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《中国电机工程学报》网络首发论文学术报告
1. 研究团队与发表信息
本研究的作者为李泽宁、孙宏斌*、薛屹洵、常馨月、苏珈,均来自太原理工大学电气与动力工程学院(煤电清洁智能控制教育部重点实验室)。论文于2025年2月20日在《中国电机工程学报》(Proceedings of the CSEE)网络首发,题目为《计及需求侧资源的电力-交通系统协同负荷恢复随机优化方法:以建筑用能为例》(A Stochastic Optimization Method for Coordinated Restoration of Electricity-Transportation Systems Considering Demand-Side Resources: A Case Study of Building Energy)。
2. 研究背景与目标
2.1 研究背景
在全球气候变化加剧的背景下,极端自然灾害频发,城市供能中断事故增多,亟需提升电力-交通耦合系统的灾后恢复能力。传统研究多聚焦于电网或交通网单一系统的恢复策略,而忽略了二者协同优化的潜力。此外,建筑能耗占社会总能耗的28.3%,其中空调(Air Conditioner, AC)占比超过50%,但现有研究往往忽视建筑热惯性(thermal inertia)对负荷恢复的潜在贡献。
2.2 研究目标
本研究提出一种考虑建筑热惯性的电力-交通系统协同负荷恢复随机优化方法,旨在:
1)利用建筑围护结构的蓄冷特性(cooling storage characteristics)减少AC运行功率,降低负荷恢复需求;
2)结合应急电源车(Emergency Power Supply Vehicle, EPSV)的时空灵活性,优化电力-交通系统的多时段负荷恢复;
3)通过机会约束规划(Chance-Constrained Programming, CCP)处理环境温度和车速的不确定性,提升关键负荷的恢复效果。
3. 研究方法与流程
3.1 模型构建
研究首先建立了电力-交通系统协同恢复框架(图1),包含交通层(EPSV与路网)和电网层(分布式电源、商业楼宇、故障配电网及负荷)。核心模型包括:
1)楼宇详细热动态模型(图2):基于5节点热网络(4个墙体节点+1个室内空气节点),通过热阻(thermal resistance)和热容(thermal capacitance)描述建筑的缓慢热动态过程,并推导AC制冷功率与室内温度的定量关系(式1-4)。
2)EPSV路径规划模型:结合路网拓扑,优化EPSV行驶路线(式6-13),确保其初始电量满足行驶能耗(式8),并考虑车速不确定性(式13)。
3)多时段负荷恢复模型:以最大化加权负荷供电时间和最小化总网损为目标(式37),结合配电网辐射状拓扑约束(式14-16)、潮流约束(式17-29)及各供电源能量限制(式31-35)。
3.2 机会约束转换与求解
针对外界温度和车速的不确定性,采用CCP将原问题转化为混合整数二阶锥规划(Mixed-Integer Second-Order Cone Programming, MISOCP)问题:
1)将用户舒适温度约束(式46)转化为机会约束(式48),并通过布尔变量和极限温度区间(18°C–26°C)实现确定性转换(式49-50);
2)利用二阶锥松弛(Second-Order Cone Relaxation, SOCR)处理非凸潮流约束(式29),并通过乘积线性化方法(附录A)处理布尔变量非线性问题。
3.3 算例验证
基于IEEE 33节点故障配电网和34节点路网(图3-5),设置4种对比方案:
- 方案1:AC功率恒定,EPSV就近分配,单时段恢复;
- 方案2:AC功率恒定,EPSV就近分配,多时段恢复;
- 方案3:AC功率恒定,EPSV优化分配,多时段恢复;
- 方案4:AC功率灵活调节,EPSV优化分配,多时段恢复。
4. 研究结果
4.1 负荷恢复效果
1)EPSV调度优化:方案3/4中EPSV分配更均衡(表2),CS1出力提升(图7),加权负荷供电时间从方案1的0.7565提升至方案4的0.9942(表4)。
2)建筑热惯性贡献:方案4通过灵活调节AC功率(图8),在保障用户舒适性(20°C–24°C)的同时,减少楼宇能耗,使三级负荷恢复量增加(图9)。
3)不确定性影响:CCP在90%置信水平下有效平衡了温度约束与恢复效果,变故障时段(夜间)因环境温度低,AC需求下降,三级负荷恢复量进一步提升(图10)。
4.2 关键发现
1)建筑热惯性可削减AC负荷20%-30%,显著提升其他负荷的恢复能力;
2)EPSV时空灵活性与AC制冷灵活性的协同优化,使一级负荷恢复时间延长15.7%;
3)机会约束规划在不确定环境下仍能保障80%以上关键负荷的恢复效果。
5. 研究价值与创新点
5.1 科学价值
1)首次构建了计及建筑热动态过程的负荷恢复模型,填补了灾后供能系统中需求侧精细化建模的空白;
2)提出电力-交通-建筑多网协同恢复框架,为城市韧性提升提供了新思路。
5.2 应用价值
1)为灾后应急调度提供优化工具,尤其适用于大型商业区与交通枢纽的快速复电;
2)所提方法可推广至其他异质能源系统(如热-电耦合系统)的协同恢复。
5.3 创新点
1)方法创新:结合CCP与MISOCP,解决了不确定环境下多目标协同优化的难题;
2)模型创新:开发的楼宇热动态模型(式1-4)比传统热平衡模型更精确;
3)应用创新:首次将EPSV路径规划与建筑蓄冷特性纳入负荷恢复决策。
6. 研究亮点与局限性
亮点:
1)多网协同视角突破传统单一系统恢复的局限性;
2)数据驱动(如GPS定位、环境传感器)与模型驱动的结合提升了方法的实用性。
局限性:
1)未考虑建筑群间的热耦合效应;
2)CCP的保守性可能在高不确定性场景下导致恢复效果下降。
(注:本报告严格遵循原文内容,未添加额外观点,术语翻译如“热惯性(thermal inertia)”等均保持专业准确性。)