電氣化交通和城市電網(wǎng)協(xié)同韌性提升方法綜述

時珊珊， 崔正達， 陳 穎， 李博達， 肖譚南， 周 健

(1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院， 上海 200437； 2.清華大學電機工程與應用電子技術系， 北京 100084)

1 引言

我國已提出了“2030碳達峰，2060碳中和”的雙碳目標，相關政策將引導能源領域轉(zhuǎn)型，深刻影響電力、交通等基礎設施體系的未來發(fā)展。

為適應綠色低碳的發(fā)展要求，各級政府積極推進電氣化交通的發(fā)展，逐步擺脫對化石能源的路徑依賴。受此影響，電動汽車占汽車總量的比重快速上升，交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)關系愈發(fā)緊密。國務院《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》提出，“加強新能源汽車與電網(wǎng)能量互動”，到2025年中國新能源汽車銷量占比達到20%左右[1]。電氣化交通和城市電網(wǎng)結構緊密耦合、運行機制互動相關，促進了城市基礎設施聯(lián)合優(yōu)化和協(xié)同防災等關鍵技術的發(fā)展。

本文重點討論極端災害下電氣化交通和城市電網(wǎng)協(xié)同韌性提升方法研究進展。韌性是評價系統(tǒng)抵御小概率、大沖擊極端事件能力的關鍵指標，反映了基礎設施防災效果和恢復速度。近年來，極端自然災害頻發(fā)，造成了多次大范圍停電事故[2,3]。為了提高城市電網(wǎng)韌性水平，已有研究從韌性概念[4-6]、韌性提升方法[7]等方面進行相關綜述，對于臺風[8,9]、冰災[10]、地震[11]等極端災害提出對應韌性評估方法和提升措施。針對具體的韌性提升措施，已有研究提出了網(wǎng)架結構加固[12,13]、快速故障隔離、微網(wǎng)化應急孤島供電[14-18]以及協(xié)同快速搶修[19]等方法，取得了顯著的效果。然而，僅僅依靠電網(wǎng)內(nèi)部應急資源開展應急恢復存在一定的弊端。例如應急供電設備購置和運維成本較高，難以大量配置，災后快速復電范圍有限。另一方面，與電氣化交通系統(tǒng)深度耦合后，城市電網(wǎng)韌性恢復有了新的手段，即利用電動交通工具的儲能能量，支撐電網(wǎng)和負荷應急供電。如此，電氣化交通網(wǎng)中離散存儲的電能和城市電網(wǎng)中連續(xù)供給的電能形成了互補和聯(lián)動，從整體上保障災害后城市基礎設施可靠運行。更重要的是，充分利用社會化的應急供電資源后，電網(wǎng)側(cè)可在有限投資的前提下，獲得更加優(yōu)質(zhì)的應急供電服務，進一步提升系統(tǒng)韌性水平。

在電力-交通基本耦合關系方面，已發(fā)表的綜述文獻著重討論了相關支撐技術發(fā)展趨勢，闡明了電力-交通協(xié)同優(yōu)化運行的必要性。文獻[20]討論了電氣化交通中電動汽車與電網(wǎng)互動的相關技術路線，包括電動汽車與家庭互動(Vehicle to Home, V2H)、電動汽車與電動汽車互動(Vehicle to Vehicle, V2V)以及電動汽車與電網(wǎng)互動(Vehicle to Grid, V2G)。這些技術將成為支撐電力-交通能量耦合的基本技術。文獻[21]總結了電氣化交通與智能電網(wǎng)互動需要的關鍵要素，包括充電技術、能量管理、通訊需求、安全措施等。文獻[22]討論了電力-交通網(wǎng)絡融合在信息層面和物理層面協(xié)同所需的運行架構和重要技術，討論了二者的融合潛力和發(fā)展趨勢。除了具體技術層面，一些研究也從系統(tǒng)層面討論電力-交通的耦合關系。文獻[23]總結了大規(guī)模電動汽車接入現(xiàn)存電網(wǎng)對電力系統(tǒng)運行和規(guī)劃產(chǎn)生的影響，討論利用V2G技術提升電網(wǎng)經(jīng)濟性、安全性的方法。文獻[24]總結了交通網(wǎng)與城市電網(wǎng)的潮流建模方法，討論了二者的互動關系和相關應用。文獻[25]從系統(tǒng)運行控制的角度出發(fā)，總結電力-交通系統(tǒng)進行協(xié)同運行的建模和決策方法。在上述工作基礎上，本文進一步探討電氣化交通網(wǎng)支撐城市電網(wǎng)韌性提升的重要價值，綜述技術內(nèi)容。

本文首先從分析城市電網(wǎng)韌性概念入手，介紹構建韌性城市電網(wǎng)的重要意義和巨大挑戰(zhàn)；之后，分析城市電網(wǎng)和電氣化交通系統(tǒng)之間能量和信息聯(lián)系，討論兩者協(xié)同韌性恢復基礎條件；接著，圍繞韌性提升的四個關鍵步驟開展綜述，總結已有研究工作；最后，考慮碳中和政策約束，展望電力-交通協(xié)同韌性提升的技術趨勢和研究重點。

2 韌性的概念與重要性

2.1 韌性的基本概念

工程系統(tǒng)在真實物理世界運行的過程中，往往要面臨各類不確定性，而傳統(tǒng)的可靠性指標通常只考察發(fā)生概率大的一般故障，難以覆蓋小概率發(fā)生的大影響故障。為了彌補傳統(tǒng)指標的不足，引入了韌性概念，即指系統(tǒng)在出現(xiàn)嚴重擾動或故障時，改變自身狀態(tài)以減少系統(tǒng)整體損失，并在擾動結束后盡快恢復原有狀態(tài)的能力[26]。韌性體現(xiàn)了系統(tǒng)面臨蓄意攻擊、事故或者自然災害等極端事件時的承受和恢復能力。隨著我國城市發(fā)展水平的提高，韌性相關概念在基礎設施領域受到重視，發(fā)展迅速。韌性城市[27,28]概念從城市的基礎設施體系角度評估城市整體韌性，北京、上海等城市提出了建設韌性城市[29]的目標，韌性概念的重要性不斷凸顯。

2.2 電力系統(tǒng)韌性的重要價值

具體到電力系統(tǒng)來說，電力系統(tǒng)韌性是指電網(wǎng)在遭受重大災害、人為攻擊等極端情況下，改變自身狀態(tài)減少故障損失，并盡快恢復正常供電水平的能力[5]。電網(wǎng)作為城市龐大復雜基礎設施體系的核心，是維持基礎設施體系正常運轉(zhuǎn)的基礎。然而，城市電網(wǎng)處于電力主網(wǎng)末端，具有結構冗余度低、自動化水平有限、缺少備用電源等特征，抵御極端災害沖擊能力較弱，受災后可能出現(xiàn)大范圍設備故障和停電事故[2,30]。電網(wǎng)一旦發(fā)生停電事故，不僅會直接影響城市居民生活和生產(chǎn)活動，還會引起其他城市基礎設施的連鎖反應和次生災害，造成交通系統(tǒng)癱瘓、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)削弱等嚴重后果。因此，提升城市電網(wǎng)韌性水平、增強其抵御極端災害的沖擊能力是維護城市安全的關鍵舉措。

3 利用電氣化交通提升電網(wǎng)韌性的前提

隨著城市交通系統(tǒng)電氣化程度提升，電力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的耦合關系進一步加深。電氣化交通系統(tǒng)近年來發(fā)展迅猛，涵蓋軌道交通、電動公交、電動出租車、私人電動汽車等交通工具[31]以及充電、換電等多種能量交互形式[23]。電氣化交通發(fā)展形式多樣、進展迅速，促進了電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)深度耦合，為利用電氣化交通提升城市電網(wǎng)韌性奠定了物質(zhì)和技術基礎。

3.1 電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)的能量載體

各類電氣化交通設備都具有移動儲能的基本特性，可經(jīng)由道路將所存儲能量轉(zhuǎn)運到電網(wǎng)特定位置，并支撐電網(wǎng)應急供電。隨著電氣化交通不斷普及，交通網(wǎng)絡中流動的移動儲能能量不斷增大，形成了規(guī)模巨大、形式多樣、拓撲靈活的離散能量網(wǎng)絡，為增強城市電網(wǎng)韌性提供了物質(zhì)和能量基礎。已有研究表明，電網(wǎng)專用和社會公用的電氣化交通設備都可支撐電網(wǎng)韌性恢復。

專用移動儲能/發(fā)電設備是使用最為廣泛的電網(wǎng)應急供電資源。應急發(fā)電車通常配備柴油發(fā)電機，供電能力視車載發(fā)電機功率與燃料總量而定；應急儲能車的供電能力則取決于車載電池。通常應急供電車的容量范圍為200～500 kW·h[32]。已有研究表明，應急供電車可以支撐負荷轉(zhuǎn)供[33]、降低線路阻塞[34]、提升城市電網(wǎng)的運行效率。利用應急供電車靈活部署，可優(yōu)化防災舉措、減少極端災害引發(fā)停電風險[35]，并在災后加速關鍵負荷恢復[36]，顯著提升城市電網(wǎng)韌性。

社會公共電氣化交通車輛也是重要的移動能量載體，其能量總量超過專用應急供電車輛，具有巨大的電網(wǎng)韌性恢復應用潛力。雖然形式不同，但電動汽車、電動公交等都可作為移動儲能設備，協(xié)助電網(wǎng)韌性提升。以電動公交車為例，其電池容量范圍為60～500 kW·h，而深圳、廣州等城市已擁有超過一萬輛電動公交車[37]。深圳2021年夏天用電負荷高峰突破2 000萬kW，以用電負荷1 500萬kW、公交車15 000輛、每輛公交車容量200 kW·h、充放電功率100 kW計算，所有公交車電量可支撐全市10%的負荷2 h。北京、杭州等城市也已建立了換電模式的電動出租車體系[38]，換電模式充電站的電池儲備蘊含大量電能，也是支撐城市電網(wǎng)的潛在方式。鑒于此，已有研究探討了電動公交車等公用交通車輛增強城市電網(wǎng)防災水平[39]和加速災后恢復[37]的優(yōu)化決策方法，論證了相關技術方案的可行性。需要指出的是，軌道交通作為城市交通的重要組成部分，如果能有效利用車載儲能[40]和發(fā)電設施，也有可能對電網(wǎng)進行局部的恢復和應急支撐。相關研究工作在文獻[41]中有了初步的討論。

3.2 電氣化交通系統(tǒng)支撐城市電網(wǎng)的耦合技術

如圖1所示，城市電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)存在能量和信息層面的耦合運行機制，相關技術有助于增強電網(wǎng)韌性水平。

圖1 城市電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)的耦合結構Fig.1 Coupling structure of electrified urban transportation system and distribution system

在能量層面，電氣化交通系統(tǒng)需要依賴城市電網(wǎng)供給電能，也可以在必要時將能量反饋給城市電網(wǎng)，輔助電網(wǎng)運行，使能量在城市電網(wǎng)與交通系統(tǒng)之間雙向流動。為此，電氣化交通系統(tǒng)和城市電網(wǎng)需要通過特定能量接口交換能量。目前，應用最廣泛的能量接口是與城市電網(wǎng)相接的充電樁，具體包括單向充電的充電樁以及電網(wǎng)與車輛雙向互動的V2G充電樁兩類。對于單向充電的充電樁，可以組織電動汽車進行有序充電，降低電網(wǎng)負荷峰谷差，提升電動汽車充電經(jīng)濟性[42,43]。對于V2G充電樁，可使電動汽車進一步參與電網(wǎng)運行控制，提供調(diào)峰調(diào)頻資源[44,45]，促進可再生能源消納[46]。而對于應急供電車來說，可以通過滿足國家標準的接口與配電網(wǎng)連接，支撐配電網(wǎng)運行[47]，同時，已有研究針對應急供電車的供電場景，設計了應急供電車快速接入接口[48,49]。隨著電力-交通能量接口技術的成熟，移動能量載體可以在城市電網(wǎng)不同位置持續(xù)充放電，形成電力在交通系統(tǒng)中的傳輸通路，進一步加深電力-交通系統(tǒng)能量耦合水平。因此，現(xiàn)有技術不僅可以支持電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)的雙向能量互動，更可在災害場景中利用交通系統(tǒng)能量支撐關鍵負荷應急供電[36]。

在信息層面，城市電網(wǎng)和交通系統(tǒng)可以通過信息交互提升運行效率，協(xié)同應急響應和優(yōu)化決策。已有研究分析了現(xiàn)有電力-交通的信息耦合框架機制，構建了協(xié)同優(yōu)化的信息架構[22]。二者可以通過信息耦合關系進行協(xié)同優(yōu)化，提升交通系統(tǒng)運行效率和電網(wǎng)綜合能效[25]。在具體技術上，已有文獻針對V2G的使用場景設計了信息通信網(wǎng)絡[50]，并針對V2H、V2G參與車輛設計了相應的控制通信方法[51,52]。具體到韌性場景下，文獻[53]提出了電力信息物理系統(tǒng)的韌性增強策略，能夠提升極端情況下的通信系統(tǒng)生存能力。文獻[54]考慮了交通信號對電力-交通耦合網(wǎng)絡恢復的影響，提升二者在極端情況下的生存能力。這些研究表明，當前電網(wǎng)與交通系統(tǒng)的通信技術已能支撐二者的信息交互，是二者協(xié)同恢復的控制通信基礎。

綜上所述，若能有效利用社會公用電氣化交通系統(tǒng)中的移動儲能，可有效補充專用應急供電車輛能量缺口，規(guī)避飽和式專用應急供電資源配置帶來的投資風險，增強城市電網(wǎng)抵御五十年、乃至百年一遇的極端災害沖擊的能力。

4 電氣化交通系統(tǒng)參與城市電網(wǎng)韌性提升的相關研究

城市電網(wǎng)韌性方面的研究通?？梢詫㈨g性提升問題建模為數(shù)學上的優(yōu)化問題解決。在滿足城市電網(wǎng)系統(tǒng)約束的前提下，綜合考慮可用資源、經(jīng)濟性等因素，得到韌性提升方案，最小化災害中損失的負荷或最大化災中恢復負荷價值。

當韌性提升問題結合電氣化交通系統(tǒng)時，需要進一步考慮交通系統(tǒng)約束。顯然，將電氣化交通系統(tǒng)引入韌性提升問題會增加這一問題的復雜性，對韌性提升方法提出更高的要求。相關領域的研究可根據(jù)時間順序、時間尺度的不同劃分為長期韌性規(guī)劃、災前調(diào)整預防、災中應急響應、災后持續(xù)供電四個階段，如圖2所示。以下將從韌性提升的四個階段分別介紹已有研究成果。

圖2 韌性提升機制時序關系Fig.2 Work flow of resilience enhancements

4.1 電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)長期韌性規(guī)劃

電氣化交通與城市電網(wǎng)協(xié)同的長期韌性規(guī)劃是指在電網(wǎng)傳統(tǒng)的規(guī)劃、建設、擴展階段，將交通系統(tǒng)考慮在內(nèi)并圍繞韌性指標進行系統(tǒng)設計。隨著電力-交通系統(tǒng)的耦合程度進一步加深，電氣化交通車輛規(guī)模不斷提升，因而研究電氣化交通廣泛參與的電網(wǎng)韌性規(guī)劃和設計方法具有重要現(xiàn)實意義。

對于規(guī)劃問題的數(shù)學模型而言，由于規(guī)劃問題不關注某次具體災害，而需要對長期災害風險進行分析，因此規(guī)劃問題中的韌性指標常使用風險相關概念，如系統(tǒng)負荷損失的期望[36,55,56]、負荷損失的條件風險價值(Conditional Value-at-Risk, CVaR)[57]等，以反映未來可能災害下的系統(tǒng)韌性水平。

使用基于風險的韌性指標需要對城市電網(wǎng)未來可能遭受的災害場景進行概率建模和分析，包括基于設備故障概率進行災害生成的抽樣統(tǒng)計[36]、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和故障機理的系統(tǒng)故障概率模型[56]等。使韌性規(guī)劃問題可以使用隨機規(guī)劃模型進行求解。

目前，國內(nèi)外學者主要從充電站規(guī)劃及應急供電車優(yōu)化配置兩方面研究電力-交通的協(xié)同規(guī)劃問題，期望通過合理的協(xié)同規(guī)劃，在考慮經(jīng)濟性的前提下，服務交通系統(tǒng)發(fā)展，提升城市電網(wǎng)長期韌性水平。

首先，在充電站規(guī)劃方面，已有較多研究從電力-交通耦合的角度研究充電站規(guī)劃問題，考慮充電站對電力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的雙重影響。文獻[58]將交通網(wǎng)引入城市電網(wǎng)和快速充電站的聯(lián)合規(guī)劃模型中，降低快速充電站對交通狀況造成的負面影響。文獻[59]著重考慮了公路的擴容需求和城市電網(wǎng)的升級投資，二者協(xié)同規(guī)劃提升整體系統(tǒng)效率。文獻[55]將電網(wǎng)韌性指標納入充電站的規(guī)劃目標，建立混合整數(shù)規(guī)劃模型，為綜合考慮電網(wǎng)和交通網(wǎng)的充電站定址方案提供了參考。

其次，在應急供電車方面，相關工作主要以電網(wǎng)公司獨立投資為假設研究資源配置方案。文獻[36]建立了兩階段的隨機規(guī)劃模型，在第一階段考慮不同災害場景優(yōu)化移動供能設備投資，第二階段進行移動儲能調(diào)度。文獻[56]基于納什談判模型進行規(guī)劃，得到經(jīng)濟性與韌性均衡的電網(wǎng)應急供電車投資方案。

綜上，目前已有工作關注充電站、應急供電車的規(guī)劃問題，以經(jīng)濟性為主要規(guī)劃目標，探索兼顧提升電網(wǎng)韌性的規(guī)劃方法。但經(jīng)濟性和韌性往往存在矛盾，如何實現(xiàn)經(jīng)濟性和韌性的均衡是電力-交通韌性協(xié)同規(guī)劃的一個難點，目前研究中尚無統(tǒng)一的指標均衡方法。將經(jīng)濟性指標和韌性指標加權相加的方法難以設計客觀合理的權重，而基于博弈的方法在經(jīng)濟性和韌性均衡上具備可解釋性，但模型復雜，求解存在困難。

4.2 電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)災前調(diào)整預防

電氣化交通與城市電網(wǎng)協(xié)同的災前調(diào)整預防是指在極端災害發(fā)生前，根據(jù)災害預報信息，考慮電氣化交通資源，結合拓撲調(diào)整、運行方式優(yōu)化、資源預調(diào)度等手段來減少停電風險，增大系統(tǒng)韌性裕度。

災前調(diào)整預防問題的數(shù)學模型和韌性規(guī)劃問題有較大的相似性，二者均需要在災害發(fā)生前對電網(wǎng)的資源進行配置、調(diào)整，需要考慮方案成本與災害影響，在考慮經(jīng)濟性與韌性均衡的情況下，使用相似優(yōu)化目標。二者主要區(qū)別在于調(diào)度資源和時間尺度不同。災前調(diào)整預防針對某次具體的災害進行提前部署，需要對災害的不確定性進行建模，使得這一問題同樣可以轉(zhuǎn)化為隨機規(guī)劃問題進行求解。

電氣化交通系統(tǒng)可為電網(wǎng)提供應急供電資源，現(xiàn)有研究主要從部署應急供電車方面進行研究，提升關鍵負荷供電可靠性。

文獻[60]使用基于場景的兩階段隨機規(guī)劃模型，在災害發(fā)生前通過最小化預期停電時間得到應急供電車的預布置方法。文獻[61]使用考慮電網(wǎng)重構方案和饋線不平衡的兩階段隨機規(guī)劃模型，得到不同場景下應急供電車的最優(yōu)配置容量。文獻[62]構建了三階段隨機規(guī)劃模型，考慮應急供電車的容量配置、災前布置與災中調(diào)度問題，提高應急供電車的利用率，減少災中停電損失。

另外，隨著交通系統(tǒng)的電氣化，電動汽車、電動公交車等也可作為電網(wǎng)災前調(diào)整預防的重要資源。文獻[39]將交通系統(tǒng)中的電動公交視作可以調(diào)度的儲能資源，考慮電動公交調(diào)度成本，進行災前預調(diào)度，提高城市電網(wǎng)的恢復能力。

目前災前調(diào)整預防方面的研究主要關注電網(wǎng)自有的應急供電車。社會公共電氣化交通車輛通常不受電網(wǎng)直接調(diào)度，需要進一步設計商業(yè)模式和調(diào)度機制，充分挖掘交通系統(tǒng)支撐電網(wǎng)韌性的潛力，促進社會資源參與城市電網(wǎng)災前調(diào)整預防。

4.3 電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)災中應急響應

電氣化交通與城市電網(wǎng)協(xié)同的災中應急響應是指在極端災害發(fā)生后，結合電氣化交通供電資源，快速恢復關鍵負荷供電。電氣化交通系統(tǒng)為災中應急響應提供了更多靈活選擇，目前的研究工作主要關注使用應急供電車和利用電動汽車的離散儲能資源進行應急響應。

首先，在應急供電車方面，現(xiàn)有工作研究了應急供電車在應急響應過程中的調(diào)度控制策略。文獻[63]提出了應急供電車的滾動優(yōu)化調(diào)度策略，在考慮電網(wǎng)和道路的損壞與修復的情況下建立了兩階段隨機整數(shù)規(guī)劃模型。文獻[64]研究了使用應急供電車進行電網(wǎng)恢復時的控制策略，有效提升了電網(wǎng)的頻率和有功功率的穩(wěn)定性。

在電動汽車方面，研究工作從控制、調(diào)度等角度開展。文獻[65]設計了包含電動汽車供電的負荷恢復硬件平臺，以提升電網(wǎng)韌性水平。文獻[66]研究了電動汽車在城市電網(wǎng)供電故障時利用V2H技術為家庭用電提供支撐的可行性。文獻[67]將電動汽車作為靜態(tài)的儲能資源，在微網(wǎng)中協(xié)同儲能設備、分布式電源等，使用魯棒優(yōu)化方法提升了關鍵負荷的供電能力。

綜上，現(xiàn)有工作在應急響應問題上，圍繞調(diào)度、控制等方面，優(yōu)化多形態(tài)供電資源，探索了靈活高效的城市電網(wǎng)災中應急響應方法。

4.4 電氣化交通系統(tǒng)與配電網(wǎng)災后持續(xù)供電

電氣化交通與城市電網(wǎng)協(xié)同的災后持續(xù)供電是指應對長時間災害(如洪水、極寒天氣等)時，結合電氣化交通供電資源，形成可靠、持久的應急供電能力。交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)的耦合一方面增加了電網(wǎng)的應急供電資源，豐富災后恢復方案，另一方面也增加了限制條件。城市電網(wǎng)和交通系統(tǒng)的故障往往會相互影響，改變應急資源的調(diào)配成本，增加災后恢復問題的復雜度。

具體到數(shù)學模型方面，由于災后持續(xù)供電問題需要考慮城市電網(wǎng)受災后較小時間尺度的資源調(diào)度情況，因此需要建立更精細的交通網(wǎng)模型。不同研究在數(shù)學模型中加入了與交通系統(tǒng)相關的各類要素，包括交通移動成本[37,68,69]、交通信號[70]、公共交通需求[37]等，使模型更符合實際場景，也增加了問題的復雜度。

國內(nèi)外學者在這一方面的研究也可分為使用應急供電車和社會電動汽車資源兩方面。

首先，在利用應急供電車的研究方面，文獻[62]使用多階段方法進行問題建模，并在最后階段給出應急供電車的實時運行與調(diào)配策略。文獻[68]考慮了應急供電車的交通成本，將問題建模為兩階段魯棒優(yōu)化模型進行應急供電車的路徑規(guī)劃調(diào)度。文獻[71]使用蒙特卡洛仿真模擬災后負荷和光伏出力不確定性，建立基于場景的兩階段隨機規(guī)劃模型，求解得到應急供電車的調(diào)度方案。文獻[69]將搶修人員分配策略與應急供電車進行協(xié)同優(yōu)化，考慮搶修時序的模型進一步提高了系統(tǒng)存活能力。文獻[72]同樣考慮搶修人員與應急供電車的協(xié)同恢復策略，并利用軟開關將故障電網(wǎng)劃分為輻射狀微網(wǎng)進行供電。文獻[73]考慮城市電網(wǎng)中分布式光伏和風力發(fā)電不確定性，配合應急供電車資源，建立機會約束的隨機規(guī)劃模型，并進一步轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)規(guī)劃問題，提升求解效率，得到災后調(diào)度方案。文獻[70]考慮城市電網(wǎng)故障對交通信號系統(tǒng)的影響，通過建模交通信號系統(tǒng)對電網(wǎng)的依賴關系，求解混合整數(shù)規(guī)劃模型，得到應急供電車的調(diào)度方案。

其次，在使用交通系統(tǒng)供電資源方面，文獻[37] 將電動公交車作為潛在恢復資源，在考慮了公共運力需求的同時，通過配電網(wǎng)重構與電動公交協(xié)同恢復電網(wǎng)負荷，有效提升了城市電網(wǎng)的韌性水平。文獻[74]設計了一種分級控制方法，協(xié)調(diào)各類應急供電資源，通過隨機規(guī)劃考慮故障和發(fā)電資源的不確定性，將電動汽車作為供電資源，進行微網(wǎng)調(diào)度，提升系統(tǒng)韌性。

綜上所述，當前研究圍繞電力-交通系統(tǒng)耦合關系，考慮故障對兩系統(tǒng)的影響，建立優(yōu)化模型，利用多種供電資源支撐城市電網(wǎng)災后持續(xù)供電。

然而，應當指出的是，極端災害沖擊下城市電網(wǎng)和交通系統(tǒng)都會發(fā)生較為嚴重的故障，產(chǎn)生交互影響，即交通系統(tǒng)損壞會影響應急供電車等交通系統(tǒng)資源的調(diào)度，而城市電網(wǎng)故障亦可能削弱城市路網(wǎng)通勤運輸能力。因此，面對極端災害沖擊，電力-交通系統(tǒng)有必要進一步加強協(xié)同應急響應，加速城市基礎設施體系恢復。目前，相關研究尚處于起步階段。文獻[54,70]研究了交通信號對于交通移動成本的影響，調(diào)整電力資源調(diào)度，優(yōu)先交通信號恢復。文獻[63]考慮道路損壞和修復情況，根據(jù)交通網(wǎng)災后恢復情況實時調(diào)整應急供電車調(diào)度方案。文獻[75]研究在冰雪災害造成的道路堵塞情況下線路除冰車的調(diào)度計劃，提升電網(wǎng)恢復效率。文獻[76]則利用電動公交調(diào)度運行使電能借助交通系統(tǒng)傳輸，從而使電網(wǎng)與公共交通系統(tǒng)得到協(xié)同恢復。

電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)的互動復雜多樣，不同文獻關注不同韌性提升階段，對交通系統(tǒng)內(nèi)的要素各有側(cè)重，為電力-交通協(xié)同的韌性提升問題進行了有益的探索。本文調(diào)研文獻所涉及的韌性提升階段、使用的交通系統(tǒng)資源、采用的數(shù)學方法以及研究內(nèi)容匯總見表1。

表1 電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)韌性提升機制相關研究Tab.1 Studies of distribution system resilience enhancement measures with electrified transportation system

5 技術趨勢和研究重點

5.1 碳中和政策影響下城市電網(wǎng)韌性發(fā)展趨勢

2020年9月，中國在聯(lián)合國大會上向世界宣布了2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標。碳中和政策影響下，城市能源基礎設施將加速演化，發(fā)展廣泛接入低碳能源的能源互聯(lián)網(wǎng)[77]；城市交通系統(tǒng)電氣化程度也將加速提升，逐步擺脫對化石能源的依賴[78]。碳中和政策將改變城市電網(wǎng)的形態(tài)結構和運行機制，進一步加強城市電網(wǎng)與交通系統(tǒng)的耦合機制，牽引韌性電網(wǎng)理論和方法發(fā)展，形成電力-交通耦合的城市電網(wǎng)韌性恢復體系。該體系示意圖如圖3所示。

圖3 電力-交通耦合的城市電網(wǎng)韌性恢復體系Fig.3 Distribution system resilience enhancement with coupled electrified transportation system

具體來說，電力-交通耦合恢復體系的特點體現(xiàn)在能量、信息和市場機制層面。

5.1.1 能量層面

碳中和政策促使低碳能源快速普及：區(qū)別以往電力體制改革和市場化舉措，碳中和政策面向全社會和全行業(yè)，要求在給定的時間內(nèi)完成能源系統(tǒng)低碳和去碳化，是具有強約束力的國家政策，將同時影響交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的發(fā)展模式，改變二者發(fā)展路徑。受碳中和政策激勵，電動汽車、低碳微網(wǎng)群、氫能等低碳能源廣泛接入電網(wǎng)。當城市電網(wǎng)遭遇極端災害事件時，它們可被用于應急供電，保障關鍵負荷。而不同低碳能源的運行機制、容量特點不同，協(xié)調(diào)多種低碳能源將成為巨大挑戰(zhàn)。

5.1.2 信息層面

信息物理深入融合，協(xié)同恢復勢在必行：城市電網(wǎng)是信息物理融合技術應用的主要對象之一。極端災害下，信息物理系統(tǒng)可能發(fā)生連鎖故障，擴大事故范圍，影響應急恢復效率。因此，提升城市電網(wǎng)韌性水平，必定要實現(xiàn)信息物理協(xié)同的防災和恢復[53]。城市電網(wǎng)同交通、通信等其他城市基礎設施緊密耦合，相互支撐[79]。在極端災害后，利用電氣化交通的移動供能能力，可支撐關鍵負荷供電；合理調(diào)度電網(wǎng)搶修，可加速交通運力恢復；快速恢復通信系統(tǒng)，可提升資源調(diào)度效率，促進基礎設施網(wǎng)絡的快速恢復?？紤]多基礎設施網(wǎng)絡耦合和支撐關系，可實現(xiàn)更大范圍的城市功能韌性恢復。

5.1.3 市場機制層面

為保持長期韌性，電力應急模式需要創(chuàng)新：國家政策鼓勵多元投資主體參與電網(wǎng)建設，給傳統(tǒng)的電力應急管理帶來模式創(chuàng)新機遇[80]。設計市場化機制，可以吸引低碳能源供應者及交通系統(tǒng)內(nèi)的電力資源參與城市電網(wǎng)韌性防御和恢復體系建設。在災前，購置多元主體提供的應急供電資源和服務，例如針對關鍵負荷的應急發(fā)電設備、可靈活移動的應急供電車和可集中調(diào)度和雙向充放電的電動公交等，利用市場化韌性資源進行災中、災后城市電網(wǎng)恢復，提升城市電網(wǎng)韌性。這將極大緩解電網(wǎng)側(cè)韌性基礎設施投資壓力，形成政策和環(huán)境約束的城市電網(wǎng)韌性可持續(xù)發(fā)展模式，推動社會資源參與電網(wǎng)恢復的同時，實現(xiàn)社會效益的最大化。

5.2 后續(xù)研究重點

隨著交通系統(tǒng)的電氣化程度提升，交通系統(tǒng)和城市電網(wǎng)的聯(lián)系也愈發(fā)緊密，未來對這二者在韌性上的關系應當著重考慮以下方面：

(1)綜合考慮經(jīng)濟性與韌性的規(guī)劃方案。在城市電網(wǎng)的運行和規(guī)劃上，經(jīng)濟性和韌性的提升往往相互矛盾。過度追求韌性可能會導致電網(wǎng)投資在大部分時間無法發(fā)揮作用，造成浪費；而僅追求經(jīng)濟性可能會導致極端事件下韌性不足，使社會損失過大。如何合理建模耦合的電力-交通系統(tǒng)，對經(jīng)濟性和韌性進行權衡，是目前研究的難點。另外，韌性規(guī)劃需要考慮長期的災害風險，而極端災害往往缺少豐富的歷史數(shù)據(jù)支撐。城市電網(wǎng)未來災害風險評估的準確程度會影響韌性規(guī)劃方案的有效性，精準刻畫長期災害風險也是韌性規(guī)劃的重要課題。

(2)結合社會資源的韌性商業(yè)模式。當前韌性方面研究大多假設投資主體和受益主體均為電網(wǎng)運營方，較少考慮電網(wǎng)運營方以外的供電資源參與韌性提升，交通系統(tǒng)等社會資源參與韌性提升的潛力有待挖掘。私人電動汽車往往需要顧慮隱私、電池衰減等問題，參與韌性提升的隨機性和調(diào)度難度較高。公共交通系統(tǒng)與電網(wǎng)同屬公共服務部門，參與韌性提升的意愿和調(diào)度的響應程度都更高。因此可先建立電網(wǎng)與公共交通系統(tǒng)共同參與的韌性提升商業(yè)模式和市場機制，并研究創(chuàng)新商業(yè)機制將電動汽車納入韌性恢復體系之中。

(3)多形態(tài)能量載體的協(xié)同運行決策。隨著碳中和的持續(xù)推進，各類低碳能源將接入城市電網(wǎng)，韌性視角可以擴展到電力-交通，電力-綜合能源[81]的耦合機制上，推進多形態(tài)能量的轉(zhuǎn)換流通。隨著電動汽車和多能互補技術的普及，城市電網(wǎng)擁有了形式多樣的能量接口[82]。通過充放電設施和多能轉(zhuǎn)換裝備，多類型電動汽車、軌道交通車輛、全電化駁船、氫能和低碳燃料專用運輸車輛等能量載體都可與城市電網(wǎng)交換能量和協(xié)同運行。面對極端災害，上述能量載體可成為城市電網(wǎng)的韌性資源，提供靈活、高效的應急供電服務。然而，不同能量載體往往屬于不同社會主體，其協(xié)同優(yōu)化運行不僅需要針對不確定災情合理調(diào)配資源，還要考慮通信協(xié)調(diào)、不同主體的收益等約束條件，問題復雜、難以求解。未來，相關研究工作應深入分析電力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)在恢復過程中的動態(tài)影響，建立深度協(xié)同的電力-交通韌性恢復模型，提升城市基礎設施整體韌性水平。

6 結論

本文綜述了在交通系統(tǒng)電氣化影響下的城市電網(wǎng)韌性提升方法，從電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)的耦合關系出發(fā)，探討了兩種基礎設施系統(tǒng)體系在電網(wǎng)韌性方面的聯(lián)系，基于不同時間尺度從長期韌性規(guī)劃、災前調(diào)整預防、災中應急響應、災后持續(xù)供電四個角度總結了這一領域的研究現(xiàn)狀。隨著碳中和政策的推進與能源轉(zhuǎn)型、城市智能化的發(fā)展，電氣化交通系統(tǒng)和城市電網(wǎng)將進一步深度融合，豐富城市電網(wǎng)的韌性資源和提升機制，如何協(xié)調(diào)利用多種資源、多種手段提升電網(wǎng)韌性仍需進一步深入研究。