The international team of scientists from the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) at TU Dresden and the Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen (Prof. Marc Timme, Dr. Benjamin Schäfer), the Forschungszentrum Jülich (Jun.-Prof. Dr. Dirk Witthaut) and the Queen Mary University of London (Prof. Vito Latora) was able to find out that some transition processes between different states of the power grid take place on a time scale of a few seconds. "These can play a decisive role in the development of collective reactions, which can eventually lead to a ‘blackout.’ In our study we propose a prediction method to identify potentially endangered lines and network components already at the planning stage and, if appropriate, also during the operation of power networks. Such dynamic effects could be integrated into network operators' risk assessments and system planning. Overall, our results underline the importance of dynamically induced failures for the adjustment processes of the national power grids of various European countries," says Prof. Marc Timme from the Strategic Chair of Network Dynamics at TU Dresden.

Major power outages, which often affect millions of people, are caused by complex and often non-local interactions between many components. In Europe, for example, the planned shutdown of a line in 2006 led to the failure of large parts of the European grid and affected up to 120 million people. Such unfavorable chain reactions can already build up by switching off a single line in the network. In an advanced stage, a fast dynamic develops, that is based, in particular, on the automatic switch-off devices, which are actually supposed to ensure the safety of the network. This rapid dynamic was the focus of the research of the team of scientists. Professor Dirk Witthaut from Forschungszentrum Jülich explains the reasons: "In recent years, the trend in the electricity sector has continued towards strong networking, the countries are very closely integrated into the European grid. Since such failures anywhere in this network could affect us at any time, we must understand the causes. That's why we were concerned with these questions: Can we understand how these fast processes work? Can we predict which lines could cause a large-scale power outage?"

"The basic idea behind the security architecture of the power grids is this: If any part of the grid fails, then the power grid should continue to function. The network then takes on a new stable state in order to compensate for the defect. The question of what this state looks like when the network has enough time to find it has already been investigated many times. For the relatively short time scale of the error cascades in power grids, however, our current study is virtually pioneering," says Vito Latora, Professor of Applied Mathematics and Head of the Complex Systems and Networks Group at Queen Mary University of London.

The scientists investigated the error cascades using a combination of computer simulations and mathematical analyses of simple network models. The static approach was compared with the new dynamic approach using a simulated network in which specific connections are interrupted. Often the broader dynamic view shows that the network can become completely unstable, even if the static approach still predicts stability. Overall, more potential failures are detected and the potential extent of a failure is more accurately predicted. In order to compare the processes found on the model with reality, power line networks with real connection structures were examined, specifically the Spanish, British and French topology. The new analysis method was successfully applied to complex and more realistic networks.

In addition, statistical studies on failures were carried out using the dynamic approach. How many lines fail if a random line is affected? "In many cases the effects are small, i.e. hardly any other lines fail. At the same time, there are a few critical lines that lead to major failures. Taking into consideration possible attacks (physical or virtual, e.g. by hackers) it is extremely important to identify and relieve such critical lines. Therefore, using the dynamic approach, we have developed a tool that predicts which lines are critical," describes Dr. Benjamin Schäfer from cfaed at TU Dresden.

Finally, initial investigations on the spread of cascades in the network were carried out. "Instead of purely geographical distances between different locations, we consider the so-called 'effective distance,’ which takes into account how strongly different parts of the power grid can influence each other. However, in order to gain a better understanding, further research is necessary to examine the possibility of stopping such cascades," explains Schäfer.

Joint press release from:

• Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) & Institute for Theoretical Physics at TU Dresden
• Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPIDS), Göttingen
• Forschungszentrum Jülich, Institute for Energy and Climate Research, Systems Analysis and Technology Evaluation
• Queen Mary University of London, School of Mathematical Sciences

Paper: „Dynamically induced cascading failures in power grids”; Benjamin Schäfer, Dirk Witthaut, Marc Timme & Vito Latora; Nature Communications; published 17 May 2018; Open Access
DOI: 10.1038/s41467-018-04287-5
www.doi.org/10.1038/s41467-018-04287-5

Press Pictures:

Fig. 1: https://bit.ly/2x6Jxnm

Caption: A five node power network with two generators (green squares), three consumers (red circles), and homogeneous coupling is analyzed. To trigger a cascade, we remove the line marked with a lightening bolt. Other lines are color-coded as the flows in c and d.

Fig. 5: https://bit.ly/2GPgswE

Caption: Introducing a flow-based estimator of the onset of a cascade. When cutting an initial line, the flows on a typical edge (i, j) of the network increase from Fold(red line) to Fnew (orange line). On the basis of numerical observations, the transient flow F(t) from the old to the new fixed point are well approximated as sinusoidal damped oscillation. Knowing the fixed-point flows, allows to compute the difference ΔF = Fnew − Fold and estimate the maximum transient flow as Fmax ≈ Fold + 2ΔF. This estimation is typically slightly larger than the real flow because the latter is damped.

Movie (*.gif version): https://bit.ly/2II3LcD

Movie (*.flv version): https://bit.ly/2s9XGdL

Video Caption: The movie illustrates the cascading dynamics for the five-node network discussed in Fig. 1 with two generators and three consumers. On the left, it displays the network with the edges indicating the instantaneous load (color coded). On the right, it shows the flows on each line. If the flow of a line exceeds the threshold, the respective line 'fails' and is removed from the network in the simulation.

Press contacts:

TU Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden:

Prof. Marc Timme
Strategic Chair for Network Dynamics
Phone: +49 (0)351 463-33846
E-mail: marc.timme@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
Head of Communications
Phone: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de


Forschungszentrum Jülich, Institute for Energy and Climate Research, Systems Analysis and Technology Evaluation:

Jun.-Prof. Dirk Witthaut
Assistant Professorship Physics of Complex Supply Networks (Universität Köln, Institute for Theoretical Physics)
E-mail: d.witthaut@fz-juelich.de

Dr. Regine Panknin
Press Officer
Phone: +49 (0)2461 61-9054
E-mail: r.panknin@fz-juelich.de


Queen Mary University of London, School of Mathematical Sciences:

Vito Latora
Professor of Applied Mathematics, Chair of Complex Systems
Phone: +44 020 7882 5199
E-mail: v.latora@qmul.ac.uk

Rupert Marquand
Public Relations Officer
Tel: +44 (0) 20 7882 3004
E-Mail: r.marquand@qmul.ac.uk



Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen:

Carolin Hoffrogge
Press Officer
Phone: +49 (0)551/5176-668
E-Mail: presse@ds.mpg.de

Deutsche Version

Ausfälle in Stromnetzen: Dynamisch induzierte Kaskaden

Ein zuverlässiges Funktionieren technischer Infrastruktur-Netzwerke ist für unsere moderne, hochtechnisierte Gesellschaft unerlässlich. Kaskadierende Ausfälle, also Kettenreaktionen von Ausfällen verschiedener Infrastrukturen, sind Ursache vieler Ausfälle ganzer Netzwerke wie z.B. großen Teilen der europäischen Stromverbundnetze. Obwohl kaskadierende Ausfälle meist durch Netzwerk-weite nichtlineare Dynamik zwischen den einzelnen Ausfällen beeinflusst werden, konzentrierte sich deren Modellierung bisher vor allem auf die Analyse von Sequenzen von Ausfallereignissen einzelner Infrastrukturen – die Dynamik zwischen diesen Ereignissen blieb jedoch unberücksichtigt.

In einem nun bei Nature Communications veröffentlichten Artikel wird am Beispiel von elektrischen Leitungsnetzen ein Analyseschema vorgestellt, das sowohl den ereignisbasierten Charakter der Kettenreaktion berücksichtigt, aber auch die spezifischen netzwerkdynamischen Einflüsse in die Berechnung einbezieht.

Das internationale Team von Wissenschaftlern des Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) an der TU Dresden und dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen (Prof. Marc Timme, Dr. Benjamin Schäfer), des Forschungszentrum Jülich (Jun.-Prof. Dr. Dirk Witthaut) und der Queen Mary University of London (Prof. Vito Latora) konnte so herausfinden, dass einige Übergangsprozesse zwischen verschiedenen Zuständen des Stromnetzes auf einer Zeitskala von einigen Sekunden ablaufen. „Diese können eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von kollektiven Reaktionen spielen, was schließlich bis zu einem „Blackout“ führen kann. Wir schlagen in unserer Studie eine Vorhersagemethode vor, um potenziell gefährdete Leitungen und Netzwerk-Komponenten bereits bei der Planung und wenn sinnvoll auch während des Betriebs von Leitungsnetzen zu identifizieren. Solche dynamischen Effekte könnten in Risiko-Abschätzungen und Systemplanungen von Netzbetreibern integriert werden. Insgesamt unterstreichen unsere Ergebnisse die Bedeutsamkeit von dynamisch induzierten Ausfällen für die Anpassungsvorgänge der nationalen Stromnetze verschiedener europäischer Länder“, sagt Prof. Marc Timme von der strategischen Professur für Netzwerk-Dynamik an der TU Dresden.

Besonders große Stromausfälle, die oft Millionen von Menschen betreffen, treten durch komplexes, und oft nicht-lokales Zusammenspiel vieler Komponenten auf. In Europa hat z.B. 2006 das gezielte Abschalten einer Leitung zum Ausfall großer Teile des Europäischen Netzes geführt und bis zu 120 Millionen Menschen betroffen. Solche ungünstigen Kettenreaktionen können sich bereits durch das Abschalten einer einzigen Leitung im Netz aufbauen. In einem fortgeschrittenen Stadium entsteht dann eine schnelle Dynamik, die u.a. auf den automatischen Abschaltvorrichtungen basiert, welche eigentlich der Sicherheit des Netzes dienen sollen. Diese schnelle Dynamik war im Fokus der Untersuchung des Wissenschaftlerteams. Jun.-Prof. Dirk Witthaut vom Forschungszentrum Jülich erklärt die Gründe: „In den letzten Jahren geht der Trend im Stromsektor immer weiter hin zu starker Vernetzung, die Länder sind sehr eng in das europäische Verbundnetz eigebunden. Da so Ausfälle irgendwo in diesem Netz jederzeit auch uns betreffen könnten, müssen wir die Ursachen verstehen. Deshalb beschäftigten uns diese Fragen: Können wir verstehen, wie diese schnellen Prozesse ablaufen? Können wir vorhersagen, welche Leitungen einen großflächigen Stromausfall provozieren können?“

„Der Grundgedanke für die Sicherheitsarchitektur der Stromnetze ist folgender: Fällt irgendein Teil des Netzes aus, dann soll das Stromnetz weiterhin in der Lage sein zu funktionieren. Das Netz nimmt dann einen neuen stationären Zustand ein, um die ‚Fehlstelle‘ auszugleichen. Die Fragestellung, wie dieser stationäre Zustand aussieht, wenn das Netz genug Zeit hat, einen neuen stabilen Zustand zu finden, ist schon vielfach untersucht worden. Für die vergleichsweise kurze Zeitskala der Fehlerkaskaden in Stromnetzen jedoch leistet unsere aktuelle Untersuchung quasi Pionierarbeit“, so Vito Latora, Professor für Komplexe Systeme an der Queen Mary Universität in London.

Die Wissenschaftler untersuchten die Fehlerkaskaden mittels einer Kombination aus Computer-Simulationen und mathematischen Analysen einfacher Netzmodelle. Anhand eines simulierten Netzes, bei dem gezielt Verbindungen unterbrochen werden, wurde der statische Ansatz mit dem neuen dynamischen Ansatz verglichen. Oft zeigt die umfassendere dynamische Sichtweise, dass das Netz komplett instabil werden kann, auch wenn der statische Ansatz noch Stabilität vorhersagt. Insgesamt werden so mehr mögliche Ausfälle entdeckt und der potentielle Umfang eines Ausfalls genauer vorhergesagt. Um die am Modell gefundenen Prozesse mit der Wirklichkeit abzugleichen, wurden Stromleitungs-Netzwerke mit realer Verknüpfungsstruktur untersucht, konkret die spanische, britische und französische Topologie. Dabei wurde das neue Analyseverfahren erfolgreich auf komplexe und realistischere Netze angewendet.

Zudem wurden statistische Untersuchungen zu Ausfällen mittels des dynamischen Ansatzes durchgeführt. Wie viele Leitungen fallen aus, wenn eine zufällige Leitung betroffen ist? „In vielen Fällen sind die Auswirkungen gering, d.h. es fallen kaum weitere Leitungen aus. Gleichzeitig gibt es einige wenige kritische Leitungen, die zu größeren Ausfällen führen. Insbesondere vor dem Hintergrund möglicher Anschläge (physisch oder auch virtuell, z.B. durch Hacker) ist es extrem wichtig, solche kritischen Leitungen zu identifizieren und zu entlasten. Daher haben wir, mit Hilfe des dynamischen Ansatzes, ein Werkzeug entwickelt, das vorhersagt, welche Leitungen kritisch sind.“ beschreibt Dr. Benjamin Schäfer vom cfaed an der TU Dresden.

Schließlich wurden auch erste Untersuchungen zur Ausbreitung von Kaskaden im Netz durchgeführt. „Statt rein geographischer Abstände zwischen verschieden Orten betrachten wir die sogenannte ‚effektive Distanz‘, welche berücksichtigt, wie stark sich unterschiedliche Teile des Stromnetzes gegenseitig beeinflussen können. Hier ist jedoch für ein besseres Verständnis noch weitere Forschung nötig, um schließlich auch Möglichkeiten zu finden, solche Kaskaden zu stoppen“ erklärt Schäfer.

Gemeinsame Pressemitteilung von:

• Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) & Institut für Theoretische Physik an der TU Dresden
• Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
• Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE)
• Queen Mary University of London, School of Mathematical Sciences

Paper: „Dynamically induced cascading failures in power grids”; Benjamin Schäfer, Dirk Witthaut, Marc Timme & Vito Latora; Nature Communications; VÖ 17. Mai 2018; Open Access
DOI: 10.1038/s41467-018-04287-5
www.doi.org/10.1038/s41467-018-04287-5

Pressegrafiken:

Abb. 1: https://bit.ly/2x6Jxnm

Abb. 5: https://bit.ly/2GPgswE

Video (*.gif version): https://bit.ly/2II3LcD

Video (*.flv version): https://bit.ly/2s9XGdL

Erläuterung Video: Der Film veranschaulicht die kaskadierende Dynamik für das in Abb. 1 diskutierte Fünf-Knoten-Netzwerk mit zwei Erzeugern und drei Verbrauchern. Auf der linken Seite wird das Netzwerk mit den Kanten angezeigt, die die momentane Belastung anzeigen (farblich gekennzeichnet). Auf der rechten Seite werden die Durchflüsse auf jeder Linie angezeigt. Überschreitet der Durchfluss einer Leitung den Schwellwert, fällt die entsprechende Leitung aus und wird in der Simulation aus dem Netz entfernt.

Pressekontakte:

TU Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden:

Prof. Marc Timme
Strategische Professur für Netzwerkdynamik
Tel.: +49 (0)351 463-33846
E-mail: marc.timme@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
Leiter Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de


Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE):

Jun.-Prof. Dirk Witthaut
Juniorprofessur Physik komplexer Versorgungsnetze (Universität Köln)
E-Mail: d.witthaut@fz-juelich.de

Dr. Regine Panknin
Pressereferentin
Tel.: +49 (0)2461 61-9054
Mail: r.panknin@fz-juelich.de


Queen Mary University of London, School of Mathematical Sciences:

Vito Latora
Professor of Applied Mathematics, Chair of Complex Systems
Tel.: +44 020 7882 5199
E-mail: v.latora@qmul.ac.uk

Rupert Marquand
Public Relations Officer
Tel: +44 (0) 20 7882 3004
E-Mail: r.marquand@qmul.ac.uk


Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen:

Carolin Hoffrogge
Presse-/Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: +49 (0)551/5176-668
presse@ds.mpg.de