¿Por qué los sistemas de distribución de energía son tan propensos a fallas masivas?

TLDR: un mejor diseño no es asequible.

La causa raíz técnica es la velocidad limitada de la luz. La causa raíz natural es el conflicto de la economía de escala frente al requisito de redundancia.

Todos los elementos de suministro de energía en el sistema se están protegiendo a sí mismos al desconectar y detener el suministro. La desaparición del proveedor, provoca un aumento de la carga individual en otros proveedores. Que a su vez se desconectan. La escalada de apagones se comporta como una avalancha.

El diseño adecuado debe tener una granularidad de control de la demanda (grupo de consumidores) que sea más fino que el proveedor individual más pequeño, y la capacidad de suministro total debe ser mayor que la demanda total por al menos una unidad de granularidad del proveedor. En teoría, la redundancia de los proveedores debe proteger contra apagones. Pero en realidad, la granularidad en ambos lados es demasiado gruesa y es imposible hacerla más fina. Porque la reducción de personal está en conflicto con la economía de escala. Cada planta de energía, línea de distribución y otros elementos están diseñados para ser lo más grandes posible y el punto de conexión con el consumidor siempre supera la granularidad de tamaño óptimo. Debido a la competencia en el mercado, no es posible limitar el tamaño de las líneas, las centrales eléctricas y otros elementos.

La solución solo se puede encontrar en el espacio regulatorio. Diga: agregue la capacidad de control de carga inteligente a todos los equipos domésticos con calificación Energy-Star e introduzca el concepto de "calidad de servicio", sistema complejo de tarifas, enlaces ascendentes, protocolos, etc.

Se llama falla en cascada.

Tomemos un ejemplo de escenario que involucra tres ciudades y tres centrales eléctricas, todas interconectadas. Esto implica muchos números inventados, pero trabaja conmigo aquí.

Power consumption:
 City A = 10 MW
 City B = 20 MW
 City C = 30 MW

City A uses PP A (10 MW) entirely. 
City B uses PP A (4 MW) and PP B (16 MW.) 
City C uses PP B (10 MW) and PP C (20 MW.)

Available capacity and used capacity:
 Power plant A = 15 MW (14 MW)
 Power plant B = 30 MW (26 MW)
 Power plant C = 28 MW (20 MW)

Oh shucks! A power line coming from PP C to City C goes down - half its capacity is lost. 
The computer automatically switches City C over to use PP B entirely because 
it is designed to keep City C going. 

Now PP B is loaded down with 30 MW + 16 MW = 46 MW. Its breakers trip. PP B goes down. 
City B and City C go dark. 
City B switches over to use PP A. 
Oops! PP A is now loaded down with 14 MW + 16 MW = 30 MW. So its breakers trip. 
Now due to a simple fault originating with City C, all three cities have gone dark. 

Se diseñará un sistema bien diseñado para manejar este ejemplo simple, donde un solo fallo puede causar el fallo de toda la red. Sin embargo, a menudo no es un solo fallo el que puede ser el problema. En un día frío la gente puede encender sus calentadores. Las líneas están funcionando a plena capacidad. Pero la tormenta se hace más fuerte y una línea se cae ... no hay problema. Luego, otra línea baja y otra ... eventualmente, el problema empeora cada vez más hasta que se produce la situación descrita anteriormente.

De hecho, el bloqueo del noreste de EE. UU. se debió a este problema, pero fue el aire acondicionado y los días calurosos que provocaron que las líneas se hundieran. Unas cuantas fallas, combinadas con un poco de error humano, dejaron la oscuridad del noreste de los Estados Unidos durante aproximadamente un día.

Esto es "como lo entiendo. Usted juzga qué tan bueno es mi comprensión :-).

Si hubiera una respuesta perfecta a por qué y cómo suceden tales cosas, entonces no ocurrirían, ya que los sistemas se implementarían en función de los motivos para evitar que ocurran. Es "las cosas que se salen de control más rápido de lo que se puede anticipar razonablemente" lo que causa el problema. Los errores de software no ayudan.

Tenga en cuenta que las interrupciones extremadamente importantes son muy poco frecuentes. La protección contra el tipo de fallas que usted describe ocurre con regularidad, lo que ocasiona apagones en las áreas locales, a menudo hasta una cuadra, algunas veces hasta unas pocas cuadras, o una interrupción del nivel de la subestación local y, a veces, una gran parte de la ciudad.

Los problemas causados por la sobrecarga de un circuito o área local generalmente conducen a la desconexión de la alimentación, a las interrupciones de la corriente y a un exceso de capacidad de generación (ya que su carga se ha ido) y la necesidad de hacer retroceder el sistema para mantener el voltaje y la frecuencia dentro de los límites Estos son los más fáciles. Mientras el sistema pueda soportar la breve situación de exceso de oferta, ya que las estaciones se desconectan o se activan, entonces todo está bien.

Una interrupción por rodadura se produce cuando una combinación de falla y carga coloca una estación de energía o un circuito de suministro en una situación en la que no puede sostener la carga y se "hunde" o está lo suficientemente sobrecargada que debe apagarse para protegerse. Donde la capacidad de generación se cae pero la carga permanece, los problemas comienzan.

Cuando la velocidad a la que ocurre esto se puede anticipar razonablemente, hay medios disponibles para cargar. Algunas industrias operan bajo acuerdos por los cuales el poder se puede perder instantáneamente. El calentamiento del agua y el calentamiento nocturno se pueden eliminar tan rápidamente como lo permita la respuesta del sistema de control. Básicamente, una sección de la red constituirá una sobrecarga y puede o debe eliminarse. En un sistema de red distribuida donde la potencia puede fluir bidireccionalmente dependiendo de la demanda y el enrutamiento, en el peor de los casos, se puede alcanzar una condición (como lo demuestra la experiencia) donde una sobrecarga creciente tiende a perder capacidad para proteger la capacidad que la carga. es decir, en un circuito sobrecargado, el 'generador' puede deshacerse de una carga para protegerse a sí mismo, pero si la carga está efectivamente corriente arriba del generador, esto solo tiene el efecto de transferir su carga, y por lo tanto su problema, a en algún otro lugar.

Pronto se llega a una situación en la que las cargas deben poder eliminarse de manera preventiva sin ser los contribuyentes reales al problema. Si esto no es posible, el fracaso es seguro. Si es posible, la pregunta es "¿Qué circuito no involucrado debe activarse para salvar esta situación?" Hacerlo mal o no ser lo suficientemente radical conduce al fracaso masivo.

Si un enlace, generador, interruptor u otra parte de la red eléctrica se sobrecarga, será necesario desconectar algunas partes de la misma con relativa rapidez para evitar daños. Si la red de distribución fuera un árbol con un solo suministro en la raíz, sería sencillo averiguar qué desconectar: cuando un nodo esté sobrecargado, elimine el descendiente de prioridad más baja y siga haciendo eso hasta que no haya más nodos sobrecargados. Si los nodos descendientes están ampliamente distribuidos, podría haber algunos problemas técnicos para organizar una comunicación rápida, de modo que un nodo no se caiga a menos que la eliminación de sus parientes de prioridad más baja sea insuficiente para resolver el problema, pero determinar qué nodos deberían caer es fundamentalmente no es difícil si se supone que la calidad de una solución depende únicamente de la prioridad del nodo más alto que se descargue (y, por supuesto, del hecho de que resuelve las sobrecargas).

Sin embargo, la red eléctrica real no es una estructura de árbol de este tipo. La desconexión de parte de un árbol de una sola fuente, para todas las demás partes, reducirá la demanda sin dejar el suministro sin cambios, reducirá el suministro a cero o no tendrá ningún otro efecto. Sin embargo, desconectar parte de la red más fuertemente conectada a menudo reducirá el suministro pero no a cero, dejando así una parte activa de la red aún más sobrecargada que antes de la desconexión. Idealmente, todas las partes de la red podrían negociar la combinación óptima de nodos para desconectarse y resolver las sobrecargas con una interrupción mínima. Desafortunadamente, los nodos sobrecargados a menudo no pueden permitirse esperar mucho tiempo para obtener alivio por temor a sufrir daños. A veces, un nodo tendrá que cortar un enlace para protegerse a sí mismo, y tal separación puede terminar creando una sobrecarga inmediata y severa en otro lugar.

Como ejemplo simple, imagine que A, B y C (capacidad de 100 unidades cada una) fuente D, que fuente E, F, G, H e I (demandan 60 unidades cada una). Algo sucede que reduce la capacidad de C en 10 unidades, por lo que A y B están en su capacidad máxima, y C tiene 10 unidades sobrecargadas. Descartar resolvería la sobrecarga, pero si la red no puede resolverse lo suficientemente rápido como para descartarla, C tendría que eliminarse de la red. Cuando eso suceda, A y B ahora estarán sobrecargados en un 50% cada uno. Incluso con C desaparecido, las sobrecargas podrían solucionarse eliminando H e I, pero se produciría una carrera entre si A o B (ambos con un 50% de sobrecarga) caería antes de H e I. Si A o B caen primero, entonces la carrera para ver si cuatro de las cargas se podrían eliminar antes de que caiga el otro generador.