Уязвимости энергосетей: как избежать блэкаутов из-за погоды

Экстремальные погодные явления, такие как ураганы, зимние бури и торнадо, в последние годы стали главной причиной масштабных отключений электроэнергии, нанося миллиардные убытки.

Новое исследование проанализировало данные об отключениях электроэнергии и соответствующие погодные записи из нескольких крупных сервисных территорий на восточном побережье США. Было установлено, что чрезмерные погодные нагрузки и уязвимости в планировании на конкретных узлах энергосистемы являются ключевыми факторами продолжительных локальных сбоев, которые затем распространяются на всю систему. Авторы исследования предлагают способы сокращения отключений для потребителей.

В исследовании, опубликованном в журнале INFORMS Journal on Data Science, приняли участие ученые из Университета Карнеги-Меллона, Moonshot for Electric Grid, Технологического института Джорджии, Аргоннской национальной лаборатории, Университета Мэриленда и Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.

«Устойчивость – способность выдерживать крупномасштабные сбои, адаптироваться к ним и восстанавливаться после них – стала приоритетом для энергетического сектора», – объясняет отставной профессор аналитики данных Колледжа Хейнца Университета Карнеги-Меллона Шисян (Вуди) Чжу, руководивший исследованием. «Однако системное понимание устойчивости энергосистемы остается ограниченным, несмотря на важность точной оценки этой способности».

После значительных потерь, вызванных экстремальными погодными условиями в начале 2000-х годов, регулирующие органы США на различных уровнях поручили отрасли исследовать устойчивость энергосистемы и принять меры против неблагоприятных погодных явлений. Но по ряду причин выявление ключевых факторов, способствующих масштабным отключениям, долгое время оставалось очень сложной проблемой.

В данном исследовании ученые использовали пространственно-временную модель и применили подход, основанный на данных, для анализа данных об отключениях электроэнергии на уровне клиентов с интервалом в четверть часа и соответствующих погодных записей в Джорджии, Массачусетсе, Северной Каролине и Южной Каролине.

Они определили устойчивость энергосистемы как инфраструктурное сопротивление экстремальным погодным условиям и операционную восстанавливаемость после такого ущерба. Их модель учитывает три важных фактора инфраструктурного сопротивления, тесно связанных с крупномасштабными отключениями электроэнергии: уязвимость планирования, достаточность обслуживания и критичность.

Модель исследователей предполагает, что локальные отключения электроэнергии, непосредственно вызванные экстремальными погодными условиями, являлись нелинейным откликом на накопление погодных эффектов и приводили к последующим крупномасштабным и долгосрочным блэкаутам путем распространения сбоев через критически важные узлы энергосетей. Симуляции показали, что целенаправленные вмешательства, такие как изоляция критически важных узлов и защита уязвимых узлов от переходных неисправностей, могли сократить количество отключений для потребителей на 45,5% и 49,5% соответственно. Среди дополнительных выводов исследования:

• Уровень отключений в городских или экономически развитых районах, как правило, был ниже из-за меньшего количества растительности, большего числа подземных или стальных опор для линий электропередач и наличия адекватных ресурсов для ремонта. Таким образом, электроэнергетические инфраструктуры в этих районах менее уязвимы к экстремальным погодным условиям и более восстанавливаемы в случае повреждения инфраструктуры.
• Напротив, сельские районы, особенно с гористым, лесным, речным или пустынным ландшафтом, были труднодоступны, а поиск неисправностей затруднен, что неизбежно задерживало восстановление после отключений. Кроме того, в этих экономически слабых районах, как правило, не хватало ресурсов для обслуживания или модернизации их электроэнергетических инфраструктур, которые становились все более уязвимыми к экстремальным погодным условиям, что приводило к относительно высокому уровню отключений.
• Направление (от источника к цели) распространения отключения обычно следовало направлению потока электроэнергии: район с большой генерирующей мощностью или плотной сетью передающих линий (например, подстанции), вероятно, являлся центром распространения отключений. Таким районом, скорее всего, являлся город среднего размера, который мог быть развит для размещения нескольких объектов передачи или генерации, но не являлся крупным центром потребления, который доминировал бы в привлечении потоков электроэнергии.

«Наше исследование предполагает, что существуют меры по планированию и эксплуатации, которые могут предотвратить и смягчить отключения электроэнергии, вызванные погодой», – говорит Фэн Цю из Аргоннской национальной лаборатории, один из соавторов исследования. «Среди них – снижение взаимозависимости энергосистем путем повышения их эксплуатационной гибкости и использование разнообразных источников с распределенным расположением и универсальными схемами работы».

Авторы отмечают, что такие выводы могут помочь лицам, принимающим решения, в разработке стратегий для повышения устойчивости энергосистем и снижения вероятности будущих сбоев.