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01 研究背景
保障電力-通信功能體系是實現城市快速恢復的基礎。自然災害導致系統(tǒng)故障失電后，依靠正常電能供應才能工作的電網通信設備極易受到影響從而導致通信中斷，進一步降低系統(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)，充分考慮災后過程的快速恢復需求和配電網資源受限的客觀情況，引入可提供應急通信的無人機和可提供快速響應的集群電動汽車（EV），充分發(fā)揮信息層和物理層靈活資源的互補優(yōu)勢，提升災后負荷恢復效率，實現彈性信息物理協同快速恢復。
02 研究內容
2.1 基于車網互動和應急通信的信息物理協同恢復框架
集群EV參與反向供電的車網互動（V2G）是一種響應速度快、響應功率大的優(yōu)質恢復資源，可在災后快速聚集并在V2G站形成分布式電源。但上述模式須有通信服務覆蓋，使區(qū)域EV用戶能收到調度指令并前往指定地點。在災后斷電、通信基站無法正常工作的情況下，搭載通信模塊的無人機可以高效調度并快速組網，為災后信息盲區(qū)提供應急通信，解決相應區(qū)域的通信故障問題。因此，本文提出了基于無人機應急通信和集群EV調配的恢復方法，通過拓撲控制的耦合約束，構建了信息物理協同快速恢復策略和相應技術框架。圖1為本文應用的通信-電力-交通耦合系統(tǒng)，主要包括無線網基站、電力設備、V2G站等。
圖1 通信-電力-交通耦合系統(tǒng)
該框架根據災害發(fā)生前后，將整個過程分為災前預備階段和災后恢復階段。具體恢復流程如圖2所示。
圖2 信息物理協同恢復過程流程圖
1） 災前預備階段
首先，基于地面基站通信覆蓋范圍，將配電網劃分為多個信息區(qū)域，以便于對通信故障進行分析與恢復處理；然后，智慧交通系統(tǒng)提前廣播災害信息，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避難；最后，應急指揮中心所管理的無人機設備進入待命狀態(tài)，做好快速、有效響應的準備。
2）災后恢復過程
首先，對每個區(qū)域災后無人機應急通信需求進行建模，尋找最少數量無人機調配下的信息盲區(qū)恢復可行性控制方案；然后，控制無人機前往目標區(qū)域組建臨時通信網絡，恢復該區(qū)域的饋線終端單元（FTU）與EV通信，進而恢復主站對該區(qū)域的FTU的觀測控制能力和對EV的調配能力，同時該區(qū)域內系統(tǒng)故障情況也能通過無人機基站上傳至配電主站。其次，配電主站下達調度指令并通過有效的激勵機制引導EV駛入目標V2G站點形成分布式電源，進而控制拓撲重構，形成以V2G站點為中心的微電網，保證地面通信基站供電恢復并最大限度恢復負荷；當原區(qū)域EV轉移完畢，無人機前往下一區(qū)域繼續(xù)開展恢復工作，微電網拓撲隨著新的區(qū)域通信恢復而動態(tài)變化，直至最大限度恢復整個區(qū)域負荷的電力供應。
2.2 模型建立
災前階段對EV的避難調度行為展開建模，應急中心工作人員對無人機進行充電和功能調試，為系統(tǒng)災后快速恢復做好準備工作。
災后階段以恢復周期內負荷加權供電量最大為目標，首先求解各區(qū)域的無人機應急通信需求，其次對災前調度至各避難站的EV實施激勵措施，引導EV用戶參與V2G反向輸電以恢復電網，然后考慮無人機和EV的調度行為、V2G站點出力特性、微電網拓撲特征以及信息物理耦合控制約束建立動態(tài)恢復模型，求解模型得到信息物理協同快速恢復策略。
2.3 操作實施流程
根據信息物理協同恢復思路和程序求解流程，結合工程實際情況，設計了包含災后調配順序和運行規(guī)則的操作實施流程，以指導相關部門開展恢復工作。具體流程如下：
步驟1：災后恢復階段，配電主站確認系統(tǒng)信息盲區(qū)，無人機從應急中心倉庫出發(fā)前往目標區(qū)域組網恢復通信。
步驟2：目標區(qū)域通信恢復后，配電主站獲得該區(qū)域線路故障信息并開展優(yōu)化決策，將調度指令發(fā)送給避難站的EV，引導其快速有序前往V2G站點參與反向充電；同時將拓撲重構指令下達至各FTU處，系統(tǒng)中相應遠動開關進行倒閘操作。
步驟3：目標區(qū)域通信基站復電后，無人機依據配電主站指令前往下一區(qū)域組建通信網絡，并重復步驟2工作。若無再調度指令，無人機返回應急中心倉庫。
步驟4：當所有區(qū)域通信基站投入正常運行，配電系統(tǒng)信息物理協同快速恢復工作結束。
03 算例分析
本文將改進的IEEE 33節(jié)點和30節(jié)點交通網組合成一個耦合系統(tǒng)進行算例分析，依據地面基站通信覆蓋范圍將劃分成4個區(qū)域。本研究對比分析了災后不同方案下的負荷恢復效率，具體如下：
1）方案1：不考慮應急通信建立和EV再調度，僅依靠災前在V2G站點避難的EV恢復負荷。
2）方案2：調配無人機建立應急通信，但不考慮EV再調度，僅依靠災前在V2G站點避 難的EV和動態(tài)微電網恢復負荷。
3）方案3：采取本文所提恢復方法，即無人機應急通信和V2G協調配合以實現重構恢復負荷。
將本文方法與其他兩種方案對比，結果如圖3所示。對比方案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%，由此可知無人機參與調度可極大程度提升災后負荷恢復量，這是因為無人機作為信息層靈活資源在受災區(qū)域可以建立應急通信，恢復電網的可觀、可控性，從而控制饋線終端動作，調整電網拓撲結構、優(yōu)化線路潮流，使更多的負荷節(jié)點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再調度可進一步提升系統(tǒng)恢復效果，這是因為災后大多數EV停留在避難站點，只有將它們有序高效地調度至目標V2G站點才能充分發(fā)揮V2G資源對負荷的供電支撐作用。
圖3 3種方案負荷恢復曲線
圖4對方案3系統(tǒng)各區(qū)域逐步恢復和EV再調度情況進行展示。圖中各區(qū)域通信基站節(jié)點負荷都優(yōu)先恢復，這樣能保證區(qū)域可觀、可控性得以持續(xù)恢復，無人機調度至目標區(qū)域建立通信網后，通過控制遠動開關形成微電網和引導EV再調度，確保區(qū)域內基站節(jié)點與電源節(jié)點形成通路以恢復基站的電力供應。
圖4 方案3中各區(qū)域動態(tài)恢復情況
04 結語
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負荷恢復和應急通信提出了信息物理協同快速恢復方法，并在此基礎上建立了災后信息物理協同恢復的混合整數線性規(guī)劃模型，進而求解模型得出快速恢復策略，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，實現彈性配電網信息物理快速恢復。
