Social vulnerability to long-duration power outages

Although long-duration power outages can lead to significant damages to the local economy, the human catastrophe that can potentially unfold due to the failure of essential services can far outweigh the financial damages incurred. Furthermore, power outages do not impact individuals equally, and access to proper resources (or lack thereof) can significantly affect how individuals deal with long-duration outages. Various socioeconomic and demographic characteristics have been shown in the literature to correlate with increased health risks, levels of power outage preparedness, and willingness and means to evacuate if necessary. This highlights the need to identify socially vulnerable groups and communities so that during such events information, assistance, and resources can be provided in a more targeted manner. This study presents a three-dimensional metric of social vulnerability to quantify the degree to which a person’s life or livelihood is put at risk by a long-duration power outage. Dimensions of vulnerability include health, preparedness, and evacuation. Principal component analysis and an L2 norm model are applied to produce a single metric for each of the three dimensions of vulnerability. These three scores are then aggregated using Pareto ranking to determine an overall vulnerability score. A case study is presented for the state of Colorado using data from the 2020 US Census as well as other relevant federal and state datasets. The index put forth in this paper can be used by power utilities and other federal, state, or local authorities to plan and manage their operations during long-duration power outages in a more equitable way.

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8. Conclusions

Long-duration power outages have devastating societal effects that are not equally distributed, and certain socioeconomic factors have been shown to increase an individual’s vulnerability. Social vulnerability indices can quantify these inequities, but previous work in the field of social vulnerability has overlooked power outages as a type of disaster. This study identifies three potential ways that an individual can be vulnerable to a long-duration power outage, which include health risks, outage preparedness, and evacuation intention and means. A model of social vulnerability is proposed to consider each of the three identified categories as an independent dimension of vulnerability. Pareto ranking is applied to aggregate the social vulnerability in each dimension into a novel index to quantify who is most at risk of harm from a long-duration power outage. The resulting metric can be used to inform emergency response and relief efforts following a large-scale power outage or can be incorporated into the reinforcement and capacity expansion planning of the electric power grid.

The proposed approach identifies socioeconomic and demographic vulnerability factors that can increase an individual’s risk during a power outage and uses corresponding data to construct the vulnerability index. A promising area of future work would be to include infrastructure and built environment characteristics and data to expand the model of vulnerability. Some examples can be power grid infrastructure characteristics (e.g., component failure probabilities and locations of reserves and distributed energy resources) that determine where the grid is most vulnerable to a natural disaster, dynamic disaster characteristics (e.g., availability of transportation, water, or telecommunications networks) that would impact an individual’s ability to respond to or recover from the outage, and/or redundancy of critical service providers (e.g., hospitals, pharmacies). For example, road network congestion and damage can impact an individual’s ability to evacuate upon need or may limit one’s access to resources (e.g., hospitals, pharmacies, grocery stores), and can therefore affect the evacuation dimension of vulnerability in our proposed model. While social vulnerability to power outages is useful as a standalone metric, decision-makers can ascertain a holistic picture of vulnerability when it is used in concert with these other characteristics. When incorporated into power outage response, this metric of social vulnerability can help decision-makers to mitigate the social damages caused by a long-duration power outage.

8. Schlussfolgerungen – Übersetzung

Lang andauernde Stromausfälle haben verheerende Auswirkungen auf die Gesellschaft, die nicht gleichmäßig verteilt sind, und es hat sich gezeigt, dass bestimmte sozioökonomische Faktoren die Anfälligkeit des Einzelnen erhöhen. Indizes der sozialen Verwundbarkeit können diese Ungleichheiten quantifizieren, aber bisherige Arbeiten auf dem Gebiet der sozialen Verwundbarkeit haben Stromausfälle als eine Art von Katastrophe übersehen. In dieser Studie werden drei potenzielle Möglichkeiten aufgezeigt, wie eine Person durch einen lang andauernden Stromausfall verwundbar sein kann: Gesundheitsrisiken, Vorbereitung auf den Stromausfall sowie Evakuierungsabsichten und -mittel. Es wird ein Modell der sozialen Verwundbarkeit vorgeschlagen, das jede der drei identifizierten Kategorien als eine unabhängige Dimension der Verwundbarkeit betrachtet. Die Pareto-Rangfolge wird angewandt, um die soziale Verwundbarkeit in jeder Dimension zu einem neuartigen Index zusammenzufassen, mit dem quantifiziert werden kann, wer bei einem lang andauernden Stromausfall am meisten gefährdet ist. Die sich daraus ergebende Metrik kann als Grundlage für Notfall- und Hilfsmaßnahmen nach einem großflächigen Stromausfall dienen oder in die Planung der Verstärkung und Kapazitätserweiterung des Stromnetzes einbezogen werden.

Der vorgeschlagene Ansatz identifiziert sozioökonomische und demografische Gefährdungsfaktoren, die das Risiko eines Einzelnen bei einem Stromausfall erhöhen können, und verwendet die entsprechenden Daten zur Erstellung des Gefährdungsindexes. Ein vielversprechender Bereich für künftige Arbeiten wäre die Einbeziehung von Merkmalen und Daten der Infrastruktur und der bebauten Umwelt, um das Modell der Anfälligkeit zu erweitern. Einige Beispiele sind Merkmale der Stromnetzinfrastruktur (z. B. Ausfallwahrscheinlichkeiten von Komponenten und Standorte von Reserven und dezentralen Energieressourcen), die bestimmen, wo das Netz am anfälligsten für eine Naturkatastrophe ist, dynamische Katastrophenmerkmale (z. B. Verfügbarkeit von Transport-, Wasser- oder Telekommunikationsnetzen), die sich auf die Fähigkeit des Einzelnen auswirken würden, auf einen Stromausfall zu reagieren oder sich davon zu erholen, und/oder Redundanz von kritischen Dienstleistern (z. B. Krankenhäuser, Apotheken). Beispielsweise können Überlastung und Beschädigung des Straßennetzes die Fähigkeit einer Person beeinträchtigen, im Bedarfsfall zu evakuieren, oder den Zugang zu Ressourcen (z. B. Krankenhäuser, Apotheken, Lebensmittelgeschäfte) einschränken und somit die Evakuierungsdimension der Anfälligkeit in unserem vorgeschlagenen Modell beeinflussen. Während die soziale Verwundbarkeit bei Stromausfällen als eigenständige Kennzahl nützlich ist, können sich Entscheidungsträger ein ganzheitliches Bild der Verwundbarkeit machen, wenn sie zusammen mit diesen anderen Merkmalen verwendet wird. Wird diese Metrik der sozialen Verwundbarkeit in die Reaktion auf einen Stromausfall einbezogen, kann sie den Entscheidungsträgern helfen, die durch einen lang anhaltenden Stromausfall verursachten sozialen Schäden zu mindern.