中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
01 研究背景
保障電力-通信功能體系是實(shí)現(xiàn)城市快速恢復(fù)的基礎(chǔ)。自然災(zāi)害導(dǎo)致系統(tǒng)故障失電后，依靠正常電能供應(yīng)才能工作的電網(wǎng)通信設(shè)備極易受到影響從而導(dǎo)致通信中斷，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的可觀性、可控性，加速故障的傳播演化。因此，本文從信息層-物理層深度融合的角度出發(fā)，充分考慮災(zāi)后過程的快速恢復(fù)需求和配電網(wǎng)資源受限的客觀情況，引入可提供應(yīng)急通信的無人機(jī)和可提供快速響應(yīng)的集群電動(dòng)汽車（EV），充分發(fā)揮信息層和物理層靈活資源的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，提升災(zāi)后負(fù)荷恢復(fù)效率，實(shí)現(xiàn)彈性信息物理協(xié)同快速恢復(fù)。
02 研究?jī)?nèi)容
2.1 基于車網(wǎng)互動(dòng)和應(yīng)急通信的信息物理協(xié)同恢復(fù)框架
集群EV參與反向供電的車網(wǎng)互動(dòng)（V2G）是一種響應(yīng)速度快、響應(yīng)功率大的優(yōu)質(zhì)恢復(fù)資源，可在災(zāi)后快速聚集并在V2G站形成分布式電源。但上述模式須有通信服務(wù)覆蓋，使區(qū)域EV用戶能收到調(diào)度指令并前往指定地點(diǎn)。在災(zāi)后斷電、通信基站無法正常工作的情況下，搭載通信模塊的無人機(jī)可以高效調(diào)度并快速組網(wǎng)，為災(zāi)后信息盲區(qū)提供應(yīng)急通信，解決相應(yīng)區(qū)域的通信故障問題。因此，本文提出了基于無人機(jī)應(yīng)急通信和集群EV調(diào)配的恢復(fù)方法，通過拓?fù)淇刂频鸟詈霞s束，構(gòu)建了信息物理協(xié)同快速恢復(fù)策略和相應(yīng)技術(shù)框架。圖1為本文應(yīng)用的通信-電力-交通耦合系統(tǒng)，主要包括無線網(wǎng)基站、電力設(shè)備、V2G站等。
圖1 通信-電力-交通耦合系統(tǒng)
該框架根據(jù)災(zāi)害發(fā)生前后，將整個(gè)過程分為災(zāi)前預(yù)備階段和災(zāi)后恢復(fù)階段。具體恢復(fù)流程如圖2所示。
圖2 信息物理協(xié)同恢復(fù)過程流程圖
1） 災(zāi)前預(yù)備階段
首先，基于地面基站通信覆蓋范圍，將配電網(wǎng)劃分為多個(gè)信息區(qū)域，以便于對(duì)通信故障進(jìn)行分析與恢復(fù)處理；然后，智慧交通系統(tǒng)提前廣播災(zāi)害信息，城市道路中行駛的EV在收到廣播信息后將前往最近的避難站點(diǎn)避難；最后，應(yīng)急指揮中心所管理的無人機(jī)設(shè)備進(jìn)入待命狀態(tài)，做好快速、有效響應(yīng)的準(zhǔn)備。
2）災(zāi)后恢復(fù)過程
首先，對(duì)每個(gè)區(qū)域?yàn)?zāi)后無人機(jī)應(yīng)急通信需求進(jìn)行建模，尋找最少數(shù)量無人機(jī)調(diào)配下的信息盲區(qū)恢復(fù)可行性控制方案；然后，控制無人機(jī)前往目標(biāo)區(qū)域組建臨時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)該區(qū)域的饋線終端單元（FTU）與EV通信，進(jìn)而恢復(fù)主站對(duì)該區(qū)域的FTU的觀測(cè)控制能力和對(duì)EV的調(diào)配能力，同時(shí)該區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)故障情況也能通過無人機(jī)基站上傳至配電主站。其次，配電主站下達(dá)調(diào)度指令并通過有效的激勵(lì)機(jī)制引導(dǎo)EV駛?cè)肽繕?biāo)V2G站點(diǎn)形成分布式電源，進(jìn)而控制拓?fù)渲貥?gòu)，形成以V2G站點(diǎn)為中心的微電網(wǎng)，保證地面通信基站供電恢復(fù)并最大限度恢復(fù)負(fù)荷；當(dāng)原區(qū)域EV轉(zhuǎn)移完畢，無人機(jī)前往下一區(qū)域繼續(xù)開展恢復(fù)工作，微電網(wǎng)拓?fù)潆S著新的區(qū)域通信恢復(fù)而動(dòng)態(tài)變化，直至最大限度恢復(fù)整個(gè)區(qū)域負(fù)荷的電力供應(yīng)。
2.2 模型建立
災(zāi)前階段對(duì)EV的避難調(diào)度行為展開建模，應(yīng)急中心工作人員對(duì)無人機(jī)進(jìn)行充電和功能調(diào)試，為系統(tǒng)災(zāi)后快速恢復(fù)做好準(zhǔn)備工作。
災(zāi)后階段以恢復(fù)周期內(nèi)負(fù)荷加權(quán)供電量最大為目標(biāo)，首先求解各區(qū)域的無人機(jī)應(yīng)急通信需求，其次對(duì)災(zāi)前調(diào)度至各避難站的EV實(shí)施激勵(lì)措施，引導(dǎo)EV用戶參與V2G反向輸電以恢復(fù)電網(wǎng)，然后考慮無人機(jī)和EV的調(diào)度行為、V2G站點(diǎn)出力特性、微電網(wǎng)拓?fù)涮卣饕约靶畔⑽锢眈詈峡刂萍s束建立動(dòng)態(tài)恢復(fù)模型，求解模型得到信息物理協(xié)同快速恢復(fù)策略。
2.3 操作實(shí)施流程
根據(jù)信息物理協(xié)同恢復(fù)思路和程序求解流程，結(jié)合工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了包含災(zāi)后調(diào)配順序和運(yùn)行規(guī)則的操作實(shí)施流程，以指導(dǎo)相關(guān)部門開展恢復(fù)工作。具體流程如下：
步驟1：災(zāi)后恢復(fù)階段，配電主站確認(rèn)系統(tǒng)信息盲區(qū)，無人機(jī)從應(yīng)急中心倉(cāng)庫(kù)出發(fā)前往目標(biāo)區(qū)域組網(wǎng)恢復(fù)通信。
步驟2：目標(biāo)區(qū)域通信恢復(fù)后，配電主站獲得該區(qū)域線路故障信息并開展優(yōu)化決策，將調(diào)度指令發(fā)送給避難站的EV，引導(dǎo)其快速有序前往V2G站點(diǎn)參與反向充電；同時(shí)將拓?fù)渲貥?gòu)指令下達(dá)至各FTU處，系統(tǒng)中相應(yīng)遠(yuǎn)動(dòng)開關(guān)進(jìn)行倒閘操作。
步驟3：目標(biāo)區(qū)域通信基站復(fù)電后，無人機(jī)依據(jù)配電主站指令前往下一區(qū)域組建通信網(wǎng)絡(luò)，并重復(fù)步驟2工作。若無再調(diào)度指令，無人機(jī)返回應(yīng)急中心倉(cāng)庫(kù)。
步驟4：當(dāng)所有區(qū)域通信基站投入正常運(yùn)行，配電系統(tǒng)信息物理協(xié)同快速恢復(fù)工作結(jié)束。
03 算例分析
本文將改進(jìn)的IEEE 33節(jié)點(diǎn)和30節(jié)點(diǎn)交通網(wǎng)組合成一個(gè)耦合系統(tǒng)進(jìn)行算例分析，依據(jù)地面基站通信覆蓋范圍將劃分成4個(gè)區(qū)域。本研究對(duì)比分析了災(zāi)后不同方案下的負(fù)荷恢復(fù)效率，具體如下：
1）方案1：不考慮應(yīng)急通信建立和EV再調(diào)度，僅依靠災(zāi)前在V2G站點(diǎn)避難的EV恢復(fù)負(fù)荷。
2）方案2：調(diào)配無人機(jī)建立應(yīng)急通信，但不考慮EV再調(diào)度，僅依靠災(zāi)前在V2G站點(diǎn)避 難的EV和動(dòng)態(tài)微電網(wǎng)恢復(fù)負(fù)荷。
3）方案3：采取本文所提恢復(fù)方法，即無人機(jī)應(yīng)急通信和V2G協(xié)調(diào)配合以實(shí)現(xiàn)重構(gòu)恢復(fù)負(fù)荷。
將本文方法與其他兩種方案對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。對(duì)比方案1和方案2、3可知，方案2相比方案1供電量增加40.95%，方案3相比方案1供電量增加92.13%，由此可知無人機(jī)參與調(diào)度可極大程度提升災(zāi)后負(fù)荷恢復(fù)量，這是因?yàn)闊o人機(jī)作為信息層靈活資源在受災(zāi)區(qū)域可以建立應(yīng)急通信，恢復(fù)電網(wǎng)的可觀、可控性，從而控制饋線終端動(dòng)作，調(diào)整電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化線路潮流，使更多的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)能夠與上游變電站連通。方案3相比方案2供電量增加35.52%，由此可知EV再調(diào)度可進(jìn)一步提升系統(tǒng)恢復(fù)效果，這是因?yàn)闉?zāi)后大多數(shù)EV停留在避難站點(diǎn)，只有將它們有序高效地調(diào)度至目標(biāo)V2G站點(diǎn)才能充分發(fā)揮V2G資源對(duì)負(fù)荷的供電支撐作用。
圖3 3種方案負(fù)荷恢復(fù)曲線
圖4對(duì)方案3系統(tǒng)各區(qū)域逐步恢復(fù)和EV再調(diào)度情況進(jìn)行展示。圖中各區(qū)域通信基站節(jié)點(diǎn)負(fù)荷都優(yōu)先恢復(fù)，這樣能保證區(qū)域可觀、可控性得以持續(xù)恢復(fù)，無人機(jī)調(diào)度至目標(biāo)區(qū)域建立通信網(wǎng)后，通過控制遠(yuǎn)動(dòng)開關(guān)形成微電網(wǎng)和引導(dǎo)EV再調(diào)度，確保區(qū)域內(nèi)基站節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)形成通路以恢復(fù)基站的電力供應(yīng)。
圖4 方案3中各區(qū)域動(dòng)態(tài)恢復(fù)情況
04 結(jié)語(yǔ)
本文充分考慮信息物理耦合特性并挖掘信息層和物理層靈活資源，基于V2G負(fù)荷恢復(fù)和應(yīng)急通信提出了信息物理協(xié)同快速恢復(fù)方法，并在此基礎(chǔ)上建立了災(zāi)后信息物理協(xié)同恢復(fù)的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，進(jìn)而求解模型得出快速恢復(fù)策略，從而有效提升彈性。相較而言，本文所提方法能夠充分利用本地資源，實(shí)現(xiàn)彈性配電網(wǎng)信息物理快速恢復(fù)。
