Curing critical links in oscillator networks as power grid models
现代社会主要依赖于强大的电力供应。因此，电网停电可能产生深远的影响。在停电期间，单个基础设施（例如关键输电线路）的故障通常会导致随后的多个故障，并蔓延到网络的大部分区域。因此，防止这种大规模停电是确保可靠电力供应的关键。在这里，我们提出了一个非局部治疗策略的振荡电网网络的基础上，全球集体重新分配的负载。我们首先确定关键环节，并计算剩余的网络上的替代路径从原始流量的剩余容量。对于每一个关键环节，我们升级线路，构成瓶颈，这样的路径。我们证明了这种策略的可行性随机合奏的网络拓扑结构，以及来自真正的传输网络的拓扑结构和比较非本地的战略对本地备份的关键环节。这些策略是独立的详细的电网动态和相结合，可以作为一个有效的指导方针，以减少停电在电网网络故意加强最佳选择的链接。
2015-12-02 nlin.AO physics.soc-ph
Transition of University to Prosumer Consortium Energy Model
传统的电网系统有许多关键问题，这可能导致电力不稳定，停电和许多其他问题。一个主要观点是消耗适应系统中分布式可再生能源的相对数量。小社区的Prosumer Consortium模式可以作为降低电价、提高效率和为大学提供更好的电子化的解决方案之一，并可以解决发展中国家大学经常停电的问题。它可以为研究人员提供学习机会，也可以为大学网格内的消费者提供补充利益。
2020-02-02 eess.SP physics.soc-ph
Cascading Power Outages Propagate Locally in an Influence Graph that is not the Actual Grid Topology
University of Vermont（佛蒙特大学）；Iowa State University（爱荷华州立大学）
本文提出一种方法，通过级联故障模拟数据构建影响力图模型，用于分析停电传播路径，并推导出减少大范围停电风险的方程。
2016-06-06 cs.SY eess.SY physics.soc-ph
Complex Network Analysis of Brazilian Power Grid
近几十年来，电网和其他传输网络已经引起了网络文献的一些关注。尽管电网动态由计算机系统和人类操作员控制，但这种类型的网络的静态特性可以进行研究和分析。在这项工作中，巴西电网（BPG）的拓扑结构进行了研究。我们从ONS（国家电力系统运营商）获得了BPG的空间结构，包括高压输电线路，发电站和变电站。忽略了当地低压变电站和当地电力输送以及网络的动态特性。通过对BPG复杂网络的分析，确定了BPG复杂网络的主要拓扑信息，如平均度、度分布、网络规模和聚类系数等，从而对BPG复杂网络进行了描述。我们还检测了网络上的关键位置，因此，更容易导致级联故障甚至停电的点。令人惊讶的是，由于网络的拓扑结构和物理结构的特点，我们表明，BPG是弹性的随机故障，因为随机删除的链接不会影响显着的最大集群的大小。我们观察到，当一小部分的链接被随机删除，网络可能会分解成更小的和断开的部分，然而，电网最大的组件保持连接。我们相信，即使是静态的网络拓扑结构的研究可以帮助确定的关键情况，也可以防止故障和可能的停电的网络。
2016-08-26 physics.soc-ph
The European Electricity Grid System and Winter Peak Load Stress: For how long can the european grid system survive the ever increasing demand during cold winter days?
至少在过去30年里，西欧的富裕国家及其公民从一个非常稳定的电网中受益。这种稳定性是由欧洲电网系统和一个灵活可靠的大型备用发电厂容量实现的。在过去的10-20年里，这一系统允许需求持续增长，每年高达百分之几。然而，部分由于这种产能过剩，在过去10-15年中没有新的大型发电厂建成。明显的后果是，可靠的备用容量已经减少，并且只有在不久之后建造新的发电厂，才能实现每年1-2%的电能需求增长。UCTE提供的来自欧洲各国的数据表明，在峰值负荷期间，特别是在特别寒冷的冬季，系统应力比通常假设的要大得多。事实上，UCTE关于可靠电力容量的最新数据表明，在2007/8年冬季，西欧只有几个非常寒冷的冬日可能会在法国和邻国的傍晚高峰负荷时间导致非常令人不快的供应问题。对建设和运营新发电厂的潜力进行的分析表明，似乎不存在允许消费量进一步持续增长1-2%的短期解决方案。因此，如果欧洲各国政府不采取任何行动来认真减少电力需求，停电的风险将在不久的将来急剧增加。建议采取一些简单的短期政治行动，而不是简单地等待停电灾难的发生。
2008-03-31 physics.ed-ph physics.soc-ph
Power grids vulnerability: a complex network approach
电网对停电的反应模式与复杂网络相似。停电序列遵循幂律，因为复杂系统在临界点附近运行。本文在复杂网络理论框架下分析了电功率电网对意外停电和恶意停电的容忍度。特别地，通过引入节点之间的距离的新概念来修改称为效率的量。在此基础上，提出了一种新的评价电网性能的参数--净容量。效率和净能力之间的比较提供了估计样本网络的脆弱性，在这两个指标。
2009-01-22 physics.soc-ph
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
Robustness of the European power grids under intentional attack
电网定义了我们这个时代最重要的技术网络之一，并维持着我们复杂的社会。它已经发展了一个多世纪，成为一个非常巨大的，似乎强大的和良好的理解系统。但是，当意外的、通常是最小的故障变成未知的动力学行为时，它也变得极其脆弱，例如，导致突然和大规模停电。在这里，我们探讨了欧洲电网的脆弱性下的选择性节点删除的影响。针对攻击的脆弱性的平均场分析与观察到的模式。网络渗透（和分裂）攻击下的理论条件的偏差进行了分析，并与非拓扑可靠性措施。
2007-11-23 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
The Risk of Cascading Failures in Electrical Grids Triggered by Extreme Weather Events
与气候变化有关的严重威胁之一是极端天气事件的数量和严重程度增加。一个突出的例子是飓风，它是由沿海温度上升造成的。这种极端天气事件可能对基础设施系统造成广泛的破坏，并可能破坏电力传输网络中的组件，这反过来又可能导致大停电。在我们最近的工作中，我们使用历史风场数据集研究了美国东海岸电力系统中飓风引起的级联故障的风险。为了这个目的，我们模拟飓风期间架空输电线路的破坏，其中每条故障线路会导致系统中的电力流重新路由。新的电力流可能会使额外的线路过载，这些线路随后会自动停用，从而导致电力流的另一次改道，等等。最终，一连串的故障可能会发生，从而导致电力系统的大部分停电。
2021-07-01 cs.SY eess.SY nlin.AO
Quantifying Tipping Risks in Power Grids and beyond
Westphalian Wilhelms-University Münster（明斯特西法利亚威廉大学）
本文提出了一种贝叶斯兰格-恩方法，用于量化电力网络及其他系统中的临界风险，通过分析历史黑障事件的时间序列，揭示了系统韧性与噪声影响的复杂相互作用。
2023-11-10 nlin.AO physics.app-ph physics.comp-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
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
Finite-time Correlations Boost Large Voltage-Angle Fluctuations in Electric Power Grids
在能源部门脱碳的同时，新的可再生能源在电功率系统中的渗透也在增加。这种能源与传统生产的不同之处在于，首先，它们会引起发电量的更大的、不可调度的波动，其次，它们缺乏惯性。因此，用新的可再生能源替代传统发电会引起更强和更频繁的干扰，并改变干扰在AC电功率电网上传播的方式。最近的测量确实报告了长，非高斯分布的本地电网频率数据的尾巴。大的频率偏差可能导致电网不稳定，在最坏的情况下导致连锁故障和大规模停电。在这篇手稿中，我们调查相关的噪声干扰，其特征在于其分布的累积量，通过网状，高压电网传播。我们发现，对于一个单一的波动源，非高斯的形式的有限偏度和正峰度的噪声分布传播在整个网络的噪声相关时间大于网络的内在时间尺度时，但它们消失在短距离内，如果噪声波动迅速。我们还表明，贝里-埃辛定理导致消失的非高斯性的不相关的噪声源的数量增加。我们的研究结果表明，非高斯波动的馈入功率的持久性有一个全球性的影响电网动态时，他们波动的时间尺度大于系统的固有时间尺度，我们认为，这是在真实的电网相关制度。我们的预测证实了现实的电网模型的数值模拟。
2022-03-01 cond-mat.dis-nn cs.SY eess.SY
Context-Independent Centrality Measures Underestimate the Vulnerability of Power Grids
电网的脆弱性是一个关键的社会问题。一个组件故障可能会触发整个电网的故障级联，并导致大停电。复杂网络方法为研究电网面临的一些问题指明了方向。在复杂网络分析中，电网的结构脆弱性主要使用纯粹的拓扑方法进行研究，该方法假设电力流动由最短路径决定。然而，这并不能捕捉到电网的真实流动特性。我们已经提出了一个流量再分配机制，密切模仿使用PTDF在电网中的流量。该机制增强了现有的连锁故障模型，研究电网的脆弱性。我们将该模型应用于欧洲高压电网进行了比较研究的一些中心性措施。“中心性”表明网络组成部分的关键性。我们的模型提供了一种方法来找到这些中心的措施，给出了最好的指示节点的脆弱性，在电网的背景下，不仅考虑网络拓扑结构，但也通过网络的功率流动。此外，我们使用该模型来确定所需的备用容量，使电网强大的有针对性的攻击。我们还显示了一个简短的比较与其他电网系统的最终结果概括的结果。
2013-04-19 cs.SI nlin.AO physics.soc-ph
How weaponizing disinformation can bring down a city's power grid
社会技术使得传播虚假信息和以前所未有的规模操纵大众成为可能。从安全的角度来看，这尤其令人担忧，因为在保护关键基础设施，特别是电网时，人类已被证明是最薄弱的环节。在这里，我们考虑一种攻击，其中对手试图通过发送虚假的折扣通知来操纵能源消费者的行为，鼓励他们将消费转移到需求高峰期。我们进行调查，以评估人们对此类通知的跟进倾向，并将其转发给他们的朋友。这使我们能够模拟虚假信息如何通过社交网络传播。最后，使用大伦敦作为案例研究，我们表明，虚假信息确实可以用来精心策划的攻击，其中不知情的消费者同步他们的能源使用模式，导致停电的城市规模。这些发现表明，在一个虚假信息可以被武器化的时代，系统漏洞不仅来自关键基础设施的硬件和软件，还来自消费者的行为。
2019-08-01 cs.SI physics.soc-ph
Studying power-grid synchronization with incremental refinement of model heterogeneity
针对电网停电事件幂律分布的解释局限，研究通过增量细化模型异质性开展电网同步研究，指出传统直流模型虽能拟合幂律指数，但无法解释交流电网中相位差主导功率流的相关细节。
2024-11-19 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech nlin.AO
Load Dependence of Power Outage Statistics
停电的大小分布取决于应力，或接近电网的负载，以完成故障。使用2002-2017年美国的数据，我们发现停机统计数据取决于一天中不同时间和一年中不同月份的使用水平。在更高的负载下，不仅可能出现更多的故障，而且故障大小的分布也会发生变化，从而有利于更大的事件。在更精细的空间尺度上，美国境内的不同地区可以显示出在中断统计方面对使用（负载）变化的不同响应。相应地，响应对应于这些区域中对较大或较小故障的相应偏差。我们提供了一个简单的模型，使用现实的网格拓扑结构，它仍然可以证明偏见作为一个功能的应用负载，在数据中。在小规模事故数据充足的情况下，该方法可用于在大停电前识别电网中的脆弱区域。
2018-05-20 physics.soc-ph
Multistability in lossy power grids and oscillator networks
电功率电网的稳定运行依赖于所有发电机和机器的精确同步状态。所有机器都以完全相同的频率旋转，具有固定的相位差，从而在整个电网中产生稳定的功率流。对于一个给定的网络，是否存在这样一个稳定的状态是非常重要的。稳态的丧失通常会导致停电直至完全停电。但是，多个稳态的存在也是不可取的，因为它可能导致突然的转变，循环流动，并最终导致停电。稳态通常是数值计算的，但这种方法只能有限地了解稳态的存在性和（非）唯一性。分析结果仅适用于特殊的网络配置，特别是具有可忽略的欧姆损耗的网格或没有任何环路的径向网络。在这篇文章中，我们介绍了一种方法来系统地构建的解决方案的实际功率的负载流方程的欧姆损失的存在。我们计算的基本网络表现出不同的机制，导致多稳态的稳定状态明确。我们的结果也适用于耦合振子模型，广泛应用于理论物理和数学生物学。
2020-01-08 nlin.AO physics.soc-ph
Controlled Tripping of Overheated Lines Mitigates Power Outages
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
本文通过改进准静态级联模型，研究波兰输电网中过热线路跳闸顺序对停电规模的影响，发现控制跳闸可显著减轻极端紧急情况下的损害。
2011-10-05 cs.SY eess.SY math.OC
The effect of HVDC lines in power-grids via Kuramoto modelling
Institute of Technical Physics and Materials Science, HUN-REN Centre for Energy Research（匈牙利科学院能源研究中心技术物理与材料科学研究所）；Department of Theoretical Physics, Institute of Physics, Budapest University of Technology and Economics（布达佩斯科技大学物理学院理论物理系）
本文通过求解适应性二阶Kuramoto模型研究高压直流线路对电力网络同步和级联故障行为的影响，发现二阶Kuramoto模型在谱维度ds<4的图上表现出有限尺寸标度行为，影响相位同步稳定性及级联规模，但也会导致频率分散和布雷瑟效应。
2025-12-30 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.soc-ph
Improving power-grid systems via topological changes, or how self-organized criticality can help stability
本研究针对电网级联失效问题，通过识别欧洲电网的桥和弱节点，比较旁路、桥添加等拓扑变化对同步和级联规模的影响，发现布雷斯悖论在同步转变区域附近有效，并验证了级联规模的幂律分布。
2023-11-03 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech nlin.AO
Microscopic fluctuations in power-grid frequency recordings at the sub-second scale
复杂系统，如电网，对我们的日常生活至关重要。许多复杂系统表现出（多重）分形行为、相关涨落和幂律。作为反映电网供需平衡的指标，电网频率是否也显示出这种复杂性，仍然是一个悬而未决的问题。在本文中，我们利用高分辨率的测量来量化电网频率的属性。我们发现，低于1秒，动力学可能会发生根本性的变化，包括突然增加的功率谱密度，多重分形的出现和相关行为的变化。我们提供了一个简化的随机模型，涉及正相关的噪声再现所观察到的动态，可能与频率相关的负载。最后，我们强调了高质量测量的必要性，并讨论了我们如何获得这里分析的数据。
2022-07-07 cs.SY eess.SY physics.data-an
An Open-source Model for Simulation and Corrective Measure Assessment of the 2021 Texas Power Outage
2021年2月，史无前例的冬季风暴袭击了德克萨斯州，由于大范围的发电能力中断和创纪录的电力需求，造成至少69人死亡和450万客户中断。虽然仍有许多关于德克萨斯州发生如此大范围停电的原因、方式和原因的调查，但更广泛的宏观能源界必须根据连贯的电网模型和数据集制定政策。在本文中，我们合作发布了一个开源的可扩展模型，该模型是合成的，但仍然提供了实际能源网格的现实表示，并伴有开源的跨域数据集。这个简化的合成模型是根据我们所知的最佳数据资源进行校准的。基于这种开源合成网格模型，研究人员可以定量评估各种政策对减轻此类极端事件影响的影响。作为一个例子，在本文中，我们批判性地评估了几个纠正措施，可以减轻停电在这种极端天气条件下。揭示了切负荷的地区差异。该分析还量化了几种纠正措施的敏感性，以减轻停电的严重程度，在能源不服务（ENS）。这一办法和方法可推广到经历重大能源组合转型的其他区域。
2021-07-16 physics.soc-ph
Power Grid Network Evolutions for Local Energy Trading
向由产消者（能源消费者和生产者）主导的能源电网的转变将不可避免地对配电基础设施产生影响。今天，它是一个分层的，旨在将能源从大型设施输送到最终用户。明天，它将成为中低压水平的毛细基础设施，将支持产消者之间的本地能源交易。在我们之前的工作中，我们分析了荷兰电网，并初步分析了拓扑特性对分散式能源交易的经济影响。在本文中，我们进一步研究了不同的网络拓扑和增长模型如何促进去中心化市场的出现。特别是，我们展示了如何连接起着重要的作用，在提高性能的可靠性和路径成本降低。从经济的角度来看，我们估计拓扑演变如何促进当地的电力分配，考虑到增加网络连通性所需的主要成本因素，即，电缆的价格。
2012-02-07 cs.CE cs.SI physics.soc-ph
