハリケーンや地震などの自然災害の後では、病院、介護施設、浄水場が特に重要で、給電を維持することが不可欠です。銀行、食料品店、避難所として機能するレクリエーションセンターや学校も、コミュニティの機能維持にはかなり重要です。

通信なしで自己組織化し、損傷エリアを迂回

チームはまた、システムが損傷エリアを避けるように自己組織化するアルゴリズムも開発しました。コンピュータ支援設計ソフトウェアを用いて、相互接続された3つのマイクログリッドの小さなシステムをモデル化し、通信なしでも、アルゴリズムによりシステムが電力生産と消費のバランスを取り、倒木による送電線断線や発電所損傷などの特定の問題を隔離し、それらを迂回して重要施設への給電を復旧できることを示しました。

意図しないループ形成を防ぐ数学的手法

北米のグリッドインフラの大半は、家庭、オフィス、その他の一般顧客への一方向電力流通の単一送電線で設計されています。したがって、グリッドは現在、ループ運転時に安定するようには設計されていません、とロップ氏とプロジェクトに関わるもう一人のサンドヤ電気エンジニア、マシュー・レノ氏は言います。システムの特定のカスタム設計部分のみがループとして動作可能です。

マイクログリッドと屋上ソーラーのような分散リソースは全体的なレジリエンスを高めますが、グリッドが不安定なループに組み立てられる可能性も生み出します。レノ氏：「ブレーカーの両側のグリッド部分がすでに接続されているかどうかを判断し、スイッチを閉じるとループが形成されるかを知るための、ブレーカーが使用できる可能性のある測定値を探していました。」

チームは、ブレーカーの両側のグリッド部分が同じ電源で供給されているかどうかをブレーカーが判断するために使用できる数学的手法をいくつか検討し、そのうち2つがこの目的で機能することを突き止めました。研究者たちはこれらの手法の比較を科学雑誌『IEEE Transactions on Power Delivery』で発表しました。

モールス信号のような過負荷伝達手法

チームはまた、通常システムの末端にある送電線が、定格以上の電流を支えることになったときの対処法にも取り組んでいます。過負荷ラインリレーが特定のパターンで開閉することで電圧を変調する、モールス信号のような手法を開発しました。これにより、低優先度顧客のリレーがこのパターンを検知し、ラインが過負荷でなくなるまで自己遮断します。これは通信と見なせますが、ハッカーに脆弱な別システムや人間オペレータを必要とせず、送電線自体を使って信号を伝送します。

マイクログリッド境界点の動的定義で問題を局所化

研究者たちはこれらの手法の性能向上にも取り組んでいます。例えば、問題検出時にマイクログリッドをより小さなサブマイクログリッドに素早く分割する手法を開発しました。これにより、問題を単一のサブマイクログリッドに隔離し、他を正常運転させられることを期待しています。チームの初期テストでは、このマイクログリッド境界点定義手法は時々機能しますが、常にではないため、さらなる作業が必要です。

実用化に向けて：リレーメーカーとの連携

ロップ氏とチームは、ラインおよび負荷リレーのメーカーと協力し、アルゴリズムライブラリを各社製品に組み込みたいと考えています。まずハードウェアインザループテストベッドでテストし、その後サンドヤの分散エネルギー技術研究所やニューメキシコ州立大学の中電圧施設のような実際のテスト施設で実証する予定です。

「これを人々が実際に使えるものにしたい、特にあらゆる電気回路のあらゆるポイントに光ファイバー通信を設置できない低所得コミュニティで」とロップ氏。「私たちのアルゴリズムライブラリを使えば、非常に良い性能と非常に良いレジリエンスが得られます。通信があっても、これはバックアップになり得ます。」

出典