En tillförlitlig funktion av tekniska infrastrukturnätverk är avgörande för våra moderna, högteknologiska samhället. Kaskadfel, dvs kedjereaktioner av fel i olika infrastrukturer, är orsaken till många fel i hela nätverk, t.ex. stora delar av de europeiska kraftnäten. Även om kaskadfel vanligtvis påverkas av nätverksomfattande olinjär dynamik mellan de enskilda felen, deras modellering har hittills främst koncentrerats på analys av sekvenser av felhändelser i individuella infrastrukturer - dock, dynamiken mellan dessa händelser har inte tagits med i beräkningen.

I en artikel nu publicerad av Naturkommunikation , ett analysschema presenteras som tar hänsyn till den händelsebaserade karaktären hos kedjereaktionen samt de specifika nätverksdynamiska influenserna.

Det internationella teamet av forskare från Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) vid TU Dresden och Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization i Göttingen (Prof. Marc Timme, Dr. Benjamin Schäfer), Forschungszentrum Jülich (juni-Prof. Dr. Dirk Witthaut) och Queen Mary University of London (Prof. Vito Latora) kunde ta reda på att vissa övergångsprocesser mellan olika tillstånd i elnätet äger rum på en tidsskala av några sekunder. "Dessa kan spela en avgörande roll i utvecklingen av kollektiva reaktioner, vilket så småningom kan leda till en "blackout". I vår studie föreslår vi en prediktionsmetod för att identifiera potentiellt hotade linjer och nätverkskomponenter redan på planeringsstadiet och, om lämpligt, även under drift av kraftnät. Sådana dynamiska effekter skulle kunna integreras i nätoperatörernas riskbedömningar och systemplanering. Övergripande, våra resultat understryker vikten av dynamiskt inducerade fel för anpassningsprocesserna för de nationella elnäten i olika europeiska länder, säger Prof. Marc Timme från Strategic Chair of Network Dynamics vid TU Dresden.

Stora strömavbrott, som ofta påverkar miljontals människor, orsakas av komplexa och ofta icke-lokala interaktioner mellan många komponenter. I Europa, till exempel, den planerade avstängningen av en linje 2006 ledde till att stora delar av det europeiska nätet misslyckades och drabbade upp till 120 miljoner människor. Sådana ogynnsamma kedjereaktioner kan redan byggas upp genom att en enda linje i nätet stängs av. I ett framskridet stadium, en snabb dynamik utvecklas, som är baserad, särskilt, på de automatiska avstängningsanordningarna, som faktiskt är tänkta att säkerställa nätverkets säkerhet. Denna snabba dynamik var i fokus för forskargruppens forskning. Professor Dirk Witthaut från Forschungszentrum Jülich förklarar skälen:"Under de senaste åren, trenden inom elsektorn har fortsatt mot starka nätverk, länderna är mycket nära integrerade i det europeiska nätet. Eftersom sådana fel var som helst i detta nätverk kan påverka oss när som helst, vi måste förstå orsakerna. Det var därför vi var intresserade av dessa frågor:Kan vi förstå hur dessa snabba processer fungerar? Kan vi förutsäga vilka ledningar som kan orsaka ett storskaligt strömavbrott?"

"Grundtanken bakom säkerhetsarkitekturen för elnäten är denna:Om någon del av nätet misslyckas, då ska elnätet fortsätta att fungera. Nätverket får sedan ett nytt stabilt tillstånd för att kompensera för defekten. Frågan om hur det här tillståndet ser ut när nätverket har tillräckligt med tid att hitta det har redan utretts många gånger. För den relativt korta tidsskalan av felkaskader i elnät, dock, vår nuvarande studie är praktiskt taget banbrytande, " säger Vito Latora, Professor i tillämpad matematik och chef för gruppen för komplexa system och nätverk vid Queen Mary University of London.

Forskarna undersökte felkaskaderna med en kombination av datorsimuleringar och matematiska analyser av enkla nätverksmodeller. Det statiska tillvägagångssättet jämfördes med det nya dynamiska tillvägagångssättet med ett simulerat nätverk där specifika anslutningar avbryts. Ofta visar den bredare dynamiska vyn att nätverket kan bli helt instabilt, även om det statiska tillvägagångssättet fortfarande förutsäger stabilitet. Övergripande, fler potentiella fel upptäcks och den potentiella omfattningen av ett fel förutsägs mer exakt. För att jämföra de processer som finns på modellen med verkligheten, kraftledningsnät med verkliga anslutningsstrukturer undersöktes, speciellt den spanska, Brittisk och fransk topologi. Den nya analysmetoden tillämpades framgångsrikt på komplexa och mer realistiska nätverk.

Dessutom, statistiska studier om misslyckanden utfördes med hjälp av den dynamiska metoden. Hur många rader misslyckas om en slumpmässig rad påverkas? "I många fall är effekterna små, dvs knappt några andra rader misslyckas. På samma gång, det finns några kritiska linjer som leder till stora misslyckanden. Med hänsyn till möjliga attacker (fysiska eller virtuella, t.ex. av hackare) är det extremt viktigt att identifiera och lindra sådana kritiska rader. Därför, använder det dynamiska tillvägagångssättet, vi har utvecklat ett verktyg som förutsäger vilka linjer som är kritiska, " beskriver Dr Benjamin Schäfer från cfaed vid TU Dresden.

Till sist, inledande undersökningar av kaskaders spridning i nätverket genomfördes. "Istället för rent geografiska avstånd mellan olika platser, vi betraktar det så kallade "effektiva avståndet, ' som tar hänsyn till hur starkt olika delar av elnätet kan påverka varandra. Dock, för att få en bättre förståelse, ytterligare forskning är nödvändig för att undersöka möjligheten att stoppa sådana kaskader, " förklarar Schäfer.