[논문 리뷰] Analyzing and Mitigating the Impacts of GMD and EMP Events on the Electrical Grid with PowerModelsGMD.jl

Ádám Máté, Arthur K. Barnes외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 13.

Lightning and Electromagnetic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 GMD 및 EMP 사건으로 인한 전력망 내 지자기 유도 전류(GIC)의 모델링 및 완화를 위한 오픈소스 Julia 기반 프레임워크인 PowerModelsGMD.jl을 소개한다. 이 프레임워크는 변압기의 열적 제약 조건을 고려한 시간 연장 최적 전력 흐름을 가능하게 하여, 6시간 동안 시뮬레이션된 사건 동안 변압기의 핫스팟 온도를 280°C 이하로 유지하는 라인 스위칭을 통한 효과적인 완화를 입증한다.

ABSTRACT

Geomagnetic disturbances and E3 high-altitude electromagnetic pulse events pose a substantial threat to the electrical grid by adversely impacting and damaging high-voltage transmission networks and equipment. To evaluate the risks and mitigate the potential effects of these hazards, this work proposes PowerModelsGMD.jl (abbr. PMsGMD). PMsGMD is an open-source Julia package that solves for quasi-dc line flow and ac power flow problems in a system subjected to geomagnetically induced currents. Unlike commercially available software solutions, it is extensible and applicable to a variety of problems. The flexibility of this framework is demonstrated by applying it to the problem of identifying mitigation strategies via line switching for a time-extended transformer heating problem. An overview of PMsGMD is presented in this paper: introduction to its design, validation of its implementation, demonstration of its performance and effectiveness, and a description of how it may be applied to aid system-operation decisions.

연구 동기 및 목표

• 고전압송전망에 미치는 지자기불안정성(GMD)과 고고도 EMP(HEMP) 사건의 증가하는 위협을 다루기 위해.
• GIC 및 그 영향을 고려한 유연하고 확장 가능하며 오픈소스 도구를 개발하여, 특히 변압기와 같은 전력망 구성 요소에 대한 영향을 시뮬레이션하기 위해.
• 변압기의 열적 가열과 운영 의사결정을 중심으로, GIC 완화를 위한 시간 연장 최적 전력 흐름을 가능하게 하기 위해.
• 실제 테스트 시스템에서 프레임워크를 검증하고 실시간 및 계획 시나리오에서의 확장성과 효과성을 입증하기 위해.

제안 방법

• Julia의 PowerModels.jl 프레임워크를 확장하여 GIC 주입 조건 하에서 준직류 선로 흐름과 교류 전력 흐름을 모델링한다.
• 시간 연장된 수식을 도입하여 동적 GIC 변화 및 변압기의 누적 열 스트레스를 포괄한다.
• GIC 제약 조건 하에서 최적 송전선 스위칭(OTS) 문제를 해결하기 위해 JuMP를 수학적 최적화 도구로 사용한다.
• 공간 전기장과 지반 저항율을 기반으로 변압기 Y-버스 접속점에서 등가 중성선 전류 주입 방식으로 GIC 주입을 모델링한다.
• GIC 유도 손실로 인한 변압기의 핫스팟 온도 상승을 추정하기 위해 열화 모델을 적용한다.
• 열 제한과 라인 스위칭 결정을 포함한 시간 연장 최적 전력 흐름 문제를 해결하기 위해 비선형 솔버(Gurobi)를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변화하는 지자기 및 EMP 전기장 하에서 송전망 내 GIC를 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 오픈소스 프레임워크가 장기간에 걸쳐 대규모 전력 변압기의 GIC 유도 열 스트레스를 효과적으로 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ3 GMD/HEMP 사건 기간 동안 변압기의 핫스팟 온도 상승을 최소화하는 라인 스위칭 전략은 무엇인가?
• RQ4 제안된 프레임워크는 실시간 및 계획 응용 분야에서 얼마나 확장 가능하고 계산적으로 효율적인가?
• RQ5 프레임워크는 최적의 GIC 차단기 배치나 고조파 부하 흐름과 같은 고급 완화 전략을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• PMsGMD 프레임워크는 6시간 동안 시간에 따라 변화하는 전기장 하에서 GIC 흐름과 변압기의 열 반응을 성공적으로 시뮬레이션하였으며, 전기장 강도는 3시간 동안 0에서 3.2 V/km로 증가하다가 다시 0으로 감소하였다.
• 최적화 기반 완화 전략은 특정 라인을 열어 임계 변압기를 통과하는 GIC 흐름을 감소시켰으며, 이 중 가장 긴 동서방향 라인(4-6-1)과 4-5 통로 내 한 라인을 포함하였다.
• 변압기 12-13-1의 핫스팟 온도는 시뮬레이션 전반에 걸쳐 280°C의 순순간 열 제한 이하로 유지되어 완화 전략의 효과성을 입증하였다.
• 완화 전략 계산은 표준 데스크톱 시스템에서 21초가 소요되어 근접 실시간 운영 사용 가능성에 대한 타당성을 입증하였다.
• 프레임워크는 확장 가능하며 향후 고조파 부하 흐름, 시나리오 기반 최적화, 최적 GIC 차단기 배치 등의 확장 기능을 지원한다.
• 11버스 시스템에서의 검증을 통해 구현의 정확성과 동적 GIC 조건 하에서의 열 모델링 정확성이 확인되었다.