Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Vulnerability Analysis of Power Distribution Systems for Cost-effective Resource Allocation
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electromagnetic Engineering. (RCAM)ORCID iD: 0000-0001-6882-3642
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electromagnetic Engineering. (RCAM)ORCID iD: 0000-0002-2964-7233
2012 (English)In: IEEE Transactions on Power Systems, ISSN 0885-8950, E-ISSN 1558-0679, Vol. 27, no 1, 224-232 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

This paper proposes a method to allocate resources in power distribution planning and also introduces a new reliability index category, RT, flexibility to adjust to different laws or DSO policies of long outages. Possible legal consequences for distribution system operators are first identified and studied. A vulnerability-analysis method is introduced, including a statistical validation. The overall idea is to identify and evaluate possible states of power distribution systems using quantitative reliability analyses. Results should thus indicate how available resources (both human recourses and equipment) could be better utilized, e.g. in maintenance and holiday scheduling and in evaluating whether additional security should be deployed for certain forecasted weather conditions.

To evaluate the method, an application study has been performed based on hourly weather measurements and about 65 000 detailed failure reports over eight years for two distribution systems in Sweden. Months, weekdays and hours have been compared and the vulnerability of several weather phenomena in these areas has been evaluated. Of the weather phenomena studied, only heavy snowfall and strong winds, especially in combination, significantly affect the reliability. Temperature (frost), rain and snow depth have a relatively low or no impact. 

Place, publisher, year, edition, pages
IEEE Press, 2012. Vol. 27, no 1, 224-232 p.
Keyword [en]
Management decision-making, Power distribution, Reliability, Risk analysis, Weather forecasting
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-37305DOI: 10.1109/TPWRS.2011.2165226ISI: 000299506300024Scopus ID: 2-s2.0-84856294841OAI: oai:DiVA.org:kth-37305DiVA: diva2:433003
Note

QC 20120227

Available from: 2011-08-08 Created: 2011-08-08 Last updated: 2017-12-08Bibliographically approved
In thesis
1. On Incentives affecting Risk and Asset Management of Power Distribution
Open this publication in new window or tab >>On Incentives affecting Risk and Asset Management of Power Distribution
2011 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The introduction of performance based tariff regulations along with higher media and political pressure have increased the need for well-performed risk and asset management applied to electric power distribution systems (DS), which is an infrastructure considered as a natural monopoly. Compared to other technical systems, DS have special characteristics which are important to consider. The Swedish regulation of DS tariffs between 1996 and 2012 is described together with complementary laws such as customer compensation for long outages. The regulator’s rule is to provide incentives for cost efficient operation with acceptable reliability and reasonable tariff levels. Another difficult task for the regulator is to settle the complexity, i.e. the balance between considering many details and the manageability. Two performed studies of the former regulatory model, included in this thesis, were part of the criticism that led to its fall. Furthermore, based on results from a project included here, initiated by the regulator to review a model to judge effectible costs, the regulator changed some initial plans concerning the upcoming regulation.

 

A classification of the risk management divided into separate categories is proposed partly based on a study investigating investment planning and risk management at a distribution system operator (DSO). A vulnerability analysis method using quantitative reliability analyses is introduced aimed to indicate how available resources could be better utilized and to evaluate whether additional security should be deployed for certain forecasted events. To evaluate the method, an application study has been performed based on hourly weather measurements and detailed failure reports over eight years for two DS. Months, weekdays and hours have been compared and the vulnerability of several weather phenomena has been evaluated. Of the weather phenomena studied, heavy snowfall and strong winds significantly affect the reliability, while frost, rain and snow depth have low or no impact. The main conclusion is that there is a need to implement new, more advanced, analysis methods. The thesis also provides a statistical validation method and introduces a new category of reliability indices, RT.

Abstract [sv]

Distribution av elektricitet är att betrakta som ett naturligt monopol och är med stor sannolikhet det moderna samhällets viktigaste infrastruktur – och dess betydelse förutspås öka ytterligare i takt med implementering av teknik ämnad att minska mänsklighetens klimatpåverkan. I Sverige finns det fler än 150 elnätsbolag, vilka är av varierande storleksordning och med helt olika ägarstrukturer. Tidigare var handel med elektricitet integrerat i elnätsbolagens verksamhet, men 1996 avreglerades denna; infrastruktur för överföring separerades från produktion och handel. Införandet av kvalitetsreglering av elnätstariffer under början av 2000-talet och hårdare lagar om bland annat kundavbrottsersättning samt politiskt- och medialt tryck har givit incitament till kostnadseffektivitet med bibehållen god leveranskvalitet. En viktig aspekt är att eldistribution har, jämfört med andra infrastrukturer, flera speciella egenskaper som måste beaktas, vilket beskrives i avhandlingens första del tillsammans med introduktion av risk- och tillförlitlighetsteori samt ekonomisk teori.  Två studier som kan ha bidragit till den förra regleringens fall och en studie vars resultat ändrat reglermyndighetens initiala idé avseende modell för att beräkna påverkbara kostnader i kommande förhandsreglering från 2012 är inkluderade.

 

Av staten utsedd myndighet övervakar att kunder erbjudes elnätsanslutning och att tjänsten uppfyller kvalitetskrav samt att tariffnivåerna är skäliga och icke diskriminerande. Traditionellt har elnätsföretag mer eller mindre haft tillåtelse till intäkter motsvarande samtliga omkostnader och skälig vinst, så kallad självkostnadsprissättning. Under slutet av 1990-talet började ansvarig myndighet emellertid arbeta mot en reglering av intäktsram som även beaktar kostnadseffektivitet och kundkvalitet. Vid utformande av en sådan reglering måste svåra avvägningar göras. Exempelvis bör elnätsföretags objektiva förutsättningar, såsom terräng och kunder, tas i beaktning samtidigt som modellen bör vara lätthanterlig och konsekvent. Myndigheten ansåg ingen existerande reglermodell vara lämplig att anpassa till svenska förhållanden, så en ny modell utvecklades: Nätnyttomodellen (NNM). För 2003 års tariffer användes denna och beslut om krav på återbetalning till berörda elnätskunder togs, vilka överklagades. En utdragen juridisk process inleddes, där modellen kritiserades hårt av branschen på flera punkter. Två, i avhandlingen inkluderade studier, underbyggde kritisk argumentation mot NNM. Beslut i första instans (Länsrätt) hade inte tagits 2008 då parterna kom överens avseende år 2003-2007. Ett EU-direktiv tvingar Sverige att gå över till förhandsreglering, och i stället för att modifiera NNM och fortsätta strida juridiskt för den, togs beslut att ta fram en helt ny modell. Nätföretagens tillåtna intäktsram kommer förenklat grunda sig på elnätsföretagens kapitalkostnader och löpande kostnader. Därtill, utifrån hur effektivt och med vilken kvalitet nätföretagen bedrivit sin verksamhet, kan tillåten intäktsram justeras.

 

En systematisk beskrivning av ett elnätsföretags nuvarande riskhantering och investeringsstrategier för olika spänningsnivåer tillhandahålles med syfte att stödja elnätsföretag i utvecklandet av riskhantering och att ge akademiskt referensmaterial baserat på branscherfarenhet. En klassificering av riskhantering uppdelat i olika kategorier och en sårbarhetsanalysmetod samt en ny tillförlitlighetsindexkategori (RT) föreslås i avhandlingen, delvis baserat på genomförd studie. Sårbarhetsanalysens övergripande idé är att identifiera och utvärdera möjliga systemtillstånd med hjälp av kvantitativa tillförlitlighetsanalyser. Målet är att detta skall vara ett verktyg för att nyttja tillgängliga resurser effektivare, t.ex. förebyggande underhåll och semesterplanering samt för att bedöma om förebyggande åtgärder baserat på väderprognoser vore lämpligt. RT är en flexibel kategori av mått på sannolikhet för kundavbrott ≥T timmar, vilket exempelvis är användbart för analys av kundavbrottsersättningslagars påverkan; sådana har exempelvis införts i Sverige och UK under 2000-talet. En statistisk valideringsmetod av tillförlitlighetsindex har tagits fram för att uppskatta statistisk osäkerhet som funktion av antal mätdata ett tillförlitlighetsindexvärde är baseras på.

 

För att utvärdera introducerad sårbarhetsanalysmetod har en studie utförts baserat på timvisa väderdata och detaljerad avbrottsstatistik avseende åtta år för två olika eldistributionsnät i Sverige. Månader, veckodagar och timmar har jämförts vars resultat exempelvis kan användas för fördelning av resurser mer effektivt över tid. Sårbarhet med avseende på olika väderfenomen har utvärderats. Av de studerade väderfenomen är det blott ymnigt snöfall och hårda vindar, särskilt i kombination, som signifikant påverkar eldistributionssystems tillförlitlighet. Andra studier har visat på sårbarhet även för blixtnedslag (som ej fanns med som parameter i avhandlingen inkluderad studie). Temperatur (t.ex. inverkan av frost), regn och snödjup har således försumbar påverkan. Korrelationsstudier har utförts vilket bland annat visar på ett nästan linjärt samband i Sverige mellan temperatur och elförbrukning, vilket indirekt indikerar att även elförbrukning har försumbar påverkan på leveranskvalitet. Slutligen föreslås ett analysramverk som introducerad sårbarhetsanalys skulle vara en del av. Övergripande idé presenteras, vilket främst skall inspirera för fortsatt arbete; emellertid bör påpekas att introducerad sårbarhetsanalysmetod är en självständig och färdig metod oavsett om föreslagna idéer genomföres eller ej. 

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2011. xiii, 108 p.
Series
Trita-EE, ISSN 1653-5146 ; 2011:022
Keyword
asset management, correlation studies, incentives, investment planning, maintenance planning, power distribution, reliability analysis, risk management, statistical validation, tariff regulation, vulnerability analysis, weather states
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering Probability Theory and Statistics Production Engineering, Human Work Science and Ergonomics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-37310 (URN)978-91-7415-888-5 (ISBN)
Public defence
2011-09-08, F3, Lindstedtsvägen 26, KTH, Stockholm, 14:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20110815Available from: 2011-08-15 Created: 2011-08-08 Last updated: 2011-08-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3257 kB)155 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3257 kBChecksum SHA-512
0d72c8be8d4176161cf901f132a83b71fafcdc933b26c79a235b7cf9acf0cefeceb5be1df7d1b1bcff86c735e19ce4797be31a0f0e2f6d573a307b095a4acbcf
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopusIEEEXplore

Search in DiVA

By author/editor
Wallnerström, Carl JohanHilber, Patrik
By organisation
Electromagnetic Engineering
In the same journal
IEEE Transactions on Power Systems
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 155 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 280 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf