基于直流潮流的电力系统停电分布及自组织临界性分析

基于利用直流潮流模拟电力系统连锁故障的OPA模型,研究了电力系统线路可靠性、线路容量增加方式以及负荷波动对复杂电力系统停电分布的影响和电力系统的自组织临界性。结果表明:输电线路可靠性和小的负荷波动对停电分布影响不大,而大的负荷波动对停电分布影响很大,可能导致连锁故障的发生;加强传输线路的建设可以有效减少停电频率,进而降低系统的运行风险;此外,可从系统总负荷需求和网络总传输容量比值的角度初步揭示电力系统的自组织临界性。

电网组织结构对其自组织临界性的影响

提出电力系统在运行工况下的自组织临界状态与电网结构的均匀程度有关,并用网络拓扑熵来表征电网结构的均匀程度,建立了自组织临界性仿真模型。通过对IEEE39节点系统结构改变前后的仿真验证发现:在相同的负荷水平和线路潮流分布下,电网结构越均匀的系统发生大规模连锁故障的概率比不均匀系统明显减低,通过平衡电网的均匀程度能够有效降低系统进入自组织临界状态的风险。

直流输电对交直流互联系统自组织临界性的影响分析

提出了一种考虑紧急控制保护装置及直流系统概率动作特性的连锁故障动态仿真模型,应用该模型对2010年华东电网实际系统进行了动态仿真。在不同的直流运行方式、直流控制参数、交直流互联方式、交直流传输容量分配条件下,计算了系统的停电功率—停电概率幂律曲线,分析了直流输电对系统自组织临界性的影响。结果表明,在某些系统中选取合适的直流输电模式可以减小连锁故障及大停电的发生概率。

基于同配性的电力系统自组织临界性识别

引入复杂系统理论中同配性的概念,将线路的负载率和其脆弱性进行匹配,提出了一种新型的量化线路潮流分布特性的指标——线路同配性指标,并应用该指标对系统的自组织临界性进行了识别。仿真结果表明,结合系统的平均负载率和潮流熵,该指标可以在多个系统的不同运行状态下有效地辨识系统的自组织临界状态,并且在系统平均负载率较低时仍具有较好的辨识能力。在预防大停电方面,线路同配性指标是现有指标的重要补充。

考虑网络演化的直流潮流停电模型与自组织临界性分析

直流潮流停电(OPA)模型及其改进模型能模拟连锁故障停电过程,并能从宏观上揭示大停电的自组织临界性,但没有考虑电网结构变化对大停电的影响。文中在OPA模型基础上,考虑了慢动态过程中电网结构的演化特征,建立了考虑网络演化的OPA模型。对2个典型复杂网络演化方式的仿真表明:按小世界方式和无标度方式演化的电网都会自组织到临界状态;小世界电网特有的高聚类系数和低特征路径长度易扩大连锁故障的广度和深度,其平均损失负荷大于无标度电网;无标度电网通过小规模的线路连锁开断,释放系统压力,减少大停电概率。研究结果对未来的电网建设及大停电的整体预防有一定指导意义。

基于自组织临界性的电力异构通信网络稳定性研究

电力异构通信网络在未来的智能电网中起着重要的作用,但是其结构复杂,极易发生大面积网络的瘫痪。针对此问题,利用复杂网络中的自组织临界性理论,将电力异构网络按照三角剖分理论划分为多个子区域,根据各个节点发生关联故障的概率指标,提出了一种改进的遗传算法。此算法搜索关键的故障网络节点,对关键的故障网络节点进行维护或切断,从而使电力异构通信网络处于自组织而远离临界状态,最终避免了大面积网络瘫痪事件的发生。仿真结果表明,所提算法在多种网络拓扑结构下具有鲁棒性。

不同植被类型森林火灾及雷击火自组织临界性

利用黑龙江省大兴安岭林区呼中区 196 5～ 2 0 0 2年的雷击火数据、黑龙江省 1981～ 2 0 0 0年森林火灾数据及森林资源数据 ,对雷击造成的森林火灾的自组织临界性及不同植被类型条件下的自组织临界性作了研究 ,比较了在不同尺度和植被类型条件下火干扰的自组织临界性、自相似性 ,并与传统的森林火灾元胞自动机模型模拟的结果进行比较。结果表明 :中国黑龙江省不同森林类型的火干扰具有自组织临界行为 ,森林可燃物已经达到临界状态 ,其临界值在 1.8～ 2 .86之间 ,具有自相似性 ;当森林的面积过小时 ,森林火灾的“面积 -频率”分布曲线上会出现频率峰 ,表现出“有限面积效应”现象。

斜坡灾害自组织临界性与极值分析

用3种非均匀沙堆作为斜坡灾害的概化模型,通过实验研究其演化行为规律,结果均呈现自组织临界性。进一步分析滑坡、崩塌和泥石流等斜坡灾害实例,表明幂律特征和自组织临界性是许多斜坡灾害的共性。证明幂律分布特征下,斜坡灾害暴发规模的极值分布的极限收敛于Ⅰ型渐进分布。运用推导出的计算公式,以云南蒋家沟泥石流为例,进行计算分析。

自组织临界性及其在散粒体研究中的应用

首先简述了自组织临界性理论的基本概念和在方法论方面的启示,然后介绍了三种发现散粒体自组织临界性与粒径的非均匀性有关的沙堆模型实验,进而提出假设:若系统的组构能对干扰传播形成足够的制约,限制其各部分敏感性递增的趋势,从而维持其整体的鲁棒性时,大尺度的系统也能呈现自组织临界现象。最后通过对野外观测资料的分析,提出了在稳定流条件下非均匀推移质输沙率将服从负幂率分布的观点,并对自组织临界现象的判据等问题进行了讨论。

地震触发崩塌滑坡自组织临界性研究

汶川地震触发了大量崩塌滑坡灾害。这些规模差异巨大的现象之间,能量及空间是否存在着确定的分布规律?巨型崩滑和小规模坍塌是否遵从不同的形成机理?这些都是亟待解决的基本科学问题。作者在自组织临界状态(SOC)的概念框架下,通过震区典型路段考察,发现位于地震Ⅸ度区的崩滑工点,崩滑方量及崩滑体深度,与崩滑工点数目之间存在着良好的负幂律关系,地震Ⅹ度区也体现出有类似特征;拟静力模拟地震的沙堆离心模型实验表明,模型底板倾斜1.5°时,崩塌的动力学特性可以用幂律描述,底板倾斜达到3°时服从正态分布;元胞自动机模型数值模拟表明,随扰动强度增加沙堆模型动力学特性的演变是渐进的。从而从整体理论上对上述问题提出新的解释:处于青壮年期的山地斜坡系统具有SOC的内禀基本属性;存在一个地震强度阈值,在此之下地震触发的崩滑规模与出现频率之间的分布规律可用幂律描述,巨型崩滑灾害和小规模坍塌现象遵从同一形成机理。全新的认识可望为地震触发崩塌滑坡灾势评估提供普适性的概型并建立应用框架。

散粒体离心模型自组织临界性及地震效应分析

基于自组织临界性(SOC)理论,运用土工离心模型试验技术,开展了粒径为0.5～1.0 mm的均匀沙和非均匀系数φ=3.1的非均匀沙两种级配的散粒体沙堆模型试验。并在试验基础上分析了散粒体斜坡崩滑地质灾害的SOC现象和地震诱发作用下散粒体斜坡崩滑失稳的模式与规律。研究结果表明,大尺度松散堆积散粒体系统在一定条件下也能呈现SOC现象,体现了以土木工程为背景的散粒体斜坡崩滑地质灾害规律,突破了关于SOC研究的尺寸效应问题;同时该沙堆模型离心试验还模拟了在拟静力水平地震力作用下散粒体斜坡崩滑的失稳模式,提出了在相当于地震烈度为Ⅴ度的拟静力水平地震力诱发作用下,φ=3.1的非均匀沙石散粒体系统崩滑失稳符合幂律分布,呈现SOC的结论。

单面坡沙堆模型自组织临界性实验研究

沙堆模型是自组织临界状态理论的范例。介绍一种倾斜平面下半无限松散边坡坍塌沙堆模型实验研究 ,实验结果表明 :沙堆的自组织临界性与颗粒的非均匀性有关 ,从而首次用实验方法证明了自组织临界状态受系统组织原则影响的猜测。

中国电网停电事故统计与自组织临界性特征

通过中国东北、西北、华中、南方及全国电网在1981年～2002年间重大停电事故的时间序列,基于分形的思想,构建了停电事故的损失负荷数与频度的关系模型。经计算表明,停电事故的自组织临界特性是客观存在的,而分形的幂律值则是一个依赖于标度的不同而相对变化的数值。通过在同一标度-频度下比较还发现,东北与西北电网的幂律值相近,华中与南方电网的幂律值相近,这说明了两局网向临界状态演化的过程有相似之处。

我国电力系统停电事故自组织临界性的研究

基于自组织临界性及分形的思想,通过分析1981—2002年我国电网重大停电事故,揭示了我国电网停电事故的自组织临界性特征,并构建了全国电网及东北、华中和西北区域电网停电事故的标度-频度模型。通过研究如何用沙堆模型来描述电力系统的自组织临界性,提出了先建立各网省局等规模稍小电网的实时动态沙堆模型从而形成一个沙堆群的模型来模拟整个全国电网的设想。

中国自然灾害灾情统计与自组织临界性特征

基于自组织临界性(SOC)思想,在分析中国自然灾害灾情统计特征的基础上,分析并揭示了中国自然灾害灾情的自组织临界性特征。在此基础上,建构了中国自然灾害灾情(包括松花江等七大流域洪涝灾害受灾县数、洪涝灾害伤亡人数、干旱伤亡人数、各类自然灾害总的伤亡人数等)标度-频度分形关系模型。最后指出,中国自然灾害灾情的自组织临界性特征是客观存在的,而标度-频度的幂律值则是一个相对值。

灾害研究中的自组织临界性及其判据

自组织临界性为灾害问题的研究开辟了新途径。但不能仅仅以灾害规模的幂律分布作为自组织临界性的判断标准,还应当注意系统的规模、外界扰动的标准,以及系统的组织结构等问题。通过溜砂坡模拟实验研究,提出:仅当系统的规模、组织结构和扰动的强弱三者相互作用能够使系统具有整体的鲁棒性,使系统始终维持在临界状态,才能够呈现自组织临界性。在此基础上,提出了自组织临界性的5个判断标准。

电网停电事故的自组织临界性及其极值分析

对复杂电力系统灾变以及电网发生连锁性大停电事故机理的研究表明,自组织临界性是电网停电事故的特征。极值理论主要以极值为研究对象,传统上被用来预测海啸、地震、洪水等自然灾害。文中将极值理论应用于电网停电事故的自组织临界性的研究中,在电网停电事故的标度—频度幂律分布特征下,证明了停电事故发生规模的极值分布为极限收敛于Ⅰ型渐近分布。利用计算公式以东北及西北电网的停电事故为例,进行了初步的计算分析。

散粒体的自组织临界性与非均匀介质的元胞自动机模型

目前,普遍认为自组织临界性的发生与尺度效应和组织原则有关。尺度效应以各国开展的沙堆试验为基础,而组织原则未见有人讨论。首先,进行了不同级配的散粒体沙坡试验,发现散粒体自组织临界性与粒径的非均匀系数有关。随着非均匀系数的逐渐增大,散粒体呈现出不同的试验现象和统计结果,并且散粒体系统的动力行为由准周期到自组织临界性再到准周期进行演化。其次,设计了能够描述非均匀介质和体现非均匀系数的元胞自动机模型,即引入由于摩擦力造成的能量损耗作为表征沙粒表面不同粗糙度的物理量。通过调整能量损耗和半径的取值,可以进行不同非均匀系数、不同规模的元胞自动机数值模拟,其统计结果与真实散粒体沙堆试验相类似。通过沙堆试验和计算机模拟,发现组织原则与系统的鲁棒性和敏感性是否达到平衡有关。只有当非均匀散粒体维持整体的鲁棒性和敏感性的平衡时,才可能突破尺度局限,使大尺度的系统仍呈现自组织临界性;但当非均匀系数继续增大,使系统的鲁棒性占优,而敏感性消失或减弱,两者的平衡被破坏时,非均匀散粒体仍不能呈现自组织临界性现象。因此系统的鲁棒性和敏感性达到平衡是系统呈现自组织临界性现象的必要条件之一。

交通流中的自组织临界性研究

交通流元胞自动机模型呈现出显著的车流自组织临界性及从自由运动相到堵塞相的相变行为 .由于交通流模型中车辆之间的复杂耦合相互作用所引起的高阶时空关联 ,采用传统的考察局域格点车辆占据状态的动力学演化方法 ,尚未有任何国内外学者得到过高速车辆的一维和二维交通流模型的相变基本图的精确解析描述 .作者摒弃传统思路 ,采用以相邻车辆距离为变量的全局动力学演化考察方法 ,通过完全严格的逻辑推理及统计力学细致平衡条件的运用 ,首次给出了允许高速车随机减速的一维交通流 Fukui-Ishibashi元胞自动机模型相变基本图曲线的解析平均场方程 ,所得结果与模型的直接数值模拟可以精确地吻合 .基于交通流中实际车辆的加速及延迟行为 ,进一步提出两种新的一维交通流元胞自动机模型——限制加速模型和追尾车随机减速模型 .应用考察车距动力学演化的方法 ,仍然能够得到两个新模型相变基本图的精确解析平均场方程 .这些精确解析结果的获得既对于交通流复杂系统的自组织临界性和相变行为提供了基本的物理理解 ,又对于高速公路实际交通运输的信息管理和控制具有指导意义 .

地貌发育与汇流的自组织临界性

从地貌发育的热扩散方程出发,考虑发育过程中的不可逆性和非线性特征,得到一个新的非线性微分方程。它遵循分形标度关系,并且与汇流过程密切联系。通过分析解的构成,证实汇流频次、汇流路径皆满足对数正态分布。在近似条件下,汇流过程表现出1/f噪声的时间效应,标志着它的自组织临界性,从而为研究汇流提供一种新的理论工具。