停電

2009 年のエクアドル電力危機の際には、車のライトだけが唯一の照明となった。

停電はブラックアウト、電源障害、[ 1 ]停電、電力損失、電力カット、または停電とも呼ばれ、エンドユーザーへの電力ネットワーク供給が完全に失われる状態です。

電力網における停電の原因は多岐にわたります。例えば、発電所の故障、送電線、変電所、その他の配電系統の損傷、短絡、連鎖故障、ヒューズやブレーカーの作動などが挙げられます。

停電は、環境や公共の安全が危険にさらされている場所では特に重大です。病院、下水処理場、鉱山などの施設では通常、予備発電機などのバックアップ電源があり、電力が失われると自動的に起動します。通信などの他の重要なシステムにも、緊急電源が必要です。電話交換機のバッテリー室には通常、バックアップ用の鉛蓄電池アレイと、長時間の停電時に発電機を接続するためのソケットがあります。停電中は電力供給が中断され、家庭、企業、その他の施設への電力が失われます。停電は、悪天候（嵐、ハリケーン、吹雪など）、地震、機器の故障、グリッドの過負荷など、さまざまな理由で発生する可能性があります。

種類

ブラックアウト
一時的な障害

停電は、停電の継続時間と影響に応じて、次の 3 つの現象に分類されます。

  • 過渡障害とは、通常、電力線の障害（短絡やフラッシュオーバーなど）によって引き起こされる電力損失です。障害が解消されると、電力は自動的に復旧します。
  • ブラウンアウトとは、電力供給における電圧 低下のことです。この用語は、電圧低下によって白熱灯の明るさが落ちることに由来しています。ブラウンアウトは、機器の性能低下や誤動作を引き起こす可能性があります。
  • 停電とは、広範囲かつ長時間にわたる電力供給の完全な喪失を指します。[ 2 ] [ 3 ]これは、発生し得る最も深刻な停電の形態です。発電所のトリップに起因する、あるいは発電所のトリップを原因とする停電は、迅速な復旧が特に困難です。停電の期間は、停電の性質や電力網の構成に応じて、数分から数週間に及ぶ場合があります。

計画停電は電力需要が供給を上回った場合に発生し、一部の顧客は必要な電圧で電力を受け取ることができ、他の顧客は全く電力を供給されない。計画停電は発展途上国ではよく発生し、事前に計画されている場合もあれば、予告なしに発生する場合もある。また、先進国でも発生しており、例えば2000～2001年のカリフォルニア電力危機では、政府の規制緩和によって卸売電力市場が不安定になった。停電は、ガス漏れによる火災を防ぐ（例えば、メリマックバレーのガス爆発を受けて複数の町で電力が遮断された）場合や、保守が不十分な送電線の周りで山火事が発生するのを防ぐ（ 2019年のカリフォルニアの停電時など）などの公共の安全対策としても使用されている。

停電から電力システムを保護する

2006年7月21日の嵐で、木の枝が電力線にショートを起こした。これにより、これらの電力線が供給されている地域では通常、停電が発生する。

電力供給ネットワークでは、ネットワークコンポーネントの過負荷による深刻な損傷を回避するために、発電量と電気負荷（需要）が毎秒ほぼ等しくなければなりません。保護リレーとヒューズは、過負荷を自動的に検出し、損傷の危険性がある回路を切断するために使用されます。

特定の条件下では、ネットワークコンポーネントのシャットダウンにより、ネットワークの隣接セグメントに電流変動が生じ、ネットワークのより広範な部分で連鎖的な障害が発生する可能性があります。これは、建物、ブロック、都市全体、さらには電力網全体に及ぶ可能性があります。

現代の電力システムは、冗長性により、このような連鎖的な障害に耐えられるよう設​​計されている。まれに発生する大規模障害を防ぐための投資から短期的な経済利益が得られない場合があるため、研究者たちは、ネットワークの回復力が時間の経過とともに低下し、大規模な障害が発生した後にのみ修正される傾向があることを懸念している。[ 4 ] 2003年の出版物で、カレーラスと共著者は、小規模な停電の可能性を減らすと、大規模な停電の可能性が高まるだけだと主張した。[ 5 ]その場合、個々の顧客の満足度を維持するという短期的な経済利益が、大規模停電の可能性を高めることになる。

上院エネルギー天然資源委員会は2018年10月、「ブラックスタート」と呼ばれる、電力系統全体の停電後に電力を復旧するプロセスについて検討するための公聴会を開催しました。この公聴会の目的は、電力網が損傷した場合に備えて、電力業界がどのようなバックアッププランを用意しているかを議会が把握することでした。電力網への脅威には、サイバー攻撃、太陽嵐、悪天候などが含まれます。例えば、2003年の「北東部停電」は、生い茂った木々が高圧送電線に接触したことが原因でした。米国とカナダで約5,500万人が停電し、復旧には約60億ドルの費用がかかりました。[ 6 ]

主要業績評価指標

ユーティリティは、次の 3 つの特定のパフォーマンス測定基準に基づいて測定されます。

停電からコンピュータシステムを保護する

コンピュータシステムやロジック回路を含むその他の電子機器は、突然の停電によってデータ損失やハードウェア損傷の影響を受けやすいです。これには、コンピュータだけでなく、データネットワーク機器、ビデオプロジェクター、警報システムなども含まれます。こうした状況からコンピュータシステムを保護するために、無停電電源装置（UPS）を使用することで、主電源が短時間利用できなくなった場合でも安定した電力供給が可能になります。電源復旧時にハードウェアに損傷を与える可能性のあるサージ（電圧が数秒間上昇する現象）から保護するには、過剰な電圧を吸収するサージプロテクタと呼ばれる特殊な装置を使用します。

広域停電後の電力復旧

広域停電後の電力復旧は、発電所をオンラインに戻す必要があるため、困難な場合があります。通常、これは電力網の他の部分からの電力を利用して行われます。電力網からの電力供給が完全に途絶えた場合は、電力網を再起動するために、いわゆるブラックスタートを実行する必要があります。その方法は地域の状況や運用方針に大きく依存しますが、通常、送電事業者は地域的な「パワーアイランド」を構築し、それらを段階的に相互接続していきます。このプロセス中に供給周波数を許容範囲内に維持するためには、発電の復旧と同じペースで需要を再接続する必要があり、発電所、送電会社、配電会社間の緊密な連携が求められます。

理論

2014年の停電継続時間の比較（SAIDI値）。

自己組織化臨界性

歴史的データ[ 7 ]とコンピュータモデリング[ 8 ] [ 9 ]に基づき、電力網は自己組織化された臨界システムであると論じられてきた。これらのシステムは、システム全体の規模にまで及ぶあらゆる規模の不可避的な[ 10 ]擾乱を呈する。この現象は、需要／負荷の着実な増加、電力会社経営の経済性、そして現代工学の限界に起因すると考えられてきた。[ 11 ]

停電頻度は、システムを臨界点から遠ざけることで低減できることが示されているが、一般的に経済的に実現可能ではないため、供給業者は時間の経過とともに平均負荷を増加させるか、アップグレードの頻度を減らすことになり、結果として系統は臨界点に近づくことになる。逆に、臨界点を超えたシステムでは停電が多すぎるため、システム全体のアップグレードが必要となり、臨界点を下回ることになる。ここでの「システムの臨界点」という用語は、統計物理学と非線形力学の意味で使用され、システムが相転移を起こす点を表す。この場合、カスケード故障がほとんどない安定した信頼性の高い系統から、カスケード故障が頻繁に発生する非常に散発的な信頼性の低い系統への移行を指す。臨界点付近では、停電頻度と規模の関係はべき乗分布に従う。[ 9 ] [ 11 ]

カスケード障害はこの臨界点に近づくほど、より一般的になる。べき乗法則の関係は、過去のデータとモデルシステムの両方に見られる。[ 11 ]これらのシステムを最大容量に近い状態で運用する慣行は、老朽化、天候、人間の介入などによるランダムで避けられない擾乱の影響を拡大させる。臨界点に近づくと、個々のコンポーネントがより大きな負荷を担うため、これらの障害は周囲のコンポーネントに大きな影響を与える。その結果、故障したコンポーネントからのより大きな負荷をシステム全体に大量に再分配する必要があり、擾乱によって直接影響を受けていない追加のコンポーネントが故障する可能性が高くなり、コストがかかり危険なカスケード障害が発生する。[ 11 ]停電を引き起こすこれらの初期の擾乱は、明らかな擾乱を防ぐために電力供給者が行動する（木の伐採、風の強い地域での送電線の分離、老朽化し​​たコンポーネントの交換など）ため、より予想外で避けられないものとなる。ほとんどの電力網の複雑さにより、停電の最初の原因を特定することは非常に困難になることが多い。

指導者たちは、停電は避けられないというシステム理論を否定しているものの、送電網の基本的な運用方法を変える必要があるという点では同意している。電力研究所は、高度なセンサーを用いた電力制御装置など、スマートグリッド機能の活用を推進し、送電網の調整を行っている。[ 12 ]また、広域送電網における交流送電線への擾乱の連鎖を防ぐため、電子制御式高電圧直流（HVDC）防火帯の活用拡大を提唱する者もいる。[ 13 ]

OPAモデル

2002年、オークリッジ国立研究所（ORNL）、ウィスコンシン大学電力システム工学研究センター（PSerc）[ 14 ] 、アラスカ大学フェアバンクス校の研究者らが、配電システムの挙動に関する数学モデルを提案した。[ 15 ] [ 16 ]このモデルは、著者らの機関名にちなんでOPAモデルとして知られるようになった。OPAはカスケード障害モデルである。他のカスケード障害モデルには、マンチェスター障害モデル、隠れた障害モデル、CASCADEモデル、分岐モデルなどがある。[ 17 ] OPAモデルは、カスケード障害の複雑ネットワークモデルであるCrucitti–Latora–Marchiori（CLM）モデルと定量的に比較され、[ 18 ]両方のモデルが、送電容量に関して、平均ネットワーク損傷（OPAでは負荷制限/需要、CLMではパス損傷）において同様の相転移を示すことが示された。[ 19 ]

停電頻度の緩和

臨界点付近の連鎖的な故障を経済的に実現可能な方法で緩和しようとする試みは、しばしば有益ではなく、むしろ有害でさえあることが示されています。OPAブラックアウトモデルを用いて、4つの緩和手法が検証されています。[ 5 ]

  • 連鎖的な停電を引き起こす重大な障害の数の増加 – 小規模な停電の頻度は減少しますが、大規模な停電の頻度は増加することが示されています。
  • 個々の電力線の最大負荷を増加 – 小規模停電の頻度が増加し、大規模停電の頻度が減少することが示されています。
  • 回線の臨界数と最大負荷の増加の組み合わせ – どちらの規模にも大きな影響は見られませんでした。結果として生じる停電頻度のわずかな減少は、導入コストに見合わないと予測されます。
  • グリッドに利用可能な余剰電力を増やす – 小規模停電の頻度は減少しますが、大規模停電の頻度は増加することが示されています。

それぞれの緩和戦略は小規模停電と大規模停電の頻度に関して費用便益関係にあることが判明したが、上記の緩和策のいずれによっても停電の総数は大幅に減少しなかった。[ 5 ]

AEモッターは、局所的な情報のみを用いて大規模な連鎖障害（停電）を制御するための複雑なネットワークベースのモデルを提案した。 [ 20 ]

2015年に、停電の影響を軽減するために提案された解決策の1つがMS Salehによって導入されました。[ 12 ]

大規模な停電

参照

参考文献

  1. ^ Holloway & Holloway 2020、p.123、ブラックアウト。
  2. ^ Petermann, Thomas; Bradke, Harald; Lüllmann, Arne; Poetzsch, Maik; Riehm, Ulrich (2011).停電中に何が起こるか ― 長期かつ広範囲にわたる停電の影響. ベルリン: ドイツ連邦議会技術評価局. doi : 10.5445/IR/1000103292 . ISBN 978-3-7322-9329-2。
  3. ^ 「インシデント分類スケール」（PDF）。欧州送電系統運用者ネットワーク（ESO）。2018年4月11日。6ページ。関係するTSOの制御区域における需要の50%以上が失われる場合、または関係するTSOの制御区域において少なくとも3分間、電圧が完全に供給されない状態となり、復旧計画が開始される。
  4. ^コチ、ヤクプ;ワーニア、マルティン;ヴァン・ミーゲム、ピート。コーイジ、ロバート E.ブラジエ、フランシスMT（2014年7月18日）。 「LHC Run 1 データを使用した ATLAS 検出器による電子および光子のエネルギー校正」。ヨーロッパ物理ジャーナル C . 74 (10) 3071.arXiv : 1407.5063。土井：10.1140/epjc/s10052-014-3071-4。
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出典

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