本發(fā)明涉及城市供水電氣網(wǎng)，尤其涉及一種地震災(zāi)害下城市系統(tǒng)功能需求的電網(wǎng)韌性評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

1、城市系統(tǒng)作為一個(gè)整體，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要電網(wǎng)、供水網(wǎng)、供氣網(wǎng)等多種城市生命線系統(tǒng)之間的相互配合，各系統(tǒng)在發(fā)揮各自效用的同時(shí)，也存在著耦合關(guān)系。電網(wǎng)作為城市系統(tǒng)中能源的提供端，為城市生命線系統(tǒng)的運(yùn)行起到了關(guān)鍵的支撐作用，電網(wǎng)的故障情況將直接影響到其他系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。然而近年來(lái)，地震等極端災(zāi)害事件對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來(lái)了極大的風(fēng)險(xiǎn)。在8.0級(jí)大地震中，存在至少1700條10kv線路、106條35kv線路、118條110kv線路以及46條220kv線路停運(yùn)，全網(wǎng)損失負(fù)荷超400萬(wàn)kw，至少246萬(wàn)用戶停電，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失與惡劣的社會(huì)影響。

2、水、電、氣這類基礎(chǔ)資源在恢復(fù)災(zāi)區(qū)基礎(chǔ)生活秩序、開(kāi)展救援救護(hù)工作中起到了重要的作用。因此，在評(píng)估城市電網(wǎng)面對(duì)地震災(zāi)害的損失時(shí)，不僅需要考慮地震下電網(wǎng)故障所造成的失負(fù)荷情況，同時(shí)更需要綜合評(píng)估電網(wǎng)故障所造成的城市生命線系統(tǒng)功能性損失。此時(shí)，對(duì)于城市電網(wǎng)的韌性要求將不僅限于電力恢復(fù)，而是需要綜合考慮城市生命線系統(tǒng)功能需求的恢復(fù)情況。

3、目前針對(duì)地震災(zāi)害下城市電網(wǎng)韌性的評(píng)估主要從電網(wǎng)失負(fù)荷量最小的角度進(jìn)行入手。然而城市生命線系統(tǒng)的功能性與電網(wǎng)能量耦合之間并非為簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，各城市生命線系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)于能量的需求也并非疊加關(guān)系。地震災(zāi)害導(dǎo)致電力短缺的場(chǎng)景下，電量的最大恢復(fù)并不能提高城市生命線系統(tǒng)功能的恢復(fù)程度，反而可能浪費(fèi)寶貴的電力資源。因此，需要考慮不同類型用戶對(duì)于資源需求情況的差異，更精確的反映城市電網(wǎng)面對(duì)地震災(zāi)害時(shí)的韌性情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種地震災(zāi)害下城市系統(tǒng)功能需求的電網(wǎng)韌性評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)了在有限的電力資源下，綜合考慮不同類型受災(zāi)用戶對(duì)于水、電、氣這類基礎(chǔ)資源的需求，最大程度滿足受災(zāi)群眾的基本生活需要，進(jìn)而來(lái)衡量城市電網(wǎng)面對(duì)地震災(zāi)害時(shí)的韌性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種地震災(zāi)害下城市系統(tǒng)功能需求的電網(wǎng)韌性評(píng)估方法，包括以下步驟：

4、s101、根據(jù)地震活動(dòng)在空間上的非完全隨機(jī)分布，建立潛在震源區(qū)三級(jí)劃分模型，確定不同震級(jí)地震在潛在震源區(qū)內(nèi)發(fā)生的概率分布情況；

5、s102、通過(guò)采用地震衰減橢圓模型得到不同震中距下的地震動(dòng)峰值加速度，進(jìn)而構(gòu)建地震場(chǎng)景下地表元件與埋地管道的故障概率模型；

6、s103、基于水泵站、壓縮機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的功率特性，構(gòu)建受電網(wǎng)供電能力影響的城市供水網(wǎng)模型和城市供氣網(wǎng)模型；

7、s104、基于目標(biāo)函數(shù)、決策變量和條件約束庫(kù)，構(gòu)建地震災(zāi)害下基于配網(wǎng)重構(gòu)與孤島劃分的綜合考慮城市生命線系統(tǒng)功能需求的電網(wǎng)韌性恢復(fù)模型。

8、進(jìn)一步的，根據(jù)地震活動(dòng)在空間上的非完全隨機(jī)分布，建立潛在震源區(qū)三級(jí)劃分模型，確定不同震級(jí)地震在潛在震源區(qū)內(nèi)發(fā)生的概率分布情況包括以下步驟：

9、將地震活動(dòng)區(qū)劃分為一級(jí)劃分的地震統(tǒng)計(jì)區(qū)、二級(jí)劃分的地震構(gòu)造區(qū)和三級(jí)劃分的潛在震源區(qū)；

10、將震級(jí)劃分為不同等級(jí)的震級(jí)擋位，計(jì)算地震統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)各震級(jí)檔地震發(fā)生概率，其表達(dá)式如下所示：

11、

12、其中，pearthquake(mi)為地震統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)發(fā)生第i檔震級(jí)地震的概率；m0為地震統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)的起震震級(jí)；δm為每個(gè)震級(jí)檔位之間的間隔，設(shè)為0.5；β為地震統(tǒng)計(jì)區(qū)的g-r關(guān)系系數(shù)，表征該統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)地震等級(jí)與發(fā)生次數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系，mua為地震統(tǒng)計(jì)區(qū)的最大震級(jí)，mi為地震統(tǒng)計(jì)區(qū)的第i檔震級(jí)地震；

13、基于地震統(tǒng)計(jì)區(qū)散點(diǎn)的數(shù)量與空間分布情況，確定mi檔震級(jí)地震在各潛在震源區(qū)發(fā)生的概率，其表達(dá)式如下所示：

14、

15、其中，poccur((x,y)|mi)j表示mi檔震級(jí)地震在第j個(gè)潛在震源區(qū)發(fā)生的概率；nj為第j個(gè)潛在震源區(qū)內(nèi)的散點(diǎn)數(shù)，nk為第k個(gè)潛在震源區(qū)內(nèi)的散點(diǎn)數(shù)，muj為第j個(gè)潛在震源區(qū)的最大震級(jí)，muk為第k個(gè)潛在震源區(qū)的最大震級(jí)，μj為布爾常量，當(dāng)mi位于m0與muj之間時(shí)取1，mi大于muj時(shí)取0；

16、基于地震統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)各震級(jí)檔地震發(fā)生概率和mi檔震級(jí)地震在各潛在震源區(qū)發(fā)生的概率，確定第j個(gè)潛在震源區(qū)發(fā)生震級(jí)檔位mx大于mi的事件概率，其表達(dá)式如下所示：

17、pj(mx≥mi)＝pearthquake(mi)·poccur((x,y)|mi)j

18、其中，pearthquake(mi)為地震統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)發(fā)生第i檔震級(jí)地震的概率，poccur((x,y)|mi)j表示mi檔震級(jí)地震在第j個(gè)潛在震源區(qū)發(fā)生的概率。

19、進(jìn)一步的，通過(guò)采用地震衰減橢圓模型得到不同震中距下的地震動(dòng)峰值加速度，進(jìn)而構(gòu)建地震場(chǎng)景下地表元件與埋地管道的故障概率模型包括以下步驟：

20、對(duì)震級(jí)進(jìn)行分段，構(gòu)建出不同范圍震級(jí)地震動(dòng)參數(shù)的衰減情況，并基于地震的震級(jí)和震中距，確定地震動(dòng)峰值加速度；

21、通過(guò)采用脆弱性模型來(lái)描述地表元件故障概率，其表達(dá)式如下所示：

22、

23、其中，為k元件在ypga地震動(dòng)峰值加速度下，處于第j種損壞狀態(tài)的概率；表示四種損壞狀態(tài)的序號(hào)，j＝1～4分別表示輕度損壞、中度損壞、高度損壞與完全損壞；分別為四種損壞狀態(tài)脆弱性曲線的中位數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差；

24、由于埋地管道故障概率受地質(zhì)、管徑、地震烈度與管道長(zhǎng)度等因素的影響，故結(jié)合管段震害率的簡(jiǎn)化模型與地震動(dòng)參數(shù)、地震烈度轉(zhuǎn)換公式得到埋地管道故障概率模型，其表達(dá)式如下所示：

25、

26、ppipe＝1-exp(-rf·l)

27、其中，rf為地下管道管段震害率；cd為地下管道管徑系數(shù)；cg為地質(zhì)系數(shù)；ppipe為埋地管道發(fā)生嚴(yán)重破壞的概率，l為埋地管道的長(zhǎng)度。

28、進(jìn)一步的，城市供水網(wǎng)模型包含節(jié)點(diǎn)水頭約束模型、水管流量潮流模型、水泵運(yùn)行狀態(tài)模型和水泵與電網(wǎng)能量耦合關(guān)系模型。

29、進(jìn)一步的，城市供氣網(wǎng)模型包含節(jié)點(diǎn)氣壓約束模型、供氣網(wǎng)流量潮流模型、壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)模型、壓縮機(jī)能量耦合模型和燃?xì)廨啓C(jī)能量耦合模型。

30、進(jìn)一步的，基于目標(biāo)函數(shù)、決策變量和條件約束庫(kù)，構(gòu)建地震災(zāi)害下基于配網(wǎng)重構(gòu)與孤島劃分的綜合考慮城市生命線系統(tǒng)功能需求的電網(wǎng)韌性恢復(fù)模型包括以下步驟：

31、在地震災(zāi)害場(chǎng)景下，根據(jù)各用戶對(duì)電、水、氣資源的需求情況，以降低整個(gè)城市生命線系統(tǒng)在地震場(chǎng)景下的功能性損失，其表達(dá)式如下所示：

32、

33、其中，αi+βi+γi＝1，，ωi為用戶i的重要性權(quán)重；αi、βi、γi分別為用戶i能源結(jié)構(gòu)中對(duì)于電力資源、水資源、供氣資源的需求比例參數(shù)，對(duì)于同一個(gè)用戶i，αi、βi、γi之和為1；分別為災(zāi)害場(chǎng)景下t時(shí)段內(nèi)，用戶i電、水、氣資源的恢復(fù)量；分別為正常情況下t時(shí)段，用戶i電、水、氣資源的需求量；ω為總用戶的集合；

34、主網(wǎng)與配網(wǎng)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行電力電量的交換，當(dāng)主網(wǎng)向配網(wǎng)輸電時(shí)取正，反之取負(fù)，本發(fā)明僅考慮主網(wǎng)向配網(wǎng)輸電的場(chǎng)景；

35、構(gòu)建主配網(wǎng)功率交互約束模型，其表達(dá)式如下所示：

36、

37、其中，分別為t時(shí)刻配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i上接收聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)挠泄εc無(wú)功功率；分別為t時(shí)刻配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i上接收聯(lián)絡(luò)線傳輸有功與無(wú)功功率的上限值；分別為t時(shí)刻配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i上接收聯(lián)絡(luò)線傳輸有功與無(wú)功功率的下限值；與分別為t時(shí)刻，主網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j上負(fù)荷的有功與無(wú)功功率；與分別為主網(wǎng)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線向配網(wǎng)傳遞的功率；與分別為主網(wǎng)電源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的有功與無(wú)功功率；與分別為t時(shí)刻主網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j上削減的有功與無(wú)功功率；

38、基于節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)墓β?、?jié)點(diǎn)之間傳輸電流幅值的平方值、節(jié)點(diǎn)之間電壓幅值的平方值、節(jié)點(diǎn)之間線路的阻抗和節(jié)點(diǎn)之間連通狀態(tài)的二元變量，構(gòu)建配電網(wǎng)運(yùn)行模型，其表達(dá)式如下所示：

39、

40、

41、其中，為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j傳輸?shù)挠泄β?；為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的居民用電有功的需求量；為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的居民用電有功的恢復(fù)比例；rki為節(jié)點(diǎn)k到節(jié)點(diǎn)i間線路的電阻值；為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j傳輸?shù)臒o(wú)功功率；為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的居民用電無(wú)功的需求量；xki為節(jié)點(diǎn)k到節(jié)點(diǎn)i間線路的電抗值；為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)k到節(jié)點(diǎn)i傳輸電流幅值的平方值；為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i電壓幅值的平方；為時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間的連通狀態(tài)的二元變量，通路取1，反之取0；m為足夠大的正數(shù)；

42、構(gòu)建電壓安全運(yùn)行約束和電流安全運(yùn)行約束；

43、構(gòu)建配電網(wǎng)輻射狀約束。

44、本技術(shù)的有益效果：實(shí)現(xiàn)了充分考慮了地震災(zāi)害的非完全隨機(jī)分布特性，建立了潛在震源區(qū)三級(jí)劃分模型，確立了不同震級(jí)地震在潛在震源區(qū)內(nèi)發(fā)生的概率分布情況，并采用pga地震動(dòng)峰值加速度作為地震衰減指標(biāo)，更準(zhǔn)確地反映了高震級(jí)地震的衰減情況。

45、實(shí)現(xiàn)了將城市系統(tǒng)視為一個(gè)整體，充分考慮電網(wǎng)對(duì)城市生命線系統(tǒng)的支撐作用與耦合關(guān)系?？紤]地震災(zāi)害下電網(wǎng)受損后，將其對(duì)城市生命線系統(tǒng)的影響與不同類型用戶功能的損失情況，用于衡量地震災(zāi)害下電網(wǎng)的韌性。

46、實(shí)現(xiàn)了在地震災(zāi)害導(dǎo)致電力短缺的場(chǎng)景下，考慮不同類型用戶對(duì)于資源需求情況的差異，更精確的設(shè)置城市電網(wǎng)面對(duì)地震災(zāi)害時(shí)的韌性恢復(fù)模型。