Analysis of extraordinary events in power systems

Samfunnet er i aukande grad avhengig av sikker og stabil straumforsyning for å oppretthalde kritiske funksjonar og dekke grunnleggande behov. Kor essensiell ei rolle elektrisitet har er kanskje mest openbart når det ein sjeldan gong inntreff omfattande og langvarige straumbrot ("blackouts"). Sannsynet for at slike straumbrot inntreff kan vere veldig lite, men dersom dei inntreff er dei samfunnsmessige konsekvensane veldig store. Slike ekstraordinære hendingar blir derfor også kalla HILP-hendingar ("High-Impact Low-Probability events"). Prosjektet har utvikla metodar og verktøy for å analysere risiko og sårbarheit knytt til HILP-hendingar i kraftsystemet. Desse har blitt utvikla i samarbeid med systemoperatørar (TSO-ar). Prosjektet har blitt leia av SINTEF Energi, og dei andre prosjektdeltakarane var Statnett, Fingrid (den finske TSO-en), NVE og NTNU. Dei nye metodane og verktøya kan mellom anna hjelpe til å gjere oss merksame på sårbarheiter i kraftsystemet, identifisere barrierar mot HILP-hendingar, og gjere TSO-ane betre i stand til å balansere forsyningssikkerheit og samfunnsøkonomiske kostnadar i drifta og planlegginga av kraftsystemet. For TSO-ane og for samfunnet som heilskap er HILP-hendingar spesielt utfordrande å analysere, identifisere og forstå. Samanlikna med meir "ordinære" hendingar er årsaksforholda meir komplekse, usikkerheitene større, og det er psykologiske meir utfordrande å forholde seg til noko som er ekstremt lite truleg eller som til og med er utenkeleg. Utfordringane blir forsterka av at kraftsystemet blir stadig meir komplekst, og usikkerheitene aukar på grunn av meir variabel fornybar kraftproduksjon, meir ekstremvêr, og sterkare kopling mellom det nordiske kraftsystemet og resten av Europa, mellom andre ting. Ei erkjenning tidleg i prosjektet var at det ikkje finst éin enkelt heilskapleg, kvantitativ analysemetode som kan fange opp alle aspekt og faktorar ved HILP-hendingar. For kvart tilfelle ein analyserer må ein derfor velje ein passande kombinasjon av kvalitative og kvantitative metodar som fangar opp det som er viktigast for det tilfellet. Ei innleiande kvalitativ vurdering er nyttig før ein set i gang med detaljerte kvantitative analysar. Eit kvalitativt rammeverk for å analysere HILP-hendingar vart derfor utvikla. Dette bygde vidare på eit rammeverk for å analyser sårbarheiter i kraftsystemet som har blitt utvikla i tidlegare prosjekt. Rammeverket for sårbarheitsanalyse vart nytta på ein case-studie saman med Fingrid om sårbarheiter knytt til utfall av mellomlandsforbindelsar (HVDC-kablar) i det nordiske kraftsystemet. Utilstrekkeleg systemtråleik ("inertia") vart identifisert som ein viktig faktor som påverkar sårbarheita. Sjølv om det nordiske kraftsystemet ikkje er spesielt sårbart mot slike utfall i dag så er det grunn til å vere merksam på korleis sårbarheita utviklar seg framover. Omfattande straumbrot på grunn av ekstremvêr er ein sentral kategori av HILP-hendingar. Ekstremvêr kan føre til samtidig utfall av fleire kraftsystemkomponentar. Prosjektet har utvikla metodar for å estimere tidsavhengige sannsyn for vind-relaterte feil på transmisjonsliner og modellar for korleis reparasjons- og nedetida til transmisjonslinene avheng av vêrforholda. Deler av denne forskinga er utført som del av ein PhD-studie ved NTNU om metodar for å forstå og kommunisere usikkerheit og risiko relatert til ekstraordinære hendingar. Ein annan kategori av HILP-hendingar er kjenneteikna ved at dei ofte har éi initierande feilhending som blir fylgd av ein kompleks hendingssekvens som involverer barrierar som sviktar og som til slutt fører til kritiske konsekvensar. For å analysere slike HILP-hendingar har prosjektet utvikla eit generelt modelleringsrammeverk og ein kvantitativ sårbarheitsanalysemetodikk. Ein case-studie har vist korleis det er avgjerande å ta omsyn til barrierar som sviktar (f.eks. feil ved korrektiv omregulering av kraftproduksjon) for å kunne identifisere og analysere HILP-hendingar. Det er alltid store usikkerheiter knytt til HILP-hendingar, og desse usikkerheitene er utfordrande å handtere og tolke for dei som utfører analysar og dei som tek avgjerder. Prosjektet har fokusert på avgjerder innan langsiktig utvikling av kraftsystemet og har utvikla ein metodikk for å ta omsyn til usikkerheiter frå HILP-hendingar i samfunnsøkonomiske kost-nytte-analysar. Metodikken kan gje ei meir fullstendig skildring av risiko som tek omsyn til både tilfeldig variasjon og mangel på kunnskap. I ein case-studie i samarbeid med Statnett er metodikken nytta på ei faktisk nettinvesteringsavgjerd. Case-studien viste korleis konklusjonar frå konvensjonelle kost-nytte-analysar ikkje nødvendigvis held når ein tek omsyn til usikkerheiter på ein grundigare måte. Dette er eit eksempel på korleis resultata frå prosjektet kan hjelpe TSO-ar med å balansere forsyningssikkerheit og samfunnsmessige kostnadar på ein best mogleg måte i drifta og planlegginga av kraftsystemet.

The methodologies developed in the project have been implemented and demonstrated in prototype software tools. Implementations in SINTEF Energy Research's OPAL prototype tool have already been applied to reliability of supply assessment in a separate project. The work led by Statnett on modelling wind-related failures of transmission lines has been implemented in their in-house reliability assessment tool (MONSTER). A methodology for accounting for uncertainties due to extraordinary events has been developed in parallel with Statnett's ongoing system development studies. The methodology supplements the analyses currently used to support grid investment decisions, providing more comprehensive descriptions of uncertainties and risk. The project results can thus help transmission system operators to mitigate the risk of extraordinary events and strengthen their ability of to make the trade-off between security of supply and societal costs in planning and operation of the power system.

An adequate level of security of electricity supply is a crucial requirement for the planning and operation of modern power systems. The complexity and uncertainties of the power system are increasing, a trend that will continue with a stronger integration between the Nordic and European power systems, the introduction of more smart devices, new technologies, renewable and distributed energy resources, and more extreme weather. These developments impose risks and vulnerabilities in the power system needing to be dealt with. In particular, extraordinary events are of special interest as they contribute to substantial consequences for the system itself and for its users. The mechanisms behind these events are not well understood today, and there is a need to increase the ability to identify, understand and assess extraordinary events. By building on today's best methods and theories, methods and tools for analysing extraordinary events in power systems will be developed. The main challenges to be addressed are the identification of causes and underlying mechanisms, quantification of the consequences and quantification of the uncertainties. Applicability will be ensured through the use of case studies of the Nordic power transmission system. The project results will provide decision support to make a best possible trade-off between security of supply and costs in planning and operation of the Nordic power system. New competence will be built and the collaboration with transmission system operators and authorities ensures that the developed methodologies will increase awareness and understanding as well as aid for deciding on remedial actions and preparedness plans for the present and future power systems. Improved understanding of the risks associated with extraordinary events will also be of great value for electric utilities, households and industry in general, as modern society is heavily dependent on a reliable electric supply.