面向极端天气的信息-物理-社会配电系统基于风险的协同规划

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Risk-based collaborative planning for cyber-physical-social distribution systems against extreme weather

　　

## 摘要

极端天气可能同时破坏配电线路和通信设施，削弱协同资源运行能力，增加限电风险。此类中断在网络—物理—社会系统（CPSS）支持的配电网运行中尤为严重，因为电力输送依赖于网络连通性和产消者的参与。为应对这种相互依存关系，本文提出一种基于风险的多领域协同规划框架，追踪基于脆弱性的故障如何通过通信服务影响产消者的市场准入以及灾后的自适应运行。在该框架中，点对点（P2P）交易作为一种依赖通信的机制，服务于可接入的产消者之间的能源交换，而非作为独立的规划目标。一个两阶段均值-条件风险价值（CVaR）模型协调配电系统运营方（DSO）在通信备份和有功功率传输能力上的投资，与产消者在可再生能源发电和储能上的投资。随着网络—物理条件的恶化，模型从并网协调模式转向通信支持的孤岛运行模式，最终转向本地自供给模式。一种嵌套的渐进式对冲和交替方向乘子法（PH-ADMM）算法协调场景决策以及DSO与产消者之间的接口。对改进的IEEE 33节点和123节点系统的研究表明，通信生存能力对投资决策和灾后能源协调的可行性具有实质性影响。该框架为依赖通信的配电系统中面向韧性的协同规划提供了可扩展的基础。

## 引言

气候变化增加了极端天气事件的频率，使能源系统面临更为严峻的供需中断和更高的停电风险[1]。重大灾难可能导致从局部故障到大面积停电的电力中断。作为电力输送的最后环节和与终端用户的接口，配电网被广泛认为是极端天气事件中电力系统最脆弱的部分之一[2]、[3]。灾难发生后，这些脆弱性可能削弱或切断下游负荷与上游电源之间的电气通路，延迟关键负荷的持续供电恢复。为增强电网在灾难条件下的生存能力和恢复能力，大规模部署分布式能源资源（DERs）已成为提升配电网韧性的一项重要策略[4]。这些分布在负荷侧的灵活资源，可在上游电网停电期间充当应急电源，通过支持本地自治孤岛来维持关键负荷[5]、[6]。

然而，DERs能够提供有效灾后供电的程度，不仅取决于其可用性，还取决于用于资源协调的通信通道的生存能力[7]。这些通道通过光纤通信网络传输状态和协调信息，从而形成一个网络—物理系统（CPS），其特征是配电网的网络层和物理层之间的双向相互依存关系[8]、[9]。这种依赖关系使得局部天气引起的损害能够跨层传播。特别是，天气对配电线路和光纤链路的破坏可能共同重塑物理供电路径和网络通信路径[10]。电网停电创造了另一种故障机制，因为通信终端在备用电源耗尽后可能离线[11]。终端连接性的丧失中断了DERs之间的协调，使原本可用的资源无法支持孤岛运行、网络重构和负荷恢复[12]、[13]、[14]。Mana等人[12]开发了一个电力与通信系统的联合仿真框架，评估了通信技术、网络结构和传输介质如何影响电池储能补偿发电损失的孤岛微电网的稳定性。他们的结果表明，通信性能是DERs参与孤岛运行的重要约束。受损的孤岛运行可能进一步增加限电和级联故障的可能性，从而将网络层的干扰转化为物理层韧性的丧失[15]、[16]。这种跨层效应表明，仅部署DERs或扩展配电线路容量无法保证灾后供电，还必须考虑光纤连通性和通信终端的持续供电，并在灾前的协同规划中予以考虑。针对这种跨层耦合脆弱性，Zhang等人[17]提出了一种面向极端场景的网络—物理协同随机扩展规划模型。通过联合优化扩展的输电线路和光纤选址以及通信流量路由，该方法在规划阶段缓解了系统间耦合风险，显著增强了整体韧性。综合这些研究，从运行和规划两个角度揭示了网络层如何制约物理韧性，并确立了灾前进行协同网络—物理规划的必要性。

然而，这种以硬件为中心的网络—物理系统规划方法并未解决一个关键的制度性约束：大多数DERs并非由配电系统运营方（DSO）直接控制，而是由具有不同目标的产消者所有和运营[18]、[19]。资源所有权与运营责任之间的分离造成了DSO的系统安全目标与产消者的投资和运营成本目标之间的错位。调和分散资源所有权产生的冲突需要有效市场机制设计和协同资源规划的整合。因此，点对点（P2P）能源交易提供了一种经济协调机制。交易价格连接有盈余和亏缺的产消者，使他们在DSO进行网络安全检查的前提下进行直接能源交换[20]。这些市场互动在配电网的物理层和网络层之外引入了社会维度。围绕资源所有权、经济目标和能源交易形成的互动构成了配电网的社会层。例如，Nguyen等人[21]在P2P交易环境下开发了屋顶光伏（PV）系统和电池储能的优化模型，量化了光伏系统规模、储能参与和交易利润率如何影响产消者的能源成本和节省。这些经济结果反过来影响了DER投资的长期可行性。Xiang等人[22]提出了一种与虚拟P2P交易集成的三层配电网扩展规划框架，将产消者交易、网络运行和基础设施投资联系起来。Mahuze等人[23]进一步开发了一个协同框架，在网络约束下对光伏和储能容量与P2P市场运行进行联合优化，证明市场互动应在容量规划阶段予以表示。关于极端事件下的韧性，Zhu等人[24]表明，协调事件前后的P2P交易可以减少限电、投资成本和运营成本。最近，Zhang等人[25]开发了一种面向极端场景的激励相容双层市场模型，其中DSO发出价格信号并执行潮流安全，而产消者通过P2P交易调整其供给计划。总体而言，现有研究表明P2P交易可以影响产消者的DER投资，并在灾难期间协调非公用事业资源，为在灾前规划中联合考虑DER容量和场景依赖的P2P运行提供了基础。

本质上，在P2P市场范式下，配电网的运行机制可以表示为网络—物理—社会系统（CPSS），其特征是网络技术、物理基础设施和产消者互动的深度融合[26]。网络层交换市场和调度数据，物理层输送电能，社会层通过产消者之间的经济互动协调资源。Song等人[27]系统综述了电力配电系统中的交易能源应用，并确定了P2P交易与配电系统运行之间的互动是传统网络—物理系统获取社会维度的重要途径。然而，他们的综述并未涉及极端天气引起的通信损害或灾前资源规划。在灾难条件下，Alghamdi等人[28]利用信息系统协调灾前电动汽车预定位、灾后路径规划和负荷恢复。这项工作展示了跨领域资源协调的韧性效益，但侧重于移动资源协调和恢复，而非通信基础设施受损时的长期容量投资。P2P交易依赖于市场信息交换；因此，网络层的连通性制约了社会层市场的有效性。代表性的P2P韧性模型通常假设此类信息交换所需的通信仍然可用，并未将通信链路连通性或终端电力可用性纳入交易可行性[24]、[25]。因此，文献中仍缺乏一个集成交信生存能力、P2P交易可行性和DSO与产消者容量决策的灾前CPSS规划框架。为填补这一研究空白，本文提出了一种纳入依赖通信状态的跨领域级联故障模型的配电网韧性增强策略。具体而言，该策略将条件风险价值（CVaR）整合到一个分布式协同随机规划（SP）框架中，其中嵌入了依赖通信状态的跨领域级联故障模型。通过边界状态和功率交换，该框架协调DSO进行有功功率线路容量扩展和信息层通信终端备用电源分配，同时协调产消者拥有的DER规划和P2P运行。本文的主要贡献总结如下：

（1）建立了一种极端天气下CPSS依赖通信状态的跨领域级联故障模型。该模型将线路或光纤损坏以及通信终端断电映射为产消者P2P交易资格和三种自适应运行模式，从而追踪从交易阻断到DER削减和配电网限电的传播过程。

（2）提出了一种纳入CVaR的基于风险的分布式协同随机规划框架。该框架联合优化DSO的有功功率线路容量扩展和通信终端备用电源与产消者DER容量，同时将受通信约束的P2P运行嵌入灾前规划决策。

（3）开发了一种集成渐进式对冲（PH）和交替方向乘子法（ADMM）的嵌套分布式求解算法。外层ADMM协调DSO和产消者子问题，内层PH按场景分解每个随机子问题，从而实现在有限实体间信息交换情况下大规模多场景问题的分布式求解。

本文其余部分组织如下：第2节建立CPSS级联故障和自适应P2P市场策略模型。第3节构建面向韧性的CPSS基于CVaR的随机规划问题。第4节详述嵌套求解算法，随后第5节进行数值验证。第6节总结全文。

## 章节节选

### EPON架构和建模范围

以太网无源光网络（EPON）是一种在IEEE 802.3ah标准下规定的点对多点光接入系统。典型的EPON包含一个光线路终端（OLT）、一个光分配网络（ODN）和多个光网络单元（ONUs）。ODN由光纤和无源光分路器（POSs）组成，以OLT为根形成树形拓扑结构，从而支持OLT与现场ONUs之间的双向数据传输[29]。在配电自动化中……

### 面向韧性的配电网CPSS分布式协同随机规划

本节构建了一个两阶段分布式协同随机规划模型，用于缓解极端天气对耦合电力和通信基础设施造成损害所引发的跨领域级联风险。DSO和产消者由具有不同目标函数和可行域的同伴子问题表示。在第一阶段，每个实体确定其拥有的基础设施容量。一旦不确定性实现，第二阶段决策协调……

### 求解算法

提出的求解过程采用ADMM作为外层实体协调层，在每个随机子问题中嵌入PH，并在产消者更新过程中纳入市场出清迭代。在每次外层迭代中，DSO子问题由PH求解，随后其网络—物理运行状态参数化产消者的可行域。给定当前市场信号，产消者子问题由PH求解，协调器更新这些信号直到……

### 数值结果

在改进的IEEE 33节点和IEEE 123节点测试系统上评估了所提出的CPSS韧性规划框架的有效性。数值研究首先构建并验证了基于脆弱性的故障场景，随后对CVaR参数进行敏感性分析。比较研究量化了主要规划机制的贡献，同时呈现了运行状态、P2P价格谈判、算法收敛性和计算可扩展性……

### 结论

本文开发了一个面向极端天气下依赖通信的配电网CPSS的基于风险的协同随机规划框架。脆弱性驱动的中断被转化为状态依赖的市场准入，并纳入均值-CVaR公式中协调DSO和产消者规划。所得模型使用嵌套PH-ADMM算法求解。对改进的IEEE 33节点和123节点系统的研究表明，跨领域协调通过……提升了韧性。

## CRediT作者贡献声明

刘鑫：撰写—初稿，项目管理，方法论。田梦：方法论，资金获取。董正诚：软件，资源，项目管理。欧小鹏：形式化分析。石方琪：验证。赖景刚：可视化，监督，资源。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。

刘鑫 | 田梦 | 董正诚 | 欧小鹏 | 石方琪 | 赖景刚