[논문 리뷰] Controlled Tripping of Overheated Lines Mitigates Power Outages

René Pfitzner, Konstantin Turitsyn외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 23.

Power System Optimization and StabilityEngineering참고 문헌 20인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 빠른 계류적 블랙아웃 동안 과부하된 송전선로를 제어적으로 의도적으로 트립하여 정전 손상을 최소화하는 방법을 제안한다. 폴란드 송전망의 DC 전력 흐름 모델을 사용하여, 특히 가장 과부하가 적은 선로부터 전략적으로 트립하는 것이 최종 정전 규모를 크게 줄일 수 있음을 보여주며, 무작위 또는 탐욕적 트립 전략보다 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 빠른 계류적 블랙아웃에서 과부하된 선로의 제어적 트립이 전력 시스템의 블랙아웃 심각도를 완화할 수 있는지 조사하기 위해.
• 실제 전력망 모델에서 다양한 트립 순서 히우리스틱이 최종 정전 규모에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 의도적인 선로 트립이 자연적인 트립 순서보다 부하 제거와 시스템 아일랜딩을 최소화하는 데 뛰어나지 못할지 판단하기 위해.
• 긴급 상황에서 실시간 상태 기반 트립 히우리스틱의 실현 가능성과 성능을 평가하기 위해.
• 실시간으로 이러한 제어 전략을 구현할 때 발생하는 계산 및 통신 과제를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 2700 버스, 3504개의 선로를 포함하는 폴란드 송전망을 대상으로, 준정적 DC 전력 흐름 근사치를 사용해 계류적 실패를 시뮬레이션한다.
• 일부 또는 두 개의 선로를 트립하여 계류적 실패를 시작한 후, 사전 정의된 히우리스틱에 따라 과부하된 선로를 순차적으로 트립한다.
• 발전 분배를 위해 표준 드롭 제어를 적용하고, 부족한 발전을 가진 아일랜드가 형성되면 부하 제거를 강제로 시행한다.
• 미래를 고려하지 않고 현재 전력망 상태에 기반해 다음 트립할 선로를 선택하는 메모리 없는 상태 기반 접근법을 사용한다.
• 네 가지 히우리스틱을 평가한다: 무작위 균일, 탐욕적 절대 과부하, 탐욕적 상대 과부하, 계층적 그래프 기반 선택.
• 실시간 상태 추정 및 트립 명령을 가능하게 하기 위해 SCADA 유사 통신 프로토콜을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과부하된 선로의 트립 순서가 계류적 실패에서 최종 정전 규모에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 과부하된 선로의 제어적 트립이 자연적인 트립 또는 무작위 선택보다 최종 정전을 줄일 수 있는가?
• RQ3 절대 과부하 또는 상대 과부하, 또는 계층적 전력망 구조에 기반한 히우리스틱 트립 전략 중 어느 것이 손상을 최소화하는 데 가장 효과적인가?
• RQ4 빠르고 신뢰할 수 있는 통신이 계류적 사고 동안 효과적인 실시간 트립 결정을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 최적의 트립 순서를 위한 전체 역학 최적화 문제를 해결하는 데 있어 계산적으로 실현 가능한 대안은 존재하는가?

주요 결과

• 과부하된 선로의 제어적 트립은 자연적 또는 무작위 트립 순서에 비해 최종 정전 규모를 크게 줄였다.
• 가장 과부하가 적은 선로를 먼저 선택하는 히우리스틱(A1)이 대부분의 시험 케이스에서 다른 전략보다 뚜렷이 뛰어났다.
• 무작위 균일 트립은 한 시나리오에서 22%의 샘플에서 거의 손상 없이 끝났지만, 최악의 경우는 심각했으며(60%의 부하 제거), 높은 변동성을 보였다.
• 상대 과부하 기반 히우리스틱(A3)은 기본 케이스에서는 A1과 유사하게 성능을 보였지만, 부하 제거를 고려하지 않은 경우는 덜 효과적이었다.
• 가장 과부하가 심한 선로를 우선으로 트립하는 탐욕 전략(A2 및 A4)은 A1 및 A3보다 성능이 열 劣했으며, 특히 복잡한 네트워크 구조에서 두드러졌다.
• 폴란드 송전망의 계층적 구조는 대부분의 경우 합리적인 근사치로 나타났으며, 이는 국소적 상태 기반 히우리스틱의 사용을 뒷받침한다.