基于复杂网络理论的电力网络同步、稳定性与级联故障研究

An imperative condition for the functioning of a power-grid network is that its power generators remain synchronized. Most previous studies about vulnerabilities and cascading failures of power grids are based on highly abstract grid topologies, without considering the physical characteristics of the nodes and links. Based on the Kuramoto-like model, considered the physical characteristics of the different types of nodes, the transmission line impedances and directions of the real power transmission, this project will construct a more scientific and reasonable model for a power grid which is suitable for large-scale simulation. With the complex network theory and the knowledge of nonlinear dynamics, we will study the process of spontaneous synchrony in power-grid networks and the effect of the structural features and physical parameters on the synchronization of a power grid, analyze the robustness of different topologies of power grids for dynamical disturbances and topological disturbances, propose some effective methods for power grids renovation and expansion, study the method of critical nodes and links identification in a real power grid from the perspective of dynamics ,study the cascading failure propagation mechanism through analyzing the propagation of desynchronization waves, explore methods of synchronization control and methods of suppression cascading failures. The research results of this project are of great significance for protecting the stability of the existing power grids and preventing the occurrence of cascading failures. They also provide some references for future power grids reconstruction and the development of smart grids.

联网发电站的同步是电力网络正常运行的必要条件，以往对电网结构的脆弱环节研究和级联故障研究大多是基于电网高度抽象的拓扑模型的，没有考虑电网上节点和连接的物理特性，本项目将在类Kuramoto模型的基础上，考虑电力网络中不同类型节点的物理特性和实际电力传输的线路阻抗及电能传输的方向性，建立更加科学合理又便于大尺度仿真的电力网络的物理模型，借助复杂网络理论和非线性动力学，研究电网的自组织同步过程和影响电网同步的结构特征和物理参量，分析不同结构的电网对动力学扰动和结构扰动的鲁棒性，提出电网改造和扩展的有效方法，从动力学分析的角度研究实际电网中的关键支路和关键节点识别方法，通过分析失同步波的传播过程研究电网中级联故障的发生机理，探讨电网同步控制方法和电网级联故障传播的有效抑制方法。本项目的研究成果对于保护现有电网的稳定性、预防级联故障的发生具有重要意义，也为未来电网改造和智能电网的发展提供参考依据。

联网发电站的同步是电力网络正常运行的前提，随着经济的发展和科技的进步，用电需求日益增加，电网的结构日趋复杂，入网分布式能源日益增多等因素使得电网的稳定运行环境恶化。本项目结合网络拓扑和电气特性，通过理论分析和大量的仿真实验，对电网的同步优化、关键环节识别、级联故障分析和控制、分布式电站入网等涉及电网稳定运行的关键问题进行了深入研究，取得了一系列具有一定创新性的研究成果。项目的完成丰富和发展了复杂网络理论和电力网络稳定理论。整个项目的主要成果和进展体现在以下六个方面：一是对影响电网同步的各种因素进行深入分析，在此基础上提出了几种优化电网同步性能、提高抗扰能力的方法，具体包括调整线路容量（耦合强度）、结合拓扑结构的发电机功率分配、恰当增加传输线路等；二是对电网的关键环节识别进行研究。综合考虑电网拓扑特性、动力学性能、电气特性等，提出了几种电网关键节点和关键线路的识别方法，能较好的识别出电网中的关键环节；三是对单层电网和通信与电网相互依存网络上的级联故障传播行为进行深入研究。分别采用基于拓扑信息的容量负载模型和基于电气特性的直流潮流模型，提出了一种可以提高网络鲁棒性的新容量负载模型，发现了影响电网级联故障的主要拓扑参量（介数）和电气参量（功率），提出了一种基于BP神经网络识别级联故障规模的方法和一种通过切负荷抑制电网级联故障传播的方法；四是深入研究了分布式电站并网问题。研究表明分布式电站应从远离发电站的负载节点入网，当多分布式电站连接成子网并网时，星型结构或BA无标度结构是较好的子网结构；五是对电网上布雷斯悖论发生机理、复杂网络上信息及疾病的传播及免疫策略进行了拓展研究，提出了改进的免疫策略；六是促进了学术交流和年轻人才的培养，培养硕士研究生19名，毕业15名。本项目的研究成果对于保护现有电网的稳定性、预防级联故障的发生具有重要意义，也为未来电网改造和智能电网的发展提供参考依据。