[논문 리뷰] Global transformer overheating from geomagnetic storms

M. L. Rivers, Lukasz G. Gajewski외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 26.

Magnetic Properties and ApplicationsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 지구자기 폭풍 동안 고전압 투자기의 과열 위험을 평가하기 위해 지구전기장, 글로벌 전도도 모델, 고전압 투자기의 열 시뮬레이션을 활용한 글로벌 스케일 프레임워크를 개발한다. 역사적 데이터 분석 결과, 1만 년에 한 번꼴로 발생할 수 있는 폭풍은 유럽 인구의 약 0.99%와 북미 인구의 약 0.86%에게 장기적인 전력 공급 차질을 야기할 것으로 추정되며, 각각 740만 명 이상과 410만 명 이상이 영향을 받을 것으로 예측된다.

ABSTRACT

Geomagnetic storms occurring due to sustained, high-speed solar winds are known to induce currents in power distribution networks. These geomagnetically induced currents (GICs) can cause high voltage transformers (HVT) to overheat, thus resulting in a catastrophic electricity loss event (CELE). Since significant portions of infrastructures around the world rely heavily on access to electric power, it is essential to estimate the risks associated with GICs on a global scale. We assemble multiple methodologies across various scientific disciplines to develop a framework assessing the probability of a severe geomagnetic storm causing a long-term, widespread power outage. Our model incorporates thermal models of HVT tie bar hot spots, historical geoelectric field estimates, and a global conductivity model to estimate the risk of long-term power outage for regions between -70 degrees and 80 degrees geomagnetic latitude due to transformer overheating failure. Assuming a uniform 33% HVT spare capacity, our analysis indicates that a 1 in 10,000 year storm would result in approximately 1% of the population in Europe and North America experiencing a long-term (months to years) electricity loss.

연구 동기 및 목표

• 전력망에 대한 지구자기 유도 전류(GIC)의 글로벌 스케일 리스크 평가 부족 문제를 해결하기 위해.
• 심각한 지구자기 폭풍으로 인한 투자기 과열로 인한 치명적인 전기 손실(CEL)의 발생 확률과 영향을 입체적으로 정량화하기 위해.
• 충분한 전력망 및 지구물리학 데이터가 확보된 지역이라면 적용 가능한 오픈소스이자 확장 가능한 모델링 프레임워크를 개발하기 위해.
• 우주 weahter(우주 날씨)로 인한 글로벌 재난 위험에 대해 정책 입안자 및 인프라 기획자들에게 정보를 제공하기 위해.

제안 방법

• 지상 기상관측소의 역사적 지구자기장 데이터와 전자기전도도(MT) 전이 함수를 통합하여 지구전기장을 추정한다.
• 글로벌 전도도 모델을 적용해 데이터가 제한된 지역으로의 지구전기장 추정치를 외삽한다.
• 고전압 투자기(HVT)의 타이바 핫스팟 열 모델을 활용해 GIC 노출 조건에서의 과열 고장 가능성을 예측한다.
• OpenStreetMap 및 NERC/EPRI 데이터에서 확보한 전력망 구조 정보와 투자기 고장 확률을 조합하여 지역별 전력 손실을 추정한다.
• 조정된 지구전기장 수준에 대해 로그정규분포를 적합하여 기준 위치에서 폭풍의 재현주기 및 강도를 추정한다.
• 오픈소스 파이썬 코드로 구현되어 슈퍼컴퓨터 자원 없이도 표준 하드웨어에서 실행 가능한 모델을 구현한다.

Figure 2: Peak $60$ -second geoelectric field magnitude for a $1$ -in- $100$ year storm in Europe (top) and North America (bottom). The colour indicates the field level [V/km].

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구자기 폭풍으로 인한 투자기 과열의 글로벌 리스크는 어떠한가? 특히 극한 사건의 경우 어떻게 되는가?
• RQ2 1만 년에 한 번꼴로 발생하는 폭풍 상황에서, 유럽과 북미의 인구 비율은 장기적 전력 공급 차질 확률과 어떻게 연관되는가?
• RQ3 제한된 전자기전도도(MT) 데이터만으로도 지구전기장 추정치를 글로벌 범위로 얼마나 정확하게 외삽할 수 있는가?
• RQ4 투자기의 비축 용량 및 전력망 구조의 변화가 광범위한 전력 공급 차질 발생 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 GIC 유도 투자기 고장을 대규모로 평가할 수 있는 통합된 오픈소스 모델링 프레임워크를 개발할 수 있는가?

주요 결과

• 1만 년에 한 번꼴로 발생하는 지구자기 폭풍은 약 0.99%의 유럽 인구(740만 명 이상)가 장기적인 전기 공급 차질을 겪을 것으로 예측된다.
• 북미에서는 같은 폭풍으로 약 0.86%의 인구(410만 명 이상)가 장기적인 전력 공급 차질을 겪을 것으로 추정된다.
• 극한 사건 상황에서 모델은 유럽의 총 예상 전력 손실을 49.71 GW, 북미의 경우 56.12 GW로 추정한다.
• 프레임워크는 오픈소스이며 표준 개인용 컴퓨터에서 실행 가능하므로 광범위한 접근성과 지역 맞춤형 적용이 가능하다.
• 연구에서는 전력망 및 전자기전도도 데이터의 부족함이 주요 제약 요소이며, 모델 구조 자체는 문제가 되지 않는다.
• 이 모델은 GIC 유도 투자기 고장을 위한 글로벌 리스크 평가의 기초가 되는 확장 가능한 접근법을 제공하며, 향후 GDP 및 산업 영향 지표로의 확장 가능성이 있다.

Figure 3: European substations at risk of electricity loss after a $1$ -in- $10000$ year storm. Colour indicates the fraction of HVTs we expect to fail within a given Voronoi tile.