电力系统自组织临界特性与大电网安全

第1章 绪论1

1.1 从复杂性科学角度看大电网1

1.2 SOC理论与大停电6

1.3 大停电数据的SOC实证分析8

1.4 电力网络的复杂特性8

1.5 连锁故障模型10

1.5.1 基于网络拓扑结构的连锁故障模型11

1.5.2 基于元件级联失效的连锁故障模型15

1.5.3 基于电网动态特性的连锁故障及大停电事故模型16

1.6 本书内容概览20

第2章 SOC若干基本概念22

2.1 随机变量22

2.1.1 概率22

2.1.2 随机变量和分布函数24

2.1.3 连续型随机变量25

2.1.4 随机变量的数字特征27

2.2 随机过程29

2.2.1 随机过程及其数字特征30

2.2.2 平稳随机过程32

2.2.3 各态历经过程35

2.2.4 随机信号时域特征的估计36

2.3 随机过程的频域特性——能量和谱38

2.3.1 实随机过程的功率谱密度38

2.3.2 实随机过程的互功率谱密度40

2.4 Brown运动和噪声41

2.4.1 Brown运动42

2.4.2 噪声43

2.5 中心极限定理45

2.5.1 一般形式的中心极限定理46

2.5.2 Donsker不变原理47

2.6 标度不变性47

2.6.1 多尺度系统和自相似性48

2.6.2 标度不变性的示例49

2.7 涨落50

2.8 幂律与相关性52

2.8.1 幂律52

2.8.2 Levy分布53

2.8.3 Levy分布与长程相关55

2.8.4 SWV方法58

2.8.5 R/S方法59

2.8.6 R/S方法与Levy幂律分布59

2.8.7 广义中心极限定理60

2.9 几点讨论61

第3章 SOC一般性原理62

3.1 组织与自组织62

3.2 SOC现象与临界态64

3.2.1 自然界中的SOC现象64

3.2.2 临界态和非临界态68

3.3 SOC特征69

3.4 基于控制论的SOC71

3.4.1 演化系统的数学描述71

3.4.2 系统演化过程和SOC 72

3.5 SOC与复杂性73

3.6 SOC与混沌74

3.7 SOC与HOT75

3.8 几点讨论77

第4章 电力系统SOC基础78

4.1 电网演化机制模型79

4.1.1 暂态过程模拟80

4.1.2 快动态过程模拟86

4.1.3 慢动态过程模拟88

4.1.4 电网生长演化过程模拟91

4.2 电力系统大停电的SOC现象98

4.2.1 我国电网停电事故统计的幂律特征98

4.2.2 基于SWV方法的我国电网事故自相关性分析103

4.2.3 基于R/S方法的我国电网事故自相关性分析 107

4.3 电力系统控制与SOC108

4.4 电力系统风险评估109

4.4.1 VaR109

4.4.2 CVaR110

4.4.3 基于历史统计数据的停电风险评估111

4.4.4 关于VaR和CVaR的进一步讨论112

第5章 基于直流潮流的大停电事故模型114

5.1 直流潮流及优化模型114

5.1.1 直流潮流简介114

5.1.2 基于直流潮流的优化问题117

5.2 OPA模型118

5.2.1 OPA模型简介118

5.2.2 基于OPA模型的电力系统SOC分析120

5.3 改进OPA模型127

5.3.1 改进OPA模型设计127

5.3.2 基于改进OPA模型的电力系统SOC分析130

5.4 若干问题的讨论143

第6章 基于交流潮流的大停电事故模型144

6.1 最优潮流数学模型144

6.2 模型设计145

6.2.1 模型结构145

6.2.2 快动态过程（内部循环）145

6.2.3 慢动态过程（外部循环）147

6.2.4 模型特点147

6.3 连锁故障仿真148

6.3.1 控制参数设计148

6.3.2 IEEE 30节点系统149

6.3.3 东北500kV主干网系统153

6.3.4 网络拓扑对连锁故障的影响159

6.4 宏观SOC特征提取及临界性分析160

6.4.1 快动态的临界性161

6.4.2 宏观SOC特征提取162

6.4.3 东北500kV主干网系统临界性分析164

6.5 几点讨论166

第7章 计及无功/电压特性的大停电事故模型167

7.1 大停电事故模型I167

7.2 大停电事故模型I的无功/电压分析方法168

7.2.1 临界电压分析方法168

7.2.2 基于常规潮流的无功/电压模态分析方法170

7.2.3 基于最优潮流的无功/电压模态分析方法172

7.3 基于大停电事故模型I的SOC分析175

7.3.1 三类临界特征指标175

7.3.2 仿真算例176

7.3.3 典型运行参数对停电事故分布的影响187

7.4 大停电事故模型II191

7.5 大停电事故模型II的无功/电压分析方法192

7.5.1 负荷裕度算法192

7.5.2 大停电事故模型II切负荷环节的精确建模194

7.6 基于大停电事故模型II的SOC分析197

7.6.1 大停电过程中临界特征指标变化趋势197

7.6.2 典型运行参数对停电分布的影响198

7.7 几点讨论200

第8章 基于OTS的大停电事故模型202

8.1 暂态稳定裕度指标202

8.1.1 暂态稳定裕度指标的构建203

8.1.2 暂态稳定裕度指标的计算205

8.1.3 暂态稳定裕度指标灵敏度的求取206

8.2 OTS数学模型和算法实现207

8.2.1 常规最优潮流（OPF) 208

8.2.2 暂态稳定约束处理209

8.2.3 含暂稳约束的最优潮流（OTS) 209

8.2.4 OTS算法实现210

8.2.5 10机39节点系统仿真分析210

8.2.6 OTS算法的几点说明217

8.3 大停电事故模型218

8.3.1 暂态过程（内层循环）219

8.3.2 快动态过程（中层循环）221

8.3.3 慢动态过程（外层循环）224

8.4 连锁故障过程模拟226

8.5 宏观SOC特征提取及临界性分析232

8.6 快动态临界性及风险评估234

8.7 进一步的讨论236

第9章 电源及电网规划应用237

9.1 现有电源及电网规划的不足237

9.2 关键线路辨识方法239

9.3 关键电源辨识方法243

9.4 线路传输容量增长因子与停电风险246

9.5 重载线路切除概率与停电风险247

9.6 小结250

第10章 电力应急管理平台应用251

10.1 电力应急平台简介251

10.1.1 电力应急平台总体结构252

10.1.2 辅助决策系统基本原理254

10.2 基于直流潮流的电网灾变预测预警模型255

10.2.1 模型设计255

10.2.2 仿真分析257

10.3 基于交流潮流的电网灾变预测预警模型270

10.3.1 模型设计270

10.3.2 仿真分析272

10.4 小结277

附录A IEEE 30节点系统线路参数279

附录B 东北电网500kV主干网络线路参数280附

录C IEEE 118节点系统线路参数281

附录D 电力设备停运影响因素分类285

附录E 电力设备停运概率模型286

附录F 名词索引290

参考文献293

本书主要介绍自组织临界理论及其在大电网安全分析领域的应用成果，内容分为三部分。第一部分(第1～4章)主要利用概率论和随机过程为大电网的自组织临界理论奠定严格的数学基础，包括介绍与自组织临界理论相关的数学与统计物理方面的基本概念和基本理论、复杂系统幂律分布特性的数学解释、基于控制论的自组织临界一般原理及电力系统演化机制模型等内容；第二部分(第5～8章)主要利用复杂系统自组织临界理论，建立了系列电力系统连锁故障及大停电事故模型，包括基于直流潮流的OPA和改进OPA模型、基于交流潮流的大停电事故模型、计及无功/电压特性的大停电事故模型以及考虑暂态稳定约束的大停电事故模型等，这些模型可从各个层面全方位地揭示超大规模互联电网的异常动态特性及其机理，评估大停电风险并提出相应的预防措施；第三部分(第9～10章)紧密结合工程实际，初步探讨了自组织临界理论在电网/电源规划和电力应急管理中的应用，包括大电网关键线路和节点的辨识方法、运行参数设置与大电网安全的关系、灾害预警和防灾预案评估等。本书可以作为电气工程和系统科学专业的研究生教材，也可供从事上述专业的科研人员和工程技术人员参考。