Smart Grids: Analyzing Cascading Failures

Abstract

A rede elétrica tornou-se extremamente complexa e depende cada vez mais das redes de comunicação, às quais está interligada. Rede elétrica inteligente é o termo usado para referir essas redes onde a geração e a distribuição elétrica estão totalmente interligadas, instrumentadas, automatizadas e controladas. Estas propriedades tornam estes sistemas confiáveis, eficientes, seguros e económicos.Uma forte interdependência entre as redes de energia e de comunicações proporciona comunicações bidirecionais e tecnologias de informação através de todo o sistema, permitindo assim monitorização em tempo real dos dispositivos, com grande volume de dados a serem recolhidos de medidores inteligentes e outros sensores da rede, o que permite a tomada de decisões quase instantâneas de modo a manter o seu adequado funcionamento. Embora estes desenvolvimentos tenham atribuído inteligência à rede, devido à sua natureza complexa, há diversas vulnerabilidades nestes sistemas, que são um grande desafio a superar.Como as redes elétricas estão sujeitas a muitos tipos de riscos que podem colocar em causa o seu adequado funcionamento, é de grande importância garantir melhorias que levem a uma rede robusta e confiável. Análises pós-falha de algumas grandes falhas energéticas registadas nos últimos anos mostraram que em algumas situações a causa do problema foi uma falha de um único elemento da rede, que desencadeou uma sucessão de falhas em cascata que resultaram em grandes apagões que afetaram milhões de pessoas.O foco desta dissertação será a análise e a simulação de falhas em cascata numa rede interdependente de energia e comunicações. Ao longo deste trabalho, os componentes e arquitetura das redes serão apresentados e discutidos. A abordagem baseia-se na interação entre as duas redes, onde um modelo foi proposto para capturar os efeitos das falhas em diferentes componentes das redes e o impacto dessas falhas, devido à interdependência entre elementos das duas redes.

The power grid became extremely complex and increasingly relying on communications network to which it is interconnected. Smart grid is the term used for this grid, where the electrical generation and distribution are fully networked, instrumented, automated and controlled. These properties make these systems reliable, efficient, secure and cost-effective.A strong interdependency between the power and the communications networks provides bidirectional communications and information technologies across the entire power system, thus enabling a real-time monitoring of the devices, with volumes of data being collected from smart meters and other grid sensors, which allows near-instantaneous decisions in order to maintain its proper functioning. Although these deployments have given intelligence to the grid, due to their complex nature, there are several vulnerabilities on these systems which are a major challenge to overcome. Since power grids are subject to many types of hazards that may jeopardize its proper functioning, it’s of great importance to ensure improvements leading to a reliable and robust grid. Post-failure analysis of some major power outages in recent years showed that the outages root cause was a failure of a single grid element, which triggered a succession of cascading failures which led to large blackouts affecting millions of people. The focus of this dissertation will be the analysis and simulation of cascading failures in an interdependent network of power and communications. Throughout this work, the components and architecture of the grid are presented and discussed. The approach is based on the interaction between the two networks, where a model was proposed to capture the effect of failures in different network components and the impact of these failures, due to the interdependency between elements of the two networks.