复杂网络理念下电力体系连锁障碍探讨

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1、复杂网络理念下电力体系连锁障碍探讨第1章绪论1.1选题研究背景及意义电力网络是人类迄今为止所构造的最复杂的工业网络之一。大规模电网在产生巨大经济利益的同时，也加大了系统运行方式的复杂性，很小的局部故障通过电网的互联可以迅速蔓延至整个网络。电网的安全运行一旦遭到破坏，给正常的生产和生活带来巨大的经济损失和灾难性的后果[1-3]。近些年，大停电事故在世界各地多次不同程度的发生，给各国经济和社会造成了不可挽回的损失，如：1990年9月中国广东多个城市停电，损失负荷达800M，受影响人口接近两百万，2008年1月，中国南方发生冰雪灾害导致贵州、湖南等省

2、大面积停电，2012年7月，印度发生大停电事故，事故波及一半以上的国土，直接影响6亿多人的生活[4-11]。大停电事故都是由于连锁故障引起的，即系统中单条输电线路或元件发生故障引起的相关线路或元件停运[12]。虽然电力系统发生连锁性故障的概率很小，但一旦事故发生很可能引发电网大面积停电，最终导致电网崩溃灾难性后果。长期以来人们对电力系统的稳定和安全性分析一直是应用微分方程理论分析电力系统，电力系统的研究主流是还原论而不是系统论，对电力系统中的元件建立数学模型，对故障的模拟仿真通过时域仿真，这种方法对简单的故障模拟有很好的效果，但用来模拟大规模电

3、网的连锁故障和分析连锁故障的动态过程时则有明显的局域性，单独分析个体元件的特性，难以从整体上揭示电力系统的动态特性。详细的数学模型在计算过程中要消耗大量的时间，计算精度和收敛问题也特别突出。基于微分方程求解过程存在的缺陷，复杂性科学研究电力系统动态行为人们提供了一种新的思路[13]。复杂性科学是一门交叉性科学已经在生物学、气象学和经济学等领域广泛应用。应用复杂网络理论的成果分析电网连锁故障得到了学术界的关注。复杂网络理论的快速发展为分析电力系统连锁故障提供了一个全新的视角，有助于从整体上研究大电网的特性及其动态行为。复杂性科学认为：连锁故障传播

4、的过程中，电网自身的拓扑结构对故障的传播起到了决定性的作用。因此，运用复杂网络理论分析电网拓扑结构、研究连锁故障传播机理、找出电网的薄弱环节有助于提高人们对连锁故障了解。通过连锁故障分析，相关电力人员可以加强对薄弱环节的监控，提高电力运行的可靠性，有效防止大停电事件的发生。1.2国内外研究现状和发展趋势1.2.1国内外研究现状最近相继发生的多起由连锁故障引起的大停电事件，引起了科研学者和相关部门的高度关注，已投入大量的人力和物力资源的用来研究连锁故障。1999年，美国国防部与美国电科院共同出资启动了复杂交互网络创新项目[14]，项目投资3000

5、万美元，共有2个电力企业和大概30所大学参加相关研究工作。为了预防连锁故障导致的大停电事件的发生，提出了电力战略防御系统，其核心部分为事故的评估体系[15-16]。电力可靠性技术措施联合项目由美国能源部和国家科学基金联合资助，该项目在复杂系统理论的基础上充分考虑电力系统自身特性，深入研究了电网的连锁故障机理[17]。与此同时，开放市场使用和安全评价体系与新市场环境下电力安全两个项目在欧洲启动，聚集了研究所、工业部门及众多高校的研究人员[18]。我国对电力系统连锁故障的研究工作也给予了高度的重视。电力系统灾变防治与经济运行重大科学问题的科研项目为

6、国家基础研究资助项目，该项目取得了丰硕的成果[19]。2004年国家973项目中的第二课题大电网安全性评估的系统复杂性理论研究由浙江大学等高校联合研究，应用复杂理论研究电力系统连锁故障。在国家电网十二五规划中，把大电网连锁故障的预测与分析作为研究重点之一。第2章复杂网络模型及特性分析2.1引言现实世界中的大部分系统都可以用网络拓扑形式表示，将网络抽象成点和连接两点之间的边的集合，节点代表实际系统中的不同元素，边代表系统中不同元素间的连接关系。例如，万维网可以看作由大量网页通过超链接相互连接形成的大型网络、科学家协作网络通过合作撰写论文把科学家连

7、接起来、生态网络通过不同物种间的营养关系联系在一起。像电力网络、细胞网络、语言网络等都是复杂网络，这些系统抽象得到的网络节点众多，所以称为复杂网络[41]。复杂网络理论研究基于结构决定功能这个基本思路，从网络的拓扑角度分析系统的性能。复杂网络理论在图论和统计物理学的基础上研究复杂系统的物理结构、形成与演化机制及结构稳定性等问题。本章详细介绍了复杂网络的经典模型与统计特性，并分析了电网的复杂性。2.2复杂网络模型18世纪数学家欧拉提出七桥问题成为了图论的研究基础。20世纪，著名的规则网络模型与随机网络模型成为其后几十年间网络研究的基础，但绝大多数

8、实际的网络结构并不是完全规则或随机的，这两个模型已不适用于描述网络特性。20世纪末期，美国学者发表《小世界网络的集体动力学》一文，揭示了网络的小世界特