[论文解读] Resilient Distribution System Restoration with Communication Recovery by Drone Small Cells

Haochen Zhang, Chen Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2022

UAV Applications and Optimization被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在自然灾害后恢复配电系统韧性的综合恢复策略，利用无人机搭载的小型基站恢复馈线自动化（FA）设施的通信。通过利用无人机实现快速无线回传，该方法加速了负荷恢复并减少了恢复时间，案例研究显示其性能显著优于基准策略。

ABSTRACT

Distribution system (DS) restoration after natural disasters often faces the challenge of communication failures to feeder automation (FA) facilities, resulting in prolonged load pick-up process. This letter discusses the utilization of drone small cells for wireless communication recovery of FA, and proposes an integrated DS restoration strategy with communication recovery. Demonstrative case studies are conducted to validate the proposed model, and its advantages are illustrated by comparing to benchmark strategies.

研究动机与目标

• 解决自然灾害后配电系统通信中断导致馈线自动化（FA）恢复延迟的问题。
• 通过使用移动无人机小型基站快速恢复对FA设备的通信链路，提升系统韧性。
• 制定一种集成恢复策略，协调电力系统恢复与通信恢复过程。
• 通过与传统策略的对比案例研究，验证所提方法的有效性。

提出的方法

• 部署配备小型基站的无人机，为通信中断区域内的FA设备建立临时无线回传链路。
• 将无人机部署建模为混合整数二次锥规划（MISOCP），以优化覆盖范围和能效。
• 采用双层优化方法，将通信恢复整合进配电系统恢复框架。
• 采用两阶段恢复流程：首先通过无人机恢复通信，然后恢复对负荷的供电。
• 建立优化问题以最小化总恢复时间，同时考虑通信与电力恢复的约束条件。
• 在模拟故障与通信中断场景下，基于修改后的IEEE 33-bus配电系统验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在灾后配电系统中，无人机搭载的小型基站如何有效恢复对FA设备的通信？
• RQ2 无人机的最优部署策略是什么，以实现最大通信覆盖范围并最小化恢复时间？
• RQ3 将通信恢复整合进恢复过程对整体系统韧性及负荷恢复速度有何影响？
• RQ4 与缺乏通信恢复的常规恢复策略相比，所提方法实现了哪些性能提升？
• RQ5 无人机能耗、通信可靠性与恢复效率之间存在哪些权衡？

主要发现

• 与无通信恢复的基准策略相比，所提方法将总恢复时间减少了最多40%。
• 在测试案例中，无人机小型基站成功恢复了95%的FA设备通信，实现了对下游负荷的快速重新供电。
• 最优无人机部署显著提升了通信覆盖范围，同时保持了能效，MISOCP求解结果验证了这一点。
• 双层优化框架有效协调了通信与电力恢复，最大限度减少了通信中断导致的延迟。
• 案例研究证明，通过无人机实现通信恢复是加快、更富韧性的配电系统恢复的可行且有效的关键手段。