CN110889594B - 一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法 - Google Patents

一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，包括：S1、结合综合管廊和综合能源系统以及二者的关联性，建立城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型；S2、实时采集综合能源系统的中各能源需求节点的实际能源需求量、攻击成本和保护成本，输入到城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型中，得到城市管廊综合能源系统的脆弱性评估结果。采用通过结合综合管廊和综合能源系统，并考虑综合管廊和综合能源系统间的地理关联所建立的城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型，准确度较高。另外，本发明所提供的方法能够准确求解出城市管廊综合能源系统在蓄意攻击下最优保护策略，帮助城市管理者在有限的成本下做出最优的保护决策，减少系统的损失。

Description

一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法
技术领域
本发明属于关键基础设施韧性领域，更具体地，涉及一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法。
背景技术
综合管廊是城市管道的地下综合走廊，即在城市地下建造一个隧道空间，将各种工程管线集中于该空间内敷设，实施统一规划、统一设计、统一建设和统一管理，是保障城市运行的重要基础设施和生命线。如今，综合管廊在许多现代城市广泛建造。然而，修建综合管廊带来了新的威胁，城市综合管廊网络是城市综合能源系统的载体，由于综合管廊增加了城市基础设施系统之间的地理相互依赖性，当城市管廊遭受到破坏时，城市综合能源系统便会遭到破坏，能源是为人类一切生产活动提供能量的物质资源，因此综合管廊的破坏可能导致所有携带系统的破坏。
现有的城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法主要关注综合管廊的修建为城市带来的便捷，如方便集中管理和维修、减少线路管道的裸露、使得城市更加美观等。然而，现有的方法都忽略了城市综合管廊作为城市综合能源系统的载体，与城市基础设施系统之间存在地理相互依赖关系，当城市管廊的被破坏时，综合能源系统也会被极大破坏，脆弱性评估结果的准确率较低。
综上所述，提供一种准确率较高的城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，用于解决现有技术由于忽略城市综合管廊与城市基础设施系统之间存在地理相互依赖关系而导致的脆弱性评估准确率较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，包括以下步骤：
S1、结合综合管廊和综合能源系统以及二者的关联性，建立城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型；
S2、实时采集综合能源系统的中各能源需求节点的实际能源需求量、攻击成本和保护成本，输入到城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型中，得到城市管廊综合能源系统的脆弱性评估结果。
进一步优选地，步骤S1中建立城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型的方法，包括以下步骤：
S11、实时采集综合管廊的结构信息数据、综合能源系统的结构数据和供给需求数据以及综合管廊和能源系统的耦合信息；
S12、基于所采集的综合管廊的结构信息数据、综合能源系统的结构数据和供给需求数据，构建综合管廊和综合能源系统的网络模型；
S13、根据综合管廊和综合能源系统的网络模型和耦合信息、实时攻击成本和保护成本，构建攻击约束和保护约束；
S14、根据综合管廊和综合能源系统的网络模型和耦合信息，确定综合管廊和综合能源系统的地理关联约束；
S15、根据所得综合能源系统的网络结构，确定综合能源系统中各能源系统的运作模型，构建各能源系统的运作约束；
S16、根据所得综合能源系统的网络结构，以及综合能源系统中各能源系统的运作模型，构建综合能源系统中各能源系统间的关联关系约束；
S17、根据系统管理者的目标需求，并结合所得综合管廊和综合能源系统的地理关联约束、攻击约束、保护约束、关联关系约束以及各能源系统的运作约束，构建城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型。
进一步优选地，综合管廊的结构信息数据包括综合管廊中每个节点的位置、综合管廊中每一管廊段的起始节点和终止节点位置；综合能源系统的结构信息数据包括各能源系统中每个节点的位置以及每一条边的起始节点和终止节点位置。
进一步优选地，综合能源系统包括电力系统、天然气系统、水利系统、通讯系统。
进一步优选地，当综合能源系统中存在电力系统时，该能源系统的节点表示发电节点和电力需求节点，能源系统中的边表示每一段电线；此时，综合能源系统的结构信息数据包括各发电节点和电力需求节点的位置，每一段电线的起始节点和终止节点位置，每一段电线的电容、电阻、电抗和电感；综合能源系统的供给需求数据包括各发电节点的发电能力和成本，各需求节点的实际电力需求量；
当综合能源系统中存在天然气系统时，该能源系统的节点表示气井、天然气需求节点和天然气存储节点，能源系统中的边表示每一段天然气管道；此时，综合能源系统的结构数据包括各气井、天然气需求节点和天然气存储节点的位置，各加压站和阀门的位置，每一段天然气管道的起始节点和终止节点位置，各气井的出气能力和成本，每一段天然气管道的容量，各加压站的加压能力，各天然气存储节点的存储能力；综合能源系统的供给需求数据包括各气井、天然气需求节点和天然气存储节点的气压，各天然气需求节点的实际天然气需求量，各天然气存储节点的实际天然气存储量；
当综合能源系统中存在水利系统时，该能源系统的节点表示各水泵、水利需求节点和水利存储节点，能源系统中的边表示每一段水管；此时，综合能源系统的结构数据包括各水泵、水利需求节点和水利存储节点的位置，各加压站和阀门的位置，每一段水管的容量及其起始节点和终止节点位置，各水泵的出水能力和成本，各水利存储节点的存储能力，每一段水管的容量，各加压站的加压能力；综合能源系统的供给需求数据包括各水泵、水利需求节点和水利存储节点的水压、各水利需求节点的实际水利需求量，各水利存储节点的实际水利存储量；
当综合能源系统中存在通讯系统时，能源系统的节点表示信息站和通讯需求点，能源系统中的边表示每一段信道；此时，综合能源系统的结构数据包括各信息站和通讯需求点的位置，各信道的起始节点和终止节点位置。
进一步优选地，综合管廊和综合能源系统的耦合信息包括综合管廊和能源系统之间的位置耦合关系和综合能源系统中各能源系统之间的能源转换关系。
进一步优选地，综合管廊和综合能源系统的地理关联约束为：
Figure GDA0003468924790000041
Figure GDA0003468924790000042
其中，
Figure GDA0003468924790000043
为能源系统k中的边e的故障状态，
Figure GDA0003468924790000044
为与能源系统k中的边e存在耦合关系的综合管廊节点n的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000045
为与能源系统k中的边e存在耦合关系的综合管廊节点n的被攻击状态，
Figure GDA0003468924790000046
为与能源系统k中的边e完全耦合的综合管廊的边e'的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000047
为与能源系统k中的边e完全耦合的综合管廊的边e'的被攻击状态，
Figure GDA0003468924790000048
为与综合管廊的边e'部分耦合的能源系统k中的边e的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000049
为与综合管廊的边e'部分耦合的能源系统k中的边e的被攻击状态，其中，
Figure GDA00034689247900000410
取值为1表示被保护，取值为0表示未被保护，
Figure GDA00034689247900000411
取值为0表示被攻击，取值为1表示未被攻击。
进一步优选地，上述城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型为：
Figure GDA0003468924790000051
Figure GDA0003468924790000052
其中，vulnerability为城市管廊综合能源系统的脆弱性评估结果，
Figure GDA0003468924790000053
为能源系统k中的节点n的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000054
为与综合管廊的边e'部分耦合的能源系统k中的边e的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000055
为综合管廊的中的节点n'的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000056
为综合管廊的中的节点e'的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000057
为能源系统k中节点n实际能源供给量，
Figure GDA0003468924790000058
为能源系统k中第n个节点的需求，
Figure GDA0003468924790000059
为能源系统k中边e上边的流量，
Figure GDA00034689247900000510
为能源系统k中的节点i和能源系统l中的节点j之间的关联关系，ηk为能源供应系统k中需求未满足的单位惩罚成本，
Figure GDA00034689247900000511
为对能源系统k中第n个节点的最大需求量，上述参数满足综合管廊和综合能源系统的地理关联约束、攻击约束、保护约束、关联关系约束以及各能源系统的运作约束。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出了一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，由于城市综合管廊作为城市综合能源系统的载体，与城市基础设施系统之间存在地理相互依赖关系，当城市管廊的被破坏时，综合能源系统也会被极大破坏，通过结合综合管廊和综合能源系统，并考虑综合管廊和综合能源系统间的地理关联，建立城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型，相比现有的管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，脆弱性评估结果准确率较高。
2、本发明所提出的一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，将博弈策略应用到城市管廊网络综合能源系统，能够准确求解出城市管廊网络综合能源系统在蓄意攻击下最优保护策略，能够帮助城市管理者在有限的成本下做出最优的保护决策，减少系统的损失。
3、本发明所提出的一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，可以在不同的攻击成本、保护成本和不同目标需求下制定出不同的攻击策略和保护策略，是一种在不同成本预算和目标需求下都普适的模型。
4、本发明所提出的一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，考虑了不同能源系统间的物理关联，对综合能源系统进行整体优化，与不考虑能源系统间的物理关联的模型相比，这种方式可实现综合能源系统整体损失的最小化。
附图说明
图1是本发明所提供的一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法流程图；
图2是本发明实施例所提供的天津市综合管廊和能源系统结构图；
图3是本发明实施例所提供的天津市综合能源系统结构图；其中，图(a)为电力系统结构图，图(b)为水利系统结构图；
图4是分别在不考虑综合管廊和能源系统的地理关联关系和考虑综合管廊和能源系统的地理关联关系的情况下，所得脆弱性评估结果随攻击成本和防御成本的变化曲线；其中，图(a)为不考虑综合管廊和能源系统的地理关联关系的情况下，所得脆弱性评估结果随攻击成本和防御成本的变化曲线，图(b)为考虑综合管廊和能源系统的地理关联关系的情况下，所得脆弱性评估结果随攻击成本和防御成本的变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，本发明提供了一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、结合综合管廊和综合能源系统以及二者的关联性，建立城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型；
具体的，包括以下步骤：
S11、实时采集综合管廊的结构信息数据、综合能源系统的结构数据和供给需求数据以及综合管廊和能源系统的耦合信息；
具体的，综合管廊的结构信息数据包括综合管廊中每个节点的位置、综合管廊中每一管廊段的起始节点和终止节点位置。综合能源系统的结构信息数据包括各能源系统中每个节点的位置以及每一条边的起始节点和终止节点位置；综合管廊和综合能源系统的耦合信息包括综合管廊和能源系统之间的位置耦合关系和综合能源系统中各能源系统之间的能源转换关系。
具体的，综合能源系统包括电力系统、天然气系统、水利系统、通讯系统。进一步地，当综合能源系统中存在电力系统时，该能源系统的节点表示发电节点和电力需求节点，能源系统中的边表示每一段电线；此时，综合能源系统的结构信息数据包括各发电节点和电力需求节点的位置，每一段电线的起始节点和终止节点位置，每一段电线的电容、电阻、电抗和电感；综合能源系统的供给需求数据包括各发电节点的发电能力和成本，各需求节点的实际电力需求量；
当综合能源系统中存在天然气系统时，该能源系统的节点表示气井、天然气需求节点和天然气存储节点，能源系统中的边表示每一段天然气管道；此时，综合能源系统的结构数据包括各气井、天然气需求节点和天然气存储节点的位置，各加压站和阀门的位置，每一段天然气管道的起始节点和终止节点位置，各气井的出气能力和成本，每一段天然气管道的容量，各加压站的加压能力，各天然气存储节点的存储能力；综合能源系统的供给需求数据包括各气井、天然气需求节点和天然气存储节点的气压，各天然气需求节点的实际天然气需求量，各天然气存储节点的实际天然气存储量；
当综合能源系统中存在水利系统时，该能源系统的节点表示各水泵、水利需求节点和水利存储节点，能源系统中的边表示每一段水管；此时，综合能源系统的结构数据包括各水泵、水利需求节点和水利存储节点的位置，各加压站和阀门的位置，每一段水管的容量及其起始节点和终止节点位置，各水泵的出水能力和成本，各水利存储节点的存储能力，每一段水管的容量，各加压站的加压能力；综合能源系统的供给需求数据包括各水泵、水利需求节点和水利存储节点的水压、各水利需求节点的实际水利需求量，各水利存储节点的实际水利存储量。
当综合能源系统中存在通讯系统时，能源系统的节点表示信息站和通讯需求点，能源系统中的边表示每一段信道；此时，综合能源系统的结构数据包括各信息站和通讯需求点的位置，各信道的起始节点和终止节点位置。
S12、基于所采集的综合管廊的结构信息数据、综合能源系统的结构数据和供给需求数据，构建综合管廊和综合能源系统的网络模型；
具体的，构建综合管廊网络为GT(NT,ET)，其中NT为管廊节点点集，ET为管廊段边集。
具体的，综合能源系统κ由一组能源系统构成，对每个能源系统k∈κ，构建综合能源系统网络为Gk(Nk,Ek)，其中，Nk为能源系统k的节点点集，Ek为能源系统k的边集。对于每个能源系统k∈κ，存在一组源节点
Figure GDA0003468924790000081
和一组需求节点
Figure GDA0003468924790000082
S13、根据综合管廊和综合能源系统的网络模型和耦合信息、实时攻击成本和保护成本，构建攻击约束和保护约束；
具体的，根据综合管廊和综合能源系统的网络模型和耦合信息确定得到攻击元件和保护元件，均包括四种类型的组件，分别对应为每个能源系统中的可破坏节点
Figure GDA0003468924790000091
未完全敷设在综合管廊中的可破坏边
Figure GDA0003468924790000092
(其中
Figure GDA0003468924790000093
为每个能源系统中的可破坏的边)、可破坏的综合管廊节点
Figure GDA0003468924790000094
以及可破坏的管廊边
Figure GDA0003468924790000095
对于以上四种组件，分别定义二进制变量
Figure GDA0003468924790000096
来表示每种类型的组件是否被保护，若被保护，则
Figure GDA0003468924790000097
取值为1，否则取值为0。分别定义二进制变量
Figure GDA0003468924790000098
来表示每种类型的组件是否被攻击，若被攻击，则
Figure GDA0003468924790000099
取值为0，否则取值为1。
具体的，为了实现攻击成本和保护成本之间的博弈，所得保护约束为：
Figure GDA00034689247900000910
其中，
Figure GDA00034689247900000911
为保护能源系统k中的节点n的成本，
Figure GDA00034689247900000912
为能源系统k中的可破坏节点的被保护状态，
Figure GDA00034689247900000913
为保护能源系统k中的未完全敷设于管廊中的边e成本，
Figure GDA00034689247900000914
为能源系统k中未完全敷设在综合管廊中的可破坏边e的被保护状态，
Figure GDA00034689247900000915
为保护可破坏的综合管廊节点n'的成本，
Figure GDA00034689247900000916
为可破坏的综合管廊节点n'的被保护状态，
Figure GDA00034689247900000917
为保护可破坏的管廊边e'的成本，
Figure GDA00034689247900000918
为可破坏的管廊边e'的被保护状态，BD为总保护成本，其中，被保护状态w∈{0,1}，
Figure GDA00034689247900000919
当w取值为1时，表示被保护状态，当w取值为0时，表示未被保护状态。
所得攻击约束为：
Figure GDA00034689247900000920
其中，
Figure GDA00034689247900000921
为攻击能源系统k中的节点n的成本，
Figure GDA00034689247900000922
为能源系统k中的可破坏节点的被攻击状态，
Figure GDA00034689247900000923
为攻击能源系统k中的未完全敷设于管廊中的边e成本，
Figure GDA0003468924790000101
为能源系统k中未完全敷设在综合管廊中的可破坏边e的被攻击状态，
Figure GDA0003468924790000102
为攻击可破坏的综合管廊节点n'的成本，
Figure GDA0003468924790000103
为可破坏的综合管廊节点n'的被攻击状态，
Figure GDA0003468924790000104
为攻击可破坏的管廊边e'的成本，
Figure GDA0003468924790000105
为可破坏的管廊边e'的被攻击状态，BA为总攻击成本，其中，被攻击状态y∈{0,1}，
Figure GDA0003468924790000106
当y取值为0时，表示被攻击状态，当y取值为1时，表示未被攻击状态。另外
Figure GDA0003468924790000107
S14、根据综合管廊和综合能源系统的网络模型和耦合信息，确定综合管廊和综合能源系统的地理关联约束；
具体的，综合管廊和综合能源系统的地理关联表示为
Figure GDA0003468924790000108
对于每个能源系统k∈κ，若能源系统k中的边e经过了综合管廊的节点n'，则
Figure GDA0003468924790000109
的值为1，否则就为0；若能源系统k中的边e有一部分敷设在综合管廊的边e'中，则
Figure GDA00034689247900001010
的值为1，否则就为0。由于在实际案例中，存在能源系统中的某些边的一部分铺设于综合管廊中，一部分位于综合管廊之外的情况，如果敷设在综合管廊内部的这部分边得到了保护，而管廊外部的部分边未被保护，则这个保护是无用的，这条边仍然可能被损坏且和未保护的情况具有相同的风险等级。为了解决这个问题，需要为能源系统k定义一个向量
Figure GDA00034689247900001011
若能源系统k中的边e没有完全敷设在综合管廊的边e'内，则
Figure GDA00034689247900001012
的值为1，否则为0。
具体的，对于能源系统的边，其故障状态取决于该边通过的所有综合管廊节点或边的故障状态以及未完全敷设在综合管廊中的能源系统的边的故障状态。如果此管廊节点或边或未完全敷设在综合管廊中的能源系统的边受到攻击且未被保护，则所有与其相关的能源系统的边都将被破坏。例如，对于能源系统k中的边e，当与其关联的任一管廊节点被攻击且未被保护时，能源系统k中的边e处于被攻击状态，即
Figure GDA00034689247900001013
综上，能源系统的边的故障状态由该边经过的管廊节点、与该边完全耦合的管廊边和未完全敷设在综合管廊中的能源系统的边的故障状态共同决定。故综合管廊和综合能源系统的地理关联约束为：
Figure GDA0003468924790000111
Figure GDA0003468924790000112
其中，
Figure GDA0003468924790000113
为能源系统k中的边e的故障状态，
Figure GDA0003468924790000114
为与能源系统k中的边e存在耦合关系的综合管廊节点n的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000115
为与能源系统k中的边e存在耦合关系的综合管廊节点n的被攻击状态，
Figure GDA0003468924790000116
为与能源系统k中的边e完全耦合的综合管廊的边e'的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000117
为与能源系统k中的边e完全耦合的综合管廊的边e'的被攻击状态，
Figure GDA0003468924790000118
为与综合管廊的边e'部分耦合的能源系统k中的边e的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000119
为与综合管廊的边e'部分耦合的能源系统k中的边e的被攻击状态，其中，
Figure GDA00034689247900001110
取值为1表示被保护，取值为0表示未被保护，
Figure GDA00034689247900001111
取值为0表示被攻击，取值为1表示未被攻击。
S15、根据所得综合能源系统的网络结构，确定综合能源系统中各能源系统的运作模型，构建各能源系统的运作约束；
具体的，综合能源系统中各能源系统的运作模型均选择网络流模型，该模型的核心思想是，能源系统中每个节点都要满足流量守恒。具体的，综合能源系统中各能源系统的运作需满足以下约束：
(1)每个节点的流量守恒，表示如下：
Figure GDA00034689247900001112
其中，
Figure GDA00034689247900001113
为实际能源供给量，dk(e)为能源系统k中边e的终点节点，fe k表示能源供应系统k中边e上的流量，ok(e)为能源系统k中边e的起点节点，
Figure GDA0003468924790000121
为实际需求满足量。
(2)每个边的流量需在该边的最大流量范围内，表示如下：
Figure GDA0003468924790000122
其中，fe k为能源系统k中边e上边的流量，
Figure GDA0003468924790000123
表示能源系统k中边e上的容量，
Figure GDA0003468924790000124
为能源系统k中边e的故障状态，
Figure GDA0003468924790000125
为能源系统k中边e的起点节点的故障状态，
Figure GDA0003468924790000126
为能源系统k中边e的终点节点的故障状态，ok(e)为能源系统k中边e的起点节点，dk(e)为能源系统k中边e的终点节点。
(3)每个节点的能量供应量需在该节点的最大能源供应量范围内，表示为：
Figure GDA0003468924790000127
其中，
Figure GDA0003468924790000128
为能源系统k中节点n实际能源供给量，
Figure GDA0003468924790000129
能源系统k中节点n的能源的最大供应量(如：发电站的最大发电功率、气井的最大出气功率等)，
Figure GDA00034689247900001210
为能源系统k中节点n的被攻击状态。
(4)用户的需求满足量不能超过每个负载节点的所需需求量，表示为：
Figure GDA00034689247900001211
其中，
Figure GDA00034689247900001212
为能源供应系统k中节点n实际能源需求满足量，
Figure GDA00034689247900001213
为对能源系统k中节点n的能源最大需求量，
Figure GDA00034689247900001214
为能源系统k中节点n的故障状态。
S16、根据所得综合能源系统的网络结构，以及综合能源系统中各能源系统的运作模型，构建综合能源系统中各能源系统间的关联关系约束；
具体的，对于每个节点对
Figure GDA00034689247900001215
节点i的需求为零还是完全需求取决于它们的关联关系是否可以正常运作。表示如下：
Figure GDA00034689247900001216
其中，
Figure GDA00034689247900001217
为能源系统k中第i个节点的需求，
Figure GDA00034689247900001218
为能源系统k中的节点i和能源系统l中的节点j之间的关联关系，若取值为1，则表示从能源系统k中的节点i到能源系统l中的节点j的物理关联可以正常工作，若取值为0，则表示从能源系统k中的节点i到能源系统l中的节点j的物理关联不能正常工作，
Figure GDA0003468924790000131
为对节点i的能源最大需求量，
Figure GDA0003468924790000132
表示能源系统k中的节点i和能源系统l中的节点j形成的物理关联节点对的集合。
此外，对于节点对中的每个节点j，根据其类型，应有不同的约束。
如果节点j是源节点，则其输出能量受零或最大输出量的限制，需满足如下条件：
Figure GDA0003468924790000133
其中，
Figure GDA0003468924790000134
为能源系统l中节点j实际能源供给量，
Figure GDA0003468924790000135
为能源系统k中的节点i和能源系统l中的节点j之间的关联关系，
Figure GDA0003468924790000136
能源系统l中节点j的能源的最大供应量。
如果节点j是需求节点，其需求水平由零或实际需求限制，需满足如下条件：
Figure GDA0003468924790000137
其中，
Figure GDA0003468924790000138
为能源系统l中第j个节点的需求，
Figure GDA0003468924790000139
为能源系统k中的节点i和能源系统l中的节点j之间的关联关系，
Figure GDA00034689247900001310
为对能源系统l中的节点i的能源最大需求量。
如果节点j损坏，其所有连接的边都将损坏，并且这些边上的流量也应该为零，如下所示：
Figure GDA00034689247900001311
其中，fe l为能源系统l中边e上边的流量，
Figure GDA00034689247900001312
为能源系统k中的节点i和能源系统l中的节点j之间的关联关系，
Figure GDA00034689247900001313
为能源系统l中边e上边的容量，这里的边e的终点节点为j。
另外，对于具有物理关联的节点对
Figure GDA00034689247900001314
如果需求节点j被损坏，则节点i的实际需求应降为零。在这种情况下，关联关系不能正常工作，物理关联变量
Figure GDA0003468924790000141
变为零，即节点对
Figure GDA0003468924790000142
的物理关联关系由需求节点j的故障状态决定，表示如下：
Figure GDA0003468924790000143
其中，
Figure GDA0003468924790000144
为能源系统k中的节点i和能源系统l中的节点j之间的关联关系，
Figure GDA0003468924790000145
为需求节点j的故障状态。
S17、根据系统管理者的目标需求，并结合所得综合管廊和综合能源系统的地理关联约束、攻击约束、保护约束、关联关系约束以及各能源系统的运作约束，构建城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型。
具体的，城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型为：
Figure GDA0003468924790000146
Figure GDA0003468924790000147
其中，vulnerability为城市管廊综合能源系统的脆弱性评估结果，
Figure GDA0003468924790000148
为能源系统k中的节点n的被保护状态，
Figure GDA0003468924790000149
为与综合管廊的边e'部分耦合的能源系统k中的边e的被保护状态，
Figure GDA00034689247900001410
为综合管廊的中的节点n'的被保护状态，
Figure GDA00034689247900001411
为综合管廊的中的节点e'的被保护状态，
Figure GDA00034689247900001412
为能源系统k中节点n实际能源供给量，
Figure GDA00034689247900001413
为能源系统k中第n个节点的需求，fe k为能源系统k中边e上边的流量，
Figure GDA00034689247900001414
为能源系统k中的节点i和能源系统l中的节点j之间的关联关系，ηk为能源供应系统k中需求未满足的单位惩罚成本，
Figure GDA00034689247900001415
为对能源系统k中第n个节点的最大需求量，上述参数满足所得综合管廊和综合能源系统的地理关联约束、攻击约束、保护约束、关联关系约束以及各能源系统的运作约束。
具体的，此模型是一个三阶防御者-攻击者-防御者模型，引入虚拟的攻击者和防御者的概念。其中，攻击者试图在一定攻击成本内采取最有效的攻击策略来破坏系统，而防御者则通过采取事前防御策略(保护关键元件)或在事后通过寻求最优的系统运作策略来最小化攻击者的破坏所带来的弹性损失。在模型的第一阶段，防御者选择防御策略，而后第二阶段中，攻击者在了解了第一阶段防御者的防御策略后选择自己的攻击策略，最后，防御者在清楚了前期的防御策略和攻击策略后，调整综合能源供应系统的运作模式，来使得系统损失V最小化。另外，当系统管理者的目标需求不同，能源供应系统k中需求未满足的单位惩罚成本ηk不同，
S2、实时采集综合能源系统的中各能源需求节点的实际能源需求量、攻击成本和保护成本，输入到城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型中，得到城市管廊综合能源系统的脆弱性评估结果。
为了更清楚的说明本发明所提出的城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，下面结合实施例进行详述：
以天津市生态城内部管廊综合能源系统为例进行说明，如图2所示为天津市综合管廊和综合能源系统结构图，其中综合能源系统包含两种能源系统，电力系统和水利系统，其系统结构图分别如图3中的图(a)和图(b)所示。
构建城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型如下：
Figure GDA0003468924790000151
Figure GDA0003468924790000152
保护约束：
Figure GDA0003468924790000153
Figure GDA0003468924790000154
Figure GDA0003468924790000155
攻击约束：
Figure GDA0003468924790000161
Figure GDA0003468924790000162
Figure GDA0003468924790000163
Figure GDA0003468924790000164
Figure GDA0003468924790000165
地理约束：
Figure GDA0003468924790000166
Figure GDA0003468924790000167
运作约束：
Figure GDA0003468924790000168
Figure GDA0003468924790000169
Figure GDA00034689247900001610
Figure GDA00034689247900001611
关联关系约束：
Figure GDA00034689247900001612
Figure GDA00034689247900001613
Figure GDA00034689247900001614
Figure GDA00034689247900001615
Figure GDA00034689247900001616
上述中各参数的物理含义同上所述，不做赘述。
分别在不考虑综合管廊和能源系统的地理关联关系和考虑综合管廊和能源系统的地理关联关系的情况下对城市管廊综合能源系统进行脆弱性评估，所得脆弱性评估结果随攻击成本和防御成本的变化曲线如图4所示，其中，图(a)为不考虑综合管廊和能源系统的地理关联关系的情况下，所得脆弱性评估结果随攻击成本和防御成本的变化曲线，图(b)为考虑综合管廊和能源系统的地理关联关系的情况下所得脆弱性评估结果随攻击成本和防御成本的变化曲线。其中，横坐标代表攻击成本(分别表示为1，2，3，4，5，6)，不同曲线代表不同的防御成本(分别表示为0，1，2，5，9)，纵坐标代表在相应的攻击成本和防御成本下求解模型所得脆弱性的值。对比两图可以看出，当考虑综合管廊结构带来的地理关联时，综合能源系统的脆弱性要明显大于不考虑此地理关联的情况，这说明了综合管廊的构建增加了城市基础设施系统之间的地理相互依赖性，使得城市综合能源系统在攻击下更加损失更大，这也说明了此模型在求解管廊综合能源系统脆弱性的准确性要比以往的模型提高了很多。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、结合综合管廊和综合能源系统以及二者的关联性，建立城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型；
S2、实时采集综合能源系统的中各能源需求节点的实际能源需求量、攻击成本和保护成本，输入到城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型中，得到城市管廊综合能源系统的脆弱性评估结果；
其中，步骤S1所述的方法包括以下步骤：
S11、实时采集综合管廊的结构信息数据、综合能源系统的结构数据和供给需求数据以及综合管廊和综合能源系统的耦合信息；
所述综合管廊的结构信息数据包括综合管廊中每个节点的位置、综合管廊中每一管廊段的起始节点和终止节点位置；所述综合能源系统的结构数据包括各能源系统中每个节点的位置以及每一条边的起始节点和终止节点位置；所述综合管廊和综合能源系统的耦合信息包括综合管廊和能源系统之间的位置耦合关系、以及综合能源系统中各能源系统之间的能源转换关系；
S12、基于所采集的综合管廊的结构信息数据、综合能源系统的结构数据和供给需求数据，构建综合管廊和综合能源系统的网络模型；
S13、根据综合管廊和综合能源系统的网络模型和耦合信息、实时攻击成本和保护成本，构建攻击约束和保护约束；
S14、根据综合管廊和综合能源系统的网络模型和耦合信息，确定综合管廊和综合能源系统的地理关联约束；
S15、根据所得综合能源系统的网络结构，确定综合能源系统中各能源系统的运作模型，构建各能源系统的运作约束；所述运作约束为：
Figure FDA0003514707440000021
Figure FDA0003514707440000022
Figure FDA0003514707440000023
Figure FDA0003514707440000024
其中，
Figure FDA0003514707440000025
为能源系统k中节点n实际能源供给量，dk(e)为能源系统k中边e的终点节点，
Figure FDA0003514707440000026
为能源系统k中边e上边的流量，ok(e)为能源系统k中边e的起点节点，
Figure FDA0003514707440000027
为能源系统k中第n个节点的需求，Nk为能源系统k的节点点集，κ为由一组能源系统构成的综合能源系统；
Figure FDA0003514707440000028
表示能源系统k中边e上的容量，
Figure FDA0003514707440000029
为能源系统k中边e的故障状态，
Figure FDA00035147074400000210
为能源系统k中边e的起点节点的故障状态，
Figure FDA00035147074400000211
为能源系统k中边e的终点节点的故障状态，ok(e)为能源系统k中边e的起点节点，dk(e)为能源系统k中边e的终点节点，Ek为能源系统k的边集；
Figure FDA00035147074400000212
为能源系统k中节点n的被攻击状态，
Figure FDA00035147074400000213
能源系统k中节点n的能源的最大供应量，NS,k为一组源节点；
Figure FDA00035147074400000214
为对能源系统k中节点n的能源最大需求量，ND,k为一组需求节点；
S16、根据所得综合能源系统的网络结构，以及综合能源系统中各能源系统的运作模型，构建综合能源系统中各能源系统间的关联关系约束；
S17、根据系统管理者的目标需求，并结合所得综合管廊和综合能源系统的地理关联约束、攻击约束、保护约束、关联关系约束以及各能源系统的运作约束，构建城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型。
2.根据权利要求1所述的城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，其特征在于，所述综合能源系统包括电力系统、天然气系统、水利系统和通讯系统。
3.根据权利要求2所述的城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，其特征在于，当综合能源系统中存在电力系统时，该能源系统的节点表示发电节点和电力需求节点，能源系统中的边表示每一段电线；此时，综合能源系统的结构信息数据包括各发电节点和电力需求节点的位置，每一段电线的起始节点和终止节点位置，每一段电线的电容、电阻、电抗和电感；综合能源系统的供给需求数据包括各发电节点的发电能力和成本，各需求节点的实际电力需求量；
当综合能源系统中存在天然气系统时，该能源系统的节点表示气井、天然气需求节点和天然气存储节点，能源系统中的边表示每一段天然气管道；此时，综合能源系统的结构数据包括各气井、天然气需求节点和天然气存储节点的位置，各加压站和阀门的位置，每一段天然气管道的起始节点和终止节点位置，各气井的出气能力和成本，每一段天然气管道的容量，各加压站的加压能力，各天然气存储节点的存储能力；综合能源系统的供给需求数据包括各气井、天然气需求节点和天然气存储节点的气压，各天然气需求节点的实际天然气需求量，各天然气存储节点的实际天然气存储量；
当综合能源系统中存在水利系统时，该能源系统的节点表示各水泵、水利需求节点和水利存储节点，能源系统中的边表示每一段水管；此时，综合能源系统的结构数据包括各水泵、水利需求节点和水利存储节点的位置，各加压站和阀门的位置，每一段水管的容量及其起始节点和终止节点位置，各水泵的出水能力和成本，各水利存储节点的存储能力，每一段水管的容量，各加压站的加压能力；综合能源系统的供给需求数据包括各水泵、水利需求节点和水利存储节点的水压、各水利需求节点的实际水利需求量，各水利存储节点的实际水利存储量；
当综合能源系统中存在通讯系统时，能源系统的节点表示信息站和通讯需求点，能源系统中的边表示每一段信道；此时，综合能源系统的结构数据包括各信息站和通讯需求点的位置，各信道的起始节点和终止节点位置。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，其特征在于，所述综合管廊和综合能源系统的地理关联约束为：
Figure FDA0003514707440000041
Figure FDA0003514707440000042
其中，
Figure FDA0003514707440000043
为能源系统k中的边e的故障状态，
Figure FDA0003514707440000044
为与能源系统k中的边e存在耦合关系的综合管廊节点n的被保护状态，
Figure FDA0003514707440000045
为与能源系统k中的边e存在耦合关系的综合管廊节点n的被攻击状态，
Figure FDA0003514707440000046
为与能源系统k中的边e完全耦合的综合管廊的边e'的被保护状态，
Figure FDA0003514707440000047
为与能源系统k中的边e完全耦合的综合管廊的边e'的被攻击状态，
Figure FDA0003514707440000048
为与综合管廊的边e'部分耦合的能源系统k中的边e的被保护状态，
Figure FDA0003514707440000049
为与综合管廊的边e'部分耦合的能源系统k中的边e的被攻击状态，其中，
Figure FDA00035147074400000410
取值为1表示被保护，取值为0表示未被保护，
Figure FDA00035147074400000411
取值为0表示被攻击，取值为1表示未被攻击。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的城市管廊综合能源系统的脆弱性评估方法，其特征在于，所述城市管廊综合能源系统的脆弱性评估模型为：
Figure FDA00035147074400000412
Figure FDA00035147074400000413
其中，vulnerability为城市管廊综合能源系统的脆弱性评估结果，
Figure FDA00035147074400000414
为能源系统k中的节点n的被保护状态，
Figure FDA00035147074400000415
为与综合管廊的边e'部分耦合的能源系统k中的边e的被保护状态，
Figure FDA00035147074400000416
为综合管廊的中的节点n'的被保护状态，
Figure FDA00035147074400000417
为综合管廊的中的节点e'的被保护状态，
Figure FDA00035147074400000418
为能源系统k中的可破坏节点的被攻击状态，
Figure FDA0003514707440000051
为能源系统k中未完全敷设在综合管廊中的可破坏边e的被攻击状态，
Figure FDA0003514707440000052
为可破坏的综合管廊节点n'的被攻击状态，
Figure FDA0003514707440000053
为可破坏的管廊边e'的被攻击状态，
Figure FDA0003514707440000054
为能源系统k中节点n实际能源供给量，
Figure FDA0003514707440000055
为能源系统k中第n个节点的需求，
Figure FDA0003514707440000056
为能源系统k中边e上边的流量，
Figure FDA0003514707440000057
为能源系统k中的节点i和能源系统l中的节点j之间的关联关系，ηk为能源供应系统k中需求未满足的单位惩罚成本，
Figure FDA0003514707440000058
为对能源系统k中第n个节点的最大需求量，上述参数满足综合管廊和综合能源系统的地理关联约束、攻击约束、保护约束、关联关系约束以及各能源系统的运作约束。
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