[논문 리뷰] Resilience Analysis and Cascading FailureModeling of Power Systems under Extreme Temperatures

Seyyed Rashid Khazeiynasab, Junjian Qi|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 29.

HVDC Systems and Fault Protection참고 문헌 46인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 극단적인 기온 변화를 명시적으로 포함하는 AC 전력 흐름 기반의 계류 고장 모델을 제안하며, 이는 부하 수요, 동적 송전선 정격, 송전선 및 발전기의 상관된 고장에 미치는 영향을 모델링한다. 주요 기여는 기온에 의해 유도되는 상관관계가 계류 고장과 사전 정전 위험을 크게 증가시킨다는 것을 입증한 것으로, 기온 변화와 영향을 받는 영역 크기의 임계 임계값을 규명하였으며, 부하 차단 및 재배치와 같은 제어 전략이 위험을 효과적으로 감소시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 극단적인 기온 변화와 그 시스템 구성 요소에 미치는 영향을 명시적으로 고려하는 계류 고장 모델을 개발하는 것.
• 기온에 의해 유도되는 부하 변화와 동적 송전선 정격 변화가 송전선 및 발전기 고장과 어떻게 상관관계를 가지는지 분석하는 것.
• 열 스트레스 하에서 전압 불안정성이 계류 고장 전파에 어떤 역할을 하는지 조사하는 것.
• 부하 차단 및 운영자 재배치와 같은 제어 전략이 열 스트레스 하에서 계류 고장 위험을 완화하는 데 얼마나 효과적인지 평가하는 것.
• 전력 시스템 내에서 기온 변화에 가장 취약한 임계 기온 변화, 취약한 영역, 그리고 가장 취약한 버스를 규명하는 것.

제안 방법

• 모델은 극단적인 기온 조건 하에서 시스템 행동을 시뮬레이션하기 위해 AC 전력 흐름을 사용한다.
• 환경 기온 변화에 기반하여 기온에 따라 변화하는 부하 성장과 동적 송전선 정격(DLR) 변화를 모델링한다.
• 열적 안정성 및 전압 안정성 임계값을 기반으로 송전선 및 발전기 고장 확률을 계산한다.
• 시간 스탬프가 부여된 사건 처리를 통해 선로 고장, 발전기 트립, 전압 붕괴의 순차적 시퀀스를 시뮬레이션하여 사건 발생 시점을 결정한다.
• 동적 송전선 정격을 고려하여 부하 차단 및 운영자 재배치와 같은 제어 전략을 모델링하여 고장 전파에 미치는 영향을 평가한다.
• 다양한 기온 및 영역 장애 시나리오에서 10,000회의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 RTS-96 3영역 시스템에서 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극단적인 기온 변화는 전력 시스템에서 계류 고장을 어떻게 유도하고 전파하는가?
• RQ2 기온에 의해 유도되는 부하 성장, 동적 송전선 정격 변화와 구성 요소 고장 사이의 상관관계는 무엇인가?
• RQ3 계류 고장 위험을 크게 증가시키는 임계 기온 변화와 영향을 받는 영역 크기는 무엇인가?
• RQ4 고장 빈도와 부하 차단 측면에서 기후 변화에 가장 취약한 버스는 무엇인가?
• RQ5 열 스트레스 하에서 부하 차단 및 운영자 재배치와 같은 제어 전략이 계류 고장을 방지하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 기온 상승 11°C가 계류 고장 위험을 크게 증가시킬 수 있으며, 특히 큰 영향을 받는 영역과 함께 작용할 경우 더욱 두드러진다.
• 고장 수가 급격히 증가하기 시작하는 영역 크기의 임계값은 γ = 0.07로, 전체 시스템 영역의 약 7%에 해당한다.
• 버스 208, 308, 305, 210, 209, 306, 309, 310은 기후 변화에 의해 고장 빈도와 부하 차단 빈도가 높아, 가장 취약한 것으로 규명되었다.
• 초기 정격을 사용하는 재배치보다 동적 송전선 정격을 기반으로 한 운영자 재배치가 선로 및 발전기 고장을 더 효과적으로 줄였다.
• 재배치 전략에 동적 송전선 정격을 포함시켰을 경우, 정적 정격을 사용한 경우보다 계류 고장 위험 감소 효과가 뚜렷하게 커졌다.
• 동시적인 부하 성장, 선로 트립, 전압 붕괴와 같은 상관 사건이 극단적인 기온 조건 하에서 계류 고장의 주요 원인으로 규명되었다.