通信光缆故障对电力网连锁故障的影响

连锁故障研究在应对突发的大面积停电方面具有重要意义,而传统连锁故障研究很少考虑信息网通信光缆对电力网连锁故障的影响。从信息网边的角度出发,在直流潮流模型下,通过建立信息网对电力网连锁故障影响模型,并以IEEE 30节点系统为例,研究了通信光缆遭受随机故障和不同信息网拓扑结构对电力网连锁故障的影响。仿真结果表明,由于信息网的引入,电力系统脆弱点增多,导致大停电的风险增加,随着信息网中通信光缆故障规模的增大,信息网对电力网连锁故障的影响强度由强变弱,直至稳定。同时,信息网网络拓扑结构对电力网连锁故障影响显著,信息网更宽的度分布增加了电力网的脆弱性,在规则网络中,信息节点的度越大,通信光缆故障对电力网连锁故障的影响越小。     

基于网络依存关系的CPPS连锁故障分析及风险评估

信息系统的融合给电网安全运行带来了新的风险，因此有必要研究电力信息物理系统(cyber-physical power system, CPPS)连锁故障的产生及传播机理。首先建立CPPS部分相互依存模型，采用老化因素、潮流、隐性故障、偶然因素构建电网风险元，采用信息占用率、拓扑结构、网络攻击、节点负荷以及依存关系构建信息网风险元，从而将风险元理论应用于CPPS连锁故障预测过程。其次提出一种同时考虑两网失负荷率的风险计算方法，可以识别骨干层与接入层的关键节点。最后分析信息节点自身故障和网络攻击引起的信息节点失效对连锁故障的不同影响。算例分析表明：依存关系会促进故障在两网传播，增大系统的风险；对CPPS进行整体分析能较全面地评估连锁故障风险，识别关键信息节点；同时遭受网络攻击与信息节点自身故障的CPPS的平均风险最高，需采取措施提高其可靠性。     

考虑监视与控制功能的电网信息物理系统可靠性评估

电网信息物理系统的最主要特征是信息系统与物理系统的深度融合与相互影响。针对电网信息物理系统中信息系统主要的监视与控制两类功能,建立功能失效模型,研究每类功能对电网信息物理系统可靠性评估影响的表征方式,建立考虑控制功能作用后的断路器的设备可靠性模型。在此基础上,分析监视功能失效所导致的电网事故蔓延状况,提出考虑信息–电力作用的电网信息物理系统可靠性评估方法。最后,对测试系统进行仿真测试,分析信息系统故障发生位置对电网信息物理系统可靠性的影响,验证了所提算法的可行性、必要性与有效性。     

计及监测与控制功能的电力信息物理系统关键输电线路辨识方法

先进信息通信技术提升了电力系统可观可控性,同时也加剧了故障的跨空间传播风险。针对这一问题,该文提出一种考虑信息系统监测和控制功能与电力系统耦合作用的关键输电线路辨识方法。根据信息网与电力网之间的多重耦合关系,分别以断路器和发电机作为信息–物理交互作用点,建立监测功能模型和控制功能模型,分析其失效对电力网连锁故障传播的影响,在此基础上,建立基于攻防博弈双层优化模型的关键线路辨识方法。上层模型以负荷损失最大为目标制定线路攻击策略,下层模型以负荷削减量最小为目标制定发电机出力方案。采用Karush-Kuhn-Tucker (KKT)条件将其转化为单层混合整数线性规划模型求解。仿真结果表明,信息网对电力网的依赖程度是影响事故规模的重要因素,所提方法能够综合考虑供能和监控等耦合关系以及信息系统的运行特点,通过模拟故障传播过程中系统的响应能力,提高了辨识结果的精确性。     

基于标准化结构熵的电网结构对连锁故障的影响

为研究大规模互联电网连锁故障的传播机理,选取输电线路的电抗值作为线路权重,建立电网加权拓扑模型,并定义综合考虑节点和边差异性的加权网络拓扑结构熵的概念。连锁故障过程中结构熵的变化能有效地反映故障传播的速度。利用遗传算法迭代计算相同结构下结构熵指标的最大值与最小值,将连锁故障过程中结构熵值归一化从而消除电网规模对结构熵指标的影响,得到标准化结构熵值。通过分析故障前后电网标准化结构熵值的变化辨识电网结构中"异构"线路。对IEEE 118节点系统和华北电网仿真实验说明通过主动移除"异构"线路能改善电网结构异构性,增强网络抵抗连锁故障的能力。     

电力信息-物理相互依存网络脆弱性评估及加边保护策略

随着一次电网与信息系统深度融合,研究电力信息-物理系统的交互连锁故障机理与保护措施具有十分重要的理论价值与现实意义。基于相互依存网络理论,建立了电力信息-物理相互依存网络模型。由于相依网络的脆弱性同时受到依存边与网间拓扑互相似性的影响,文章首先基于复杂网络理论,对华中500k V电力网及其信息网的拓扑结构特性进行对比分析。其次,考虑网间节点的相互依存关系,定量评估了信息网与电力网的拓扑互相似性。通过对华中500 kV电力信息-物理相依网络在随机故障下的连通脆弱性进行评估,发现:虽然网间的相互依存提高了电力系统的脆弱性,但由于信息网与电力网的拓扑具有高度互相似性,这使得电力信息-物理相互依存网络避免了一阶相移。针对电力网与信息网的结构特点,研究了低度数节点加边策略及其分配策略对电力信息-物理相互依存网络的脆弱性的影响。仿真结果证明了低度数节点加边策略的有效性,且加边分配策略对改善电力信息-物理相互依存网络的脆弱性具有重要影响。     

输电线路开断状态信息传输失真对连锁故障的影响

关于电力系统连锁故障的传统研究很少考虑信息网络对连锁故障的影响。文中以新英格兰39节点系统为例,在直流潮流的隐性故障模型下,研究了电力信息网络节点故障对电力系统连锁故障的影响,并提出了对连锁故障和大停电产生重要影响的关键信息节点的辨识指标。该指标可有效地辨识出在不同状态下对电力系统大停电产生重要影响的信息节点。仿真结果表明,信息系统的故障对电力系统连锁故障起到了推波助澜的作用,且信息网络的高度数和高介数节点并不是对连锁故障传播产生重要影响的关键信息节点。信息节点对应的电力线路的物理特征与信息节点在自身网络中的拓扑特征相比,前者更能表征信息节点在电力系统连锁故障中的重要性。     

面向互联电网连锁故障安全防控的关键支路辨识

随着电网互联紧密程度的提高,抵御连锁性故障成为关键问题。在一定场景下,电网关键载流支路故障会引发过载型连锁反应,威胁系统安全运行,对于此类关键线路的筛选和辨识具有重要意义。据此,在考虑无功电压的改进直流潮流模型的基础上,推导和构建了过载型连锁故障动态演化模型。该模型考虑连锁故障过程中系统功率平衡和电压稳定装置的调节作用以及系统的校正控制措施,并较为准确地模拟支路失效后互联系统连锁故障的动态演化过程,进而研判连锁故障对系统功能和结构的影响。在此基础上,提出了电网载流支路的重要度评估指标,通过大规模连锁故障模拟计算,获得各载流支路的重要度指标,最终实现电网关键支路的有效辨识。以IEEE 39节点系统为算例,验证了所提模型和方法的有效性。     

考虑信息物理交互的电力–信息耦合网络脆弱性分析与改善策略研究

考虑信息物理交互研究电力–信息耦合网络脆弱性及其改善策略具有重要意义。在直流潮流模型下,建立考虑信息物理交互的电力–信息耦合网络故障模型,研究信息网元件失效对电力网连锁故障的影响,分析由此引发的电力–信息耦合网络脆弱性;为深入揭示耦合网络脆弱性,在度数和介数指标基础上,采用映射加权方式计及监控功能属性和信息物理耦合的影响,提出了关键度指标辨识对耦合网络脆弱性具有重要影响的信息网关键环节;为改善耦合网络脆弱性,从强化关键环节防护和降低网络对关键环节依赖性角度,在元件和网络层面分别提出信息网关键环节保护和高权重电力节点网间加边策略。节点和边攻击的仿真结果表明,耦合网络面对随机攻击呈现较高鲁棒性,面对蓄意攻击呈现较高脆弱性。高关键度信息元件是影响耦合网络脆弱性的信息网关键环节,不同场景中耦合网络在针对这些元件的攻击下均呈现高脆弱性。保护高关键度信息元件以及对高权重电力节点增加耦合边可有效改善耦合网络脆弱性。     

基于事件驱动的配电信息物理连锁故障演化机理

随着通信与控制技术在配电系统中迅速发展,其逐渐呈现出信息物理系统的典型特征。这既带来了崭新的发展机遇,也将信息系统中的多类型风险引入了电力系统中,致使近来电网中信息物理连锁故障频发,导致严重事故。因此,分析与研究信息物理连锁故障的演化过程与故障后果,探索信息物理连锁故障演化的内在机理具有重要的理论与现实意义。本文基于事件驱动模型提出配电信息物理系统架构,分析物理与信息系统的交互机理,提出信息物理连锁故障演化机理研究框架。然后,对信息系统内部节点重要度进行研究,综合考虑系统总风险值与防御资源,计算信息节点被攻击成功概率等相关参数并建立相关矩阵。最后,在算例上进行信息物理连锁故障演化机理的仿真计算,验证所提机理的合理性与其在故障过程推演和后果计算上的有效性。     

考虑相依特性的电-气互联网络故障评估方法

随着电网和天然气网的耦合程度不断加深,电网与天然气网间的相依特性引发了新的系统安全运行问题,增加了电-气互联网络发生连锁故障的风险.为此,提出了一种考虑电网与天然气网间相依特性的电-气互联网络故障传播的影响分析方法.分析电-气互联网络的相依特性以及故障在两网间的传播机理;基于此分析电网与天然气网不同耦合程度下故障在两网间的传播特性;进而建立计及天然气网慢动态特性的电-气互联网络准稳态潮流模型,从系统供能效率与供能可靠性角度,采用负荷损失率和全局网络效能损失率指标评估分析电-气互联网络的故障传播及其对系统运行的影响,以此构建电-气互联网络连锁故障评估模型.     

复杂电网连锁故障模型评述

在复杂电网中,由微小扰动触发的电力系统连锁故障会导致电网大面积崩溃的灾难性后果,对连锁故障的理论建模是研究复杂网络连锁故障的基础和关键.文章在探讨电网连锁故障机理的基础上,分别从电力系统角度和复杂网络理论角度介绍和评述了已有电网连锁故障模型,分析了预防和控制连锁故障的几种可行方法,指出在进行连锁故障的预防分析时,对网络脆弱性的分析与评估是关键,而对故障传播的控制,多智能体系统可能是一条有效途径;并指出了今后值得注意的几个研究方向.     

复杂系统理论在电力系统中的应用研究展望

国内外电网在过去十多年来曾发生多次由连锁故障导致的大停电事故,引起人们对电网安全的高度重视,促使人们深入研究连锁故障传播机理。近年来,关于复杂系统理论,特别是复杂网络理论的研究取得了重要进展。应用复杂系统理论为分析和研究大停电和连锁故障传播机理提供了一种新的视角,有助于从整体上掌握电力网络的复杂性,并讨论相应的动力学特性。主要从复杂网络、自组织临界性以及电网与通信网络的耦合关系这3个方面对近年来电力系统连锁故障建模以及电网脆弱性分析方面的研究进行综述,并展望相关重要研究课题与方向。     

小世界电网的连锁故障传播机理分析

随着复杂网络理论的发展，特别是电网的小世界特性的发现，电网的复杂结构特性对故障连锁反应的影响越来越受到关注。文中以复杂网络科学理论为基础，考察了小世界电网中节点的非均质特性，提出多种故障模式和故障指标，重点分析了连锁故障在小世界电网中传播的内在机理，并提出改善小世界电网承受故障能力的有效措施。对实际电网的拓扑特性研究和故障仿真结果表明:小世界电网本身的结构脆弱性是造成大规模连锁故障迅速蔓延的根本原因，外界因素不能从根本上改变这个弱点，改善电网资源配置、尽可能避免负荷分布的极不均匀性对预防大规模连锁故障和提高电网的可靠性将更有意义。     

考虑保护失效和电网动态平衡特性的连锁故障风险评估

保护失效特性严重威胁了电网安全。同时,现代电网受扰动后可调整线路参数,以减缓故障蔓延,具有典型的动态平衡特性。基于复杂网络理论提出了考虑保护失效特性和动态平衡特性的连锁故障风险评估方法。首先,基于隐性故障,定义了保护失效严重度概念,可度量保护对电网安全的影响程度。其次,结合保护失效严重度,建立了变权重模型,以表征电网故障后动态平衡特性。然后,引入风险理论,从复杂网络理论角度评估电网安全风险,以为实际运行提供指导意义。最后,新英格兰39节点算例系统验证了所提方法的有效性和合理性。     

基于交流潮流的连锁故障建模与鲁棒性评估

连锁故障是历次大停电事故的主要诱因之一,而脆弱线路对连锁故障演化路径的发展又起着极其关键的作用。为在连锁故障中识别电网潜在脆弱线路,基于复杂网络理论和电力系统实际特性,以线路视在功率值为线路流量,提出一种交流潮流连锁故障模型。在此基础上,从网络局部、全局和潮流功能特性三个方面分别提出电气入度中心性、电气出度中心性、电气介数中心性和加权电网潮流转移熵四个指标来辨识脆弱线路。最后通过6个IEEE标准测试系统对电网鲁棒性进行评估,结果表明基于电气入度中心性指标的蓄意攻击策略对电网连锁故障后造成的损害最大且随网络规模增加电网鲁棒性逐步提升。     

计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估

气电耦合系统中电转气负荷与气转电负荷为故障在电网与气网间的传播提供了通道,将电转气负荷与气转电负荷统称为能源转换负荷,其在电、气负荷中的占比与在阻断控制过程中的切除优先度可能对耦合系统连锁故障的传播特性带来无法忽视的影响。为此,提出了一种计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估方法。首先,提出能源转换负荷占比与切除优先度模型,分析不同占比与切除优先度下故障在电、气网间连锁传播的机理与特性。然后,分别建立基于能源转换负荷占比与切除优先度的电力系统优化调度模型与天然气系统优化调度模型,两者交替迭代模拟连锁故障演化过程。基于此,提出表征拓扑完整性与物理运行特性的指标以定量评估连锁故障风险,从而构建气电耦合系统连锁故障评估模型。最后,利用IEEE RTS 24节点系统与29节点天然气系统构造气电耦合测试系统,通过对比不同场景,验证了所提方法可有效揭示能源转换负荷对连锁故障的影响。     

电力系统连锁故障分析理论与应用（二）——关键特征与研究启示

研究大停电中连锁故障的关键演变特征有利于辅助理解电力系统故障级联传播现象,总结实际系统行为特点。在前文相关理论方法与应用评述基础上,选取近年来国内外影响较大的8次大停电实例,对其关键特征进行了细致剖析,详细分析并阐述了大停电前期连锁故障的演变过程、临界事件、主导模式与基本共性,对照连锁故障实际过程进一步说明了现有理论实用性不佳、对所涉因素及系统行为考虑过于简化等弱点。此外,针对新的WAMS、灾害监测等信息化系统发展,从电网脆弱性深度分析、故障在线诊断与智能告警、设备状态监测与建模等角度提出研究展望,讨论了未来一段时期内电力系统连锁故障分析技术的发展方向。     

基于故障链聚类算法的电网关键线路辨识

研究连锁故障发展机理以及辨识故障演化路径中的关键线路,对揭示电力系统薄弱环节、降低连锁故障风险具有重要意义。为此,文中提出一种基于故障链聚类算法的电网关键线路辨识方法。首先,建立改进的基于直流潮流法的电力系统解列模拟器(DCSS)连锁故障仿真模型,配合随机化学(RC)法高效生成含详细时序信息的故障链集合;然后,以编辑距离为相似性指标实现对故障链的层次聚类,分类后的故障链集合不仅可以降低后续数据挖掘的难度,而且能够更加全面地识别出不同连锁故障演化模式中的薄弱环节;最后,以Matpower 2383节点系统为例,根据关键线路扩容后系统风险水平的下降程度评估各类算法所辨识线路的重要性。结果表明文中方法能更好降低系统连锁故障风险水平,证明了所提模型及算法的有效性。