Flood damage assessment to power grids

Flood damage assessment is a critical aspect in any decision-making process on flood risk management. For this reason, reliable tools for flood damage estimation are required for all the categories of exposed elements. Power grids are critical infrastructures (CIs) that constitute the lifeblood of societal and economic development. They can suffer significant economic losses in case of floods. Moreover, floods significantly affect their functionality in terms of frequency, magnitude, and duration of power outages triggered by the failure of certain components. These outages can lead to widespread impacts on households, businesses, industries, or agricultures, and on other infrastructures dependent on electricity for their functioning. Despite this, modelling flood damage to power grids (and more in general to CΙs) is still a challenging task. In fact, the current procedures for flood risk assessment generally neglect, or estimate with over-simplified assumptions and tools, damage to them. This is due to (i) the structural and dynamic complexity of infrastructure networks, (ii) the lack of knowledge to investigate damage mechanisms, and (iii) the paucity of data to calibrate and validate damage models. Given the lack of a consolidated methodology for comprehensive flood damage assessment to power grids, this dissertation takes up the challenge to address this topic. The objective is twofold: (i) to enrich the knowledge on damage mechanisms and (ii) to supply a modelling and simulation tool that focuses on the estimation of flood damage to components, the arising cascading effects and failures within networks, and the power outage impact on customers. To achieve this goal, the study undertakes two consecutive steps: the development of a conceptual framework and of a modelling framework. The conceptualization of flood damage to power grids derives from a thorough literature review. The conceptual framework highlights: (i) the different kinds of damage (i.e., direct, indirect, and systemic) the network can suffer, (ii) the hazard, exposure, and vulnerability parameters on which they depend, (iii) the spatial and temporal scales required for their assessment, (iv) the interconnections between power grids and economic activities, and (v) the different recipients of economic losses. The development of this framework stresses the importance of dividing the damage assessment into two steps: the estimation of damage in physical units and the consequent economic losses in monetary terms. The variety of damage mechanisms and cascading effects that shape the final damage picture, asks for an interdisciplinary and multi-scale evaluation approach. The literature review reveals the urgent need of combining the available modelling and analysis methods in order to estimate the direct, indirect, and systemic damage to this CI in a coherent manner. Correspondingly, the modelling framework combines modelling tools and approaches from different disciplines, namely a hydraulic model to generate hazard scenarios, fragility curves to describe the stochastic process of failures of the power grid components, a simulation-based model to analyse the power flow, and a socio-economic model to characterize the customers connected to the power grid. The obtained framework of probabilistic damage assessment allows: (i) considering the magnitude and frequency of floods, (ii) evaluating the vulnerability of power grids components, (iii) estimating their spatio-temporal probabilities of failure, (iv) analysing the cascading effects across power transmission and distribution networks, and (v) assessing the impact of power outages on the final customers. A synthetic case study is worked out with reference to the IEEE 14 bus system benchmark, which includes the spatial location of the hazard source, of power grid features, and the involved customer categories. The results evidence the propagation of damage to power-dependent economic activities far from the inundated area. Overall, the conceptual framework provides modelers with an informative tool in support of more comprehensive and reliable flood damage assessments to power grids. Indeed, the use of the modelling and simulation tool, subsequently developed based on the conceptual framework, can enable finding the most critical components for the security of power supply during flooding and its outcomes can assist decision-makers to formulate effective risk mitigation strategies for guaranteeing public security and ensuring financial well-being.

La valutazione dei danni delle alluvioni è un aspetto critico in qualsiasi processo decisionale sulla gestione del rischio di alluvioni. Per questo motivo sono necessari strumenti affidabili per la stima dei danni da alluvione per tutte le categorie di elementi esposti. Le reti elettriche sono infrastrutture critiche (CI) che costituiscono la linfa vitale dello sviluppo sociale ed economico. Possono subire perdite economiche significative in caso di inondazioni. Inoltre, le inondazioni influiscono in modo significativo sulla loro funzionalità in termini di frequenza, entità e durata delle interruzioni di corrente innescate dal guasto di alcuni componenti. Queste interruzioni possono portare a impatti diffusi su famiglie, imprese, industrie o agricoltura e su altre infrastrutture che dipendono dall’elettricità per il loro funzionamento. Nonostante ciò, la modellazione dei danni causati dalle inondazioni alle reti elettriche (e più in generale ai CΙs) è ancora un compito impegnativo. In effetti, le attuali procedure per la valutazione del rischio di alluvioni generalmente trascurano, o stimano con ipotesi e strumenti eccessivamente semplificati, i danni ad essi causati. Ciò è dovuto (i) alla complessità strutturale e dinamica delle reti infrastrutturali, (ii) alla mancanza di conoscenze per indagare sui meccanismi di danno e (iii) alla scarsità di dati per calibrare e validare i modelli di danno. Data la mancanza di una metodologia consolidata per la valutazione completa dei danni provocati dalle inondazioni alle reti elettriche, questa tesi raccoglie la sfida di affrontare questo argomento. L'obiettivo è duplice: (i) arricchire le conoscenze sui meccanismi di danno e (ii) fornire uno strumento di modellazione e simulazione incentrato sulla stima dei danni provocati dalle inondazioni ai componenti, sugli effetti a cascata e sui guasti all'interno delle reti e sulle interruzioni di corrente impatto sui clienti. Per raggiungere questo obiettivo, lo studio intraprende due fasi consecutive: lo sviluppo di un quadro concettuale e di un quadro di modellizzazione. La concettualizzazione dei danni provocati dalle inondazioni alle reti elettriche deriva da un’approfondita revisione della letteratura. Il quadro concettuale evidenzia: (i) i diversi tipi di danno (i.e., diretto, indiretto e sistemico) che la rete può subire, (ii) i parametri di pericolo, esposizione e vulnerabilità da cui dipendono, (iii) l’assetto spaziale e scale temporali necessarie per la loro valutazione, (iv) le interconnessioni tra reti elettriche e attività economiche, e (v) i diversi destinatari delle perdite economiche. Lo sviluppo di questo quadro sottolinea l’importanza di dividere la valutazione del danno in due fasi: la stima del danno in unità fisiche e le conseguenti perdite economiche in termini monetari. La varietà dei meccanismi di danno e degli effetti a cascata che modellano il quadro finale del danno richiede un approccio di valutazione interdisciplinare e multiscala. La revisione della letteratura rivela l’urgente necessità di combinare i metodi di modellizzazione e analisi disponibili al fine di stimare il danno diretto, indiretto e sistemico a questo CI in modo coerente. Di conseguenza, il quadro di modellazione combina strumenti di modellazione e approcci di diverse discipline, vale a dire un modello idraulico per generare scenari di pericolo, curve di fragilità per descrivere il processo stocastico di guasti dei componenti della rete elettrica, un modello basato sulla simulazione per analizzare il flusso di potenza e un modello socio-economico per caratterizzare i clienti connessi alla rete elettrica. Il quadro ottenuto per la valutazione probabilistica dei danni consente di: (i) considerare l'entità e la frequenza delle inondazioni, (ii) valutare la vulnerabilità dei componenti delle reti elettriche, (iii) stimare le loro probabilità spazio-temporali di guasto, (iv) analizzare gli effetti a cascata attraverso le reti di trasmissione e distribuzione di energia e (v) valutare l'impatto delle interruzioni di corrente sui clienti finali. Viene elaborato un caso di studio sintetico con riferimento al benchmark del sistema bus IEEE 14, che include la posizione spaziale della fonte di pericolo, delle caratteristiche della rete elettrica e le categorie di clienti coinvolti. I risultati evidenziano la propagazione dei danni alle attività economiche dipendenti dall’energia lontano dall’area inondata. Nel complesso, il quadro concettuale fornisce ai modellizzatori uno strumento informativo a supporto di valutazioni più complete e affidabili dei danni delle inondazioni alle reti elettriche. Infatti, l’uso dello strumento di modellazione e simulazione, successivamente sviluppato sulla base del quadro concettuale, può consentire di individuare i componenti più critici per la sicurezza dell’approvvigionamento energetico durante le inondazioni e i suoi risultati possono aiutare i decisori a formulare strategie efficaci di mitigazione del rischio per garantire pubblica sicurezza e garantire il benessere finanziario.