关于现代系统理论对大型交流同步电网安全性的分析

　　十几年来，中外学者用现代系统理论从电力系统总体动态特征来研究大型交流同步电网故障连锁反应大停电事故已有了很多进展和成果，揭示出的大型交流同步电网固有本质特征是很值得我们在中国未来电网架构战略研究时参考的。

　　1　　传统还原理论和现代系统理论区别

　　传统还原理论是将复杂系统看为是基本元件的集合体，系统的动态行为是建立在确定的基本元件特性基础上，由基本元件数模组合起来，用计算机仿真技术研究系统的局部、微观动态行为，实践证明是有效的。但通过求和来研究系统的整体特性如连锁反应特性就不准确甚至得出错误结论。

　　现代系统理论是通过揭示复杂系统整体特性去研究系统的整体动态行为，清晰的解释了传统还原理论无法说明的复杂系统整体动态行为的机理。实践证实了现代系统理论揭示出复杂系统整体动态行为规律的正确性。

　　现代系统理论出现并不简单意味传统理论失效，二者只是应用范围区别，上述二种理论如能充分、有机的结合，才能真正认识复杂系统整体和局部、宏观和微观的动态行为机理和规律，从而才可能达到对复杂系统真正优化的目的。

　　2　　复杂系统的整体特性和规律

　　现代系统理论指出了复杂系统的复杂性主要表现为系统组成成分的多要素性、结构的多层次性、状态变量的多维性、演化发展的多方向性、有序进化的多规律性等。揭示了复杂系统的自组织临界性SOC（Self-Organized Criticality），小世界（Small world）和无标度（Scale Free）等网络整体特性。

　　复杂系统的小世界特性。系指系统规模很大，但任意二个节点间有一条相当短的路径，任-节点问题不仅影响相邻点，而且影响非相邻点，从而具有连锁反应特征。
 

　　复杂系统自组织临界特性。系指系统因内部组织间相互作用而处于临界状态时，所有内部单元组织间的行为都相互关联，临界状态是系统突变的特征 。

　　复杂系统固有的小世界和自组织临界特性揭示了系统中单个故障扩散而形成连锁反应的机理，自组织临界性是系统连锁性反应的内在驱动力。　 

　　复杂系统节点的度分布幂律特性-复杂系统中非常重要的动态行为规律

　log P(k) = log a - γ log k

k__度， 与某节点连接的其他节点的数目
γ__幂指数，γ和a　　为大于零的常数，γ一般在0.5--5 ，系统重要特征参数

无标度系统。复杂系统服从幂律分布的特性即为无标度特性，这种系统也称为无标度系统，意指系统节点度数和幂指数变化范围大，缺乏一个优选的系统规模。无标度系统有如下特性：

1）　具有"核心节点"或"集散节点"。复杂系统中有大量节点，但有大量连接的节点即"核心节点"只是少数。只要有5%-10%"核心节点"失 效，系统将瓦解。

2）　同时具有"坚强性"和"脆弱性"。即对于已考虑到的不确定因素或对一般节点的攻击扰动，系统很 "坚强"；但对于未考虑到的不确定因素或对"核心节点"的攻击扰动，系统很"脆弱"。

　　高度优化容限HOT系铳（Highly Optimized Tolerance）。即 通过自然演化或人为优化设计的复杂系统，具有高度优化的结构。HOT系统具有以下特性：

　　1）　满足幂律分布规律。

　　2）"鲁棒"性原则导致系统具有"鲁棒，但易破坏"的性能。即对于考虑到的不确定性环境是非常坚强的，当未考虑到的不确定因素攻击扰动时，系统十分脆弱，微不足道的初始事件可引发巨大的连锁性的系统状态变化甚至瓦解。

3　　现代系统理论在大型交流同步电网（简称现代电网）中的应用
1） 现代电网是典型的复杂系统、无标度系统、HOT系统，并具有上述系统的全部特性和规律。
2）　现代电网连锁反应大停电事故具有必然性。

现代电网固有的小世界和自组织临界特性，揭示了现代大电网中单个故障扩散而形成连锁反应大停电事故的机理；揭示了连锁反应大停电形成过程是电网中各元件相互作用的非线性过程，当电网处于临界状态时，外部细微扰动将导致大停电事故发生；揭示了现代电网连锁反应停电事故是固有的、必然的，只是发生概率和停电损失大小问题等等。

4） 现代电网是典型HOT系统，"鲁棒"但又易破坏。HOT系统所揭示的规律就是大型交流同步网形成、发展全过程中坚强性与安全性的相互关系，即"鲁棒性造就复杂性，复杂性造就脆弱性，脆弱性威胁了安全性"，

5）　现代电网具有无标度系统的特性。

"核心节点"出现故障或受到攻击扰动时，将会严重影响电力系统功能的实现甚至自身的生存。三华交流同步网将输电网与受端网合一，使受端网处于易于受攻击的环境中，电网的生存受到威胁。

在现代电网的复杂程度情况下，只能考虑N-1和部分N-2的故障而采取措施，N-n大部分组合故障是不可能考虑到的，因此世界上所有现代电网只能是既"坚强"又"脆弱"，只有"坚强"而不"脆弱"的电网是不存在的。

总之，现代电网"鲁棒"但又易于破坏，现代电网连锁反应大停电事故具有必然性，规模和概率服从于幂律分布等等。电网覆盖越广、事故波及范围越广，电网规模越大、停电损失也越大，电网结构越复杂、保护控制越复杂，电网越"坚强"也越易于"破坏"，电网大停电规模、概率越高。因此，为提高电网安全稳定、减小连锁反应大停电风险，合理限制电网规模和复杂程度是非常重要、简单而有效的办法。