Дэвид Ньюман, физик из Университета Аляски, считает, что сети меньшего размера снизят вероятность серьезных отключений, таких как отключение электроэнергии на северо-востоке в 2003 году, в результате которого на срок до двух дней отключилось электричество до 50 миллионов человек в США и Канаде.Ньюман и соавторы Бенджамин Каррерас из BACV Solutions в Ок-Ридж, штат Теннеси, и Ян Добсон из Университета штата Айова излагают свои аргументы в журнале Chaos, который выпускается AIP Publishing.Их расследование началось 20 лет назад, когда Ньюман и Каррерас изучали, почему стабильная термоядерная плазма так быстро становится нестабильной. Они смоделировали проблему, сравнив плазму с кучей песка.
«Песчаные сваи устойчивы, пока вы не достигнете определенной высоты. Затем вы добавляете еще одно зерно, и все начинает сходить лавинообразно.
Это потому, что зерна кучи уже близки к критическому углу, при котором они начнут скатываться вниз по свае. Все это занимает одно зерно, чтобы вызвать каскад », — пояснил он.
Обсуждая затемнение, Ньюман и Каррерас поняли, что их модель песчаной кучи может помочь объяснить поведение сетки.
Структура энергосистемы СШАВ Северной Америке есть три электрические сети, взаимосвязанные системы, которые передают электроэнергию от сотен электростанций миллионам потребителей.
Каждая сеть огромна, потому что чем больше электростанций и линий электропередач в сети, тем лучше она может выровнять местные колебания спроса и предложения или отреагировать, если какая-то часть сети выйдет из строя.С другой стороны, большие сети уязвимы перед редкой, но значительной вероятностью отключения электроэнергии во всей сети, как это было в 2003 году.
«Проблема в том, что сети работают на пределе своей мощности из-за экономического давления. Электрические компании хотят максимизировать прибыль, поэтому они не инвестируют в оборудование больше, чем им нужно», — сказал Ньюман.В жаркие дни, когда у всех включены кондиционеры, сеть работает почти на полную мощность.
Если ветвь дерева повреждает линию электропередач, сеть обычно достаточно устойчива, чтобы распределять дополнительную мощность и компенсировать разницу. Но если сеть уже близка к своей критической точке и не имеет дополнительной мощности, есть небольшая, но значительная вероятность того, что она может рухнуть, как куча песка.Это уязвимо для каскадных событий, потому что сложность сетки со временем менялась.
Он отражает противоречие между экономическим давлением и государственными постановлениями, обеспечивающими надежность.«Со временем энергосистема развивалась без предварительного проектирования», — сказал Ньюман.Резервное питание и риск отключения электроэнергииВ своей новой статье исследователи спрашивают, имеет ли сеть оптимальный размер, достаточный для эффективного распределения энергии, но достаточно маленький, чтобы предотвратить огромные отключения электроэнергии.
Команда основала свой анализ на сетке Западной части Соединенных Штатов, которая имеет более 16 000 узлов. Узлы включают генераторы, подстанции и трансформаторы (которые преобразуют электричество высокого напряжения в энергию низкого напряжения для дома и бизнеса).
Модель началась с сравнения одной сети из 1000 шин с десятью сетями из 100 шин. Затем он оценил, насколько хорошо сети распределяют электроэнергию в ответ на виртуальные отключения.«Мы обнаружили, что для наилучшего компромисса между резервным питанием и риском отключения электроэнергии оптимальный размер составляет от 500 до 700 узлов», — сказал Ньюман.
Хотя отключение электроэнергии по всей сети крайне маловероятно, они могут доминировать над затратами. Они очень дороги и требуют больше времени, чтобы вернуть ситуацию под контроль. Им также требуется больше бригад и ресурсов, поэтому коммунальные предприятия могут помогать друг другу, как при небольших отключениях электроэнергии.
В сетях меньшего размера отключения электроэнергии меньше и их легче исправить, поскольку коммунальные предприятия могут обращаться за помощью из близлежащих регионов. В целом, небольшие отключения электроэнергии в энергосистеме обходятся обществу дешевле, — сказал Ньюман.Исследователи считают, что их понимание размеров может применяться к другим сложным, развитым сетям, таким как Интернет и финансовые рынки.
«Если мы уменьшим количество подключенных устройств, возможно, мы сможем снизить общественные издержки отказов», — добавил Ньюман.