■ 采訪/唐 明（特邀） 受訪/安迪爾森?莫特（Adilson Motter）

網(wǎng)絡科學對于解釋電網(wǎng)大停電機理以及研究相應的預防和控制措施，具有十分重要的意義。

電力行業(yè)是整個國民經(jīng)濟的基礎和命脈，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行與國民生活緊密相關。然而，近30年來，世界各地先后發(fā)生了多起大停電事件。例如，2012年印度遭遇大面積停電，全國近一半地區(qū)的供電出現(xiàn)中斷，導致約6億人口用電困難；2003年美國東北部和加拿大聯(lián)合電網(wǎng)發(fā)生大面積停電困擾，經(jīng)濟損失高達300億美元，影響了5 000萬人的正常生活。這些事故造成了巨大的經(jīng)濟損失，并嚴重影響了社會生產(chǎn)和居民生活。

電網(wǎng)中的級聯(lián)失效

電網(wǎng)是當今世界上最為復雜的人造系統(tǒng)之一。隨著網(wǎng)絡復雜性的不斷增加，網(wǎng)絡的安全性和可靠性都受到嚴峻的考驗。網(wǎng)絡中某個或者某部分節(jié)點發(fā)生故障時，由于網(wǎng)絡內部關聯(lián)關系，導致這種故障在整個網(wǎng)絡中進行傳播，這些故障的傳播有可能導致網(wǎng)絡局部或者完全癱瘓，后果嚴重。同樣的，當電網(wǎng)中斷路器或者是發(fā)電機等出現(xiàn)故障時，將會引發(fā)一些大面積停電事故。

如此復雜多樣的現(xiàn)代網(wǎng)絡系統(tǒng)，是否存在一些普適的結構特征和行為模式？人們能否預測或者掌控網(wǎng)絡中所發(fā)生的急劇變化？網(wǎng)絡科學的誕生，為我們提供了解決這類難題的一種思維范式。網(wǎng)絡科學是一門嶄新的交叉科學，重點研究自然科學、技術以及社會、政治、經(jīng)濟中各種復雜系統(tǒng)微觀態(tài)與宏觀現(xiàn)象之間的聯(lián)系，特別是其網(wǎng)絡結構的形成機理與演化規(guī)律、結構模式與動態(tài)行為、運動規(guī)律與調控策略等。將復雜網(wǎng)絡的研究成果應用于電網(wǎng)復雜性和大停電機理研究是當前電網(wǎng)安全分析的熱點領域。

美國西北大學物理與天文學教授安迪爾森?莫特（Adilson Motter）指出，大規(guī)模停電通常是由級聯(lián)失效引起的。電網(wǎng)中一個局域的失效會引發(fā)另一個失效，進而再引發(fā)其他失效，不斷傳播，最終導致大部分電網(wǎng)的崩潰，這種傳播過程被稱為級聯(lián)失效。盡管這類大規(guī)模的級聯(lián)失效災害發(fā)生的概率不高，但是一旦災害被觸發(fā)，其災難性的破壞力和影響力往往是人們難以承受的。然而，絕大多數(shù)用于再現(xiàn)和研究級聯(lián)失效的數(shù)學模型和計算機模型或者不夠真實，或者無法應用于足夠大的系統(tǒng)?！叭缃?，這一狀況得到了改變?！蹦亟淌谡f，“在最近的一項研究中，我們課題組成功地對涵蓋美國大陸和加拿大南部的超過10萬條電力線的電網(wǎng)中的級聯(lián)失效進行了建模，這一模型允許對這些過程進行精確的定量化描述?！?/p>

防范大停電事件

那么，對于分析停電故障來源以及如何防范大規(guī)模停電（提高網(wǎng)絡的魯棒性），網(wǎng)絡科學的理論可以提供哪些方面的指導與分析？網(wǎng)絡的魯棒性主要是指網(wǎng)絡在遭受災難之后維持網(wǎng)絡功能的能力，通常以網(wǎng)絡在遭受攻擊后的連通性能作為網(wǎng)絡魯棒性優(yōu)劣的評定指標。一般來說，識別易受攻擊的節(jié)點或組件，提前進行保護，可以提高網(wǎng)絡的魯棒性。

莫特教授認為，網(wǎng)絡科學可以自然地描述電網(wǎng)中的過程，因為電網(wǎng)是網(wǎng)絡系統(tǒng)?！霸谖覀冏罱难芯恐?，利用來自網(wǎng)絡科學的工具，我們能夠識別出電網(wǎng)中易受攻擊（即最易發(fā)生失效）的組件，例如電力線。易受攻擊組件是級聯(lián)失效的根源。它們和發(fā)電站相連，發(fā)電站又和電網(wǎng)中其他發(fā)電站相連，在此意義上，易受攻擊組件可看作電網(wǎng)的核心?！蹦亟淌谡f。

優(yōu)化中國電網(wǎng)

進入21世紀以來，中國的電網(wǎng)迅速發(fā)展供電可靠性，不斷提升效率，電網(wǎng)技術也逐漸步入世界先進國家行列。目前，中國的電網(wǎng)規(guī)模和裝機容量居世界第一，且擁有世界最高的交、直流輸送電壓等級，以及世界上輸送容量最大、送電距離最遠的特高壓輸電工程。

世界上發(fā)生過多次大停電事件，但中國幾乎沒有出現(xiàn)過大規(guī)模的停電事件。莫特教授認為，中國的電網(wǎng)具有很高的魯棒性。他指出，中國電網(wǎng)系統(tǒng)的高魯棒性可以歸因于幾個因素：在電力需求高峰時期，住宅和工業(yè)用電之間的良好管理；由于近期的增長和擴張而相對新的和現(xiàn)代化的電網(wǎng)基礎設施；電網(wǎng)相距遙遠的部分之間受限的電力交易。當談到如何進一步優(yōu)化中國電網(wǎng)時，莫特教授說：“我們?yōu)槊绹?南加拿大電網(wǎng)進行的網(wǎng)絡分析和建模同樣可以應用于中國的電網(wǎng)，這一模型能夠識別中國的電網(wǎng)中最易受攻擊的點，這樣只需要使用有限的新資源就可以進一步加強網(wǎng)絡?！?/p>

應用于智能電網(wǎng)

智能化是未來電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。智能電網(wǎng)具有多種屬性，其中一個重要的屬性是它們將具有更高的魯棒性，即發(fā)生更少的失效或更容易從失效中恢復。在推進智能電網(wǎng)的大規(guī)模設計和運營中，網(wǎng)絡科學無疑有巨大的幫助。利用觀測數(shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡，有助于建立應對突發(fā)事件的自反饋分流策略，保護電網(wǎng)的正常運行。

例如，為了引導系統(tǒng)遠離即將發(fā)生的故障，需要實時測量網(wǎng)絡的所有主要組件的狀態(tài)，但這在現(xiàn)實中是難以做到的，并且代價高昂。莫特教授說：“在之前的工作中，我們使用網(wǎng)絡理論工具來優(yōu)化傳感器在電網(wǎng)中的位置，以便以最少的測量次數(shù)來提取必要的信息?！?/p>

網(wǎng)絡科學為電網(wǎng)安全分析研究開辟了一個全新的方向，提供了一種全新的視角，有助于從整體上把握電網(wǎng)的復雜性，對于解釋電網(wǎng)大停電機理以及研究相應的預防和控制措施，具有十分重要的意義。

復雜網(wǎng)絡中的創(chuàng)新未來（科學）論壇

安迪爾森?莫特（Adilson Motter）

美國西北大學物理與天文學教授。美國西北大學物理與天文學教授，將復雜系統(tǒng)與非線性現(xiàn)象的研究用于對電力網(wǎng)絡的分析，是同步電網(wǎng)研究的先行者。2014年被評為全球30位最有潛力的40歲以下拉美裔科學家，并獲得過多項青年科學家獎項。