Een betrouwbare werking van technische infrastructuurnetwerken is essentieel voor onze moderne, hightech samenleving. Cascadestoringen, d.w.z. kettingreacties van storingen van verschillende infrastructuren, zijn de oorzaak van veel storingen van hele netwerken, bijv. grote delen van de Europese elektriciteitsnetten. Hoewel trapsgewijze storingen meestal worden beïnvloed door netwerkbrede niet-lineaire dynamiek tussen de afzonderlijke storingen, hun modellering heeft zich tot nu toe voornamelijk geconcentreerd op de analyse van opeenvolgingen van faalgebeurtenissen van individuele infrastructuren - echter, er is geen rekening gehouden met de dynamiek tussen deze gebeurtenissen.

In een artikel dat nu is gepubliceerd door Natuurcommunicatie , er wordt een analyseschema gepresenteerd dat rekening houdt met het event-based karakter van de kettingreactie en met de specifieke dynamische netwerkinvloeden.

Het internationale team van wetenschappers van het Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) aan de TU Dresden en het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen (Prof. Marc Timme, dr. Benjamin Schäfer), het Forschungszentrum Jülich (juni.-prof. dr. Dirk Witthaut) en de Queen Mary University of London (prof. Vito Latora) hebben kunnen achterhalen dat sommige overgangsprocessen tussen verschillende toestanden van het elektriciteitsnet plaatsvinden op een tijdschaal van een paar seconden. "Deze kunnen een beslissende rol spelen bij de ontwikkeling van collectieve reacties, wat uiteindelijk kan leiden tot een 'black-out'. In onze studie stellen we een voorspellingsmethode voor om potentieel bedreigde lijnen en netwerkcomponenten al in de planningsfase te identificeren en, indien gepast, ook tijdens de werking van elektriciteitsnetwerken. Dergelijke dynamische effecten zouden kunnen worden geïntegreerd in de risicobeoordelingen en systeemplanning van netbeheerders. Algemeen, onze resultaten onderstrepen het belang van dynamisch veroorzaakte storingen voor de aanpassingsprocessen van de nationale elektriciteitsnetten van verschillende Europese landen, " zegt prof. Marc Timme van de Strategic Chair of Network Dynamics aan de TU Dresden.

Grote stroomstoringen, die vaak miljoenen mensen treffen, worden veroorzaakt door complexe en vaak niet-lokale interacties tussen vele componenten. In Europa, bijvoorbeeld, de geplande stopzetting van een lijn in 2006 leidde tot het uitvallen van grote delen van het Europese net en trof tot 120 miljoen mensen. Dergelijke ongunstige kettingreacties kunnen zich al opbouwen door een enkele lijn in het netwerk uit te schakelen. In een vergevorderd stadium is er ontstaat een snelle dynamiek, dat is gebaseerd, vooral, op de automatische uitschakelapparaten, die eigenlijk de veiligheid van het netwerk moeten waarborgen. Deze snelle dynamiek was de focus van het onderzoek van het team van wetenschappers. Professor Dirk Witthaut van Forschungszentrum Jülich legt de redenen uit:"In de afgelopen jaren de trend in de elektriciteitssector heeft zich voortgezet in de richting van sterke netwerken, de landen zijn zeer nauw geïntegreerd in het Europese net. Aangezien dergelijke storingen overal in dit netwerk ons ​​op elk moment kunnen treffen, we moeten de oorzaken begrijpen. Daarom hielden we ons bezig met deze vragen:Kunnen we begrijpen hoe deze snelle processen werken? Kunnen we voorspellen welke lijnen een grootschalige stroomstoring kunnen veroorzaken?"

"Het basisidee achter de beveiligingsarchitectuur van de elektriciteitsnetten is dit:als een deel van het elektriciteitsnet uitvalt, dan moet het elektriciteitsnet blijven functioneren. Het netwerk neemt dan een nieuwe stabiele toestand aan om het defect te compenseren. De vraag hoe deze toestand eruitziet als het netwerk genoeg tijd heeft om het te vinden, is al vele malen onderzocht. Voor de relatief korte tijdschaal van de foutcascades in elektriciteitsnetten, echter, onze huidige studie is vrijwel baanbrekend, " zegt Vito Latora, Hoogleraar Toegepaste Wiskunde en hoofd van de Complex Systems and Networks Group aan de Queen Mary University of London.

De wetenschappers onderzochten de foutcascades met behulp van een combinatie van computersimulaties en wiskundige analyses van eenvoudige netwerkmodellen. De statische benadering is vergeleken met de nieuwe dynamische benadering waarbij gebruik wordt gemaakt van een gesimuleerd netwerk waarin specifieke verbindingen worden onderbroken. Vaak laat de bredere dynamische kijk zien dat het netwerk volledig instabiel kan worden, zelfs als de statische benadering nog steeds stabiliteit voorspelt. Algemeen, meer potentiële storingen worden gedetecteerd en de potentiële omvang van een storing wordt nauwkeuriger voorspeld. Om de processen in het model te vergelijken met de werkelijkheid, hoogspanningsnetwerken met echte verbindingsstructuren werden onderzocht, met name de Spaanse, Britse en Franse topologie. De nieuwe analysemethode is met succes toegepast op complexe en meer realistische netwerken.

In aanvulling, statistische studies over storingen werden uitgevoerd met behulp van de dynamische benadering. Hoeveel regels mislukken als een willekeurige regel wordt beïnvloed? "In veel gevallen zijn de effecten klein, dat wil zeggen dat er bijna geen andere lijnen mislukken. Tegelijkertijd, er zijn een paar kritieke lijnen die tot grote mislukkingen leiden. Rekening houdend met mogelijke aanvallen (fysiek of virtueel, bijv. door hackers) is het uiterst belangrijk om dergelijke kritieke lijnen te identificeren en te verlichten. Daarom, met behulp van de dynamische benadering, we hebben een tool ontwikkeld die voorspelt welke lijnen kritisch zijn, " beschrijft Dr. Benjamin Schäfer van cfaed aan de TU Dresden.

Eindelijk, eerste onderzoeken naar de verspreiding van cascades in het netwerk werden uitgevoerd. "In plaats van puur geografische afstanden tussen verschillende locaties, beschouwen we de zogenaamde 'effectieve afstand, ' waarbij rekening wordt gehouden met hoe sterk verschillende delen van het elektriciteitsnet elkaar kunnen beïnvloeden. Echter, om een ​​beter inzicht te krijgen, verder onderzoek is nodig om de mogelijkheid te onderzoeken om dergelijke cascades te stoppen, ", legt Schäfer uit.