基于小世界网络理论的电网连锁故障机理解析
【摘要】：
电力网络的复杂性和复杂系统理论近年来的蓬勃发展，使得电力系统复杂性理论的研究逐渐成为探索互联电力网络的安全性和可靠性的一个新方向。
本文针对目前困扰人们的电网大规模连锁故障事故，将电力系统看作一个整体，研究了电网的小世界网络(small-world network)特性、小世界电网的负荷特性和故障传播特性，深入分析了电网的小世界特性与连锁故障之间的关系，建立了基于小世界拓扑模型的故障机理解析体系。
文章首先考察和分析了实际电网的拓扑性质。大型电网的平均距离与相应的随机网络非常接近，但聚类系数很高，各节点相关线路个数差别较小，度数分布满足指数规律，因而电网是典型的小世界网络，且不属于无尺度网络(scale-free network)。针对考虑线路电抗值的加权电网模型，文章提出了加权电网的小世界特性分析方法，加强了基于小世界网络理论的电网结构脆弱性研究的可行性。
然后，根据小世界电网的负荷分布规律和节点在输电地位方面表现出来的非均质特性，文章提出了具体方案，证明了小世界电网中长程连接的存在是电能输送动态择优过程的必然产物，有助于提高输电效率，但输电效率的提高是以节点负荷的高度集中性为代价的，这也暗示了不同节点的故障对电网可靠性的影响将大相径庭。
第三，在复杂电网的连锁故障模型方面，本文提出了运行极限的概念，较之当前模型中要么运行容量和运行极限的概念都不存在，即认为节点承担的负荷完全没有弹性，要么仅包含运行容量的概念，即忽略节点的即时切除措施，更加准确地模拟了电网的运行状况；用电网的失负荷水平衡量故障传播的深度和广度，综合反映了失效联络节点的个数和失效联络节点的重要程度对电网的输电能力和输电的可靠性的影响；改进了故障触发模式，从两个方面对电网的结构脆弱性进行了深入的考察，第一个方面的出发点在于考察电网对不同类型攻击的抵抗能力，有助于寻找小世界电网中的触发连锁反应的薄弱环节；第二个方面的出发点在于考察削弱电网受到的扰动或者增加电网的承载能力时，其抗攻击能力的改善效果，以制定出改善小世界电网的可靠性的有效措施。
第四，文章结合电网的结构特性与故障传播特性，系统地解释了连锁故障在小世界电网中传播的内在机理，即：小世界电网中，高负荷节点与长程连接密切相关，超高负荷节点受到攻击时，与之相关的长程连接被破坏，使得大量输电路径改变方向，影响了电源节点和终端用户节点的连通度，使原来负荷轻的节点上经过过多的负荷，导致大量的节点因为过负荷而从电网中切除，电网的输电能力大幅度下降。
最后，本文针对小世界电网中高负荷节点的绝对脆弱性质，提出了合理安排资源分配，调整电能输送网络的结构，以减弱节点的非均质特性，削弱高负荷节点的故障对电网的扰动，或极力加强对超过负荷节点的保护等措施，对避免大规模连锁故障、减小连锁故障带来的风险，加强电网的可靠性水平具有重要的参考价值。
【关键词】：连锁故障 复杂电网 小世界特性 长程连接 结构脆弱性 【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM732
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2008.020881
【目录】：
- 摘要8-10
- ABSTRACT10-12
- 致谢12-18
- 第1章 绪论18-31
- 1.1 选题背景18-19
- 1.2 国内外研究现状19-24
- 1.2.1 复杂系统理论在连锁故障机理分析中的应用背景19-20
- 1.2.2 电网的自组织临界特性对连锁故障传播机理的解释20-22
- 1.2.2.1 电力系统与沙堆模型的类比20-21
- 1.2.2.2 电网的停电模型和自组织临界特性分析21-22
- 1.2.3 基于结构脆弱性的电网连锁故障机理解析的研究现状22-24
- 1.2.3.1 结构脆弱性研究简介22-23
- 1.2.3.2 基于复杂电网结构脆弱性的连锁故障机理研究23-24
- 1.2.3.3 基于复杂电网结构脆弱性的连锁故障机理解析中存在的问题24
- 1.3 本文主要工作和研究成果24-31
- 第2章 电网的复杂特性分析31-47
- 2.1 引言31
- 2.2 复杂网络研究31-36
- 2.2.1 网络上的静态几何量31-33
- 2.2.2 规则网络和随机网络33-34
- 2.2.3 长程连接与小世界网络(small-world network)34-35
- 2.2.4 无尺度网络(scale-free network)35-36
- 2.3 电网的拓扑建模36-37
- 2.4 电网的拓扑特性分析37-41
- 2.4.1 电网的模型数据37-38
- 2.4.2 电网的小世界特性分析38-39
- 2.4.3 小世界电网的节点度数分布39-40
- 2.4.4 小世界电网的负荷分布规律40-41
- 2.5 加权模型上电网的小世界特性和负荷分布规律41-43
- 2.5.1 概述41-42
- 2.5.2 小世界电网的加权模型特性分析42-43
- 2.6 本章小结43-47
- 第3章 小世界电网中节点的非均质特性研究47-62
- 3.1 概述47-49
- 3.1.1 连锁故障与电网的非均质现象47-48
- 3.1.2 节点关键度与电网非均质特性的研究48-49
- 3.2 长程连接对节点非均质特性的贡献49-60
- 3.2.1 实验背景简介49
- 3.2.2 长程连接相关节点的负荷水平研究49-54
- 3.2.2.1 实验原理说明49-50
- 3.2.2.2 算法实现步骤和流程图50-52
- 3.2.2.3 实验结果和理论分析52-54
- 3.2.3 长程连接存在的客观条件54-58
- 3.2.3.1 实验原理说明54-56
- 3.2.3.2 算法实现步骤和流程图56
- 3.2.3.3 实验结果和理论分析56-58
- 3.2.4 实验总结58-60
- 3.3 本章小结60-62
- 第4章 复杂电网的连锁故障模型和算法设计62-81
- 4.1 概述62-64
- 4.2 复杂电网的连锁故障模型解析64-68
- 4.2.1 连锁故障模型Ⅰ64-65
- 4.2.2 连锁故障模型Ⅱ65-66
- 4.2.3 连锁故障模型Ⅲ66-68
- 4.3 故障模式68-71
- 4.3.1 模式Ⅰ68-70
- 4.3.2 模式Ⅱ70-71
- 4.4 连锁故障仿真算法和流程图71-78
- 4.4.1 故障模式Ⅰ的算法及流程71-76
- 4.4.1.1 负荷的动态调整算法及流程71-72
- 4.4.1.2 CaseⅠ-1和CaseⅠ-2的算法及流程72-74
- 4.4.1.3 CaseⅠ-3的算法及流程74-75
- 4.4.1.4 CaseⅠ-4的算法及流程75-76
- 4.4.2 故障模式Ⅱ的算法及流程76-78
- 4.4.2.1 CaseⅡ-1的算法及流程76-77
- 4.4.2.2 CaseⅡ-2的算法及流程77-78
- 4.5 本章小结78-81
- 第5章 小世界电网的连锁故障模拟和传播机理解析81-93
- 5.1 概述81
- 5.2 小世界电网的结构脆弱性初探81-84
- 5.2.1 实验设计81-82
- 5.2.2 实验结果82-83
- 5.2.3 理论分析83-84
- 5.3 小世界电网的输电可靠性84-87
- 5.3.1 实验设计84
- 5.3.2 实验结果84-86
- 5.3.3 理论分析86-87
- 5.4 内外因素对小世界电网结构稳定性的影响87-90
- 5.4.1 实验设计87
- 5.4.2 实验结果展87-89
- 5.4.3 理论分析89-90
- 5.5 小世界电网的故障传播机理分析90-92
- 5.6 本章小结92-93
- 第6章 结论与展望93-97
- 6.1 论文主要工作和结论93-94
- 6.2 论文主要创新点94-95
- 6.3 前景与展望95-97
- 攻读博士学位期间发表的论文97
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