[論文レビュー] Controlled Tripping of Overheated Lines Mitigates Power Outages

René Pfitzner, Konstantin Turitsyn+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2011

Power System Optimization and StabilityEngineering参考文献 20被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、急激な連鎖的ブラックアウト発生時における過負荷送電線の制御された意図的三途を提案し、停電損傷を最小限に抑えることを目的としている。ポーランド送電網のDC潮流モデルを用いて、特に最も過負荷でない線路を最初に選択的に三途することで、最終的な停電規模を顕著に低減できることを示している。これは、ランダムまたは貪欲な三途戦略を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

We study the evolution of fast blackout cascades in the model of the Polish (transmission) power grid (2700 nodes and 3504 transmission lines). The cascade is initiated by a sufficiently severe initial contingency tripping. It propagates via sequential trippings of many more overheated lines, islanding loads and generators and eventually arriving at a fixed point with the surviving part of the system being power-flow-balanced and the rest of the system being outaged. Utilizing an improved form of the quasi-static model for cascade propagation introduced in our earlier study (Statistical Classification of Cascading Failures in Power Grids, IEEE PES GM 2011), we analyze how the severity of the cascade depends on the order of tripping overheated lines. Our main observation is that the order of tripping has a tremendous effect on the size of the resulting outage. Finding the "best" tripping, defined as causing the least damage, constitutes a difficult dynamical optimization problem, whose solution is most likely computationally infeasible. Instead, here we study performance of a number of natural heuristics, resolving the next switching decision based on the current state of the grid. Overall, we conclude that controlled intentional tripping is advantageous in the situation of a fast developing extreme emergency, as it provides significant mitigation of the resulting damage.

研究の動機と目的

• 急激な連鎖的ブラックアウトの深刻度を軽減するために、過負荷線の制御的三途が有効かどうかを調査すること。
• 現実的な電力系統モデルにおける最終停電規模に与える、さまざまな三途順序ヒューリスティクスの影響を評価すること。
• 意図的な線路三途が、負荷供給停止および系統の島孤立を最小限に抑えるために、自然な三途順序を上回るかどうかを特定すること。
• 緊急状況下におけるリアルタイム、状態ベースの三途ヒューリスティクスの実現可能性と性能を評価すること。
• このような制御戦略をリアルタイムで実装する際の計算および通信の課題を調査すること。

提案手法

• クーラスティックなDC潮流近似を用いて、ポーランド送電網（2700バス、3504線路）における連鎖的故障をシミュレートする。
• 1本または2本の線路を三途することで故障を開始し、事前に定義されたヒューリスティクスに従って過負荷線を順次三途する。
• 発電再配分に標準的なドロップ制御を適用し、発電力が不足する島が形成された場合には負荷供給停止を実施する。
• 先読みを行わず、現在の系統状態に基づいて次に三途する線路を選択するメモリレスで状態ベースのアプローチを採用する。
• 4つのヒューリスティクスを評価する：ランダム一様、貪欲な絶対過負荷、貪欲な相対過負荷、階層的グラフベース選択。
• リアルタイムの状態推定および三途命令を可能にするSCADAに類似した通信プロトコルを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過負荷線の三途順序が、連鎖的故障における最終ブラックアウト規模にどのように影響を与えるか？
• RQ2 自然な三途またはランダム選択と比較して、過負荷線の制御的三途が最終停電規模を低減できるか？
• RQ3 絶対過負荷または相対過負荷、あるいは階層的系統構造に基づくヒューリスティクスの中で、どの戦略が損傷を最小限に抑えるか？
• RQ4 連鎖的イベント中における効果的なリアルタイム三途意思決定を可能にするために、高速かつ信頼性の高い通信が果たす役割は何か？
• RQ5 最適な三途順序を求める完全な動的最適化問題を解く代替手段として、計算的に実現可能な方法はあるか？

主な発見

• 自然な三途またはランダム三途順序と比較して、過負荷線の制御的三途は最終停電規模を顕著に低減することが分かった。
• 最初に最も過負荷でない線路を選択するヒューリスティクス（A1）は、多数のテストケースにおいて他の戦略を常に上回った。
• ランダム一様三途は、1つのシナリオで22％のサンプルでほぼゼロの損傷を達成したが、最悪ケースでは深刻な結果（60％の負荷供給停止）を示し、高いばらつきが確認された。
• 相対過負荷に基づくヒューリスティクス（A3）は、基本ケースではA1と同程度の性能を示したが、負荷供給停止を無視した場合には劣った。
• 最も過負荷の強い線路を優先する貪欲戦略（A2およびA4）は、A1およびA3よりも性能が悪く、特に複雑なネットワークトポロジーでは顕著であった。
• ポーランド系統の階層的構造は、大多数のケースで妥当な近似であることが判明し、局所的で状態ベースのヒューリスティクスの使用を支持するものとなった。