Heterogeneous Vulnerability of Zero-Carbon Power Grids under Climate-Technological Changes
本研究以纽约州为例建模零碳电网，发现气候与技术变化下电网脆弱性呈时空异质性，需增加61-105%可靠零排放容量，仅扩增风光无效，强调投资决策须考虑时空动态与运行约束。
2024-12-16 cs.SY eess.SY physics.soc-ph
Recent Decade's Power Outage Data Reveals the Increasing Vulnerability of U.S. Power Infrastructure
本研究利用2014-2023年全美超1.79亿条县级停电记录，从强度、频率和持续时间量化电力系统脆弱性，发现其持续增加且与社会脆弱性正相关，为增强基础设施韧性提供实证依据。
2024-08-29 physics.soc-ph
Motif-based analysis of power grid robustness under attacks
网络模体通常被称为网络的构建块。图案的分析被认为是一个不可或缺的工具，了解本地网络结构，在对比度的基础上的措施，主要解决全球网络拓扑结构的节点度分布及其功能。因此，在全局拓扑属性方面相似的网络可能在局部水平上明显不同。在电网的背景下，这种局部结构的影响的现象最近已被记录在脆弱性分析和电力系统分类。与此同时，大多数的电力系统网络的研究仍然倾向于集中在全球的电网拓扑措施，往往未能揭示隐藏在真实的电力系统的脆弱性和故障的动态响应背后的机制。在本文中，一个试点研究基于图案的分析电网的鲁棒性下的各种类型的故意攻击，与当地的动态和脆弱性的电力系统的目标。
2017-07-16 physics.soc-ph stat.AP
Vulnerability and power on networks
受社会政治情景的启发，如少数人对大多数弱相互关联的个人行使控制权，我们提出了定义在网络行为者群体上的脆弱性和权力措施。我们建立了一个意想不到的网络脆弱性和图形正则化之间的连接。我们使用Shapley值的联盟游戏引入新的概念的脆弱性和权力在节点级别定义在组级别的相应措施。我们调查的计算复杂性计算定义的措施，在组和节点的水平，并提供有效的方法来量化它们。最后，我们在人工和真实网络上测试脆弱性和功率。
2014-12-19 cs.SI physics.soc-ph
Hetero-functional Graph Resilience of the Future American Electric Grid
随着气候变化在21世纪站稳脚跟，它推动了美国电功率系统利用可再生能源的脱碳。本文介绍了美国电功率系统的结构弹性分析，逐步纳入建筑的变化，包括网状配电线路，分布式发电和储能解决方案。异功能图分析证实了我们从网络科学的累积度分布和传统的攻击脆弱性措施方面的正式图形的理解。此外，本文还表明，异功能图更精确地描述了与分布式发电和储能相关的功能变化。最后，它表明，增加所有三种类型的缓解措施，提高电网的结构弹性，即使在破坏性攻击的存在。本文的结论是，电网的可持续性和弹性之间没有结构性的权衡。
2020-06-18 physics.soc-ph
Topological Performance Measures as Surrogates for Physical Flow Models for Risk and Vulnerability Analysis for Electric Power Systems
关键的基础设施系统必须既强大又有复原力，以确保社会的运转。为了提高这些系统的性能，我们经常使用风险和漏洞分析来发现和解决系统的弱点。这种分析的一个关键组成部分是准确确定系统中各种故障的负面后果的能力。存在许多数学和模拟模型，可以用于这一目的。然而，有相对较少的研究比较使用不同的建模方法在关键基础设施的全面风险分析的背景下的影响。因此，在本文中，我们建议这些模型的分类，从简单的面向拓扑的模型，先进的物理流为基础的模型。在这里，我们专注于电功率系统，并提出了一项研究，旨在了解在风险分析的背景下使用的模型的简单性和保真度之间的权衡。具体而言，本文的目的是比较性能的措施，实现了一系列的方法通常用于风险和脆弱性分析的电功率系统和评估，如果更简化的拓扑措施可以结合使用统计方法被用作物理流模型的代理。我们的工作结果提供了指导，以适当的模型或模型组合时使用的分析大规模的关键基础设施系统，在使用更先进的模型时，模拟时间很快变得不可逾越，严重限制了可以执行的分析范围。
2013-06-28 physics.soc-ph
Reducing Cascading Failure Risk by Increasing Infrastructure Network Interdependency
电力和通信系统等关键基础设施网络之间的耦合增加，将对这些系统的可靠性和安全性产生重要影响。为了了解电力-通信耦合的影响，一些人研究了相互依赖的网络模型，并报告说，增加耦合会增加系统的脆弱性。然而，这些结果来自具有与在实际电力和通信网络中发现的级联机制有实质性不同的级联机制的模型。本文报告了两组实验，比较网络脆弱性的影响，从简单的拓扑模型和模型，更准确地捕捉电力系统中的级联的动态。首先，我们比较了一个简单的拓扑传染模型的级联在电力系统中的模型，并发现，电网表现出更高的脆弱性，相对于传染模型。其次，我们比较了耦合网络中的拓扑级联模型与耦合到通信网络的三种不同的基于物理的电网模型。同样，更精确的模型得出了非常不同的结论。除了最极端的情况外，基于物理的电网模型表明，电力-通信耦合的增加会降低脆弱性。这与人们从耦合拓扑模型中得出的结论相反，在耦合拓扑模型中，零耦合是最佳的。最后，一个极端的情况下，通信故障立即导致电网故障，表明如果系统设计不良，增加耦合可能是有害的。总之，这些结果表明，在相互依赖的基础设施系统的设计战略，以减少级联的风险。
2015-06-23 cs.SI physics.data-an physics.soc-ph
Hurricane and Storm Surges-Induced Power System Vulnerabilities and their Socioeconomic Impact
本文提出一个概率框架，通过在2000节点合成电网上建模历史飓风和风暴潮，结合社会脆弱性指数评估极端天气引发的停电对社会经济的影响，发现停电叠加效应会放大社区脆弱性。
2023-11-25 cs.SY eess.SY physics.soc-ph
Assessing Climate Vulnerability Risk for Substations in Massachusetts Via Sensitivity Analysis
Eversource Energy（伊弗索能源）
本研究通过整合多源数据与敏感性分析，提出马萨诸塞州变电站气候脆弱性评估框架，发现部分灾害阈值高度敏感，凸显高保真气候预测对韧性投资的重要性。
2025-11-03 cs.SY eess.SY physics.ao-ph
Distributed Monitoring for Prevention of Cascading Failures in Operational Power Grids
电网容易受到连锁故障的影响，这可能导致大面积停电。电网连锁故障的检测和预防具有重要意义。目前，电网运营商主要监控电网中各个组件的状态（负载水平）。具有许多相互依赖性的电网的复杂架构使得难以以及时和有意义的方式聚合由本地组件提供的数据：监测关于运行电网的级联故障的弹性是一个挑战。本文探讨了这一挑战。本文的主要思想是：（i）基于电网拓扑结构和运行状态的鲁棒性度量可以用于量化电网鲁棒性;（ii）新提出的具有自稳定特性的分布式计算方法可以用于实现电网鲁棒性的近实时监测。因此，我们的贡献提供了洞察力的弹性相对于级联故障的动态运行电网在运行时，在一个可扩展的和强大的方式。计算被推到网络中，使结果在每个节点上可用，允许在顶部实现自动化的分布式控制机制。
2015-07-14 physics.soc-ph
Distributed Generation and Resilience in Power Grids
我们研究了分布式发电的分配对电网弹性的影响。我们发现，一个无约束的分配和分布式发电的增长可以驱动电网超出其设计参数。为了克服这样的问题，我们提出了一个拓扑算法，从复杂网络领域的分布式电源分配在现有的电网。
2014-02-05 physics.soc-ph
Vulnerability and co-susceptibility determine the size of network cascades
在网络中，局部扰动可以传播并最终导致系统的相当大一部分失效，这是一种很容易概念化但非常难以预测的级联事件。在这里，我们开发了一个统计框架，可以预测级联大小分布，只结合两个成分：单个组件的脆弱性和组件组的共易感性（即，他们一起失败的倾向）。作为一个代表性的例子，在电网中使用级联，我们表明，组件故障之间的相关性定义结构化的，往往令人惊讶的大群体的共同敏感的组件。除了对停电研究的影响外，这些结果还为理解金融系统、食物网和复杂网络中的级联提供了新的见解和建模框架。
2017-01-26 cond-mat.dis-nn cs.SI physics.soc-ph
Spatial uniformity in power-grid system
鲁棒同步是保证电网稳定运行的必要条件。最近，据报道，大量的分散式发电机，而不是少数大型发电厂，提供增强的同步以及更大的鲁棒性，以防止结构故障。在本文中，我们系统地控制发电机的地理分布的空间均匀性，并得出结论，更均匀的发电机分布，更增强同步发生。在电源出现暂时故障的情况下，我们观察到空间均匀性有助于电网在更短的时间内恢复平稳性。我们还讨论了我们的研究结果在设计电网网络的结构的实际意义。
2017-04-13 physics.soc-ph
The extreme vulnerability of interdependent spatially embedded networks
最近的研究表明，在相互依赖的网络中，一个网络中的一个非常小的故障可能导致灾难性的后果。在相互依赖的节点的临界分数以上，即使是单个节点故障也会引起级联故障，这可能会突然使系统碎片化，而在此“临界依赖性”（CD）以下，几个节点的故障只会对系统造成很小的损害。到目前为止，研究主要集中在没有空间限制的相互依赖随机网络。然而，许多真实系统，如电网和互联网，不是随机的，而是空间嵌入的。在这里，我们分析和数值分析系统的稳定性，由相互依赖的空间嵌入式网络建模为格子网络。令人惊讶的是，我们发现，在晶格系统中，与非嵌入式系统相比，没有CD和\textit{any}小部分的相互依赖的节点导致突然崩溃。我们表明，这种非常弱耦合晶格的极端脆弱性是一个后果的临界指数描述一个单一的晶格的渗流过渡。我们的研究结果是重要的了解的脆弱性和设计强大的相互依赖的空间嵌入式网络。
2012-06-10 cond-mat.stat-mech physics.data-an physics.soc-ph
An improved vulnerability index of complex networks based on fractal dimension
随着人们对网络安全的日益重视，复杂网络的脆弱性问题也越来越受到人们的关注。多尺度脆弱性评价方法由于利用了各环节介数的综合幂，对脆弱性进行了有效的评价，因而得到了广泛的应用。然而，如何确定现有多尺度评估模型中的系数来衡量不同网络的脆弱性仍然是一个悬而未决的问题。本文提出了一种基于复杂网络分形维数的改进模型，以获得更合理、更具有物理意义的脆弱性评估。该方法不仅刻画了网络的结构和基本物理特性，而且考虑了与网络脆弱性相关的网络覆盖能力。数值算例和实际应用表明了该方法的有效性。
2014-06-02 cs.SI physics.soc-ph
Uncovering the inherited vulnerability of electric distribution networks
本文通过重建并分析中压配电网络的历史模型，考察节点与边移除下的拓扑效率及中心性分布，揭示其脆弱性主要继承自受地理空间约束的结构而非网络演化。
2024-09-10 cs.SY eess.SY physics.soc-ph
Degree-correlation, robustness, and vulnerability in finite scale-free networks
许多自然发生的网络具有幂律度分布以及非零度相关性。尽管如此，大多数研究分析的鲁棒性随机节点删除和脆弱性有针对性的节点删除只集中在幂律度分布，忽略了度的相关性。这项研究特别关注度相关性对无标度网络的鲁棒性和脆弱性的影响。我们的研究结果证实了纽曼的发现，正度相关性增加了鲁棒性，降低了脆弱性。然而，我们发现具有正度相关性的网络更容易受到随机节点删除的影响，而不是只利用初始节点度知识的有针对性的删除方法。有针对性的删除足以改变网络的拓扑结构，使这种方法不如均匀随机方法有效，除非考虑拓扑结构的变化。这一结果表明了度相关性在某些网络应用中的重要性。
2017-02-15 cs.SI math.CO physics.soc-ph
Modeling power grids
我们提出了一种方法来构建随机模型的电网，紧密匹配的实际电网的统计特性。模型网格比真实网格更难划分。
2012-04-11 cond-mat.stat-mech physics.soc-ph
Small vulnerable sets determine large network cascades in power grids
复杂系统连锁故障的理解一直受到阻碍，缺乏现实的大规模建模和分析，可以解释可变的系统条件。在这里，使用北美电网，我们确定，量化和分析的网络组件，容易受到级联故障在任何多种条件下。我们表明，脆弱的一组由一个小的，但拓扑中心的网络部分，大级联不成比例地更有可能被触发的初始故障接近这一集。这些结果阐明了与电网设计和运行相关的级联故障的起源和原因，并展示了适用于更广泛的级联网络的脆弱性分析方法。
2018-04-17 cond-mat.dis-nn cs.SI nlin.AO
Susceptibility of power grids to input fluctuations
随着可再生能源在能源结构中的不断增加，其间歇性特征对电网稳定性提出了挑战。因此，必须确定电网特别容易受到哪些输入波动的影响。专注于角稳定性的传输网格，我们提出了一个线性响应的方法，产生一个网格的敏感性的时间输入波动的频率分辨的措施。这种方法可以应用于任意的传输网络拓扑结构以及振荡器网络描述的其他设置。
2018-01-12 nlin.AO physics.soc-ph
A network approach for power grid robustness against cascading failures
连锁故障是造成电网大停电的主要原因之一。稳定的供电要求电网拓扑结构的鲁棒性设计。目前，电网结构对电网鲁棒性的影响主要是通过纯粹的拓扑度量来评估的，这无法捕捉电力网络的基本属性，例如根据基尔霍夫定律的潮流分配。本文部署的有效图电阻作为一个度量相关的拓扑结构的网格，其鲁棒性对级联故障。具体而言，有效图电阻被部署为现有电网的网络扩展（通过增加传输线）的度量。基于网络特性的四种策略，研究了优化有效图电阻，从而提高鲁棒性，在一个给定的电网在低计算复杂度。实验结果表明，在电网中存在Braess悖论：在系统中引入额外的线路偶尔会导致电网的鲁棒性下降。本文进一步研究了拓扑结构对Braess悖论的影响，并确定了导致Braess悖论的具体子结构。仔细评估电网拓扑结构的设计和扩展选择，结合本文提供的见解优化了电网的鲁棒性，同时避免了系统中的Braess悖论。
2015-05-23 cs.SI physics.soc-ph
Attack vulnerability of power systems under an equal load redistribution model
TUBITAK Software Technologies Research Institute（土耳其国家技术科学研究基金会软件技术研究所以）；Computer Science Department, Stanford University（斯坦福大学计算机科学系）；Department of Electrical and Computer Engineering, Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学电气与计算机工程系）
本文研究了对抗攻击对流网络的脆弱性，通过等负荷再分配模型确定最佳攻击线路以最小化稳态存活线路数，揭示系统最脆弱线路及最坏情况下的攻击脆弱性。
2018-04-04 cs.SY eess.SY physics.soc-ph
Complex networks vulnerability to module-based attacks
在多学科领域的网络科学，优化的过程，有效地打破复杂的网络是吸引了很多注意力，从实践的角度来看。在这篇文章中，我们提出了一种基于模块的方法来有效地打破复杂的网络。该过程首先确定网络可以表示的社区，然后删除节点（边），连接不同的模块，其顺序在介数中心性排名列表。我们通过将其应用于社会，基础设施和生物网络的各种众所周知的例子来说明该方法。我们表明，所提出的方法总是优于顶点（边）攻击的基础上排名的节点（边）度或中心性，与一个巨大的收益的效率为一些例子。值得注意的是，对于美国电网，本方法将4941个节点的原始网络分解为许多小于197个节点（原始大小的4%）的片段，仅删除164个节点（约3%）。相比之下，任何基于度或中心性的过程，删除相同数量的节点，仅删除原始网络的22%，即超过3800个节点继续连接
2015-02-02 cond-mat.stat-mech cs.SI physics.soc-ph
Epidemic and Cascading Survivability of Complex Networks
我们的社会如今是由复杂的网络，例子是电网，电信网络，生物网络，和社交网络。理解和描述这些复杂网络中可能发生的动态事件（如故障）已变得至关重要。为此，在本文中，我们提出了两种措施来评估复杂网络的脆弱性在两个不同的动态多故障场景：类连锁故障和级联故障。首先，我们提出了\emph{epidemic survivability}（$ES$），一个新的网络度量，描述了一个特定的流行病强度下的网络的每个节点的脆弱性。其次，我们提出了\emph{cascading survivability}（$CS$），它的特点是如何潜在的伤害一个节点是根据级联故障的情况。然后，我们表明，通过使用从$ES$和$CS$得到的值的分布，它是可以描述一个给定的网络的脆弱性。我们考虑了一组17个不同的复杂网络来说明我们的建议的适用性。最后，研究结果表明，不同类型的复杂网络可能会在相同的多重故障情况下做出不同的反应。
2014-05-02 cs.SI physics.soc-ph
Data-driven model of the power-grid frequency dynamics
能源系统正在迅速变化，以适应越来越多的可再生发电机和向更可持续的未来的普遍过渡。与此同时，商业模式和市场设计也在发展，影响着电网的运行和电网频率。这种持续的转变所提出的问题越来越多地通过跨学科的研究方法来解决，从纯粹的数学建模到应用案例研究。这些方法需要对消费者行为、可再生能源波动、市场规则以及它们如何影响电网频率稳定性进行随机描述。在这里，我们介绍了一个易于使用的，数据驱动的，随机模型的电网频率和演示它如何再现欧洲大陆和英国电网的观测统计数据的关键特征。我们提供可执行代码和指南，指导如何在任何电网上使用模型进行各种数学或工程应用。
2019-10-02 nlin.AO physics.soc-ph
Propagation of wind-power-induced fluctuations in power grids
可再生发电机扰动电功率电网具有严重的非高斯和时间相关的波动。虽然在时间尺度上的分钟和小时的发电量的变化补偿频率控制措施，我们报告的次秒级配电网频率测量与当地的非高斯波动，这取决于风力发电的大小在电网中。出于这样的实验研究结果，我们模拟亚秒电网频率动态扰动的电网，建模的相位耦合非线性振荡器的网络，与合成生成的风力发电馈入时间序列。我们推导出一个线性响应理论，并获得分析结果的方差的频率增量分布。我们发现，短期波动的方差衰减，大惯性，指数与距离馈入节点，在协议的数值结果都为一个线性链的节点和德国的输电网拓扑结构。与此形成鲜明对比的是，频率增量的峰度在两个系统中仅缓慢地衰减，而不是指数衰减，这表明频率波动的非高斯形状在长范围内持续存在。
2019-05-10 physics.data-an physics.soc-ph
Characterizing the Role of Power Grids in Internet Resilience
本文分析全球电网与互联网基础设施的空间重叠，量化电网故障对互联网可用性及云可用区隔离性的影响，并开发NetWattZap提供感知电网依赖的部署建议。
2023-08-16 cs.NI physics.soc-ph
Analysis of a power grid using the Kuramoto-like model
我们表明，仓本范式和另一个系统的同步振荡器，即发电机和消费者的配电网之间存在联系。这项工作的目的是显示形式的类比和一些实际的后果。映射可以量化，在一些必要的近似下，一类Kuramoto模型，那些双峰分布的频率，是最适合的电网。事实上，在电网中有两种振荡器：“源”向“消费者”提供电力。
2008-02-16 nlin.CD physics.soc-ph
A Topological Investigation of Phase Transitions of Cascading Failures in Power Grids
连锁故障是造成电功率输电网大停电的主要原因之一。这种失败的经济成本每年约为数百亿美元。电力系统的负荷水平是决定连锁故障造成的损失大小的一个关键因素。已有的研究表明，随着负荷水平的增加，黑障的大小呈现出相变。本文研究了电网拓扑结构对电网鲁棒性中相变的影响。考虑了三种谱图度量：谱半径、有效图电阻和代数连通度。IEEE电力系统上的电网级联故障模型的实验结果表明，这些指标的适用性，以设计/优化的电网拓扑结构的增强系统的相变行为。
2014-07-18 cond-mat.dis-nn physics.soc-ph
How modular structure determines operational resilience of power grids
同步稳定性是电网的重要动态特性之一。在这项研究中，我们带来的操作角度的同步稳定性分析，不仅计数，而且部分节点之间的同步。为此，我们引入了两个不同的措施，估计电网节点的运营弹性：功能稳定性和功能电阻。我们证明了模型网络图案和IEEE测试电网的措施的实际适用性。作为一个案例研究的德国电网，我们揭示了电网的模块化结构和特定的单向电流流动决定了电网节点的运行弹性的分布。复制我们的发现集群基准网络，我们验证了模块化的影响，对电网的稳定性，并确认我们的措施可以有见地的工具，以了解电网的同步动态。
2021-04-26 cs.SY eess.SY physics.soc-ph
The Impact of the Topology on Cascading Failures in Electric Power Grids
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）；TNO (Netherlands Organisation for Applied Scientific Research)（荷兰应用科学研究组织）
本文研究电网拓扑对级联故障鲁棒性的影响，提出有效图电阻指标，结合电力流特性优化电网拓扑以提高鲁棒性。
2013-11-29 cs.SY eess.SY physics.soc-ph
Power-grid stability predictions using transferable machine learning
Asia Pacific Center for Theoretical Physics（亚太理论物理中心）；Sungkyunkwan University（成均馆大学）；Hanyang University（汉阳大学）；Korea Institute of Energy Technology（韩国能源技术大学）；Universidad del Desarrollo（发展大学）
复杂网络分析为借助数值模型提高电网稳定性提供了线索。然而，数值模拟的高计算成本，抑制了这种方法，特别是当它处理电网的动态特性，如频率同步。在这项研究中，我们研究了机器学习技术来估计电网同步的稳定性。我们测试了三种不同的机器学习算法-随机森林，支持向量机和人工神经网络-分别用两种不同类型的合成电网（由均匀和异质输入功率分布组成）训练它们。我们发现，这三个机器学习模型更好地预测电网节点的同步稳定性时，他们训练的异质输入功率分布比均匀的。通过英国、西班牙、法国和德国的真实电网，我们还证明了在合成电网上训练的机器学习算法可以转移到真实电网的稳定性预测中，这意味着机器学习技术在电网研究中的潜在适用性。
2021-12-07 cs.LG cs.SY eess.SY
Reinforcement Learning Optimizes Power Dispatch in Decentralized Power Grid
本文提出图卷积近端策略优化（GC-PPO）方法解决电网频率控制问题，通过最优决定各节点电力调度以减少频率波动，并在英国电网验证了其优于经典方法的卓越性能。
2024-07-21 cs.SY eess.SY nlin.AO
The stochastic nature of power-grid frequency in South Africa
在这项工作中，我们探讨了两种机制，解释非高斯行为的电网频率记录在南非电网。我们利用一个福克-普朗克的方法，电网频率，产生一个共同的模型参数，如惯性，阻尼和噪声幅度和非参数估计直接从电网频率记录相同之间的直接关系。我们提出了两种解释，在南非的非高斯尖峰分布：第一个基于乘性噪声的电网频率记录，我们观察到在南非;第二个基于众所周知的计划和计划外的甩负荷和滚动停电困扰南非。对于第一个，我们推导出一个解析表达式的乘性噪声的影响，允许估计的所有统计矩-并讨论与数据比较的缺点;对于第二个，我们采用了一个简单的数值分析与南非的模块化电网。这两个选项都有助于了解南非电网频率的统计数据，特别是重尾的存在。
2022-11-10 cs.SY eess.SY physics.data-an
