[论文解读] The Risk of Cascading Failures in Electrical Grids Triggered by Extreme Weather Events

Julian M. Stürmer, Anton Plietzsch+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

Tropical and Extratropical Cyclones Research被引用 4

一句话总结

本研究利用概率性风致损毁模型与直流潮流模拟，对德克萨斯州电网在飓风影响下引发的级联故障进行建模，结果表明极端天气可能在最坏情景下引发影响初始供电量超过80%的停电事故，且即使在远距离电网区域也会出现显著的过载传播。

ABSTRACT

One of the serious threats related to climate change is an increase in the number and severity of extreme weather events. A prominent example are hurricanes, which result from rising coastal temperatures. Such extreme weather events can cause extensive damages in infrastructure systems and, potentially, destroy components in electricity transmission networks, which in turn can lead to major blackouts. In our recent work, we study the risk of hurricane-induced cascading failures in power systems of the U.S. East Coast using historical wind field data sets. For this purpose, we model the destruction of overhead transmission lines during hurricanes, where each failing line causes a rerouting of power flow in the system. New power flows can overload additional lines, which are then automatically deactivated and thereby cause another rerouting of power flow and so on. Ultimately, a cascade of failures can unfold that can black out large parts of the power system.

研究动机与目标

• 评估极端天气（尤其是飓风）对美国电网引发级联故障的风险。
• 建立架空输电线路在风力作用下的损毁模型，并分析其对潮流重新分布的影响。
• 采用准静态潮流模型模拟级联故障序列，并评估停电严重程度。
• 对比最坏情景与最可能情景的模拟结果，识别关键故障模式。
• 评估在级联事件中使用带有有功功率平衡控制的直流潮流模型的可行性与局限性。

提出的方法

• 利用CLIMADA Python实现与IBTrACS档案中的历史风场数据，模拟飓风伊ker的路径与强度。
• 应用概率性故障模型，基于风速阈值估算架空输电线路的风致停电。
• 采用直流潮流近似方法，计算每次线路故障后的潮流分布，以高效模拟级联效应。
• 实施控制环路，在线路故障后恢复有功功率平衡，模拟一次调频控制，防止不可行解的出现。
• 通过蒙特卡洛模拟（10^4次运行）并设置缩放因子γ=0.005，生成多样化的故障序列与结果。
• 利用ACTIVSg2000数据集提供的地理电网拓扑，可视化并对比不同情景下的故障演化过程，包括最坏情景与典型结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 当飓风风力触发时，德克萨斯州电网中级联故障的发生概率与影响范围如何？
• RQ2 风致线路故障如何在电网中传播并导致大范围停电？
• RQ3 在停电规模方面，最坏情景与典型结果之间的差异因素有哪些？
• RQ4 在级联事件中使用带有有功功率控制的直流潮流模型，对级联故障模拟有何影响？
• RQ5 一个区域（如东部德克萨斯）的故障在多大程度上会引发远距离区域（如西部德克萨斯）的过载与停电？

主要发现

• 在模拟飓风伊ker的最坏情景下，约81%的初始有功功率供应因级联故障而损失。
• 在最可能情景下，约33%的初始供电量损失，表明模拟结果间存在显著差异。
• 尽管飓风伊ker主要影响德克萨斯州东部，但过载仍传播至西部电网区域，导致初始损毁区域以外的大范围停电。
• 带有有功功率平衡控制的直流潮流模型在级联事件中成功维持了模拟的可行性，实现了可靠的结果评估。
• 本研究表明，交流与直流潮流模型在初始潮流分布上存在差异，提示未来研究可能需要采用交流模型以提高精度。
• 结果凸显了电力系统对极端天气间接影响的脆弱性，即局部损毁可能通过过载传播引发大规模停电。