基于复杂网络理论的电力系统连锁故障的研究

论文摘要

近年来频发的电网大停电事故,引起了人们的广泛关注。电网之间的大规模互联,加强了各电网之间的联系,提高了系统的运行效率,但同时也增加了系统运行的不确定性,使得系统扰动波及范围更广,局部故障可能迅速传播到大区域甚至整个网络。大停电事故通常是由连锁故障引起的,对连锁故障产生和传播机理的研究具有十分重要的意义,也是国内外电力领域的学者和专家研究和关注的重点。随着电网规模的不断增加,传统的故障分析方法已表现出一定的局限性,将复杂网络理论应用于大规模互联电力网络的连锁故障研究,解释大停电事故的产生机理,建立相应的连锁故障模型并提出缓解和预防大停电的措施已成为电力系统研究领域里的一个热点课题,具有重大的科学理论价值与实际意义。本文在复杂网络理论的基础上分析电力网络的连锁故障,通过建模分析连锁故障特性,并分析复杂电力网络结构的异构性问题,本文的具体工作如下:介绍了复杂电网连锁故障的研究背景、意义及国内外研究现状;对复杂网络理论的基本概念进行了概述。研究了复杂网络的基本拓扑结构参数,即特征路径长度,度分布,聚类系数和介数;介绍了几种基本的拓扑模型,即随机网络,规则网络,小世界网络和无标度网络,并对这几种网络模型各自的特点进行了阐述。在已有的基于直流潮流的电力系统连锁故障模型的基础上,提出了一种基于交流潮流且考虑网络演化的停电模型,该模型在慢动态过程中,电网以时空演化模式进行演化,通过仿真得到了网络演化后的拓扑结构,并分析了拓扑结构的特点;进一步地,对大停电的自组织临界特性及不同参数对大停电的影响进行了仿真分析。分析了电力网络结构异构性问题,基于洛伦兹曲线和基尼系数分析电力网络结构的异构性。通过构造实际电网的洛伦兹曲线并计算基尼系数,定性和定量地对比分析了实际电网结构的异构性大小;最后,对不同基尼系数下的平均损失负荷进行了比较,从而分析了网络结构的异构性对连锁故障大停电的影响。本文提出的基于交流潮流且考虑网络演化的停电模型比较符合实际电网连锁故障。而洛伦兹曲线和基尼系数的引入,为解决网络结构异构性评价问题提供了一种新途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 复杂网络理论概述
• 2.1 复杂网络理论的发展现状
• 2.1.1 复杂网络理论的发展
• 2.1.2 复杂网络的分类
• 2.2 复杂网络的拓扑结构特征参数
• 2.3 复杂网络的典型拓扑模型
• 2.4 复杂网络理论在电力系统中的应用
• 2.5 本章小结
• 第3章 电力系统自组织临界性与大停电模型
• 3.1 电网连锁故障概述
• 3.2 大停电的自组织临界特性
• 3.2.1 自组织临界理论
• 3.2.2 连锁故障大停电的自组织临界性
• 3.2.3 电力系统与沙堆模型的类比
• 3.3 已有的连锁故障大停电模型
• 3.3.1 OPA 模型
• 3.3.2 隐性故障模型
• 3.3.3 Manchester 模型
• 3.3.4 OPF（Optimal Power Flow）模型
• 3.3.5 各停电模型的特点比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 考虑网络演化的OPF 停电模型
• 4.1 模型定义
• 4.2 模型仿真
• 4.2.1 网络拓扑结构的演化
• 4.2.2 电网自组织临界特性分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 复杂电力网络的结构异构性分析
• 5.1 结构异构性概述
• 5.2 描述结构异构性的关键指标
• 5.2.1 网络结构熵
• 5.2.2 洛伦兹曲线和基尼系数
• 5.3 实例仿真分析
• 5.3.1 基于时空演化模型的网络结构异构性参数
• 5.3.2 实际电网的异构性比较
• 5.3.3 异构性对电力网络连锁故障的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 1. 全文总结
• 2. 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 附录 B 英格兰39 节点系统参数