[论文解读] Mitigating Cascading Failures in Interdependent Power Grids and Communication Networks

Marzieh Parandehgheibi, Eytan Modiano+1 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2014

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis参考文献 11被引用 7

一句话总结

该论文提出一种两阶段控制策略，通过首先识别不可避免的因断连导致的故障，然后重新分配功率以防止过载，从而减轻互联系统中电力网络与通信网络的级联故障。该方法通过求解整数线性规划，在仿真中实现了接近最优的产出，表现出在不同相互依赖性和负载条件下的鲁棒性。

ABSTRACT

In this paper, we study the interdependency between the power grid and the communication network used to control the grid. A communication node depends on the power grid in order to receive power for operation, and a power node depends on the communication network in order to receive control signals for safe operation. We demonstrate that these dependencies can lead to cascading failures, and it is essential to consider the power flow equations for studying the behavior of such interdependent networks. We propose a two-phase control policy to mitigate the cascade of failures. In the first phase, our control policy finds the non-avoidable failures that occur due to physical disconnection. In the second phase, our algorithm redistributes the power so that all the connected communication nodes have enough power for operation and no power lines overload. We perform a sensitivity analysis to evaluate the performance of our control policy, and show that our control policy achieves close to optimal yield for many scenarios. This analysis can help design robust interdependent grids and associated control policies.

研究动机与目标

• 解决由于相互依赖性导致的互联系统中电力网络与通信网络对级联故障的脆弱性。
• 认识到传统网络流模型无法捕捉功率流动动力学，因此需要整合功率流动方程。
• 开发一种控制策略，在初始故障后最小化负荷切除，同时确保无输电线路过载。
• 评估控制策略在不同相互依赖结构和负载需求下的鲁棒性。

提出的方法

• 第一阶段利用基于连通性的模型识别由与发电站和控制中心物理断连引起的不可避免故障。
• 第二阶段建立整数线性规划（ILP），用于重新分配功率，确保所有连接的通信节点均获得足够电力，且无输电线路过载。
• ILP的目标是最小化总负荷切除，同时遵守功率流动方程和网络约束。
• 通过敏感性分析测试控制策略，参数包括负荷因子、通信网络规模和相互依赖程度。
• 可行性由ILP是否产生非零解决定；性能在可行网络上取平均值。
• 模型整合了真实的电力网络动力学（例如，单位电抗、随机功率注入）与Erdos-Renyi网络拓扑。

实验结果

研究问题

• RQ1 电力网络与通信网络之间的相互依赖性如何相较于孤立网络放大级联故障风险？
• RQ2 受基尔霍夫定律支配的功率流动动力学与抽象网络流模型相比，如何改变故障传播特性？
• RQ3 通过区分断连引起的故障与过载引起的故障，两阶段控制策略能否有效缓解级联故障？
• RQ4 负荷因子、网络规模和相互依赖程度的变化如何影响控制策略的可行性与产出？
• RQ5 在现实故障场景下，所提出的控制策略在多大程度上能接近理论上的系统产出上限？

主要发现

• 互联系统表现出显著高于孤立网络的脆弱性，在真实电力网络模型中，任何初始故障后均无大规模连通组件存活。
• 所提出的两阶段控制策略在大多数场景下实现了接近理论上限的产出，表现出近乎最优性。
• 提高负荷因子（通信网络所需功率）会降低系统产出，因为需要分配更多功率以维持通信节点运行。
• 在低负荷因子下，较大的通信网络表现更优，但随着负荷因子增加，产出下降更急剧，因此在高负荷场景下更有利于小型网络。
• 更高的通信相互依赖程度（每个通信节点由更多电源节点支持）可提升产出并稳定不同网络规模下的性能。
• 电力相互依赖程度（每个电源节点由更多通信节点支持）对产出有较小但积极的影响，主要通过减少断连相关故障实现。