复杂网络理论及其在电力系统中的应用研究综述

因连锁故障引发的大电网停电事故凸显了大型电力系统的脆弱性。传统方法难以有效解释类似事故的发生机制,复杂网络理论研究的不断深入和广泛应用为此提供了新的理论工具。首先简介了复杂网络理论及其基本概念,其次探讨了用以解释电网连锁故障发生机制和结构脆弱性的理论基础,并详细阐述了复杂网络理论在电力系统拓扑结构建模、连锁故障模型研究、电网脆弱性分析以及电网关键支路和节点识别等方面的研究进展和应用情况,最后对未来的研究方向做出了展望。     

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.     

基于复杂网络理论的电力系统脆弱性分析

针对大区域电网发展及其安全稳定问题,基于复杂网络理论研究了电力系统大面积停电事故与电网连锁故障的内在机理。从电网拓扑模型和脆弱性评估指标的角度出发,分析、类比了各评估方法,指出当前应用复杂网络理论研究电力系统脆弱性方法尚存不足,电网与其他复杂网络的本质区别是研究的瓶颈问题。通过改进评估模型反映电网本质特性及其运行状态,指出了提高评估精度是下一步研究的重点。     

相依网络理论及其在电力信息–物理系统结构脆弱性分析中的应用综述

近年来,全球发生的多起交互连锁故障停电事故促使研究人员从一体化建模分析的角度对物理电网与信息通信网间的相互影响进行深入研究。相互依存网络理论作为复杂网络理论的延伸,从宏观的角度解释了交互连锁故障的传播机理。该文在概述电力信息-物理相依网络的建模方法、现有的模型及脆弱性评估方法的基础上,重点对其结构脆弱性影响因素及保护策略的研究现状进行了总结归纳。最后,结合电力系统的发展需求和研究总结,展望了相关研究课题与方向。     

大电网安全性评估的系统复杂性理论研究

在简述电力系统复杂性的基础上,介绍了系统复杂性理论在电力系统中的应用以及研究概况,包括电力系统的自组织临界性、电力系统连锁故障模型和复杂电力网络的结构脆弱性和连锁故障演化等,进一步指出电力系统复杂性理论的研究可能为探索互联电力网络的安全性和可靠性提供一个新的方向。     

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。     

电力调度数据网结构特性分析

提出运用复杂网络理论从结构的角度分析电力调度数据网的复杂性及脆弱性。现有的电力调度数据网大致可分为双星型和网状2种典型结构,从统计特征参数、度数累积分布以及介数累积分布3个方面对这2种电力调度数据网的结构进行了分析,发现双星型网是典型的无标度网络,而网状网是典型的小世界网络。继而以单一故障和连锁故障分别衡量了2种网络的静态脆弱性和动态脆弱性。结果表明：1）电力调度数据网的脆弱性与其网络结构有很大的联系,单一故障时,双星型结构的调度数据网对选择性攻击表现得更加脆弱;2）双星型结构的调度数据网不容易发生连锁故障,网状结构反之。连锁故障时故障概率较高的节点仍集中在介数高的节点。     

隐性故障对小世界电网连锁故障的影响分析

为了研究复杂电网连锁故障的传播机理,文中在综合考虑电力系统中过负载故障和隐性故障的基础上,构建了一种基于复杂网络理论的电力系统隐性连锁故障概率模型。该模型假设过负载邻接节点中负载率变化最大的节点和每轮连锁故障中负载波动最大的节点均为隐性故障可能发生节点。将该模型在IEEE 300节点网络和Watts-Strogatz网络上进行仿真,仿真结果表明:电力系统隐性故障加剧了故障的传播范围,并且故障传播的范围将随着Watts-Strogatz网络边重连概率的增大而显著增大。最后,指出减小隐性故障的误动概率、降低小世界电网的随机连边概率、防止电网向随机网络演化,是抑制隐性故障在连锁故障中传播、提高电力系统安全性的有效途径。     

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。     

复杂网络理论在能源互联网脆弱性与鲁棒性研究中的应用

由于能源互联网逐渐形成一个庞大的复杂网络体系,其脆弱性与鲁棒性评估面临更多挑战。传统还原论无法解释系统层面的现象且对参数和数据量要求高,存在一定局限性,不断发展的复杂网络理论为此提供了新的理论工具。立足于国内外现有研究,首先概述了能源互联网的脆弱性和鲁棒性的含义,梳理了基于复杂网络理论的总体研究思路;其次,阐述了复杂网络视角下的能源互联网拓扑模型;然后,探讨了用以辨识系统薄弱环节的理论基础,并据此归纳了脆弱性改善策略;接着,基于相依网络理论总结了能源互联网的鲁棒性评估模型,包括连锁故障模型、攻击场景、鲁棒性测度;最后,提炼了已有研究的不足,并展望了未来的研究方向。     

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。     

考虑电网运行状态和结构关联的连锁故障序列预测

针对传统连锁故障考虑因素单一的不足,该文提出一种综合考虑电网运行状态和网络结构的连锁故障预测方法。首先,根据系统运行状态,建立潮流相关的线路故障概率模型和基于Markov方法的隐性故障模型;其次,基于复杂网络理论,提出网络电气结构和保护关联区间,建立故障级间的结构关联模型;最后,兼顾故障后系统运行状态和网络结构的变化,提出连锁故障预测方法,从而辨识出最易受初始扰动影响的下级故障及其影响范围,使预测结果更加符合电网实际运行情况。基于IEEE 30节点系统仿真结果验证了该方法的有效性和实用性。     

用复杂网络理论分析电网连锁性大停电事故机理

针对世界上连续发生的电网连锁性大停电事故,论述了长期以来采用的还原法的思想方法已不完全适应对电网整体动态特性的研究。简述了复杂网络的基本概念;综述了应用复杂网络理论,对美国和中国电网大停电事故的部分数据统计分析的结果。发现电力系统的无标度特性:大停电的规模与出现的概率具有幂律特征,而电网的自组织临界性是发生连锁性大停电事故的内在动力。提出建立实时动态的全国沙堆模型,为预测大停电事故提供实时信息和应用复杂网络的控制理论对电网关键节点进行保护和控制,以缓解大停电事故发生的设想。     

智能电网中交互级联故障传播的影响因素分析

级联故障是导致智能电网大停电事故的重要诱因。由于智能电网是物理连续的电力系统和数字离散的通信网络的相依网络,不仅继承了电力系统的自组织临界性,还受到网络攻击威胁。以复杂网络理论为基础,构建了基于节点攻击的级联故障模型,其中级联故障在2个网络之间交互传播,遵循马尔科夫过程。此外,基于智能电网的系统特性约束,提出一个结合电力潮流容量和通信能力容量的系统容量模型,并结合电力系统孤岛运行特性指标,研究多种因素对相依网络级联过程的影响。仿真结果表明,多种因素对相依网络的鲁棒性和生存性产生不同程度的影响,据此可以为制定减缓智能电网级联故障的策略提供参考。     

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。     

基于综合重要度的电网关键线路辨识方法

更加精准快速识别出电网关键线路，对提高电网运行的稳定程度以及预防电网连锁故障具有重要意义。文章首先基于复杂网络理论提出改进潮流介数指标，从结构角度判别系统受到功率扰动后线路的脆弱程度；然后基于熵理论，提出计及线路负载率的加权潮流转移熵指标，克服原有指标中只考虑转移潮流分布均匀性的不足；最后建立包括以上2种指标的综合重要度评估指标，更加全面地衡量线路在电力系统中的重要程度。通过对IEEE 39节点系统进行仿真，得出了不同攻击方式下系统的改进网络传输效率变化曲线图，证明了综合重要度指标的有效性，对预防电力系统连锁故障具有重要意义。     

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。     

输电系统连锁故障风险评估指标及计算方法

电力系统连锁故障是一种发生概率低但后果极为严重的事故,可能导致大面积停电甚至整个系统崩溃。为了防止连锁故障事故的发生,尽量降低其危害,本文对评估输电系统连锁故障的风险指标进行研究,以保障电网的安全运行。文章首先根据复杂网络理论和风险评估理论,提出输电系统连锁故障风险评估指标体系,然后建立一种基于最优潮流的连锁故障仿真模型,在此基础上计算各类评估指标。最后,通过对IEEE118节点测试系统进行连锁故障风险分析,以说明研究工作的有效性。