[论文解读] 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 13

一句话总结

该论文提出了一种混合整数线性规划（MILP）公式，联合优化输电基础设施投资（如大型电池、太阳能光伏和线路加固）与公共安全停电（PSPS）事件期间的线路停电决策，以最小化野火点火风险和负荷切减。该方法可实现定制化、预算敏感的投资策略，降低野火易发地区的系统整体风险和停电严重程度。

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.

研究动机与目标

• 应对电力基础设施引发野火的日益增长的威胁，特别是在受气候变化影响的地区（如美国西部）
• 减轻公共安全停电（PSPS）事件的负面影响，尽管这些措施可降低野火风险，但会导致显著的负荷切减
• 开发一种系统化方法，以确定最优的基础设施投资位置、类型和规模（包括电池、太阳能光伏和线路加固），同时确定应停电的线路
• 在预算和运行约束下，平衡最小化野火点火风险与最小化负荷切减之间的权衡
• 为电力公司和规划人员提供决策支持工具，以设计在极端野火条件下更安全、更可靠的输电系统

提出的方法

• 构建一个多时段混合整数线性规划（MILP）模型，模拟2021年野火季节期间多个时间周期内的电力系统运行
• 将线路停电决策作为二元变量引入，以表示PSPS行动，并直接将其与野火风险降低关联
• 将大型电池、太阳能光伏（PV）系统以及线路加固（如地下化、植被管理）等基础设施投资决策，作为连续变量和二元变量纳入模型
• 利用美国地质调查局提供的实际野火风险数据，以及地理定位的测试系统（如240节点WECC系统），对风险和太阳能发电的空间与时间变化进行建模
• 优化两个目标：最小化总野火点火风险和最小化总负荷切减，通过加权求和方法调节两者之间的权衡
• 使用商业求解器求解MILP公式，并在不同预算和操作优先级下，对真实世界测试案例的计算性能进行评估

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化电池、太阳能光伏和线路加固等基础设施投资与线路停电决策，以在PSPS事件期间降低野火点火风险？
• RQ2 在预算约束下，不同基础设施类型（如电池与太阳能光伏与线路加固）对降低负荷切减和野火风险的相对贡献如何？
• RQ3 投资决策在不同地理区域和野火风险特征下如何变化？其差异背后的驱动因素是什么？
• RQ4 与单独优化相比，联合考虑停电与加固措施在多大程度上能提升系统性能？
• RQ5 不同预算水平和操作优先级（如风险最小化与负荷切减最小化）如何影响最优投资与停电策略？

主要发现

• 所提出的MILP公式成功生成了针对不同测试案例的定制化投资与停电策略，显著降低了野火点火风险和负荷切减
• 线路加固与维护措施（如地下化和植被管理）在最优解中占用了相当大比例的预算，表明其在不实施停电的情况下具有很高的风险降低价值
• 求解器通常优先对最高风险线路实施停电，以完全消除其点火可能性，同时将剩余预算用于加固中等风险线路，体现了战略性的优先排序
• 联合优化停电与加固措施可带来优于单独优化的系统性能，因为两者之间的协同作用能更有效地降低整体风险与负荷切减
• 投资决策在不同测试案例、预算水平和操作优先级下存在显著差异，凸显了对情境特定规划工具的需求
• 计算框架有效但难以扩展，促使未来研究探索启发式算法与分解技术，以提升大规模系统下的可计算性