[論文レビュー] Resilience Analysis and Cascading FailureModeling of Power Systems under Extreme Temperatures

Seyyed Rashid Khazeiynasab, Junjian Qi|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2020

HVDC Systems and Fault Protection参考文献 46被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、負荷需要、動的線路定格、送電線および発電機の相関故障を考慮して、極端な気温変動を明示的に組み込んだAC潮流ベースの連鎖的故障モデルを提案する。主な貢献は、気温に起因する相関が連鎖的故障および電圧不安定性リスクを顕著に増大させることを示しており、気温変化および影響範囲の大きさについての臨界閾値を特定した。一方、負荷遮断や再配電といった制御戦略は、リスク低減に効果的であることを示した。

ABSTRACT

In this paper, we propose an AC power flow based cascading failure model that explicitly considers external weather conditions, extreme temperatures in particular, and evaluates the impact of extreme temperature on the initiation and propagation of cascading blackouts. Specifically, load and dynamic line rating changes are modeled due to temperature disturbance, the probabilities for transmission line and generator outages are evaluated, and the timing for each type of events is carefully calculated to decide the actual event sequence. It should be emphasized that the correlated events, in the advent of external temperature changes, could together contribute to voltage instability. Besides, we model undervoltage load shedding and operator re-dispatch as control strategies for preventing the propagation of cascading failures. The effectiveness of the proposed model is verified by simulation results on the RTS-96 3-area system and it is found that temperature disturbances can lead to correlated load change and line/generator tripping, which together will greatly increase the risk of cascading and voltage instability. Critical temperature change, critical area with temperature disturbance, identification of most vulnerable buses, and comparison of different control strategies are also carefully investigated.

研究の動機と目的

• 極端な気温変動とそのシステム部品への影響を明示的に考慮する連鎖的故障モデルの開発。
• 気温に起因する負荷変化および動的線路定格の変化が、送電線および発電機の故障にどのように相関するかの分析。
• 熱的ストレス下における電圧不安定性が連鎖的故障の拡大に果たす役割の調査。
• 過電圧負荷遮断やオペレータによる再配電といった制御戦略が、連鎖的故障リスク低減に果たす有効性の評価。
• 気温変化の臨界値、脆弱な領域、および最も脆弱な母線の同定。

提案手法

• モデルは、極端な気温条件下でのシステム挙動をシミュレートするためにAC潮流を使用する。
• 環境温度の変化に基づき、温度依存の負荷増加および動的線路定格（DLR）の変化をモデル化する。
• 熱的および電圧安定性の閾値に基づき、送電線および発電機の故障確率を計算する。
• タイムスタンプを用いたイベント解像度を用いて、線路故障の順序、発電機のトリップ、電圧崩壊のシーケンスをシミュレートし、イベントの発生時刻を特定する。
• 動的線路定格を用いて、過電圧負荷遮断およびオペレータによる再配電といった制御戦略をモデル化し、故障拡大への影響を評価する。
• 10,000回のモンテカルロシミュレーションを用いて、多様な気温および領域障害シナリオにおいて、RTS-96 3エリア系でモデルを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極端な気温変動は、電力系統における連鎖的故障をどのように誘発し、拡大させるか？
• RQ2 気温に起因する負荷増加、動的線路定格の変化、および部品の故障との間には、どのような相関関係があるか？
• RQ3 連鎖的故障リスクを顕著に増大させる臨界気温変化および影響範囲の大きさは何か？
• RQ4 故障頻度および負荷遮断の観点から、どの母線が気温変動に対して最も脆弱であるか？
• RQ5 熱的ストレス下で、負荷遮断やオペレータによる再配電といった制御戦略は、連鎖的故障の防止にどの程度効果的か？

主な発見

• 連鎖的故障リスクを顕著に上昇させる臨界気温上昇は11°Cであり、特に広範囲にわたる影響を受ける場合に顕著に現れた。
• 故障数の顕著な増加を引き起こす臨界領域サイズはγ = 0.07であり、全システム面積の約7%に相当する。
• 母線208、308、305、210、209、306、309、310は、気温変動下で故障頻度および負荷遮断の両面で特に脆弱であると特定された。
• 動的線路定格に基づくオペレータによる再配電は、初期定格を用いた再配電よりも、線路および発電機の故障数をより効果的に低減した。
• 再配電戦略に動的線路定格を組み込むことで、静的定格を用いた場合と比較して、連鎖的故障リスクの顕著な低減が達成された。
• 同時に発生するイベント（負荷増加、線路トリップ、電圧崩壊など）が、極端な気温下での連鎖的故障の主要因であることが示された。