前  言

电力网络是当今世界覆盖面最广、结构最复杂的人造系统之一。作为国民经济的支柱，电网的安全运行与国计民生息息相关，而近年来频频发生的大面积停电事故则充分暴露了大型互联电网脆弱性的一面。迄今为止，电力科技工作者对发生在世界各主要电力系统的大面积停电事故原因均进行了详尽的分析研究，但很多情况下不能给出具有说服力的理论分析结果，也未能阻止停电事故的继续发生。如1996年美国西部电网相继发生两次大面积停电后，北美电力可靠性委员会（North American Electric Reliability Corporation,NERC）成立了“新”的互联系统动态工作组，研究了有关系统稳定、电压、无功电源、系统控制和保护等一系列问题，并协助制订为保证互联系统能正确地规划设计和可靠运行的标准程序和原则；然而时隔7年的2003年8月14日，又发生了震惊世界的美加大停电，这一次与1996年的两次大停电相比损失更为惨重。究其原因，是对电网本身的特性和电网大面积停电事故的机理缺乏有成效的理论研究，对若干复杂现象缺乏科学的理论解释和分析方法，如电网的演化特性、连锁反应事故发展机理等；而这正是当前电网安全分析研究的难点，也是包括我国电网在内的世界各国电网提高安全可靠性水平必须解决的基础性科学问题。

由于大电网结构和运行方式的复杂性，现有的电力系统分析计算理论和试验方法对认识连锁故障引起的大型互联电网大面积停电事故的本质还远远不够，主要表现为以下两方面: 一是电力系统中的各职能部门各有分工，分别管理着电力系统规划、建设和运行等，从而导致电力系统的长期演化过程被割裂、简化成很多片段和子问题；二是通用的N-1和N-2校验标准假设连锁故障是小概率事件，并认为这些事件造成系统大停电的影响也因其概率很小而可以忽略。然而正是这些被忽略的多重连锁故障引发了一次次的大停电，而且统计数据表明大停电的概率分布并不是正态分布，而是幂律尾形式的分布，换言之，大停电的风险不容忽视。上述事实提醒我们要研究大停电必须建立合理的分析模型，并基于此指导电力系统规划和运行等。

近几年，国内外学者将复杂系统理论和方法应用于计算机网络、生态学、社会学以及经济学等相关学科的研究并取得诸多重要进展，在大型互联电网的大面积停电方面也逐渐兴起。

广义地说，自组织临界意味着标度不变性，意味着复杂现象背后具有简单的遵循幂律分布的统计规律，也意味着或大或小的灾变都有可能发生，即极端事件的概率不能忽略。自组织临界现象发生在很多组元相互作用的系统，这类系统除了内部的作用力之外还存在着外部驱动力；自组织过程要求外部的影响因素相对比较弱，也就是内部作用力是主导因素；自组织的方向是驱使系统朝着临界状态发展，这类似于平衡态系统发生相变的临界点，但不是所有系统都会朝着临界态发展，尤其当外部作用很弱时；外部驱动应该较之内部动态过程慢，也就是具有相对较长的时间尺度；门槛值的存在是发生自组织临界现象的必要非充分条件，它使得系统存在很多种亚稳定态，反映了系统的局部稳定程度，并且提供了度量当前态与临界态之间距离的方法，而该距离通常可作为评估系统安全稳定的裕度指标。自组织临界理论认为，任何系统的运行与演化都受制于快慢两种变量（或称快动态、慢动态）的作用。当这两种作用达到一定条件时，系统进入临界运行状态。此时针对系统的任何一个扰动，都有可能使系统发生预想不到的变化。

为了模拟电力系统停电事故数据的幂律特性及其蕴涵的临界性质，学者们提出了各种电力系统停电模型模拟电力系统连锁故障和大停电，其中主要有基于“近似”直流潮流和隐故障机理的隐故障模型，基于直流最优潮流的OPA模型，基于负荷切除和交流潮流的Manchester模型等。以上模型都模拟了连锁故障大停电事故的发生和发展过程，从不同的角度分析了大电网的安全性。然而上述方法都存在一定的特殊性和局限性。对于电力系统复杂特征、复杂电网结构稳定性及自组织临界一般理论方法的探索，也未有实质性进展。

大电网安全性评估的系统复杂性理论前  言鉴于此，本书在深入研究和分析电力系统运行特性的基础上，结合复杂性理论分别对电力系统大停电的复杂性和自组织临界、电网结构脆弱性分析及电力系统连锁故障风险评估与控制等方面进行了较深入的研究，提出了基于复杂网络理论和自组织临界理论的电网演化机制一般模型，该模型涵盖了电网演化的所有动态行为，前人提出的所有模型的方法都是该一般模型的简化。另外，我们通过研究电力网络的结构性质进一步揭示了电力系统大停电的自组织临界性。对所提出的一般模型做相应的简化，我们得到了若干适用于特定环境的模型，如基于直流潮流的改进OPA模型、基于交流潮流的大停电事故以及考虑暂态稳定约束的大停电事故模型。最后，我们将上述研究成果应用于电力系统应急管理平台。

参加本课题研究的人员包括： 曹一家、郭剑波、梅生伟、韩祯祥、吴复立、倪以信、江全元、侯云鹤、甘德强、包哲静、钟金、于群、吴浩、丁理杰、王光增、陈晓刚、孙可、薛安成、何飞、倪向萍、夏德明、翁晓峰、王莹莹、马韬韬、陈为化、李蓉蓉、刘友飞、刘皓明、刘磊、朱浩骏、余畅、杜兆彬、周华锋、贾庆山、宿吉锋、谢敏等。

本书初稿执笔分工如下： 第1, 5, 8章和第2, 9章的部分内容由曹一家教授主笔，第3章的部分内容由侯云鹤博士主笔，第4, 6, 7章和第3, 9章的部分内容由梅生伟教授主笔，第2章部分内容由郭剑波教授主笔，全报告由曹一家、郭剑波教授统稿。