基于复杂网络理论的电网建模及脆弱性研究

摘要

近年来，世界各地频发的大停电事故，引起了人们广泛地关注。电网互联一方面改善了电力系统的经济性，提高了电网可靠性;另一方面增加了电力系统动态行为的复杂性，局部故障有可能波及整个电网，引发连锁故障大停电。电力系统大停电事故频繁发生，暴露出互联电网的固有结构脆弱性。传统的基于还原论电力系统分析方法难以从全局的角度辨识电网的脆弱环节。复杂网络理论认为结构决定功能，可以通过研究电力系统的网络结构来辨识其薄弱环节。
　　本文在复杂网络理论的基础上对电网的小世界特性识别、电力系统运行断面的自组织临界性、复杂电网的脆弱线路辨识方法和含大量DG的电网效能评估指标进行了研究，具体工作如下:
　　根据电网特性，建立了电抗加权简化模型，以基于等值阻抗的电气距离替代基于最短路径的路径长度，并重新定义了基于等值阻抗的特征路径长度指标，在此基础上建立电网小世界特性识别方法。通过算例仿真验证了所提方法和已有方法一样能较好地反映电网小世界特性。
　　针对OPA模型存在的一些问题，建立了电力系统运行断面的SOC模型，即认为电力系统负载能力在一段时间保持不变，且初始扰动是随机选取一个负荷节点增加随机大小的负荷。通过IEEE39节点系统仿真验证了当系统在运行断面上处于自组织临界态时，发生停电事故规模和累积概率之间满足幂律关系。
　　结合电网的拓扑结构和运行状态，在功率传输因子PTDF的基础上建立了电气介数指标来辨识复杂电网的脆弱线路。该电气介数指标，考虑了发电容量和负荷水平及其分布的影响，且计及了线路容量对其脆弱性的影响。建立了新的电网效能指标来评估故障后的电网状态。该效能指标基于电气距离，且考虑了“发电-负荷”节点对最大传输容量的影响。通过对IEEE39和IEEE118节点系统仿真得知高电气介数线路在拓扑结构中属于长程连接且传输功率较大，蓄意攻击这些线路对输电效能影响较大。
　　针对含大量DG的电网，考虑电能传输特性提出相应的网络效能评估指标。该效能指标考虑了分布式发电优先满足本地负荷供电的特性，DG对负荷的影响随电气距离增大而呈指数下降。在此基础建立了线路攻击效能指标和电网运行脆弱度评估指标。通过对IEEE118节点系统仿真验证了DG接入能有效提高电网的输电效能，降低线路攻击效能和电网运行的脆弱度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及其意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容及其结构

第2章 基于复杂网络理论的电网小世界模型

2．1 复杂网络理论

2．1．1 复杂网络理论的发展

2．1．2 复杂网络的基本参数

2．1．3 复杂网络的典型拓扑模型

2．2 电网小世界模型

2．2．1 基于复杂网络理论的电网建模

2．2．2 已有的电网小世界模型

2．2．3 基于等值阻抗的电网小世界模型

2．3 电网小世界特性识别算例分析

2．3．1 理论算例

2．3．2 IEEE实际算例

2．4 本章小结

第3章 电力系统大停电自组织临界性

3．1 电力系统大停电与自组织临界性

3．1．1 电网连锁故障概述

3．1．2 自组织临界性理论

3．1．3 大停电的自组织临界性

3．2 连锁故障经典模型

3．2．1 OPA模型

3．2．2 Hidden Failure模型

3．2．3 Manchester模型

3．3 电力系统运行断面SOC模型

3．3．1 OPA模型存在的问题

3．3．2 电力系统运行断面SOC模型

3．3．3 电力系统运行断面SOC模型仿真

3．4 本章小结

第4章 基于电气介数的复杂网络脆弱线路辨识

4．1 电网结构脆弱性研究

4．2 基于电气介数的脆弱线路辨识

4．2．1 线路电气介数

4．2．2 网络效能指标

4．2．3 连锁攻击模式和静态分析流程

4．3 算例仿真与分析

4．3．1 IEEE39节点算例

4．3．2 IEEE118节点算例

4．4 本章小结

第5章 含DG的电网效能评估指标研究

5．1 现有效能评估指标

5．2 考虑电气特性含DG的电网效能评估指标研究

5．2．1 含DG的电网效能评估指标

5．2．2 基于效能评估指标的脆弱线路识别

5．2．3 运行脆弱度指标

5．3 IEEE118节点系统算例仿真分析

5．3．1 负荷节点供电效能

5．3．2 DG接入对输电效能的影响

5．3．3 基于效能评估指标的脆弱线路识别

5．3．4 运行脆弱度评估

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果