電力系統(tǒng)自組織臨界特性與大電網(wǎng)安全

前言

　　電力網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今世界覆蓋面最廣、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的人造系統(tǒng)之一。作為國民經(jīng)濟的支柱，電網(wǎng)的安全運行與國計民生息息相關(guān)，而近年來頻頻發(fā)生的大面積停電事故則充分暴露了大型互聯(lián)電網(wǎng)脆弱性的一面。迄今為止，電力科技工作者對發(fā)生在世界各主要電力系統(tǒng)的大面積停電事故原因進行了詳盡的分析研究，但很多情況下仍不能給出具有說服力的理論分析結(jié)果，也未能阻止停電事故的繼續(xù)發(fā)生。如1996年美國西部電網(wǎng)相繼發(fā)生兩次大面積停電后，北美電力可靠性委員會（North American Electric Reliability Corporation， NERC）成立了“新”的互聯(lián)系統(tǒng)動態(tài)工作組，研究了有關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定、電壓、無功電源、系統(tǒng)控制和保護等一系列問題，并協(xié)助制訂為保證互聯(lián)系統(tǒng)能正確地規(guī)劃設(shè)計和可靠運行的標(biāo)準(zhǔn)程序和原則中國知網(wǎng)，中國知識基礎(chǔ)設(shè)施工程知識元。北美電力系統(tǒng)可靠性管理。然而時隔七年的2003年8月14日，又發(fā)生了震驚世界的美加大停電，這一次與1996年的兩次大停電相比損失更為慘重。究其原因，是對電網(wǎng)本身的特性和電網(wǎng)大面積停電事故的機理缺乏有成效的理論研究，對若干復(fù)雜現(xiàn)象缺乏科學(xué)的理論解釋和分析方法，如電網(wǎng)的演化特性、連鎖反應(yīng)事故發(fā)展機理等，而這正是當(dāng)前電網(wǎng)安全分析研究的難點，也是包括我國電網(wǎng)在內(nèi)的世界各國電網(wǎng)提高安全可靠性水平必須解決的基礎(chǔ)性科學(xué)問題。

內(nèi)容概要

　　本書主要介紹自組織臨界理論及其在大電網(wǎng)安全分析領(lǐng)域的應(yīng)用成果，內(nèi)容分為三部分。第一部分(第1～4章)主要利用概率論和隨機過程為大電網(wǎng)的自組織臨界理論奠定嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，包括介紹與自組織臨界理論相關(guān)的數(shù)學(xué)與統(tǒng)計物理方面的基本概念和基本理論、復(fù)雜系統(tǒng)冪律分布特性的數(shù)學(xué)解釋、基于控制論的自組織臨界一般原理及電力系統(tǒng)演化機制模型等內(nèi)容；第二部分(第5～8章)主要利用復(fù)雜系統(tǒng)自組織臨界理論，建立了系列電力系統(tǒng)連鎖故障及大停電事故模型，包括基于直流潮流的OPA和改進OPA模型、基于交流潮流的大停電事故模型、計及無功/電壓特性的大停電事故模型以及考慮暫態(tài)穩(wěn)定約束的大停電事故模型等，這些模型可從各個層面全方位地揭示超大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)的異常動態(tài)特性及其機理，評估大停電風(fēng)險并提出相應(yīng)的預(yù)防措施；第三部分(第9～10章)緊密結(jié)合工程實際，初步探討了自組織臨界理論在電網(wǎng)/電源規(guī)劃和電力應(yīng)急管理中的應(yīng)用，包括大電網(wǎng)關(guān)鍵線路和節(jié)點的辨識方法、運行參數(shù)設(shè)置與大電網(wǎng)安全的關(guān)系、災(zāi)害預(yù)警和防災(zāi)預(yù)案評估等?！　　峨娏ο到y(tǒng)自組織臨界特性與大電網(wǎng)安全》可以作為電氣工程和系統(tǒng)科學(xué)專業(yè)的研究生教材，也可供從事上述專業(yè)的科研人員和工程技術(shù)人員參考。

作者簡介

　　薛安成，2001年畢業(yè)于清華大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位；2006年畢業(yè)于清華大學(xué)電機系，獲工學(xué)博士學(xué)位；2008年3月中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院博士后出站；同年進入華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院四方研究所工作。已在IEEE Trans．CASI、《中國科學(xué)》、《電力系統(tǒng)自動化》等國內(nèi)外刊物發(fā)表論文30余篇，其中SCI論文6篇，EI論文15篇。已獲國家自然科學(xué)基金資助項目1項（No．50707035）。曾參與“973”子課題“實時綜合穩(wěn)定域及可視化”等多項科研項目。曾在香港大學(xué)電機與電子工程系、香港理工大學(xué)數(shù)學(xué)系和清華港大深圳電力系統(tǒng)研究所擔(dān)任研究助理。主要從事電力系統(tǒng)分析、控制和保護等研究?！　堁┟?，2001年獲清華大學(xué)電氣工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2006年獲清華大學(xué)電氣工程博士學(xué)位并留校任教。研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制。已發(fā)表SCI論文4篇，EI論文12篇，編著圖書1部。曾赴英國Brunel大學(xué)進行為期半年的訪問研究。參與“973”課題“大電網(wǎng)安全性評估的系統(tǒng)復(fù)雜性理論研究”、自然科學(xué)基金重大項目子課題一“影響超大規(guī)模電力系統(tǒng)安全性的動態(tài)行為與特征”、“四川電網(wǎng)災(zāi)難性事故及防治對策研究”和“東北500 kV電網(wǎng)？昆成自動電壓控制系統(tǒng)”等多項基礎(chǔ)研究和重大工程研發(fā)。

書籍目錄

第1章 緒論11.1 從復(fù)雜性科學(xué)角度看大電網(wǎng)11.2 SOC理論與大停電61.3 大停電數(shù)據(jù)的SOC實證分析81.4 電力網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜特性81.5 連鎖故障模型101.5.1 基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連鎖故障模型111.5.2 基于元件級聯(lián)失效的連鎖故障模型151.5.3 基于電網(wǎng)動態(tài)特性的連鎖故障及大停電事故模型161.6 本書內(nèi)容概覽20第2章 SOC若干基本概念222.1 隨機變量222.1.1 概率222.1.2 隨機變量和分布函數(shù)242.1.3 連續(xù)型隨機變量252.1.4 隨機變量的數(shù)字特征272.2 隨機過程292.2.1 隨機過程及其數(shù)字特征302.2.2 平穩(wěn)隨機過程322.2.3 各態(tài)歷經(jīng)過程352.2.4 隨機信號時域特征的估計362.3 隨機過程的頻域特性——能量和譜382.3.1 實隨機過程的功率譜密度382.3.2 實隨機過程的互功率譜密度402.4 Brown運動和噪聲412.4.1 Brown運動422.4.2 噪聲432.5 中心極限定理452.5.1 一般形式的中心極限定理462.5.2 Donsker不變原理472.6 標(biāo)度不變性472.6.1 多尺度系統(tǒng)和自相似性482.6.2 標(biāo)度不變性的示例492.7 漲落502.8 冪律與相關(guān)性522.8.1 冪律522.8.2 Levy分布532.8.3 Levy分布與長程相關(guān)552.8.4 SWV方法582.8.5 ?R/S?方法592.8.6 ?R/S?方法與Levy冪律分布592.8.7 廣義中心極限定理602.9 幾點討論61第3章 SOC一般性原理623.1 組織與自組織623.2 SOC現(xiàn)象與臨界態(tài)643.2.1 自然界中的SOC現(xiàn)象643.2.2 臨界態(tài)和非臨界態(tài)683.3 SOC特征693.4 基于控制論的SOC713.4.1 演化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述713.4.2 系統(tǒng)演化過程和SOC 723.5 SOC與復(fù)雜性733.6 SOC與混沌743.7 SOC與HOT753.8 幾點討論77第4章 電力系統(tǒng)SOC基礎(chǔ)784.1 電網(wǎng)演化機制模型794.1.1 暫態(tài)過程模擬804.1.2 快動態(tài)過程模擬864.1.3 慢動態(tài)過程模擬884.1.4 電網(wǎng)生長演化過程模擬914.2 電力系統(tǒng)大停電的SOC現(xiàn)象984.2.1 我國電網(wǎng)停電事故統(tǒng)計的冪律特征984.2.2 基于SWV方法的我國電網(wǎng)事故自相關(guān)性分析1034.2.3 基于?R/S?方法的我國電網(wǎng)事故自相關(guān)性分析 1074.3 電力系統(tǒng)控制與SOC1084.4 電力系統(tǒng)風(fēng)險評估1094.4.1 VaR1094.4.2 CVaR1104.4.3 基于歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的停電風(fēng)險評估1114.4.4 關(guān)于VaR和CVaR的進一步討論112第5章 基于直流潮流的大停電事故模型1145.1 直流潮流及優(yōu)化模型1145.1.1 直流潮流簡介1145.1.2 基于直流潮流的優(yōu)化問題1175.2 OPA模型1185.2.1 OPA模型簡介1185.2.2 基于OPA模型的電力系統(tǒng)SOC分析1205.3 改進OPA模型1275.3.1 改進OPA模型設(shè)計1275.3.2 基于改進OPA模型的電力系統(tǒng)SOC分析1305.4 若干問題的討論143第6章 基于交流潮流的大停電事故模型1446.1 最優(yōu)潮流數(shù)學(xué)模型1446.2 模型設(shè)計1456.2.1 模型結(jié)構(gòu)1456.2.2 快動態(tài)過程（內(nèi)部循環(huán)）1456.2.3 慢動態(tài)過程（外部循環(huán)）1476.2.4 模型特點1476.3 連鎖故障仿真1486.3.1 控制參數(shù)設(shè)計1486.3.2 IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)1496.3.3 東北500?kV主干網(wǎng)系統(tǒng)1536.3.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵B鎖故障的影響1596.4 宏觀SOC特征提取及臨界性分析1606.4.1 快動態(tài)的臨界性1616.4.2 宏觀SOC特征提取1626.4.3 東北500?kV主干網(wǎng)系統(tǒng)臨界性分析1646.5 幾點討論166第7章 計及無功/電壓特性的大停電事故模型1677.1 大停電事故模型I1677.2 大停電事故模型I的無功/電壓分析方法1687.2.1 臨界電壓分析方法1687.2.2 基于常規(guī)潮流的無功/電壓模態(tài)分析方法1707.2.3 基于最優(yōu)潮流的無功/電壓模態(tài)分析方法1727.3 基于大停電事故模型I的SOC分析1757.3.1 三類臨界特征指標(biāo)1757.3.2 仿真算例1767.3.3 典型運行參數(shù)對停電事故分布的影響1877.4 大停電事故模型II1917.5 大停電事故模型II的無功/電壓分析方法1927.5.1 負(fù)荷裕度算法1927.5.2 大停電事故模型II切負(fù)荷環(huán)節(jié)的精確建模1947.6 基于大停電事故模型II的SOC分析1977.6.1 大停電過程中臨界特征指標(biāo)變化趨勢1977.6.2 典型運行參數(shù)對停電分布的影響1987.7 幾點討論200第8章 基于OTS的大停電事故模型2028.1 暫態(tài)穩(wěn)定裕度指標(biāo)2028.1.1 暫態(tài)穩(wěn)定裕度指標(biāo)的構(gòu)建2038.1.2 暫態(tài)穩(wěn)定裕度指標(biāo)的計算2058.1.3 暫態(tài)穩(wěn)定裕度指標(biāo)靈敏度的求取2068.2 OTS數(shù)學(xué)模型和算法實現(xiàn)2078.2.1 常規(guī)最優(yōu)潮流（OPF) 2088.2.2 暫態(tài)穩(wěn)定約束處理2098.2.3 含暫穩(wěn)約束的最優(yōu)潮流（OTS) 2098.2.4 OTS算法實現(xiàn)2108.2.5 10機39節(jié)點系統(tǒng)仿真分析2108.2.6 OTS算法的幾點說明2178.3 大停電事故模型2188.3.1 暫態(tài)過程（內(nèi)層循環(huán)）2198.3.2 快動態(tài)過程（中層循環(huán)）2218.3.3 慢動態(tài)過程（外層循環(huán)）2248.4 連鎖故障過程模擬2268.5 宏觀SOC特征提取及臨界性分析2328.6 快動態(tài)臨界性及風(fēng)險評估2348.7 進一步的討論236第9章 電源及電網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)用2379.1 現(xiàn)有電源及電網(wǎng)規(guī)劃的不足2379.2 關(guān)鍵線路辨識方法2399.3 關(guān)鍵電源辨識方法2439.4 線路傳輸容量增長因子與停電風(fēng)險2469.5 重載線路切除概率與停電風(fēng)險2479.6 小結(jié)250第10章 電力應(yīng)急管理平臺應(yīng)用25110.1 電力應(yīng)急平臺簡介25110.1.1 電力應(yīng)急平臺總體結(jié)構(gòu)25210.1.2 輔助決策系統(tǒng)基本原理25410.2 基于直流潮流的電網(wǎng)災(zāi)變預(yù)測預(yù)警模型25510.2.1 模型設(shè)計25510.2.2 仿真分析25710.3 基于交流潮流的電網(wǎng)災(zāi)變預(yù)測預(yù)警模型27010.3.1 模型設(shè)計27010.3.2 仿真分析27210.4 小結(jié)277附錄A IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)線路參數(shù)279附錄B 東北電網(wǎng)500?kV主干網(wǎng)絡(luò)線路參數(shù)280附錄C IEEE 118節(jié)點系統(tǒng)線路參數(shù)281附錄D 電力設(shè)備停運影響因素分類285附錄E 電力設(shè)備停運概率模型286附錄F 名詞索引290參考文獻293

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒論　　1.1　從復(fù)雜性科學(xué)角度看大電網(wǎng)　　復(fù)雜性科學(xué)是一門新興的學(xué)科，它的產(chǎn)生背景是基于還原論的方法已經(jīng)不能充分認(rèn)識和解釋大千世界中千姿百態(tài)、復(fù)雜多變的現(xiàn)實問題。復(fù)雜性科學(xué)雖然初見端倪，卻已被許多科學(xué)家譽為“21世紀(jì)新科學(xué)”。復(fù)雜性科學(xué)是以還原論、經(jīng)驗論及純科學(xué)等經(jīng)典理論為基礎(chǔ)，吸收系統(tǒng)論、康德理性論和人文科學(xué)的思想而發(fā)展形成的，以研究自然、社會的復(fù)雜性和復(fù)雜系統(tǒng)為核心的新科學(xué)?！　‖F(xiàn)代電力系統(tǒng)，又稱大電網(wǎng)，是一類典型的復(fù)雜系統(tǒng)，其復(fù)雜特性表現(xiàn)為以下四個方面?！　?.現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模龐大　　總的來說，現(xiàn)代電力系統(tǒng)主要包含三個基本組成部分：一是能量變換、傳輸、分配和使用的一次系統(tǒng)；二是保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行的自動控制系統(tǒng)（也稱二次系統(tǒng)）；三是實現(xiàn)電力作為商品買賣的電能交易系統(tǒng)?！　∫?007年的東北區(qū)域電網(wǎng)為例，僅220 kV和500 kV的一次系統(tǒng)就有500多臺變壓器，700多條輸電線路，1000多臺發(fā)電機（其中300多臺水力火力發(fā)電機，其他主要為容量較小的風(fēng)電機組）。而110 kV以下的電網(wǎng)規(guī)模遠大于220 kV及以上主干網(wǎng)，以深圳電網(wǎng)為例，其中10 kV以上線路有1000多條，變壓器1100多臺。若考慮到最終用戶使用的220 V電網(wǎng)，其元件個數(shù)甚至難以統(tǒng)計。此外，通常二次系統(tǒng)的規(guī)模更是超過一次系統(tǒng)，這是因為若要實現(xiàn)電力系統(tǒng)的可靠運行，需要安裝數(shù)量眾多的傳感器以量測幾乎所有的電力一次設(shè)備狀態(tài)，包括電壓、電流、溫度等，還需要龐大的光纖、微波網(wǎng)進行信息通信。

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