極端自然災(zāi)害下考慮信息-物理耦合的電力系統(tǒng)彈性提升策略：技術(shù)分析與研究展望

劉瑞環(huán)， 陳晨， 劉菲， 別朝紅

(西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

0 引 言

電力系統(tǒng)是關(guān)系到國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的重要基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)代社會(huì)的有序運(yùn)轉(zhuǎn)離不開電力的可靠供應(yīng)。電力系統(tǒng)規(guī)劃一般需要滿足一定的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，但是近年來頻發(fā)的自然災(zāi)害和人為攻擊等極端事件給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，凸顯了電力系統(tǒng)面對(duì)這類小概率-高損失事件的應(yīng)對(duì)能力不足的問題。例如2008年中國(guó)南方冰災(zāi)造成13個(gè)省的電力設(shè)施遭受破壞，170多個(gè)市縣停電，經(jīng)濟(jì)損失超過104多億元[1]；2012年颶風(fēng)桑迪襲擊美國(guó)東海岸，美國(guó)15個(gè)州和華盛頓特區(qū)超過750萬用戶無法正常用電[2]；2019年委內(nèi)瑞拉停電事故中23個(gè)州中一度有21個(gè)州全面停電，停電對(duì)加拉加斯交通、通信系統(tǒng)嚴(yán)重影響[3]；2019年8月登陸我國(guó)東南沿海的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”造成超過600萬用戶停電[4]。在這一背景下，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、以及政府部門提出了電力系統(tǒng)彈性(resilience，或翻譯作韌性)的概念，描述電力系統(tǒng)面對(duì)小概率-高損失的極端事件時(shí)預(yù)防、抵御、響應(yīng)及快速恢復(fù)供電能力[5]。極端自然災(zāi)害(如臺(tái)風(fēng)、暴雨、冰災(zāi)等)即是這類極端事件的典型代表。隨著世界范圍內(nèi)氣候變化帶來極端自然災(zāi)害的頻發(fā)趨勢(shì)，開展提升電力系統(tǒng)彈性的研究被各國(guó)政府提高到國(guó)家安全的戰(zhàn)略高度[6-9]。為提升電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)極端事件的能力，減小大規(guī)模停電的影響，彈性電力系統(tǒng)的概念被提出[10]。

構(gòu)建彈性電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)包括，事前預(yù)測(cè)極端災(zāi)害對(duì)系統(tǒng)的影響以及不確定性分析，事中辨識(shí)薄弱環(huán)節(jié)和制定緊急控制策略，事后快速有效地恢復(fù)電力系統(tǒng)供電。由于極端自然災(zāi)害對(duì)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生較大的影響，需要從信息-物理耦合的角度來分析有效的彈性提升方案，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)自身的特性以及它與電力系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系進(jìn)行分析顯得十分重要。

信息-物理融合系統(tǒng)(cyber-physical system，CPS)是綜合物理環(huán)境和信息網(wǎng)絡(luò)的多維度復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C技術(shù)(computing，communication，control)將計(jì)算系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境有機(jī)結(jié)合，形成具有實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)的多維異構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)[11-12]。電力系統(tǒng)是一個(gè)典型的信息-物理融合系統(tǒng)，即電力信息物理耦合系統(tǒng)(cyber-physical power system，CPPS)[5]。電力網(wǎng)和信息網(wǎng)之間的耦合特性體現(xiàn)在：信息網(wǎng)對(duì)電力網(wǎng)具有物理依賴性，因?yàn)樗枰娫磥韴?zhí)行數(shù)據(jù)傳輸功能；電力網(wǎng)對(duì)信息網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)依賴性，因?yàn)殡娋W(wǎng)的運(yùn)行控制需要依靠信息層面的態(tài)勢(shì)感知和信息傳遞。由于電力傳輸線和光纖相距很近，而且電線桿上也承載通信設(shè)備，所以兩種基礎(chǔ)設(shè)施在地理上也是相互依存的。

基于現(xiàn)有的文獻(xiàn)和綜述[13-14]，整個(gè)CPPS單元可以抽象為物理層、信息層和平臺(tái)控制層。物理層的實(shí)體是電力一次設(shè)備，包括發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、負(fù)荷以及分布式電源等；信息層的實(shí)體可分為感知和傳輸兩個(gè)層面，感知層包括各類數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)設(shè)備，傳輸層包括各類通信媒介；平臺(tái)層的作用是對(duì)信息層收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理和分析，然后輸出控制指令確保電網(wǎng)可以安全穩(wěn)定運(yùn)行?？梢姡锢韺?shí)體層和通信網(wǎng)絡(luò)層通過二次設(shè)備緊密耦合、相互影響，任意節(jié)點(diǎn)的故障都會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成不利的影響。

考慮極端自然災(zāi)害下電力系統(tǒng)抵御和恢復(fù)問題時(shí)，信息層主要包括利用各類傳感器和檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)的狀態(tài)感知，以及利用各種通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知信息和控制指令的傳輸，而緊急控制、恢復(fù)決策等高級(jí)應(yīng)用在平臺(tái)層中實(shí)現(xiàn)，其控制和決策結(jié)果通過信息層作用到物理系統(tǒng)，在物理層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的改變，如合閘操作、負(fù)荷轉(zhuǎn)供和維修等。

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)之間的強(qiáng)耦合關(guān)系可以保障電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。但是在極端災(zāi)害下，當(dāng)物理層發(fā)生線路故障或信息層出現(xiàn)信息延時(shí)和中斷時(shí)，這種強(qiáng)耦合關(guān)系會(huì)增加系統(tǒng)的脆弱度[13]，表現(xiàn)為故障在信息層和物理層之間傳播，從而進(jìn)一步擴(kuò)大災(zāi)害的影響。相反，為了提升電力系統(tǒng)彈性，則需要利用信息-物理之間耦合特性，挖掘信息層和物理層的靈活資源，通過他們之間的協(xié)同作用，提高電力系統(tǒng)對(duì)極端自然災(zāi)害的抵御能力和恢復(fù)能力。

目前，針對(duì)電力系統(tǒng)彈性提升策略的研究主要關(guān)注從物理層角度出發(fā)，通過元件強(qiáng)化和彈性資源調(diào)度等手段展開[5]，并未充分考慮信息-物理耦合特性。

因此，本文立足于電力信息物理耦合系統(tǒng)，從系統(tǒng)彈性提升的角度出發(fā)，首先從災(zāi)前災(zāi)中災(zāi)后三個(gè)時(shí)間維度以及源網(wǎng)荷儲(chǔ)四個(gè)方面總結(jié)電力系統(tǒng)彈性提升的研究現(xiàn)狀，分析電力系統(tǒng)信息層的特點(diǎn)及其對(duì)系統(tǒng)彈性的影響，之后結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研介紹電力系統(tǒng)中信息-物理耦合特性的研究方法。在此基礎(chǔ)上，從信息層面出發(fā)探討電力系統(tǒng)彈性提升關(guān)鍵技術(shù)，特別是先進(jìn)通信技術(shù)對(duì)彈性提升的潛力和可行性。最后總結(jié)歸納并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行展望。

1 電力系統(tǒng)彈性提升策略研究現(xiàn)狀

在災(zāi)害發(fā)生前后，由于其所處的外部環(huán)境的差異性，電力系統(tǒng)具有不同的階段性特征，因此，電力系統(tǒng)彈性提升策略研究一般從災(zāi)前、災(zāi)中和災(zāi)后三個(gè)階段進(jìn)行考慮。另一方面，從電力系統(tǒng)物理層面來看，現(xiàn)有的研究都是從源網(wǎng)荷儲(chǔ)的角度，通過元件強(qiáng)化或彈性資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)彈性的提升。本節(jié)將從這兩個(gè)維度介紹并歸納電力系統(tǒng)彈性提升策略的研究現(xiàn)狀。

1.1 “災(zāi)前-災(zāi)中-災(zāi)后”角度的彈性提升策略

結(jié)合電力系統(tǒng)的特點(diǎn)以及它對(duì)擾動(dòng)事件的反應(yīng)能力，提升電力系統(tǒng)恢復(fù)力可以從以下三個(gè)方面入手[10]：當(dāng)系統(tǒng)遭遇擾動(dòng)事件前針對(duì)其作出的準(zhǔn)備和預(yù)防；當(dāng)系統(tǒng)遭遇擾動(dòng)事件過程中系統(tǒng)對(duì)其抵御、響應(yīng)和適應(yīng)；當(dāng)系統(tǒng)遭遇擾動(dòng)事件后系統(tǒng)快速恢復(fù)到事先設(shè)定的期望正常狀態(tài)。

將電力系統(tǒng)恢復(fù)力提升策略以及相關(guān)的文獻(xiàn)從災(zāi)前、災(zāi)中和災(zāi)后三個(gè)方面進(jìn)行整理得到表1中的分類結(jié)果。

表1 不同階段下電力網(wǎng)彈性提升策略

在極端事件發(fā)生前，可以通過加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施和事前部署電力系統(tǒng)彈性資源兩個(gè)方面來提升彈性。在加強(qiáng)電力基礎(chǔ)設(shè)施方面需進(jìn)行電力系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)辨識(shí)與強(qiáng)化方案研究[15-20]。通過元件重要度評(píng)估，可以識(shí)別維持系統(tǒng)彈性所必需的關(guān)鍵元件，進(jìn)而確定系統(tǒng)各元件所處的風(fēng)險(xiǎn)水平以及對(duì)系統(tǒng)總體彈性的貢獻(xiàn)，指導(dǎo)電力系統(tǒng)加強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的建設(shè)、改進(jìn)恢復(fù)策略、提高防災(zāi)減災(zāi)資源分配的效率。在彈性資源的事前部署方面，主要討論自動(dòng)開關(guān)的投資和布點(diǎn)、維修人員和可移動(dòng)應(yīng)急發(fā)電資源的部署問題以及微網(wǎng)的事前調(diào)度策略，使得在災(zāi)后可以高效率地利用這些彈性資源以實(shí)現(xiàn)更多的負(fù)荷恢復(fù)[21-28]。

在極端災(zāi)害發(fā)生過程中，可進(jìn)行電力系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)，根據(jù)實(shí)時(shí)設(shè)備故障情況與系統(tǒng)失負(fù)荷情況，并調(diào)整系統(tǒng)的狀態(tài)以提高系統(tǒng)對(duì)于災(zāi)害的抵抗能力[29-31]。在信息獲取的基礎(chǔ)上制訂應(yīng)急預(yù)案，為提升電力系統(tǒng)彈性奠定基礎(chǔ)[32-35]。在緊急狀態(tài)下的控制策略方面，當(dāng)前的措施還是依賴傳統(tǒng)的三道防線，通過物理側(cè)的切機(jī)、切負(fù)荷以及更嚴(yán)重情況下的系統(tǒng)解列等措施保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[33]。

在系統(tǒng)受到極端災(zāi)害造成的擾動(dòng)之后，基于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分布式電源接入等特點(diǎn)，采用最優(yōu)的恢復(fù)策略，以最大限度地對(duì)負(fù)荷進(jìn)行恢復(fù)。在主網(wǎng)層，主要考慮發(fā)電機(jī)的重新調(diào)度和拓?fù)淝袚Q[36-39]。配電網(wǎng)通過調(diào)度靈活資源改變系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可以有效應(yīng)對(duì)極端事件對(duì)系統(tǒng)影響的時(shí)-空不均衡性和不確定性，如文獻(xiàn)[40]提出的動(dòng)態(tài)形成微網(wǎng)的方法。通過災(zāi)前對(duì)分布式電源進(jìn)行布點(diǎn)安裝，可在災(zāi)后快速恢復(fù)部分負(fù)荷。除了固定的分布式電源，可移動(dòng)性的應(yīng)急發(fā)電資源也提供了空間維度的靈活性。例如可通過調(diào)度電動(dòng)汽車、車載移動(dòng)儲(chǔ)能、移動(dòng)應(yīng)急發(fā)電車等移動(dòng)發(fā)電資源來進(jìn)行快速供電[41]。由于需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，柔性負(fù)荷作為一種靈活資源，在提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性方面具有重要作用[42]。對(duì)于極端事件后的負(fù)荷恢復(fù)，柔性負(fù)荷可以通過調(diào)節(jié)負(fù)荷水平從而使發(fā)電資源保障更多關(guān)鍵負(fù)載的持續(xù)供電能力。

1.2 “源網(wǎng)荷儲(chǔ)”角度的彈性提升策略

從系統(tǒng)運(yùn)行角度來說，電力系統(tǒng)中的靈活資源可分為源網(wǎng)荷儲(chǔ)四類?！霸础倍遂`活資源包括可控的發(fā)電機(jī)或半可控(如風(fēng)機(jī)、光伏等)的分布式電源，以及可移動(dòng)分布式電源(如移動(dòng)式應(yīng)急發(fā)電車等)。配電網(wǎng)中部署的微網(wǎng)(microgrid)作為一種有效管理分布式電源的組網(wǎng)方式，在其供電容量富裕的情況下也可以看作靈活資源。對(duì)于主網(wǎng)來說，“源”側(cè)資源還包括黑啟動(dòng)發(fā)電機(jī)。黑啟動(dòng)是電力系統(tǒng)恢復(fù)的首要且關(guān)鍵的階段，而黑啟動(dòng)的關(guān)鍵是黑啟動(dòng)電源的啟動(dòng)[44]?！熬W(wǎng)”側(cè)靈活資源包括輸電網(wǎng)中的備用傳輸線路，部署在配電網(wǎng)的自動(dòng)開關(guān)、手動(dòng)開關(guān)以及線路維修資源。在主網(wǎng)中通過閉合備用輸電線可以進(jìn)行拓?fù)渥儞Q并恢復(fù)輸電線路以減少負(fù)荷損失[36]，開關(guān)操作通過改變配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以在災(zāi)前做預(yù)先調(diào)整，同時(shí)在災(zāi)后對(duì)負(fù)荷恢復(fù)的策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而最大限度提高持續(xù)供電能力。線路維修本質(zhì)上也是拓?fù)渥兓囊环N，維修次序的決策體現(xiàn)了拓?fù)潇`活性。網(wǎng)側(cè)的靈活資源通過改變電網(wǎng)拓?fù)?，?yōu)化電能流向減少了負(fù)荷損失，使極端事件后有限的發(fā)電資源能夠更有效的供給關(guān)鍵負(fù)荷?！昂伞倍遂`活資源包括由需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)帶來的可控柔性負(fù)荷，以及用戶對(duì)于停電時(shí)間差異化容忍程度帶來的的靈活性[45]。負(fù)荷側(cè)的靈活性可以將極端事件后緊缺的發(fā)電資源進(jìn)行更有效的分配。“儲(chǔ)”側(cè)靈活資源包括部署在配電網(wǎng)中的集中式儲(chǔ)能、分布式儲(chǔ)能、以及可移動(dòng)儲(chǔ)能。此外，電動(dòng)汽車及配套的充電站在滿足一定條件時(shí)也可以看作是靈活資源。

從上述分析可以看出，源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)的靈活資源從不同角度發(fā)揮作用，有效提高負(fù)荷恢復(fù)水平。其中拓?fù)潇`活性是關(guān)鍵橋梁，主要表現(xiàn)在：1)對(duì)于源端的分布式電源，需要通過拓?fù)溥B接關(guān)系將不同資源靈活搭配，從而對(duì)靈活發(fā)電資源(如光伏、風(fēng)電以及移動(dòng)發(fā)電資源等)充分利用，達(dá)到協(xié)同配合效果。2)對(duì)于荷端的柔性負(fù)荷，拓?fù)涞撵`活性可以將其與關(guān)鍵負(fù)荷以及分布式發(fā)電資源有效組合，從而發(fā)揮柔性負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用，讓關(guān)鍵負(fù)荷得到更多的持續(xù)供電；而用戶對(duì)于停電時(shí)間容忍度的靈活性，可以通過拓?fù)潇`活性以及移動(dòng)發(fā)電資源的空間靈活性的協(xié)同，最小化用戶的停電損失。3)對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)，拓?fù)潇`活性可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與其他分布式電源的配合，發(fā)揮儲(chǔ)能充/放電靈活調(diào)節(jié)、快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)。源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源通過時(shí)空多維度協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整。利用資源全息感知、多源數(shù)據(jù)融合及管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)靈活資源的調(diào)度控制，可以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[46]。

綜上所述，從物理層面來說，電網(wǎng)彈性的提升有兩類方法，一類是從基礎(chǔ)設(shè)施角度(infrastructure resilience)出發(fā)，提升系統(tǒng)元件的強(qiáng)度或改變?cè)O(shè)計(jì)規(guī)范，例如加固桿塔、架空線改為地下電纜、變電站加設(shè)防水圍墻或重新選址等。此類方法主要是提高配電網(wǎng)承受擾動(dòng)和沖擊的能力從而提升恢復(fù)力。前面所提到的災(zāi)前的薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別和強(qiáng)化策略即是基于基礎(chǔ)設(shè)施角度的提升方法。另一類方法是從運(yùn)行角度(operational resilience)出發(fā)，利用系統(tǒng)中源網(wǎng)荷儲(chǔ)四類靈活資源和可控元件改變系統(tǒng)運(yùn)行方式來提升彈性，例如網(wǎng)架重構(gòu)、微網(wǎng)運(yùn)行、分布式電源應(yīng)急供電、線路維修等。災(zāi)前的彈性資源部署、災(zāi)中根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整應(yīng)急策略、災(zāi)后的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和彈性資源的調(diào)度均是從運(yùn)行角度出發(fā)來提升系統(tǒng)彈性的。可見，電力網(wǎng)彈性提升策略具備時(shí)空多維度協(xié)同特性，可從多個(gè)角度進(jìn)行總結(jié)，圖1從多個(gè)角度描述了電力網(wǎng)絡(luò)彈性提升策略的時(shí)空特性。

圖1 電力網(wǎng)絡(luò)彈性提升Fig.1 Resilience enhancement of power grid

2 信息層對(duì)電力系統(tǒng)彈性的影響

電力系統(tǒng)的信息層主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知和信息的傳遞，相當(dāng)于電力系統(tǒng)的“感覺器官”和“神經(jīng)傳導(dǎo)系統(tǒng)”，決定了電力系統(tǒng)物理層運(yùn)行控制決策的實(shí)施。當(dāng)電力系統(tǒng)面對(duì)極端災(zāi)害時(shí)，信息層的這兩個(gè)功能則直接影響了電力系統(tǒng)抵御和恢復(fù)能力。本小節(jié)從信息層的這兩個(gè)功能出發(fā)，通過介紹電力系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知和通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析信息層對(duì)電力系統(tǒng)彈性的影響。

2.1 災(zāi)害下的電力系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知研究現(xiàn)狀

電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知指的是對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及影響電力一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的各類因素進(jìn)行采集和分析，理解和掌握電網(wǎng)的安全狀態(tài)及運(yùn)行規(guī)律，并以此預(yù)測(cè)電網(wǎng)未來的運(yùn)行軌跡[47]。在電力系統(tǒng)面對(duì)極端災(zāi)害時(shí)，電力系統(tǒng)物理層面運(yùn)行控制策略的有效實(shí)施(如緊急控制、負(fù)荷恢復(fù))與掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)緊密相關(guān)。所以，態(tài)勢(shì)感知的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)電力系統(tǒng)快速有序的恢復(fù)產(chǎn)生著重要的影響。

一般來說，電力網(wǎng)故障信息可通過氣象數(shù)據(jù)、量測(cè)數(shù)據(jù)和用戶側(cè)的反饋數(shù)據(jù)獲得[48]。

1)氣象數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)主要是將氣象信息與電網(wǎng)的故障評(píng)估相結(jié)合，得到評(píng)價(jià)電網(wǎng)故障概率的天氣指標(biāo)。評(píng)估方法可分為元件級(jí)評(píng)估方法和系統(tǒng)級(jí)評(píng)估方法。元件級(jí)損壞評(píng)估方法旨在評(píng)估天氣如何影響配電網(wǎng)的每個(gè)獨(dú)立元件。通過故障概率模型，使用脆弱性曲線將元件故障概率表示為臺(tái)風(fēng)風(fēng)速[49]等天氣指標(biāo)的函數(shù)。將氣象預(yù)測(cè)信息與配電網(wǎng)元件的地理信息系統(tǒng)(GIS)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以預(yù)測(cè)特定位置的天氣狀況。使用脆弱度曲線得到電網(wǎng)組件的潛在損壞和可用性。與元件級(jí)評(píng)估方法不同，系統(tǒng)級(jí)評(píng)估方法針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和區(qū)域的特征，使用統(tǒng)計(jì)模型來評(píng)估系統(tǒng)區(qū)域故障風(fēng)險(xiǎn)[50]。通過該評(píng)估可以估計(jì)停電規(guī)模和恢復(fù)時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)高效和有效的應(yīng)急響應(yīng)規(guī)劃。

2)量測(cè)數(shù)據(jù)。

我國(guó)電網(wǎng)按照“分層分區(qū)、全面監(jiān)視”要求，依托監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)、同步相量測(cè)量單元(phasor measurement unit,PMU)、設(shè)備集中監(jiān)視等技術(shù)，各級(jí)調(diào)控機(jī)構(gòu)對(duì)調(diào)管范圍內(nèi)的電網(wǎng)運(yùn)行相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。在輸電側(cè)，獲取量測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)備包括輸電網(wǎng)的遠(yuǎn)動(dòng)終端(remote terminal unit, RTU)、PMU。RTU是設(shè)置在各發(fā)電廠和變電站的通信單元，它可以采集電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)信息，通過信道傳輸?shù)秸{(diào)控中心主站，主站根據(jù)收集到的全局信息，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全性分析、經(jīng)濟(jì)調(diào)度和事故異常處理等。PMU通過采集海量數(shù)據(jù)來評(píng)估和預(yù)測(cè)電網(wǎng)的運(yùn)行軌跡，在大型輸電網(wǎng)中大量配備[51-52]。利用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)的同步功能，配合輸電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)技術(shù)，通過PMU可以得到較為精確的系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息[53]。

近年來，各國(guó)都在大力推動(dòng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，而配電自動(dòng)化領(lǐng)域的投資在智能電網(wǎng)建設(shè)投資中的占比很大。配電自動(dòng)化技術(shù)和先進(jìn)量測(cè)設(shè)備的不斷發(fā)展，使得配電網(wǎng)的恢復(fù)變得更加可觀和可控。美國(guó)能源部在其項(xiàng)目研究報(bào)告中闡述了這些技術(shù)和設(shè)備給電網(wǎng)帶來的優(yōu)勢(shì)和益處。

故障指示設(shè)備一般包括熔斷器(CBs)、饋線終端單元(FTUs)、故障指示器等。故障指示器包括兩類，一類是通過就地線路電流大小判斷故障，并通過線路故障標(biāo)識(shí)翻牌和二極管發(fā)光指示故障位置的傳感器，這類故障信息的獲取只能依靠人工檢查；另一類遠(yuǎn)程故障指示器可以將告警信息和故障位置遠(yuǎn)程通過SCADA系統(tǒng)發(fā)送到控制中心，操作員可以使用此信息快速定位故障點(diǎn)。文獻(xiàn)[54]和文獻(xiàn)[55]分別基于故障電流方向和故障指示器的狀態(tài)來進(jìn)行故障電路的快速識(shí)別。但是在災(zāi)難發(fā)生過程中，由于這些設(shè)備或基礎(chǔ)通信系統(tǒng)的損壞，例如SCADA，來自這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)可能會(huì)變得不可靠，從而對(duì)電網(wǎng)后續(xù)的控制和狀態(tài)改變產(chǎn)生不好的影響。

智能電表主要通過底層的雙向通信系統(tǒng)來獲取停電信息。通過這些信息可以確定用戶端的停電或損壞情況,進(jìn)而有助于停電區(qū)域的定位和災(zāi)害評(píng)估?，F(xiàn)在已有許多有關(guān)智能電表識(shí)別停電位置的研究[56-57]。然而，與SCADA系統(tǒng)類似，用于智能電表的底層雙向通信系統(tǒng)也容易受到災(zāi)害的影響導(dǎo)致智能電表數(shù)據(jù)不可用。

微相量測(cè)量單元(μPMU)是一種新的用于配電系統(tǒng)的同步相量測(cè)量設(shè)備，由美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃署(ARPA-E)[58]資助，它可以提供更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

3)用戶側(cè)反饋數(shù)據(jù)。

除了通過量測(cè)單元獲取電網(wǎng)的狀態(tài)以外，電力部門還可以根據(jù)用戶側(cè)反饋(如用戶的故障呼叫電話)來確定災(zāi)后停電區(qū)域，停電管理系統(tǒng)可以將電話號(hào)碼匹配到特定的用戶位置，并以此識(shí)別相應(yīng)饋線上的變壓器和保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)測(cè)保護(hù)裝置的動(dòng)作[48]。然而，這種故障呼叫的方法準(zhǔn)確性取決于災(zāi)害發(fā)生時(shí)通信的可用性，通信技術(shù)是否可用是災(zāi)害期間面臨的一個(gè)很重要的問題，因?yàn)樗鼤?huì)直接影響電話系統(tǒng)的可靠性。

在獲取氣象數(shù)據(jù)信息、一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的量測(cè)結(jié)果和用戶側(cè)反饋的信息之后，通過數(shù)據(jù)融合的手段可以將這些在表征形式和物理意義上有較大差別的信息源整合在一起，提高對(duì)災(zāi)后電網(wǎng)受損狀態(tài)的態(tài)勢(shì)感知，從而獲取更為準(zhǔn)確的電網(wǎng)故障情況[59-61]。

2.2 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)

電力通信網(wǎng)絡(luò)作為電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的專用通道，它要保證電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，要盡快把故障信息返回到監(jiān)視界面，給調(diào)度人員提供判斷依據(jù)，使電網(wǎng)能夠快速恢復(fù)。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足可靠性、安全性、低延時(shí)以及帶寬要求，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下需要選擇合適的通信網(wǎng)絡(luò)框架。

弗吉尼亞理工大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的團(tuán)隊(duì)研究了智能電網(wǎng)中不同應(yīng)用場(chǎng)景下的通信網(wǎng)絡(luò)信息要求[62]。在配電網(wǎng)中，需要通過智能電表、需求側(cè)響應(yīng)和配電自動(dòng)化設(shè)備獲取實(shí)時(shí)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息，并將它們從大量用戶/現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳輸?shù)脚潆姽芾碇行?變電站。因此，所使用的通信技術(shù)需要具備較高傳輸速率(100 kbps～10 mbps)和較遠(yuǎn)的傳輸距離(高達(dá)10 km)。一般可以通過紫蜂無線網(wǎng)絡(luò)(ZigBee)、Wi-Fi、PLC以及WiMAX、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字用戶線(DSL)和同軸電纜等長(zhǎng)距離有線和無線技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鄰域網(wǎng)(neighborhood area networks,NAN)和區(qū)域網(wǎng)(field area net-work,FAN)的部署。在輸電側(cè)為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和控制，需要對(duì)輸電網(wǎng)進(jìn)行廣域的控制、保護(hù)和監(jiān)測(cè)，其通信技術(shù)需要支持更快的數(shù)據(jù)傳輸率(10 Mbps～1 Gbps)和更遠(yuǎn)的傳輸距離(高達(dá)100 km)。而光纖通信具有高容量、低延時(shí)的特點(diǎn)，廣泛用作輸配變電站和控制中心的傳輸媒介，此外，蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WiMAX由于其覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)吞吐量高的特點(diǎn)也得到了較為廣泛的應(yīng)用，而衛(wèi)星通信常作為遠(yuǎn)程窄帶通信的備用方式。

美國(guó)能源部電力辦公室在2016年的一個(gè)SGIG項(xiàng)目研究結(jié)果表明[63]，國(guó)外大多數(shù)電力公司至少使用兩層通信系統(tǒng)，維持現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與信息控制系統(tǒng)之間的通信。網(wǎng)絡(luò)第一層主要解決變電站和配電管理系統(tǒng)(distribution management system，DMS)之間的通信問題。一部分公司選擇使用現(xiàn)有的SCADA通信系統(tǒng)，另一些SGIG公司選擇高速光纖與微波通信系統(tǒng)，而其他公司則選擇與第三方電信供應(yīng)商簽訂高速蜂窩網(wǎng)絡(luò)合同。網(wǎng)絡(luò)的第二層主要是解決變電站和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信問題，很多公司選擇在此層使用不同形式的無線網(wǎng)絡(luò)，包括射頻網(wǎng)(radio frequency mesh)和Wi-Fi。

在國(guó)內(nèi)，配電網(wǎng)通信技術(shù)主要分為有線(光纖工業(yè)以太網(wǎng)、配電線載波等)和無線兩類，兩種方式各有優(yōu)劣，適用場(chǎng)景側(cè)重不同。由于光纖通信技術(shù)具有傳輸速率高、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)中，一般采用以光纖通信為主、無線通信或配電線載波等方式為輔的模式[64]。對(duì)于輸電網(wǎng)，其通信方案可分為有線(光纖)傳輸、無線傳輸、混合組網(wǎng)三種，在不同的場(chǎng)景下發(fā)揮著各自不同的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[65]提出了以光纖通信為主、WiFi和4G通信輔助的混合自組網(wǎng)通信技術(shù)，此方案保障了通信傳輸通道的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性。

相對(duì)于有線方式，無線傳輸方式可以進(jìn)行更加便捷的分布式采集，但是由于無線方式容易受到外部干擾和惡意攻擊，所以電力系統(tǒng)中密級(jí)度高的電力控制信息的傳輸仍依靠光纖通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)[66]。

通信網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，在災(zāi)害發(fā)生后，輸電網(wǎng)的緊急控制，配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)自愈恢復(fù)功能等都離不開通信網(wǎng)絡(luò)的支撐。因此，電力通信網(wǎng)發(fā)生任何故障都可能對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。

2.3 電力系統(tǒng)信息層對(duì)系統(tǒng)彈性的影響

隨著電網(wǎng)智能化水平的提高，電力網(wǎng)和信息網(wǎng)的耦合程度越來越高。作為電力系統(tǒng)的“感覺器官”和“神經(jīng)傳導(dǎo)系統(tǒng)”，信息層直接影響了極端自然災(zāi)害下電力系統(tǒng)抵御和恢復(fù)能力。一方面，信息層在災(zāi)中會(huì)影響系統(tǒng)的抵御能力。由于信息物理的耦合性，由極端災(zāi)害導(dǎo)致的故障可能在信息層和物理層之間傳播，進(jìn)而擴(kuò)大災(zāi)害的影響范圍；同時(shí)，由于信息層的故障，使得系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)原本能通過緊急控制避免一些故障場(chǎng)景的功能。另一方面，信息層在災(zāi)后會(huì)影響系統(tǒng)快速恢復(fù)能力，因?yàn)殡娋W(wǎng)的控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備依賴于通信基礎(chǔ)設(shè)施。災(zāi)后的通信服務(wù)失效將可能導(dǎo)致電網(wǎng)狀態(tài)信息丟失，進(jìn)而大大延遲故障檢測(cè)和恢復(fù)過程。因?yàn)閺哪撤N意義上講，通信失效之后電力部門需要派遣工作人員到現(xiàn)場(chǎng)獲取元件運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行手動(dòng)操作。另外，由于災(zāi)害會(huì)影響本地控制器和傳感器/執(zhí)行器的可用性，導(dǎo)致信息層面對(duì)系統(tǒng)的感知能力下降，進(jìn)而影響恢復(fù)決策的有效性。可見，電力層與信息層之間深度耦合的關(guān)系給電網(wǎng)彈性提升帶來了更大的挑戰(zhàn)。

3 電力信息物理耦合特性研究方法

電力信息耦合系統(tǒng)的復(fù)雜性和異質(zhì)性使得運(yùn)行控制變得極為復(fù)雜。電力系統(tǒng)運(yùn)行的高效性提升的同時(shí)，其面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)也在增加。要提高電力信息物理耦合系統(tǒng)的彈性，不僅要考慮單個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施，還要考慮它們?cè)诠收虾突謴?fù)過程中對(duì)彼此的影響。然而，相比于單一的電力網(wǎng)或信息網(wǎng)的恢復(fù)力提升，現(xiàn)階段將兩者結(jié)合的研究不多。兩個(gè)領(lǐng)域之間的相互依賴關(guān)系帶來了建模和仿真方面的挑戰(zhàn)。本節(jié)主要關(guān)注于現(xiàn)有的相關(guān)研究工作和進(jìn)展，并指出了這些工作的優(yōu)勢(shì)和不足，以及未來潛在的研究方向。

3.1 分析模型

這些模型將電力網(wǎng)和信息網(wǎng)映射成數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)(圖形、數(shù)學(xué)方程等)，其基本思想是使用一個(gè)圖來建模電力物理空間，另一個(gè)圖來建模信息空間。圖2給出了表征物理層和通信層映射關(guān)系的一個(gè)例子，其中一個(gè)電力節(jié)點(diǎn)可以與多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)連接，表示一個(gè)電力節(jié)點(diǎn)可以給多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)提供電能，而一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)只能給一個(gè)電力節(jié)點(diǎn)提供信息服務(wù)。文獻(xiàn)[67]中Banerjee等人從電力網(wǎng)和通信網(wǎng)之間相互依賴性的建模角度出發(fā)，介紹了五個(gè)基于圖的數(shù)學(xué)模型并說明了它們各自的局限性，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于布爾表達(dá)式的建模方法。更多的建模分析方法列于表2中。

圖2 信息物理網(wǎng)耦合關(guān)系示意圖Fig.2 Illustration of cyber-physical integration

表2中的文獻(xiàn)大多都使用了電力網(wǎng)和通信網(wǎng)之間的映射圖形來表征兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的耦合關(guān)系。由于其映射關(guān)系比較抽象，網(wǎng)絡(luò)圖中的頂點(diǎn)無法完全覆蓋電力系統(tǒng)或通信網(wǎng)絡(luò)中的電力元件和通信節(jié)點(diǎn)，從而無法完全表征兩個(gè)物理實(shí)體系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互依賴關(guān)系。然而，建立過于復(fù)雜的分析模型會(huì)增加問題求解的復(fù)雜度。在分析模型的基礎(chǔ)上，如何結(jié)合其他方法建立更加有效的信息物理耦合模型是未來研究的關(guān)鍵問題。

表2 電力-信息耦合系統(tǒng)的分析模型

3.2 仿真模型

仿真模型即通過仿真進(jìn)行大量重復(fù)執(zhí)行/模擬后獲得不同參數(shù)配置下的定量結(jié)果。仿真是用于研究電力網(wǎng)和通信網(wǎng)之間耦合關(guān)系的另一種方法，通過仿真平臺(tái)建模研究實(shí)際系統(tǒng)特性的變化過程。在聯(lián)合仿真框架中，電力仿真模塊為電力控制器、發(fā)電機(jī)、電源開關(guān)、負(fù)載、輸電線路等建模，并計(jì)算每個(gè)固定時(shí)間步長(zhǎng)下的系統(tǒng)狀態(tài)(如電流、電壓、功率)。通信網(wǎng)絡(luò)仿真模塊為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、協(xié)議、拓?fù)浜土髁拷＃⒛M數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^程。電力和通信系統(tǒng)之間的聯(lián)系包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向控制中心發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，控制中心向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送控制消息，以及這些信息的傳達(dá)。

現(xiàn)在已有大量的用于電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的仿真工具，將兩類工具相互協(xié)同組合成聯(lián)合仿真框架，可用來評(píng)估系統(tǒng)的耦合特性和恢復(fù)能力。對(duì)于電力系統(tǒng)來說，國(guó)外常用的電力網(wǎng)仿真工具包括RTDS、PowerWorld、PowerFlow、PSCAD/EMTDC、PSS/E和Adevs、PSLF、OpenDSS等等[13]。其中，RTDS是實(shí)時(shí)硬件系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)使用比較廣泛的兩類電力網(wǎng)仿真工具包括PSASP、PSS/E、PSD-BPA、PSCAD/EMTDC和基于MATLAB的MATPOWER等。對(duì)于通信系統(tǒng)來說，通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)包括NS2[72]、OPNET[73]、NS3[74]、Mininet[75]和RINSE[76]等。其中，OPNET、Mininet和RINSE支持實(shí)時(shí)仿真。

在進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)，對(duì)仿真系統(tǒng)間時(shí)間同步性和實(shí)時(shí)性的要求較高，以保證電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間正確有效交互，這也是當(dāng)前聯(lián)合仿真平臺(tái)所面臨的挑戰(zhàn)。在同步性方面，電力網(wǎng)絡(luò)是連續(xù)時(shí)間模型而通信系統(tǒng)是離散事件模型，這種差異會(huì)導(dǎo)致各仿真軟件在仿真時(shí)間上的不同步。在實(shí)時(shí)性方面，近年來大型并行式高速仿真器的出現(xiàn)，極大地推動(dòng)了實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的發(fā)展，但電力網(wǎng)和信息網(wǎng)仿真工具之間數(shù)據(jù)交互的固有延時(shí)依然會(huì)對(duì)仿真產(chǎn)生一定的影響[77]。

3.3 實(shí)證研究

這部分主要是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中涉及電力和通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施故障案例進(jìn)行總結(jié)，來說明電力信息耦合系統(tǒng)發(fā)生故障和恢復(fù)的實(shí)際過程。這些案例具有很高的真實(shí)性，可以用來說明基礎(chǔ)設(shè)施之間的相互依賴關(guān)系。案例的研究結(jié)果對(duì)于分析模型的建立和仿真平臺(tái)的構(gòu)建具有一定的參考意義。

文獻(xiàn)[78]給出了2004年佛羅里達(dá)州遭受颶風(fēng)災(zāi)害時(shí)多種基礎(chǔ)設(shè)施(如電力、通信、水力和交通)之間由于相互依賴關(guān)系造成的故障案例。研究結(jié)果表明，一個(gè)系統(tǒng)的故障將導(dǎo)致依賴于它的其他系統(tǒng)的故障，從而給自身帶來更多的負(fù)面影響。文獻(xiàn)[79]研究了2010年發(fā)生在智利莫爾的地震和2011年日本東京的地震，研究結(jié)果表明，這兩個(gè)地方通信設(shè)施故障的原因之一是大停電和缺乏應(yīng)急發(fā)電機(jī)?；诂F(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)，文中又提出了“耦合強(qiáng)度”量化指標(biāo)來刻畫基礎(chǔ)設(shè)施之間的依賴強(qiáng)度。文獻(xiàn)[80]對(duì)2008年雪災(zāi)后中國(guó)北部進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，提出了一套評(píng)估框架來評(píng)價(jià)電力故障對(duì)其他基礎(chǔ)設(shè)施(包括通信、交通、水、石油/天然氣)的影響。該框架包含兩個(gè)量化指標(biāo)來刻畫基礎(chǔ)設(shè)施受到破壞后的嚴(yán)重性和影響范圍。文獻(xiàn)[81]討論了基于2012年美國(guó)東海岸的桑迪颶風(fēng)，通過實(shí)地信息的采集描述了通信網(wǎng)絡(luò)因電源的故障而中斷服務(wù)的過程，并且提出利用微電網(wǎng)來提高通信系統(tǒng)的可用性。除了自然災(zāi)害，文獻(xiàn)[82]討論了基于2015年烏克蘭電網(wǎng)受到的虛假數(shù)據(jù)注入攻擊，描述了在網(wǎng)絡(luò)攻擊下通信對(duì)于其他基礎(chǔ)設(shè)施的影響，體現(xiàn)了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的重要性。

綜上所述，分析模型給描述電力和通信網(wǎng)之間的關(guān)系提供了一種抽象的建模方法，模型的簡(jiǎn)化性使得問題可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述并可以開發(fā)相關(guān)的算法以解決問題。而聯(lián)合仿真平臺(tái)給電力通信系統(tǒng)提供了一種更加接近系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況的定量研究方法。在未來的研究中，可以將分析模型和聯(lián)合仿真平臺(tái)結(jié)合，提供更加有效的解決方案。

4 電力信息物理系統(tǒng)的彈性提升

電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)取決于信息系統(tǒng)的信息輸入，而信息系統(tǒng)的控制決策指令又取決于物理層面電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可見信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)是強(qiáng)耦合的。上一節(jié)分析了電力系統(tǒng)物理層與信息層之間的相互耦合性并歸納了相關(guān)的研究方法，在此基礎(chǔ)上，本小節(jié)將對(duì)現(xiàn)有CPPS彈性提升方法進(jìn)行歸納總結(jié)，并分析利用先進(jìn)應(yīng)急通信技術(shù)賦能電力系統(tǒng)彈性提升的潛力和可行性。

4.1 CPPS彈性提升策略

CPPS的彈性提升同樣可以從“災(zāi)前”、“災(zāi)中”和“災(zāi)后”進(jìn)行分析，相關(guān)的提升策略歸納總結(jié)在表3中。表3中的文獻(xiàn)體現(xiàn)了通信網(wǎng)對(duì)于電力系統(tǒng)彈性提升策略的重要性，但大多數(shù)都是以電力網(wǎng)為主體來分析的，其通信網(wǎng)本身的物理特性被弱化，無法從整體角度刻畫電力系統(tǒng)彈性提升的作用。在電力系統(tǒng)彈性評(píng)估中如何分析電力系統(tǒng)的信息物理耦合特性，以及在系統(tǒng)彈性提升中如何協(xié)同利用信息層面和物理層面的資源，是目前尚未解決的問題。未來應(yīng)考慮從全局角度研究電力信息物理耦合系統(tǒng)的彈性提升方案。

表3 CPPS彈性提升策略總結(jié)

4.2 先進(jìn)應(yīng)急通信技術(shù)賦能電力系統(tǒng)彈性提升的潛力和可行性分析

現(xiàn)階段已有大量文獻(xiàn)從物理層研究電力系統(tǒng)的恢復(fù)策略，但是，如何從信息層提升電力系統(tǒng)恢復(fù)的研究較少。本小節(jié)將從無線應(yīng)急通信的角度來探討通信網(wǎng)資源如何賦能電力系統(tǒng)彈性提升。

當(dāng)發(fā)生極端自然災(zāi)害時(shí)，大量基礎(chǔ)通信設(shè)施遭到破壞，需要一種高效率的臨時(shí)恢復(fù)方案來應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，而無線通信在這其中扮演著重要的角色。無線網(wǎng)絡(luò)的按需部署將減少網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)間，為救援人員提供必要的通信支持，以有效地執(zhí)行幫助和救援服務(wù)。

傳統(tǒng)無線應(yīng)急通信通常采用應(yīng)急通信車的方式，但是發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的情況下，如塌方、山體滑坡、地震以及海域覆蓋等極端場(chǎng)景下，移動(dòng)通信車難以部署；另外，移動(dòng)應(yīng)急車的桅桿高度有一定限制，導(dǎo)致天線投射面積有限。因此，需要開發(fā)具有更好靈活性和移動(dòng)性的通信設(shè)備來滿足應(yīng)急通信需要。近些年來，無人機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)和國(guó)外展開了對(duì)無人機(jī)基站的研究工作，從理論研究到實(shí)際應(yīng)用都取得了一系列成果。無人機(jī)基站具有高可靠的視距鏈路和靈活部署的能力，具有自主移動(dòng)和懸浮在受影響地區(qū)的能力，為受災(zāi)地區(qū)的無線通信提供了一個(gè)快速和可靠的替代方案。

無人機(jī)憑借優(yōu)良的移動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性以及組網(wǎng)能力，在很多通信系統(tǒng)中承當(dāng)著重要角色。主要包括三個(gè)方面[93]：利用無人機(jī)實(shí)現(xiàn)通信覆蓋：無人機(jī)可以被派遣到通信需求較高的地方，與已有的通信基礎(chǔ)設(shè)施共同組網(wǎng)；利用無人機(jī)做中繼：在用戶之間沒有可靠的直連通信鏈路的情況下，為他們提供無線通信服務(wù)；利用無人機(jī)進(jìn)行信息傳播和收集。

在基于無人機(jī)的通信網(wǎng)絡(luò)部署方面，已有大量研究提出了用于災(zāi)害緊急通信的空中移動(dòng)基站的快速部署和調(diào)度方案。表4中給出了對(duì)于無人機(jī)基站部署問題的優(yōu)化模型，其主要目標(biāo)是考慮用戶的移動(dòng)性和無線通信網(wǎng)絡(luò)約束以最大化無人機(jī)所覆蓋的用戶范圍。另外，考慮到能源效率，在提升無人機(jī)通信效率方面也有大量的研究。關(guān)于無人機(jī)基站在實(shí)際中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)和國(guó)外已經(jīng)取得了一系列研究成果。表5中總結(jié)了近幾年出現(xiàn)的較為知名的無人機(jī)基站平臺(tái)和項(xiàng)目。

表4 基于無人機(jī)的通信網(wǎng)絡(luò)部署方法

表5 無人機(jī)基站項(xiàng)目

上述研究和項(xiàng)目中，移動(dòng)通信的應(yīng)用主要是為了解決受災(zāi)人群的通信問題。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，移動(dòng)應(yīng)急通信對(duì)于故障評(píng)估、災(zāi)后搶修工作、配電自動(dòng)化功能的恢復(fù)等方面也能發(fā)揮重要的作用。

首先，無人機(jī)應(yīng)急通信能夠協(xié)同電力系統(tǒng)故障評(píng)估。無人機(jī)可以自主飛行，對(duì)損壞設(shè)備進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位，并將信息傳遞給地面控制中心，以便展開后續(xù)恢復(fù)工作。近幾年，相關(guān)研究也逐漸興起。文獻(xiàn)[102]研究了無人機(jī)在配電網(wǎng)故障定位方面的應(yīng)用，用以解決在山地或森林無法得到通信覆蓋的故障指示器的通信問題。文獻(xiàn)[103]研究了用于電力系統(tǒng)故障評(píng)估的無人機(jī)災(zāi)前部署和災(zāi)后的路徑規(guī)劃問題。這些研究體現(xiàn)了無人機(jī)在電力系統(tǒng)恢復(fù)力領(lǐng)域的強(qiáng)大潛力。

其次，移動(dòng)通信在電力系統(tǒng)恢復(fù)過程中保障搶修工作的高效性有著重要的作用。應(yīng)急通信技術(shù)可以提供災(zāi)害過程中的線路故障預(yù)警、負(fù)荷損失情況以及災(zāi)后故障元件所處地區(qū)的氣象和地形信息，以供系統(tǒng)工作人員對(duì)維修資源進(jìn)行調(diào)配。2017年，在四川九寨溝7.0級(jí)地震災(zāi)害中，中國(guó)移動(dòng)便運(yùn)用無人機(jī)高空基站及時(shí)地保障了應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍以及災(zāi)民的通信需求。2018年9月，臺(tái)風(fēng)“山竹”襲擊廣東，抗災(zāi)搶險(xiǎn)應(yīng)急中，廣東電網(wǎng)肇慶供電局研發(fā)的廣東電網(wǎng)首臺(tái)“4G+微波+衛(wèi)星”三合一的應(yīng)急通信指揮車，利用多元信號(hào)通道傳輸技術(shù)，通過多種網(wǎng)絡(luò)手段將現(xiàn)場(chǎng)狀況實(shí)時(shí)回傳應(yīng)急管理中心，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程全方位統(tǒng)一指揮、搶險(xiǎn)資源快速調(diào)配、施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的可視化管理。可見，移動(dòng)應(yīng)急通信在保證電網(wǎng)災(zāi)后搶修工作的高效性，提升電力系統(tǒng)彈性方面有著重要的作用。

此外，應(yīng)急通信技術(shù)在應(yīng)對(duì)極端事件后電力系統(tǒng)恢復(fù)自動(dòng)化方面具有強(qiáng)大的潛力。首先，在配電自動(dòng)化系統(tǒng)的恢復(fù)方面，無線應(yīng)急通信技術(shù)可以起到很大的作用。配電管理系統(tǒng)是從變電、配電到用電過程的監(jiān)視、控制和管理的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。整個(gè)配電系統(tǒng)依賴于高可靠和低延時(shí)的信息傳輸。故障發(fā)生后，需要及時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行故障定位、故障隔離和負(fù)荷轉(zhuǎn)供。然而，極端災(zāi)害導(dǎo)致部分通信媒介和地面基站被破壞，無法快速準(zhǔn)確獲取線路數(shù)據(jù)，也無法將指令順利傳達(dá)到饋線自動(dòng)化設(shè)備上。而此時(shí)自動(dòng)化終端設(shè)備由于備用電源的支持能夠保持一段時(shí)間的通信能力，因此，如果借助無線應(yīng)急基站(包括地面移動(dòng)通信車和空中無人機(jī)應(yīng)急基站)提供應(yīng)急通信服務(wù)，在這段“黃金時(shí)間”通過配電自動(dòng)化功能快速恢復(fù)供電，則可以有效提升配電網(wǎng)彈性；否則，若未能在這段時(shí)間恢復(fù)供電導(dǎo)致配電終端的備用電源耗盡而失去通信功能，則不得不依賴人工方式進(jìn)行恢復(fù)，大大延緩了恢復(fù)過程。由上述分析可知，在極端災(zāi)害發(fā)生后配電自動(dòng)化的通信系統(tǒng)比較脆弱，信息物理耦合特性還會(huì)加劇系統(tǒng)的脆弱。然而，在使用無線應(yīng)急基站逐步恢復(fù)整個(gè)配電系統(tǒng)時(shí)，這種耦合特性可以提高系統(tǒng)的恢復(fù)效率。

近幾年來，隨著第5代移動(dòng)通信技術(shù)(5th generation mobile networks，5G通信)的快速發(fā)展，5G高速率、高容量、高可靠性以及低延時(shí)和低能耗的特點(diǎn)，為網(wǎng)絡(luò)性能配置提供了靈活的配置空間，高質(zhì)量的通信服務(wù)使得基于5G的應(yīng)急通信系統(tǒng)在未來應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)中具有廣闊前景。

從上述分析可見，先進(jìn)應(yīng)急通信技術(shù)(包括無人機(jī)應(yīng)急基站和5G通信技術(shù))對(duì)于電力系統(tǒng)彈性的提升至關(guān)重要。先進(jìn)的應(yīng)急通信技術(shù)，可以代替原來的信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知和信息傳遞的功能，保障極端災(zāi)害下物理層運(yùn)行策略的有效實(shí)施。

5 未來展望

綜上所述，在物理層方面，現(xiàn)有研究對(duì)電力傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)化以及利用各類彈性資源在系統(tǒng)運(yùn)行層面提升彈性進(jìn)行了深入的探索，但是對(duì)于信息層彈性資源的挖掘還不夠深入，對(duì)于信息物理耦合下的電力系統(tǒng)彈性提升策略的研究還存在以下幾點(diǎn)局限性：

1)信息層的作用體現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)的感知能力和對(duì)信息傳遞能力，直接會(huì)影響電力系統(tǒng)在物理層面的抵御能力和恢復(fù)能力，在災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后，信息層作用的發(fā)揮也不盡相同。如何揭示在災(zāi)害不同階段信息層如何與物理層相互作用，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的彈性，目前缺乏有效的分析方法，是彈性評(píng)估中考慮信息物理耦合特性的關(guān)鍵難點(diǎn)。

2)信息層在災(zāi)前主要發(fā)揮預(yù)警的功能：預(yù)測(cè)和評(píng)估災(zāi)害對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，包括指導(dǎo)應(yīng)急物資的調(diào)配，完成系統(tǒng)的預(yù)控制等物理層面的預(yù)防手段。然而預(yù)測(cè)和評(píng)估往往是不精確的，從而影響了系統(tǒng)預(yù)防手段的有效性。因此，如何分析預(yù)測(cè)評(píng)估的不確定性與電力系統(tǒng)預(yù)防手段的有效性之間的關(guān)系是從災(zāi)前預(yù)防角度基于信息層面提升電力系統(tǒng)彈性的基礎(chǔ)。

3)信息層在災(zāi)中影響系統(tǒng)的抵御能力：一方面，由于信息物理的耦合性，由極端災(zāi)害導(dǎo)致的故障可能在信息層和物理層之間傳播，進(jìn)而擴(kuò)大了災(zāi)害的影響范圍；另一方面，由于信息層的故障，使系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)原本能夠通過緊急控制避免一些故障場(chǎng)景的功能，從而降低了系統(tǒng)對(duì)于災(zāi)害的抵御能力。因此，如何分析信息層在災(zāi)害影響過程中的薄弱環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)從關(guān)鍵設(shè)施強(qiáng)化角度提升彈性的關(guān)鍵難點(diǎn)。

4)信息層在災(zāi)后影響系統(tǒng)快速恢復(fù)能力：一方面，由于災(zāi)害影響導(dǎo)致信息層面對(duì)系統(tǒng)的感知能力下降，進(jìn)而影響恢復(fù)決策的有效性；另一方面，災(zāi)害導(dǎo)致信息中斷，進(jìn)而使自動(dòng)化裝置失效，將大大延緩恢復(fù)過程，從而降低了系統(tǒng)在災(zāi)后的快速恢復(fù)能力。因此，如何揭示信息層面感知力下降和信息中斷對(duì)于系統(tǒng)恢復(fù)能力的影響機(jī)理和量化關(guān)系，是系統(tǒng)從快速恢復(fù)角度提升彈性的關(guān)鍵難點(diǎn)。

綜上所述，如何協(xié)同利用信息層面和物理層面的靈活資源，是從信息物理融合的角度研究電力系統(tǒng)彈性提升的重要手段，也是亟待解決的重要問題。先進(jìn)無線應(yīng)急通信技術(shù)作為在極端自然災(zāi)害下協(xié)同電力系統(tǒng)信息層和物理層靈活資源的方法，在電力系統(tǒng)彈性提升上具有潛在價(jià)值。