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Ausflle in Stromnetzen: Dynamisch induzierte Kaskaden

Ein zuverlssiges Funktionieren technischer Infrastruktur-Netzwerke ist fr unsere moderne, hochtechnisierte Gesellschaft unerlsslich. Kaskadierende Ausflle, also Kettenreaktionen von Ausfllen verschiedener Infrastrukturen, sind Ursache vieler Ausflle ganzer Netzwerke wie z.B. groen Teilen der europischen Stromverbundnetze. Obwohl kaskadierende Ausflle meist durch Netzwerk-weite nichtlineare Dynamik zwischen den einzelnen Ausfllen 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 unbercksichtigt.

In einem nun bei Nature Communications verffentlichten Artikel wird am Beispiel von elektrischen Leitungsnetzen ein Analyseschema vorgestellt, das sowohl den ereignisbasierten Charakter der Kettenreaktion bercksichtigt, aber auch die spezifischen netzwerkdynamischen Einflsse 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 fr Dynamik und Selbstorganisation in Gttingen (Prof. Marc Timme, Dr. Benjamin Schfer), des Forschungszentrum Jlich (Jun.-Prof. Dr. Dirk Witthaut) und der Queen Mary University of London (Prof. Vito Latora) konnte so herausfinden, dass einige bergangsprozesse zwischen verschiedenen Zustnden des Stromnetzes auf einer Zeitskala von einigen Sekunden ablaufen. Diese knnen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von kollektiven Reaktionen spielen, was schlielich bis zu einem Blackout fhren kann. Wir schlagen in unserer Studie eine Vorhersagemethode vor, um potenziell gefhrdete Leitungen und Netzwerk-Komponenten bereits bei der Planung und wenn sinnvoll auch whrend des Betriebs von Leitungsnetzen zu identifizieren. Solche dynamischen Effekte knnten in Risiko-Abschtzungen und Systemplanungen von Netzbetreibern integriert werden. Insgesamt unterstreichen unsere Ergebnisse die Bedeutsamkeit von dynamisch induzierten Ausfllen fr die Anpassungsvorgnge der nationalen Stromnetze verschiedener europischer Lnder, sagt Prof. Marc Timme von der strategischen Professur fr Netzwerk-Dynamik an der TU Dresden.

Besonders groe Stromausflle, 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 groer Teile des Europischen Netzes gefhrt und bis zu 120 Millionen Menschen betroffen. Solche ungnstigen Kettenreaktionen knnen 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 Jlich erklrt die Grnde: In den letzten Jahren geht der Trend im Stromsektor immer weiter hin zu starker Vernetzung, die Lnder sind sehr eng in das europische Verbundnetz eigebunden. Da so Ausflle irgendwo in diesem Netz jederzeit auch uns betreffen knnten, mssen wir die Ursachen verstehen. Deshalb beschftigten uns diese Fragen: Knnen wir verstehen, wie diese schnellen Prozesse ablaufen? Knnen wir vorhersagen, welche Leitungen einen groflchigen Stromausfall provozieren knnen?

Der Grundgedanke fr die Sicherheitsarchitektur der Stromnetze ist folgender: Fllt irgendein Teil des Netzes aus, dann soll das Stromnetz weiterhin in der Lage sein zu funktionieren. Das Netz nimmt dann einen neuen stationren Zustand ein, um die Fehlstelle auszugleichen. Die Fragestellung, wie dieser stationre Zustand aussieht, wenn das Netz genug Zeit hat, einen neuen stabilen Zustand zu finden, ist schon vielfach untersucht worden. Fr die vergleichsweise kurze Zeitskala der Fehlerkaskaden in Stromnetzen jedoch leistet unsere aktuelle Untersuchung quasi Pionierarbeit, so Vito Latora, Professor fr Komplexe Systeme an der Queen Mary Universitt 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 Stabilitt vorhersagt. Insgesamt werden so mehr mgliche Ausflle entdeckt und der potentielle Umfang eines Ausfalls genauer vorhergesagt. Um die am Modell gefundenen Prozesse mit der Wirklichkeit abzugleichen, wurden Stromleitungs-Netzwerke mit realer Verknpfungsstruktur untersucht, konkret die spanische, britische und franzsische Topologie. Dabei wurde das neue Analyseverfahren erfolgreich auf komplexe und realistischere Netze angewendet.

Zudem wurden statistische Untersuchungen zu Ausfllen mittels des dynamischen Ansatzes durchgefhrt. Wie viele Leitungen fallen aus, wenn eine zufllige Leitung betroffen ist? In vielen Fllen sind die Auswirkungen gering, d.h. es fallen kaum weitere Leitungen aus. Gleichzeitig gibt es einige wenige kritische Leitungen, die zu greren Ausfllen fhren. Insbesondere vor dem Hintergrund mglicher Anschlge (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 Schfer vom cfaed an der TU Dresden.

Schlielich wurden auch erste Untersuchungen zur Ausbreitung von Kaskaden im Netz durchgefhrt. Statt rein geographischer Abstnde zwischen verschieden Orten betrachten wir die sogenannte effektive Distanz, welche bercksichtigt, wie stark sich unterschiedliche Teile des Stromnetzes gegenseitig beeinflussen knnen. Hier ist jedoch fr ein besseres Verstndnis noch weitere Forschung ntig, um schlielich auch Mglichkeiten zu finden, solche Kaskaden zu stoppen erklrt Schfer.

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