城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法

本发明涉及城市电力脆弱性评估，尤其涉及城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法。

背景技术：

1、随着城市化进程以及城市功能的快速发展，关键基础设施系统间的耦合程度也更加紧密，扩大了故障在耦合网络间交互传播的渠道。城市轨道交通的普及、电动汽车渗透率的提高增加了电力与交通系统的耦合要素，加深了故障耦合影响的程度。脆弱性通常用于表征系统遭受外部扰动时性能水平的下降或维持稳定运行的能力，针对电力、交通系统的脆弱性评估方法可分为基于网络拓扑特征或运行属性，前者从拓扑结构的角度来衡量脆弱性，如最大连通子集、网络效率等，多用于单个网络或同质耦合网络；后者可从网络失能或状态恶化的角度来衡量脆弱性，如交通网络的通行时间和电力网络的失负荷、节点电压波动等，能反映网络间耦合关系对故障传导的影响，适用于耦合网络的脆弱性评估。

2、耦合网络建模是研究耦合网络脆弱性的基础，研究内容涉及子网建模、耦合关系建模和故障传导模式建模。其中，子网建模描述各网络的拓扑结构和运行状态。耦合关系可分物理、地理、信息、逻辑四种，前两种较为常见。故障传导模式是指耦合网络基于光联关系引发的一个系统故障对另一系统影响的量化表征，通常有元件对元件、元件对系统、系统对元件、系统对系统四种。

3、目前，针对电力-交通耦合网络的研究中，由于关注问题不同，导致耦合网络建模存在一定差异。在灾后配电网故障下的最优应急抢修策略中，考虑交通网流量分布对抢修小队通行时间的影响，随着城市的发展，轨道交通已成为公共交通系统的重要部分，承担着大型城市一般左右的客运量，且对电力深度依赖。轨道交通网络故障下与道路交通网络具有互补性关系，割裂电力、道路交通、轨道之间的耦合，单独研究电力-道路交通或电力-轨道交通将使结果可信度不足。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：随着城市的发展，轨道交通已成为公共交通系统的重要部分，承担着大型城市一般左右的客运量，且对电力深度依赖。轨道交通网络故障下与道路交通网络具有互补性关系，割裂电力、道路交通、轨道之间的耦合，单独研究电力-道路交通或电力-轨道交通将使结果可信度不足。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法，包括：建立城市电力-交通多层耦合网络模型：建立城市电力-交通多层耦合网络脆弱性评估指标；基于所述评估指标对城市电力-交通多层耦合网络模型进行脆弱性分析。

3、作为本发明所述的城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法的优选方案，其中：城市电力-交通多层耦合网络模型包括：

4、城市电网故障应急调度模型、城市轨道-道路交通网络的关联关系与故障传导模型、城市电网-轨道交通网络的关联关系与故障传导模型、城市电网-道路交通网络的关联关系与故障传导模型和考虑停电充电站负荷转移的电动汽车充电负荷模型。

5、作为本发明所述的城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法的优选方案，其中：城市电网故障应急调度模型包括：

6、所述城市电网故障应急调度模型中电网的拓扑结构建模为网状，记为无向图，其数学表达式为：

7、np<vp,ep>

8、其中，vp表示节点集合，节点集合包括负荷节点、发电节点和平衡节点，ep表示线路集合，切负荷最小的目标函数的数学表达式为：

9、

10、其中，表示第r类负荷的重要程度，表示节点i的第r类负荷的切除量，节点功率平衡约束的数学表达式为：

11、

12、其中，pgi表示节点i输出的有功功率，qgi表示节点i输出的无功功率，pi(u，δ)表示节点i的有功注入功率，qi(u，δ)表示节点i的有功注入功率无功注入功率，pdi表示节点i的有功负荷，qdi表示节点i无功负荷，lsi表示节点i的切负荷量，表示节点i的有功负荷由住宅负荷工商业负荷地铁主变负荷和电动汽车充电负荷组成，发电节点的出力约束数学表达式为：

13、

14、其中，vpg表示pv节点的集合，表示发电节点的有功出力的下限，表示发电节点的有功出力的上限，表示节点i的无功出力的下限，表示表示节点i的无功出力的上限，节点电压幅值约束的数学表达式为：

15、

16、其中，表示节点i的电压幅值ui的下限，表示节点i的电压幅值ui的上限，负荷节点切负荷量约束的数学表达式为：

17、

18、其中，vpl表示pq节点集合，支路潮流约束的数学表达式为：

19、

20、其中，f1表示支路l∈ep的有功潮流，表示支路l∈ep的有功潮流的上限。

21、作为本发明所述的城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法的优选方案，其中：城市轨道-道路交通网络的关联关系与故障传导模型包括：

22、轨道交通的故障负荷向道路交通网络转移，引起道路交通网络的交通流量增加，轨道交通与道路交通网络之间互补关联，定义关联强度系数计算故障负荷从轨道网络成功转移到道路网络的比例，其数学表达式为：

23、

24、其中，对任意一对起点终点(s，u)的故障负荷，表示成功转移的轨道交通故障负荷总量，表示可用转移路径集合，表示任意路径k上的负荷分配量。

25、作为本发明所述的城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法的优选方案，其中：城市电网-轨道交通网络的关联关系与故障传导模型包括：

26、城市电网节点的轨道交通负荷功率小于其额定运行功率时，轨道交通网络出现节点停电故障，节点停电故障的数量由对应的地铁主变负荷功率缺额δpdm决定，地铁主变负荷功率缺额δpdm的故障传导数学表达式为：

27、

28、其中，表示电网节点j的轨道交通负荷功率，表示由电网节点j供电的轨道线路上所有轨道节点i正常运行所需额定功率之和，表示轨道交通网络节点i的状态，如果表示状态正常，表示状态故障，ξmp∈(0，1)表示供电关联强度系数，表示轨道交通网络节点集合，表示城市电网节点集合。

29、作为本发明所述的城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法的优选方案，其中：城市电网-道路交通网络的关联关系与故障传导模型包括：

30、定义交通信号灯用电为工商业负荷的一部分，若目标区域中城市电网节点j的工商业负荷的切除量低于其最低运行功率，所述目标区域中的道路交通灯停电，道路交通网络节点失效，失效数量由故障传导决定，故障传导的数学表达式为：

31、

32、其中，表示道路交通网络节点i所属区域工商业负荷的额定运行功率，表示道路交通网络节点i的状态，表示供电关联强度系数且表示相互关联的道路交通网络，表示城市电网的节点集合；

33、电动汽车充电站位于道路交通网络的边上，如果城市电网节点j的电动汽车充电站负荷的切除量无法满足其最低运行功率，则认为该电动汽车充电站停电，即道路交通网络中的边失效，失效数量由确定，失效数量的故障传导的数学表达式为：

34、

35、其中，表示道路交通网络边i所耦合的电动汽车充电站的额定充电功率，表示道路交通网络边的状态，表示供电关联强度系数且表示相互关联的道路交通网络边，表示城市电网的节点集合；

36、当城市电网发生故障时，道路交通网络拥堵会增加抢修小队到达故障位置的通行时间，导致故障持续时间延长，其故障传导过程的数学表达式为：

37、

38、其中，表示抢修小队到达故障位置的时间，表示抢修小队从仓库出发时间，xe(t)表示道路交通流量，uv(t)表示道路交通网络节点状态，ue(t)表示边状态对路径通行时间的影响函数，v表示组成抢修小队通行路径kp的节点，e表示组成抢修小队通行路径kp的边；

39、若路径kp上有失效的节点或边，将导致通行时间无限延长，否则通行时间满足以下数学表达式：

40、

41、

42、其中，te(xe)表示边e的通行时间，表示自由通行时间，ce表示自由通行容量，当时的交通流量，eb表示交通网络边集合，设ρbe＝0.15，σbe＝4，t(kp)表示路径kp的通行时间。

43、作为本发明所述的城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法的优选方案，其中：城市电网故障引起道路交通灯停电和电动汽车充电站停电，以及停电的轨道交通负荷向道路交通网络转移，导致交通网络流量分布不均甚至拥堵，导致电动汽车充电需求分布出现空间不均的特征，引起部分充电站负荷激增，城市电网故障故障传导过程的数学表达式为：

44、

45、其中，fv[·]表示电网发电节点出力pgi(t)，ui(t)表示电网节点运行状态，表示电动汽车充电站负荷，ui(t)表示城市电网节点电压，fl(t)表示线路潮流的影响函数，通过电网潮流计算获得。

46、作为本发明所述的城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法的优选方案，其中：考虑停电充电站负荷转移的电动汽车充电负荷模型包括：

47、考虑停电的电动汽车充电站将导致其充电负荷向其他充电站转移充电，建立电动汽车充电负荷模型如下：

48、

49、其中，α·r(t)·pav·xi(t)表示道路边i的初始充电负荷，α表示电动汽车渗透率，r(t)表示电动汽车的充电概率，pav表示平均充电功率，xi(t)表示道路交通流量，表示从停电的电动汽车充电站转移过来的额外充电负荷，ai表示i的相邻边集合，表示边j上失效电动汽车充电站的负荷，βji表示由边j向边i转移的故障负荷的分配因子；

50、电动汽车充电站e3失效导致其负荷转移到相邻电动汽车充电站(e1、e2、e4)，其分配因子β31，β32，β34的计算表达式为：

51、β31＝f(b1,b5)/[f(b1,b5)+f(b2,b4)+f(m3,b5)]

52、β32＝f(b2,b4)/[f(b1,b5)+f(b2,b4)+f(m3,b5)]

53、β34＝[f(b1,b5)+f(m3,b5)]/[f(b1,b5)+f(b2,b4)+f(m3,b5)]

54、其中，f(b1，b5)、f(b2，b4)和f(b3，b5)分别为路径b1-b5、b2-b4和b3-b5的交通流量，其中m3为轨道节点。

55、作为本发明所述的城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法的优选方案，其中：建立城市电力-交通多层耦合网络脆弱性评估指标包括：

56、交通网络脆弱性评估指标包括通行效率和交通负荷损失，基于通行时间定义od对的通行效率ges和交通负荷损失tls，以描述极端情况下对交通网络通行时间的影响，其数学表达式为：

57、

58、

59、其中，tmin(r，s)表示起点终点(od)对(r，s)的最小通行时间，num(vt)为交通网络的节点数，为路径k的初始通行时间，如果路径k的当前行程时间超过其初始行程时间(1+ε)倍，则认为该路径上的负荷丢失，ε为阈值，为od对集合；

60、城市电网脆弱性评估指标包括节点电压波动严重度和支路潮流波动严重度，基于节点电压ui和支路潮流fl来构建，反映电网安全状态，其数学表达式为：

61、

62、其中，sevui表示节点i的电压波动系数，sevfl为支路l的潮流波动系数，表示城市电网的平均电压波动度系数，表示城市电网平均潮流波动系数，表示节点i的参考电压，表示节点i的最低电压，表示支路l的参考潮流，表示支路l的最大潮流，设置和的初始状态为和

63、作为本发明所述的城市电力-交通多层耦合网络模型的脆弱性评估方法的优选方案，其中：基于所述评估指标对城市电力-交通多层耦合网络模型进行脆弱性分析包括：

64、利用城市电力-交通多层耦合网络的功能下降程度来描述其在极端场景s下的脆弱性，其数学表达式为：

65、

66、其中，表示交通网络相关的总电力负荷切除量，总电力负荷切除量包括地铁主变、交通信号灯、电动汽车充电站的负荷，表示电力短缺导致交通网络功能恶化程度，ge0表示初始状态的交通网络通信效率，ges表示场景状态s下的交通网络通信效率，qrs表示od对(r，s)的交通负荷，∑rsqrs表示初始状态下交通负荷总量，tls表示场景状态s下的交通网络负荷损失量，表示初始状态下的电动汽车负荷，表示场景状态s下的电动汽车负荷，和之间的差值表示未满足的充电负荷需求，表示城市电网的脆弱性，表示拥堵造成故障持续时间的增长因子，

67、本发明的有益效果：通过建立城市电力-交通多层耦合网络模型，考虑轨道站点、道路交通信号灯、充电站对电网的物理依赖，以及故障下交通流量对应急抢修车和电动汽车充电负荷的影响，通过考虑电力故障的交通流量统一调度模型、基于交通流量的电动汽车充电负荷模型，并考虑故障下电动汽车的空间转移特征，能够反映交通网络失能与电网状态恶化的脆弱性评估指标，提出电网或轨道节点遭受蓄意破坏下多层网络的脆弱性仿真分析方法。