Fejl i elnet:Dynamisk inducerede kaskader

En pålidelig funktion af tekniske infrastrukturnetværk er afgørende for vores moderne, højteknologiske samfund. Kaskadende fejl, dvs. kædereaktioner af fejl i forskellige infrastrukturer, er årsagen til mange fejl i hele netværk, f.eks. store dele af de europæiske elnet. Selvom kaskadefejl normalt er påvirket af netværksdækkende ikke-lineær dynamik mellem de individuelle fejl, deres modellering har hidtil primært koncentreret sig om analyse af sekvenser af fejlhændelser i individuelle infrastrukturer - dog der er ikke taget højde for dynamikken mellem disse begivenheder.

I en artikel nu udgivet af Naturkommunikation , præsenteres et analyseskema, som tager højde for kædereaktionens begivenhedsbaserede karakter samt de specifikke netværksdynamiske påvirkninger.

Det internationale hold af forskere fra Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) ved TU Dresden og Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation i Göttingen (Prof. Marc Timme, Dr. Benjamin Schäfer), Forschungszentrum Jülich (jun.-Prof. Dr. Dirk Witthaut) og Queen Mary University of London (Prof. Vito Latora) var i stand til at finde ud af, at nogle overgangsprocesser mellem forskellige tilstande i elnettet finder sted på en tidsskala fra et par sekunder. "Disse kan spille en afgørende rolle i udviklingen af ​​kollektive reaktioner, hvilket i sidste ende kan føre til en 'blackout'. I vores undersøgelse foreslår vi en forudsigelsesmetode til at identificere potentielt truede linjer og netværkskomponenter allerede på planlægningsstadiet og, hvis passende, også under driften af ​​elnet. Sådanne dynamiske effekter kunne integreres i netoperatørers risikovurderinger og systemplanlægning. Samlet set, vores resultater understreger vigtigheden af ​​dynamisk inducerede fejl for tilpasningsprocesserne af de nationale elnet i forskellige europæiske lande, " siger prof. Marc Timme fra Strategic Chair of Network Dynamics på TU Dresden.

Større strømafbrydelser, som ofte påvirker millioner af mennesker, er forårsaget af komplekse og ofte ikke-lokale interaktioner mellem mange komponenter. I Europa, for eksempel, den planlagte lukning af en linje i 2006 førte til svigt af store dele af det europæiske net og berørte op til 120 millioner mennesker. Sådanne ugunstige kædereaktioner kan allerede opbygges ved at slukke for en enkelt linje i netværket. I et fremskredent stadium, en hurtig dynamik udvikler sig, der er baseret, i særdeleshed, på de automatiske slukanordninger, som faktisk skal sikre netværkets sikkerhed. Denne hurtige dynamik var i fokus for holdet af videnskabsmænds forskning. Professor Dirk Witthaut fra Forschungszentrum Jülich forklarer årsagerne:"I de seneste år, tendensen i elsektoren er fortsat i retning af stærke netværk, landene er meget tæt integreret i det europæiske net. Da sådanne fejl overalt i dette netværk kan påvirke os til enhver tid, vi skal forstå årsagerne. Det er derfor, vi var optaget af disse spørgsmål:Kan vi forstå, hvordan disse hurtige processer fungerer? Kan vi forudsige, hvilke linjer der kan forårsage en storstilet strømafbrydelse?"

"Den grundlæggende idé bag strømnettets sikkerhedsarkitektur er denne:Hvis en del af nettet svigter, så skulle elnettet fortsætte med at fungere. Netværket får derefter en ny stabil tilstand for at kompensere for defekten. Spørgsmålet om, hvordan denne tilstand ser ud, når netværket har tid nok til at finde det, er allerede blevet undersøgt mange gange. For den relativt korte tidsskala af fejlkaskaderne i elnet, imidlertid, vores nuværende undersøgelse er nærmest banebrydende, " siger Vito Latora, Professor i anvendt matematik og leder af Complex Systems and Networks Group ved Queen Mary University of London.

Forskerne undersøgte fejlkaskaderne ved hjælp af en kombination af computersimuleringer og matematiske analyser af simple netværksmodeller. Den statiske tilgang blev sammenlignet med den nye dynamiske tilgang ved hjælp af et simuleret netværk, hvor specifikke forbindelser afbrydes. Ofte viser den bredere dynamiske visning, at netværket kan blive fuldstændig ustabilt, selvom den statiske tilgang stadig forudsiger stabilitet. Samlet set, flere potentielle fejl detekteres, og det potentielle omfang af en fejl forudsiges mere præcist. For at sammenligne de processer, der findes på modellen med virkeligheden, kraftledningsnetværk med reelle forbindelsesstrukturer blev undersøgt, specifikt det spanske, Britisk og fransk topologi. Den nye analysemetode blev med succes anvendt på komplekse og mere realistiske netværk.

Ud over, statistiske undersøgelser af fejl blev udført ved hjælp af den dynamiske tilgang. Hvor mange linjer fejler, hvis en tilfældig linje er påvirket? "I mange tilfælde er virkningerne små, dvs. næsten ingen andre linjer fejler. På samme tid, der er et par kritiske linjer, der fører til store fejl. Under hensyntagen til mulige angreb (fysiske eller virtuelle, f.eks. af hackere) er det ekstremt vigtigt at identificere og afhjælpe sådanne kritiske linjer. Derfor, ved at bruge den dynamiske tilgang, vi har udviklet et værktøj, der forudsiger, hvilke linjer der er kritiske, " beskriver Dr. Benjamin Schäfer fra cfaed ved TU Dresden.

Endelig, indledende undersøgelser af udbredelsen af ​​kaskader i netværket blev udført. "I stedet for rent geografiske afstande mellem forskellige lokationer, vi betragter den såkaldte 'effektive afstand', ' som tager højde for, hvor stærkt forskellige dele af elnettet kan påvirke hinanden. Imidlertid, for at få en bedre forståelse, yderligere forskning er nødvendig for at undersøge muligheden for at stoppe sådanne kaskader, " forklarer Schäfer.