CN109408847B - 一种基于多元胞自动机的互联电网自组织临界性仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多元胞自动机的互联电网自组织临界性仿真方法，具体涉及互联电网大停电机理分析与研究技术领域。该方法首先按地域或结构将互联电网分成不同的区域电网，电网内的线路、变压器、发电机等元件均定义为元胞，不同区域相邻元件的关系用异质邻居元胞来表示。每个区域电网用一个元胞自动机模型来模拟，考虑不同区域之间的相互影响，构建出多元胞自动机模型。该方法对各区域电网分别建模，既可以研究某一区域电网大停电事故的自组织临界性，又可以从整体上研究整个互联电网大停电事故的自组织临界性，从而更有利于研究大规模互联电网的停电机理。

Description

一种基于多元胞自动机的互联电网自组织临界性仿真方法

技术领域

本发明涉及互联电网大停电机理分析与研究技术领域，具体涉及一种基于多元胞自动机的互联电网自组织临界性仿真方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，电网大规模互联已经成为全世界电力系统发展的必然趋势，这种趋势极大地增加了电网的规模结构和运行方式的复杂性。大停电事故的发生，使电网的电力负荷造成巨大的损失，给国民的生产和社会经济造成严重的影响。因此，有必要对互联电网大停电机理分析与研究。

自组织临界性(Self-Organized Criticality，SOC)作为研究电力系统整体状态与大停电关系的主要方法之一，获得了广泛而深入的研究。围绕电力系统的这一特性，国外学者提出了OPA 模型、Cascade模型、Hidden Failure模型等；国内学者提出了基于最优潮流的停电模型、SOC-Power Failure模型、元胞自动机(CA)模型等。这些模型都是将电网看作一个整体，没有考虑各区域电网之间相互影响的特点。并且，对于当前的大规模互联电网，这些模型难以适用。所以采用一种可以对各区域电网分别独立建模，并考虑各区域电网之间相互影响的仿真模型成为研究区域互联电网连锁故障的发展方向。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出了一种既可以对各区域电网分别独立建模，并融合；了各区域电网之间相互影响的基于多元胞自动机的互联电网自组织临界性仿真方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于多元胞自动机的互联电网自组织临界性仿真方法，包括：

步骤一：根据分区原则对电网进行分区，将各个区域电网内的元件均定义为元胞，同一区域内相邻元件的关系用同质邻居元胞表示，根据各区域的运行特性，构建元胞自动机模型，不同区域内相邻元件的关系用异质邻居元胞表示，构建多元胞自动机模型；

步骤二：根据建立的多元胞自动机模型将故障传递分为元胞自动机内部的故障传递和元胞自动机之间的故障传递，其传递规则如下：破裂元胞使同质邻居元胞的容量极限值减少5%-8%，使异质邻居元胞的容量极限值减少2%-4%；

步骤三：分别在多元胞自动机中随机选择元胞添加扰动模拟电网负荷的增加，并进行潮流计算，随后用各个区域的停运概率模型对各区域元胞的状态进行检测，当有元胞破裂时，根据相应的故障传递规则分别对同质邻居元胞和异质邻居元胞进行故障传递，当电网中有负荷节点被切除进而形成孤岛时，则认为电网发生了停电事故，一次故障演化过程结束。

优选地，元胞自动机模型通过一个五元组定义为CA=（l, s, n, f, z），

其中，l表示此元胞自动机内元胞的集合，s表示元胞的状态，n表示同质邻居元胞集合，f表示元胞自动机内部传递规则，z表示元胞的属性；

多元胞自动机模型通过一个四元组定义为MCA=（CA,Q,N,F），

其中，CA为元胞自动机空间，Q为元胞自动机状态，N为异质邻居集合，F为元胞自动机之间的转换规则。

优选地，所述步骤二包括：

进行故障传递时，确定相应的故障传递规则：

首先，判断破裂元胞的属性，若属于普通元胞，定义使其同质邻居元胞容量极限值减少5%，使异质邻居元胞容量极限值减少2%-4%（当两个元胞自动机都处于极端紧急状态，此时使异质邻居元胞容量极限值减少4%；当一个元胞自动机处于正常状态，另一个元胞自动机处于紧急状态，使异质邻居元胞容量极限值减少3%；当两个元胞自动机都处于正常状态，使异质邻居元胞容量极限值减少2%）；

若属于联络线元胞，定义使其同质邻居元胞容量极限值减少8%。

优选地，所述步骤三包括：

定义与破裂元胞相连的元胞为其同质邻居元胞；与破裂元胞电气距离近但不处于相同元胞自动机的元胞为其异质邻居元胞。

优选地，元胞自动机可划分为“正常、紧急、极端紧急”三种状态；定义处于联络线位置的元胞为联络线元胞。

本发明具有如下有益效果：

本方法将每个区域电网用一个元胞自动机模型来模拟，考虑不同区域之间的相互影响，构建出多元胞自动机模型；该模型对各区域电网分别建模，既可以研究某一区域电网大停电事故的自组织临界性，又可以从整体上研究整个互联电网大停电事故的自组织临界性。

该模型在一次仿真中，既可以分析各区域电网大停电的自组织临界特性，又可以分析对整个互联电网大停电的自组织临界性，从而克服大停电事故模型的缺点。

附图说明

图1为多元胞自动机模型仿真流程图；

图2为IEEE118节点互联电网分区图；

图3为IEEE118节点互联电网各区域电网停电事故规模标度频度双对数坐标图；

图4为IEEE118节点互联电网停电事故规模标度频度双对数坐标图；

图5为IEEE118节点互联电网损失负荷；

图6为区域电网1的损失负荷；

图7为区域电网2的损失负荷；

图8为区域电网3的损失负荷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1所示，一种基于多元胞自动机的互联电网自组织临界性仿真方法，包括：

步骤一：根据分区原则对电网进行分区，将各个区域电网内的元件均定义为元胞（元件包括电网内的线路、变压器、发电机等），同一区域内相邻元件的关系用同质邻居元胞表示，根据各区域的运行特性，构建元胞自动机模型，不同区域内相邻元件的关系用异质邻居元胞表示，构建多元胞自动机模型；

步骤二：根据建立的多元胞自动机模型将故障传递分为元胞自动机内部的故障传递和元胞自动机之间的故障传递，其传递规则如下：破裂元胞使同质邻居元胞的容量极限值减少5%-8%，使异质邻居元胞的容量极限值减少2%-4%；

步骤三：分别在多元胞自动机中随机选择元胞添加扰动模拟电网负荷的增加，并进行潮流计算，随后用各个区域的停运概率模型对各区域元胞的状态进行检测，当有元胞破裂时，根据相应的故障传递规则分别对同质邻居元胞和异质邻居元胞进行故障传递，当电网中有负荷节点被切除进而形成孤岛时，则认为电网发生了停电事故，一次故障演化过程结束。

元胞自动机模型通过一个五元组定义为CA=（l, s, n, f, z），

其中，l表示此元胞自动机内元胞的集合，s表示元胞的状态，n表示同质邻居元胞集合，f表示元胞自动机内部传递规则，z表示元胞的属性；

多元胞自动机（MCA）模型通过一个四元组定义为MCA=（CA,Q,N,F），

其中，CA为元胞自动机空间，Q为元胞自动机状态，N为异质邻居集合，F为元胞自动机之间的转换规则。

所述步骤二包括：

进行故障传递时，确定相应的故障传递规则：

首先，判断破裂元胞的属性，若属于普通元胞，定义使其同质邻居元胞容量极限值减少5%，使异质邻居元胞容量极限值减少2%-4%（当两个元胞自动机都处于极端紧急状态，此时使异质邻居元胞容量极限值减少4%；当一个元胞自动机处于正常状态，另一个元胞自动机处于紧急状态，使异质邻居元胞容量极限值减少3%；当两个元胞自动机都处于正常状态，使异质邻居元胞容量极限值减少2%）；

若属于联络线元胞，定义使其同质邻居元胞容量极限值减少8%。

所述步骤三包括：

定义与破裂元胞相连的元胞为其同质邻居元胞；与破裂元胞电气距离近但不处于相同元胞自动机的元胞为其异质邻居元胞。

元胞自动机可划分为“正常、紧急、极端紧急”三种状态；定义处于联络线位置的元胞为联络线元胞。

如图2-5所示，以IEEE118节点互联电网自组织临界性仿真为例进行仿真：

利用多元胞自动机模型对IEEE118节点互联电网进行仿真，根据电网的分区原则将IEEE118节点互联电网分成三个区域，每个区域代表一个元胞自动机，图2中的虚线表示各个区域电网之间的联络线，点画线为电网的分区线。可以看出通过分区线将IEEE118节点互联电网分成区域电网1、区域电网2、区域电网3。

步骤①，读入互联电网数据并求各个区域元胞的容量极限

步骤②，在多元胞自动机中随机选择一个元胞，增加一个负荷扰动，计算潮流并更新各元胞的负载率和元胞自动机的状态；

步骤③，根据各区域停运概率模型来判断各元胞自动机中的元胞状态，当有元胞破裂时，确定破裂元胞的类型和此时元胞自动机的状态，并选择相应的故障传递规则对同质邻居元胞和异质邻居元胞进行故障传递；

步骤④，对所有破裂元胞的同质邻居和异质邻居重新用元件停运概率模型进行状态检测，若发现有新的元胞破裂，转步骤③，否则，转步骤⑤；

步骤⑤，如果整体电网中存在因元件故障而有负荷节点被切除进而形成孤岛时，统计此时系统总的损失负荷和各区域电网的损失负荷。一次停电事故演化结束，若没有负荷节点被切除，则转到步骤②。

图6-8为各区域电网故障时间序列，纵坐标为每次故障发生时此区域损失总量，横坐标为故障发生时一次添加的扰动次数，即历经的天数。

图3、4分别为整体区域电网和各区域电网的损失负荷标度-频度幂律曲线，如图3、4所示，整体区域电网和各区域电网停电事故的标度-频度服从以下幂律分布：

整体电网，lgN = -1.2612lgr + 5.5176，R = -0.928

区域电网1，lgN1 = -1.0658lgr1 +4.2157，R1 = -0.8966；

区域电网2，lgN2 =-1.2398lgr2 +5.0406，R2 = -0.941；

区域电网3，lgN3 = -2.4837lgr3 + 7.8609，R3 = -0.9513。

其中：r,r1,r2,r3为标度，表征停电事故规模；N,N1,N2,N3分别为标度r,r1,r2,r3之上事故损失负荷数出现的频度；R,R1,R2,R3为标度-频度回归方程的样本相关系数。

通过以上仿真结果可知，利用多元胞自动机模型得到停电损失负荷及相应的停电事故频度等一系列电网停电事故数据，对这些数据进行分析得到了自组织临界性的基本数学特征——幂律特征，从而证实了多元胞自动机模型的可行性。

通过上述仿真，对比以往的大停电仿真模型，此模型具有以下几个优势：

该模型根据各区域电网的运行特性，对各区域电网分别建模，将每个区域电网用元胞自动机模型来模拟，并考虑不同区域之间的相互影响，构建出多元胞自动机模型。

通过上述仿真可知，此模型在一次仿真中，可以同时得到互联电网和各区域电网的停电事故数据；而以往的大停电仿真模型，需要对各区域电网分别仿真，才能得到各电网的停电事故数据。因此，利用此模型进行仿真时，不仅流程简便、仿真速度快，而且增加了数据的可靠性。

此模型即可以分别在各区域电网增加扰动，观察对其它区域电网和整体电网的影响，也可以在整体电网增加扰动，观察5对其它区域电网的影响。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于多元胞自动机的互联电网自组织临界性仿真方法，其特征在于，包括：

步骤一：根据分区原则对电网进行分区，将各个区域电网内的元件均定义为元胞，同一区域内相邻元件的关系用同质邻居元胞表示，根据各区域的运行特性，构建元胞自动机模型，不同区域内相邻元件的关系用异质邻居元胞表示，构建多元胞自动机模型；

元胞自动机模型通过一个五元组定义为CA=（l, s, n, f, z），其中，l表示此元胞自动机内元胞的集合，s表示元胞的状态，n表示同质邻居元胞集合，f表示元胞自动机内部传递规则，z表示元胞的属性；

多元胞自动机模型通过一个四元组定义为MCA=（CA,Q,N,F），其中，CA为元胞自动机空间，Q为元胞自动机状态，N为异质邻居集合，F为元胞自动机之间的转换规则；

步骤二：根据建立的多元胞自动机模型将故障传递分为元胞自动机内部的故障传递和元胞自动机之间的故障传递，其传递规则如下：破裂元胞使同质邻居元胞的容量极限值减少5%-8%，使异质邻居元胞的容量极限值减少2%-4%；

首先，判断破裂元胞的属性，若属于普通元胞，定义使其同质邻居元胞容量极限值减少5%，使异质邻居元胞容量极限值减少2%-4%，元胞自动机划分为“正常、紧急、极端紧急”三种状态，当两个元胞自动机都处于极端紧急状态，此时使异质邻居元胞容量极限值减少4%；当一个元胞自动机处于正常状态，另一个元胞自动机处于紧急状态，使异质邻居元胞容量极限值减少3%；当两个元胞自动机都处于正常状态，使异质邻居元胞容量极限值减少2%；

若属于联络线元胞，定义处于联络线位置的元胞为联络线元胞，定义使其同质邻居元胞容量极限值减少8%；

步骤三：分别在多元胞自动机中随机选择元胞添加扰动模拟电网负荷的增加，并进行潮流计算，随后用各个区域的停运概率模型对各区域元胞的状态进行检测，当有元胞破裂时，根据相应的故障传递规则分别对同质邻居元胞和异质邻居元胞进行故障传递，当电网中有负荷节点被切除进而形成孤岛时，则认为电网发生了停电事故，一次故障演化过程结束。

2.如权利要求1所述的一种基于多元胞自动机的互联电网自组织临界性仿真方法，其特征在于，所述步骤三包括：

定义与破裂元胞相连的元胞为其同质邻居元胞；与破裂元胞电气距离近但不处于相同元胞自动机的元胞为其异质邻居元胞。

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