La herramienta de simulación mejora la precisión y la velocidad del modelado de la red eléctrica

Cubriendo la mitad de América del Norte, la red eléctrica de EE. UU. Funciona como un organismo vasto y complejo. Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han desarrollado una nueva plataforma de simulación para comprender y predecir el comportamiento de esta red moderna. Utilizando una combinación de herramientas matemáticas, automatización y análisis, el enfoque proporciona resultados altamente precisos con menos tiempo de computación a un costo menor, lo que aumenta la confiabilidad de la electricidad.

La simulación utiliza enfoques matemáticos para reproducir la dinámica de un sistema del mundo real. Esto permite a los servicios públicos y planificadores analizar los métodos de gestión de la red sin ningún riesgo de seguridad, equipo o servicio eléctrico. Los investigadores de ORNL refinaron un enfoque de modelado de cuadrícula de vanguardia llamado simulación transitoria electromagnética (EMT), que es especialmente efectiva para analizar las reacciones de segundos de segundos de la electrónica de potencia moderna. Esta capacidad ayuda a los operadores a prevenir apagones en cascada y condiciones de funcionamiento inseguras en redes eléctricas modernas que se reenvían con electrónica de energía.

«Estamos tratando de comprender la electrónica y los sistemas de una manera que imita su comportamiento real con una mayor fidelidad», dijo el investigador de Ornl Phani Marthi. «El desafío hoy es que la simulación de EMT de alta fidelidad es extremadamente lenta para simular sistemas de red de energía moderna a gran escala».

El enfoque de simulación ORNL está abordando esos desafíos, como explicaron Marthi y sus coautores en un papel que se presentó en la mejor sesión de papel en el Junta general de julio de la Sociedad de Poder y Energía IEEE.

Representando la próxima fase del liderazgo nacional de ORNL en la simulación EMT, la herramienta ORNL se llama reintegrar por su mayor velocidad y precisión en la simulación de sistemas de energía a gran escala que integran muchos productos electrónicos de potencia.

En el pasado, la cuadrícula se basaba en el impulso natural de las enormes máquinas mecánicas giratorias y la potencia que fluye en una sola dirección a lo largo de las rutas establecidas, como una locomotora en una pista. Pero hoy, Power Electronics hace que la cuadrícula responda más como un automóvil deportivo, con ajustes electrónicos rápidos en lugar de impulso incorporado. Desafortunadamente, la red de hoy no está completamente lista para esa velocidad. Reintegrar ayuda a los servicios públicos a asignar la mejor ruta para la red del futuro.

La electrónica de potencia acomoda generar y mover electricidad de diferentes maneras. También pueden habilitar la corriente alterna y continua en la transmisión de potencia de larga distancia. Esto podría ampliar la capacidad de la red estadounidense para apoyar a una creciente población y economía, incluidas nuevas industrias, como centros de datos para IA y criptomonedas.

A diferencia de los modelos EMT existentes, Reintegrate se pretende como una plataforma de código abierto que incorpora características como técnicas de simulación numérica, automatización e inteligencia basadas en redes neuronales que funcionan más como el cerebro para un cálculo más rápido. Estas características ofrecen ventajas únicas sobre las herramientas existentes para analizar las redes modernas.

Eventualmente, la herramienta podrá replicar fallas, discretas en la red eléctrica causada por la falla del equipo, cortocircuitos u otros problemas técnicos, como el que eliminó la potencia a gran parte de España y Portugal en abril. «El análisis con la herramienta reintegrada puede darnos nuevos conocimientos sobre cómo prevenir o dejar en cascada constantemente apagones y drogas», dijo Marthi.

Uno de los bloques de construcción fundamentales de reintegración son los solucionadores de ecuaciones algebraicas diferenciales. Estos algoritmos reducen el grado de procesamiento manual requerido para un inmenso volumen de datos. Como prueba de concepto, los investigadores de ORNL validaron la efectividad de estos solucionadores en circuitos de electrónica de potencia simple.

El objetivo a largo plazo es perfeccionar el software para simular todas las circunstancias posibles que podrían surgir de los sistemas electrónicos de energía de acción rápida que interactúan con los componentes de la red en una red eléctrica a gran escala, equivalente a la cuadrícula del este de los Estados Unidos.

Esto ampliará los beneficios de precisión de EMT al tiempo que permitirá una mayor comprensión de cómo las partes de la red más amplia se afectan entre sí en las áreas y regiones de servicio.

«Más allá de acelerar la simulación EMT, el próximo gran desafío radica en la gestión y el examen a través de los enormes volúmenes de datos generados por las simulaciones EMT», dijo Marthi. Los investigadores de ORNL ya están desarrollando técnicas de análisis avanzadas, incluido el uso de redes neuronales especializadas, para que la herramienta de reintegración pueda mejorar las operaciones del sistema de energía y apoyar la toma de decisiones informadas. «Queremos crear un ecosistema EMT completo con reintegrarse como la columna vertebral, incluidas todas estas capacidades para que las utilidades lo usen con más frecuencia y con más confianza».

Los investigadores que contribuyeron al desarrollo de la automatización y los solucionadores para reintegrar incluyen a los investigadores de Ornl Jongchan Choi y Suman Debnath con el apoyo de los estudiantes Soumyajit Gangopadhyay y el interno Kuan-Chieh Hsu.

Los avances reintegrados se presentarán durante un taller de simulación EMT en ORNL, co-anfitrión de la Corporación de Confiabilidad Eléctrica de América del Norte del 7 al 9 de octubre en Knoxville, Tennessee.