电力网络与信息网络交互作用的连锁故障传播机理研究

It is an essential goal for developing smart grids to decrease the big blackout risk. The interactions between power grids and communication networks would enlarge cascading failures. Thus, based on the interactive cascading failure model, it is important to improve the reliability of power system through better understanding both of the interactions and the propagation mechanism of cascading failures. The project is mainly focusing on: analyzing the impacts from the power system operation on communication network; analyzing the impacts from the communication network on the optimal control of power systems; analyzing the impacts from the optimal control on power system operation. Thus the interactions can be summarized from the influences of such three factors. And then by grasping the typical characteristics of interactions, the interactive cascading failure model is proposed. Based on it, the identification model for the self-criticality state can be proposed to analyze the propagation mechanism of cascading failures. The project analyzes the interactions deeply, and reveals the propagation mechanism of cascading failures on interdependent power grids and communication networks. It provides the theoretical foundation for smart grid resisting the big blackout.

最大限度减小大规模停电事故风险是建设智能电网的一个重要目标。电网与信息网络之间日益增强的耦合关系会加快电网连锁故障的传播，分析电网与信息网络交互作用并揭示在交互影响下连锁故障的传播机理，对于从根本上保障电网安全运行具有重要的理论和工程意义。主要研究内容包括：分析电网运行可靠性对信息网络运行的影响、信息网络运行可靠性对电网优化调度的影响、优化调度对电网运行可靠性的影响，基于这三者之间的联系，凝炼和阐明电网与信息网络之间交互作用机制；将电网、信息网络及交互关系中对大停电有影响的因素的实际特征进行抽象，建立连锁故障模型并揭示故障在不同传播阶段中的自组织特性演变规律，辨识电力系统运行的临界态和安全运行区；针对新能源发电大规模接入导致的结构异质性和潮流波动性，辨识其对连锁故障传播的影响。该项目深入分析电网与信息网络之间的交互作用，并揭示复杂耦合系统连锁故障传播机理，为智能电网抵御大停电提供理论依据。

电力网络与信息网络的深度融合，使得电力系统运行时的可观性、可控性得到了提高，但同时电力系统也将面临来自信息网络故障带来的风险。电力系统内部的初始故障可能会通过网间耦合关系交替传播，形成连锁故障，甚至蔓延至整个系统，严重危害电力系统运行。本项目以一一对应相依耦合网络理论为基础，针对电力信息网络的统计特性，并考虑信息传输失常，基于直流潮流计算，建立了考虑交互作用的连锁故障传播模型。分析了不同信息网络结构与一一对应耦合方式对连锁故障传播的影响。最后以信息传输失常特性作为辨识指标，揭示了连锁故障传播过程中的动态演变特性。具体如下：. 基于复杂网络理将信息网络拓扑结构分为双星型与网状型两种结构，通过实例分析得到：双星型结构网络的特征路径长度更短，有利于信息包的快速传递。将电力网与信息网节点的一一对应关系分为“度数-度数”和“介数-度数”，提出了衡量电力网与信息网节点耦合关系强度的指标，并以IEEE-118节点与长沙电网为例进行分析计算，结果表明：“度数-度数”之间的耦合关系大于“介数-度数”，且节点之间耦合关系越大，节点对之间相互作用的强度越大。 . 在一一对应耦合网络模型基础上，基于直流潮流计算，考虑信息传输失常，建立了电力系统与信息系统交互作用下的连锁故障模型。结果表明：电力网络与与双星型信息网耦合时发生大停电事故的概率较小；网间耦合关系值越大则发生连锁故障概率越小，当耦合关系为“度数-度数”时，大停电概率较低，“度数-度数”耦合关系有助于提高电力网络抵抗随机故障的能力。. 在连锁故障传播过程中，信息网络的传输失常累计概率呈幂律分布，信息传输失常可以辨识自组织临界态，临界突变的阈值可以用于大停电事故的预警。仿真与实例分析表明双星型信息网络的传输失常累积概率阈值小于网状信息网络的累积概率阈值，当电力网络面临随机故障时，双星型电力信息网络结构更有助于电力网络故障信息传输到调度中心，以实现优化控制。