[论文解读] Controlled Tripping of Overheated Lines Mitigates Power Outages

René Pfitzner, Konstantin Turitsyn+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2011

Power System Optimization and StabilityEngineering参考文献 20被引用 21

一句话总结

本文提出在快速级联失压事故期间，对过载输电线路实施受控有意三极跳闸，以最小化停电损害。基于波兰电网的直流潮流模型，研究表明，通过战略性地选择跳闸线路——尤其是优先跳闸过载程度最低的线路——可显著减少最终停电范围，优于随机或贪心跳闸策略。

ABSTRACT

We study the evolution of fast blackout cascades in the model of the Polish (transmission) power grid (2700 nodes and 3504 transmission lines). The cascade is initiated by a sufficiently severe initial contingency tripping. It propagates via sequential trippings of many more overheated lines, islanding loads and generators and eventually arriving at a fixed point with the surviving part of the system being power-flow-balanced and the rest of the system being outaged. Utilizing an improved form of the quasi-static model for cascade propagation introduced in our earlier study (Statistical Classification of Cascading Failures in Power Grids, IEEE PES GM 2011), we analyze how the severity of the cascade depends on the order of tripping overheated lines. Our main observation is that the order of tripping has a tremendous effect on the size of the resulting outage. Finding the "best" tripping, defined as causing the least damage, constitutes a difficult dynamical optimization problem, whose solution is most likely computationally infeasible. Instead, here we study performance of a number of natural heuristics, resolving the next switching decision based on the current state of the grid. Overall, we conclude that controlled intentional tripping is advantageous in the situation of a fast developing extreme emergency, as it provides significant mitigation of the resulting damage.

研究动机与目标

• 研究受控跳闸过载线路是否可减轻电力系统中快速级联失压的严重程度。
• 评估不同跳闸顺序启发式策略对真实电力系统模型中最终停电范围的影响。
• 确定有意跳闸是否可优于自然跳闸序列，以最小化负荷切减与系统孤岛化。
• 评估在紧急状态下实施基于实时状态的跳闸启发式策略的可行性与性能。
• 探讨在实时环境中实施此类控制策略所面临的计算与通信挑战。

提出的方法

• 使用准静态直流潮流近似方法模拟波兰输电网络（2700个母线，3504条线路）中的级联故障。
• 通过跳闸一条或两条线路启动级联故障，随后根据预设启发式策略依次跳闸过载线路。
• 对发电功率重新分配应用标准下垂控制，并在孤岛形成且发电容量不足时强制执行负荷切减。
• 采用无记忆、基于状态的方法，根据当前电网状态选择下一条跳闸线路，不进行前瞻预测。
• 评估四种启发式策略：随机均匀选择、贪心绝对过载、贪心相对过载，以及基于分层图结构的选择。
• 采用类似SCADA的通信协议，以支持实时状态估计与跳闸指令传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 跳闸过载线路的顺序如何影响级联故障中最终停电范围的大小？
• RQ2 与自然跳闸或随机选择相比，受控跳闸过载线路是否可减少最终停电范围？
• RQ3 基于绝对过载或相对过载，或基于分层电网结构的哪种启发式跳闸策略在最小化损害方面表现最佳？
• RQ4 在级联事件期间，快速可靠的通信在实现有效实时跳闸决策中起到何种作用？
• RQ5 是否存在计算上可行的替代方法，以避免求解完整的动力学优化问题来获得最优跳闸序列？

主要发现

• 与自然或随机跳闸序列相比，受控跳闸过载线路可显著减少最终停电范围。
• 优先选择过载程度最低线路的启发式策略（A1）在大多数测试案例中始终优于其他策略。
• 随机均匀跳闸在一种情景下有22%的样本实现近零损害，但最坏情况下的后果严重（负荷切减达60%），凸显其高方差。
• 基于相对过载的启发式策略（A3）在基础案例中表现与A1相似，但在忽略负荷切减时效果较差。
• 贪心策略（A2和A4）优先跳闸过载最严重的线路，表现劣于A1和A3，尤其在复杂网络拓扑中更为明显。
• 波兰电网的分层结构在大多数情况下是合理的近似，支持采用局部、基于状态的启发式策略。