基于復雜網絡的加權有向的拓撲模型的電力系統(tǒng)脆弱性評估外文翻譯

1、東北大學本科畢業(yè)設計外文文獻翻譯學院：信息科學與工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：姓名： 學號：指導老師： 東北大學本科畢業(yè)設計外文文獻原文學院：信息科學與工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：姓名： 學號：指導老師： 基于復雜網絡的加權有向的拓撲模型的電力系統(tǒng)脆弱性評估摘要 本文是基于復雜網絡的加權有向拓撲模型的電力系統(tǒng)脆弱性分析。提出了基于P-Q網絡分解的有向加權拓撲模型。首先，電力網絡的拓撲模型被分解為有功網絡和無功網絡。然后線路的方向和權重是通過電力網絡的操作狀態(tài)和物理特性分別計算給出的。最后結合復雜網絡理論，分析電力系統(tǒng)的脆弱性。結果給出IEEE14母線系統(tǒng)的例子，結果顯示我們提

2、出的模型對于電力網絡的操作性和物理特性都有較好的反應。和其他脆弱性和敏感性分析方法比較，本方法能夠更有效的識別出網絡中的脆弱的部分。與此同時，我們所提出的模型已經被證實是合理且有效的。 關鍵詞 復雜網絡理論；有向加權拓撲模型；電力系統(tǒng)脆弱性；P-Q網絡分解 I 介紹作為一種典型的復雜網絡系統(tǒng)，近幾年基于復雜網絡理論的拓撲模型的電力系統(tǒng)脆弱性評估受到關注。它的主要研究包括：1）通過復雜網絡參數發(fā)現了電力系統(tǒng)的特性，包括小世界網絡特性、無標度網絡特性、脆弱性等。參考文獻34分析和證實了脆弱性和拓撲結構之間的關系。2）研究基于網絡行為特性的連鎖故障機理。文獻5分析了小世界網絡特征在電力系統(tǒng)連鎖故障傳

3、播過程中的影響，指出較短的平均路徑長度和較高的聚類系數是連鎖故障發(fā)生的主要原因。3）結合復雜網絡理論和已經存在的電網分析方法研究其脆弱性。參考文獻6介紹了電抗作為線路權重的拓撲模型，而且將線路的中間狀態(tài)作為脆弱性分析評價指標。參考文獻7構造了一個電抗-權重拓撲模型而且基于它提出了一些分析指標。然而，對比與其他復雜網絡，電網具有自己的物理和運行特性，例如：1）有功網絡遵循基爾霍夫定律但是與此同時無功網絡具有不同的區(qū)域解耦特性。2）傳輸線路上存在有阻抗的有功和無功損失。3）傳輸線路材料、長度和電壓等級的不同使得標準化的過程明顯的不合理。但是這三種情況很少會在同一部分中被考慮。因此，根據上述情況，在

4、這篇文章中一個基于P-Q網絡分解的有向加權拓撲模型被提出。給出了基于復雜網絡的脆弱性分析的相關參數和計算方法。IEEE14母線的電力系統(tǒng)的結果被給出:1)應用P-Q網絡分解獲得了一個較好的電力系統(tǒng)特性響應和無功網絡區(qū)域解耦特性。2）在拓撲結構分析中，考慮狀態(tài)變化的方向傳輸線路的權重是很重要的。3）我們所提出的模型相比于其他模型具有一個較好的識別網絡脆弱性的能力。與此同時，該模型已經被證實是合理且有效的。II模型構造通過之前的分析，將復雜網絡理論直接應用于電力系統(tǒng)的分析存在一定的明顯的缺陷。所以我們需要對初始的拓撲模型進行一定的優(yōu)化。因此一個基于P-Q網絡分解的有向加權拓撲模型在本文中被提出。具

5、體細節(jié)如下：有功能和無功網絡共存，而且它們之間的連接強度很弱。所以可以得到P-Q網絡分解模型。在有功網絡中，根據傳輸規(guī)則，有功功率通常從發(fā)電機節(jié)點傳送到負載節(jié)點。但是考慮到一個發(fā)電機帶負載，且消耗量大于產生量的情況，所以準確的說，一個能源消耗節(jié)點對于整個網絡來說是一個“負載”節(jié)點。所以有功網絡通過有向-加權的方式進行定義，他的方向是從一個能源注入節(jié)點到消費節(jié)點，而且在這個方向上的線路的權重和是最小的。在這里的方向符合有功功率在每條線路中的流動方向，權重是線路電阻和電壓等級倒數的產物。與此相同的是，根據有功選擇方向，最短無功路徑也被定義用有向-加權的方式，只是在計算線路權重時將電抗代替電阻，所以

6、給出一個通用的最短電功率通用表達式如下： （A1）是有向-加權最短電功率路徑，是線路權重，是有向加權最短功率路徑的線路的集合。我們都知道傳輸路徑的容量不僅與他自身的材料有關還與實際運行環(huán)境中的電壓等級有關。所以結合最短路徑的定義，線路權重是： （A2）在這是線路的電抗值，在有功網絡中權重值是實部，無功網絡中是虛部部分。是電壓等級因數，在這是線路的電壓等級，是網絡中的參考電壓，比如網絡中的最低電壓。對于傳輸線路中有損失的問題，我們通過加入虛擬節(jié)點的方法使線路無損。加入節(jié)點的性能由該線路的損失決定。在有功網絡中，一般虛擬節(jié)點都是消耗節(jié)點。但是在無功網絡中虛擬節(jié)點是不確定的。虛擬節(jié)點可能是能源消耗節(jié)

7、點也可能是能源注入節(jié)點。在這線路都被分成兩段，每段都有原來線路一半的電抗值。如下： （A3）節(jié)點是線路的虛擬附加節(jié)點，是電抗值。因此在無損操作后，根據復雜網路理論，拓撲單元的介數為： （A4）和代表節(jié)點和線路的介數，節(jié)點是線路的附加虛擬節(jié)點，是節(jié)點和節(jié)點之間最短功率路徑的數量，是經過節(jié)點的線路的數量，是網絡中節(jié)點的集合。在以上的建模之后，一個非有向加權的初始拓撲模型轉變成兩個有向加權拓撲模型，有功模型和無功模型。III脆弱性評價模型基于復雜網絡的電力系統(tǒng)脆弱性評估是可獲得的，通過網絡的參數或者結合運行狀態(tài)參數得到的脆弱性指數。本篇文章，結合基于復雜網絡的評價模型參數和有向加權拓撲模型的運行狀態(tài)

8、，脆弱性指標為： （A5）是單元的運行狀態(tài)脆弱性參數，是介數，是時刻的狀態(tài)值，是臨界值。根據不同的拓撲模型的特性有目的的進行脆弱性分析是十分有必要的，在電力系統(tǒng)中，有功功率（P）的平衡要考慮相角（），無功功率（Q）的平衡要考慮電壓幅值（V）。IV 案例研究這篇文章用IEEE14母線電力系統(tǒng)作為研究案例，在圖片A.1中給出。圖A.1 IEEE14母線系統(tǒng)由之前的定義和分析，P-Q網絡分解有向加權拓撲模型在圖A.2給出。a）有向加權無損有功拓撲網絡 b）有向加權無損無功拓撲網絡 圖A.2 IEEE14母線電力系統(tǒng)有向加權有功拓撲網絡由最短電功率路徑的定義可知，計算了母線的介數并且列在表A1中。表A

9、1 節(jié)點的介數很明顯，在有功功率網絡中，有著較大的介數的節(jié)點都是發(fā)電機節(jié)點或者在變壓器線路上的節(jié)點。這反映了它們在網絡中具有一個較高的活躍度。這符合電力系統(tǒng)傳輸過程的一般規(guī)律。盡管節(jié)點3是一個發(fā)電機節(jié)點，但是它的消耗量大于產生量。所以它代表網絡中的“負載”節(jié)點。和其他遠端負載節(jié)點（10，14）相似，它們在網絡中的活躍度比較低。對于節(jié)點8，因為它既沒有有功功率輸入，也沒有有功功率消耗，所以它的介數值是0。無功網絡中，介數值與有功網絡相比有較大的不同。無功網絡表現出了地域性，例如，區(qū)域2,4,5,6和7,8,9，這些節(jié)點都有相似的介數值。這符合無功網絡的區(qū)域解耦特性。與此同時，我們也證實了P-Q網

10、絡分解方法的合理性。節(jié)點電壓是根據狀態(tài)變化選擇的。是時刻節(jié)點的電壓值，SNB電壓值根據臨界值選擇的。由等式（A5）計算節(jié)點脆弱性，并展示在表A2.表A2 脆弱性的值結果與其他模型的結果作對比，展示在圖A3中。圖A3 IEEE14母線電力系統(tǒng)不同模型結果對比我們可以看到本文所提出的模型的曲線與參考文獻8的曲線趨勢大致相同。V-Q敏感指標和無功功率裕度的無功負載敏感指標的曲線也大致趨勢相同。就像參看文獻8分析的那樣，脆弱性分析和運行狀態(tài)敏感性分析結果有著很大的不同。例如，作為遠端負載節(jié)點，節(jié)點10和節(jié)點14在網絡中的活躍度相當低。從脆弱性方面考慮，它對故障的影響相當小，因此，在我們提出的模型中，它

11、的脆弱度等級比較低。但是從運行狀態(tài)方面考慮，當負載節(jié)點10和節(jié)點14改變，它們對于節(jié)點電壓值的影響確實不同。所以在V-Q敏感性和無功功率裕度的無功負載敏感性模型它們的等級相當靠前。對于節(jié)點4,5,7和9，作為變壓器線路上的節(jié)點，承擔主要的電能傳輸任務。節(jié)點4,5和節(jié)點7,9各自是耦合區(qū)域2,4,5,6和7,8,9的中樞節(jié)點。所以它們在我們所提出的模型中有著相當靠前的等級。V 總結基于P-Q網絡分解的有向加權拓撲模型在本文中被提出。模型的一些特性和理論總結分析和案例分析被總結如下：1） 有功和無功功率網絡的分解更加適合電力系統(tǒng)拓撲模型分析。例如，在無功功率網絡的解耦特性上有著較好的響應。2） 在

12、不同的網絡模型或者為了不同的識別目的時，選擇不同的線路權重因子是十分重要的。3） 復雜網絡理論是一種新的有效的分析電力系統(tǒng)的工具，例如脆弱性，結構識別和安全性研究等。所以它能夠作為復雜網絡應用于電力網絡的一個參考。電力系統(tǒng)結構脆弱性評估摘要：連鎖故障在電網停電的常見原因。網格拓撲在確定在電網動態(tài)連鎖故障起著重要的作用。脆弱性分析辦法是保證電網的穩(wěn)健性更高水平的關鍵。復雜網絡的指標被廣泛用于研究電網脆弱性分析。然而，這些純粹的拓撲度量無法捕捉電網的實際行為。本文提出了一種測量方法，有效的網絡電抗，作為電網的重要組成部分的決定性脆弱度測量標準。不同于現有的純粹的拓撲措施，有效網絡阻抗更符合電網的電

13、性性質，如基于基爾霍夫定律功率流分配。為了證明有效網絡阻抗的適用性，在IEEE 118節(jié)點系統(tǒng)進行定量的脆弱性評估評估。仿真結果驗證了有效網絡阻抗來確定電力網中關鍵傳輸線的有效性。一介紹電網是經濟繁榮和國家安全的關鍵。電力網的中斷到使得現代社會中的日常生活癱瘓，造成巨大的社會經濟和社會損失1。關鍵基礎設施例如通信、交通、水力供應對電網都有著巨大的依賴性，這就放大了大規(guī)模停電的嚴重程度2，3。電力網絡的至關重要表現在社會鼓勵，進一步研究維持電力系統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性和開發(fā)新的方法來評估和減輕級聯停電的風險。傳統(tǒng)電網安全性評估依賴基于潮流的方法(如應急分析4)?；诔绷鞯姆椒Ｐ偷倪B續(xù)和離散動態(tài)組件和解

14、決非線性代數方程來確定電力流分布在電網組件中。基于潮流的完整的安全性評估的方法需要評估組合的突發(fā)事件。然而，這導致大量的計算復雜度和相關的計算時間，加強電力系統(tǒng)分析師尋求替代方案4。拓撲和電網魯棒性之間的有巨大的關聯，可以從拓撲觀點對電網進行脆弱性評估。最近在復雜網絡領域的進展5，6揭示其潛在的前途在研究電網脆弱性從系統(tǒng)的角度和拓撲觀點。電力網格拓撲調查表明，電網屬于小世界網絡類型，他們有無標度網絡特征。相比于其他網絡，電網有集線器組件的臨界特征。這些組件對網絡至關重要7。他們移除和削弱系統(tǒng)魯棒性，最大可能導致網絡性能的傷害。識別電網的這些關鍵組件電力系統(tǒng)安全主要關心的問題，并吸引了電力系統(tǒng)研

15、究機構的大量關注8，9，10。提前確定電網中這些關鍵部件能夠使電網運營商連續(xù)監(jiān)測和保護這些組件，提高系統(tǒng)魯棒性的。為了評估電網的結構脆弱性，9,11,12的一些研究提出了拓展拓撲圖的方式。而像13,14,15另外的研究使用了包含了平均最短路徑長度有向圖理論的度量和它的導數即效率。這些純粹的拓撲圖度量只需要考慮電網結構，可以忽略網絡中電力特性的部分。然而，在電力網中，物理聯結（內部連接）和電磁聯結都可以控制電能，并且電能是通過基爾霍夫定律在網絡流通。因此，純粹的拓撲方式只考慮拓撲圖而不能獲得系統(tǒng)的真實狀況。本文提出了一種度量，有效網絡阻抗，作為一種決定電力網中重要連線的脆弱性測量方式，考慮到根據

16、基爾霍夫定律的能量流動分布，這不同于現有的拓撲度量。二 電網連鎖故障建模電網是一個多層次的網絡，是由三個功能部分組成:發(fā)電、傳輸、和配電。能源由從發(fā)電站經過傳輸站，最后到分配站提供，他們都是通過輸電線路互聯。用圖來表示一個電網，節(jié)點代表發(fā)電、傳輸、分配站、變電站，而模型邊代表輸電線路和變壓器。所有的平行輸電線路系統(tǒng)由一個等價的單連接圖表示。此外，圖中的連接權重由相對應的輸電線路的導納(或阻抗表示。電網的電力特性包括阻抗、每個單獨的發(fā)電站的電壓等級，終端電站和負載之間電壓相角的差異。本文估算網絡中的每個組件的潮流值通過使用線性直流功率流方程18，它是一個非線性的近似交流潮流方程19。在直流模型中

17、，有功功率流通過連接節(jié)點和節(jié)點傳輸線路與連接節(jié)點和節(jié)點之間的相位值和線路的電抗值有關： （1）是節(jié)點和節(jié)點電壓相角差，是電抗，是線路的電納，整個系統(tǒng)可以被完全建模為： （2）這里是節(jié)點的有功功率流，是節(jié)點的度，在矩陣中，等式2能夠被表示為： （3）這里是有功功率注入矩陣，包含所有節(jié)點的電壓相角值，是母線電納矩陣，這里和。由于所有有功功率注入是預先已知的，給定的母線電納矩陣，每個節(jié)點的相角值都可以用以下方法直接計算： （4）在每個節(jié)點處獲得的電壓的角度值后，將通過每個線路的潮流值可以通過使用式（1）計算。一條線的最大容量是定義為線路可以提供最大功率流。傳輸線路的潮流是由發(fā)熱、穩(wěn)定性和電壓壓降限制

18、的。文章假設傳輸線路的最大容量與它的初始負載成正比通過一個容差參數。在電力網中，輸電線路受繼電器和斷路器保護。傳輸線的一個繼電器測量狀態(tài)變量（例如電流），并且把它們與閾值比較。當閾值違反持續(xù)時間足夠長，為了防止輸電線路出現例如超載的永久損壞，繼電器命令一個斷路器斷開線路。本文假定了一個線路斷開結構的確定模型。線路的斷路器在線路的負載達到最大容量時斷開。一個部件的初始故障會改變電網中功率流的分布,導致電網上功率流的重新分配。在網絡中其他的部分，這個觸發(fā)事件的系統(tǒng)動態(tài)響應可能超載。保護裝置斷開這些新的超載組件,功率流的再次重新分配可能導致新的超載。這一連串的故障持續(xù)到沒有更多的組件超載。三 復雜網絡初步應用本節(jié)解釋了有關復雜網絡理論的基本概念，介紹了有效網絡阻抗，并闡述了他如何在電網中計算。A 復雜網絡基礎一個網絡由一個節(jié)點集合和邊集合組成，能夠完全被表示通過