这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:
作者及机构
该研究由王颖(第一作者)、和敬涵、许寅、王子渊、陈韵含(均来自北京交通大学电气工程学院)以及杜韶华(国网北京市电力公司)共同完成,发表于《vol. 47 no. 3 feb. 10,2023》(期刊名称未明确,可能为《电力系统自动化》或相关领域期刊)。
学术背景
研究领域为城市关键基础设施韧性(resilience),聚焦于极端事件(如地震、重大事故)下电力-交通耦合系统(power-transportation coupled system)的协同应急恢复。研究背景基于以下现实需求:
1. 耦合性增强:电动汽车普及导致电力网(配电网)与交通网(充电站、电动公交车)交互加深,极端事件下面临协同恢复挑战。
2. 传统研究的局限性:现有研究多针对单一系统(电力或交通),忽略了两者在应急场景下的动态耦合(如充电站停电阻碍疏散、交通拥堵延迟电力抢修)。
3. 社会需求:快速疏散与关键负荷恢复是减少灾害损失的核心,需建立跨部门协同机制。
研究目标是提出一种考虑疏散需求的电力-交通协同应急恢复方法,通过联合优化疏散路径与供电恢复策略,提升城市韧性。
研究方法与流程
研究分为四个关键步骤,采用混合整数线性规划(Mixed-Integer Linear Programming, MILP)建模,并通过改进的32节点配电网-12节点交通网耦合系统验证。
1. 协同应急框架设计
- 优先级机制:交通疏散需求优先于电力恢复,通过有限信息交互(如充电站用电需求、移动应急资源调度时间)实现两网协同。
- 流程迭代:
- 交通网模型首轮假设充电站供电正常,输出疏散路径及关键设施用电需求;
- 配电网模型根据需求调整供电方案,反馈至交通网进行二次优化。
2. 交通疏散模型构建
- 核心模型:基于元胞传输模型(Cell Transmission Model, CTM),动态模拟车辆流动与充电站排队效应。
- 创新约束:
- 充电站元胞建模:引入0-1变量表征排队状态(
β_c^τ),通过大M法(Big-M method)处理四种充电状态转换逻辑(如非排队→排队过渡)。
- 供电状态约束:充电站流量受配电网恢复状态(
γ_c^τ)限制,失电时车流停滞。
- 目标函数:最小化疏散总时间,等价于最小化非终止元胞车辆数(式1)。
3. 配电网恢复模型构建
- 核心模型:以加权负荷恢复量最大化为目标,考虑移动应急资源(发电车、储能、电动公交车)调度与故障修复时序。
- 关键约束:
- 交通依赖的移动时间:应急资源到达时间由交通路况决定(附录表A3-A4)。
- 关键设施保供:强制满足交通网指定时段充电需求(式26)。
- 决策变量:包括故障线路修复时序、移动电源接入点等。
4. 算例验证
- 测试系统:改进的文献[10]耦合系统(图1),含81个交通元胞(含4个充电站)和32节点配电网。
- 对比实验:与传统非协同策略对比,结果显示:
- 疏散效率提升20.48%(83分钟 vs. 100分钟);
- 负荷恢复量持平,但协同策略优先保障充电站供电(图5)。
主要结果与逻辑贡献
- 交通模型结果:充电站排队时长显著影响疏散效率(图3)。例如,非协同策略下充电站1、3因集中充电导致车辆阻滞(图6)。
- 电力模型结果:移动应急资源调度优化(表1)确保关键负荷(如节点8、15)优先恢复,支撑交通需求。
- 协同效应验证:两网协同在不牺牲电力恢复的前提下缩短疏散时间,证明跨系统协调的价值。
结论与价值
- 科学价值:
- 提出首个融合充电站动态车流模型与配电网恢复决策的协同框架,填补了电力-交通跨领域应急研究的空白。
- 发展了充电站元胞建模方法,为耦合系统分析提供新工具。
- 应用价值:
- 为城市应急管理部门提供跨部门协同预案设计依据。
- 支撑“双碳”目标下高比例电动汽车城市的韧性提升。
研究亮点
- 方法创新:
- 首创交通网-配电网的双向迭代协同机制,突破传统单向优化局限。
- 充电站状态建模首次集成排队理论与电网供电约束。
- 实践意义:
- 算例基于中国城市特点(如公交主导疏散),成果可直接指导深圳等高电动化城市。
- 扩展性:模型可拓展至其他关键设施(如医院、通信基站)的协同恢复。
其他价值
- 开源工具:采用Julia语言Convex包建模,代码可复现。
- 政策参考:呼应《新能源汽车产业发展规划(2021—2035)》对基础设施韧性的要求。
(注:因篇幅限制,部分细节如附录内容未展开,可参考原文网络版。)