Nye metodar og verktøy for å analysere ekstraordinære hendingar (HILP-hendingar)

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 konsekvensane veldig store. Slike ekstraordinære hendingar blir derfor også kalla HILP-hendingar (frå «High-Impact Low-Probability events» på engelsk). Og fordi konsekvensane er så store så trengs det metodar og verktøy for å handtere og redusere risikoen for HILP-hendingar.

Korleis kan systemoperatørar bruke HILP-verktøy?

I HILP-prosjektet har vi utvikla metodar og verktøy for å analysere risiko og sårbarheit knytt til HILP-hendingar. Desse har blitt utvikla i samarbeid med transmisjonssystemoperatørar (TSO-ar) og energiregulatorar, og vi har lagt spesiell vekt på behova i det nordiske kraftsystemet. Dei nye metodane og verktøya kan mellom anna hjelpe til med 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 å forstå desse metodane å verktøya treng vi fyrst å gje litt meir bakgrunn om HILP-hendingar.

Kvifor er HILP-hendingar utfordrande?

Konsekvensane av straumbrot inkluderer dei direkte og indirekte økonomiske kostnadane for sluttbrukarane i kraftsystemet, eller med andre ord avbrotskostnadane. På grunn av at andre kritiske infrastrukturar er avhengige av kraftsystemet kan omfattande straumbrot i tillegg føre til indirekte samfunnsmessige kostnadar som er minst like store.

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.

Desse 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.

• Denne kan du òg finna interessant: Kva er verdien av å spare på sol- og vindenergien lagra i batteriet?

Korleis forstår vi ekstraordinære hendingar?

For å illustrere ekstraordinære hendingar som konsept så plasserer vi nokre eksempel på historiske hendingar i eit to-dimensjonalt konsekvensdiagram i den øvste delen av Figur 1. Her måler vi konsekvensane ved kor omfattande straumbrotet var (avbroten effekt hjå sluttbrukarar i MW) og avbrotsvarigheita (i timar). (Merk at generelt sett kan konsekvensane også målast langs andre dimensjonar slik som avbrotskostnadar, konsekvensar for liv og helse, osv.)

Både hendingar med a) ekstraordinær stor mengde avbroten effekt, slik som straumbrota i Italia og Sverige/Danmark i 2003, og b) ekstraordinært lang varigheit, slik som straumbrotet som fylgje av stormen Gudrun i Sør-Sverige i 2005, kan bli rekna som ekstraordinære hendingar.

Typisk kan ein skilje mellom to hovudkategoriar av ekstraordinære hendingar i kraftsystem:

• Dei hendingane som primært skuldast naturskadar slik som for eksempel ekstremvêr – desse er kjenneteikna ved store skadar på infrastruktur og dermed lange reparasjonstider og lange avbrotsvarigheiter.
• Hendingar som skuldast meir varierte og komplekse årsakskjeder og som kan involvere for eksempel tekniske feil, driftsmessige feil, menneskelege feil og forsettlege angrep.

Den nedste delen av Figur 1 viser eit risikodiagram med éin kombinert konsekvensdimensjon langs x-aksen. Vi finn HILP-hendingar med kritiske konsekvensar men som vi trur har små sannsyn for å skje i hjørnet nede til høgre i dette diagrammet.

Rammeverk for å analysere HILP-hendingar

Som eit utgangspunkt utvikla prosjektet fyrst eit kvalitativt rammeverk for å analysere HILP-hendingar. Dette bygde vidare på eit rammeverk for å analysere sårbarheiter i kraftsystemet som var utvikla i tidlegare prosjekt. (Det utvida rammeverket for sårbarheitsanalyse og ein demonstrasjon av korleis det kan nyttast for reelle kraftsystem har vorte oppsummert i ein opent tilgjengeleg journal-artikkel.) Det finst eit mangfald av ulike faktorar knytt til HILP-hendingar. Dette er illustrert i Figur 2, der relevante faktorar er kartlagt og plassert i ein sløyfemodell («bow tie model») som skildrar forhold mellom årsaker til og konsekvensar av HILP-hendingar.

Noko vi innsåg tidleg i HILP-prosjektet var at det ikkje finst éin enkelt heilskapleg metode for å analysere HILP-hendingar kvantitativt som kan fange opp alle dei relevante faktorane. 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.

Sårbarheiter knytt til utfall av HVDC-kablar

Rammeverket for sårbarheitsanalyse vart nytta på ein case-studie saman med den finske TSO-en Fingrid som såg på sårbarheiter knytt til utfall av mellomlandsforbindelsar (HVDC-kablar) i det nordiske kraftsystemet. Denne case-studien er skildra i eit tidlegare blogginnlegg. Her identifiserte vi utilstrekkeleg systemtråleik («inertia») 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.

Etter denne studien utførte vi ein dynamisk kraftsystemanalyse for å illustrere desse prinsippa kvantitativt. Denne analysen fokuserte på raske last-baserte reservar (forbrukarfleksibilitet), som er identifisert som ei lovande barriere for å unngå kritiske konsekvensar. Meir generelt har studien auka merksemda om potensielle sårbarheiter og gjeve innspel til beredskapstiltak og risikohandtering hjå nordiske TSO-ar og regulatorar.

Vêr-relaterte straumbrot

Omfattande straumbrot på grunn av ekstremvêr er ein sentral underkategori av HILP-hendingar.  Vêr-relaterte truslar har høg intensitet i korte periodar og kan føre til samtidig utfall av fleire kraftsystemkomponentar. I tillegg kan dårleg vêr forseinke reparasjonen av komponentane og auke nedetida.

Vi har utvikla metodar for å estimere tidsavhengige sannsyn for vind-relaterte feil på transmisjonsliner og modellar for korleis nedetida til transmisjonslinene avheng av vêrforholda. Deler av dette arbeidet har blitt leia av Statnett og implementert i MONSTER-verktøyet deira, som er eit probabilistisk (sannsynsbasert) verktøy for langsiktige analysar av pålitelegheita i kraftsystemet.

Handtering av usikkerheiter knytt til 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. I dei avgjerdene TSO-ar tek i drifta og planlegginga av kraftsystemet  må dei balansere forsyningssikkerheit og samfunnsmessige kostnadar på ein best mogleg måte. Vi har fokusert på avgjerder innan langsiktig utvikling av kraftsystemet (nettutvikling) og utvikla ein metodikk for å ta omsyn til usikkerheiter frå HILP-hendingar i samfunnsøkonomiske kost-nytte-analysar.

I  ein case-studie I samarbeid med Statnett har vi nytta metodikken på ein faktisk nettinvesteringsavgjerd. Problemet er illustrert skjematisk i Figur 4. Her er det noko forenkla ei ekstra transmisjonsline (vist i raudt) som er vurdert som eit tiltak for å redusere risikoen for langvarige straumbrot i område 2 (ei HILP-hending).

Samanlikna med referansealternativet («zero alternative»)  så er det ikkje samfunnsøkonomisk lønnsamt å investere i ei ekstra transmisjonsline om du berre tek omsyn til forventingsverdiar og ikkje tek omsyn til usikkerheit. Men metodikken vår kan gje ei meir fullstendig skildring av risikoen som tek omsyn til både tilfeldig variasjon og mangel på kunnskap. Metodikken skildrar både sannsynet for ulike utfall og i kva grad dei er moglege. Case-studien viste korleis konklusjonar basert på punktestimat og forventingsverdiar ikkje nødvendigvis held når ein tek omsyn til usikkerheiter på ein grundigare måte.

Figur 5 viser ein fordelingsfunksjon som skildrar i kva grad vi reknar ulike samfunnsøkonomiske kostnadar for dei to nettutviklingsalternativa som moglege. Desse totalkostnadane, som også inkluderer avbrotskostnadar, er mest truleg høgare om vi investerer i ei ekstra transmisjonsline. Men figuren viser også korleis usikkerheita i den samfunnsøkonomiske kostnaden blir mykje mindre om vi investerer i risikoreduserande tiltak. Og fordi vi manglar kunnskap knytt til HILP-hendinga er det også mogleg at risikoreduserande tiltak vil vere lønnsame.

Analyse av komplekse årsakskjeder som fører til kritiske konsekvensar

Den eine hovudkategorien av HILP-hendingar er kjenneteikna ved at dei ofte har éin enkelt 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 vi utvikla eit generelt modelleringsrammeverk og ein kvantitativ sårbarheitsanalysemetodikk (GraphCAT-verktøyet).

Figur 6 viser eit risikodiagram der kvart datapunkt representerer ei hending (eller meir presist ein hendingssekvens) for ein gitt case. Dei grøne punkta er hendingane som verktøyet identifiserer når det ser bort frå at barrierar kan svikte. Dei blå datapunkta er hendingar som blir identifisert av verktøyet når det tek omsyn til at barrierar kan svikte. Typar barrieresvikt som er modellert her inkluderer feil på korrektive tiltak (omregulering av kraftproduksjon og kontrollert kutting av last), feil i overgang til øydrift, og feil på vernsystem.

Langt til høgre i figuren finn vi eit sett med hendingar med merkelappar. Dette er identifiserte HILP-hendingar som alle involverer feil i overgang til øydrift. Blant desse så har verktøyet estimert at hendingane merka med c₂ har høgare sannsyn enn dei andre. Dette er fordi desse hendingane i motsetningane til dei andre kan skje gjennom vernfeil. Resultata illustrerer dermed at det er avgjerande å ta omsyn til barrierar som sviktar for å kunne identifisere og analysere HILP-hendingar.

[blue_box]

Om HILP-prosjektet

Det fullstendige namnet på HILP-prosjektet er «Analyse av ekstraordinære hendelser i kraftsystemet». Dette var eit fireårig kompetanseprosjekt leia av SINTEF Energi og utført i samarbeid med prosjektpartnarane Statnett (den norske TSO-en), Fingrid (den finske TSO-en), NVE (den norske energiregulatoren), og NTNU. Prosjektet vart avslutta i juni 2020.

Prosjektet vart støtta av Forskningsrådet gjennom ENERGIX-programmet (prosjektnummer 255226). Vi takkar prosjektmedarbeidarar ved SINTEF og NTNU samt dei andre prosjektpartnarane for bidraga og samarbeidet.

[/blue_box]