基于脆性风险熵的复杂电网连锁故障脆性源辨识模型

复杂电网连锁故障是引发系统大停电的主要原因,其实质是脆性源被激发后系统脆性的传播过程。为研究复杂电网大停电的机理及防御措施,同时找出电网的薄弱环节,提出了一种基于复杂系统脆性理论的连锁故障脆性源辨识模型。模型从电力系统本身具有的脆性出发,用潮流熵来衡量电网所处的状态,通过脆性关联及熵增分别从元件和宏观上阐述连锁故障的传播机理。提出了脆性源的辨识方法,并综合元件脆性关联度的分析给出了对连锁故障影响较大的系统薄弱环节的判定流程,通过对连锁故障过程的模拟,用脆性风险熵来评估元件退出运行对电网状态的影响及造成的负荷切除,为连锁故障防御策略制定提供依据。以甘肃电网为例验证了模型的有效性和可行性。     

基于预防-紧急协调控制的大电网连锁故障防御策略

电网结构和运行方式的复杂性日益增加,源发故障引发大停电事故的概率随之加大。基于过载主导型连锁故障的传播机理和时间特性分析,兼顾调度人员对连锁故障后果的可承受性,建立了基于预防-紧急协调控制的大电网连锁故障防御模型,引入协调因子将控制压力分解到连锁故障发生前/后,以预防控制优化系统的初始运行状态,在考虑发电机可调度潜力的基础上以紧急控制配合必要的切机/切负荷手段,实现对连锁故障蔓延的抑制。IEEE 39节点系统的算例分析结果表明,所提协调控制模型可以充分发挥预防控制和紧急控制的互补特性,兼顾连锁故障后果可承受度约束和经济性要求,对连锁故障进行全过程防御。     

基于不完全信息多阶段对策的复杂电网连锁故障防御模型

为防御由连锁反应故障引发的大停电事故提出一种基于不完全信息多阶段对策的复杂电网连锁故障防御模型。鉴于无法掌握连锁故障各个阶段的事故状态信息,提出负载严重程度和母线电压跌落严重程度表征"不完全信息"情况下元件故障对系统造成的影响。结合对策理论,模型对连锁反应故障不同阶段的电网进攻方当前策略进行辨识并求取其支付函数。根据进攻方支付函数的大小,防御方通过计算直流潮流灵敏度矩阵和负荷节点电压灵敏度矩阵采取相应的防御策略,同时对电网各元件进行快速越限系数计算,预测进攻方下一轮策略。模型为连锁故障初级阶段的调整措施和快速反应阶段的紧急控制措施提供了直观依据。算例仿真验证了该模型的准确性和有效性。     

基于协同学思想的电网连锁反应故障预防模型

给出了电力系统连锁反应事故预防的协同学思想，建立了连锁反应的故障预防模型。该模型引入了反映系统运行点距离自组织临界状态远近程度的系统连锁反应风险系数和表征系统支路之间关联程度的支路连锁反应风险系数。比较了连锁反应故障模式搜索过程和手机汉字输入法的设计思路，提出了基于混合法的连锁反应故障模式搜索方法。搜索结果表明，采用上述模型可比较不同运行方式下系统连锁反应故障的威胁程度，且模型的求解过程可作为预防单一连锁故障模式的依据，验证了该模型在防止电力系统大停电方面的有效性和可行性。     

特高压电网安全监控功能和技术需求分析

为进一步完善特高压电网安全理论和安全监控技术,基于实际电力系统大停电事件分析,讨论了形成连锁故障的条件和大电网停电事件的复杂性,解释了典型大规模停电事件发生和发展的机理,指出电力系统安全防御体系的缺陷是造成大规模停电的重要原因。在上述基础上,针对特高压大电网安全的关键问题,讨论了对特高压大电网安全防御体系的新的功能需求。最后建议建立分布式的多智能体安全监控系统,加强对发电机和关键输电线路的实时监测和提高电力系统危急状态实时调整能力,这样可以充分降低电力系统发生大规模电压崩溃的风险。     

电力系统连锁故障预警模型研究

由于连锁故障是电力系统大规模停电事故的主要原因,所以对电网连锁故障的原理和特性进行深入研究,预警和预防系统可能发生的大事故,对促进电网运行可靠性的提升意义重大。本文通过总结前人的经验,将分裂技术应用域电网大规模连锁故障的蒙特卡洛仿真中,提高了系统的仿真效率。可以快速地发现电网中的重点负荷线路,从而可以进行有针对性的扩容,也为电网调度运行调整提供了依据。     

传统交流电网与高比例新能源电网连锁故障差异性分析

新能源的强随机性、强不确定性及电力电子装备的弱抗扰动能力等特性使得高比例新能源电网的连锁故障演化过程更加复杂,现有基于传统交流电网而来的连锁故障相关理论与方法在高比例新能源电网中的适用性有待商榷.以美加大停电与英国"8.9"大停电事故作为切入点,从连锁演化主导推动因素、演化时间、事故发生概率、电气特性等方面分析传统交流电网与高比例新能源电网在连锁故障问题上的差异性,并基于IEEE39节点系统在PSD-BPA与MATLAB中展开算例分析.     

考虑网络演化的直流潮流停电模型与自组织临界性分析

直流潮流停电（OPA）模型及其改进模型能模拟连锁故障停电过程,并能从宏观上揭示大停电的自组织临界性,但没有考虑电网结构变化对大停电的影响。文中在OPA模型基础上,考虑了慢动态过程中电网结构的演化特征,建立了考虑网络演化的OPA模型。对2个典型复杂网络演化方式的仿真表明:按小世界方式和无标度方式演化的电网都会自组织到临界状态;小世界电网特有的高聚类系数和低特征路径长度易扩大连锁故障的广度和深度,其平均损失负荷大于无标度电网;无标度电网通过小规模的线路连锁开断,释放系统压力,减少大停电概率。研究结果对未来的电网建设及大停电的整体预防有一定指导意义。     

基于协同学原理的电力系统大停电预测模型

针对电力系统中某一元件故障,而导致一系列其他元件停运,并连锁反应迅速蔓延,最终发生电网崩溃的现象,文中对易引起恶性连锁反应事故的大停电机理进行了初步探讨,指出在大停电过程中,总是伴随着电网各子系统的竞争和合作,具有自组织临界特性,其过程存在着可预测性.进而基于自组织临界理论中的协同学原理,提出了一种电力系统大停电的预测模型--协同学预测模型.计算实例结果表明了大停电存在着自组织临界特性,提出的预测模型具有较高的预测精度,该模型可望为进一步深入分析电力系统连锁反应事故和大停电机理打下基础。     

电力系统连锁故障评估综述

比较全面地对系统连锁故障发生、演化机理以及预防措施进行了综述。首先阐述了连锁故障发生原因和产生机理;其次从系统宏观和微观物理特性的角度将故障模型分为基于复杂网络理论和基于电力系统理论两大类。对连锁故障模型进行详细分析,给出了不同模型的实现方式以及存在的缺陷,并进一步指出了由于电网所具有的存在复杂性和演化复杂性,使得准确对连锁故障的演化机理进行研究存在较大困难。最后提出了预防及缓解大停电事件的有效方法和途径。     

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.     

信息网受损对电网过载主导型连锁故障的影响

信息网是实现信息系统功能的基础,信息网不同程度受损导致信息系统功能呈现多态性,影响电力系统的灾变应急能力。研究信息网受损对电网连锁故障的影响,是保证现代电网安全运行的重要课题。以信息系统的监视和控制功能为切入点,建立考虑信息网受损影响的电网连锁故障模型;结合信息网结构和信息系统功能受损程度量化指标,分析不同信息网受损程度对电网连锁故障的影响;从失效边群体区域分布和个体重要性角度,对比研究了几种信息边失效方式下,信息网受损对电网连锁故障的影响。对IEEE 30节点系统的仿真表明,信息网受损削弱了系统抑制电网连锁故障传播的能力,导致连锁故障蔓延;当电网处于重负载水平时,信息网受损对电网连锁故障的影响更为显著;不同信息边失效方式下电网连锁故障规模差异明显,信息网结构脆弱性是影响电网连锁故障传播的重要因素。     

基于序列模式挖掘的电力系统连锁故障模式分析方法

研究连锁故障的传播规律,对于识别系统薄弱环节、制定连锁故障预防和阻断策略具有重要意义。在分析连锁故障发展过程的基础上,定义了连锁故障模式的概念,并基于序列模式挖掘技术提出连锁故障模式挖掘算法,实现对海量仿真数据的快速分析,有效辨识系统连锁故障模式。最后以IEEE 39节点系统和某省实际电网为例,利用该算法挖掘出系统主要连锁故障模式,并结合系统拓扑和潮流状态分析了系统连锁故障传播规律。测试结果证明,该方法对于分析系统连锁故障模式和辨识关键线路具有良好的效果。     

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。     

Performance and reliability of electrical power grids under cascading failures

The stability and reliability of electrical power grids are indispensable to the continuous operation of modern cities and critical for preparedness, response, recovery and mitigation in emergence management. Because present power grids in China are often running near their critical operation points, they are especially vulnerable and sensitive to external disturbances such as hurricanes, earthquakes and terrorist attacks, which may trigger cascading failures or blackouts. This paper describes a quantitative investigation of the stability and reliability of power grids with a focus on cascading failures under external disturbances. The 118-bus (substation) power network in Hainan, China is employed as a case study to investigate the risk of cascading failure of the regional power grids. System performance and reliability of the power grids are evaluated under two hypothetical scenarios (seismic impact and intentional disturbance) that could trigger cascading failures. By identifying the most vulnerable (critical) edges and nodes, the robustness of the power network is evaluated under the triggered cascading failures. It is found that the system reliabilities could decline as much as 95% during the triggered cascading failure. This paper also explores the use of concepts from modern complex network theories such as state transition graph and characteristic length to understand the complex mechanism of cascading failures. The findings could be useful for power industries and emergency managers to evaluate the vulnerability of power systems, understand the risk of blackout induced by cascading failures, and improve the resilience of power systems to external disturbances.     

考虑继电保护隐性故障的电力系统连锁故障风险评估

提出了考虑继电保护隐性故障的电力系统连锁故障风险评估方法。采用继电保护隐性故障的概率模型描述保护装置对电力系统风险的影响,通过分析保护系统的机理表明保护装置在连锁故障中的作用,用母线孤立风险、负荷孤立风险、电网解列风险及系统综合风险来评估系统的连锁故障风险,并据此提出了减小系统连锁故障风险的预防措施。应用蒙特卡罗方法产生系统事故、保护装置和隐性故障的随机特性,编写了电力系统连锁故障风险评估与预防软件。IEEE118节点系统的应用结果证明了该方法的可行性及软件的有效性。     

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。     

考虑安全性和经济性的连锁故障预防控制策略

为阻止源头性故障引发连锁故障的安全问题,文章提出一种考虑安全性和经济性的连锁故障预防控制策略。首先,根据继电保护的动作特性给出一种判别连锁故障的数学形式。其次,以电网安全裕度和发电运行成本分别评价系统的安全性和经济性,以支路脆弱性评估方法选取初始故障,构建了针对不同初始故障作用下的连锁故障预防控制模型。该模型是一种双层优化的数学模型,内层模型采用粒子群算法求解出电网安全裕度;外层模型采用改进的多目标粒子群算法求解出最小化发电成本和最大化电网安全裕度。最后,利用模糊集理论对计算出的Pareto集合进行评估,确定最优发电机出力策略。以IEEE 39节点系统和IEEE 118节点系统为例进行仿真研究,验证了所提方法的可行性。     

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。     

基于关键线路识别的电力系统连锁故障风险评估模型

针对现有模型的不足,提出了一种新的电力系统连锁故障风险评估模型。该模型从元件过负荷、继电保护隐性故障2个方面定义了连锁故障概率:以故障发展过程中出现的母线低电压、线路过负荷、电力系统失负荷来衡量连锁故障带来的后果。在不违背连锁故障发生机理的前提下,将支路的结构传输重要度与反映电网实时运行状况的线路故障发生概率相结合,给出了连锁故障中关键线路识别的重要判据,根据关键线路排序结果合理选择下一个故障环节,加快了连锁故障模式搜索速度。最后对IEEE 10机39节点系统进行仿真,仿真结果证明了本文方法的有效性。