Membangun Jaringan Listrik Penyembuhan Diri di Masa Depan untuk Energi Tanpa Gangguan

INSIDER Elektronika Daya

Insinyur kelistrikan di Laboratorium Nasional Sandia, Michael Ropp, dan timnya telah menciptakan perpustakaan kode untuk meningkatkan ketahanan, keandalan, dan sifat penyembuhan diri dari jaringan listrik. (Gambar:Craig Fritz)

Tidak sulit untuk membayangkan nilai potensial dari jaringan penyembuhan diri, yang mampu beradaptasi dan bangkit kembali, memastikan listrik tidak terputus bahkan ketika diserang oleh badai atau sekelompok pelaku kejahatan. Bersama-sama, tim dari Sandia National Laboratories dan New Mexico State University mewujudkan visi ini dengan perpustakaan algoritme mutakhir. Dengan mengkodekan algoritme ini ke dalam relai jaringan, sistem dapat dengan cepat memulihkan listrik ke sebanyak mungkin rumah sakit, toko kelontong, dan rumah sebelum operator jaringan dapat memulai perbaikan atau memberikan instruksi.

“Tujuan utamanya adalah memungkinkan sistem untuk melakukan pemulihan mandiri dan membentuk konfigurasi ad hoc ketika keadaan menjadi sangat buruk,” kata Michael Ropp, insinyur kelistrikan Sandia dan pimpinan proyek. “Setelah sistem mengalami kerusakan atau gangguan, sistem akan secara otomatis mencari cara untuk mencapai kondisi stabil baru yang menyediakan daya bagi sebanyak mungkin pelanggan; itulah yang kami maksud dengan 'penyembuhan mandiri'. Kuncinya adalah kami melakukannya sepenuhnya dengan pengukuran lokal, sehingga tidak memerlukan serat optik atau pengontrol manusia yang mahal.”

Jaringan listrik masa depan, seperti yang dibayangkan oleh Ropp dan banyak lainnya, akan memiliki lebih banyak pasokan energi terbarukan seperti panel surya di atap dan turbin angin, serta sistem penyimpanan energi lokal seperti bank baterai. Banyak dari sistem ini yang mampu membentuk microgrid – “pulau” listrik kecil di sekitar rumah sakit, instalasi pengolahan air, dan infrastruktur penting lainnya meskipun jaringan listrik utama mati. Proyek Sandia ini memungkinkan jaringan mikro tersebut pulih secara otomatis ketika rusak dan terhubung satu sama lain untuk berbagi daya dan melayani pelanggan sebanyak mungkin.

Meskipun jaringan mikro dapat meningkatkan ketahanan jaringan listrik, jaringan tersebut perlu secara otomatis menjalankan fungsi penting tertentu seperti menyeimbangkan produksi energi dengan konsumsi energi dan melakukan konfigurasi ulang jika ada bagian dari sistem yang rusak atau tidak tersedia. Kemampuan penyembuhan diri ini juga harus mampu menghindari penyambungan microgrid yang dapat menimbulkan masalah — misalnya dengan membentuk loop yang tidak disengaja pada sirkuit.

Saat ini, untuk mencapai hal ini pada microgrid yang menggunakan inverter daya, operator harus memasang komunikasi berkecepatan tinggi yang mahal dan tidak dapat diandalkan saat terjadi bencana dan rentan terhadap serangan siber. Tujuan dari proyek ini, kata Ropp, adalah untuk mendukung penyembuhan diri hanya dengan menggunakan pengukuran yang dapat dilakukan setiap perangkat, sehingga mengurangi biaya sekaligus meningkatkan keandalan.

Salah satu fungsi utama yang perlu dilakukan oleh microgrid dengan banyak inverter adalah mematikan beberapa pelanggan ketika permintaan listrik menjadi lebih besar daripada pasokan. Dalam jaringan yang ditenagai oleh gas alam, batu bara, atau pembangkit listrik tenaga nuklir, ketika terjadi ketidakseimbangan permintaan-penawaran, frekuensi jaringan akan turun. Ketika algoritma relai yang ada mendeteksi hal ini, mereka memutus aliran listrik ke beberapa bagian jaringan. Namun, ketika inverter yang dirancang untuk memberi daya pada microgrid menjadi kelebihan beban, mereka berhenti mengatur voltase catu daya dan voltase turun, kata Ropp. Tim mengembangkan algoritme yang menggunakan penurunan voltase ini untuk memberi tahu relai kapan harus memutus aliran listrik ke pelanggan yang kurang penting.

Saat terjadi bencana alam seperti angin topan atau gempa bumi, rumah sakit, fasilitas tempat tinggal, dan instalasi pengolahan air sangatlah penting dan karenanya sangat penting untuk tetap mendapatkan pasokan listrik. Bank, toko kelontong, dan pusat rekreasi atau sekolah yang berfungsi sebagai pusat evakuasi juga cukup penting untuk berfungsinya suatu komunitas.

Tim juga mengembangkan algoritma yang memungkinkan sistem untuk merakit sendiri dengan cara menghindari area yang rusak. Mereka menggunakan perangkat lunak desain berbantuan komputer untuk memodelkan sistem kecil yang terdiri dari tiga mikrogrid yang saling terhubung dan menunjukkan bagaimana bahkan tanpa komunikasi, algoritme mereka memungkinkan sistem untuk menyeimbangkan produksi dan konsumsi daya, mengisolasi masalah tertentu seperti pohon tumbang atau pembangkit listrik rusak, dan mengatasi masalah tersebut untuk memulihkan listrik ke fasilitas penting, kata Ropp.

Sebagian besar infrastruktur jaringan listrik di Amerika Utara dirancang untuk memiliki saluran listrik tunggal dengan aliran listrik satu arah ke rumah, kantor, dan pelanggan rata-rata lainnya. Oleh karena itu, jaringan listrik saat ini tidak dirancang agar stabil ketika dioperasikan dalam satu putaran, kata Ropp dan Matthew Reno, insinyur listrik Sandia lainnya yang terlibat dalam proyek tersebut. Hanya bagian sistem tertentu yang dirancang khusus yang dapat beroperasi sebagai loop.

Microgrid dan sumber daya terdistribusi seperti tenaga surya di atap meningkatkan ketahanan secara keseluruhan namun juga memberikan peluang bagi jaringan untuk berkumpul menjadi lingkaran yang tidak stabil. Reno berkata, “Kami mencoba mencari kemungkinan pengukuran untuk mengetahui apakah kedua sisi sudah terhubung sehingga menutup sakelar akan membentuk lingkaran.”

Tim melihat beberapa metode matematika yang dapat digunakan oleh pemutus untuk menentukan apakah bagian jaringan di kedua sisi pemutus ditenagai oleh catu daya yang sama dan menentukan bahwa dua metode tersebut berfungsi untuk tujuan ini. Para peneliti membagikan perbandingan metode ini dalam makalah yang diterbitkan dalam jurnal ilmiah IEEE Transactions on Power Delivery .

Tim ini juga sedang mencari solusi untuk masalah serupa:apa yang harus dilakukan ketika saluran listrik yang biasanya berada di ujung sistem ternyata mendukung arus lebih besar dari yang seharusnya. Mereka telah mengembangkan metode mirip kode Morse di mana relai saluran yang kelebihan beban memodulasi tegangan dengan membuka dan menutup dalam pola tertentu, sehingga relai untuk pelanggan dengan prioritas lebih rendah dapat mendeteksi pola ini dan memutuskan sambungannya sendiri hingga saluran tidak lagi kelebihan beban, kata Ropp. Meskipun hal ini dapat dianggap sebagai komunikasi, hal ini tidak memerlukan sistem terpisah, yang mungkin rentan terhadap peretas, atau operator manusia — hal ini menggunakan saluran listrik itu sendiri untuk mengirimkan sinyal.

Para peneliti telah mencari cara untuk meningkatkan kinerja metode ini. Misalnya, mereka telah mengembangkan metode yang dapat dengan cepat membagi microgrid menjadi sub-microgrid yang lebih kecil ketika masalah terdeteksi. Harapannya adalah bahwa hal ini akan mengisolasi masalah ini hanya pada satu sub-microgrid, sehingga sub-microgrid lainnya dapat beroperasi secara normal. Pengujian awal yang dilakukan tim menunjukkan bahwa metode penentuan titik batas mikrogrid ini terkadang berhasil, namun tidak selalu, sehingga masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan.

Ropp dan timnya ingin bekerja sama dengan produsen relai saluran dan beban untuk memasukkan perpustakaan algoritme mereka ke dalam produk perusahaan, pertama-tama mengujinya di pengujian perangkat keras dalam loop dan kemudian mungkin dalam kehidupan nyata di fasilitas pengujian seperti Laboratorium Teknologi Energi Terdistribusi Sandia atau di fasilitas tegangan menengah serupa di New Mexico State University, kata Lavrova.

“Kami ingin ini menjadi sesuatu yang benar-benar dapat digunakan oleh masyarakat, terutama masyarakat berpenghasilan rendah yang tidak mampu melakukan komunikasi serat optik di setiap titik di setiap sirkuit listrik,” kata Ropp. "Anda bisa mendapatkan performa yang sangat baik dan ketahanan yang sangat baik dengan menggunakan perpustakaan algoritme kami. Dan jika Anda memiliki komunikasinya, ini masih bisa menjadi cadangan."

Sumber