Theo đuổi khả năng phục hồi cao hơn thông qua lưới điện lấy cảm hứng từ thiên nhiên
bởi Steve Kuhlmann, Texas A&M University College of Engineering
Ảnh: Tên miền công cộng Pixabay / CC0
Các nhà nghiên cứu đang hướng về tự nhiên để xây dựng lưới điện tốt hơn, có khả năng chống lại nhiều xáo trộn tiềm ẩn khác nhau như thiên tai hoặc tấn công mạng.
Sử dụng hệ sinh thái sinh học làm nguồn cảm hứng, nghiên cứu được công bố trên tạp chí IEEE Trans Transaction on Power Systems đã trình bày các mô hình hệ thống điện cải tiến cho thấy khả năng sống sót cao hơn khi đối mặt với các tình huống tấn công mạng hoặc vật lý so với các thiết kế theo định hướng bảo mật truyền thống.
Tiến sĩ Astrid Layton, trợ lý giáo sư và là thành viên Khoa Donna Walker tại Khoa J. Mike Walker '66 cho biết: Kỹ sư Cơ khí tại Đại học Texas A&M.
Layton và Tiến sĩ Katherine Davis, trợ lý giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính tại Texas A&M, dẫn đầu dự án liên ngành và được hỗ trợ bởi các nghiên cứu sinh bao gồm Tiến sĩ Hao Huang, một ứng viên tiến sĩ gần đây tại Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính. Các ứng dụng tiềm năng của nghiên cứu bao gồm cải tiến thiết kế mạng lưới điện, vận hành hệ thống điện và thậm chí cả việc bố trí năng lượng tái tạo.
Layton cho biết: “Hệ sinh thái sinh học là một mạng lưới phức tạp của các loài cùng nhau có khả năng chống chọi tốt với những xáo trộn bất ngờ. "Các mạng này cung cấp hướng dẫn duy nhất để thiết kế mạng người có khả năng phục hồi. Ở đây chúng tôi đã áp dụng các đặc điểm của chúng, cả cấu trúc liên kết và chức năng, để cải thiện tính mạnh mẽ của thiết kế mạng điện — chẳng hạn như trong lưới điện — và vận hành."
Huang cho biết việc triển khai lý tưởng loại hệ thống này có thể dẫn đến việc cung cấp điện ít bị gián đoạn hơn trong điều kiện thời tiết bất lợi, ít phụ thuộc vào các biện pháp dự phòng và cung cấp điện an toàn hơn cho các tòa nhà và nhiệm vụ quan trọng.
Trong khi hầu hết các mạng con người được thiết kế thông thường có xu hướng tập trung vào hiệu quả, nghiên cứu của Layton khám phá thiết kế ưu tiên dự phòng cho phép tăng cường bảo vệ chống lại các nhiễu tiềm ẩn bằng cách sử dụng nhiều hơn một nguồn điện. Phương pháp này được các hệ sinh thái sinh học ưa thích và tăng khả năng phục hồi đồng thời hỗ trợ sự sinh trưởng và phát triển của chúng. Trong ứng dụng này, dự phòng lấy cảm hứng từ sinh học cho phép lưới điện điều chỉnh một cách thích ứng theo nhu cầu của mạng.
"Mặc dù việc bắt chước các mức dự phòng thực tế được tìm thấy trong hệ sinh thái trong hệ thống điện có thể không thực tế do tính kinh tế, nhưng có thể sử dụng hành vi sinh học để bổ sung dự phòng một cách chiến lược, bằng các đường dây điện bổ sung hoặc trong cách kiểm soát dòng điện để cải thiện khả năng phục hồi với chi phí hợp lý, "Layton nói.
Nghiên cứu của nhóm cho thấy rằng lưới điện được thiết kế để đạt được các giá trị về độ bền sinh thái, trong khi trong hầu hết các trường hợp, chi phí trung bình chỉ cao hơn 5% so với các phương pháp truyền thống, mang lại lợi ích đáng kể cho chi phí bổ sung đó: chẳng hạn như dòng điện nhánh vượt quá giới hạn nhiệt — bất cứ nơi nào từ 5-100% và các khoản dự phòng chưa được giải quyết 20-100%. Cách tiếp cận cũng độc đáo ở chỗ nó có thể đối phó với tất cả các xáo trộn tiềm ẩn, bao gồm cả những xáo trộn không mong muốn, trong khi các cách tiếp cận truyền thống phụ thuộc vào việc dự đoán các sự cố cụ thể.
Nhóm nghiên cứu đã tham khảo các cuộc đấu tranh gần đây của lưới điện Texas như một ví dụ trong đó một hệ thống có tổ chức sinh thái mạnh mẽ hơn có thể tạo ra nguồn cung cấp năng lượng an toàn và đáng tin cậy hơn.
Layton cho biết: “Công trình của chúng tôi cho thấy hoạt động lấy cảm hứng từ sinh học của hệ thống điện giúp cải thiện khả năng hấp thụ nhiễu động vốn có của chúng. "Khi không thể dự đoán được các trường hợp bất thường, cách tiếp cận này đảm bảo rằng hệ thống điện có thể chịu đựng tối đa mọi xáo trộn, cung cấp năng lượng điện cho khách hàng và đảm bảo an ninh hệ thống điện. Ví dụ, điều này có thể giúp người vận hành thêm thời gian để chuẩn bị các chiến lược khắc phục và khôi phục sau khi xáo trộn. "
Davis cho biết nghiên cứu nêu bật công việc của nhóm nhằm xây dựng một mô hình tối ưu hóa toán học nghiêm ngặt hơn có khả năng xem xét cả các chỉ số về khả năng phục hồi sinh thái và vật lý của các mô hình dòng điện. Bằng cách điều tra tính khả thi của mô hình và xác nhận các cải tiến liên quan đến khả năng phục hồi trong các tình huống đe dọa khác nhau, họ đã chỉ ra mối liên hệ giữa khả năng phục hồi của hệ sinh thái và khả năng chịu xáo trộn trong hệ thống điện.
Davis nói: “Các cách tiếp cận hiện tại để cải thiện khả năng phục hồi của hệ thống điện tập trung nhiều hơn vào quan điểm ứng phó và khôi phục, bỏ qua tầm quan trọng của cấu trúc mạng và chiến lược vận hành”. "Đó là lý do tại sao chúng tôi tập trung vào việc sử dụng nguồn cảm hứng từ các hệ sinh thái sinh học có khả năng phục hồi."
