基于复杂网络理论的电网结构复杂性和脆弱性研究

摘要

电网是当今世界上最为复杂的人造系统之一。频繁发生的电网大面积停电事故暴露了基于还原论的电力系统安全分析方法在深入分析电网连锁故障和大停电机理等系统动态行为方面的不足，因此将复杂性科学的研究成果应用于电网复杂性和大停电机理研究是当前电网安全分析的热点领域。
　　电网从概念上可以抽象为由节点（母线）和边（线路）组成的网络，因此复杂网络理论被应用于研究电网拓扑结构复杂性及其对连锁故障和大停电机理的影响。但在现有研究中，应用在电网的复杂网络模型和方法过于简单、抽象，并且忽略了电网的电气特征，其结论与实际有明显差距，例如：复杂网络理论假定电网中的电能按最短路径或最有效路径传播；现有研究没有考虑电力系统负荷水平的影响；评价电网故障后性能的状态指标是基于图论的，无法完全反映电气状态的变化等。本文的工作重点是将复杂网络理论与电网的电气特性相结合，力争研究结果更贴近电网的实际情况。本文的主要研究工作和取得的主要研究成果如下：
　　研究了基于复杂网络理论的电网结构复杂性问题，提出了一种新的节点和线路电气介数指标及其计算方法。与现有介数指标相比，本文的电气介数指标体现了电能在电网中所有线路传输的特点，考虑了发电和负荷容量及其分布对电网结构复杂性的影响，同时可以处理电网中含有HVDC和FACTS的情况。在IEEE-118节点系统和华中500kV电网中的仿真表明节点和线路的电气介数服从幂律分布，节点和线路存在异质性，这说明少数高电气介数的节点和线路承担了大部分的电能传输工作。这种异质性是电网结构脆弱性产生的重要原因之一。
　　研究了基于静态分析法的电网结构脆弱性，引入了失负荷比例指标来反映电网受到攻击后供电能力的变化情况。仿真结果表明，常规设计的高压输电网对于随机攻击的鲁棒性很强，而连续移除高电气介数的节点和线路会给电网的供电能力和网络连通性造成较大破坏。这既说明了从电网供电能力和网络连通性两方面度量电网脆弱程度的合理性，又验证了电气介数指标可以有效反映电网的异质性。然后研究了高电气介数的节点和线路在电网中的产生原因和重要性。电网具备一定程度的小世界特性，这

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1绪论

1.1论文的背景与研究意义

1.2电网大停电的行为复杂性研究现状

1.3复杂网络理论概述

1.4复杂网络理论在电网结构复杂性和脆弱性研究中的应用现状

1.5论文的主要工作和章节安排

2基于电气介数的电网结构复杂性研究

2.1引言

2.2基于复杂网络理论的电网结构复杂性研究基础

2.3电气介数的定义

2.4含有HVDC和FACTS的电网中电气介数计算方法

2.5电网的度分布与电气介数分布

2.6本章小结

3基于静态分析法的电网结构脆弱性研究

3.1引言

3.2电网结构脆弱性的定义和研究方法

3.3基于静态分析法的电网结构脆弱性研究

3.4仿真研究

3.5高电气介数的节点和线路在电网中产生原因及重要性分析

3.6本章小结

4基于复杂网络理论的电网连锁故障及其临界性研究

4.1引言

4.2基于复杂网络理论的电网连锁故障模型

4.3仿真研究

4.4引发连锁故障的电网耐受性临界水平研究

4.5本章小结

5防止大面积停电的电网关键节点和关键线路辨识

5.1引言

5.2引发大面积停电的原因分析

5.3电网关键节点和关键线路辨识

5.4仿真研究

5.5本章小结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录1攻读博士学位期间发表的论文

附录2攻读博士学位期间参与的科研项目

附录3 IEEE-118节点系统参数

附录4华中500kV电网参数

附录5 附图