時(shí)珊珊， 崔正達(dá)， 陳 穎， 李博達(dá)， 肖譚南， 周 健

(1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院， 上海 200437； 2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系， 北京 100084)

1 引言

我國已提出了“2030碳達(dá)峰，2060碳中和”的雙碳目標(biāo)，相關(guān)政策將引導(dǎo)能源領(lǐng)域轉(zhuǎn)型，深刻影響電力、交通等基礎(chǔ)設(shè)施體系的未來發(fā)展。

為適應(yīng)綠色低碳的發(fā)展要求，各級(jí)政府積極推進(jìn)電氣化交通的發(fā)展，逐步擺脫對(duì)化石能源的路徑依賴。受此影響，電動(dòng)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(guān)系愈發(fā)緊密。國務(wù)院《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》提出，“加強(qiáng)新能源汽車與電網(wǎng)能量互動(dòng)”，到2025年中國新能源汽車銷量占比達(dá)到20%左右[1]。電氣化交通和城市電網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊密耦合、運(yùn)行機(jī)制互動(dòng)相關(guān)，促進(jìn)了城市基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)合優(yōu)化和協(xié)同防災(zāi)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。

本文重點(diǎn)討論極端災(zāi)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(jìn)展。韌性是評(píng)價(jià)系統(tǒng)抵御小概率、大沖擊極端事件能力的關(guān)鍵指標(biāo)，反映了基礎(chǔ)設(shè)施防災(zāi)效果和恢復(fù)速度。近年來，極端自然災(zāi)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(jìn)行相關(guān)綜述，對(duì)于臺(tái)風(fēng)[8,9]、冰災(zāi)[10]、地震[11]等極端災(zāi)害提出對(duì)應(yīng)韌性評(píng)估方法和提升措施。針對(duì)具體的韌性提升措施，已有研究提出了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加固[12,13]、快速故障隔離、微網(wǎng)化應(yīng)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(yīng)急資源開展應(yīng)急恢復(fù)存在一定的弊端。例如應(yīng)急供電設(shè)備購置和運(yùn)維成本較高，難以大量配置，災(zāi)后快速復(fù)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(fù)有了新的手段，即利用電動(dòng)交通工具的儲(chǔ)能能量，支撐電網(wǎng)和負(fù)荷應(yīng)急供電。如此，電氣化交通網(wǎng)中離散存儲(chǔ)的電能和城市電網(wǎng)中連續(xù)供給的電能形成了互補(bǔ)和聯(lián)動(dòng)，從整體上保障災(zāi)害后城市基礎(chǔ)設(shè)施可靠運(yùn)行。更重要的是，充分利用社會(huì)化的應(yīng)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(yīng)急供電服務(wù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)韌性水平。

在電力-交通基本耦合關(guān)系方面，已發(fā)表的綜述文獻(xiàn)著重討論了相關(guān)支撐技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，闡明了電力-交通協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行的必要性。文獻(xiàn)[20]討論了電氣化交通中電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的相關(guān)技術(shù)路線，包括電動(dòng)汽車與家庭互動(dòng)(Vehicle to Home, V2H)、電動(dòng)汽車與電動(dòng)汽車互動(dòng)(Vehicle to Vehicle, V2V)以及電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)(Vehicle to Grid, V2G)。這些技術(shù)將成為支撐電力-交通能量耦合的基本技術(shù)。文獻(xiàn)[21]總結(jié)了電氣化交通與智能電網(wǎng)互動(dòng)需要的關(guān)鍵要素，包括充電技術(shù)、能量管理、通訊需求、安全措施等。文獻(xiàn)[22]討論了電力-交通網(wǎng)絡(luò)融合在信息層面和物理層面協(xié)同所需的運(yùn)行架構(gòu)和重要技術(shù)，討論了二者的融合潛力和發(fā)展趨勢(shì)。除了具體技術(shù)層面，一些研究也從系統(tǒng)層面討論電力-交通的耦合關(guān)系。文獻(xiàn)[23]總結(jié)了大規(guī)模電動(dòng)汽車接入現(xiàn)存電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行和規(guī)劃產(chǎn)生的影響，討論利用V2G技術(shù)提升電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、安全性的方法。文獻(xiàn)[24]總結(jié)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(dòng)關(guān)系和相關(guān)應(yīng)用。文獻(xiàn)[25]從系統(tǒng)運(yùn)行控制的角度出發(fā)，總結(jié)電力-交通系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同運(yùn)行的建模和決策方法。在上述工作基礎(chǔ)上，本文進(jìn)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(jià)值，綜述技術(shù)內(nèi)容。

本文首先從分析城市電網(wǎng)韌性概念入手，介紹構(gòu)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(fù)基礎(chǔ)條件；接著，圍繞韌性提升的四個(gè)關(guān)鍵步驟開展綜述，總結(jié)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(shù)趨勢(shì)和研究重點(diǎn)。

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(shí)物理世界運(yùn)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(biāo)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(bǔ)傳統(tǒng)指標(biāo)的不足，引入了韌性概念，即指系統(tǒng)在出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)或故障時(shí)，改變自身狀態(tài)以減少系統(tǒng)整體損失，并在擾動(dòng)結(jié)束后盡快恢復(fù)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(zāi)害等極端事件時(shí)的承受和恢復(fù)能力。隨著我國城市發(fā)展水平的提高，韌性相關(guān)概念在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域受到重視，發(fā)展迅速。韌性城市[27,28]概念從城市的基礎(chǔ)設(shè)施體系角度評(píng)估城市整體韌性，北京、上海等城市提出了建設(shè)韌性城市[29]的目標(biāo)，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(jià)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(zāi)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(fù)正常供電水平的能力[5]。電網(wǎng)作為城市龐大復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施體系的核心，是維持基礎(chǔ)設(shè)施體系正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。然而，城市電網(wǎng)處于電力主網(wǎng)末端，具有結(jié)構(gòu)冗余度低、自動(dòng)化水平有限、缺少備用電源等特征，抵御極端災(zāi)害沖擊能力較弱，受災(zāi)后可能出現(xiàn)大范圍設(shè)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(huì)直接影響城市居民生活和生產(chǎn)活動(dòng)，還會(huì)引起其他城市基礎(chǔ)設(shè)施的連鎖反應(yīng)和次生災(zāi)害，造成交通系統(tǒng)癱瘓、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)削弱等嚴(yán)重后果。因此，提升城市電網(wǎng)韌性水平、增強(qiáng)其抵御極端災(zāi)害的沖擊能力是維護(hù)城市安全的關(guān)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(guān)系進(jìn)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(dòng)公交、電動(dòng)出租車、私人電動(dòng)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(jìn)展迅速，促進(jìn)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(shù)基礎(chǔ)。

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(shè)備都具有移動(dòng)儲(chǔ)能的基本特性，可經(jīng)由道路將所存儲(chǔ)能量轉(zhuǎn)運(yùn)到電網(wǎng)特定位置，并支撐電網(wǎng)應(yīng)急供電。隨著電氣化交通不斷普及，交通網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)的移動(dòng)儲(chǔ)能能量不斷增大，形成了規(guī)模巨大、形式多樣、拓?fù)潇`活的離散能量網(wǎng)絡(luò)，為增強(qiáng)城市電網(wǎng)韌性提供了物質(zhì)和能量基礎(chǔ)。已有研究表明，電網(wǎng)專用和社會(huì)公用的電氣化交通設(shè)備都可支撐電網(wǎng)韌性恢復(fù)。

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

社會(huì)公共電氣化交通車輛也是重要的移動(dòng)能量載體，其能量總量超過專用應(yīng)急供電車輛，具有巨大的電網(wǎng)韌性恢復(fù)應(yīng)用潛力。雖然形式不同，但電動(dòng)汽車、電動(dòng)公交等都可作為移動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備，協(xié)助電網(wǎng)韌性提升。以電動(dòng)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(dòng)公交車[37]。深圳2021年夏天用電負(fù)荷高峰突破2 000萬kW，以用電負(fù)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(jì)算，所有公交車電量可支撐全市10%的負(fù)荷2 h。北京、杭州等城市也已建立了換電模式的電動(dòng)出租車體系[38]，換電模式充電站的電池儲(chǔ)備蘊(yùn)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(dòng)公交車等公用交通車輛增強(qiáng)城市電網(wǎng)防災(zāi)水平[39]和加速災(zāi)后恢復(fù)[37]的優(yōu)化決策方法，論證了相關(guān)技術(shù)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(chǔ)能[40]和發(fā)電設(shè)施，也有可能對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行局部的恢復(fù)和應(yīng)急支撐。相關(guān)研究工作在文獻(xiàn)[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(shù)

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(yùn)行機(jī)制，相關(guān)技術(shù)有助于增強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(shí)將能量反饋給城市電網(wǎng)，輔助電網(wǎng)運(yùn)行，使能量在城市電網(wǎng)與交通系統(tǒng)之間雙向流動(dòng)。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(yīng)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(dòng)的V2G充電樁兩類。對(duì)于單向充電的充電樁，可以組織電動(dòng)汽車進(jìn)行有序充電，降低電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，提升電動(dòng)汽車充電經(jīng)濟(jì)性[42,43]。對(duì)于V2G充電樁，可使電動(dòng)汽車進(jìn)一步參與電網(wǎng)運(yùn)行控制，提供調(diào)峰調(diào)頻資源[44,45]，促進(jìn)可再生能源消納[46]。而對(duì)于應(yīng)急供電車來說，可以通過滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的接口與配電網(wǎng)連接，支撐配電網(wǎng)運(yùn)行[47]，同時(shí)，已有研究針對(duì)應(yīng)急供電車的供電場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了應(yīng)急供電車快速接入接口[48,49]。隨著電力-交通能量接口技術(shù)的成熟，移動(dòng)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(jìn)一步加深電力-交通系統(tǒng)能量耦合水平。因此，現(xiàn)有技術(shù)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(dòng)，更可在災(zāi)害場(chǎng)景中利用交通系統(tǒng)能量支撐關(guān)鍵負(fù)荷應(yīng)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(yùn)行效率，協(xié)同應(yīng)急響應(yīng)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(jī)制，構(gòu)建了協(xié)同優(yōu)化的信息架構(gòu)[22]。二者可以通過信息耦合關(guān)系進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，提升交通系統(tǒng)運(yùn)行效率和電網(wǎng)綜合能效[25]。在具體技術(shù)上，已有文獻(xiàn)針對(duì)V2G的使用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了信息通信網(wǎng)絡(luò)[50]，并針對(duì)V2H、V2G參與車輛設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制通信方法[51,52]。具體到韌性場(chǎng)景下，文獻(xiàn)[53]提出了電力信息物理系統(tǒng)的韌性增強(qiáng)策略，能夠提升極端情況下的通信系統(tǒng)生存能力。文獻(xiàn)[54]考慮了交通信號(hào)對(duì)電力-交通耦合網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)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(dāng)前電網(wǎng)與交通系統(tǒng)的通信技術(shù)已能支撐二者的信息交互，是二者協(xié)同恢復(fù)的控制通信基礎(chǔ)。

綜上所述，若能有效利用社會(huì)公用電氣化交通系統(tǒng)中的移動(dòng)儲(chǔ)能，可有效補(bǔ)充專用應(yīng)急供電車輛能量缺口，規(guī)避飽和式專用應(yīng)急供電資源配置帶來的投資風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)城市電網(wǎng)抵御五十年、乃至百年一遇的極端災(zāi)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(guān)研究

城市電網(wǎng)韌性方面的研究通常可以將韌性提升問題建模為數(shù)學(xué)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(jì)性等因素，得到韌性提升方案，最小化災(zāi)害中損失的負(fù)荷或最大化災(zāi)中恢復(fù)負(fù)荷價(jià)值。

當(dāng)韌性提升問題結(jié)合電氣化交通系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)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(huì)增加這一問題的復(fù)雜性，對(duì)韌性提升方法提出更高的要求。相關(guān)領(lǐng)域的研究可根據(jù)時(shí)間順序、時(shí)間尺度的不同劃分為長(zhǎng)期韌性規(guī)劃、災(zāi)前調(diào)整預(yù)防、災(zāi)中應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)后持續(xù)供電四個(gè)階段，如圖2所示。以下將從韌性提升的四個(gè)階段分別介紹已有研究成果。

圖2 韌性提升機(jī)制時(shí)序關(guān)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(zhǎng)期韌性規(guī)劃

電氣化交通與城市電網(wǎng)協(xié)同的長(zhǎng)期韌性規(guī)劃是指在電網(wǎng)傳統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)、擴(kuò)展階段，將交通系統(tǒng)考慮在內(nèi)并圍繞韌性指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隨著電力-交通系統(tǒng)的耦合程度進(jìn)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(shè)計(jì)方法具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型而言，由于規(guī)劃問題不關(guān)注某次具體災(zāi)害，而需要對(duì)長(zhǎng)期災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，因此規(guī)劃問題中的韌性指標(biāo)常使用風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)概念，如系統(tǒng)負(fù)荷損失的期望[36,55,56]、負(fù)荷損失的條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值(Conditional Value-at-Risk, CVaR)[57]等，以反映未來可能災(zāi)害下的系統(tǒng)韌性水平。

使用基于風(fēng)險(xiǎn)的韌性指標(biāo)需要對(duì)城市電網(wǎng)未來可能遭受的災(zāi)害場(chǎng)景進(jìn)行概率建模和分析，包括基于設(shè)備故障概率進(jìn)行災(zāi)害生成的抽樣統(tǒng)計(jì)[36]、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和故障機(jī)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(jī)規(guī)劃模型進(jìn)行求解。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要從充電站規(guī)劃及應(yīng)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(jì)性的前提下，服務(wù)交通系統(tǒng)發(fā)展，提升城市電網(wǎng)長(zhǎng)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(duì)電力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的雙重影響。文獻(xiàn)[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(duì)交通狀況造成的負(fù)面影響。文獻(xiàn)[59]著重考慮了公路的擴(kuò)容需求和城市電網(wǎng)的升級(jí)投資，二者協(xié)同規(guī)劃提升整體系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[55]將電網(wǎng)韌性指標(biāo)納入充電站的規(guī)劃目標(biāo)，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(yīng)急供電車方面，相關(guān)工作主要以電網(wǎng)公司獨(dú)立投資為假設(shè)研究資源配置方案。文獻(xiàn)[36]建立了兩階段的隨機(jī)規(guī)劃模型，在第一階段考慮不同災(zāi)害場(chǎng)景優(yōu)化移動(dòng)供能設(shè)備投資，第二階段進(jìn)行移動(dòng)儲(chǔ)能調(diào)度。文獻(xiàn)[56]基于納什談判模型進(jìn)行規(guī)劃，得到經(jīng)濟(jì)性與韌性均衡的電網(wǎng)應(yīng)急供電車投資方案。

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

4.2 電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)災(zāi)前調(diào)整預(yù)防

電氣化交通與城市電網(wǎng)協(xié)同的災(zāi)前調(diào)整預(yù)防是指在極端災(zāi)害發(fā)生前，根據(jù)災(zāi)害預(yù)報(bào)信息，考慮電氣化交通資源，結(jié)合拓?fù)湔{(diào)整、運(yùn)行方式優(yōu)化、資源預(yù)調(diào)度等手段來減少停電風(fēng)險(xiǎn)，增大系統(tǒng)韌性裕度。

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

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

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

另外，隨著交通系統(tǒng)的電氣化，電動(dòng)汽車、電動(dòng)公交車等也可作為電網(wǎng)災(zāi)前調(diào)整預(yù)防的重要資源。文獻(xiàn)[39]將交通系統(tǒng)中的電動(dòng)公交視作可以調(diào)度的儲(chǔ)能資源，考慮電動(dòng)公交調(diào)度成本，進(jìn)行災(zāi)前預(yù)調(diào)度，提高城市電網(wǎng)的恢復(fù)能力。

目前災(zāi)前調(diào)整預(yù)防方面的研究主要關(guān)注電網(wǎng)自有的應(yīng)急供電車。社會(huì)公共電氣化交通車輛通常不受電網(wǎng)直接調(diào)度，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)商業(yè)模式和調(diào)度機(jī)制，充分挖掘交通系統(tǒng)支撐電網(wǎng)韌性的潛力，促進(jìn)社會(huì)資源參與城市電網(wǎng)災(zāi)前調(diào)整預(yù)防。

4.3 電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)災(zāi)中應(yīng)急響應(yīng)

電氣化交通與城市電網(wǎng)協(xié)同的災(zāi)中應(yīng)急響應(yīng)是指在極端災(zāi)害發(fā)生后，結(jié)合電氣化交通供電資源，快速恢復(fù)關(guān)鍵負(fù)荷供電。電氣化交通系統(tǒng)為災(zāi)中應(yīng)急響應(yīng)提供了更多靈活選擇，目前的研究工作主要關(guān)注使用應(yīng)急供電車和利用電動(dòng)汽車的離散儲(chǔ)能資源進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)。

首先，在應(yīng)急供電車方面，現(xiàn)有工作研究了應(yīng)急供電車在應(yīng)急響應(yīng)過程中的調(diào)度控制策略。文獻(xiàn)[63]提出了應(yīng)急供電車的滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度策略，在考慮電網(wǎng)和道路的損壞與修復(fù)的情況下建立了兩階段隨機(jī)整數(shù)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[64]研究了使用應(yīng)急供電車進(jìn)行電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)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(dòng)汽車方面，研究工作從控制、調(diào)度等角度開展。文獻(xiàn)[65]設(shè)計(jì)了包含電動(dòng)汽車供電的負(fù)荷恢復(fù)硬件平臺(tái)，以提升電網(wǎng)韌性水平。文獻(xiàn)[66]研究了電動(dòng)汽車在城市電網(wǎng)供電故障時(shí)利用V2H技術(shù)為家庭用電提供支撐的可行性。文獻(xiàn)[67]將電動(dòng)汽車作為靜態(tài)的儲(chǔ)能資源，在微網(wǎng)中協(xié)同儲(chǔ)能設(shè)備、分布式電源等，使用魯棒優(yōu)化方法提升了關(guān)鍵負(fù)荷的供電能力。

綜上，現(xiàn)有工作在應(yīng)急響應(yīng)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(zāi)中應(yīng)急響應(yīng)方法。

4.4 電氣化交通系統(tǒng)與配電網(wǎng)災(zāi)后持續(xù)供電

電氣化交通與城市電網(wǎng)協(xié)同的災(zāi)后持續(xù)供電是指應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間災(zāi)害(如洪水、極寒天氣等)時(shí)，結(jié)合電氣化交通供電資源，形成可靠、持久的應(yīng)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(yīng)急供電資源，豐富災(zāi)后恢復(fù)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(huì)相互影響，改變應(yīng)急資源的調(diào)配成本，增加災(zāi)后恢復(fù)問題的復(fù)雜度。

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

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

首先，在利用應(yīng)急供電車的研究方面，文獻(xiàn)[62]使用多階段方法進(jìn)行問題建模，并在最后階段給出應(yīng)急供電車的實(shí)時(shí)運(yùn)行與調(diào)配策略。文獻(xiàn)[68]考慮了應(yīng)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(jìn)行應(yīng)急供電車的路徑規(guī)劃調(diào)度。文獻(xiàn)[71]使用蒙特卡洛仿真模擬災(zāi)后負(fù)荷和光伏出力不確定性，建立基于場(chǎng)景的兩階段隨機(jī)規(guī)劃模型，求解得到應(yīng)急供電車的調(diào)度方案。文獻(xiàn)[69]將搶修人員分配策略與應(yīng)急供電車進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，考慮搶修時(shí)序的模型進(jìn)一步提高了系統(tǒng)存活能力。文獻(xiàn)[72]同樣考慮搶修人員與應(yīng)急供電車的協(xié)同恢復(fù)策略，并利用軟開關(guān)將故障電網(wǎng)劃分為輻射狀微網(wǎng)進(jìn)行供電。文獻(xiàn)[73]考慮城市電網(wǎng)中分布式光伏和風(fēng)力發(fā)電不確定性，配合應(yīng)急供電車資源，建立機(jī)會(huì)約束的隨機(jī)規(guī)劃模型，并進(jìn)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(zāi)后調(diào)度方案。文獻(xiàn)[70]考慮城市電網(wǎng)故障對(duì)交通信號(hào)系統(tǒng)的影響，通過建模交通信號(hào)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的依賴關(guān)系，求解混合整數(shù)規(guī)劃模型，得到應(yīng)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(xiàn)[37] 將電動(dòng)公交車作為潛在恢復(fù)資源，在考慮了公共運(yùn)力需求的同時(shí)，通過配電網(wǎng)重構(gòu)與電動(dòng)公交協(xié)同恢復(fù)電網(wǎng)負(fù)荷，有效提升了城市電網(wǎng)的韌性水平。文獻(xiàn)[74]設(shè)計(jì)了一種分級(jí)控制方法，協(xié)調(diào)各類應(yīng)急供電資源，通過隨機(jī)規(guī)劃考慮故障和發(fā)電資源的不確定性，將電動(dòng)汽車作為供電資源，進(jìn)行微網(wǎng)調(diào)度，提升系統(tǒng)韌性。

綜上所述，當(dāng)前研究圍繞電力-交通系統(tǒng)耦合關(guān)系，考慮故障對(duì)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(zāi)后持續(xù)供電。

然而，應(yīng)當(dāng)指出的是，極端災(zāi)害沖擊下城市電網(wǎng)和交通系統(tǒng)都會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的故障，產(chǎn)生交互影響，即交通系統(tǒng)損壞會(huì)影響應(yīng)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(yùn)輸能力。因此，面對(duì)極端災(zāi)害沖擊，電力-交通系統(tǒng)有必要進(jìn)一步加強(qiáng)協(xié)同應(yīng)急響應(yīng)，加速城市基礎(chǔ)設(shè)施體系恢復(fù)。目前，相關(guān)研究尚處于起步階段。文獻(xiàn)[54,70]研究了交通信號(hào)對(duì)于交通移動(dòng)成本的影響，調(diào)整電力資源調(diào)度，優(yōu)先交通信號(hào)恢復(fù)。文獻(xiàn)[63]考慮道路損壞和修復(fù)情況，根據(jù)交通網(wǎng)災(zāi)后恢復(fù)情況實(shí)時(shí)調(diào)整應(yīng)急供電車調(diào)度方案。文獻(xiàn)[75]研究在冰雪災(zāi)害造成的道路堵塞情況下線路除冰車的調(diào)度計(jì)劃，提升電網(wǎng)恢復(fù)效率。文獻(xiàn)[76]則利用電動(dòng)公交調(diào)度運(yùn)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(fù)。

電氣化交通系統(tǒng)與城市電網(wǎng)的互動(dòng)復(fù)雜多樣，不同文獻(xiàn)關(guān)注不同韌性提升階段，對(duì)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(jìn)行了有益的探索。本文調(diào)研文獻(xiàn)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(xué)方法以及研究?jī)?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(jī)制相關(guān)研究Tab.1 Studies of distribution system resilience enhancement measures with electrified transportation system

5 技術(shù)趨勢(shì)和研究重點(diǎn)

5.1 碳中和政策影響下城市電網(wǎng)韌性發(fā)展趨勢(shì)

2020年9月，中國在聯(lián)合國大會(huì)上向世界宣布了2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。碳中和政策影響下，城市能源基礎(chǔ)設(shè)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(duì)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(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，進(jìn)一步加強(qiáng)城市電網(wǎng)與交通系統(tǒng)的耦合機(jī)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(fù)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(fù)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(fù)體系的特點(diǎn)體現(xiàn)在能量、信息和市場(chǎng)機(jī)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(chǎng)化舉措，碳中和政策面向全社會(huì)和全行業(yè)，要求在給定的時(shí)間內(nèi)完成能源系統(tǒng)低碳和去碳化，是具有強(qiáng)約束力的國家政策，將同時(shí)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(lì)，電動(dòng)汽車、低碳微網(wǎng)群、氫能等低碳能源廣泛接入電網(wǎng)。當(dāng)城市電網(wǎng)遭遇極端災(zāi)害事件時(shí)，它們可被用于應(yīng)急供電，保障關(guān)鍵負(fù)荷。而不同低碳能源的運(yùn)行機(jī)制、容量特點(diǎn)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(fù)勢(shì)在必行：城市電網(wǎng)是信息物理融合技術(shù)應(yīng)用的主要對(duì)象之一。極端災(zāi)害下，信息物理系統(tǒng)可能發(fā)生連鎖故障，擴(kuò)大事故范圍，影響應(yīng)急恢復(fù)效率。因此，提升城市電網(wǎng)韌性水平，必定要實(shí)現(xiàn)信息物理協(xié)同的防災(zāi)和恢復(fù)[53]。城市電網(wǎng)同交通、通信等其他城市基礎(chǔ)設(shè)施緊密耦合，相互支撐[79]。在極端災(zāi)害后，利用電氣化交通的移動(dòng)供能能力，可支撐關(guān)鍵負(fù)荷供電；合理調(diào)度電網(wǎng)搶修，可加速交通運(yùn)力恢復(fù)；快速恢復(fù)通信系統(tǒng)，可提升資源調(diào)度效率，促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)?？紤]多基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)耦合和支撐關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)更大范圍的城市功能韌性恢復(fù)。

5.1.3 市場(chǎng)機(jī)制層面

為保持長(zhǎng)期韌性，電力應(yīng)急模式需要?jiǎng)?chuàng)新：國家政策鼓勵(lì)多元投資主體參與電網(wǎng)建設(shè)，給傳統(tǒng)的電力應(yīng)急管理帶來模式創(chuàng)新機(jī)遇[80]。設(shè)計(jì)市場(chǎng)化機(jī)制，可以吸引低碳能源供應(yīng)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(fù)體系建設(shè)。在災(zāi)前，購置多元主體提供的應(yīng)急供電資源和服務(wù)，例如針對(duì)關(guān)鍵負(fù)荷的應(yīng)急發(fā)電設(shè)備、可靈活移動(dòng)的應(yīng)急供電車和可集中調(diào)度和雙向充放電的電動(dòng)公交等，利用市場(chǎng)化韌性資源進(jìn)行災(zāi)中、災(zāi)后城市電網(wǎng)恢復(fù)，提升城市電網(wǎng)韌性。這將極大緩解電網(wǎng)側(cè)韌性基礎(chǔ)設(shè)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(dòng)社會(huì)資源參與電網(wǎng)恢復(fù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的最大化。

5.2 后續(xù)研究重點(diǎn)

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(duì)這二者在韌性上的關(guān)系應(yīng)當(dāng)著重考慮以下方面：

(1)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與韌性的規(guī)劃方案。在城市電網(wǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃上，經(jīng)濟(jì)性和韌性的提升往往相互矛盾。過度追求韌性可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)投資在大部分時(shí)間無法發(fā)揮作用，造成浪費(fèi)；而僅追求經(jīng)濟(jì)性可能會(huì)導(dǎo)致極端事件下韌性不足，使社會(huì)損失過大。如何合理建模耦合的電力-交通系統(tǒng)，對(duì)經(jīng)濟(jì)性和韌性進(jìn)行權(quán)衡，是目前研究的難點(diǎn)。另外，韌性規(guī)劃需要考慮長(zhǎng)期的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，而極端災(zāi)害往往缺少豐富的歷史數(shù)據(jù)支撐。城市電網(wǎng)未來災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確程度會(huì)影響韌性規(guī)劃方案的有效性，精準(zhǔn)刻畫長(zhǎng)期災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也是韌性規(guī)劃的重要課題。

(2)結(jié)合社會(huì)資源的韌性商業(yè)模式。當(dāng)前韌性方面研究大多假設(shè)投資主體和受益主體均為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)方，較少考慮電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)方以外的供電資源參與韌性提升，交通系統(tǒng)等社會(huì)資源參與韌性提升的潛力有待挖掘。私人電動(dòng)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(jī)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(wù)部門，參與韌性提升的意愿和調(diào)度的響應(yīng)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(chǎng)機(jī)制，并研究創(chuàng)新商業(yè)機(jī)制將電動(dòng)汽車納入韌性恢復(fù)體系之中。

(3)多形態(tài)能量載體的協(xié)同運(yùn)行決策。隨著碳中和的持續(xù)推進(jìn)，各類低碳能源將接入城市電網(wǎng)，韌性視角可以擴(kuò)展到電力-交通，電力-綜合能源[81]的耦合機(jī)制上，推進(jìn)多形態(tài)能量的轉(zhuǎn)換流通。隨著電動(dòng)汽車和多能互補(bǔ)技術(shù)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(shè)施和多能轉(zhuǎn)換裝備，多類型電動(dòng)汽車、軌道交通車輛、全電化駁船、氫能和低碳燃料專用運(yùn)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(yùn)行。面對(duì)極端災(zāi)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(yīng)急供電服務(wù)。然而，不同能量載體往往屬于不同社會(huì)主體，其協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行不僅需要針對(duì)不確定災(zāi)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(fù)雜、難以求解。未來，相關(guān)研究工作應(yīng)深入分析電力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)在恢復(fù)過程中的動(dòng)態(tài)影響，建立深度協(xié)同的電力-交通韌性恢復(fù)模型，提升城市基礎(chǔ)設(shè)施整體韌性水平。

6 結(jié)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(guān)系出發(fā)，探討了兩種基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)體系在電網(wǎng)韌性方面的聯(lián)系，基于不同時(shí)間尺度從長(zhǎng)期韌性規(guī)劃、災(zāi)前調(diào)整預(yù)防、災(zāi)中應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)后持續(xù)供電四個(gè)角度總結(jié)了這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。隨著碳中和政策的推進(jìn)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(jìn)一步深度融合，豐富城市電網(wǎng)的韌性資源和提升機(jī)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(jìn)一步深入研究。