电力网络是当今世界覆盖面最广、结构最复杂的人造系统之一。作为国民经济的支柱，电网的安全运行与国计民生息息相关，而近年来频频发生的大面积停电事故则充分暴露了大型互联电网脆弱性的一面。迄今为止，电力科技工作者对发生在世界各主要电力系统的大面积停电事故原因进行了详尽的分析研究，但很多情况下仍不能给出具有说服力的理论分析结果，也未能阻止停电事故的继续发生。如1996年美国西部电网相继发生两次大面积停电后，北美电力可靠性委员会（North American Electric Reliability Corporation, NERC）成立了“新”的互联系统动态工作组，研究了有关系统稳定、电压、无功电源、系统控制和保护等一系列问题，并协助制订为保证互联系统能正确地规划设计和可靠运行的标准程序和原则中国知网，中国知识基础设施工程知识元。北美电力系统可靠性管理。http://www1.cnkd.cnki.net；然而时隔七年的2003年8月14日，又发生了震惊世界的美加大停电，这一次与1996年的两次大停电相比损失更为惨重。究其原因，是对电网本身的特性和电网大面积停电事故的机理缺乏有成效的理论研究，对若干复杂现象缺乏科学的理论解释和分析方法，如电网的演化特性、连锁反应事故发展机理等，而这正是当前电网安全分析研究的难点，也是包括我国电网在内的世界各国电网提高安全可靠性水平必须解决的基础性科学问题。
由于大电网结构和运行方式的复杂性，现有的电力系统分析计算理论和试验方法对连锁故障引起的大型互联电网大面积停电事故本质的认识还远远不够，主要表现为以下两方面： 一是电力系统中的职能部门各有分工，分别管理电力系统规划、建设和运行等，从而导致电力系统的长期演化过程被割裂、简化成很多片断和子问题；二是通用的N-1和N-2校验标准假设连锁故障是小概率事件，并认为这些事件造成系统大停电的影响也因其概率很小而可以忽略。然而，正是这些被忽略的多重连锁故障引发了一次次的大停电事故。直到2000年，人们才发现大停电的概率分布并不是正态分布而是幂律尾形式的分布，换言之，大停电的风险不容忽视。上述事实提醒我们要研究大停电必须建立合理的分析模型，并基于此指导电力系统规划和运行等。
近几年，国内外学者将复杂系统理论和方法应用于计算机网络、生态学、社会学以及经济学等相关学科的研究并取得诸多重要进展，但在大型互联电网的大面积停电事故方面，现有的研究仅从统计学角度给出了电网连锁故障具有自组织临界性质的初步结论；而对于电力系统复杂特征、复杂电网结构稳定性及自组织临界一般理论方法的探索，目前尚无实质性进展。
本书的编写思路，就是利用自组织临界理论和方法深入系统地研究大型互联电网连锁故障的发生和发展过程，从网络演化角度探讨互联电网的时空演化特性和动态特性，给出大电网灾变的风险评估指标，提出防止灾变的预防控制策略。
本书共10章，各章主要内容如下：
第1章为绪论，主要从复杂性科学的角度探讨电力系统大停电与自组织临界特性，并扼要介绍电力系统自组织临界特性领域的研究进展以及全书的背景和结构。
前 言电力系统自组织临界特性与大电网安全第2章介绍与自组织临界理论相关的数学和统计物理方面的基本概念和基本理论，继而以此为基础重点讨论复杂系统的幂律分布特性，并给出初步的数学解释。
第3章介绍自然界或社会中多种典型的自组织临界现象，并在此基础上讨论自组织临界的一般特征，尔后基于控制论介绍自组织临界一般原理。
第4章首先阐述电力系统演化机制的数学模型，然后讨论基于我国电力系统大停电统计数据分析所揭示的大电网自组织临界现象，并提出风险评估指标。
第5章讨论基于直流潮流的大停电事故模型，包括OPA和改进OPA两种模型，进而在宏观和微观两个层次研究电力系统的自组织临界特性。
第6章建立了基于交流最优潮流的大停电事故模型，该模型由内外两层循环结构组成，其中内循环利用交流最优潮流模拟电力系统快动态并分析其临界性，外循环从宏观上研究和分析电力系统的长时间演化过程即慢动态，能够清晰揭示电网宏观自组织临界特征及演化机理。
第7章讨论计及无功/电压特性的大停电事故模型，重点研究大停电中的电压稳定及电压崩溃问题，并从无功电压角度分析电力系统的自组织临界特性。
第8章基于暂态约束下的最优潮流，提出涵盖电力系统三个时间尺度动态特性，即暂态、快动态和慢动态的大停电事故模型。该模型既可更真实地反映连锁故障的起因及其物理过程的演化，又可考虑预防控制和紧急控制措施，从而使模拟人为控制因素对大停电的影响成为可能。
第9章初步探讨自组织临界理论在电网规划和电源规划方面的应用。
第10章探讨基于自组织临界理论的电网连锁故障模型在电力系统应急管理中的应用。
本书的写作遵循内容完备和求实创新两项原则。前者指本书首先利用概率论、随机过程和统计物理等基础理论系统地梳理和总结了复杂系统自组织临界一般理论，进而利用该理论研究互联大型电网的安全稳定问题；后者指本书不仅力图做到理论严谨，即所有概念、原理和算法均给出了相关的数学说明或证明，而且力求介绍前沿领域，特别是作者自身及所在研究团队的最新理论及应用成果。此外，本书侧重基础理论和工程背景相结合，而在基本原理阐述方面和算法设计方面，则力求简明扼要、通俗易懂。涉及有关概率论、控制理论等数学基础知识时，不拘泥于严格的数学推导，从而便于具有工科数学基础的读者能够理解本书的基本内容。鉴于上述两项写作原则，相信本书对研究和学习复杂系统理论和应用的读者也有所裨益。
本书的写作动机应追溯到2004年。当年4月，我有幸参与中国电力科学研究院周孝信院士主持的国家重点基础研究计划“提高大型互联电网运行可靠性的基础研究”，并具体参加子课题二“大电网安全性评估的系统复杂性理论研究”。当时主要缘于两个原因让我萌发写作一本系统地介绍大电网复杂性基础理论与学术前沿著作的想法： 一是自恃数学出身并对复杂系统有浓厚的兴趣；二是多年来一直工作在电力系统领域，以为二者结合总会有“机”可趁。现在看来有不自量力之嫌，尤其完全低估了这项工作的难度。四年光阴匆匆而过，期间在研究过程中碰到许多困难，迭有灰心动摇之念。所幸周院士在布置指导课题研究方向时，即明确提出要用复杂性科学理论研究大型互联电网，并特别强调从宏观上研究大电网的整体动态行为，从而为本书涉及的研究确定了主攻方向。更让我终身难忘的是，每年一度的“973”学术交流会上周孝信和韩祯祥两位院士总是鼓励和支持我们在该领域进行不断的努力，特别强调要勇于探索，敢于失败，表现了一流科学家宽广的胸襟和卓识的远见。正是因为他们的教诲，使我和本书的另外两位青年作者终于能够坚持下去，最终造就本书。还要特别感谢我的导师卢强院士，正是卢先生的强力推荐和支持，才使得本书有幸成为“现代电力系统丛书”的一册。同时本书大纲（包括书名）更是先生字斟句酌而得，若干重要研究工作均得到先生耐心细致的指点。
本书不仅是一本复杂系统自组织临界理论的基础读物，而且也是一本反映大电网安全研究前沿进展的著作。我们希望该书成为大电网一般复杂性理论的抛砖引玉之作，同时也能为大电网灾变防治提供有益的启示。总之，期望本书在学术研究和工程实践方面具有一定的借鉴意义。
本书在全面总结该领域国内外研究成果的基础上，重点介绍了近年作者从事国家重点基础研究发展计划项目(No.2004CB217902)、国家杰出青年基金项目（No.50525721）和国家自然科学基金重大项目子课题一(No.50595411)等有关课题所取得的最新成果。在项目研究和本书写作过程中，得到了香港大学Felix F.Wu教授、倪以信教授以及中国科学院系统科学研究所洪奕光教授和中国电力科学研究院郭剑波教授、浙江大学曹一家教授的热情帮助和支持，其中倪以信教授素我景仰，特别荣幸的是她曾三次邀请我赴香港大学访问交流，本书许多重要成果深得倪老师谆谆教益；郭剑波教授以丰富的工程实践和深刻的洞察力见长，本书关于电网演化生长的研究即得益于他的点化。浙江大学甘德强教授认真审阅了全稿并提出了诸多宝贵意见。本书所涉及的部分内容，包括清华大学电机系研究生何飞、翁晓峰、夏德明、王刚、倪向萍、王莹莹、伍声宇和田超等刻苦研究的成果。在此一并向他们表示感谢。
清华大学出版社对本书出版给予了大力帮助和支持，谨借此机会表达深切的谢意。
