本文關鍵詞：相互依存網(wǎng)絡的抗毀性研究及在電力系統(tǒng)的應用

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【摘要】：自然界中的個體總是以一定的連接方式構(gòu)成網(wǎng)絡,且隨著社會的進步和發(fā)展,這種連接會更加緊密,網(wǎng)絡規(guī)模也將不斷增大,逐漸超出傳統(tǒng)圖論的描述范疇,構(gòu)成復雜網(wǎng)絡,如各類基礎設施網(wǎng)絡。復雜網(wǎng)絡不僅為廣域的個體提供了交互與便利,也帶來了潛在的危險與脆弱性,使得失效在網(wǎng)絡中快速傳播成為可能,猶如一把“達摩克利斯之劍”。在過去的十多年中,關于復雜網(wǎng)絡抗毀性的研究多是針對單個網(wǎng)絡展開的。而相關研究表明,網(wǎng)絡(系統(tǒng))并不是孤立存在的,它與其他網(wǎng)絡之間多存在耦合和依存關系,如電力-信息網(wǎng)絡,電力-供水網(wǎng)絡等。這種關系既促進了網(wǎng)絡間的交流,也帶來了級聯(lián)故障大范圍傳播的風險。因此,分析相互依存網(wǎng)絡(基礎設施)的級聯(lián)失效過程,尋找增強其抗毀性的方法成為亟待解決的問題之一。復雜網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)決定其特性,因此要研究相互依存網(wǎng)絡的動力學特性,需從其重要的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及參數(shù)入手。依存邊(耦合邊)作為相互依存網(wǎng)絡的重要組成部分,決定了其與單個網(wǎng)絡不同的特性。但目前的研究多基于拓撲結(jié)構(gòu)級聯(lián)失效模型,而并未考慮實際網(wǎng)絡中節(jié)點的負荷和容量特性�；谝环N度數(shù)相關的負荷-容量級聯(lián)失效模型,提出以網(wǎng)絡的總負荷損失作為抗毀性評價指標,并通過理論驗證了仿真實驗的準確性。研究了不同耦合方式、耦合強度、拓撲結(jié)構(gòu)以及攻擊方式對相互依存網(wǎng)絡抗毀性的影響；通過改變負荷和容量可調(diào)參數(shù),分析相互依存網(wǎng)絡抗毀性的變化；橫向?qū)Ρ攘瞬煌W(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。所得結(jié)果能為理解相互依存基礎設施級聯(lián)失效過程,為基礎設施建設提供一定的參考。在現(xiàn)實網(wǎng)絡中,看似無序的節(jié)點往往呈現(xiàn)出一定的等級結(jié)構(gòu)(Hierarchical)。等級結(jié)構(gòu)可以看做是網(wǎng)絡分割的中尺度基本單元,且是多數(shù)網(wǎng)絡演化過程中無法避免的結(jié)構(gòu)。但目前的研究往往局限于網(wǎng)絡等級結(jié)構(gòu)劃分方法的分析與改進,很少將其上升到相互依存網(wǎng)絡動力學特性研究的高度。k-core層次結(jié)構(gòu)是一類常見的網(wǎng)絡中尺度描述單元。k-core結(jié)構(gòu)的存在不僅與網(wǎng)絡拓撲有關,同時也可以改變網(wǎng)絡的某些動力學特性。為研究k-core層次深度對相互依存網(wǎng)絡抗毀性的影響,提出了一種k-core層次結(jié)構(gòu)豐富且連續(xù)的無標度網(wǎng)絡演化模型,并通過理論推導和仿真實驗與真實網(wǎng)絡對比,驗證了模型描述的準確性�；谪摵�-容量級聯(lián)失效模型,研究了k-core深度對對稱和非對稱相互依存網(wǎng)絡抗毀性的影響,尋找較優(yōu)的k-core結(jié)構(gòu)。簇團結(jié)構(gòu)(Cluster)是另一類常見的網(wǎng)絡中尺度描述單元,包括核心-邊緣結(jié)構(gòu)和社團結(jié)構(gòu)。復雜網(wǎng)絡的節(jié)點與連邊并不是隨機存在的,相似節(jié)點與邊之間往往會呈現(xiàn)出一定的“組團”現(xiàn)象。為研究不同簇團結(jié)構(gòu)及參數(shù)對相互依存網(wǎng)絡抗毀性的影響,分析了兩種簇團結(jié)構(gòu)的相似性,提出了一種簇團結(jié)構(gòu)可調(diào)的網(wǎng)絡演化框架模型,并通過理論推導和仿真實驗驗證了網(wǎng)絡的無標度和簇團特性�；诙葦�(shù)負荷-容量級聯(lián)失效模型,研究了核心-邊緣與社團結(jié)構(gòu)的緊密程度對相互依存網(wǎng)絡抗毀性的影響,并橫向?qū)Ρ攘藘煞N簇團結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。此外,進一步將框架模型擴展到具有多個社團的相互依存網(wǎng)絡中,研究了社團個數(shù)以及網(wǎng)絡耦合方式對其抗毀性的影響。作為一類關鍵基礎設施網(wǎng)絡,電力系統(tǒng)由于其特殊的電力背景而備受關注。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)只負責電力能源的產(chǎn)生、輸出與配送,而隨著信息和控制等技術的不斷發(fā)展,信息網(wǎng)絡逐漸成為電力系統(tǒng)不可或缺的一部分。以往的研究多關注獨立電力或通信網(wǎng)絡,無法真正認識電力系統(tǒng)的整體特性。為研究信息網(wǎng)的引入對電力連鎖故障的影響,分析了電力網(wǎng)和信息網(wǎng)之間的能量和信息交互過程,并受近來“烏克蘭大停電”事故過程的啟發(fā),提出一種具有電力背景的耦合網(wǎng)絡失效模型。采用一種基于直流潮流的級聯(lián)失效模型,研究了不同一對一耦合方式(內(nèi)在自相似耦合以及隨機耦合)以及耦合強度對電力連鎖故障的影響；研究了網(wǎng)絡間失效概率對連鎖故障的影響,以驗證不同網(wǎng)絡失效模型的差異性；研究了信息網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、信息網(wǎng)有無以及調(diào)度中心的位置對連鎖故障的影響。此外,還提出了一種同時具有信息和能量耦合邊的網(wǎng)絡模型,并分析了兩種邊數(shù)目與電力連鎖故障之間的關系曲線。以上結(jié)果可為未來新一代電力系統(tǒng)的建設提供一定的參考和指導。
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM711;O157.5
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本文編號：1266870