[论文解读] Resilience assessment and planning in power distribution systems:Past and future considerations

Shuva Paul, Abodh Poudyal+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2023

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis被引用 5

一句话总结

本文全面回顾了在极端天气事件背景下配电网韧性评估与规划的研究进展，聚焦于韧性指标、与其他关键基础设施的相互依赖性，以及基于分布式能源资源（DERs）和微电网的规划策略。文章识别了标准化韧性指标方面的关键挑战，并提出了集成化规划框架，以提升系统在极端天气事件下的恢复能力和运行韧性。

ABSTRACT

Over the past decade, extreme weather events have significantly increased worldwide, leading to widespread power outages and blackouts. As these threats continue to challenge power distribution systems, the importance of mitigating the impacts of extreme weather events has become paramount. Consequently, resilience has become crucial for designing and operating power distribution systems. This work comprehensively explores the current landscape of resilience evaluation and metrics within the power distribution system domain, reviewing existing methods and identifying key attributes that define effective resilience metrics. The challenges encountered during the formulation, development, and calculation of these metrics are also addressed. Additionally, this review acknowledges the intricate interdependencies between power distribution systems and critical infrastructures, including information and communication technology, transportation, water distribution, and natural gas networks. It is important to understand these interdependencies and their impact on power distribution system resilience. Moreover, this work provides an in-depth analysis of existing research on planning solutions to enhance distribution system resilience and support power distribution system operators and planners in developing effective mitigation strategies. These strategies are crucial for minimizing the adverse impacts of extreme weather events and fostering overall resilience within power distribution systems.

研究动机与目标

• 分析在极端天气事件日益频繁的背景下，配电网韧性评估与指标的当前研究现状。
• 识别现有韧性指标及其制定中的不足，特别是缺乏标准化。
• 探讨关键基础设施（如信息通信技术、交通、供水系统）之间的相互依赖性对配电网韧性的影响。
• 评估整合分布式能源资源（DERs）和微电网以提升事件后恢复能力的规划策略。
• 突出利用可交易能源和用户参与提升电网韧性的研究机遇。

提出的方法

• 系统性回顾1993年至2022年Scopus数据库中9,892篇相关文献，以绘制与极端事件及配电网相关的韧性研究趋势。
• 对现有韧性指标进行分类与批判性分析，包括其定义、计算方法及局限性。
• 开发一种集成事件预测、情境意识（SA）、负荷优先级排序与资源分配的韧性分析框架。
• 研究配电网与其他关键基础设施（如天然气、供水、ICT）之间相互依赖的建模方法。
• 评估涉及DERs、微电网和可交易能源系统的规划解决方案，以支持孤岛运行与负荷管理。
• 利用案例研究（如飓风伊恩、2021年德克萨斯寒潮）说明现实世界影响，并为韧性策略设计提供依据。

实验结果

研究问题

• RQ1 过去三十年中，配电网韧性评估与指标研究的主要趋势和研究空白是什么？
• RQ2 关键基础设施之间的相互依赖性在极端天气事件中如何影响配电网的韧性？
• RQ3 分布式能源资源（DERs）和微电网在多大程度上能够提升事件后的恢复能力和系统韧性？
• RQ4 现有韧性指标存在哪些局限性？如何实现其标准化以用于实际应用？
• RQ5 可交易能源机制与用户参与如何改善韧性规划与运行灵活性？

主要发现

• 近年来极端事件中超过80%的停电事故归因于配电网故障，凸显了制定针对性韧性策略的必要性。
• 尚无标准化的韧性指标；现有指标在定义、范围和计算方法上存在显著差异，限制了跨研究的可比性。
• 与信息通信技术、交通、供水及天然气系统的相互依赖性在极端事件中显著加剧了级联故障。
• 分布式能源资源（DERs），包括太阳能光伏和储能系统，可在孤岛运行期间支持关键负荷，从而缩短停电时间。
• 微电网与可交易能源系统为实现去中心化、用户激励型韧性提供了有前景的路径，尤其在主网故障期间。
• 尽管研究日益增多，但在动态韧性建模、多基础设施相互依赖性整合，以及将韧性指标实际应用于规划方面，仍存在显著空白。