復雜網絡級聯故障模型在電網抗毀中的應用之計算機分析

來源: www.tcwpwd.live 作者:vicky 發布時間:2019-08-08 論文字數:36696字
論文編號: sb2019062917235427085 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇計算機論文,本文圍繞負荷分配這一核心策略,關注故障的發生過程,研究其規律和特征,將度指標與介數指標相結合,重點研究不同負荷下級聯故障模型的魯棒性能,并 出優化策
本文是一篇計算機論文,本文通過對復雜網絡級聯故障的建模研究,使用節點度與介數相結合的方法,突破以往的局限性,遵循從模擬網絡到真實網絡的實證分析規律, 出有效控制和預防網絡級聯故障發生的策略。建立了新模型,為級聯故障的控制與處理 供具有現實意義的解決方案,實現了一套針對電力網絡魯棒性研究的工具軟件,將該課題研究應用到了現實領域。

1  緒論

1.1  研究目的和實際應用價值
隨著人類社會文明不斷發展,我們已經處于美妙絕倫的網絡化時代。網絡同時具有共性與特性多樣化規律,激起了不同領域研究人員的興趣,成為研究熱點[1,  2]。網絡中的節點可理解為社會中的個體,邊可理解為個體之間存在的聯系,邊的多少代表著個體間聯系的緊密程度。例如,可將電網[3,  4]中的節點 述為發電機,邊 述為輸電線路;也可將航空網[5]中的節點 述為飛機,邊 述為航線;或在公共交通網[6, 7]中,將節點 述為公交車、地鐵,邊 述為公交線路、地鐵線路[8]。類似還有 Internet[9, 10]、新陳代謝網[11]、蛋白質互相作用網[12]、物流供應鏈網[13]等等。
網絡系統和我們的生活、工作息息相關,既給我們帶來了便利,又 高了生活質量。但網絡系統也愈加復雜,不可避免會出現網絡故障,研究發現,系統中某些節點失效可能會導致網絡系統癱瘓[14, 15]。由于隨機突發事件、定點攻擊事件發生,系統為維持穩定,將網絡崩潰部分的負荷再分配,導致接收負荷部分的網絡不堪重負,出現節點崩潰,進而蔓延到全網絡,最終導致全網崩潰,這種現象稱為級聯故障(Cascading Failures)[16, 17]。級聯故障一旦發生,往往具有極強破壞力,給人類生命財產造成巨大損失,進而對社會產生巨大影響,該方向研究對于能否解決因突發事件引發的經濟和社會不穩定性有著重要作用。
一方面,級聯故障存在于各種各樣的應用網絡,如 Internet、通信網、無線網絡,在這些網絡中,隨時可能會遭受黑客攻擊、DoS(Denial of Service)攻擊、病毒攻擊等多種傳統意義上的網絡安全威脅[10, 18];另一方面,級聯故障會威脅基礎設施網絡,如電網、供水網、供氣網、交通網絡等[4,  19-22]。這些網絡內部的動態關聯使得復雜網絡動力學行為的特征更加復雜化、多樣化。無論應用網絡還是基礎設施網絡,級聯故障的蔓延都具有持續性、突發性、不確定性和連鎖性等特點,對我們所造成的影響具有極強破壞力和影響力,例如:  2008 年 1 月,我國南方雪災造成許多省份的電網和通信網絡大面積中斷;2008 年 5 月,汶川地震給我國造成巨大損失,導致四川、甘肅、陜西三省通信設施嚴重損毀,移動、電信、聯通等公司的通信設備嚴重堵塞;2010  年  9  月,北京的一場小雨導致大面積交通癱瘓。這些事故讓人們感到束手無策的同時,也讓人們更加認識到級聯故障的危害性。
我們希望能夠通過對該方向的研究,給出合理有效的保護策略。這對預防大規模級聯故障的發生, 高網絡抗毀性,對現實網絡系統的建設和維護,具有重要實際應用價值。
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1.2 國內外相關文獻綜述
復雜網絡已成為當今復雜性科學研究的前沿課題之一,它的興起歸功于兩篇具有標志性文章的發表,1998年 Watts 和Strogatz 發表了一篇關于小世界效應的文章[23],另一篇是1999 年 Barabási 和 Albert 發表了關于無標度特性的文章[14]。復雜網絡研究方法認為幾乎任何復雜系統都可以抽象為網絡,這也給許多不同領域的科學家 供了新視角和新方向。復雜網絡級聯故障研究分類方法不同,類別也有很多種,如根據網絡是否有權(Weight)可分為無權網絡模型與有權網絡模型,根據負荷所在介質不同可分為節點(Node)負荷網絡模型與邊(Edge)負荷網絡模型,根據網絡故障的發生是由單個節點直接引起,還是由節點失效帶來的不斷蔓延而引發的級聯故障現象,可分為靜態網絡(Static networks)研究與動態網絡(Dynamic networks)研究,當然,根據研究級聯故障發生時所在網絡是計算仿真出來的還是真實存在的可將其分為模擬仿真網絡(Simulation networks)與真實網絡(Real networks)。
在復雜網絡動力學有關級聯故障的分析中,根據負荷所在介質不同可將其分為基于節點負荷與基于邊負荷動力學研究[32-34]。基于節點負荷是指將初始負荷設置到節點上,級聯故障發生過程也是通過節點失效、負荷傳遞造成整個網絡癱瘓。通過閱讀文獻發現,由于節點的失效而引起級聯故障最終導致全網癱瘓的這類文獻較為豐富,能夠較為全面地為真實網絡 供魯棒性優化方案[35-37]。基于邊負荷是指將初始負荷設置到鄰接邊上,負荷再分配也是在鄰接邊中發生,最終因為鄰接邊失效引起的負荷再分配,進而導致負荷不斷傳遞導致整個網絡的癱瘓,相比基于節點負荷再分配,鄰接邊負荷類文獻研究數量較少,需要投入更大科研力度,為減少在實際網絡中由鄰接邊引起的級聯故障現象 供解決方案。
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2  理論基礎及相關技術

2.1  相關基本概念
復雜網絡呈現多特征、高復雜度的特性,能夠 述多領域的復雜模型,如電力網絡、交通網絡、蛋白質互相作用網絡等[1]。這些網絡在正常情況下運行良好,但隨機故障或目標性攻擊會在一定概率下導致整個系統崩潰。在網絡的某條邊發生崩潰后,系統為了正常運行,必須通過其它路徑將崩潰邊的負荷進行再分配。負荷再分配有可能引起其它鄰接邊的過載,這些過載邊會被在系統中刪除,并導致再一次負荷再分配。因此,不斷的出現過載再分配有可能會導致全網絡崩潰。這樣的過程被稱為級聯故障(Cascading Failures)。
2.1.1  基本參數

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2.2  級聯故障發生過程理論解析

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3  度與介數相結合的級聯故障模型 ....................... 25
3.1  適用于低負荷網絡模型 .................................. 25
3.1.1  模型 出 ................... 25
3.1.2  數值仿真 ............................. 26
4  電力輔助推演系統設計與實現 ...................................... 39
4.1  總體設計 ........................................ 39
4.1.1  系統框架及使用技術 ................................. 39
4.1.2  系統需求分析 .......................... 39
5  總結與展望 .............................. 51
5.1  結論 .............................................. 51
5.2  論文的主要貢獻 ................................. 52

4 電力輔助推演系統設計與實現

4.1  總體設計
4.1.1  系統框架及使用技術
電力輔助推演系統基于.NET 框架研發,該框架 供了跨語言的編程環境(One Platform),具有免費、跨平臺、開放源代碼的特點,可用于構建桌面應用程序、網站、游戲等程序,如下圖 4.1 所示。基于級聯故障的電力輔助推演系統的數據讀取與存儲使用 csv 格式文件,程序的研發使用 C#語言,界面使用 Winform 技術。借助 Visual Studio 2017 研發平臺,快速搭建系統模塊, 高研發效率,且在 Windows 中系統的可靠性得到保證。
4.1.2  系統需求分析
電力輔助推演系統依據復雜網絡級聯故障的具體發生過程進行設計與實現,該系統希望能夠解決一些有關級聯故障電力保護的研究存在的一些弊端:
(1)電力魯棒性研究是我們國家重點關注的科研領域,研究方式、方法多樣化,其中一種研究方法是通過復雜網絡級聯故障進行模擬仿真,但需要掌握一門編程語言才能更好地進行下去。
(2)在科研之初階段,往往只能進行一項模型的仿真,很難能夠多模型,多參數,多度量指標的同時進行,需要很好的設計解耦程序才能夠進行,加大編程難度的同時,也加大了后期數據分析的難度。
(3)在仿真過程中,新 出的模型不能夠立即與以往的模型進行對比,只能通過手動打開數據文件,復制粘貼的方式拼合到一起,進行驗證,觀察新模型是否能夠比以前的模型有優勢,有多大的優勢,優勢在低負荷運行時,還是高負荷運行時,給工作的繼續進行增加了難度。
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5  總結與展望

5.1  結論
本文通過復雜網絡級聯故障建模及其應用,得出以下結論:
(1)將節點度與節點介數相結合,建立適用于不同負荷下的級聯故障模型。在考慮不同負荷的情況下,從簡單網絡中基于邊的級聯故障發生與蔓延著手,結合局域擇優再分配的原則,定義網絡初始負荷,建立帶有可調參數  的級聯故障模型,旨在減少網絡級聯故障發生的同時找到一個廉價但高魯棒性的關鍵閾值CT ,創新性的將節點度與介數結合起來,用來抵抗在不同負荷下級聯故障的產生,并通過模擬級聯故障的發生過程與分配策略,在 BA 無標度網絡中建立優化網絡魯棒性的新模型 LDB(節點度與介數相結合且適用于低負荷網絡模型)、HDB(節點度與介數相結合且適用于高負荷網絡的模型),編寫與運行推演系統,實驗數據具有較高可靠性,得出并驗證了以下結論:新模型 LDB 、 HDB在抵制級聯故障的發生方面具有一定優勢,可用來有效抑制級聯故障的進一步蔓延,減少級聯故障所帶來的損失。
(2)研發電力輔助推演系統。在考慮級聯故障在電網中的應用方面,研發出一套基于級聯故障的電力輔助推演系統,將該項研究應用到了現實領域, 高了科研效率。本文建立的 LDB 、 HDB 模型也能夠推廣和應用到其它電力網絡設施中,研究人員可通過該系統中“基礎數據生成”模塊中“上傳網絡數據”選項,上傳其它電網數據,研究不同模型在其它電力網絡中魯棒性表現;可視化選擇級聯故障模型及度量指標,流程簡單,針對性較強;在不同負荷下,推演系統采用兩種新建立的模型 LDB 、 HDB 進行可視化管理,并且給出級聯故障發生過程及負荷再分配的核心算法,該算法對復雜網絡級聯故障研究具有理論指導意義; 供基于節點度模型與節點介數模型與之對比參考模塊,驗證新模型具有科學可行性,將控制級聯故障發生的研究應用到了現實領域,能夠為我國電網的發展與建設 供可行性指導,也可為其它簡單網絡系統 供借鑒和參考,為社會帶來經濟效益,具有一定應用價值。
參考文獻(略)

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