[論文レビュー] Resilience assessment and planning in power distribution systems:Past and future considerations

Shuva Paul, Abodh Poudyal+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2023

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、極端な気象イベントの増加に伴う電力配電システムにおけるレジリエンス評価と計画に関する包括的レビューを提供している。主な焦点は、指標、重要なインfra構造との相互依存性、および分散型エネルギー資源（DERs）とマイクログリッドを用いた戦略である。標準化されたレジリエンス指標の確立における課題を特定し、極端な気象イベント下でのシステムの回復力と運用レジリエンスを高める統合的計画フレームワークを提案している。

ABSTRACT

Over the past decade, extreme weather events have significantly increased worldwide, leading to widespread power outages and blackouts. As these threats continue to challenge power distribution systems, the importance of mitigating the impacts of extreme weather events has become paramount. Consequently, resilience has become crucial for designing and operating power distribution systems. This work comprehensively explores the current landscape of resilience evaluation and metrics within the power distribution system domain, reviewing existing methods and identifying key attributes that define effective resilience metrics. The challenges encountered during the formulation, development, and calculation of these metrics are also addressed. Additionally, this review acknowledges the intricate interdependencies between power distribution systems and critical infrastructures, including information and communication technology, transportation, water distribution, and natural gas networks. It is important to understand these interdependencies and their impact on power distribution system resilience. Moreover, this work provides an in-depth analysis of existing research on planning solutions to enhance distribution system resilience and support power distribution system operators and planners in developing effective mitigation strategies. These strategies are crucial for minimizing the adverse impacts of extreme weather events and fostering overall resilience within power distribution systems.

研究の動機と目的

• 近年の極端な気象イベントの増加に伴い、電力配電システムにおけるレジリエンス評価と指標の現状を分析すること。
• 既存のレジリエンス指標の定式化におけるギャップ、特に標準化の欠如を特定すること。
• 情報通信技術（ICT）、交通、水供給などのインフラとの相互依存性が、配電システムのレジリエンスにどのように影響を与えるかを検討すること。
• 島嶼運用を支援する分散型エネルギー資源（DERs）とマイクログリッドを統合した計画戦略の効果を評価すること。
• トランザクティブエナジーと顧客参加を活用したグリッドレジリエンスの研究機会を強調すること。

提案手法

• 1993年から2022年までのScopusデータベースから抽出された9,892件の出版物を対象とした系統的レビューにより、極端な出来事と電力配電に関連するレジリエンス研究のトレンドをマッピングすること。
• 定義、計算方法、限界を含めた既存のレジリエンス指標の分類と批判的分析。
• 出来事予測、状況認識（SA）、負荷優先順位付け、リソース割り当てを統合したレジリエンス分析フレームワークの開発。
• 自然ガス、水、ICTなどの他の重要なインフラととの電力配電システム間の相互依存モデルの検討。
• 島嶋運用と負荷管理を支援するDER、マイクログリッド、トランザクティブエナジー・システムを含む計画ソリューションの評価。
• ハリケーン・アイアンやテキサス2021年の寒波などの事例研究を用いて、実世界の影響を提示し、レジリエンス戦略の設計を支援すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過去30年間にわたり、電力配電システムのレジリエンス評価と指標に関する主なトレンドと研究ギャップは何か？
• RQ2 極端な気象イベント中、重要なインフラ（ICT、交通、水供給など）との相互依存性が、電力配電システムのレジリエンスにどのように影響を与えるか？
• RQ3 分散型エネルギー資源（DERs）とマイクログリッドは、イベント後の回復力とシステムのレジリエンスをどの程度向上させ得るか？
• RQ4 現在のレジリエンス指標の限界は何か？実用的応用のための標準化はどのように可能か？
• RQ5 トランザクティブエナジー・メカニズムと顧客参加は、レジリエンス計画と運用の柔軟性をどのように改善できるか？

主な発見

• 近年の極端な出来事における80％以上の電力系統の停電は、配電システムの故障に起因しており、特定のレジリエンス戦略の必要性が浮き彫りになっている。
• 標準化されたレジリエンス指標は存在せず、既存の指標は定義、範囲、計算方法において著しくばらつきを示しており、研究間の比較可能性が制限されている。
• ICT、交通、水、天然ガスインフラとの相互依存性は、極端な出来事における連鎖的障害の拡大を顕著にしている。
• 太陽光発電と蓄電池を含む分散型エネルギー資源（DERs）は、島嶋運用時における重要な負荷の供給を支援し、停電時間の短縮に寄与する。
• マイクログリッドとトランザクティブエナジー・システムは、大規模グリッドの故障時における分散型でインcentivized（インcentivizedはそのままで）なレジリエンスの実現に有望な道筋を提供している。
• 研究が増加しているにもかかわらず、動的レジリエンスのモデリング、複数インフラの相互依存性の統合、実運用計画へのレジリエンス指標の実装に関する大きなギャップが依然として存在する。