[论文解读] Analyzing and Mitigating the Impacts of GMD and EMP Events on the Electrical Grid with PowerModelsGMD.jl

Ádám Máté, Arthur K. Barnes+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2021

Lightning and Electromagnetic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文介绍了 PowerModelsGMD.jl，这是一个基于 Julia 的开源框架，用于建模和缓解地磁暴（GMD）与电磁脉冲（EMP）事件引起的输电系统中的地磁感应电流（GIC）。该框架支持考虑变压器热约束的时间扩展最优潮流，通过线路开断实现有效缓解，确保在6小时模拟事件期间变压器热点温度低于280°C。

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.

研究动机与目标

• 应对地磁扰动（GMD）和高空电磁脉冲（HEMP）事件对超高压输电系统日益增长的威胁。
• 开发一种灵活、可扩展且开源的工具，用于模拟 GIC 及其对电力系统元件（尤其是变压器）的影响。
• 实现面向 GIC 缓解的时间扩展最优潮流，重点关注变压器热力加热与运行决策。
• 在真实测试系统上验证该框架，并展示其在实时与规划场景中的可扩展性与有效性。

提出的方法

• 扩展 Julia 中的 PowerModels.jl 框架，以建模在 GIC 注入条件下的准直流线路潮流与交流潮流。
• 提出一种时间扩展公式，以捕捉 GIC 的动态演化过程及对变压器累积热应力的影响。
• 使用 JuMP 进行数学优化，求解考虑 GIC 约束的最优输电线路开断（OTS）问题。
• 基于空间电场与地层电阻率，通过在变压器星形接线母线处等效注入中性点电流来建模 GIC 注入。
• 采用热老化模型估算由 GIC 引起的损耗导致的变压器热点温度升高。
• 使用非线性求解器（Gurobi）求解包含热极限与线路开断决策的时间扩展最优潮流问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在随时间变化的地磁与 EMP 电场条件下，准确建模输电系统中的 GIC？
• RQ2 开源框架能否有效模拟长时间尺度下 GIC 对大型电力变压器引起的热应力？
• RQ3 何种线路开断策略可最小化 GMD/HEMP 事件期间变压器热点温度的升高？
• RQ4 所提出的框架在实时与规划应用中的可扩展性与计算效率如何？
• RQ5 该框架能否支持高级缓解策略，如最优 GIC 阻断器布置或谐波潮流分析？

主要发现

• PMsGMD 框架成功模拟了在 6 小时随时间变化电场作用下的 GIC 流动与变压器热响应，电场强度从 0 逐渐增至 3.2 V/km，持续 3 小时后回落至零。
• 基于优化的缓解策略通过断开特定线路（包括最长的东-西线路 4-6-1 和 4-5 通道中的一条线路）显著减少了关键变压器中的 GIC 流量。
• 在整个模拟过程中，变压器 12-13-1 的热点温度始终低于 280°C 的瞬时热极限，验证了缓解策略的有效性。
• 缓解策略的计算仅耗时 21 秒（在标准台式计算机上），证明其适用于近实时运行场景。
• 该框架具有良好的可扩展性，支持未来扩展，如谐波潮流分析、基于场景的优化以及最优 GIC 阻断器布置。
• 在 11 节点系统上的验证确认了实现的正确性以及在动态 GIC 条件下热建模的准确性。