網絡科學在防范大停電事件中的應用

■ 采訪/唐 明（特邀） 受訪/安迪爾森?莫特（Adilson Motter）

網絡科學對于解釋電網大停電機理以及研究相應的預防和控制措施，具有十分重要的意義。

電力行業(yè)是整個國民經濟的基礎和命脈，電網安全穩(wěn)定運行與國民生活緊密相關。然而，近30年來，世界各地先后發(fā)生了多起大停電事件。例如，2012年印度遭遇大面積停電，全國近一半地區(qū)的供電出現(xiàn)中斷，導致約6億人口用電困難；2003年美國東北部和加拿大聯(lián)合電網發(fā)生大面積停電困擾，經濟損失高達300億美元，影響了5 000萬人的正常生活。這些事故造成了巨大的經濟損失，并嚴重影響了社會生產和居民生活。

電網中的級聯(lián)失效

電網是當今世界上最為復雜的人造系統(tǒng)之一。隨著網絡復雜性的不斷增加，網絡的安全性和可靠性都受到嚴峻的考驗。網絡中某個或者某部分節(jié)點發(fā)生故障時，由于網絡內部關聯(lián)關系，導致這種故障在整個網絡中進行傳播，這些故障的傳播有可能導致網絡局部或者完全癱瘓，后果嚴重。同樣的，當電網中斷路器或者是發(fā)電機等出現(xiàn)故障時，將會引發(fā)一些大面積停電事故。

如此復雜多樣的現(xiàn)代網絡系統(tǒng)，是否存在一些普適的結構特征和行為模式？人們能否預測或者掌控網絡中所發(fā)生的急劇變化？網絡科學的誕生，為我們提供了解決這類難題的一種思維范式。網絡科學是一門嶄新的交叉科學，重點研究自然科學、技術以及社會、政治、經濟中各種復雜系統(tǒng)微觀態(tài)與宏觀現(xiàn)象之間的聯(lián)系，特別是其網絡結構的形成機理與演化規(guī)律、結構模式與動態(tài)行為、運動規(guī)律與調控策略等。將復雜網絡的研究成果應用于電網復雜性和大停電機理研究是當前電網安全分析的熱點領域。

美國西北大學物理與天文學教授安迪爾森?莫特（Adilson Motter）指出，大規(guī)模停電通常是由級聯(lián)失效引起的。電網中一個局域的失效會引發(fā)另一個失效，進而再引發(fā)其他失效，不斷傳播，最終導致大部分電網的崩潰，這種傳播過程被稱為級聯(lián)失效。盡管這類大規(guī)模的級聯(lián)失效災害發(fā)生的概率不高，但是一旦災害被觸發(fā)，其災難性的破壞力和影響力往往是人們難以承受的。然而，絕大多數(shù)用于再現(xiàn)和研究級聯(lián)失效的數(shù)學模型和計算機模型或者不夠真實，或者無法應用于足夠大的系統(tǒng)。“如今，這一狀況得到了改變。”莫特教授說，“在最近的一項研究中，我們課題組成功地對涵蓋美國大陸和加拿大南部的超過10萬條電力線的電網中的級聯(lián)失效進行了建模，這一模型允許對這些過程進行精確的定量化描述。”

防范大停電事件

那么，對于分析停電故障來源以及如何防范大規(guī)模停電（提高網絡的魯棒性），網絡科學的理論可以提供哪些方面的指導與分析？網絡的魯棒性主要是指網絡在遭受災難之后維持網絡功能的能力，通常以網絡在遭受攻擊后的連通性能作為網絡魯棒性優(yōu)劣的評定指標。一般來說，識別易受攻擊的節(jié)點或組件，提前進行保護，可以提高網絡的魯棒性。

莫特教授認為，網絡科學可以自然地描述電網中的過程，因為電網是網絡系統(tǒng)?！霸谖覀冏罱难芯恐?，利用來自網絡科學的工具，我們能夠識別出電網中易受攻擊（即最易發(fā)生失效）的組件，例如電力線。易受攻擊組件是級聯(lián)失效的根源。它們和發(fā)電站相連，發(fā)電站又和電網中其他發(fā)電站相連，在此意義上，易受攻擊組件可看作電網的核心。”莫特教授說。

優(yōu)化中國電網

進入21世紀以來，中國的電網迅速發(fā)展供電可靠性，不斷提升效率，電網技術也逐漸步入世界先進國家行列。目前，中國的電網規(guī)模和裝機容量居世界第一，且擁有世界最高的交、直流輸送電壓等級，以及世界上輸送容量最大、送電距離最遠的特高壓輸電工程。

世界上發(fā)生過多次大停電事件，但中國幾乎沒有出現(xiàn)過大規(guī)模的停電事件。莫特教授認為，中國的電網具有很高的魯棒性。他指出，中國電網系統(tǒng)的高魯棒性可以歸因于幾個因素：在電力需求高峰時期，住宅和工業(yè)用電之間的良好管理；由于近期的增長和擴張而相對新的和現(xiàn)代化的電網基礎設施；電網相距遙遠的部分之間受限的電力交易。當談到如何進一步優(yōu)化中國電網時，莫特教授說：“我們?yōu)槊绹?南加拿大電網進行的網絡分析和建模同樣可以應用于中國的電網，這一模型能夠識別中國的電網中最易受攻擊的點，這樣只需要使用有限的新資源就可以進一步加強網絡?！?/p>

應用于智能電網

智能化是未來電網發(fā)展的趨勢。智能電網具有多種屬性，其中一個重要的屬性是它們將具有更高的魯棒性，即發(fā)生更少的失效或更容易從失效中恢復。在推進智能電網的大規(guī)模設計和運營中，網絡科學無疑有巨大的幫助。利用觀測數(shù)據(jù)和控制網絡，有助于建立應對突發(fā)事件的自反饋分流策略，保護電網的正常運行。

例如，為了引導系統(tǒng)遠離即將發(fā)生的故障，需要實時測量網絡的所有主要組件的狀態(tài)，但這在現(xiàn)實中是難以做到的，并且代價高昂。莫特教授說：“在之前的工作中，我們使用網絡理論工具來優(yōu)化傳感器在電網中的位置，以便以最少的測量次數(shù)來提取必要的信息。”

網絡科學為電網安全分析研究開辟了一個全新的方向，提供了一種全新的視角，有助于從整體上把握電網的復雜性，對于解釋電網大停電機理以及研究相應的預防和控制措施，具有十分重要的意義。

復雜網絡中的創(chuàng)新未來（科學）論壇

安迪爾森?莫特（Adilson Motter）

美國西北大學物理與天文學教授。美國西北大學物理與天文學教授，將復雜系統(tǒng)與非線性現(xiàn)象的研究用于對電力網絡的分析，是同步電網研究的先行者。2014年被評為全球30位最有潛力的40歲以下拉美裔科學家，并獲得過多項青年科學家獎項。