Identification of Expanded Key Links for Cascading Failures Based on Structural Relationship and Risk Quantification

LUO Chenhao; LIU Xing; YAO Xiuli; WEI Zhenbo; LUO Zihang; FAN Ziyuan

doi:10.7500/AEPS20241107003

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Identification of Expanded Key Links for Cascading Failures Based on Structural Relationship and Risk Quantification

Basic Research | 更新时间：2025-09-25

- Identification of Expanded Key Links for Cascading Failures Based on Structural Relationship and Risk Quantification
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 18, Pages: 83-96(2025)
- 作者机构：
  
  1.四川大学电气工程学院，四川省成都市 610065
  2.四川省水利人才资源开发与档案中心，四川省成都市 610041
  3.国网江苏省电力公司无锡供电公司，江苏省无锡市 214000
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52077146)
- DOI：10.7500/AEPS20241107003
  CLC：
- Received：07 November 2024，
  
  Revised：2025-05-20，
  
  Published Online：18 July 2025，
  
  Published：25 September 2025
- 稿件说明：
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罗辰昊,刘星,姚秀丽等.基于结构关系与风险量化的连锁故障扩展关键环节辨识[J].电力系统自动化,2025,49(18):83-96.

LUO Chenhao,LIU Xing,YAO Xiuli,et al.Identification of Expanded Key Links for Cascading Failures Based on Structural Relationship and Risk Quantification[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(18):83-96.
罗辰昊,刘星,姚秀丽等.基于结构关系与风险量化的连锁故障扩展关键环节辨识[J].电力系统自动化,2025,49(18):83-96. DOI： 10.7500/AEPS20241107003.

LUO Chenhao,LIU Xing,YAO Xiuli,et al.Identification of Expanded Key Links for Cascading Failures Based on Structural Relationship and Risk Quantification[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(18):83-96. DOI： 10.7500/AEPS20241107003.

摘要

随着电力系统规模持续扩大、结构日趋复杂，其发生连锁故障的风险随之增加。为提升系统风险防控能力、准确识别连锁故障关键环节并揭示各环节间耦合关系及相互作用，文中对连锁故障关键环节定义进行了扩展，引入关键传播关系与关键区域概念，提出一种基于结构关系与风险量化的扩展关键环节辨识方法。首先，建立配合-过载型连锁故障事故链模型对故障态势与传播路径进行分析；其次，采用一种基于导率优化的局部扩展算法挖掘电网的模糊重叠动态社区结构，实现对电网核心区域与模糊区域的识别；再次，利用事故链集和分区结果构建具有时空特征的风险时空传播图，并采用多维故障影响的量化指标对扩展关键环节进行辨识；最后，在IEEE 39节点系统和IEEE 118节点系统中进行算例仿真。结果表明

所提方法能够有效辨识扩展关键环节，揭示连锁故障不同环节间的耦合关系与级联作用。

Abstract

With the continuous expansion of the scale and the increasing complexity of the structure of power systems

the risks of cascading failures increase accordingly. To enhance the risk prevention and control capabilities of systems

accurately identify the key links in cascading failures

and reveal the coupling relationship and interactions among various links

the definition of key links in cascading failures is extended

and an identification method of expanded key links based on structural relationship and risk quantification is proposed by introducing the concepts of key propagation relationship and key areas. Firstly

a coordination-overload fault chain model for cascading failures is established to analyze the fault situation and propagation paths. Secondly

a local expansion algorithm based on the conductance optimization is employed to discover the fuzzy overlapping dynamic community structure of the power grid

and realize the identification of both core and fuzzy areas of power grids. Thirdly

by using the fault chain set and partitioning results

a risk spatiotemporal propagation graph with temporal and spatial characteristics is constructed

and the expanded key links are identified by employing the multi-dimensional fault impact quantification metrics. Finally

case simulations are conducted on the IEEE 39-bus system and the IEEE 118-bus system. The results demonstrate that the proposed method can effectively identify the expanded key links

and reveal the coupling relationship and cascading effects among various links.

关键词

Keywords

references

吴界辰，汪莹，易海琼，等 . 中国台湾“3·3” 大规模停电事故分析及其对未来电网发展的启示［J］. 电力建设， 2022 ， 43 （ 7 ）： 73 - 79 .

WU Jiechen ， WANG Ying ， YI Haiqiong ， et al . Analysis of the power outage in Taiwan， China on March 3， 2022 and its implications for future power grid development ［J］. Electric Power Construction ， 2022 ， 43 （ 7 ）： 73 - 79 .

张鹏飞，麻常辉，李威，等 . 2021年欧洲电网两次解列事故分析及对中国电网安全的思考［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 24 ）： 22 - 29 .

ZHANG Pengfei ， MA Changhui ， LI Wei ， et al . Analysis of two splitting accidents of European power grid in 2021 and consideration on power grid security in China ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 24 ）： 22 - 29 .

钟海旺，张广伦，程通，等 . 美国得州2021年极寒天气停电事故分析及启示［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 6 ）： 1 - 9 .

ZHONG Haiwang ， ZHANG Guanglun ， CHENG Tong ， et al . Analysis and enlightenment of extremely cold weather power outage in Texas， U.S. in 2021 ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 6 ）： 1 - 9 .

王国春，董昱，许涛，等 . 巴西“8·15” 大停电事故分析及启示［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 24 ）： 9461 - 9470 .

WANG Guochun ， DONG Yu ， XU Tao ， et al . Analysis and lessons of Brazil blackout event on August 15， 2023 ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 24 ）： 9461 - 9470 .

余鹏飞，熊小伏，朱继忠，等 . 基于储能参与的电网连锁跳闸主动防控方法［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 1 ）： 119 - 130 .

YU Pengfei ， XIONG Xiaofu ， ZHU Jizhong ， et al . Active prevention and control method against power grid cascading tripping based on participation of energy storage ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 1 ）： 119 - 130 .

曹一家，陈晓刚，孙可 . 基于复杂网络理论的大型电力系统脆弱线路辨识［J］. 电力自动化设备， 2006 ， 26 （ 12 ）： 1 - 5 .

CAO Yijia ， CHEN Xiaogang ， SUN Ke . Identification of vulnerable lines in power grid based on complex network theory ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2006 ， 26 （ 12 ）： 1 - 5 .

丁明，韩平平 . 加权拓扑模型下的小世界电网脆弱性评估［J］. 中国电机工程学报， 2008 ， 28 （ 10 ）： 20 - 25 .

DING Ming ， HAN Pingping . Vulnerability assessment to small-world power grid based on weighted topological model ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2008 ， 28 （ 10 ）： 20 - 25 .

BOMPARD E ， PONS E ， WU D . Extended topological metrics for the analysis of power grid vulnerability ［J］. IEEE Systems Journal ， 2012 ， 6 （ 3 ）： 481 - 487 .

徐林，王秀丽，王锡凡 . 电气介数及其在电力系统关键线路识别中的应用［J］. 中国电机工程学报， 2010 ， 30 （ 1 ）： 33 - 39 .

XU Lin ， WANG Xiuli ， WANG Xifan . Electric betweenness and its application in vulnerable line identification in power system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2010 ， 30 （ 1 ）： 33 - 39 .

刘文颖，梁才，徐鹏，等 . 基于潮流介数的电力系统关键线路辨识［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 31 ）： 90 - 98 .

LIU Wenying ， LIANG Cai ， XU Peng ， et al . Identification of critical line in power systems based on flow betweenness ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 31 ）： 90 - 98 .

李勇，刘俊勇，刘晓宇，等 . 基于潮流熵的电网连锁故障传播元件的脆弱性评估［J］. 电力系统自动化， 2012 ， 36 （ 19 ）： 11 - 16 .

LI Yong ， LIU Junyong ， LIU Xiaoyu ， et al . Vulnerability assessment in power grid cascading failures based on entropy of power flow ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2012 ， 36 （ 19 ）： 11 - 16 .

曾凯文，文劲宇，程时杰，等 . 复杂电网连锁故障下的关键线路辨识［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 7 ）： 1103 - 1112 .

ZENG Kaiwen ， WEN Jinyu ， CHENG Shijie ， et al . Critical line identification of complex power system in cascading failure ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 7 ）： 1103 - 1112 .

黄昭蒙，李华强，杜涛，等 . 基于支路能量函数的脆弱支路评估［J］. 电力系统保护与控制， 2012 ， 40 （ 15 ）： 7 - 11 .

HUANG Zhaomeng ， LI Huaqiang ， DU Tao ， et al . Vulnerable branch assessment based on branch energy function ［J］. Power System Protection and Control ， 2012 ， 40 （ 15 ）： 7 - 11 .

LI X ， ZHANG X ， WU L ， et al . Transmission line overload risk assessment for power systems with wind and load-power generation correlation ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2015 ， 6 （ 3 ）： 1233 - 1242 .

南斌，董树锋，徐成司，等 . 基于改进离差最大化方法的电网关键线路综合辨识［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 10 ）： 4076 - 4084 .

NAN Bin ， DONG Shufeng ， XU Chengsi ， et al . Comprehensive identification of critical lines in power grid based on improved maximizing dispersions method ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 4076 - 4084 .

王涛，高成彬，顾雪平，等 . 基于事故链模型的电网关键线路辨识［J］. 高电压技术， 2014 ， 40 （ 8 ）： 2306 - 2313 .

WANG Tao ， GAO Chengbin ， GU Xueping ， et al . Critical lines identification of power grid based on the fault chain model ［J］. High Voltage Engineering ， 2014 ， 40 （ 8 ）： 2306 - 2313 .

韦晓广，高仕斌，李多，等 . 基于连锁故障网络图和不同攻击方式的输电线路脆弱性分析［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 2 ）： 465 - 474 .

WEI Xiaoguang ， GAO Shibin ， LI Duo ， et al . Cascading fault graph for the analysis of transmission network vulnerability under different attacks ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 2 ）： 465 - 474 .

王涛，刘雨濛，顾雪平，等 . 基于连锁故障时空图的电网脆弱线路辨识［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 20 ）： 5962 - 5972 .

WANG Tao ， LIU Yumeng ， GU Xueping ， et al . Vulnerable lines identification of power grid based on cascading fault space-time graph ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 20 ）： 5962 - 5972 .

黄思琪，李长城，康海鹏 . 计及输电线路开断时间的连锁故障快速阻断控制策略［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 12 ）： 111 - 120 .

HUANG Siqi ， LI Changcheng ， KANG Haipeng . Fast blocking control strategy against cascading failures considering tripping time of transmission lines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 12 ）： 111 - 120 .

朱大锐，王睿，程文姬，等 . 基于改进PageRank算法的输电网关键节点辨识方法研究［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 5 ）： 86 - 93 .

ZHU Darui ， WANG Rui ， CHENG Wenji ， et al . Critical transmission node identification method based on improved PageRank algorithm ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 5 ）： 86 - 93 .

刘彤，李少岩，顾雪平，等 . 基于图注意力网络算法的电网连锁故障关键线路辨识［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 15 ）： 5448 - 5459 .

LIU Tong ， LI Shaoyan ， GU Xueping ， et al . Critical line identification of cascading failures in power grid based on graph attention network algorithm ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 15 ）： 5448 - 5459 .

朱元振，刘玉田 . 考虑源荷不确定性的高风险连锁故障快速筛选［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 5 ）： 92 - 103 .

ZHU Yuanzhen ， LIU Yutian . Fast screening of high-risk cascading failure considering uncertainties of source and load ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 92 - 103 .

李妍莎，蔡晔，曹一家，等 . 面向联合检修的电力信息物理系统输电线路脆弱相关性辨识［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 24 ）： 120 - 128 .

LI Yansha ， CAI Ye ， CAO Yijia ， et al . Vulnerable correlation identification of a transmission line in the power cyber physical system for federated maintenance ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 24 ）： 120 - 128 .

曹一家，江全元，丁理杰 . 电力系统大停电的自组织临界现象［J］. 电网技术， 2005 ， 29 （ 15 ）： 1 - 5 .

CAO Yijia ， JIANG Quanyuan ， DING Lijie . Self-organized criticality phenomenon for power system blackouts ［J］. Power System Technology ， 2005 ， 29 （ 15 ）： 1 - 5 .

柳璐，李林芝，卢天琪，等 . 基于网页链接分析的电力系统连锁故障关键环节辨识方法［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 10 ）： 25 - 33 .

LIU Lu ， LI Linzhi ， LU Tianqi ， et al . Critical link identification method for cascading failure in power systems based on web link analysis ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 10 ）： 25 - 33 .

CARRERAS B A ， NEWMAN D E ， DOBSON I ， et al . Evidence for self-organized criticality in a time series of electric power system blackouts ［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers ， 2004 ， 51 （ 9 ）： 1733 - 1740 .

ZHENG C N ， YU Q ， DU S S ， et al . Power grid self-organized criticality simulation model based on multi-sandpile ［C］// 2017 Chinese Automation Congress （CAC）， October 20-22 ， 2017 ， Jinan， China ： 1132 - 1137 .

魏震波，关翔友，高红均，等 . 基于局部贪婪优化的电网自组织临界子区域辨识方法［J］. 电测与仪表， 2020 ， 57 （ 22 ）： 17 - 23 .

WEI Zhenbo ， GUAN Xiangyou ， GAO Hongjun ， et al . Identification method of self-organized criticality sub-area based on local greedy optimization method ［J］. Electrical Measurement & Instrumentation ， 2020 ， 57 （ 22 ）： 17 - 23 .

魏震波，罗紫航，关翔友，等 . 基于模糊重叠动态社区发现的电网局部自组织临界结构辨识［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 7 ）： 2916 - 2928 .

WEI Zhenbo ， LUO Zihang ， GUAN Xiangyou ， et al . Identification of local self-organized critical structure in power grids based on detection of fuzzy overlapping dynamic community ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 7 ）： 2916 - 2928 .

FORTUNATO S ， NEWMAN M E J . 20 years of network community detection ［J］. Nature Physics ， 2022 ， 18 （ 8 ）： 848 - 850 .

端祥宇，袁冠，孟凡荣 . 动态社区发现方法研究综述［J］. 计算机科学与探索， 2021 ， 15 （ 4 ）： 612 - 630 .

DUAN Xiangyu ， YUAN Guan ， MENG Fanrong . Dynamic community detection： a survey ［J］. Journal of Frontiers of Computer Science and Technology ， 2021 ， 15 （ 4 ）： 612 - 630 .

甘国晓，耿光超，高波，等 . 考虑线路停运概率的电力系统连锁故障阻断控制［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 1 ）： 266 - 272 .

GAN Guoxiao ， GENG Guangchao ， GAO Bo ， et al . Blocking control of power system cascading failures considering line outages probability ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 1 ）： 266 - 272 .

沈政委，孙华东，仲悟之，等 . 基于关键事件的高比例新能源电力系统故障连锁演化规律分析［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 24 ）： 57 - 65 .

SHEN Zhengwei ， SUN Huadong ， ZHONG Wuzhi ， et al . Key event based analysis of evolution law of cascading failures in power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 24 ）： 57 - 65 .

徐箭，贺中豪，廖思阳，等 . 考虑风电机组故障电压穿越特性的连锁故障关键线路辨识［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 2 ）： 82 - 94 .

XU Jian ， HE Zhonghao ， LIAO Siyang ， et al . Identification of critical lines for cascading failures considering fault voltage ride-through characteristics of wind turbines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 2 ）： 82 - 94 .

刘雨濛，李佳松，顾雪平，等 . 计及天然气非等温特性的气电互联系统连锁故障评估［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 3 ）： 103 - 113 .

LIU Yumeng ， LI Jiasong ， GU Xueping ， et al . Assessment of cascading failures for gas-electricity interconnected system considering non-isothermal characteristics of natural gas ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 3 ）： 103 - 113 .

金波，肖先勇，陈晶，等 . 考虑保护失效和电网动态平衡特性的连锁故障风险评估［J］. 电力系统保护与控制， 2016 ， 44 （ 8 ）： 1 - 7 .

JIN Bo ， XIAO Xianyong ， CHEN Jing ， et al . A method of risk assessment considering protection failures and dynamic equilibrium of power grid ［J］. Power System Protection and Control ， 2016 ， 44 （ 8 ）： 1 - 7 .

肖婧，张永建，许小可 . 复杂网络模糊重叠社区检测研究进展［J］. 复杂系统与复杂性科学， 2017 ， 14 （ 3 ）： 8 - 29 .

XIAO Jing ， ZHANG Yongjian ， XU Xiaoke . Research progress of fuzzy overlapping community detection in complex networks ［J］. Complex Systems and Complexity Science ， 2017 ， 14 （ 3 ）： 8 - 29 .

丁明，钱宇骋，张晶晶 . 考虑多时间尺度的连锁故障演化和风险评估模型［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 20 ）： 5902 - 5912 .

DING Ming ， QIAN Yucheng ， ZHANG Jingjing . Multi-timescale cascading failure evolution and risk assessment model ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 20 ）： 5902 - 5912 .

LANCICHINETTI A ， FORTUNATO S ， KERTÉSZ J . Detecting the overlapping and hierarchical community structure in complex networks ［J］. New Journal of Physics ， 2009 ， 11 （ 3 ）： 033015 .

GAO Y ， ZHANG H L ， ZHANG Y . Overlapping community detection based on conductance optimization in large-scale networks ［J］. Physica A： Statistical Mechanics and Its Applications ， 2019 ， 522 ： 69 - 79 .

陈澜，卞星明，万树伟，等 . 交流老化导线温升特性改变对载流量的影响［J］. 高电压技术， 2014 ， 40 （ 5 ）： 1499 - 1506 .

CHEN Lan ， BIAN Xingming ， WAN Shuwei ， et al . Influence of temperature character of AC aged conductor on current carrying capacity ［J］. High Voltage Engineering ， 2014 ， 40 （ 5 ）： 1499 - 1506 .

林玉章 . 高压架空输电线路载流量和温度计算［J］. 南方电网技术， 2012 ， 6 （ 4 ）： 23 - 27 .

LIN Yuzhang . The calculation of current carrying capacity and temperature of high voltage overhead lines ［J］. Southern Power System Technology ， 2012 ， 6 （ 4 ）： 23 - 27 .

陈强，王建，熊小伏，等 . 考虑设备动态过载能力的风电送出通道紧急过载运行策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 15 ）： 163 - 171 .

CHEN Qiang ， WANG Jian ， XIONG Xiaofu ， et al . Emergency overload operation strategy for sending transmission channel of wind power considering dynamic overload capability of equipment ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 15 ）： 163 - 171 .

LEICHT E A ， NEWMAN M J . Community structure in directed networks ［J］. Physical Review Letters ， 2008 ， 100 （ 11 ）： 118703 .

魏震波，关翔友，高红均，等 . 基于改进局部拓展算法的电力系统并行恢复分区方法［J］. 电力系统及其自动化学报， 2020 ， 32 （ 5 ）： 62 - 68 .

WEI Zhenbo ， GUAN Xiangyou ， GAO Hongjun ， et al . Partitioning method for parallel restoration of power system based on improved local fitness method ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2020 ， 32 （ 5 ）： 62 - 68 .

潘松，李长城，康海鹏，等 . 考虑停运概率熵和网架结构熵的电网关键线路辨识方法［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 1 ）： 139 - 149 .

PAN Song ， LI Changcheng ， KANG Haipeng ， et al . Identification method for key lines of power grid considering outage probability entropy and grid structure entropy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 1 ）： 139 - 149 .

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