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。     

基于复杂网络理论的电网脆弱性研究述评

基于复杂网络理论对电网脆弱性进行研究.介绍复杂网络的基本概念和发展历程,阐述其自组织临界特性与电力系统灾变事故的关联性,分析连锁故障模型;在总结网架结构模型和故障指标模型的基础上,讨论复杂网络理论在电力系统网络特征分析、连锁故障模拟及结构脆弱性中的应用;最后探讨该领域的发展趋势,建议把传统分析与复杂网络相结合,建立更符...     

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。     

基于贝叶斯网络的连锁故障概率模型

在分析连锁故障传播机理的基础上,按照连锁故障发生、发展的物理过程,分析系统潮流转移时线路的自临界特性,结合连锁故障发展阶段的概率特点,基于贝叶斯网络方法的连锁故障概率分析,建立了一种电网连锁故障的概率分析模型.通过对连锁故障过程的模拟,用系统负荷损失指标对连锁故障进行风险评估,分析系统的薄弱环节,研究降低连锁故障风险的...     

基于复杂网络的电网连锁故障模型研究综述

电网连锁故障建模可以有效地分析复杂电网连锁故障的动力学行为及故障传播机理。文中从复杂网络理论角度总结了现有的电网连锁故障模型,以及近年来的研究发展状况,详细介绍了相隔中心性模型、Motter-Lai模型、有效性能模型、加权网络模型、时变模型等模型的建立过程及其在电网连锁故障机理研究中的应用。最后,在讨论了这些模型局限性的基础上,提出了复杂网络理论在智能电网建模研究中应用的发展方向。     

基于最优潮流的停电模型及自组织临界性分析

在分析现有停电模型不足的基础上,利用自组织临界理论和最优潮流(OPF),建立了电网连锁故障和停电模拟模型.该模型包含反映电网连锁故障的快动态以及电力系统发展的慢动态2个过程.IEEE 30节点系统的仿真表明:该模型的快动态能够模拟连锁故障过程,并从微观上揭示了快动态系统的自组织临界性;此外,以系统总负荷需求和网络总传输容量比值作为特征量,可从宏观上初步揭示互联电网的自组织临界性;进一步,提升线路输送能力可以有效地防止大规模停电灾变事故的发生,降低停电风险.     

改进的Manchester连锁故障模型及其应用

本文根据Manchester模型和最优潮流理论,提出了一种改进的连锁故障模型。该模型通过快动态和慢动态两个时间尺度对系统连锁故障过程进行描述,并通过电量不足期望值对系统的停电风险进行评估。算例依据我国一区域电网,研究了系统负载率和关键线路的故障率对电网停电风险的影响以及临界负荷情况下电网的幂律特性。本研究对系统规划和运行人员分析连锁故障过程和采取有效措施降低系统停电风险提供了一定的决策参考。     

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.     

恶劣天气下的复杂电网连锁故障在线预警

尽管网架结构日益坚强,但部分区域电网主通道线路走廊气候条件复杂,恶劣天气导致元件发生"故障聚集"现象使电网发生连锁故障的概率大大提高。为此通过分析恶劣天气下电网连锁故障的产生机理,结合小世界理论提出了恶劣天气下复杂电网连锁故障在线预警模型。利用电网具有自组织临界性的特点提出电网临界线路的判断约束标准,通过考察系统局部元件集合性质变化的方式来预判系统整体是否存在进入自临界状态的趋势。分析认为长程连接线路是传播连锁故障的主要路径,并提出以线路介数来定义长程连接线路。预警模型对临界线路集中的长程连接线路进行预警,可为调度员预防连锁故障的发生提供依据。对中国某区域电网的仿真分析验证了理论方法的正确性和预警模型的有效性。     

基于电气距离的复杂电网关键节点识别

深入研究电力系统复杂网络特性及连锁故障传播机理对预防大停电事故至关重要。在分析电力网潮流分布机理的基础上,针对经典复杂网络模型不能很好地结合决定网络潮流分布定律的问题,提取蕴含于电网特征参数中的物理信息,根据叠加原理计算得出电网节点间电气距离,基于电气距离提出了网络节点电气耦合连接度的概念。建立基于节点电气耦合连接度的电力系统复杂网络特性辨识模型。与已有复杂电网模型相比,该模型更符合电力系统实际。通过对IEEE标准示例系统的计算,揭示电网内在的异质结构特性,并将该指标应用于电力网关键节点识别。对IEEE 39节点系统和湖南某地区电网进行分析计算,时域仿真结果表明,所提指标比拓扑度指标更为合理有效。     

Considering risk of cascading line outages in transmission expansion planning by benefit/cost analysis

It has been shown that large blackouts happen more likely than may be expected. Recent investigations revealed that cascading outages are the major cause of power system blackouts. Therefore, risk of cascading outages must be considered in the planning and operating procedures. In this paper a novel procedure is proposed for transmission expansion planning (TEP) by using the ORNL–Pserc–Alaska (OPA) model. Some improvements are introduced to this model for choosing more effective candidate transmission lines to be used in TEP regarding risk of cascading outages. A nonlinear estimation is used to assess the consequences of blackouts after cascading transmission line outages. The power law as a fingerprint of self-organized criticality in power systems is used to calculate the likelihood of blackouts. The benefit of each policy to expand the transmission system is derived from risk assessment and the best one is picked out using benefit/cost analysis. The simplicity of the proposed method makes it appropriate in real life. The proposed method is applied to test systems to investigate its applicability. The results provide motivation for considering the risk of cascading line outages in TEP that afford substantial saving to society.     

A Study of Self-Organized Criticality of Power System Under Cascading Failures Based on AC-OPF With Voltage Stability Margin

From the perspective of self-organized criticality, this paper develops a novel model with ac-OPF and ac grid upgrade to study the cascading failures and blackouts in power systems, which overcomes some shortcomings of existing blackout models. The proposed model contains two types of dynamics, one is fast dynamics which simulates the serial blackouts in power systems, the other is slow dynamics which reflects the tendency of the power systems time evolution. This model also has voltage stability analysis function and can reveal critical characteristics from reactive power and voltage viewpoint. Simulation results of the IEEE 118-bus system with this model show that the fast dynamics can capture the cascading process and the criticality property in micro scale. Besides, the macro scale of self-organized criticality of power systems can be revealed from the mean value of fractional overloads and the ratio of total load demand to the total network transfer capability. Furthermore, the voltage stability criticality status could be detected from the eigenvalue with the smallest magnitude through reactive power and voltage relevant modal analysis.      

考虑元件耐受性的电网关键元件辨识

在历次大停电事故过程中,电网中存在少量元件对事故的演化发展起到关键性作用.为此,本文提出一种综合元件耐受性与重要性的电网元件关键性评估方法.从电网元件对电网电能传输影响的角度来衡量电网元件的重要性,分别定义了输电线路的潮流分布影响熵和节点电压影响熵;从引发电网元件失效的主导因素出发来衡量电网元件的耐受性,分别定义了输电...     

大停电自组织临界特征的若干问题探讨

对电力系统大停电的自组织临界特性的若干重要的问题进行了详细的讨论,包括大停电发生规模的幂率分布特征,分形特征及1/f噪声特征。该文利用国内的一些资料数据对我国电力系统的大停电的概率分布进行了回归分析,并在国内外研究工作的基础上从大停电持续时间分布的角度,对大停电的1/f噪声特性进行了近似证明,其结果和Bak等人在理想沙堆模型上得到的结果基本一致。     

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。     

电网大停电自组织临界性的概率统计分析法

针对复杂电力系统的自组织临界性特点,基于概率统计基本理论,利用极值分布的最大吸引场定理提出一种分析电网连锁故障大停电事故的有效方法。首先给出了衡量连锁故障大停电事故规模的指标及其选择依据和计算方法;然后通过定义连锁故障的分布函数计算出连锁故障发生的规模和概率。文章指出电网连锁大停电事故的发生与所研究的时间范围和故障规模有关,因此可以根据研究年限和故障规模来预测连锁故障发生的频率。对华北电网连锁故障大停电事故的历史数据进行了分析计算,结果表明了本文方法的有效性。     

基于相对值法的区域电网停电事故自组织特性分析

考虑到电网的规模处于不断增长的过程中,给出了用电网总装机容量对损失负荷取相对值,来分析电网停电事故自组织临界特性的方法。通过对东北、西北电网1981—2002年和1981—2010年2个时间段内停电事故数据相对值的分析,不同历史时段的大规模停电事故服从幂律分布,进一步证明了中国区域电网具有自组织临界性的典型特征。该方法用于事故损失数据处理后,排除了电网随时间生长对自组织临界特性的影响因素,便于以事故损失数据对电网危险程度进行分级,同时还可以对不同规模的电网事故数据进行横向比较,得出的宏观结果可以供电网的调度运行及规划部门参考。     

基于潮流嫡的复杂电网自组织临界态判断模型

为研究复杂电网大停电的发生机理,同时找出影响大停电发生的关健因素,文中基于嫡理论提出了电网的潮流熵概念,用以定量描述线路潮流分布的不均衡性.基于潮流墒提出了复杂电网自组织临界态判断模型.对IEEE 118节点系统的仿真结果表明,潮流嫡对电网连锁故障的传播具有重要影响,是决定系统是否进入自组织临界态的重要因素.使用该判断...