Un funzionamento affidabile delle reti di infrastrutture tecniche è essenziale per il nostro moderno, società ad alta tecnologia. Fallimenti a cascata, cioè reazioni a catena di guasti di diverse infrastrutture, sono la causa di molti guasti di intere reti, per esempio. gran parte delle reti elettriche europee. Sebbene i guasti a cascata siano generalmente influenzati da dinamiche non lineari a livello di rete tra i singoli guasti, la loro modellazione si è finora concentrata principalmente sull'analisi delle sequenze di eventi di guasto delle singole infrastrutture - tuttavia, le dinamiche tra questi eventi non sono state prese in considerazione.

In un articolo ora pubblicato da Comunicazioni sulla natura , viene presentato uno schema di analisi che tiene conto del carattere basato sugli eventi della reazione a catena, nonché delle specifiche influenze dinamiche della rete.

Il team internazionale di scienziati del Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) della TU Dresden e del Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization di Göttingen (prof. Marc Timme, Dott. Benjamin Schäfer), il Forschungszentrum Jülich (Jun.-Prof. Dr. Dirk Witthaut) e la Queen Mary University of London (Prof. Vito Latora) hanno potuto scoprire che alcuni processi di transizione tra i diversi stati della rete elettrica avvengono su una scala temporale di pochi secondi. "Questi possono svolgere un ruolo decisivo nello sviluppo di reazioni collettive, che alla fine può portare a un "blackout". Nel nostro studio proponiamo un metodo di previsione per identificare linee e componenti di rete potenzialmente a rischio già in fase di progettazione e, se è appropriato, anche durante il funzionamento delle reti elettriche. Tali effetti dinamici potrebbero essere integrati nelle valutazioni dei rischi degli operatori di rete e nella pianificazione del sistema. Globale, i nostri risultati sottolineano l'importanza dei guasti indotti dinamicamente per i processi di adeguamento delle reti elettriche nazionali di vari paesi europei, " afferma il Prof. Marc Timme della Strategic Chair of Network Dynamics alla TU Dresden.

Grandi interruzioni di corrente, che spesso colpiscono milioni di persone, sono causati da interazioni complesse e spesso non locali tra molti componenti. In Europa, Per esempio, la fermata programmata di una linea nel 2006 ha portato al guasto di gran parte della rete europea e ha colpito fino a 120 milioni di persone. Tali reazioni a catena sfavorevoli possono già formarsi spegnendo una singola linea nella rete. In fase avanzata, si sviluppa una dinamica veloce, che si basa, in particolare, sui dispositivi di spegnimento automatico, che dovrebbero effettivamente garantire la sicurezza della rete. Questa rapida dinamica è stata al centro della ricerca del team di scienziati. Il professor Dirk Witthaut del Forschungszentrum Jülich ne spiega le ragioni:"Negli ultimi anni, è proseguita la tendenza nel settore elettrico verso un forte networking, i paesi sono molto strettamente integrati nella rete europea. Poiché tali guasti ovunque in questa rete potrebbero interessarci in qualsiasi momento, dobbiamo capire le cause. Ecco perché ci siamo preoccupati di queste domande:possiamo capire come funzionano questi processi veloci? Possiamo prevedere quali linee potrebbero causare un'interruzione di corrente su larga scala?"

"L'idea alla base dell'architettura di sicurezza delle reti elettriche è questa:se una qualsiasi parte della rete si guasta, quindi la rete elettrica dovrebbe continuare a funzionare. La rete assume quindi un nuovo stato stabile per compensare il difetto. La questione di come si presenta questo stato quando la rete ha abbastanza tempo per trovarlo è già stata esaminata molte volte. Per la scala temporale relativamente breve delle cascate di errore nelle reti elettriche, però, il nostro studio attuale è virtualmente pionieristico, "dice Vito Latora, Professore di Matematica Applicata e Responsabile del Complex Systems and Networks Group presso la Queen Mary University di Londra.

Gli scienziati hanno studiato le cascate di errore utilizzando una combinazione di simulazioni al computer e analisi matematiche di semplici modelli di rete. L'approccio statico è stato confrontato con il nuovo approccio dinamico utilizzando una rete simulata in cui vengono interrotte connessioni specifiche. Spesso la visione dinamica più ampia mostra che la rete può diventare completamente instabile, anche se l'approccio statico prevede ancora la stabilità. Globale, vengono rilevati più potenziali guasti e la potenziale estensione di un guasto è prevista in modo più accurato. Per confrontare i processi riscontrati sul modello con la realtà, sono state esaminate reti di elettrodotti con strutture di connessione reali, in particolare gli spagnoli, Topologia britannica e francese. Il nuovo metodo di analisi è stato applicato con successo a reti complesse e più realistiche.

Inoltre, gli studi statistici sui guasti sono stati effettuati utilizzando l'approccio dinamico. Quante righe falliscono se viene colpita una riga casuale? "In molti casi gli effetti sono piccoli, cioè quasi nessun'altra linea fallisce. Allo stesso tempo, ci sono alcune linee critiche che portano a grossi fallimenti. Prendendo in considerazione possibili attacchi (fisici o virtuali, per esempio. dagli hacker) è estremamente importante identificare e alleviare tali linee critiche. Perciò, utilizzando l'approccio dinamico, abbiamo sviluppato uno strumento che prevede quali linee sono critiche, " descrive il Dr. Benjamin Schäfer del cfaed della TU Dresden.

Finalmente, sono state effettuate le prime indagini sulla diffusione delle cascate in rete. "Invece di distanze puramente geografiche tra luoghi diversi, consideriamo la cosiddetta 'distanza effettiva, ' che tiene conto di quanto fortemente le diverse parti della rete elettrica possano influenzarsi a vicenda. Però, per capire meglio, sono necessarie ulteriori ricerche per esaminare la possibilità di fermare tali cascate, " spiega Schäfer.