相互依存网络的抗毁性研究及在电力系统的应用

发布时间：2017-12-08 15:21

  本文关键词：相互依存网络的抗毁性研究及在电力系统的应用

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【摘要】：自然界中的个体总是以一定的连接方式构成网络,且随着社会的进步和发展,这种连接会更加紧密,网络规模也将不断增大,逐渐超出传统图论的描述范畴,构成复杂网络,如各类基础设施网络。复杂网络不仅为广域的个体提供了交互与便利,也带来了潜在的危险与脆弱性,使得失效在网络中快速传播成为可能,犹如一把“达摩克利斯之剑”。在过去的十多年中,关于复杂网络抗毁性的研究多是针对单个网络展开的。而相关研究表明,网络(系统)并不是孤立存在的,它与其他网络之间多存在耦合和依存关系,如电力-信息网络,电力-供水网络等。这种关系既促进了网络间的交流,也带来了级联故障大范围传播的风险。因此,分析相互依存网络(基础设施)的级联失效过程,寻找增强其抗毁性的方法成为亟待解决的问题之一。复杂网络的结构决定其特性,因此要研究相互依存网络的动力学特性,需从其重要的网络结构及参数入手。依存边(耦合边)作为相互依存网络的重要组成部分,决定了其与单个网络不同的特性。但目前的研究多基于拓扑结构级联失效模型,而并未考虑实际网络中节点的负荷和容量特性。基于一种度数相关的负荷-容量级联失效模型,提出以网络的总负荷损失作为抗毁性评价指标,并通过理论验证了仿真实验的准确性。研究了不同耦合方式、耦合强度、拓扑结构以及攻击方式对相互依存网络抗毁性的影响；通过改变负荷和容量可调参数,分析相互依存网络抗毁性的变化；横向对比了不同网络拓扑结构的优劣。所得结果能为理解相互依存基础设施级联失效过程,为基础设施建设提供一定的参考。在现实网络中,看似无序的节点往往呈现出一定的等级结构(Hierarchical)。等级结构可以看做是网络分割的中尺度基本单元,且是多数网络演化过程中无法避免的结构。但目前的研究往往局限于网络等级结构划分方法的分析与改进,很少将其上升到相互依存网络动力学特性研究的高度。k-core层次结构是一类常见的网络中尺度描述单元。k-core结构的存在不仅与网络拓扑有关,同时也可以改变网络的某些动力学特性。为研究k-core层次深度对相互依存网络抗毁性的影响,提出了一种k-core层次结构丰富且连续的无标度网络演化模型,并通过理论推导和仿真实验与真实网络对比,验证了模型描述的准确性。基于负荷-容量级联失效模型,研究了k-core深度对对称和非对称相互依存网络抗毁性的影响,寻找较优的k-core结构。簇团结构(Cluster)是另一类常见的网络中尺度描述单元,包括核心-边缘结构和社团结构。复杂网络的节点与连边并不是随机存在的,相似节点与边之间往往会呈现出一定的“组团”现象。为研究不同簇团结构及参数对相互依存网络抗毁性的影响,分析了两种簇团结构的相似性,提出了一种簇团结构可调的网络演化框架模型,并通过理论推导和仿真实验验证了网络的无标度和簇团特性。基于度数负荷-容量级联失效模型,研究了核心-边缘与社团结构的紧密程度对相互依存网络抗毁性的影响,并横向对比了两种簇团结构的优劣。此外,进一步将框架模型扩展到具有多个社团的相互依存网络中,研究了社团个数以及网络耦合方式对其抗毁性的影响。作为一类关键基础设施网络,电力系统由于其特殊的电力背景而备受关注。传统的电力系统只负责电力能源的产生、输出与配送,而随着信息和控制等技术的不断发展,信息网络逐渐成为电力系统不可或缺的一部分。以往的研究多关注独立电力或通信网络,无法真正认识电力系统的整体特性。为研究信息网的引入对电力连锁故障的影响,分析了电力网和信息网之间的能量和信息交互过程,并受近来“乌克兰大停电”事故过程的启发,提出一种具有电力背景的耦合网络失效模型。采用一种基于直流潮流的级联失效模型,研究了不同一对一耦合方式(内在自相似耦合以及随机耦合)以及耦合强度对电力连锁故障的影响；研究了网络间失效概率对连锁故障的影响,以验证不同网络失效模型的差异性；研究了信息网拓扑结构、信息网有无以及调度中心的位置对连锁故障的影响。此外,还提出了一种同时具有信息和能量耦合边的网络模型,并分析了两种边数目与电力连锁故障之间的关系曲线。以上结果可为未来新一代电力系统的建设提供一定的参考和指导。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM711;O157.5
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本文编号：1266870