[論文レビュー] Analyzing and Mitigating the Impacts of GMD and EMP Events on the Electrical Grid with PowerModelsGMD.jl

Ádám Máté, Arthur K. Barnes+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2021

Lightning and Electromagnetic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、GMDおよびEMPイベントに起因する送電系統における地磁気誘導電流（GIC）のモデリングと緩和を目的とした、Juliaで構築されたオープンソースフレームワーク、PowerModelsGMD.jlを紹介する。時間延長型最適潮流問題を解くことで、トランスフォーマーの熱的制約を満たすように最適化し、線路の切り替えによるGIC緩和を実証した。6時間にわたるシミュレーションイベント中、トランスフォーマーのホットスポット温度が280°C未満に保たれた。

ABSTRACT

Geomagnetic disturbances and E3 high-altitude electromagnetic pulse events pose a substantial threat to the electrical grid by adversely impacting and damaging high-voltage transmission networks and equipment. To evaluate the risks and mitigate the potential effects of these hazards, this work proposes PowerModelsGMD.jl (abbr. PMsGMD). PMsGMD is an open-source Julia package that solves for quasi-dc line flow and ac power flow problems in a system subjected to geomagnetically induced currents. Unlike commercially available software solutions, it is extensible and applicable to a variety of problems. The flexibility of this framework is demonstrated by applying it to the problem of identifying mitigation strategies via line switching for a time-extended transformer heating problem. An overview of PMsGMD is presented in this paper: introduction to its design, validation of its implementation, demonstration of its performance and effectiveness, and a description of how it may be applied to aid system-operation decisions.

研究の動機と目的

• 高圧送電系統における地磁気乱流（GMD）および高度核爆発電磁パルス（HEMP）イベントの増大する脅威に対処すること。
• GICとその影響、特にトランスフォーマーへの影響をシミュレートできる、柔軟で拡張可能かつオープンソースのツールを開発すること。
• トランスフォーマーの熱的加熱と運用意思決定に焦点を当てた、時間延長型最適潮流によるGIC緩和を可能にすること。
• 実際のテストシステム上でフレームワークを検証し、リアルタイムおよび計画的応用におけるスケーラビリティと有効性を示すこと。

提案手法

• JuliaのPowerModels.jlフレームワークを拡張し、GIC注入下での準直流線路潮流および交流潮流をモデリングする。
• 動的GICの変化とトランスフォーマーへの累積的熱的応力の変化を捉える時間延長型定式化を導入する。
• JuMPを用いて、GIC制約下での最適送電線切り替え（OTS）問題を解く数学的最適化を実施する。
• 空間電場と地盤抵抗率に基づき、トランスフォーマーのスター結線バス接続部における等価中性点電流注入によりGIC注入をモデル化する。
• GIC誘導損失に起因するトランスフォーマーのホットスポット温度上昇を推定するための熱老化モデルを適用する。
• 非線形ソルバー（Gurobi）を用いて、熱的制限と線路切り替え意思決定を含む時間延長型最適潮流問題を解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間変動する地磁気的およびEMP電場下で、送電系統におけるGICを正確にモデリングする方法は何か？
• RQ2 オープンソースフレームワークは、長時間にわたる大規模トランスフォーマーへのGIC誘導熱的応力のシミュレーションを効果的に行えるか？
• RQ3 GMD/HEMPイベント中、トランスフォーマーのホットスポット温度上昇を最小化するための線路切り替え戦略は何か？
• RQ4 本フレームワークは、リアルタイムおよび計画的応用においてスケーラブルで計算的に効率的か？
• RQ5 本フレームワークは、最適GICブロッカー配置や高調波潮流といった高度な緩和戦略をサポートできるか？

主な発見

• PMsGMDフレームワークは、6時間にわたる時間変動する電場下でGICの流れとトランスフォーマーの熱的応答を正常にシミュレートした。電場強度は3時間にわたり0から3.2 V/kmまで増加し、その後0に戻った。
• 最適化に基づく緩和戦略により、重要なトランスフォーマーを通過するGICの流れが特定の線路を切り離すことで低減された。特に、東西方向に最も長い線路（4-6-1）と4-5経路内の1本の線路が対象となった。
• トランスフォーマー12-13-1のホットスポット温度は、シミュレーション全体を通して280°Cの即時の熱的限界を下回った。これにより、緩和戦略の有効性が裏付けられた。
• 緩和戦略の計算は標準的なデスクトップシステムで21秒で完了した。これは、近似リアルタイム運用への実現可能性を示している。
• フレームワークは拡張可能であり、今後の拡張として高調波潮流、シナリオベース最適化、最適GICブロッカー配置のサポートが可能である。
• 11バス系での検証により、実装の正しさと動的GIC条件下での熱的モデリングの正確性が確認された。