Digital Grid: Communicative Electrical Grids of the Future

ABSTRACT

To support a high penetration of intermittent solar and wind power generation, many regions are planning to add new high capacity transmission lines. These additional transmission lines strengthen grid synchronization, but will also increase the grid’s short circuit capacity, and furthermore will be very costly. With a highly interconnected grid and variable renewable generation, a small grid failure can easily start cascading outages, resulting in large scale blackout. We introduce the “digital grid,” where large synchronous grids are divided into smaller segmented grids which are connected asynchronously, via multileg IP addressed ac/dc/ac converters called digital grid routers. These routers communicate with each other and send power among the segmented grids through existing transmission lines, which have been repurposed as digital grid transmission lines. The digital grid can accept high penetrations of renewable power, prevent cascading outages, accommodate identifiable tagged electricity flows, record those transactions, and trade electricity as a commodity.

INTRODUCTION

TODAY’S ENERGY grid has been developed with exten- sive interconnections and grids often spanning continents. The purpose of this interconnection is to improve reliability through redundancy. However, in some ways, this interconnection increases the risk of wide area failures because any imbalance can be propagated quickly over an ever widening area. Increasing proportions of renewable and variable energy generation cause increasing fluctuations which will become, at some point, unmanageable using the current grid architecture. If we can envision a future world where higher penetration of renewable energy is expected, we can also forecast new ways to use electricity that are not possible with the current grid design. In order to accept increasing penetration of renewable energy into the current power grid, it is important to measure power levels throughout the grid, as is envisioned in many smart griddesigns. However, to relieve the stress caused by such intermittent renewables to primary generation such as nuclear and thermal, we need to control power flows directly throughout the highly interconnected grid. This paper describes the “digital grid” where a wide-area synchronized power system is subdivided (“digitalized”) into smaller or medium sized power systems. Subdivided grids called “digital grid cells” (simply called “cells,” hereinafter) are connected together asynchronously via “digital grid routers” (DGR).

چکیده

برای حمایت از نفوذ زیاد تولید برق متناوب خورشیدی و باد، بسیاری از مناطق در حال برنامه ریزی برای اضافه کردن خطوط انتقال بالا با ظرفیت بالا هستند. این خطوط انتقال اضافی هماهنگ سازی شبکه را تقویت می کنند، اما همچنین ظرفیت اتصال کوتاه شبکه را افزایش می دهد، و علاوه بر این هزینه بسیار زیادی خواهد داشت. با یک شبکه مجتمع بسیار متصل و تولید مجدد متغیر، یک شکست کوچک شبکه می تواند به آسانی از وقفه های خازنی شروع شود و موجب خنثی شدن در مقیاس بزرگ شود. ما “شبکه دیجیتال” را معرفی می کنیم که در آن شبکه های همزمان همزمان بزرگ به شبکه های کوچکتر تقسیم می شوند که به طور غیرمستقیم متصل می شوند، از طریق IP چندگانه AC / DC / AC مبدل های نامیده می شوند که به نام روتر های شبکه دیجیتال نامیده می شوند. این روترها با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند و قدرت را از میان شبکه های جداگانه از طریق خطوط انتقال موجود انتقال می دهند که به عنوان خطوط انتقال شبکه دیجیتال مورد استفاده قرار می گیرند. شبکه دیجیتال می تواند نفوذ زیاد انرژی های تجدید پذیر را بپذیرد، از وقفه های آبشاری جلوگیری کند، جریان الکتریسیته نشان داده شده را جایگزین کند، این معاملات را ثبت کند، و تجارت الکتریسیته را به عنوان یک کالای تجارت کند.

مقدمه

شبکه ENERGY TODAY با اتصالات گسترده و شبکه ها که اغلب قاره ها را پوشش می دهد توسعه داده شده است. هدف از این اتصال، بهبود قابلیت اطمینان از طریق افزونگی است. با این حال، در برخی موارد، این اتصال به افزایش خطر شکست در مناطق وسیع می انجامد، زیرا هر گونه عدم تعادل می تواند به سرعت در سراسر منطقه گسترش می یابد. افزایش نسبت تولید انرژی تجدیدپذیر و متغیر انرژی موجب افزایش نوسانات می شود که در برخی موارد با استفاده از معماری شبکه فعلی غیر قابل کنترل می شود. اگر ما بتوانیم جهان آینده ای را که در آن نفوذ بیشتر انرژی تجدیدپذیر انتظار می رود پیش بینی کنیم، ما همچنین می توانیم پیش بینی های جدیدی را برای استفاده از برق که ممکن است با طراحی شبکه فعلی امکان پذیر نباشد، پیش بینی کنیم. به منظور پذیرش افزایش نفوذ انرژی تجدید پذیر به شبکه برق فعلی، مهم است که اندازه گیری سطح قدرت در سراسر شبکه، همانطور که در بسیاری از griddesigns هوشمند در نظر گرفته شده است. با این حال، برای از بین بردن استرس ناشی از چنین انرژی های تجدید پذیر متناوب به تولید اولیه مانند هسته ای و حرارتی، ما باید جریان برق مستقیم را در سراسر شبکه بسیار متصل به هم کنترل کنیم. این مقاله شبکه “دیجیتال” را توصیف می کند که در آن یک سیستم قدرتمند هماهنگ شده در سطح وسیع (دیجیتال شده) به سیستم های قدرت کوچکتر یا متوسط می پردازد. شبکه های تقسیم شده به نام “سلول های شبکه دیجیتال” (به سادگی به نام “سلول ها”، در ادامه) به طور غیر همزمان از طریق “روتر های شبکه دیجیتال” (DGR) متصل می شوند.

Year: 2011

Publisher : IEEE

By : Rikiya Abe, Hisao Taoka, and David McQuilkin