本發(fā)明涉及配電網安全運行領域，特別涉及一種極端天氣下配電網交通網耦合系統(tǒng)韌性提升加固方法。

背景技術：

1、電力系統(tǒng)韌性是指電網遭受重大災害的情況下，是否可以減少故障過程損失，并盡快恢復到正常供電狀態(tài)的能力。配電網作為電力系統(tǒng)的末端網絡，直接與用戶相關聯(lián)，并且現(xiàn)有的大部分極端天氣直接線路故障的狀況發(fā)生在配電網中，因此配電網更易受極端天氣的影響。為了防止配電網在極端天氣下的損壞，對配電網進行災前加固是提高配電網應對自然災害能力的有效途徑之一。通過對部分關鍵基礎設施預先加固，提高配電網對潛在災害的抵御能力。顯然，對于現(xiàn)代社會而言，提升電力系統(tǒng)的韌性意義重大。目前，電力系統(tǒng)中的韌性提升策略主要以災后恢復措施為主，而災前加固措施方面的研究工作較少。

2、現(xiàn)有關于電網韌性的相關研究主要集中在輸電網絡上，而對配電網的研究相對較少。傳統(tǒng)的配電網災前加固研究往往忽視了時間尺度的影響。目前，大部分配電網災前加固研究都是建立在時間完全充裕的假設之上的，默認在極端天氣來臨之前已做好相關的加固措施。然而，由于極端天氣發(fā)生的不確定性，無法保證在災害發(fā)生之前配電網已完成加固，考慮到交通網的車流量和時間變化，應在有限時間內提升配電網韌性。鑒于此，為完善上述不足，提供一種極端天氣下配電網-交通網耦合系統(tǒng)韌性提升加固方法，保障配電網系統(tǒng)供電安全，提高城市電網在極端天氣下的生存能力。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種極端天氣下配電網交通網耦合系統(tǒng)韌性提升加固方法。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：

3、一種極端天氣下配電網交通網耦合系統(tǒng)韌性提升加固方法，包括以下步驟：

4、步驟1：基于極端天氣下配電網故障歷史數(shù)據(jù)和故障不確定性，利用蒙特卡洛法模擬生成并削減成故障場景集；

5、步驟2：基于復雜網絡理論和交通流理論模型建立交通網絡模型，包括道路拓撲模型、流量-速度模型和路徑-時間模型，并基于floyd算法求解最短出行時間問題；

6、步驟3：分析極端場景下配電網供電能力，以系統(tǒng)懲罰成本最小為目標函數(shù)，協(xié)同電力加固進行策略優(yōu)化，建立綜合考慮需求響應、儲能設備和網絡重構的配電網交通網耦合系統(tǒng)韌性提升加固模型；

7、步驟4：利用gurobi求解器，對所述配電網交通網耦合系統(tǒng)韌性提升加固模型進行求解，得到最佳的系統(tǒng)韌性提升加固策略。

8、進一步的，所述步驟1中模擬生成并削減成故障場景集，其中針對配電網故障不確定性的場景生成如下所示：

9、通過場景分析法，在已有原始故障預測數(shù)據(jù)的概率分布基礎下通過蒙特卡洛抽樣法產生能夠代表隨機變量概率分布的大量場景，并賦給每個場景相同的發(fā)生幾率，形成確定性的場景集合。

10、進一步的，所述步驟1中模擬生成并削減成故障場景集，其中針對配電網故障不確定性的場景削減包括如下所示步驟：

11、步驟1.1：設置為初始場景集，為即將被削減場景的集合，的起始條件是空集，計算場景集每個場景對的歐式距離，如下所示：

12、；

13、其中，為第和第個場景的歐式距離，和分別為描述第和第場景內的特征向量；和為初始場景集中的索引，取值為1,2...，表示在初始場景集中的位置；

14、步驟1.2：在產生的配電網故障場景集中確定第一個需要削減的場景，對每個場景來說，會有一個場景使其與其他所有場景的歐式距離總和最小，削減第一個滿足如下所示條件的場景：

15、；

16、其中，為與場景與場景中的第個場景的歐式距離，用于判斷是否削減，和為第和個場景中的特征屬性，為用于計算歐式距離的向量，、為需要加固的線路索引；

17、步驟1.3：場景將作為第一個被刪減的場景，分別計算場景與剩余場景的概率距離，即；選擇出場景使其與場景的概率距離最小值，即；

18、步驟1.4：削減掉與場景有最小概率距離的場景集合，即；場景集中增加與場景有最小概率距離的場景集合，即；將被削減場景的發(fā)生概率轉移到場景上，即；保證剩余的所有場景的概率和始終是1；

19、步驟1.5：如果剩下的場景數(shù)目依然大于必須的特征場景個數(shù)，則返回步驟1.2～1.4直到剩下的場景數(shù)目滿足要求。

20、進一步的，所述步驟2中建立包括道路拓撲模型、流量-速度模型和路徑-時間模型在內的交通網絡模型，其中道路拓撲模型如下所示：

21、；

22、；

23、；

24、其中，為交通網絡的數(shù)學模型；為頂點集，即交通網絡中路段的端點或多個路段交叉點所構成的集合；為交通網絡中道路所構成的集合；為剩余場景，此處表示剩余場景為所計算的最后一個場景，即所計算的剩余場景的數(shù)量，為交通網絡中節(jié)點和節(jié)點之間的連接關系；為交通節(jié)點和節(jié)點之間的路徑長度；表示交通節(jié)點和節(jié)點不相鄰，路徑長度取無窮大。

25、進一步的，所述步驟2中建立包括道路拓撲模型、流量-速度模型和路徑-時間模型在內的交通網絡模型，其中流量-速度模型如下所示：

26、；

27、；

28、其中，為流量模型參數(shù)，用于表示道路的流量情況，為災害發(fā)生前的時間索引；為時段道路的道路流量；為路段的通行能力；、和為不同道路等級下的道路系數(shù)；為交通節(jié)點和節(jié)點間考慮交通流量后的實時行駛速度；為相鄰交通節(jié)點和節(jié)點間的零流速度，即不考慮實時交通流量速度。

29、進一步的，所述步驟2中建立包括道路拓撲模型、流量-速度模型和路徑-時間模型在內的交通網絡模型，其中路徑-時間模型如下所示：

30、；

31、；

32、；

33、其中，假設從節(jié)點出發(fā)點到達節(jié)點，其間有段直連道路；為第個直連道路的行駛時間；為第個直連道路路程長度；為第個直連路段的行駛速度；為交通節(jié)點和間的行駛總時間；為節(jié)點間的最短路徑，、和分別為節(jié)點出發(fā)點到達節(jié)點的電力線路、節(jié)點出發(fā)點到達節(jié)點的電力線路和節(jié)點出發(fā)點到達節(jié)點的電力線路。

34、進一步的，所述步驟2中基于floyd算法求解最短出行時間問題，其中基于floyd算法的最短出行時間問題求解包括以下步驟：

35、步驟2.1：設置鄰接矩陣儲存路徑，矩陣中元素開始表示兩點之間初始直接路徑距離；設置前驅矩陣，矩陣中元素記錄最短路徑的前驅點；

36、步驟2.2：循環(huán)迭代矩陣，從第1個到第個點依次加入松弛計算，每個點加入進行試探枚舉是否有路徑長度被更改；

37、步驟2.3：順序加入剩余場景時候，需要遍歷圖中每一個點對，判斷每一個點對距離是否因為加入的點而發(fā)生最小距離變化，如果發(fā)生改變，則更新矩陣中兩點間距和矩陣中的前驅頂點；

38、步驟2.4：重復上述步驟直到所有插點完成。

39、進一步的，所述步驟3中建立配電網交通網耦合系統(tǒng)韌性提升加固模型，模型的目標函數(shù)為系統(tǒng)懲罰成本，使極端天氣下系統(tǒng)損失最小化，目標函數(shù)如下所示：

40、；

41、其中，為災害發(fā)生后的時間索引；為不確定場景的索引；為電力負荷；為調度時間集合；為考慮線路損壞的場景集合；為配電網中連接節(jié)點的電力設備集合；為電失負荷單位懲罰成本；表示電負荷的權重；是電力負荷失負荷；為場景發(fā)生的概率。

42、進一步的，所述步驟3中建立配電網交通網耦合系統(tǒng)韌性提升加固模型，模型包括加固約束、配電網潮流約束、安全約束和配電網與上級網絡功率交換約束、儲能設備約束、需求響應約束、失負荷約束、拓撲約束、網絡重構約束和加固調度約束，具體如下：

43、加固約束：

44、；

45、；

46、其中，為電力線路；為電力線路的集合；為電力線路的加固成本系數(shù)；為總的加固預算；為加固策略集合；是一個0-1變量，指在場景下時間線路的連通狀態(tài)，為1時線路連通，為0線路斷開；為0-1變量，指線路的加固狀態(tài)，為1時線路加固，為0線路未加固；為0-1變量，指線路在場景下的故障狀態(tài)，為1時線路故障，為0線路無故障；

47、配電網潮流約束：

48、；；

49、；

50、其中，為配電網中連接節(jié)點的電力設備集合；、分別為配電網中配電線路的送端節(jié)點與受端節(jié)點集合；、分別為時間線路上流過的有功和無功潮流；、分別指時間配電網從上級電網購入的有功功率和無功功率；、分別為時間的有功負荷與無功負荷；為時間的電力失負荷；為時間負荷的功率因數(shù)；、分別為儲能設備在時間的充電、放電有功功率；、分別為儲能設備在時刻的充電、放電無功功率；和分別為線路的電阻和電抗；、代表節(jié)點、的電壓；是可設置的常數(shù)；

51、安全約束：

52、；

53、；

54、；

55、其中，、表示配電網節(jié)點電壓的最小值和最大值；、、和分別表示線路中的有功功率和無功功率的最小值和最大值；

56、配電網與上級網絡功率交換約束：

57、；

58、；

59、其中，、、和分別表示變電站傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率的最小值和最大值；

60、儲能設備約束：

61、；

62、；

63、；

64、；

65、；

66、其中，為儲能設備在時刻的容量；、和分別指儲能設備的自持放電率、充電效率、放電效率；、為代表儲能設備的充電、放電狀態(tài)的0-1變量；、表示儲能設備的容量的最小值和最大值；、表示儲能設備的充電、放電有功功率的最大值；

67、需求響應約束：

68、；

69、；

70、；

71、；

72、其中，為參與需求響應的電負荷；、分別為需求響應后有功電負荷與無功電負荷；為配電網中節(jié)點最大電負荷；為需求響應電負荷參與比例；表示運行時間內最大可允許電負荷削減，如果設置為0，那么運行時間內系統(tǒng)僅有負荷轉移沒有負荷削減，如果不為0，則允許部分負荷削減；

73、失負荷約束：

74、；

75、拓撲約束：

76、；

77、；

78、；

79、其中，為配電網節(jié)點的總數(shù)量；表示節(jié)點是否為根節(jié)點，若為1則節(jié)點是根節(jié)點，反之則不是；，分別表示節(jié)點為受端和送端的虛擬支路的有功功率；

80、網絡重構約束：

81、；

82、；

83、；

84、?；

85、；

86、其中，為重構線路集合；為二進制變量，表示聯(lián)絡開關在時段狀態(tài)是否發(fā)生變化，如果開關狀態(tài)改變，則為1，否則為0；為線路允許開關的最大次數(shù)；

87、加固調度約束：

88、；

89、；

90、；

91、其中，為所有需要加固電力線路的集合；、為需要加固的線路索引；是加固人員調度的二進制變量，為1說明加固人員從所需加固處到，反之則沒有；表示加固人員是否訪問需加固處；表示加固起始站點所在處，為1表示加固人員從加固起始站點出發(fā)開始加固作業(yè)；

92、；

93、；

94、；

95、；

96、其中，為加固人員到達所需加固節(jié)點處的時刻；為加固人員到達所需加固節(jié)點處的時間；為加固需要花費的時間；為加固人員從到達的路程時間，這是由各電力負荷節(jié)點之間的直線距離計算得來；為二進制變量，若為1，則加固人員在時候完成處的加固，否則為0；為極小數(shù)；

97、；

98、；

99、其中，為0-1變量，指線路的加固狀態(tài)，為1時線路加固，為0線路未加固，表示所需加固節(jié)點在時加固完成狀態(tài)。

100、本發(fā)明的有益效果是：

101、（1）根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行未來數(shù)值的預測，通過預測值分析，得到判斷結果，便于專業(yè)人員快速響應，快速處理，有針對性的提前增強電力系統(tǒng)韌性；

102、（2）同時構建了儲能設備、需求響應和網絡重構等多種運行約束條件，綜合考慮多種災害加固策略，建立了較為系統(tǒng)完善的電力系統(tǒng)災前加固模型；

103、（3）可以考慮到交通網的車流量和時間變化，在災害發(fā)生之前的有限時間內對配電網進行加固，提升配電網韌性，從而充分且高效地利用了寶貴的災前加固時間。