[논문 리뷰] The Risk of Cascading Failures in Electrical Grids Triggered by Extreme Weather Events

Julian M. Stürmer, Anton Plietzsch외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 01.

Tropical and Extratropical Cyclones Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 확률적 풍속 손상 모델과 DC 전력 흐름 시뮬레이션을 사용하여 텍사스 전력망에서 hurrican에 의한 연쇄 고장 현상을 모델링한다. 그 결과, 극한 기상 조건은 최악의 시나리오에서 초래하는 블랙아웃으로 인해 최대 80퍼센트 이상의 초기 전력 공급이 영향을 받을 수 있으며, 심지어 먼 전력망 지역까지도 과부하 전파가 발생할 수 있음을 밝혀냈다.

ABSTRACT

One of the serious threats related to climate change is an increase in the number and severity of extreme weather events. A prominent example are hurricanes, which result from rising coastal temperatures. Such extreme weather events can cause extensive damages in infrastructure systems and, potentially, destroy components in electricity transmission networks, which in turn can lead to major blackouts. In our recent work, we study the risk of hurricane-induced cascading failures in power systems of the U.S. East Coast using historical wind field data sets. For this purpose, we model the destruction of overhead transmission lines during hurricanes, where each failing line causes a rerouting of power flow in the system. New power flows can overload additional lines, which are then automatically deactivated and thereby cause another rerouting of power flow and so on. Ultimately, a cascade of failures can unfold that can black out large parts of the power system.

연구 동기 및 목표

• 극한 기상 조건, 특히 허리케인에 의해 유발되는 미국 전력망의 연쇄 고장 위험을 평가하는 것.
• 직류 송전선에 의한 풍속 유도 손상과 그 전력 흐름 재분배에 미치는 영향을 모델링하는 것.
• 준정적 전력 흐름 모델을 사용하여 연쇄 고장 시퀀스를 시뮬레이션하고 블랙아웃 심각도를 평가하는 것.
• 최악의 시나리오와 가장 가능성 있는 시나리오 간의 결과를 비교하여 핵심 고장 패턴을 규명하는 것.
• 연쇄 고장 발생 시 활성 전력 균형 제어 기능을 갖춘 DC 전력 흐름 모델의 적용 가능성과 한계를 평가하는 것.

제안 방법

• 허리케인 아이크의 경로와 강도를 시뮬레이션하기 위해 CLIMADA Python 구현과 IBTrACS 아카이브에서 확보한 역사적 풍속 필드 데이터를 사용한다.
• 풍속 임계치 기반으로 풍속에 의한 직류 송전선의 고장 확률 모델을 적용하여 고장 발생 가능성을 추정한다.
• 각 송전선 고장 이후의 전력 흐름을 계산하기 위해 DC 전력 흐름 근사치를 활용하여 연쇄 고장 영향을 효율적으로 시뮬레이션한다.
• 송전선 고장 이후 활성 전력 균형을 복구하기 위한 제어 루프를 구현하여, 초기 주파수 제어를 모방함으로써 비가능한 해를 방지한다.
• 다양한 고장 시퀀스와 결과를 생성하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션(10^4회 시행)을 수행하고 스케일링 요소 γ=0.005를 적용한다.
• ACTIVSg2000 데이터셋에서 확보한 지리적 전력망 구조를 기반으로 최악의 시나리오와 일반적인 결과를 비교하여 고장 진행 상황을 시각화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허리케인 풍속에 의해 유도된 텍사스 전력망에서의 연쇄 고장 발생 가능성과 범위는 어떠한가?
• RQ2 풍속에 의한 송전선 고장이 전력망을 통해 어떻게 전파되어 광범위한 정전을 유발하는가?
• RQ3 정전 규모 측면에서 최악의 시나리오와 일반적인 결과 간의 주요 요인은 무엇인가?
• RQ4 활성 전력 균형 제어 기능을 갖춘 DC 전력 흐름 모델을 사용할 경우 연쇄 고장 시뮬레이션에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 동부 텍사스 지역의 고장이 먼 지역(예: 서부 텍사스)의 과부하 및 정전을 얼마나 심각하게 유발하는가?

주요 결과

• 허리케인 아이크에 대한 최악의 시나리오에서 약 81퍼센트의 초깃값 전력 공급량이 연쇄 고장으로 인해 상실되었다.
• 가장 가능성 있는 시나리오에서는 약 33퍼센트의 초깃값 전력 공급량이 손실되었으며, 이는 다양한 시뮬레이션 간 결과의 상당한 변동성을 시사한다.
• 허리케인 아이크가 주로 동부 텍사스 지역에 영향을 주었음에도 불구하고, 과부하가 서부 지역으로 전파되어 초깃손상 지역을 넘어서 광범위한 정전을 유발했다.
• 활성 전력 균형 제어 기능을 갖춘 DC 전력 흐름 모델은 연쇄 고장 발생 시 시뮬레이션의 타당성을 유지하여 신뢰할 수 있는 결과 평가를 가능하게 했다.
• 본 연구는 AC 및 DC 전력 흐름 모델 간의 初기 전력 흐름 분포에 차이가 있음을 입증하였으며,未래 연구에서 더 높은 정확도를 확보하기 위해 AC 모델링이 필요할 수 있음을 시사한다.
• 결과는 극한 기상 조건의 간접적 영향으로 인해 국소적 손상이 과부하 전파를 통해 대규모 정전을 유발할 수 있음을 강조하며 전력망의 취약성을 드러냈다.