[論文レビュー] Optimizing Transmission Infrastructure Investments to Support Line De-energization for Mitigating Wildfire Ignition Risk

Alyssa Kody, Ryan Piansky+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2022

Fire effects on ecosystems被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、発電所の火災発火リスクと負荷遮断の両方を最小限に抑えるために、送電インフラの投資（グリッド規模のバッテリ、太陽光発電、線路の強化など）と、公共安全電力遮断（PSPS）発生時における線路の停電措置を同時に最適化する混合整数線形計画法（MILP）定式化を提案する。この手法により、予算を考慮した最適化戦略を策定でき、火災リスクの高い地域におけるシステム全体のリスク低減と停電の深刻度軽減が可能となる。

ABSTRACT

Wildfires pose a growing risk to public safety in regions like the western United States, and, historically, electric power systems have ignited some of the most destructive wildfires. To reduce wildfire ignition risks, power system operators preemptively de-energize high-risk power lines during extreme wildfire conditions as part of "Public Safety Power Shutoff" (PSPS) events. While capable of substantially reducing acute wildfire risks, PSPS events can also result in significant amounts of load shedding as the partially de-energized system may not be able to supply all customer demands. In this work, we investigate the extent to which infrastructure investments can support system operations during PSPS events by enabling reduced load shedding and wildfire ignition risk. We consider the installation of grid-scale batteries, solar PV, and line hardening or maintenance measures (e.g., undergrounding or increased vegetation management). Optimally selecting the locations, types, and sizes of these infrastructure investments requires considering the line de-energizations associated with PSPS events. Accordingly, this paper proposes a multi-period optimization formulation that locates and sizes infrastructure investments while simultaneously choosing line de-energizations to minimize wildfire ignition risk and load shedding. This formulation is evaluated using two geolocated test cases along with realistic infrastructure investment parameters and actual wildfire risk data from the US Geological Survey. We evaluate the performance of investment choices by simulating de-energization decisions for the entire 2021 wildfire season with optimized infrastructure placements. With investment decisions varying significantly for different test cases, budgets, and operator priorities, the numerical results demonstrate the proposed formulation's value in tailoring investment choices to different settings.

研究の動機と目的

• 気候変動に影響を受ける地域（例：米国西部）における電力インフラ由来の火災発火リスクの増大に対処する。
• 火災リスク低減のための公共安全電力遮断（PSPS）発生時に、甚大な負荷遮断を引き起こすが、その影響を軽減する。
• バッテリ、太陽光発電、線路の強化（例：地中化、植生管理）の最適な配置、種別、容量を体系的かつ一括して選定する手法を開発する。
• 予算および運用制約下で、火災発火リスクの最小化と負荷遮断の最小化のトレードオフをバランスさせる。
• 極端な火災状況下でも安全かつ信頼性の高い送電システムを設計するための意思決定支援ツールを提供する。

提案手法

• 2021年の火災シーズン中に発生した複数の時間帯における送電システム運用をモデル化する多期間混合整数線形計画法（MILP）を定式化する。
• 線路の停電措置をバイナリ変数として統合し、PSPS措置と直接的に火災リスク低減に結びつける。
• グリッド規模のバッテリ、太陽光発電（PV）システム、線路の強化（例：地中化、植生管理）のインフラ投資意思決定を連続変数およびバイナリ変数として統合する。
• 米国地質調査局の実際の火災リスクデータと、地理的に位置特定されたテストシステム（例：240母線WECCケース）を用いて、リスクと太陽光発電の空間的・時間的変動をモデル化する。
• 2つの目的を最適化する：火災発火リスクの合計最小化と負荷遮断の合計最小化。重み付き和法により調整可能なトレードオフを実現する。
• 商用ソルバーを用いてMILP定式化を解き、異なる予算および運用優先順位の下で実世界のテストケースにおける計算性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSPS発生時における火災発火リスク低減を目的に、バッテリ、太陽光発電、線路の強化に関するインフラ投資と線路の停電措置をどのように同時に最適化できるか。
• RQ2 予算制約下で、異なるインフラタイプ（例：バッテリ対太陽光発電対線路の強化）が、負荷遮断と火災発火リスク低減に果たす相対的貢献度はどの程度か。
• RQ3 異なる地理的地域および火災リスクプロファイルにおいて、投資意思決定はどのように変化するか。また、その違いを引き起こす要因は何か。
• RQ4 停電措置と強化措置を併せて検討することで、それらを別々に最適化する場合に比べ、システム性能はどの程度向上するか。
• RQ5 異なる予算水準および運用優先順位（例：リスク最小化対負荷遮断最小化）が、最適な投資および停電措置戦略にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 提案されたMILP定式化は、異なるテストケースにおいて、火災発火リスクと負荷遮断の両方を顕著に低減する、カスタマイズされた投資および停電措置戦略を的確に生成できた。
• 地中化や植生管理などの線路の強化・保守措置が、最適解において予算の大部分を占めており、停電措置なしでも火災リスク低減に顕著な価値をもたらしていることが示された。
• ソルバーはしばしば最も火災リスクの高い線路を停電させ、その発火可能性を完全に排除する一方で、残りの予算を中程度リスクの線路の強化に割り当て、戦略的な優先順位付けを示した。
• 停電措置と強化措置の併用最適化は、それらを別々に最適化する場合よりも優れたシステム性能を実現しており、相乗効果により総合的なリスクと負荷遮断をより効果的に低減できた。
• 投資意思決定は、テストケース、予算、運用優先順位によって顕著に異なるため、文脈に応じた計画ツールの必要性が強調された。
• 計算フレームワークは有効ではあるが、スケーラビリティに課題があるため、今後の研究としてヒューリスティクスおよび分解技術の開発が促進されるべきである。