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申请/专利权人：湖南大学

摘要：本发明公开了一种应对暴雨内涝灾害的配电网与排水网拓扑协同重构方法，包括以下步骤：步骤S1、构建基于有压和无压非恒定流水动力偏微分约束的电力‑排水网络耦合模型，表征暴雨灾害下电网停电、雨水漫溢和道路积水的动态交互演化过程；步骤S2、在频域中建立排水网非线性水动力偏微分方程的等价线性复代数方程；步骤S3、推导电力‑排水复合安全区域的多超平面公式，表征复杂电力和雨水注入条件下电泵‑水闸群的可行运行边界；步骤S4、考虑暴雨天气下降雨不确定性，采用基于蒙特卡洛模拟的多场景随机优化，滚动优化求解当前时刻的应急调度决策方案。本发明实现了暴雨内涝灾害下的配电网和排水网网络拓扑的协调重构。

主权项：1.一种应对暴雨内涝灾害的配电网与排水网拓扑协同重构方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、构建基于有压和无压非恒定流水动力偏微分约束的电力-排水网络耦合模型，表征暴雨灾害下电网停电、雨水漫溢和道路积水的动态交互演化过程；步骤S2、在频域中建立排水网非线性水动力偏微分方程的等价线性复代数方程；步骤S3、推导电力-排水复合安全区域的多超平面公式，表征复杂电力和雨水注入条件下电泵-水闸群的可行运行边界；步骤S4、考虑暴雨天气下降雨不确定性，采用基于蒙特卡洛模拟的多场景随机优化，滚动优化求解当前时刻的应急调度决策方案；所述步骤S1包括构建基于有压和无压非恒定流水动力偏微分约束的排水网络模型以及构建配电网重构与排水网流向拓扑变换的协同调控模型；其中，构建基于有压和无压非恒定流水动力偏微分约束的排水网络模型具体为：排水管渠中水位未达到管渠顶部，此时将管渠中水流视为无压非恒定流；假设排水网管渠的底部高程为零，并假设渠道或管道截面为形状不变的矩形，有：； ； ； ；式中，为时刻管渠的过水断面积；为时刻，为沿管渠轴向坐标；为管渠汇流流量；为管渠水深；为管渠的横截面面积，表示管渠处于有压非恒定流状态，表示管渠处于无压非恒定流状态；为管渠的水力坡度，即管渠内水流在水平方向上的高度变化；为管渠的渠道底坡；表示重力加速度，值为9.81ms2；、分别为曼宁系数、水力半径；、分别为时刻集合、管渠集合；为管渠宽度；当暴雨天气下雨水涌入管渠，导致管渠水位到达管渠顶部，此时管渠水流将处于有压非恒定流状态： ； ；式中，表示矩形管渠高度；为假设的虚拟窄缝宽；表示有压流波速；有压和无压非恒定流水动力偏微分约束的排水网络模型的初始条件和边界条件分别如下： ； ；式中、为管渠在初始时刻的水深、流量，为流量上限；为流量下限；为河道长度；道路积水深度的计算公式为： ； ；式中，为路面与雨水收集井的流量交换量，当时，表示雨水从雨水收集井溢流至路面，当时，表示雨水从路面流入雨水收集井；表示时刻道路处降雨量；表示道路的汇水面积；为时刻排水车排入雨水收集井的水量；表示应急排水车集合；表示道路集合；为时刻因蒸发和下渗导致的雨水损失量；所述构建配电网重构与排水网流向拓扑变换的协同调控模型的过程具体为：配电网重构需满足节点功率平衡及线路容量约束，同时，节点负荷削减量应限制在允许范围内： ； ； ；式中，、分别为移动应急电源、分布式电源注入电网节点的有功功率，、分别为移动应急电源、分布式电源注入电网节点的无功功率；、分别为时刻线路流过的有功、无功潮流；、分别为时刻线路流过的有功、无功潮流；、分别为时刻电网节点处泵站的有功功率需求、无功功率需求；、分别为时刻电网节点处水闸的有功功率需求、无功功率需求；、分别为时刻电网节点处除泵闸负荷外的其他有功、无功负荷；、分别为时刻电网节点处有功负荷削减量、无功负荷削减量，为电网节点集合；配电网重构约束还应满足配电网辐射状网络约束： ； ； ； ； ；式中，与表示时刻线路连通状态变量，若线路闭合，则、，若线路断开，则、；为0-1状态变量，其中表示节点是节点的父节点，若不是，则；为0-1状态变量，其中表示节点是节点的父节点，若不是，则；为表示时刻线路开关状态变化的0-1变量，其中表示线路开关闭合，表示线路开关断开；为电网支路集合；排水网中排水泵站抽排流量和功率间关系及排水泵站运行功率限制如下： ； ； ；式中，为时刻排水泵站消耗的有功功率；为时刻排水泵站的抽排流量；为水密度；为排水泵站的排水效率；为排水泵站的水头；为时刻排水泵站消耗的无功功率；为排水泵站的功率因数；、分别为排水泵站运行功率的上、下限；表示时刻排水泵站启停状态的二进制变量；表示排水泵站集合；排水泵站运行过程中，若电网供电功率低于最小功率限制，为避免排水泵站损坏，排水泵站会自动断电停机，具体如下： ；式中，为任意正数；为排水泵站的抽排流量；排水泵站中水闸启闭消耗的有功功率和无功功率计算公式如下： ； ；式中，、分别为时刻处水闸消耗的有功、无功功率；表示水闸开启状态的二进制变量，当时刻打开水闸，有，而当时刻关闭水闸，有；表示水闸单次启停的有功功率；为水闸的功率因数；为水闸集合；当水闸关闭时，管渠的过流量为零，当水闸开启时，管渠的过流量不超过水闸的最大过水流量： ；式中，为管渠运行状态的0-1变量，其中0则表示关闭状态，1表示管渠处于连通状态；为水闸的最大过水流量；为表示时刻管渠流向状态的0-1变量，其中表示水流从流向节点，若不是，则；此外，频繁改变水闸开闭状态会导致管渠水动力特性不稳定，需保证调度周期内水闸允许的开闭时间间隔和开闭次数在合理的范围内，如下所示： ； ； ； ；式中，表示水闸关闭状态的二进制变量，当时刻打开水闸，有，而当时刻关闭水闸，有；、分别为电动水闸的最小开启时间、最小关闭时间；表示调度周期内水闸允许的最大开闭次数；表示调度时域长度，为所有水闸开启时间间隔集合；为所有水闸关闭时间间隔集合；表示和集合中的时刻元素；为正整数集合；当城市排水网管渠出现了堵塞故障时，故障管渠两端将出现雨水溢流，此时管渠的首末两端节点应被视为故障节点： ； ； ； ；同时，考虑到暴雨天气下地下排水网管渠故障维修难度大，在此不考虑管渠故障修复，所以管渠故障发生后该故障在调度周期内将一直存在： ； ；式中，表示时刻管渠节点故障状态的0-1变量，表示时刻管渠节点故障状态的0-1变量，0表示该节点为非故障节点，1表示该节点为故障节点；表示时刻管渠故障状态的0-1变量，0表示管渠处于非故障状态，1表示管渠处于故障状态；若处于连通状态的管渠发生故障时，其所在位置的水闸将关闭来隔离故障： ； ；位于故障管渠上的水闸不能用于排水网流向拓扑重构： ；排水网管渠连通状态受水闸闸门启闭状态影响： ； ； ；为避免排水不畅和防止水流对异径管渠壁面冲击，排水网流向拓扑重构还应保证单一管渠出口处连接管渠的总横截面积不小于管渠入口处连接管渠的总横截面积： ； ；式中，为表示时刻管渠流向状态的0-1变量，其中表示水流从流向节点，若不是，则；为以节点为出口节点的管渠横截面面积；为以节点为入口节点的管渠横截面面积；表示出口与节点相连的管渠集合；为入口与节点相连的管渠集合。

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