Nuevas técnicas para modelizar y analizar la vulnerabilidad de infraestructuras críticas de energía interdependientes

La interdependencia entre las redes de gas y electricidad es motivo de preocupación debido a la creciente utilización del gas para la generación de electricidad en centrales de ciclo combinado y al uso de energía eléctrica de los compresores en la red de gas. Estas redes están sujetas a riesgos de interrupción del suministro derivados de posibles problemas técnicos o amenazas intencionadas. Por lo tanto, resulta conveniente modelizar y analizar la vulnerabilidad de estas infraestructuras críticas de energía interdependientes.En esta tesis doctoral se presenta, en primer lugar, una metodología para analizar conjuntamente los flujos de electricidad y gas. El conjunto de ecuaciones no lineales que representan la operación del sistema de potencia se resuelve utilizando el método de Newton-Raphson, mientras que las ecuaciones en la red de gas se resuelven utilizando el enfoque de transformada análoga-lineal. Se presentan dos casos de estudio para demostrar la simplicidad de la metodología propuesta. Los resultados obtenidos se verifican contra el método Newton-Raphson tradicional con el fin de comprobar la solución alcanzada, encontrando un buen desempeño de la metodología conjunta aplicada. La aplicación del enfoque propuesto permite el análisis de la vulnerabilidad de las infraestructuras energéticas interdependientes. También, se desarrolla una metodología para evaluar la vulnerabilidad estructural de las redes de energía eléctrica y gas acopladas, considerando interdependencias en el proceso de fallos en cascada. La vulnerabilidad se evalúa empleando el índice de desconexión de carga y las medidas de centralidad de vulnerabilidad geodésica e impacto en la conectividad. El estudio muestra una elevada correlación entre el índice de desconexión de carga y el índice de vulnerabilidad geodésica. De esta manera, la teoría de grafos puede usarse como sustituto de los enfoques de flujos de carga que demandan un conocimiento detallado de los parámetros eléctricos e hidráulicos de los sistemas bajo estudio y son computacionalmente más intensivos que los métodos estadísticos de grafos. Como resultado, se propone un nuevo método para estimar la vulnerabilidad de las redes de energía eléctrica y gas conjuntas utilizando el índice de vulnerabilidad geodésica. Asimismo, se estudia el comportamiento de las redes de electricidad y gas natural de España, tanto de manera separada como conjunta. Los resultados muestran que la red de gas natural es menos robusta que la red eléctrica y que la red acoplada es más vulnerable que la red eléctrica ante fallos aleatorios y deliberados. Además, eliminar los nodos más fuertemente conectados de los dos sistemas independientes resultaría una estrategia de ataque eficaz para el rápido colapso de las infraestructuras acopladas interdependientes. Por último, se evalúa la robustez estructural de los planes de expansión de las infraestructuras de electricidad y gas natural en España. Los casos de estudio corresponden a las principales inversiones propuestas por los operadores de los sistemas en 2015-2020. Los resultados demuestran que la construcción de algunas instalaciones para la expansión de ambas redes no mejora la robustez estructural de la red acoplada; sin embargo, cuando se tiene en cuenta todo el programa de inversión se produce una mejora relativa de hasta un 6% con respecto al caso base. La metodología propuesta en esta tesis corrobora que la aplicación de la teoría de grafos es adecuada para analizar la planificación de activos de una infraestructura energética crítica, requiriendo únicamente la topología y el programa de inversiones para evaluar el desempeño de la red acoplada en caso de fallos en cascada. En suma, esta tesis doctoral pone de relieve la importancia de que los sistemas energéticos se aborden como redes acopladas debido a sus fuertes interacciones. Una perturbación en un sistema puede no ser crítica si las infraestructuras están separadas, pero dado que ambas redes son interdependientes, el impacto resultante podría causar fallos en el otro sistema. En otras palabras, las interdependencias aumentan el impacto de las perturbaciones.<br /

Towards a Realistic Model for Failure Propagation in Interdependent Networks

Modern networks are becoming increasingly interdependent. As a prominent example, the smart grid is an electrical grid controlled through a communications network, which in turn is powered by the electrical grid. Such interdependencies create new vulnerabilities and make these networks more susceptible to failures. In particular, failures can easily spread across these networks due to their interdependencies, possibly causing cascade effects with a devastating impact on their functionalities. In this paper we focus on the interdependence between the power grid and the communications network, and propose a novel realistic model, HINT (Heterogeneous Interdependent NeTworks), to study the evolution of cascading failures. Our model takes into account the heterogeneity of such networks as well as their complex interdependencies. We compare HINT with previously proposed models both on synthetic and real network topologies. Experimental results show that existing models oversimplify the failure evolution and network functionality requirements, resulting in severe underestimations of the cascading failures.Comment: 7 pages, 6 figures, to be published in conference proceedings of IEEE International Conference on Computing, Networking and Communications (ICNC 2016), Kauai, US

Failure dynamics of the global risk network

Risks threatening modern societies form an intricately interconnected network that often underlies crisis situations. Yet, little is known about how risk materializations in distinct domains influence each other. Here we present an approach in which expert assessments of risks likelihoods and influence underlie a quantitative model of the global risk network dynamics. The modeled risks range from environmental to economic and technological and include difficult to quantify risks, such as geo-political or social. Using the maximum likelihood estimation, we find the optimal model parameters and demonstrate that the model including network effects significantly outperforms the others, uncovering full value of the expert collected data. We analyze the model dynamics and study its resilience and stability. Our findings include such risk properties as contagion potential, persistence, roles in cascades of failures and the identity of risks most detrimental to system stability. The model provides quantitative means for measuring the adverse effects of risk interdependence and the materialization of risks in the network

Methodologies synthesis

This deliverable deals with the modelling and analysis of interdependencies between critical infrastructures, focussing attention on two interdependent infrastructures studied in the context of CRUTIAL: the electric power infrastructure and the information infrastructures supporting management, control and maintenance functionality. The main objectives are: 1) investigate the main challenges to be addressed for the analysis and modelling of interdependencies, 2) review the modelling methodologies and tools that can be used to address these challenges and support the evaluation of the impact of interdependencies on the dependability and resilience of the service delivered to the users, and 3) present the preliminary directions investigated so far by the CRUTIAL consortium for describing and modelling interdependencies

Security assessment of cross-border electricity interconnections

Cross-border electricity interconnections are important for ensuring energy exchange and addressing undesirable events such as power outages and blackouts. This paper assesses the performance of interconnection lines by measuring their impacts on the main reliability and vulnerability indicators of interconnected power systems. The reliability study is performed using the sequential Monte Carlo simulation technique, while the vulnerability assessment is carried out by proposing a cascading failures methodology. The conclusions obtained show that highly connected infrastructures have simultaneously high reliability and limited robustness, which suggests that both approaches show different operational characteristics of the power system. Nevertheless, an appropriate increase in the number and capacity of the interconnections can help to improve both security parameters of the power supply. Seven case studies are performed based on the IEEE RTS-96 test system. The results can be used to help transmission system operators better understand the behaviour and performance of electrical networks

The Precautionary Principle (with Application to the Genetic Modification of Organisms)

We present a non-naive version of the Precautionary (PP) that allows us to avoid paranoia and paralysis by confining precaution to specific domains and problems. PP is intended to deal with uncertainty and risk in cases where the absence of evidence and the incompleteness of scientific knowledge carries profound implications and in the presence of risks of "black swans", unforeseen and unforeseable events of extreme consequence. We formalize PP, placing it within the statistical and probabilistic structure of ruin problems, in which a system is at risk of total failure, and in place of risk we use a formal fragility based approach. We make a central distinction between 1) thin and fat tails, 2) Local and systemic risks and place PP in the joint Fat Tails and systemic cases. We discuss the implications for GMOs (compared to Nuclear energy) and show that GMOs represent a public risk of global harm (while harm from nuclear energy is comparatively limited and better characterized). PP should be used to prescribe severe limits on GMOs