Ecological network analysis and optimization of resilience and efficiency for electric power systems design

The simultaneous increase in natural disasters and human dependence on critical infrastructures for essential services such as water, electricity, etc., places ever-increasing demands on the reliable, safe, resilient design and operation of these infrastructures, with a trade-off between continuity of supply (safety and resilience) and quality of supply (reliability and efficiency) at limited cost. With this in mind, a new methodology for the analysis of electric power systems inspired by natural ecosystems is proposed here and applied to representative systems from literature, namely IEEE 30, IEEE 39, IEEE 57, IEEE 118, and IEEE 300. Information theory is used to quantify the results of the ecological network analysis (ENA) performed. The analysis shows that electric power systems are more efficient than reliable and vulnerable to disasters. A flow matrix is constructed from the available IEEE systems data, quantified and analyzed using information theory, and finally validated by contingency analysis and SCOPF analysis. The original network configurations are compared to random generated topologies. Comparisons are also made with ENA-inspired configurations. The latter show significantly fewer violations in each contingency scenario compared to the original configurations, further supporting the use of ENA to balance power system efficiency and resilience. Thus, ENA can be used to develop power systems with balanced efficiency and resilience.

L'aumento simultaneo delle catastrofi naturali e della dipendenza umana dalle infrastrutture critiche per i servizi essenziali quali l'acqua, l'elettricità, ecc., pone una domanda sempre crescente alla progettazione e al funzionamento affidabile, sicuro e resiliente di queste infrastrutture, con un compromesso tra la continuità dell'approvvigionamento (sicurezza e resilienza) e la qualità dell'approvvigionamento (affidabilità ed efficienza) a costi limitati. In quest'ottica, viene qui proposta una nuova metodologia per l'analisi dei sistemi di energia elettrica ispirati agli ecosistemi naturali e applicata a sistemi rappresentativi della letteratura, ovvero IEEE 30, IEEE 39, IEEE 57, IEEE 118 e IEEE 300. La teoria dell'informazione viene utilizzata per quantificare i risultati dell'analisi della rete ecologica (ENA) eseguita. L'analisi mostra che i sistemi di energia elettrica sono più efficienti che affidabili e vulnerabili ai disastri. Una matrice di flusso è costruita dai dati di sistemi IEEE disponibili, quantificati e analizzati utilizzando la teoria dell'informazione, e infine convalidati da analisi di contingenza e analisi SCOPF. Le configurazioni di rete originali sono confrontate con topologie generate casualmente. I confronti sono fatti anche con configurazioni ispirate all'ENA. Questi ultimi mostrano un numero significativamente inferiore di violazioni in ogni scenario di emergenza rispetto alle configurazioni originali, sostenendo ulteriormente l'uso di ENA per bilanciare l'efficienza e la resilienza del sistema di alimentazione. Pertanto, ENA può essere utilizzato per sviluppare sistemi di alimentazione con efficienza e resilienza bilanciate.