复杂电力网络建模与自组织临界性分析

摘要

复杂电力系统在时空上呈现出复杂性、不确定性、难以预测性，仅仅依靠传统的还原论方法难以分析电力网络连锁故障的产生机理，因此应用复杂性理论分析大规模互联电力网络的整体动态特性研究成为一个热点课题。
　　 本文首先介绍了复杂性系统理论应用于复杂电网连锁故障分析的必然趋势和研究意义。基于复杂网络理论，对建立充分、清晰反映大电网结构性质的电力网络模型问题进行了研究；基于复杂系统理论，对电力网络连锁故障的产生机理以及电网的自组织临界性相关问题进行了研究，包括复杂电力网络连锁故障模型、自组织临界态判断模型。
　　 提出了一种改进的复杂电力网络邻域演化模型。该模型针对现实电网具有区域性的情况，以地理区域重新定义“邻域”；考虑到新建厂站接入电网时需综合稳定性和经济性因素，在新节点加入时，引入概率q，以达到二者的平衡。理论分析表明，该模型的度分布可实现指数分布到幂律分布的过渡，且幂律指数在3～∞之间可调。对美国西部电网和中国华东电网的仿真结果显示，该模型能更好地反映电力网络的演化规律。
　　 提出了一种考虑分层分区的网络演化模型。引入电压因子，将网络节点分为高、低压节点，形成高压网络层和低压网络层，两类节点依据其在电网中的不同作用，以不同的方式接入电网。理论分析表明，该模型的度分布具有幂尾特性，且幂尾指数在3～∞之间可调。美国西部电网和中国华东电网的仿真结果显示，该模型的度分布与实际电网更相符，能很好地反映电力网络的演化规律。
　　 提出一种考虑分层分区演化的直流潮流连锁故障模型(OPA模型)。该模型结合OPA模型和考虑分层分区的电网演化模型，OPA模型用以模拟负荷增长、线路改造等电网的演化过程和由于线路开断引起的连锁故障，分层分区演化模型用以模拟电网的拓扑演化。该模型比基本的OPA模型更加真实地反映了电网的演化过程。
　　 提出负荷分布和拓扑结构匹配度的概念，定量表征系统负荷分布与拓扑结构的匹配程度，建立基于匹配度指标的复杂电网自组织临界态判断模型。仿真结果表明，负荷分布和电网拓扑的匹配度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。