基于复杂网络理论的电力通信网加边保护策略

基于复杂网络理论的电力通信网加边保护策略

左航胡红艳胡长悦魏耀华肖晗

国网新疆电力有限公司信息通信公司新疆乌鲁木齐830000

摘要：随着电力系统在通信网络当中的应用与普及，电力系统越来越复杂，系统运行时的不稳定性也随之增加。因此，通信网络中的复杂电力系统出现故障将会给人们日常生产和生活带来诸多不便，不仅存在着潜在的危险，也容易引发事故。

关键词：复杂网络理论；电力通信网；加边保护；策略

1电力通信网拓扑统计特征

1.1电力通信网建模

中国的电力通信网是服务于一次电网的专网,与公共通信网物理隔离。由于各厂站内部通信设备的部署与连接情况难以获取且站点间存在差异,本文从简化分析的角度出发,以厂站级为研究单位并根据获取的电力通信网地理接线图进行如下假设。

a.除重庆市电力通信网外(包含110kV电力通信网),其他省市只考虑220kV及以上高压输电网的通信系统,不考虑配电网的通信系统。

b.按照功能区分,电力通信网中包含2类节点:各厂站(包含发电厂、变电站、换流站)的通信节点和各级调度中心的通信节点。

c.将站点之间的通信线路(光纤复合架空地线(OPGW)光缆、全介质自承式(ADSS)光缆等)建模为电力通信网的边,忽略通信线路间的差异且认为通信线路双向通信,即认为所有边为无向边。

d.合并同一方向上的多条通信线路以消除多重边和自环。

e.忽略华中电力通信网与其邻接省份电力通信网间的联络线。

f.节点介数B为网络中所有最短路径中经过该节点的路径的数目占最短路径总数的比例,用于评估站点承担储存、转发信息的业务量。

1.3小世界特性和无标度特性

小世界网络是介于规则网络与随机网络之间的一个网络模型,网络小世界特性的判断标准为:

2华中电力通信网复杂网络特性分析

本节对华中220kV及以上电压等级的电力光传输网的复杂网络特性进行分析。其中,重庆市包含110kV电力光传输网。

基于复杂网络理论,对华中电力通信网的拓扑统计参数进行了计算,结果见表1。由表1可知,华中电力通信网的网架建设相对薄弱:平均度数<K>略大于2,仅仅维持了电力通信网基本的连通需求,在中长期规划过程中值得注意。根据式(4)、(5)和表1可以判定华中电力通信网具有小世界特性。

网络的度分布特性直接影响其结构脆弱性:随机网络的度分布服从泊松分布,在随机攻击和蓄意攻击下都具有较强的鲁棒性,无标度网络在随机攻击下表现出较强的鲁棒性,而在蓄意攻击下十分脆弱并表现出有效节点比例陡降的现象。因此,有必要对华中电力通信网度分布特性进行深入研究。华中电力通信网具有无标度网络的特征,即具有大量的低度数节点与少量的高度数节点,且节点度数大于1时,节点的度数分布概率随节点度数的增加而急剧减小。

采用最小二乘拟合度数大于1时的度分布曲线,得到其度分布函数为:

式(7)表明,当k>1时,华中电力通信网的度分布可等效为幂律值为-1.64的无标度网络。

3加边保护策略研究

华中电力通信网的平均度数较小且具有大量的低度数节点。低度数节点对于维持故障下的鲁棒性具有消极影响。因此,可以考虑通过增加多条地理上独立的通信线路以提高网络的鲁棒性。

本文主要研究了4种加边策略。

a.RA策略:随机选择网络中的2个节点并增加1条边,不允许出现自环或重边。重复上述算法直至达到规定的加边数。

b.LDA策略:对网络的节点度数进行计算,选择2个最低度数的节点并增加1条边,不允许出现自环或重边。重复上述算法直至达到规定的加边数。

c.LBA策略:对网络的节点介数进行计算,选择2个最低介数的节点并增加1条边,不允许出现自环或重边。重复上述算法直至达到规定的加边数。

代数连通度对网络的鲁棒性具有重要影响。网络的鲁棒性与其拉普拉斯矩阵对应的第二小特征根的值λ2有关联,且λ2越大,网络越健壮。λ2对应的特征根向量称为Fiedler向量。

d.ACB策略:求解网络的Fiedler向量,并选取Fiedler向量元素中绝对值之差最大时对应的2个节点,在该节点间增加1条边。重复上述算法直至达到规定的加边数。

增加通信线路固然可以提高电力通信网的鲁棒性,但是需要付出较大的经济代价,出于对经济成本的考虑,本文研究了fM=20%时上述加边策略对电力通信网鲁棒性的影响。

a.通过增加通信线路可以有效地提高电力通信网的鲁棒性,且可以避免有效节点比例及网络效率陡降的现象。

b.各种加边策略在不同攻击模式下互有优劣:在高介数节点攻击模式下,LDA与LBA策略效果最好;在高度数节点攻击模式下,LDA与ACB策略最好。因此,整体而言,LDA策略在不同攻击模式下均具有较好的适应能力。

c.相比LBA策略与ACB策略,LDA策略的计算复杂度更小。

4防范措施探讨

4.1提高电力装置的质量

电力装置是整个电力系统的根本载体，其决定着整个电力系统的安全可靠性，因此必须要严格电力装置的质量要求。在电力装置的选择上，一定要遵循安全稳定，实用可靠的原则，选择高质量的产品，从而保证电力系统的长期稳定运行。同时，要保证装置与装置之间的相容性，使装置在发挥测算、保护、远程调控时可以协调配合，共同维护电力系统的安全稳定，电力装置质量如果比较好，在电力企业进行扩建改造时也比较容易进行设计，当然，在使用时，旁边应当由监管人员，以防止装置失灵或发出错误信号时可以及时进行维修和调整。

4.2严格分析面临的风险

要严格分析电力系统自动化安全所面临的风险，以保证在遇到危险时能采取正确的方式进行处理，使损失降到最低。首先要根据现实情况和操作者的经验收集风险事故的类型，然后确定各种类型风险发生的可能性和风险一旦发生可能造成的危害结果，从而根据一定的公式计算出风险指数，如果风险在可控的范围内，可以忽略不计，如果风险在限度之外，就需要进一步优化，采取措施加以防范，从而保证电力系统自动化的安全运行。

4.3大停电的预防

大停电对整个电力系统带来的损失较大，通常会造成大面积供电瘫痪。预防大停电可从降低初始扰动概率、及时阻断连锁故障的发展、释放系统压力等几方面来采取措施。

结论

通过增加多条地理上相互独立的通信线路可以有效地提高电力通信网的鲁棒性,尤其可以改善华中电力通信网在蓄意攻击下有效节点比例和相对网络效率陡降的现象。低度数节点加边策略在实际保护效果及计算复杂度上均优于其他3种加边策略。上述结论对于电力通信网的规划与改造具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]曹一家,张宇栋,包哲静.电力系统和通信网络交互影响下的连锁故障分析[J].电力自动化设备,2018(01).

[2]张建,刘鑫,蒲春林.电力系统连锁故障评估综述[J].四川电力技术,2018(06).