極端自然災害下考慮信息-物理耦合的電力系統彈性提升策略：技術分析與研究展望

劉瑞環， 陳晨， 劉菲， 別朝紅

(西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 引 言

電力系統是關系到國家安全和國民經濟命脈的重要基礎設施，現代社會的有序運轉離不開電力的可靠供應。電力系統規劃一般需要滿足一定的可靠性標準，但是近年來頻發的自然災害和人為攻擊等極端事件給電力系統帶來了嚴峻挑戰，凸顯了電力系統面對這類小概率-高損失事件的應對能力不足的問題。例如2008年中國南方冰災造成13個省的電力設施遭受破壞，170多個市縣停電，經濟損失超過104多億元[1]；2012年颶風桑迪襲擊美國東海岸，美國15個州和華盛頓特區超過750萬用戶無法正常用電[2]；2019年委內瑞拉停電事故中23個州中一度有21個州全面停電，停電對加拉加斯交通、通信系統嚴重影響[3]；2019年8月登陸我國東南沿海的超強臺風“利奇馬”造成超過600萬用戶停電[4]。在這一背景下，國內外學術界、工業界、以及政府部門提出了電力系統彈性(resilience，或翻譯作韌性)的概念，描述電力系統面對小概率-高損失的極端事件時預防、抵御、響應及快速恢復供電能力[5]。極端自然災害(如臺風、暴雨、冰災等)即是這類極端事件的典型代表。隨著世界范圍內氣候變化帶來極端自然災害的頻發趨勢，開展提升電力系統彈性的研究被各國政府提高到國家安全的戰略高度[6-9]。為提升電力系統應對極端事件的能力，減小大規模停電的影響，彈性電力系統的概念被提出[10]。

構建彈性電力系統的重要環節包括，事前預測極端災害對系統的影響以及不確定性分析，事中辨識薄弱環節和制定緊急控制策略，事后快速有效地恢復電力系統供電。由于極端自然災害對信息系統和物理系統都會產生較大的影響，需要從信息-物理耦合的角度來分析有效的彈性提升方案，對網絡通信系統自身的特性以及它與電力系統之間的耦合關系進行分析顯得十分重要。

信息-物理融合系統(cyber-physical system，CPS)是綜合物理環境和信息網絡的多維度復雜系統，通過3C技術(computing，communication，control)將計算系統、通信網絡和物理環境有機結合，形成具有實時感知、動態控制和信息服務的多維異構復雜系統[11-12]。電力系統是一個典型的信息-物理融合系統，即電力信息物理耦合系統(cyber-physical power system，CPPS)[5]。電力網和信息網之間的耦合特性體現在：信息網對電力網具有物理依賴性，因為它需要電源來執行數據傳輸功能；電力網對信息網具有網絡依賴性，因為電網的運行控制需要依靠信息層面的態勢感知和信息傳遞。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備，所以兩種基礎設施在地理上也是相互依存的。

基于現有的文獻和綜述[13-14]，整個CPPS單元可以抽象為物理層、信息層和平臺控制層。物理層的實體是電力一次設備，包括發電機、變壓器、線路、負荷以及分布式電源等；信息層的實體可分為感知和傳輸兩個層面，感知層包括各類數據采集和監測設備，傳輸層包括各類通信媒介；平臺層的作用是對信息層收集的數據進行集中處理和分析，然后輸出控制指令確保電網可以安全穩定運行。可見，物理實體層和通信網絡層通過二次設備緊密耦合、相互影響，任意節點的故障都會對電網造成不利的影響。

考慮極端自然災害下電力系統抵御和恢復問題時，信息層主要包括利用各類傳感器和檢測技術實現對物理系統的狀態感知，以及利用各種通信網絡技術實現感知信息和控制指令的傳輸，而緊急控制、恢復決策等高級應用在平臺層中實現，其控制和決策結果通過信息層作用到物理系統，在物理層實現系統狀態的改變，如合閘操作、負荷轉供和維修等。

電力系統正常運行時，信息系統和物理系統之間的強耦合關系可以保障電力系統的安全可靠運行。但是在極端災害下，當物理層發生線路故障或信息層出現信息延時和中斷時，這種強耦合關系會增加系統的脆弱度[13]，表現為故障在信息層和物理層之間傳播，從而進一步擴大災害的影響。相反，為了提升電力系統彈性，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，通過他們之間的協同作用，提高電力系統對極端自然災害的抵御能力和恢復能力。

目前，針對電力系統彈性提升策略的研究主要關注從物理層角度出發，通過元件強化和彈性資源調度等手段展開[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，從系統彈性提升的角度出發，首先從災前災中災后三個時間維度以及源網荷儲四個方面總結電力系統彈性提升的研究現狀，分析電力系統信息層的特點及其對系統彈性的影響，之后結合文獻調研介紹電力系統中信息-物理耦合特性的研究方法。在此基礎上，從信息層面出發探討電力系統彈性提升關鍵技術，特別是先進通信技術對彈性提升的潛力和可行性。最后總結歸納并對未來的研究方向進行展望。

1 電力系統彈性提升策略研究現狀

在災害發生前后，由于其所處的外部環境的差異性，電力系統具有不同的階段性特征，因此，電力系統彈性提升策略研究一般從災前、災中和災后三個階段進行考慮。另一方面，從電力系統物理層面來看，現有的研究都是從源網荷儲的角度，通過元件強化或彈性資源調度，實現系統彈性的提升。本節將從這兩個維度介紹并歸納電力系統彈性提升策略的研究現狀。

1.1 “災前-災中-災后”角度的彈性提升策略

結合電力系統的特點以及它對擾動事件的反應能力，提升電力系統恢復力可以從以下三個方面入手[10]：當系統遭遇擾動事件前針對其作出的準備和預防；當系統遭遇擾動事件過程中系統對其抵御、響應和適應；當系統遭遇擾動事件后系統快速恢復到事先設定的期望正常狀態。

將電力系統恢復力提升策略以及相關的文獻從災前、災中和災后三個方面進行整理得到表1中的分類結果。

表1 不同階段下電力網彈性提升策略

在極端事件發生前，可以通過加強基礎設施和事前部署電力系統彈性資源兩個方面來提升彈性。在加強電力基礎設施方面需進行電力系統關鍵環節辨識與強化方案研究[15-20]。通過元件重要度評估，可以識別維持系統彈性所必需的關鍵元件，進而確定系統各元件所處的風險水平以及對系統總體彈性的貢獻，指導電力系統加強網架結構的建設、改進恢復策略、提高防災減災資源分配的效率。在彈性資源的事前部署方面，主要討論自動開關的投資和布點、維修人員和可移動應急發電資源的部署問題以及微網的事前調度策略，使得在災后可以高效率地利用這些彈性資源以實現更多的負荷恢復[21-28]。

在極端災害發生過程中，可進行電力系統狀態的估計，根據實時設備故障情況與系統失負荷情況，并調整系統的狀態以提高系統對于災害的抵抗能力[29-31]。在信息獲取的基礎上制訂應急預案，為提升電力系統彈性奠定基礎[32-35]。在緊急狀態下的控制策略方面，當前的措施還是依賴傳統的三道防線，通過物理側的切機、切負荷以及更嚴重情況下的系統解列等措施保證電力系統安全穩定運行[33]。

在系統受到極端災害造成的擾動之后，基于電力系統結構、分布式電源接入等特點，采用最優的恢復策略，以最大限度地對負荷進行恢復。在主網層，主要考慮發電機的重新調度和拓撲切換[36-39]。配電網通過調度靈活資源改變系統運行狀態可以有效應對極端事件對系統影響的時-空不均衡性和不確定性，如文獻[40]提出的動態形成微網的方法。通過災前對分布式電源進行布點安裝，可在災后快速恢復部分負荷。除了固定的分布式電源，可移動性的應急發電資源也提供了空間維度的靈活性。例如可通過調度電動汽車、車載移動儲能、移動應急發電車等移動發電資源來進行快速供電[41]。由于需求側響應技術的發展，柔性負荷作為一種靈活資源，在提高系統運行經濟性方面具有重要作用[42]。對于極端事件后的負荷恢復，柔性負荷可以通過調節負荷水平從而使發電資源保障更多關鍵負載的持續供電能力。

1.2 “源網荷儲”角度的彈性提升策略

從系統運行角度來說，電力系統中的靈活資源可分為源網荷儲四類。“源”端靈活資源包括可控的發電機或半可控(如風機、光伏等)的分布式電源，以及可移動分布式電源(如移動式應急發電車等)。配電網中部署的微網(microgrid)作為一種有效管理分布式電源的組網方式，在其供電容量富裕的情況下也可以看作靈活資源。對于主網來說，“源”側資源還包括黑啟動發電機。黑啟動是電力系統恢復的首要且關鍵的階段，而黑啟動的關鍵是黑啟動電源的啟動[44]。“網”側靈活資源包括輸電網中的備用傳輸線路，部署在配電網的自動開關、手動開關以及線路維修資源。在主網中通過閉合備用輸電線可以進行拓撲變換并恢復輸電線路以減少負荷損失[36]，開關操作通過改變配電網拓撲結構，可以在災前做預先調整，同時在災后對負荷恢復的策略進行動態調整，從而最大限度提高持續供電能力。線路維修本質上也是拓撲變化的一種，維修次序的決策體現了拓撲靈活性。網側的靈活資源通過改變電網拓撲，優化電能流向減少了負荷損失，使極端事件后有限的發電資源能夠更有效的供給關鍵負荷。“荷”端靈活資源包括由需求側響應技術帶來的可控柔性負荷，以及用戶對于停電時間差異化容忍程度帶來的的靈活性[45]。負荷側的靈活性可以將極端事件后緊缺的發電資源進行更有效的分配。“儲”側靈活資源包括部署在配電網中的集中式儲能、分布式儲能、以及可移動儲能。此外，電動汽車及配套的充電站在滿足一定條件時也可以看作是靈活資源。

從上述分析可以看出，源-網-荷-儲的靈活資源從不同角度發揮作用，有效提高負荷恢復水平。其中拓撲靈活性是關鍵橋梁，主要表現在：1)對于源端的分布式電源，需要通過拓撲連接關系將不同資源靈活搭配，從而對靈活發電資源(如光伏、風電以及移動發電資源等)充分利用，達到協同配合效果。2)對于荷端的柔性負荷，拓撲的靈活性可以將其與關鍵負荷以及分布式發電資源有效組合，從而發揮柔性負荷的調節作用，讓關鍵負荷得到更多的持續供電；而用戶對于停電時間容忍度的靈活性，可以通過拓撲靈活性以及移動發電資源的空間靈活性的協同，最小化用戶的停電損失。3)對于儲能系統，拓撲靈活性可以實現儲能與其他分布式電源的配合，發揮儲能充/放電靈活調節、快速響應等優勢。源網荷儲資源通過時空多維度協同，實現了電網運行狀態的調整。利用資源全息感知、多源數據融合及管理技術實現源網荷儲靈活資源的調度控制，可以保障電網安全穩定運行[46]。

綜上所述，從物理層面來說，電網彈性的提升有兩類方法，一類是從基礎設施角度(infrastructure resilience)出發，提升系統元件的強度或改變設計規范，例如加固桿塔、架空線改為地下電纜、變電站加設防水圍墻或重新選址等。此類方法主要是提高配電網承受擾動和沖擊的能力從而提升恢復力。前面所提到的災前的薄弱環節識別和強化策略即是基于基礎設施角度的提升方法。另一類方法是從運行角度(operational resilience)出發，利用系統中源網荷儲四類靈活資源和可控元件改變系統運行方式來提升彈性，例如網架重構、微網運行、分布式電源應急供電、線路維修等。災前的彈性資源部署、災中根據系統運行狀態調整應急策略、災后的網絡重構和彈性資源的調度均是從運行角度出發來提升系統彈性的。可見，電力網彈性提升策略具備時空多維度協同特性，可從多個角度進行總結，圖1從多個角度描述了電力網絡彈性提升策略的時空特性。

圖1 電力網絡彈性提升Fig.1 Resilience enhancement of power grid

2 信息層對電力系統彈性的影響

電力系統的信息層主要功能是實現系統的態勢感知和信息的傳遞，相當于電力系統的“感覺器官”和“神經傳導系統”，決定了電力系統物理層運行控制決策的實施。當電力系統面對極端災害時，信息層的這兩個功能則直接影響了電力系統抵御和恢復能力。本小節從信息層的這兩個功能出發，通過介紹電力系統態勢感知和通信技術的研究現狀，分析信息層對電力系統彈性的影響。

2.1 災害下的電力系統態勢感知研究現狀

電網態勢感知指的是對電網運行狀態及影響電力一次設備運行狀態的各類因素進行采集和分析，理解和掌握電網的安全狀態及運行規律，并以此預測電網未來的運行軌跡[47]。在電力系統面對極端災害時，電力系統物理層面運行控制策略的有效實施(如緊急控制、負荷恢復)與掌握系統運行狀態緊密相關。所以，態勢感知的準確性和可靠性對電力系統快速有序的恢復產生著重要的影響。

一般來說，電力網故障信息可通過氣象數據、量測數據和用戶側的反饋數據獲得[48]。

1)氣象數據。

氣象數據主要是將氣象信息與電網的故障評估相結合，得到評價電網故障概率的天氣指標。評估方法可分為元件級評估方法和系統級評估方法。元件級損壞評估方法旨在評估天氣如何影響配電網的每個獨立元件。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風風速[49]等天氣指標的函數。將氣象預測信息與配電網元件的地理信息系統(GIS)數據相結合，可以預測特定位置的天氣狀況。使用脆弱度曲線得到電網組件的潛在損壞和可用性。與元件級評估方法不同，系統級評估方法針對整個系統和區域的特征，使用統計模型來評估系統區域故障風險[50]。通過該評估可以估計停電規模和恢復時間，以實現高效和有效的應急響應規劃。

2)量測數據。

我國電網按照“分層分區、全面監視”要求，依托監督控制和數據采集系統(supervisory control and data acquisition，SCADA)、同步相量測量單元(phasor measurement unit,PMU)、設備集中監視等技術，各級調控機構對調管范圍內的電網運行相關信息進行實時監視。在輸電側，獲取量測數據的設備包括輸電網的遠動終端(remote terminal unit, RTU)、PMU。RTU是設置在各發電廠和變電站的通信單元，它可以采集電網運行狀態實時信息，通過信道傳輸到調控中心主站，主站根據收集到的全局信息，對電網的運行狀態進行安全性分析、經濟調度和事故異常處理等。PMU通過采集海量數據來評估和預測電網的運行軌跡，在大型輸電網中大量配備[51-52]。利用全球定位系統(global positioning system，GPS)的同步功能，配合輸電網狀態估計技術，通過PMU可以得到較為精確的系統實時狀態信息[53]。

近年來，各國都在大力推動智能電網的建設，而配電自動化領域的投資在智能電網建設投資中的占比很大。配電自動化技術和先進量測設備的不斷發展，使得配電網的恢復變得更加可觀和可控。美國能源部在其項目研究報告中闡述了這些技術和設備給電網帶來的優勢和益處。

故障指示設備一般包括熔斷器(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，并通過線路故障標識翻牌和二極管發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；另一類遠程故障指示器可以將告警信息和故障位置遠程通過SCADA系統發送到控制中心，操作員可以使用此信息快速定位故障點。文獻[54]和文獻[55]分別基于故障電流方向和故障指示器的狀態來進行故障電路的快速識別。但是在災難發生過程中，由于這些設備或基礎通信系統的損壞，例如SCADA，來自這些現場設備的數據可能會變得不可靠，從而對電網后續的控制和狀態改變產生不好的影響。

智能電表主要通過底層的雙向通信系統來獲取停電信息。通過這些信息可以確定用戶端的停電或損壞情況,進而有助于停電區域的定位和災害評估。現在已有許多有關智能電表識別停電位置的研究[56-57]。然而，與SCADA系統類似，用于智能電表的底層雙向通信系統也容易受到災害的影響導致智能電表數據不可用。

微相量測量單元(μPMU)是一種新的用于配電系統的同步相量測量設備，由美國能源部高級研究計劃署(ARPA-E)[58]資助，它可以提供更準確的測量結果。

3)用戶側反饋數據。

除了通過量測單元獲取電網的狀態以外，電力部門還可以根據用戶側反饋(如用戶的故障呼叫電話)來確定災后停電區域，停電管理系統可以將電話號碼匹配到特定的用戶位置，并以此識別相應饋線上的變壓器和保護設備的狀態，進而預測保護裝置的動作[48]。然而，這種故障呼叫的方法準確性取決于災害發生時通信的可用性，通信技術是否可用是災害期間面臨的一個很重要的問題，因為它會直接影響電話系統的可靠性。

在獲取氣象數據信息、一次設備運行狀態的量測結果和用戶側反饋的信息之后，通過數據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，提高對災后電網受損狀態的態勢感知，從而獲取更為準確的電網故障情況[59-61]。

2.2 電力系統通信網絡技術特點

電力通信網絡作為電力系統監測電力設備的專用通道，它要保證電網運行狀態數據的實時性和可靠性，當電網出現故障時，要盡快把故障信息返回到監視界面，給調度人員提供判斷依據，使電網能夠快速恢復。隨著智能電網的發展，電力系統對通信網絡提出了更高的要求。通信網絡需要滿足可靠性、安全性、低延時以及帶寬要求，在不同的應用場景下需要選擇合適的通信網絡框架。

弗吉尼亞理工大學電氣與計算機工程系的團隊研究了智能電網中不同應用場景下的通信網絡信息要求[62]。在配電網中，需要通過智能電表、需求側響應和配電自動化設備獲取實時電網運行狀態信息，并將它們從大量用戶/現場設備傳輸到配電管理中心/變電站。因此，所使用的通信技術需要具備較高傳輸速率(100 kbps～10 mbps)和較遠的傳輸距離(高達10 km)。一般可以通過紫蜂無線網絡(ZigBee)、Wi-Fi、PLC以及WiMAX、蜂窩網絡、數字用戶線(DSL)和同軸電纜等長距離有線和無線技術相結合，實現鄰域網(neighborhood area networks,NAN)和區域網(field area net-work,FAN)的部署。在輸電側為了保證系統的穩定運行和控制，需要對輸電網進行廣域的控制、保護和監測，其通信技術需要支持更快的數據傳輸率(10 Mbps～1 Gbps)和更遠的傳輸距離(高達100 km)。而光纖通信具有高容量、低延時的特點，廣泛用作輸配變電站和控制中心的傳輸媒介，此外，蜂窩網絡和WiMAX由于其覆蓋范圍廣、數據吞吐量高的特點也得到了較為廣泛的應用，而衛星通信常作為遠程窄帶通信的備用方式。

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

在國內，配電網通信技術主要分為有線(光纖工業以太網、配電線載波等)和無線兩類，兩種方式各有優劣，適用場景側重不同。由于光纖通信技術具有傳輸速率高、可靠性高、抗干擾性強的優點，在配網自動化通信系統中，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]。對于輸電網，其通信方案可分為有線(光纖)傳輸、無線傳輸、混合組網三種，在不同的場景下發揮著各自不同的優勢。文獻[65]提出了以光纖通信為主、WiFi和4G通信輔助的混合自組網通信技術，此方案保障了通信傳輸通道的穩定性以及數據傳輸的靈活性。

相對于有線方式，無線傳輸方式可以進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，所以電力系統中密級度高的電力控制信息的傳輸仍依靠光纖通信等技術實現[66]。

通信網是電力系統的重要組成部分，在災害發生后，輸電網的緊急控制，配電網的網絡重構自愈恢復功能等都離不開通信網絡的支撐。因此，電力通信網發生任何故障都可能對電力系統的安全穩定運行構成威脅。

2.3 電力系統信息層對系統彈性的影響

隨著電網智能化水平的提高，電力網和信息網的耦合程度越來越高。作為電力系統的“感覺器官”和“神經傳導系統”，信息層直接影響了極端自然災害下電力系統抵御和恢復能力。一方面，信息層在災中會影響系統的抵御能力。由于信息物理的耦合性，由極端災害導致的故障可能在信息層和物理層之間傳播，進而擴大災害的影響范圍；同時，由于信息層的故障，使得系統無法實現原本能通過緊急控制避免一些故障場景的功能。另一方面，信息層在災后會影響系統快速恢復能力，因為電網的控制和監測設備依賴于通信基礎設施。災后的通信服務失效將可能導致電網狀態信息丟失，進而大大延遲故障檢測和恢復過程。因為從某種意義上講，通信失效之后電力部門需要派遣工作人員到現場獲取元件運行狀態并進行手動操作。另外，由于災害會影響本地控制器和傳感器/執行器的可用性，導致信息層面對系統的感知能力下降，進而影響恢復決策的有效性。可見，電力層與信息層之間深度耦合的關系給電網彈性提升帶來了更大的挑戰。

3 電力信息物理耦合特性研究方法

電力信息耦合系統的復雜性和異質性使得運行控制變得極為復雜。電力系統運行的高效性提升的同時，其面臨的安全風險也在增加。要提高電力信息物理耦合系統的彈性，不僅要考慮單個基礎設施，還要考慮它們在故障和恢復過程中對彼此的影響。然而，相比于單一的電力網或信息網的恢復力提升，現階段將兩者結合的研究不多。兩個領域之間的相互依賴關系帶來了建模和仿真方面的挑戰。本節主要關注于現有的相關研究工作和進展，并指出了這些工作的優勢和不足，以及未來潛在的研究方向。

3.1 分析模型

這些模型將電力網和信息網映射成數學結構(圖形、數學方程等)，其基本思想是使用一個圖來建模電力物理空間，另一個圖來建模信息空間。圖2給出了表征物理層和通信層映射關系的一個例子，其中一個電力節點可以與多個通信節點連接，表示一個電力節點可以給多個通信節點提供電能，而一個通信節點只能給一個電力節點提供信息服務。文獻[67]中Banerjee等人從電力網和通信網之間相互依賴性的建模角度出發，介紹了五個基于圖的數學模型并說明了它們各自的局限性，在此基礎上提出了一種基于布爾表達式的建模方法。更多的建模分析方法列于表2中。

圖2 信息物理網耦合關系示意圖Fig.2 Illustration of cyber-physical integration

表2中的文獻大多都使用了電力網和通信網之間的映射圖形來表征兩個網絡之間的耦合關系。由于其映射關系比較抽象，網絡圖中的頂點無法完全覆蓋電力系統或通信網絡中的電力元件和通信節點，從而無法完全表征兩個物理實體系統之間復雜的相互依賴關系。然而，建立過于復雜的分析模型會增加問題求解的復雜度。在分析模型的基礎上，如何結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鍵問題。

表2 電力-信息耦合系統的分析模型

3.2 仿真模型

仿真模型即通過仿真進行大量重復執行/模擬后獲得不同參數配置下的定量結果。仿真是用于研究電力網和通信網之間耦合關系的另一種方法，通過仿真平臺建模研究實際系統特性的變化過程。在聯合仿真框架中，電力仿真模塊為電力控制器、發電機、電源開關、負載、輸電線路等建模，并計算每個固定時間步長下的系統狀態(如電流、電壓、功率)。通信網絡仿真模塊為網絡設備、協議、拓撲和流量建模，并模擬數據包傳輸的過程。電力和通信系統之間的聯系包括現場設備向控制中心發送監測數據，控制中心向現場設備發送控制消息，以及這些信息的傳達。

現在已有大量的用于電力系統和通信系統的仿真工具，將兩類工具相互協同組合成聯合仿真框架，可用來評估系統的耦合特性和恢復能力。對于電力系統來說，國外常用的電力網仿真工具包括RTDS、PowerWorld、PowerFlow、PSCAD/EMTDC、PSS/E和Adevs、PSLF、OpenDSS等等[13]。其中，RTDS是實時硬件系統。國內使用比較廣泛的兩類電力網仿真工具包括PSASP、PSS/E、PSD-BPA、PSCAD/EMTDC和基于MATLAB的MATPOWER等。對于通信系統來說，通信網絡仿真平臺包括NS2[72]、OPNET[73]、NS3[74]、Mininet[75]和RINSE[76]等。其中，OPNET、Mininet和RINSE支持實時仿真。

在進行聯合仿真時，對仿真系統間時間同步性和實時性的要求較高，以保證電力系統和信息系統之間正確有效交互，這也是當前聯合仿真平臺所面臨的挑戰。在同步性方面，電力網絡是連續時間模型而通信系統是離散事件模型，這種差異會導致各仿真軟件在仿真時間上的不同步。在實時性方面，近年來大型并行式高速仿真器的出現，極大地推動了實時仿真技術的發展，但電力網和信息網仿真工具之間數據交互的固有延時依然會對仿真產生一定的影響[77]。

3.3 實證研究

這部分主要是對現實世界中涉及電力和通信系統的基礎設施故障案例進行總結，來說明電力信息耦合系統發生故障和恢復的實際過程。這些案例具有很高的真實性，可以用來說明基礎設施之間的相互依賴關系。案例的研究結果對于分析模型的建立和仿真平臺的構建具有一定的參考意義。

文獻[78]給出了2004年佛羅里達州遭受颶風災害時多種基礎設施(如電力、通信、水力和交通)之間由于相互依賴關系造成的故障案例。研究結果表明，一個系統的故障將導致依賴于它的其他系統的故障，從而給自身帶來更多的負面影響。文獻[79]研究了2010年發生在智利莫爾的地震和2011年日本東京的地震，研究結果表明，這兩個地方通信設施故障的原因之一是大停電和缺乏應急發電機。基于現有的研究數據，文中又提出了“耦合強度”量化指標來刻畫基礎設施之間的依賴強度。文獻[80]對2008年雪災后中國北部進行實地調查，提出了一套評估框架來評價電力故障對其他基礎設施(包括通信、交通、水、石油/天然氣)的影響。該框架包含兩個量化指標來刻畫基礎設施受到破壞后的嚴重性和影響范圍。文獻[81]討論了基于2012年美國東海岸的桑迪颶風，通過實地信息的采集描述了通信網絡因電源的故障而中斷服務的過程，并且提出利用微電網來提高通信系統的可用性。除了自然災害，文獻[82]討論了基于2015年烏克蘭電網受到的虛假數據注入攻擊，描述了在網絡攻擊下通信對于其他基礎設施的影響，體現了增強網絡安全對關鍵基礎設施的重要性。

綜上所述，分析模型給描述電力和通信網之間的關系提供了一種抽象的建模方法，模型的簡化性使得問題可以用數學表達式來描述并可以開發相關的算法以解決問題。而聯合仿真平臺給電力通信系統提供了一種更加接近系統實際運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合仿真平臺結合，提供更加有效的解決方案。

4 電力信息物理系統的彈性提升

電網運行狀態取決于信息系統的信息輸入，而信息系統的控制決策指令又取決于物理層面電力系統的運行狀態，可見信息系統和物理系統是強耦合的。上一節分析了電力系統物理層與信息層之間的相互耦合性并歸納了相關的研究方法，在此基礎上，本小節將對現有CPPS彈性提升方法進行歸納總結，并分析利用先進應急通信技術賦能電力系統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“災前”、“災中”和“災后”進行分析，相關的提升策略歸納總結在表3中。表3中的文獻體現了通信網對于電力系統彈性提升策略的重要性，但大多數都是以電力網為主體來分析的，其通信網本身的物理特性被弱化，無法從整體角度刻畫電力系統彈性提升的作用。在電力系統彈性評估中如何分析電力系統的信息物理耦合特性，以及在系統彈性提升中如何協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。未來應考慮從全局角度研究電力信息物理耦合系統的彈性提升方案。

表3 CPPS彈性提升策略總結

4.2 先進應急通信技術賦能電力系統彈性提升的潛力和可行性分析

現階段已有大量文獻從物理層研究電力系統的恢復策略，但是，如何從信息層提升電力系統恢復的研究較少。本小節將從無線應急通信的角度來探討通信網資源如何賦能電力系統彈性提升。

當發生極端自然災害時，大量基礎通信設施遭到破壞，需要一種高效率的臨時恢復方案來應對突發情況，而無線通信在這其中扮演著重要的角色。無線網絡的按需部署將減少網絡恢復時間，為救援人員提供必要的通信支持，以有效地執行幫助和救援服務。

傳統無線應急通信通常采用應急通信車的方式，但是發生地質災害的情況下，如塌方、山體滑坡、地震以及海域覆蓋等極端場景下，移動通信車難以部署；另外，移動應急車的桅桿高度有一定限制，導致天線投射面積有限。因此，需要開發具有更好靈活性和移動性的通信設備來滿足應急通信需要。近些年來，無人機技術不斷發展，國內和國外展開了對無人機基站的研究工作，從理論研究到實際應用都取得了一系列成果。無人機基站具有高可靠的視距鏈路和靈活部署的能力，具有自主移動和懸浮在受影響地區的能力，為受災地區的無線通信提供了一個快速和可靠的替代方案。

無人機憑借優良的移動性、經濟性以及組網能力，在很多通信系統中承當著重要角色。主要包括三個方面[93]：利用無人機實現通信覆蓋：無人機可以被派遣到通信需求較高的地方，與已有的通信基礎設施共同組網；利用無人機做中繼：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；利用無人機進行信息傳播和收集。

在基于無人機的通信網絡部署方面，已有大量研究提出了用于災害緊急通信的空中移動基站的快速部署和調度方案。表4中給出了對于無人機基站部署問題的優化模型，其主要目標是考慮用戶的移動性和無線通信網絡約束以最大化無人機所覆蓋的用戶范圍。另外，考慮到能源效率，在提升無人機通信效率方面也有大量的研究。關于無人機基站在實際中的應用，國內和國外已經取得了一系列研究成果。表5中總結了近幾年出現的較為知名的無人機基站平臺和項目。

表4 基于無人機的通信網絡部署方法

表5 無人機基站項目

上述研究和項目中，移動通信的應用主要是為了解決受災人群的通信問題。對于電力系統而言，移動應急通信對于故障評估、災后搶修工作、配電自動化功能的恢復等方面也能發揮重要的作用。

首先，無人機應急通信能夠協同電力系統故障評估。無人機可以自主飛行，對損壞設備進行較為準確的定位，并將信息傳遞給地面控制中心，以便展開后續恢復工作。近幾年，相關研究也逐漸興起。文獻[102]研究了無人機在配電網故障定位方面的應用，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[103]研究了用于電力系統故障評估的無人機災前部署和災后的路徑規劃問題。這些研究體現了無人機在電力系統恢復力領域的強大潛力。

其次，移動通信在電力系統恢復過程中保障搶修工作的高效性有著重要的作用。應急通信技術可以提供災害過程中的線路故障預警、負荷損失情況以及災后故障元件所處地區的氣象和地形信息，以供系統工作人員對維修資源進行調配。2017年，在四川九寨溝7.0級地震災害中，中國移動便運用無人機高空基站及時地保障了應急搶險隊伍以及災民的通信需求。2018年9月，臺風“山竹”襲擊廣東，抗災搶險應急中，廣東電網肇慶供電局研發的廣東電網首臺“4G+微波+衛星”三合一的應急通信指揮車，利用多元信號通道傳輸技術，通過多種網絡手段將現場狀況實時回傳應急管理中心，實現了遠程全方位統一指揮、搶險資源快速調配、施工現場實時監控的可視化管理。可見，移動應急通信在保證電網災后搶修工作的高效性，提升電力系統彈性方面有著重要的作用。

此外，應急通信技術在應對極端事件后電力系統恢復自動化方面具有強大的潛力。首先，在配電自動化系統的恢復方面，無線應急通信技術可以起到很大的作用。配電管理系統是從變電、配電到用電過程的監視、控制和管理的綜合自動化系統。整個配電系統依賴于高可靠和低延時的信息傳輸。故障發生后，需要及時準確進行故障定位、故障隔離和負荷轉供。然而，極端災害導致部分通信媒介和地面基站被破壞，無法快速準確獲取線路數據，也無法將指令順利傳達到饋線自動化設備上。而此時自動化終端設備由于備用電源的支持能夠保持一段時間的通信能力，因此，如果借助無線應急基站(包括地面移動通信車和空中無人機應急基站)提供應急通信服務，在這段“黃金時間”通過配電自動化功能快速恢復供電，則可以有效提升配電網彈性；否則，若未能在這段時間恢復供電導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行恢復，大大延緩了恢復過程。由上述分析可知，在極端災害發生后配電自動化的通信系統比較脆弱，信息物理耦合特性還會加劇系統的脆弱。然而，在使用無線應急基站逐步恢復整個配電系統時，這種耦合特性可以提高系統的恢復效率。

近幾年來，隨著第5代移動通信技術(5th generation mobile networks，5G通信)的快速發展，5G高速率、高容量、高可靠性以及低延時和低能耗的特點，為網絡性能配置提供了靈活的配置空間，高質量的通信服務使得基于5G的應急通信系統在未來應急網絡中具有廣闊前景。

從上述分析可見，先進應急通信技術(包括無人機應急基站和5G通信技術)對于電力系統彈性的提升至關重要。先進的應急通信技術，可以代替原來的信息網實現系統的態勢感知和信息傳遞的功能，保障極端災害下物理層運行策略的有效實施。

5 未來展望

綜上所述，在物理層方面，現有研究對電力傳統基礎設施的強化以及利用各類彈性資源在系統運行層面提升彈性進行了深入的探索，但是對于信息層彈性資源的挖掘還不夠深入，對于信息物理耦合下的電力系統彈性提升策略的研究還存在以下幾點局限性：

1)信息層的作用體現在對系統的感知能力和對信息傳遞能力，直接會影響電力系統在物理層面的抵御能力和恢復能力，在災前、災中、災后，信息層作用的發揮也不盡相同。如何揭示在災害不同階段信息層如何與物理層相互作用，進而影響電力系統的彈性，目前缺乏有效的分析方法，是彈性評估中考慮信息物理耦合特性的關鍵難點。

2)信息層在災前主要發揮預警的功能：預測和評估災害對電力系統產生的影響，包括指導應急物資的調配，完成系統的預控制等物理層面的預防手段。然而預測和評估往往是不精確的，從而影響了系統預防手段的有效性。因此，如何分析預測評估的不確定性與電力系統預防手段的有效性之間的關系是從災前預防角度基于信息層面提升電力系統彈性的基礎。

3)信息層在災中影響系統的抵御能力：一方面，由于信息物理的耦合性，由極端災害導致的故障可能在信息層和物理層之間傳播，進而擴大了災害的影響范圍；另一方面，由于信息層的故障，使系統無法實現原本能夠通過緊急控制避免一些故障場景的功能，從而降低了系統對于災害的抵御能力。因此，如何分析信息層在災害影響過程中的薄弱環節，是系統從關鍵設施強化角度提升彈性的關鍵難點。

4)信息層在災后影響系統快速恢復能力：一方面，由于災害影響導致信息層面對系統的感知能力下降，進而影響恢復決策的有效性；另一方面，災害導致信息中斷，進而使自動化裝置失效，將大大延緩恢復過程，從而降低了系統在災后的快速恢復能力。因此，如何揭示信息層面感知力下降和信息中斷對于系統恢復能力的影響機理和量化關系，是系統從快速恢復角度提升彈性的關鍵難點。

綜上所述，如何協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彈性提升的重要手段，也是亟待解決的重要問題。先進無線應急通信技術作為在極端自然災害下協同電力系統信息層和物理層靈活資源的方法，在電力系統彈性提升上具有潛在價值。