[论文解读] Resilience Analysis and Cascading FailureModeling of Power Systems under Extreme Temperatures

Seyyed Rashid Khazeiynasab, Junjian Qi|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2020

HVDC Systems and Fault Protection参考文献 46被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于交流潮流的级联故障模型，明确纳入了极端温度扰动的影响，对温度变化对负荷需求、动态线路载流量以及输电线路和发电机的关联停运的影响进行了建模。主要贡献在于表明，温度引起的关联性显著增加了级联故障和电压失稳的风险，识别出温度变化和受影响区域大小的关键阈值，同时表明负荷切减和重新调度等控制策略能有效降低风险。

ABSTRACT

In this paper, we propose an AC power flow based cascading failure model that explicitly considers external weather conditions, extreme temperatures in particular, and evaluates the impact of extreme temperature on the initiation and propagation of cascading blackouts. Specifically, load and dynamic line rating changes are modeled due to temperature disturbance, the probabilities for transmission line and generator outages are evaluated, and the timing for each type of events is carefully calculated to decide the actual event sequence. It should be emphasized that the correlated events, in the advent of external temperature changes, could together contribute to voltage instability. Besides, we model undervoltage load shedding and operator re-dispatch as control strategies for preventing the propagation of cascading failures. The effectiveness of the proposed model is verified by simulation results on the RTS-96 3-area system and it is found that temperature disturbances can lead to correlated load change and line/generator tripping, which together will greatly increase the risk of cascading and voltage instability. Critical temperature change, critical area with temperature disturbance, identification of most vulnerable buses, and comparison of different control strategies are also carefully investigated.

研究动机与目标

• 开发一种明确考虑极端温度扰动及其对系统元件影响的级联故障模型。
• 分析温度引起的负荷变化与动态线路载流量变化如何与输电线路和发电机停运相关联。
• 研究在热应力条件下电压失稳在级联故障传播中的作用。
• 评估诸如低压切负荷和调度员重新调度等控制策略在缓解级联风险方面的有效性。
• 识别出关键的温度变化、易受干扰区域以及系统中最为脆弱的母线。

提出的方法

• 模型采用交流潮流来模拟极端温度条件下的系统行为。
• 基于环境温度变化，对温度相关的负荷增长和动态线路载流量（DLR）变化进行建模。
• 根据热稳定性和电压稳定性的阈值，计算输电线路和发电机停运的概率。
• 通过时间戳事件解析模拟线路停运、发电机跳闸和电压崩溃的时序序列，确定事件发生时间。
• 将低压切负荷和调度员重新调度等控制策略与动态线路载流量结合，评估其对故障传播的影响。
• 在RTS-96三区域系统上通过10,000次蒙特卡洛模拟对模型进行验证，涵盖多种温度和区域扰动情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 极端温度扰动如何引发并传播电力系统中的级联故障？
• RQ2 温度引起的负荷增长、动态线路载流量变化与元件停运之间存在何种相关性？
• RQ3 哪些关键的温度变化和受影响区域大小会显著增加级联故障风险？
• RQ4 在停运频率和切负荷方面，哪些母线对温度扰动最为脆弱？
• RQ5 在热应力条件下，诸如切负荷和调度员重新调度等控制策略在防止级联故障方面的有效性如何？

主要发现

• 发现11°C的临界温度升高会显著提升级联故障风险，尤其在大范围受影响区域下更为明显。
• 触发停运数量显著增加的临界区域大小为γ = 0.07，对应系统总区域的约7%。
• 母线208、308、305、210、209、306、309和310被识别为最脆弱母线，其在温度扰动下表现出更高的停运频率和切负荷量。
• 基于动态线路载流量的调度员重新调度，比使用初始载流量的重新调度更能有效减少线路和发电机的停运数量。
• 在重新调度策略中引入动态线路载流量，相比静态载流量，能显著降低级联故障风险。
• 相关事件（如负荷同步增长、线路跳闸和电压崩溃）被证明是极端温度下级联故障的关键驱动因素。