基于无人机辅助的配电通信耦合网络灾后恢复方法及系统

本发明涉及配电通信耦合网络灾后恢复，具体为一种基于无人机辅助的配电通信耦合网络灾后恢复方法及系统。

背景技术：

1、随着配电自动化、智能终端、通信网络和分布式能源在电力系统中的广泛应用，现代配电网已不再是单一的物理供电网络，而是逐渐发展为配电物理网络与通信信息网络深度融合的配电-通信耦合系统。在该系统中，配电物理网络主要承担电能传输、网络重构、负荷供应和应急电源接入等功能；通信网络则主要承担运行状态采集、故障信息上传、控制指令下发、配电自动化终端接入以及远程调度控制等功能。二者共同支撑配电网的感知、决策和控制过程。

2、在正常运行状态下，通信网络能够为配电自动化系统提供实时量测信息和控制通道，使调度中心能够根据配电网运行状态对开关设备、储能设备、分布式电源和可控负荷进行协调控制。在故障或灾害场景下，通信网络的重要性更加突出。若通信链路、基站（bs，base station）或配电自动化终端发生故障，即使部分节点在物理上具备供电条件，也可能因通信不可达而无法实现可靠监测和远程控制，从而影响负荷恢复和故障处置效果。

3、近年来，极端天气、地震、洪涝、台风、冰灾等灾害事件频发，配电网作为面向用户侧的末端供电网络，受环境暴露程度高、设备分布范围广、线路结构复杂等因素影响，容易在灾害中发生多点故障。灾害不仅可能造成配电线路断线、杆塔损坏、开关设备故障等物理损伤，还可能造成通信光纤中断、基站通信功能失效、配电自动化终端不可达等通信侧故障。因此，灾后配电网恢复已不再只是物理线路抢修和供电路径恢复问题，而是涉及物理供电恢复、通信可达性恢复、节点可控性恢复和应急资源调度的综合性问题。

4、灾后恢复调度需要在满足配电网安全运行约束、通信可达条件和节点可控条件的前提下，协调故障修复、网络重构、通信恢复和应急资源配置，从而形成具备实际可执行性的恢复方案。在上述灾后恢复调度问题中，临时通信恢复和应急供电支撑是影响恢复进程的两个关键环节。前者关系到配电节点能否被感知和控制，后者关系到关键负荷能否获得持续供电。

5、在临时通信恢复方面，无人机（uav，unmanned aerial vehicle）具备灵活部署、应急响应速度快、不受道路条件影响等特点，可作为移动式应急通信支撑平台，为通信不可达区域的终端设备提供临时无线通信服务，弥补固定通信设施在灾后可能出现的覆盖盲区。然而，无人机提供临时无线通信服务过程中，会产生飞行、悬停、通信服务和返航补能等能量消耗；在较长恢复时窗内，还需要具备可停靠、可补能的运行条件。若未将无人机续航能力、补能位置以及基站供能条件纳入统一考虑，可能导致无人机临时无线通信服务难以连续维持，进而影响灾后通信恢复效果。

6、在应急供电支撑方面，固定储能、移动储能和燃气机组等应急资源能够在故障抢修和网络重构期间提供局部供电支撑。移动储能可根据灾后负荷分布和供电恢复需求，在不同候选接入节点之间移动，为关键负荷提供移动式供电支撑。此外，配电线路、通信光纤和基站通信模块的修复进度会持续改变网络的可用拓扑，恢复方案需要随修复进程动态调整。

7、关于基站参与灾后恢复，现有研究多关注基站通信功能恢复、基站备用电池供能或基站负荷调节作用，对基站与无人机临时无线通信服务过程之间的协同关系考虑仍有不足。在本发明涉及的场景中，基站不仅是固定无线接入设施，还可作为无人机停靠和能量补给节点，其供能状态会直接影响无人机临时无线通信支撑服务的持续能力。若未将基站供能状态、无人机通信服务持续性和配电网负荷恢复过程联合考虑，可能难以准确反映基站对灾后通信保障和负荷恢复的支撑作用。

8、因此，如何建立无人机、基站、配电网络和通信网络之间的一体化协同恢复机制——使得无人机续航受基站供能支撑、通信可达服务于节点可控、多类型应急资源在统一时序下协同调度、恢复方案随故障修复动态更新，是当前配电-通信耦合网络灾后恢复领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于无人机辅助的配电通信耦合网络灾后恢复方法及系统，实现配电网供电恢复、通信可达性恢复、节点可控性恢复和多类型应急资源协同调度之间的统一优化，从而提高灾后负荷恢复能力、可控节点数量和恢复方案的实际可执行性。技术方案如下：

2、基于无人机辅助的配电通信耦合网络灾后恢复方法，包括以下步骤：

3、步骤1：灾后状态初始化：根据配电网、通信网络、基站、无人机及应急资源的基础信息，结合灾后故障信息，对配电-通信耦合网络及各类应急资源的初始状态进行统一设置，将故障元件初始化为不可用状态，未故障且具备条件的元件初始化为可用状态；

4、步骤2：无人机-基站协同应急通信支撑与补能建模：建立基站双层模型，其中基站通信侧用于配电终端无线接入，基站能量侧用于基站备用电池参与无人机补能、电网充电或向对应配电节点注入功率，基站能量侧在线状态与通信侧在线状态之间存在依存关系；建立无人机运动模型描述无人机空间转移，建立无人机三态动作互斥模型限制无人机每个时段的动作，建立无人机电量与充电模型追踪无人机电量变化；建立无人机无线通信服务模型与基站无线接入模型；

5、步骤3：多类型应急供电资源与故障抢修时序建模：建立固定储能、燃气机组、移动储能和抢修队的时序调度模型，在灾后恢复时间窗内联合优化各资源的启动时刻、出力水平和移动路径；

6、步骤4：配电-通信耦合恢复约束建模：建立包含配电网负荷恢复、拓扑重建、潮流约束及通信网络信息流平衡的配电-通信耦合约束体系，其中节点负荷恢复受节点可控性状态约束，节点可控性状态由节点物理供电状态、通信可达状态和配电节点可控状态三者耦合决定；

7、步骤5：协同恢复优化求解：以最小化未供电电量与应急资源运行调度代价的加权和为目标函数，满足步骤2至步骤4的全部约束，求解得到无人机-基站协同应急响应方案与多类型应急资源调度方案。

8、基于无人机辅助的配电通信耦合网络灾后恢复系统，包括：

9、初始化模块，用于获取配电-通信耦合网络的基础信息和灾后故障信息，对网络及各应急资源的初始状态进行设置；

10、无人机-基站协同应急通信支撑与补能建模模块，用于将基站划分为通信侧和能量侧两个功能层，将无人机配置为移动式应急通信支撑资源，并基于基站的通信侧在线状态、能量侧供能状态、无人机的电量状态以及通信不可达节点分布，联合确定无人机的服务对象、服务时段和补能安排；

11、配电-通信耦合恢复约束建模模块，用于构建包括配电网运行约束、通信网运行约束以及二者之间耦合关系的约束体系，其中配电节点的可控性状态同时依赖于该节点的物理供电状态、通信可达状态以及相邻节点的可控性状态；

12、协同恢复优化求解模块，用于以所述无人机-基站协同应急通信支撑与补能建模模块和所述配电-通信耦合恢复约束建模模块的输出为约束条件，以最小化未供电电量并兼顾通信恢复效果为优化目标，构建协同恢复优化模型并求解，得到灾后恢复方案。

13、本发明的有益效果是：

14、与现有无人机辅助通信恢复、基站参与灾后恢复以及配电-通信协同恢复方法相比，本发明不仅考虑无人机对通信盲区的临时无线通信支撑作用，还进一步将基站的固定无线接入能力、停靠条件和供能状态纳入无人机临时无线通信服务过程，构建了无人机与基站之间的通信支撑和能量补给协同机制。该机制使无人机在为通信不可达区域提供临时无线通信支撑时，能够根据基站状态、无人机电量状态和通信恢复需求，合理确定工作位置、服务时段和补能安排，从而提高临时无线通信服务的连续性。

15、此外，本发明在无人机-基站协同应急响应条件下，进一步联合考虑移动储能、固定储能、燃气机组和抢修队等多类型应急资源，协调临时无线通信支撑、基站补能、供电支撑、配电网重构和故障抢修过程。通过上述技术方案，本发明能够在提高通信可达性和节点可控性恢复水平的同时，提升灾后负荷恢复能力，降低未供电电量，并增强配电-通信耦合网络灾后恢复方案的整体协调性和可执行性。具体而言：

16、1、本发明提出了无人机-基站协同应急响应机制：

17、该机制将基站作为固定无线接入节点和无人机停靠补能节点，将无人机作为移动式临时无线通信支撑资源，联合考虑基站通信状态、供能状态、无人机电量状态和通信不可达节点分布。相比仅优化无人机部署位置或通信覆盖范围的现有方法，本发明能够进一步保障无人机临时无线通信服务的连续性，降低因无人机续航不足导致通信恢复中断的风险。

18、2、本发明实现了无人机-基站协同应急响应条件下的多资源协同恢复：

19、本发明在无人机-基站协同通信保障的基础上，联合调度移动储能、固定储能、燃气机组和抢修队等资源，使通信恢复、供电支撑、配电网重构和故障抢修过程相互协调。相比单独考虑某一类资源或某一恢复环节的方案，本发明能够更充分发挥多类型应急资源的协同作用，提高关键负荷恢复能力并减少未供电电量。

20、综上所述，本发明相较于现有方案，不仅提高了无人机临时无线通信服务的连续性，而且强化了基站在无人机临时无线通信服务和能量补给中的协同作用，并进一步实现了通信可达性恢复、节点可控性恢复、配电网供电恢复和多类型应急资源调度的统一优化，从而提升了配电-通信耦合网络灾后恢复方法的实用性、协调性和可执行性。