网络科学在防范大停电事件中的应用

2018-02-15采访特邀受访安迪尔森莫特AdilsonMotter

张江科技评论 2018年5期

■ 采访/唐明（特邀）受访/安迪尔森•莫特（Adilson Motter）

网络科学对于解释电网大停电机理以及研究相应的预防和控制措施，具有十分重要的意义。

电力行业是整个国民经济的基础和命脉，电网安全稳定运行与国民生活紧密相关。然而，近30年来，世界各地先后发生了多起大停电事件。例如，2012年印度遭遇大面积停电，全国近一半地区的供电出现中断，导致约6亿人口用电困难；2003年美国东北部和加拿大联合电网发生大面积停电困扰，经济损失高达300亿美元，影响了5 000万人的正常生活。这些事故造成了巨大的经济损失，并严重影响了社会生产和居民生活。

电网中的级联失效

电网是当今世界上最为复杂的人造系统之一。随着网络复杂性的不断增加，网络的安全性和可靠性都受到严峻的考验。网络中某个或者某部分节点发生故障时，由于网络内部关联关系，导致这种故障在整个网络中进行传播，这些故障的传播有可能导致网络局部或者完全瘫痪，后果严重。同样的，当电网中断路器或者是发电机等出现故障时，将会引发一些大面积停电事故。

如此复杂多样的现代网络系统，是否存在一些普适的结构特征和行为模式？人们能否预测或者掌控网络中所发生的急剧变化？网络科学的诞生，为我们提供了解决这类难题的一种思维范式。网络科学是一门崭新的交叉科学，重点研究自然科学、技术以及社会、政治、经济中各种复杂系统微观态与宏观现象之间的联系，特别是其网络结构的形成机理与演化规律、结构模式与动态行为、运动规律与调控策略等。将复杂网络的研究成果应用于电网复杂性和大停电机理研究是当前电网安全分析的热点领域。

美国西北大学物理与天文学教授安迪尔森•莫特（Adilson Motter）指出，大规模停电通常是由级联失效引起的。电网中一个局域的失效会引发另一个失效，进而再引发其他失效，不断传播，最终导致大部分电网的崩溃，这种传播过程被称为级联失效。尽管这类大规模的级联失效灾害发生的概率不高，但是一旦灾害被触发，其灾难性的破坏力和影响力往往是人们难以承受的。然而，绝大多数用于再现和研究级联失效的数学模型和计算机模型或者不够真实，或者无法应用于足够大的系统。“如今，这一状况得到了改变。”莫特教授说，“在最近的一项研究中，我们课题组成功地对涵盖美国大陆和加拿大南部的超过10万条电力线的电网中的级联失效进行了建模，这一模型允许对这些过程进行精确的定量化描述。”

防范大停电事件

那么，对于分析停电故障来源以及如何防范大规模停电（提高网络的鲁棒性），网络科学的理论可以提供哪些方面的指导与分析？网络的鲁棒性主要是指网络在遭受灾难之后维持网络功能的能力，通常以网络在遭受攻击后的连通性能作为网络鲁棒性优劣的评定指标。一般来说，识别易受攻击的节点或组件，提前进行保护，可以提高网络的鲁棒性。

莫特教授认为，网络科学可以自然地描述电网中的过程，因为电网是网络系统。“在我们最近的研究中，利用来自网络科学的工具，我们能够识别出电网中易受攻击（即最易发生失效）的组件，例如电力线。易受攻击组件是级联失效的根源。它们和发电站相连，发电站又和电网中其他发电站相连，在此意义上，易受攻击组件可看作电网的核心。”莫特教授说。

优化中国电网

进入21世纪以来，中国的电网迅速发展供电可靠性，不断提升效率，电网技术也逐渐步入世界先进国家行列。目前，中国的电网规模和装机容量居世界第一，且拥有世界最高的交、直流输送电压等级，以及世界上输送容量最大、送电距离最远的特高压输电工程。

世界上发生过多次大停电事件，但中国几乎没有出现过大规模的停电事件。莫特教授认为，中国的电网具有很高的鲁棒性。他指出，中国电网系统的高鲁棒性可以归因于几个因素：在电力需求高峰时期，住宅和工业用电之间的良好管理；由于近期的增长和扩张而相对新的和现代化的电网基础设施；电网相距遥远的部分之间受限的电力交易。当谈到如何进一步优化中国电网时，莫特教授说：“我们为美国-南加拿大电网进行的网络分析和建模同样可以应用于中国的电网，这一模型能够识别中国的电网中最易受攻击的点，这样只需要使用有限的新资源就可以进一步加强网络。”