基于局部序参数的电网同步性能优化

采用类Kuramoto模型对电网中的节点进行建模,利用局部序参数描述节点的局部同步能力.研究发现相比小功率节点,大功率节点到其直接邻居节点更难达到同步.提出一种网络耦合强度的非均匀分配方法,在网络总耦合强度不变的情况下,增大大功率节点到其直接邻居节点的耦合强度以及相关节点对之间的连边耦合强度,减少其余节点对间的耦合强度.研究表明,这种方法可以在一定范围内降低电网的同步临界耦合强度,改善网络的同步性能;但当这种耦合强度的非均匀性过大时,网络的同步性能开始恶化.     

多个耦合星型网络的同步优化

本文讨论了星型网络中耦合Kuramoto振子的同步优化问题.分别考察具有随机频率分布叶子节点的单星型结构和多星型结构耦合网络达到同步所需的临界耦合强度.基于正弦函数的有界性导出的理论结果表明,单星型结构网络中,系统同步临界耦合强度与中心振子频率之间具有分段线性关系,而多星型结构耦合网络中,系统同步临界耦合强度与所有星型结构中心振子的频率之和保持分段线性关系.两种结构的网络的同步临界耦合强度最小值均在分段线性的转折点处.多星型结构耦合网络中,最小同步临界耦合强度出现在耦合系统只有一个同步集团的情形,而最大同步临界耦合强度出现在耦合系统有多个同步集团的情形.     

基于复杂网络理论的互联电网Braess悖论现象分析

为了探究互联电力网络中的Braess悖论现象, 采用二阶类Kuramoto相振子模型对电网进行动力学建模, 将两个子网通过大度节点相连构建互联电网。当两个子网间有功率传输时, 分别在两个子网内部新增传输线路探究互联电网发生Braess悖论现象的概率并分析其原因。研究发现: 当互联电网中两个子网间的功率传输达到某一临界值时, 受电子网的同步能力远优于供电子网的同步能力, 供电子网新增传输线路引起互联电网发生Braess悖论的概率远高于受电子网新增传输线路引发的Braess悖论概率。通过定义子网序参数对上述现象的产生进行深入分析。本研究对互联电网的拓扑优化具有重要意义。     

多层单向耦合星形网络的特征值谱及同步能力分析

随着复杂网络同步的进一步发展,对复杂网络的研究重点由单层网络转向更加接近实际网络的多层有向网络.本文分别严格推导出三层、多层的单向耦合星形网络的特征值谱,并分析了耦合强度、节点数、层数对网络同步能力的影响,重点分析了层数和层间中心节点之间的耦合强度对多层单向耦合星形网络同步能力的影响,得出了层数对多层网络同步能力的影响至关重要.当同步域无界时,网络的同步能力与耦合强度、层数有关,同步能力随其增大而增强;当同步域有界时,对于叶子节点向中心节点耦合的多层星形网络,当层内耦合强度较弱时,层内耦合强度的增大会使同步能力增强,而层间叶子节点之间的耦合强度、层数的增大反而会使同步能力减弱;当层间中心节点之间的耦合强度较弱时,层间中心节点之间的耦合强度、层数的增大会使同步能力增强,层内耦合强度、层间叶子节点之间的耦合强度的增大反而会使同步能力减弱.对于中心节点向叶子节点耦合的多层星形网络,层间叶子节点之间的耦合强度、层数的增大会使同步能力增强,层内耦合强度、节点数、层间中心节点之间的耦合强度的增大反而会使同步能力减弱.     

两层星形网络的特征值谱及同步能力

多层网络是当今网络科学研究的一个前沿方向.本文深入研究了两层星形网络的特征值谱及其同步能力的问题.通过严格导出的两层星形网络特征值的解析表达式,分析了网络的同步能力与节点数、层间耦合强度和层内耦合强度的关系.当同步域无界时,网络的同步能力只与叶子节点之间的层间耦合强度和网络的层内耦合强度有关;当叶子节点之间的层间耦合强度比较弱时,同步能力仅依赖于叶子节点之间的层间耦合强度;而当层内耦合强度比较弱时,同步能力依赖于层内耦合强度;当同步域有界时,节点数、层间耦合强度和层内耦合强度对网络的同步能力都有影响.当叶子节点之间的层间耦合强度比较弱时,增大叶子节点之间的层间耦合强度会增强网络的同步能力,而节点数、中心节点之间的层间耦合强度和层内耦合强度的增大反而会减弱网络的同步能力;而当层内耦合强度比较弱时,增大层内耦合强度会增强网络的同步能力,而节点数、层间耦合强度的增大会减弱网络的同步能力.进一步,在层间和层内耦合强度都相同的基础上,讨论了如何改变耦合强度更有利于同步.最后,对两层BA无标度网络进行数值仿真,得到了与两层星形网络非常类似的结论.     

基于耦合强度的双层网络数据传输能力

为了降低网络拥塞,提升网络传输性能,对双层网络之间的耦合机理进行研究,层间关系依据度度相关性分成三种耦合方式:随机耦合、异配耦合、同配耦合.在基于最短路径路由策略和基于度的权重路由策略条件下,分析网络数据包的传输过程,并研究双层网络的耦合方式及其适合的路由策略对网络传输容量的影响.采用双层无标度网络进行仿真实验,分析在路由策略约束下传输容量和耦合方式之间的关系,依据双层网络之间耦合方式的特点,找出适合每一种路由策略的最佳耦合方式以提升网络的传输容量.经过仿真发现,采用最短路径路由策略时,异配耦合方式最佳;采用基于度的静态权重路由策略时,同配耦合方式最佳.路由策略在匹配的耦合方式下使得网络流量分配均匀,有利于网络传输容量的提升.本研究为实际网络设计和传输性能优化提供了理论基础.     

分布式发电系统感性负载的远程混沌同步

对含有大规模感性负载分布式发电系统（DG）的远程同步进行研究.以风力发电机作为DG发电节点,以永磁同步电机作为实际感性负载,建立一个具有网络耦合作用的DG数学模型,分析不同拓扑网络结构（包括星型、多层网络结构型、随机网络结构型、实际电网IEEE39系统）DG系统感性负载的远程同步特性,进行数值仿真.研究表明：感性负载通过发电机组的中继作用可实现远程混沌同步.研究结果对保证分布式发电系统的同步稳定运行具有意义.     

耦合非线性振子系统的同步研究

研究了考虑振子振幅效应的耦合极限环系统的同步.研究表明，耦合极限环系统的序参量随耦合强度的增加呈现非单调变化，并且出现若干不可微的点；平均频率随耦合强度的变化过程表现为同步分岔树结构；在临界点处出现了相速度的滑移、锁定和相速度差的开关阵发现象，开关阵发的平均周期具有很好的标度关系；振子的平均振幅随相同步的进程实际上是由均匀化逐渐分岔而达到非均匀化的过程，振子振幅的变化范围在临界点处突然减小. 关键词： 耦合极限环系统 同步 振幅效应     

面向级联失效的相依网络鲁棒性研究

针对相依网络耦合强度、子网络边以及耦合边对网络鲁棒性影响的问题,基于三种典型网络模型,建立对称相依网络和不对称相依网络模型.针对六种不同的相依网络模型,计算其网络临界成本,比较耦合边权值和子网络边权值对相依网络成本的贡献程度,发现耦合边对网络的贡献更大.采用仿真和理论证明的方法,获得使网络具有最小网络成本时的子网络负载参数α值和耦合强度参数β值,并证明了网络成本变化趋势与该参数对有关.以网络成本作为鲁棒性测度的变量,通过对六种相依网络模型进行级联失效仿真,给出了网络具有最强鲁棒性时参数对的取值,以及网络鲁棒性与耦合强度之间的关系,发现网络鲁棒性并不是随着耦合强度单调地增加或减少.     

基于可调负载重分配的无标度网络连锁效应分析

为了深入研究复杂网络抵制连锁故障的全局鲁棒性,针对现实网络上的负载重分配规则常常是介于全局分配与最近邻分配、均匀分配与非均匀分配的特点,围绕负荷这一影响连锁故障发生和传播最重要的物理量以及节点崩溃后的动力学过程,提出了一种可调负载重分配范围与负载重分配异质性的复杂网络连锁故障模型,并分析了该模型在无标度网络上的连锁故障条件.数值模拟获得了复杂网络抵制连锁故障的鲁棒性与模型中参数的关系.此外,基于网络负载分配规则的分析以及理论解析的推导,验证了数值模拟结论,也证明在最近邻与全局分配两种规则下都存在负载分配均匀性参数等于初始负荷强度参数即β=τ使得网络抵御连锁故障的能力最强.     

基于复杂网络的电网结构健壮性及Braess悖论现象研究

应用复杂网络理论，建立电力系统的改进导纳模型，结合电网拓扑特性和电气特性对电网的级联故障进行研究。通过随机移除传输线引发电网级联故障，研究网络的节点数、平均度、发电站数量以及发电站的分布状况对系统健壮性的影响，并对小世界电网级联故障过程中的布雷斯(Braess)悖论现象进行分析。研究表明：网络的健壮性与其拓扑结构密切相关，平均度较大时，最近邻耦合网络和小世界网络健壮性曲线存在多个分叉点；在小世界结构电网中，一般平均度和节点数越大，发电站的数量越多，电网健壮性越好；发电站分散分布比发电站集中分布的电网健壮性更好。对网络容量增加导致健壮性降低的布雷斯现象进行解释。     

基于子网划分的电网关键节点识别

结合电网拓扑结构和潮流追踪技术,提出一种基于子网划分的电网关键节点识别方法。首先,根据发电机节点的邻域信息和功率将发电机节点划分为不同的子集,然后根据电网的系数分配矩阵将负荷节点划分到为其提供最大功率的发电机节点子集中,完成子网划分。接着采用多属性决策法对每个子网的节点进行排序,进一步改进并计算每个子网的结构系数,作为衡量子网重要性的指标。根据子网重要性,从每个子网中提取特定比例的候选关键节点,对这些候选节点依据多属性决策法重新排序,得到关键节点的最终排序。以IEEE14、IEEE57和IEEE118三种节点系统为例进行分析,得到各个系统的子网划分结果和各个标准网络的重要节点排序结果。采用本文方法、PageRank法和多属性决策法分别进行关键节点排序,并对排序靠前的关键节点进行级联故障性能实验和网络效能实验。实验表明,本文算法选择的关键节点对整个网络的传播性能影响最大,优于其他两种关键节点识别方法。     

Long-range response to transmission line disturbances in DC electricity grids

We consider a DC electricity grid composed of transmission lines connecting power generators and consumers at its nodes. The DC grid is described by nonlinear equations derived from Kirchhoff's law. For an initial distribution of consumed and generated power, and given transmission line conductances, we determine the geographical distribution of voltages at the nodes. Adjusting the generated power for the Joule heating losses, we then calculate the electrical power flow through the transmission lines. Next, we study the response of the grid to an additional transmission line between two sites of the grid and calculate the resulting change in the power flow distribution. This change is found to decay slowly in space, with a power of the distance from the additional line. We find the geographical distribution of the power transmission, when a link is added. With a finite probability the maximal load in the grid becomes larger when a transmission line is added, a phenomenon that is known as Braess’ paradox. We find that this phenomenon is more pronounced in a DC grid described by the nonlinear equations derived from Kirchhoff's law than in a linearised flow model studied previously in Ref. [1]. We observe furthermore that the increase in the load of the transmission lines due to an added line is of the same order of magnitude as Joule heating. Interestingly, for a fixed system size the load of the lines increases with the degree of disorder in the geographical distribution of consumers and producers.     

基于TPG2000的三路输出线理论设计与仿真

基于单台脉冲功率源产生多路电子束驱动多路微波器件的构想,提出了一种三路螺旋线输出方案,三路脉冲是由同一主脉冲产生,具有时间同步精度高的特点。以Tesla型脉冲功率源TPG2000为基础,经过理论计算,给出了三路输出线理论设计结果,对脉冲传输过程进行了建模仿真和结构优化,得到了三路参数相同的脉冲,其中两路脉冲比另一路延迟20 ns。     

Node-wise robustness against fluctuations of power consumption in power grids

We propose a new concept of node-wise robustness of power grids under variation of effective power in one load node using a mathematical model that takes into account the change in voltage and reactive power of load nodes. We employ the topology of the power grid in eastern Japan. We define the robustness as the threshold value of the effective power, above which the steady state loses its stability. We show that the robustness is highly heterogeneous among the load nodes. We find that the shortest path length from generators is most highly correlated with the robustness of the load nodes. We numerically demonstrate that the supply of reactive power enhances the robustness.     

Critical points and transitions in an electric power transmission model for cascading failure blackouts

Cascading failures in large-scale electric power transmission systems are an important cause of blackouts. Analysis of North American blackout data has revealed power law (algebraic) tails in the blackout size probability distribution which suggests a dynamical origin. With this observation as motivation, we examine cascading failure in a simplified transmission system model as load power demand is increased. The model represents generators, loads, the transmission line network, and the operating limits on these components. Two types of critical points are identified and are characterized by transmission line flow limits and generator capability limits, respectively. Results are obtained for tree networks of a regular form and a more realistic 118-node network. It is found that operation near critical points can produce power law tails in the blackout size probability distribution similar to those observed. The complex nature of the solution space due to the interaction of the two critical points is examined.(c) 2002 American Institute of Physics.     

Simulation of synaptic coupling of neuron-like generators via a memristive device

A physical model of synaptically coupled neuron-like generators interacting via a memristive device has been presented. The model simulates the synaptic transmission of pulsed signals between brain neurons. The action on the receiving generator has been performed via a memristive device that demonstrates adaptive behavior. It has been established that the proposed coupling channel provides the forced synchronization with the parameters depending on the memristive device sensitivity. Synchronization modes 1: 1 and 2: 1 have been experimentally observed.