极端天气下配电网信息物理耦合故障快速恢复策略

钟剑; 陈晨; 张昊辰; 沈文韬; 卞艺衡; 李更丰; 别朝红

doi:10.7500/AEPS20240428002

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极端天气下配电网信息物理耦合故障快速恢复策略

学术研究 | 更新时间：2026-02-28

- 极端天气下配电网信息物理耦合故障快速恢复策略
- Fast Restoration Strategy for Cyber-Physical Coupling Failures in Distribution Network Under Extreme Weather Conditions
- 电力系统自动化 2025年49卷第19期页码：99-112
- 作者机构：
  
  电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学），陕西省西安市 710049
- 作者简介：
  
  钟剑(1991—)，男，博士研究生，主要研究方向：信息物理系统、电力系统弹性、电力系统通信。E-mail：zhongjian0829@stu.xjtu.edu.cn
  陈晨(1983—)，男，通信作者，教授，博士生导师，主要研究方向：弹性电力系统、电力系统优化运行。E-mail：morningchen@xjtu.edu.cn
  张昊辰(1996—)，男，博士研究生，主要研究方向：信息物理耦合、弹性电力系统。E-mail：zhcgxyzd2@stu.xjtu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2023YFB2604600);国家自然科学基金资助项目(52377122)
- DOI：10.7500/AEPS20240428002
  中图分类号：
- 收稿：2024-04-28，
  
  修回：2024-07-04，
  
  网络首发：2024-10-09，
  
  纸质出版：2025-10-10
- 稿件说明：
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钟剑,陈晨,张昊辰等.极端天气下配电网信息物理耦合故障快速恢复策略[J].电力系统自动化,2025,49(19):99-112.

ZHONG Jian,CHEN Chen,ZHANG Haochen,et al.Fast Restoration Strategy for Cyber-Physical Coupling Failures in Distribution Network Under Extreme Weather Conditions[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(19):99-112.
钟剑,陈晨,张昊辰等.极端天气下配电网信息物理耦合故障快速恢复策略[J].电力系统自动化,2025,49(19):99-112. DOI： 10.7500/AEPS20240428002.

ZHONG Jian,CHEN Chen,ZHANG Haochen,et al.Fast Restoration Strategy for Cyber-Physical Coupling Failures in Distribution Network Under Extreme Weather Conditions[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(19):99-112. DOI： 10.7500/AEPS20240428002.

摘要

针对极端天气下配电网面临的信息物理耦合故障问题，文中提出了一种快速的配电网信息物理故障恢复策略。首先，解决了配电网在通信网络故障情况下的应急电力恢复问题，通过引入通信盲区聚类等效方法，简化了配电网拓扑结构，实现了基于现有信息的快速负荷恢复决策。其次，通过灾前配电网的多业务通信网络融合与网络切片技术，优化了通信资源的利用，增强了网络的自恢复能力，有效缩减了通信盲区，提升了配电主站的感知与控制能力。然后，提出了利用无人机进行配电网电力设施巡检和线路分合控制的方法，考虑无人机的飞行距离与续航问题，优化了无人机的调派路径，从而降低了灾害期间人员前往现场的风险和时间成本。通过上述策略的协同配合，所提恢复方法能够在极端天气引发的信息物理故障发生后，迅速有效地恢复配电网的电力供应。最后，通过改进的PG&E 69节点配电网测试系统算例，验证了所提方法的有效性。

Abstract

Aiming at the problem of cyber-physical coupling failures faced by distribution network in extreme weather

a fast restoration strategy for cyber-physical failures in distribution network is proposed. Firstly

the problem of emergency power restoration in the case of communication network failure is solved

and the topology of distribution network is simplified by introducing the communication blind zone cluster equivalent method. The fast load restoration decision based on the existing information is realized. Secondly

through the multi-service communication network fusion and network slicing technology of the distribution network before disaster

the utilization of communication resources is optimized

the self-restoration ability of the network is enhanced

the communication blind zone is effectively reduced

and the perception and control ability of the main distribution station is improved. Then

the method of using unmanned aerial vehicles (UAVs) to inspect power facilities of distribution network and control line disconnection is proposed. Considering the flight distance and endurance of UAV

the dispatching path of UAV is optimized

thus reducing the risk and time cost of personnel going to the scene during disasters. Through the coordination of the above strategies

the proposed restoration method can quickly and effectively restore the power supply of the distribution network after the occurrence of the cyber-physical failures caused by extreme weather. Finally

the effectiveness of the proposed method is verified by a case of improved PG&E 69-bus distribution network test system.

关键词

Keywords

references

DEHGHANI N L ， SHAFIEEZADEH A . Multi-stage resilience management of smart power distribution systems： a stochastic robust optimization model ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 5 ）： 3452 - 3467 .

FENG K R ， OUYANG M ， LIN N . Tropical cyclone-blackout-heatwave compound hazard resilience in a changing climate ［J］. Nature Communications ， 2022 ， 13 ： 4421 .

侯验秋，丁一，包铭磊，等 . 电-气耦合视角下德州大停电事故分析及对我国新型电力系统发展启示［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 21 ）： 7764 - 7775 .

HOU Yanqiu ， DING Yi ， BAO Minglei ， et al . Analysis of Texas blackout from the perspective of electricity-gas coupling and its enlightenment to the development of China’s new power system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 21 ）： 7764 - 7775 .

Met Office . Storm Arwen， 26 to 27 November 2021 ［EB/OL］. ［ 2023-10-05 ］. https：//www.metoffice.gov.uk/binaries/content/assets/metofficegovuk/pdf/weather/learn-about/uk-past-events/interesting/2021/2021_07_storm_arwen.pdf https://www.metoffice.gov.uk/binaries/content/assets/metofficegovuk/pdf/weather/learn-about/uk-past-events/interesting/2021/2021_07_storm_arwen.pdf .

闫涵，王建华，范须露，等 . 基于用户停电损失评估的有源配电网灾后供电恢复模型［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 5 ）： 31 - 39 .

YAN Han ， WANG Jianhua ， FAN Xulu ， et al . Post-disaster power supply restoration model for active distribution network based on customer interruption cost assessment ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 5 ）： 31 - 39 .

叶林，李奕霖，裴铭，等 . 寒潮天气小样本条件下的短期风电功率组合预测［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 2 ）： 543 - 554 .

YE Lin ， LI Yilin ， PEI Ming ， et al . Combined approach for short-term wind power forecasting under cold weather with small sample ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 2 ）： 543 - 554 .

Climate Nexus . How renewable energy bolsters the grid against blackouts ［EB/OL］. ［ 2023-11-05 ］. https：//climatenexus.org/climate-issues/climate-change-power-grid-blackouts/ https://climatenexus.org/climate-issues/climate-change-power-grid-blackouts/ .

苏译， TEH J ，柏智，等 . 考虑不确定性扰动的含海量资源配电网弹性研究综述［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 16 ）： 17 - 30 .

SU Yi ， TEH J ， BAI Zhi ， et al . Review of research on resilience of distribution network with massive resources considering uncertainty disturbance ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 16 ）： 17 - 30 .

许寅，王颖，和敬涵，等 . 多源协同的配电网多时段负荷恢复优化决策方法［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 2 ）： 123 - 131 .

XU Yin ， WANG Ying ， HE Jinghan ， et al . Optimal decision-making method for multi-period load restoration in distribution network with coordination of multiple sources ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 2 ）： 123 - 131 .

BIE Z H ， LIN Y L ， LI G F ， et al . Battling the extreme： a study on the power system resilience ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2017 ， 105 （ 7 ）： 1253 - 1266 .

唐金锐，鲍柯方，曹芸玉，等 . 考虑负荷停电差异化的配电自动化终端混合优化配置方法［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 14 ）： 157 - 166 .

TANG Jinrui ， BAO Kefang ， CAO Yunyu ， et al . Hybrid optimal configuration method for distribution automation terminal considering load outage differentiation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 14 ）： 157 - 166 .

XU Y ， LIU C C ， SCHNEIDER K P ， et al . Microgrids for service restoration to critical load in a resilient distribution system ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2018 ， 9 （ 1 ）： 426 - 437 .

HUANG Y X ， LI G F ， CHEN C ， et al . Resilient distribution networks by microgrid formation using deep reinforcement learning ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 6 ）： 4918 - 4930 .

CHEN C ， WANG J H ， QIU F ， et al . Resilient distribution system by microgrids formation after natural disasters ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2016 ， 7 （ 2 ）： 958 - 966 .

LEI S B ， CHEN C ， SONG Y ， et al . Radiality constraints for resilient reconfiguration of distribution systems： formulation and application to microgrid formation ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2020 ， 11 （ 5 ）： 3944 - 3956 .

杨祺铭，李更丰，别朝红，等 . 台风灾害下基于V2G的城市配电网弹性提升策略［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 12 ）： 130 - 139 .

YANG Qiming ， LI Gengfeng ， BIE Zhaohong ， et al . Vehicle-to-grid based resilience promotion strategy for urban distribution network under typhoon disaster ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 12 ）： 130 - 139 .

GUO Y H ， GUO C X ， YANG J . A tri-level optimization model for power systems defense considering cyber-physical interdependence ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution， 2023 ， 17 （ 7 ）： 1477 - 1490 .

YU J N ， BROCK T K ， MECOZZI D M ， et al . Future connectivity for disaster and emergency point of care ［J］. Point of Care ， 2010 ， 9 （ 4 ）： 185 - 192 .

钟剑，陈晨，别朝红 . 基于SDN的配电网信息-物理协同恢复策略［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 11 ）： 4193 - 4209 .

ZHONG Jian ， CHEN Chen ， BIE Zhaohong . A SDN based cyber-physical integrated restoration scheme for distribution systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 11 ）： 4193 - 4209 .

CHU Z ， LE T A ， NGUYEN H X ， et al . A Stackelberg-game approach for disaster-recovery communications utilizing cooperative D2D ［J］. IEEE Access ， 2018 ， 6 ： 10733 - 10742 .

祁兵，叶欣，李彬，等 . 区分电力业务保护质量的链路故障差异化保护策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 11 ）： 181 - 188 .

QI Bing ， YE Xin ， LI Bin ， et al . Differential protection strategy of link fault for distinguishing protection quality of power business ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 11 ）： 181 - 188 .

YE Z G ， CHEN C ， LIU R H ， et al . Boost distribution system restoration with emergency communication vehicles considering cyber-physical interdependence ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2023 ， 14 （ 2 ）： 1262 - 1275 .

ZHANG H C ， CHEN C ， LEI S B ， et al . Resilient distribution system restoration with communication recovery by drone small cells ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2023 ， 14 （ 2 ）： 1325 - 1328 .

刘达夫，钟剑，杨祺铭，等 . 基于V2G与应急通信的配电网信息物理协同快速恢复方法［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 7 ）： 147 - 158 .

LIU Dafu ， ZHONG Jian ， YANG Qiming ， et al . Fast recovery method for distribution network through cyber-physical collaboration based on vehicle to grid and emergency communication ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 7 ）： 147 - 158 .

BIAN Y H ， CHEN C ， HUANG Y X ， et al . Service restoration for resilient distribution systems coordinated with damage assessment ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 5 ）： 3792 - 3804 .

ZHANG Z M ， HUANG S W ， CHEN Y ， et al . Cyber-physical coordinated risk mitigation in smart grids based on attack-defense game ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 1 ）： 530 - 542 .

CABALLERO P ， BANCHS A ， DE VECIANA G ， et al . Network slicing for guaranteed rate services： admission control and resource allocation games ［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications ， 2018 ， 17 （ 10 ）： 6419 - 6432 .

VINCENZI M ， LOPEZ-AGUILERA E ， GARCIA-VILLEGAS E . Timely admission control for network slicing in 5G with machine learning ［J］. IEEE Access ， 2021 ， 9 ： 127595 - 127610 .

ZHONG J ， CHEN C ， QIAN Y Q ， et al . Secure and scalable network slicing with plug-and-play support for power distribution system communication networks ［J］. IEEE Internet of Things Journal ， 2024 ， 11 （ 12 ）： 22036 - 22053 .

SHERWOOD R ， CHAN M ， COVINGTON A . Carving research slices out of your production networks with OpenFlow ［J］. SIGCOMM Computer Communication Review ， 2010 ， 40 （ 1 ）： 129 - 130 .

CHEN J L ， MA Y W ， KUO H Y ， et al . Software-defined network virtualization platform for enterprise network resource management ［J］. IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing ， 2016 ， 4 （ 2 ）： 179 - 186 .

唐良瑞，杜施默，季石宇 . 基于特征匹配的配电通信流量模型［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 7 ）： 107 - 112 .

TANG Liangrui ， DU Shimo ， JI Shiyu . A feature matching based traffic model of power distribution communication network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 7 ）： 107 - 112 .

Communication networks and systems for power utility automation Part 9-3： precision time protocol profile for power utility automation： IEEE 61850-9-3—2016 ［S］. New York， USA ： IEEE ， 2016 .

SHI Z ， DENG X Z ， ZHANG P M . Research on communication security performance of distribution network ［C］// 7th International Conference on Computer and Communication Systems （ICCCS）， April 22-25 ， 2022 ， Wuhan， China .

DING T ， LIN Y L ， LI G F ， et al . A new model for resilient distribution systems by microgrids formation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 5 ）： 4145 - 4147 .

中华人民共和国住房和城乡建设部 . 供配电系统设计规范： GB 50052—2009 ［S］. 北京：中国计划出版社， 2010 .

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China . Code for design electric power supply systems ： GB 50052—2009 ［S］. Beijing ： China Planning Press ， 2010 .

林超凡，陈晨，别朝红，等 . 含动态不确定性与频率电压控制的城市配电网灾后负荷恢复方法［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 17 ）： 56 - 64 .

LIN Chaofan ， CHEN Chen ， BIE Zhaohong ， et al . Post-disaster load restoration method for urban distribution network with dynamic uncertainty and frequency-voltage control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 17 ）： 56 - 64 .

LU M ， BAGHERI M ， JAMES A P ， et al . Wireless charging techniques for UAVs： a review， reconceptualization， and extension ［J］. IEEE Access ， 2018 ， 6 ： 29865 - 29884 .

隋宇，宁平凡，牛萍娟，等 . 面向架空输电线路的挂载无人机电力巡检技术研究综述［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 9 ）： 3636 - 3648 .

SUI Yu ， NING Pingfan ， NIU Pingjuan ， et al . Review on mounted UAV for transmission line inspection ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 3636 - 3648 .

陈智雄，杨家伟，肖楠，等 . 基于无线携能传输和多级边缘卸载的空地协作巡检算法［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 10 ）： 3961 - 3969 .

CHEN Zhixiong ， YANG Jiawei ， XIAO Nan ， et al . Air-ground cooperative inspection algorithm based on wireless power transfer and multi-level edge offloading ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 3961 - 3969 .

BARAN M E ， WU F F . Optimal capacitor placement on radial distribution systems ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 1989 ， 4 （ 1 ）： 725 - 734 .

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