基于动态复杂网络理论的含拓扑物理及运行特性的大规模复杂电网脆弱性评估

Power grid vulnerability assessment (VA) based on the complex network theory (CNT) involves multiple disciplines. Due to the fact that there is lack of breakthrough on the CNT-based VA for the operational vulnerability of the grids and on the application of the theory of dynamics under the umbrella of the CNT to the VA, etc., this project plans to systematically establish the VA framework based on the dynamics of the CNT through the analyses of threats against the secure operation of power grids, the characteristics modelling of the grids under different statuses, the VA for large-scaled complex power grids, and designs for off-line and on-line trial applications. More specifically, focuses will be put on how to: 1) create spatio-temporal relationship graphs which comprehensively consider the topological, physical and operational features of the large-scaled complex power grids; 2) use the theory of dynamics, such as the dynamic evolutionary propagation, the cascading inefficacy, evolution of the time-variant graph, etc., to analyze the graphic features of the spatio-temporal relationship graphs; 3) setup the VA framework from the holistic view of the entire network; 4) devise computerized approaches and techniques for applying the results on large-scaled complex grids in the off-line and on-line environments. Further, to satisfy the requirements of the VA for large-scaled power grids, i.e. fast, real-time, and dynamic, this project will employ machine learning algorithms to automatically abstract and optimize the needed characteristics of data acquired from the WAMS to improve the speed and accuracy of the assessment results, and advance the practical application of the proposed VA methodologies. In summary, this project will surely provide new frameworks, methodologies, and practical implications for the VA based on the theory of dynamics of the CNT.

针对目前复杂网络理论应用于电网运行状态脆弱性评估还未取得突破性进展，其动力学理论还未能应用于脆弱性评估等关键问题，本项目拟从复杂电网威胁因素、电网特性、大规模复杂电网脆弱性评估及离线和在线实验设计四个方面，系统地逐步推进基于复杂网络理论的动力学脆弱性评估体系的构建。重点构建考虑大电网拓扑特性、物理特性和运行特性的时空关联图，并利用动态复杂网络的演化传播、级联失效及时变图演化等动力学理论分析时空关联图的网络特性，以从全网角度构建脆弱性评估体系，并将此研究成果应用于大规模复杂电网的离线和在线评估。为了适应大规模复杂电网脆弱性评估快速、实时、动态的要求，利用广域测量系统的数据采集和分析体系，以机器学习算法自动提取和优化特征数据，以提高评估速度与精度，促进脆弱性评估方法的实用化。本项目将为基于动态复杂网络理论的脆弱性评估提供新的研究体系。

随着复杂网络理论的不断完善及应用的不断推进，复杂网络理论用于评估电网脆弱性展现出巨大潜力，但仍存在许多关键问题，限制了它在该领域的发展，使得其研究进展没有实质性突破。其主要问题包括：运行状态脆弱性评估还没有突破性进展；绝大多数都是将网络结构和电气特性抽象出来进行单纯的“静态”脆弱性指标构造；仍然应用于评估规模较小电网，并没有有效发挥复杂网络理论评估大规模复杂电网的优势。.本项目针对现有复杂网络理论在大规模复杂电网脆弱性评估中亟待解决的关键问题，从复杂电网威胁因素、电网特性、大规模复杂电网脆弱性评估及离线和在线实验设计四个方面，系统地逐步推进基于复杂网络理论的动力学脆弱性评估体系的构建。构建了基于自然语言处理的停电原因自动追踪方法，更好地理解电网脆弱性触发的根源；基于电网拓扑结构、物理特性以及运行特性，建立了电力物理信息融合系统脆弱性评估模型；利用动态复杂网络的演化传播、级联失效及时变图演化等动力学理论分析了时空关联图的网络特性，对电网的脆弱性进行了评估；将复杂电网脆弱性评估运用于实际电网评估，开发了大规模复杂电网的脆弱性评估系统。本项目将动态复杂网络理论运用于大规模复杂电网脆弱性评估，构建一种新的评估体系，具有重要的理论学术价值和工程应用意义，对电网安全、关键基础设施保护、经济发展具有重大意义。随着工作的不断深入，除以上研究内容外，还进行了跨系统研究，从电力市场调度、电动汽车/列车入网等方面研究交叉系统复杂性对电网脆弱性的冲击，探索其它因素诱发系统脆弱性显现的相关性。截止2023年1月，项目实际成果为：发表学术论文54篇（第一标注32篇，第二标注11篇，第三标注8篇，第四标注3篇），其中期刊论文50篇（SCI期刊25篇，其中2区及以上12篇；EI期刊9篇、北大核心期刊10篇），会议论文4篇；项目主持人指导博士研究生3人，硕士研究生8人，参与完成发明专利6部且其中已授权3部，参与完成软件著作3项。.