[논문 리뷰] Resilience assessment and planning in power distribution systems:Past and future considerations

Shuva Paul, Abodh Poudyal외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 15.

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 극한 기상 현상 증가에 따라 전력 배전 시스템의 복원력 평가 및 계획에 대해 종합적인 검토를 제공한다. 주요 초점은 지표, 핵심 인프라 간 상호의존성, 그리고 분산 에너지 자원(DERs)과 마이크로그리드를 활용한 전략이다. 표준화된 복원력 지표의 어려움을 규명하고, 극한 기상 사건 동안 시스템 복구 및 운영 복원력을 향상시키기 위한 통합 계획 프레임워크를 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 극한 기상 현상 증가 속에서 전력 배전 시스템의 복원력 평가 및 지표 현황을 분석하기 위해.
• 기존 복원력 지표의 정의 및 구성에 대한 격차를 특정하고, 특히 표준화 부족 문제를 규명하기 위해.
• 정보통신기술(ICT), 교통, 물 공급 시스템 등 핵심 인프라 간 상호의존성이 배전 시스템 복원력에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 이산화탄소 배출을 줄이고 사고 후 복구를 향상시키기 위해 분산 에너지 자원(DERs)과 마이크로그리드를 통합한 계획 전략을 평가하기 위해.
• 전력 거래 에너지 및 고객 참여를 활용한 그리드 복원력 향상에 대한 연구 기회를 부각하기 위해.

제안 방법

• 1993~2022년 동안 Scopus에서 확보한 9,892편의 논문을 대상으로 체계적 검토를 수행하여 극한 사건과 전력 배전과 관련된 복원력 연구의 추세를 맵핑하기 위해.
• 정의, 계산 방법, 한계를 포함한 기존 복원력 지표의 분류 및 철저한 분석을 수행하기 위해.
• 사건 예측, 상황 인식(SA), 부하 우선순위 정하기, 자원 할당을 통합한 복원력 분석 프레임워크 개발을 위해.
• 전력 배전 시스템과 다른 핵심 인프라(예: 천연가스, 물 공급, ICT) 간의 상호의존 모델을 검토하기 위해.
• 이산화탄소 배출을 줄이고 사고 후 복구를 향상시키기 위해 분산 에너지 자원(DERs), 마이크로그리드, 전력 거래 에너지 시스템을 통합한 계획 솔루션을 평가하기 위해.
• 실제 사례 연구(예: 허리케인 아이언, 텍사스 2021년 한파)를 활용하여 실제 영향을 설명하고 복원력 전략 설계에 기여하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지난 30년간 전력 배전 시스템의 복원력 평가 및 지표 분야에서 지배적인 추세와 연구 격차는 무엇인가?
• RQ2 핵심 인프라 간 상호의존성(예: ICT, 교통, 물 공급)이 극한 기상 사건 동안 전력 배전 시스템의 복원력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 분산 에너지 자원(DERs)과 마이크로그리드가 사고 후 복구 및 시스템 복원력 향상에 어느 정도 기여할 수 있는가?
• RQ4 기존 복원력 지표의 한계는 무엇이며, 실용적 적용을 위해 어떻게 표준화할 수 있는가?
• RQ5 전력 거래 에너지 메커니즘과 고객 참여는 복원력 계획 및 운영의 유연성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 최근 극한 기상 사건에서 80% 이상의 전력 차단 사고가 배전 시스템 고장에서 기인하여, 맞춤형 복원력 전략의 필요성이 강조된다.
• 표준화된 복원력 지표가 존재하지 않으며, 기존 지표는 정의, 범위, 계산 방식에서 크게 다름으로써 연구 간 비교가 어려운 상황이다.
• 정보통신기술(ICT), 교통, 물 공급, 천연가스 시스템과의 상호의존성이 극한 기상 사건 동안 계단식 고장 확산을 심화시킨다.
• 태양광 패널 및 에너지 저장장치를 포함한 분산 에너지 자원(DERs)은 격리 운영 시에도 핵심 부하를 지원하여 정전 시간을 단축시킬 수 있다.
• 마이크로그리드와 전력 거래 에너지 시스템은 특히 주요 전력망 장애 발생 시 탈중앙화되고 고객 유인 기반의 복원력 향상에 유망한 길을 제시한다.
• 연구가 증가하고 있음에도 불구하고, 동적 복원력 모델링, 다중 인프라 상호의존성 통합, 실질적 계획에 복원력 지표를 적용하는 데서 여전히 큰 격차가 존재한다.