针对台风侵袭的配电能源系统的两阶段防御框架：整合城市微气候中的风-雨-地形耦合故障影响

《Renewable Energy》：Two-stage defending framework for typhoon-resilient distribution energy systems: Integrating wind-rain-terrain cascading failures in urban microclimates

本文针对热带气旋中配电网韧性提升问题，提出融合微地形影响的风雨耦合场景生成方法，并构建两阶段随机规划模型优化应急电源配置与网络重构策略，通过案例研究验证了方法的有效性。

　　
随着全球极端气候事件的频发，城市电力系统的抗灾韧性成为研究热点。2023年数据显示，仅中国就因气象灾害造成直接经济损失达3306亿元，其中台风导致的配电网故障占比较高。传统研究多采用单一灾害因子模型，如仅考虑风速影响或降雨淹没效应，这种简化处理无法准确反映台风灾害中风-雨-地形耦合作用对配电网的多维度冲击。本文针对这一关键缺陷，构建了融合地形效应的风雨耦合分析框架，并提出了配套的韧性提升优化策略，为城市防灾规划提供了新的方法论支撑。

研究首先突破传统气象模型的地形处理局限。针对东南沿海典型城市地形特征，创新性地开发出微地形修正算法。该算法通过分析地形梯度与风速变化的关联性，在Holland风场模型基础上引入垂直剖面分析技术，对山脊、峡谷等特殊地貌进行风场重构。经对比验证，修正后的风速数据能更精准预测台风过境时城市内部的风速突变现象，尤其在背风坡区域，修正后的风速值较传统模型提升达40%-60%，这与CFD模拟结果基本吻合。

在灾害耦合机理研究方面，构建了风-雨-地形协同作用模型。基于修正的风场数据，采用动力传递模型（TCR）量化地形抬升对降水分布的影响。该模型创新性地将风速的矢量特性引入降水生成机制，发现风速方向与地形坡向的夹角越小，地形抬升效应越显著，导致局部降雨强度超常规值达3-5倍。同时开发了二维水动力模型，通过耦合圣维南方程与浅水方程，实现了地表径流与地下管网的动态交互模拟。特别在河网密布区域，模型能准确预测淹没深度随时间的变化规律，这对确定电力设备防护等级具有重要参考价值。

针对配电网韧性提升，提出两阶段混合整数规划模型。第一阶段聚焦应急电源（EPS）的预配置优化，建立包含地形敏感系数的设备选址模型。研究发现，在微地形变化梯度超过15%的区域，传统设备选址误差率高达32%，而引入地形修正后误差可降至8%以下。第二阶段开发网络重构动态算法，采用改进的DD-B&B混合求解框架，通过建立多目标优化函数平衡设备投资与灾害损失。仿真结果显示，该框架在台风过境的72小时关键窗口期，可使配电网恢复效率提升至传统方法的2.3倍。

案例研究选取东南沿海某典型城市，该区域兼具山地、丘陵和平原地形，历史最大台风损失达1.2亿元。基于30米分辨率ASTER地形数据和2010-2023年台风路径数据，构建了包含187个典型地形的数字孪生模型。数值模拟表明，考虑地形修正后，配电网故障模式发生根本转变：传统模型预测的47%故障集中在主干线路，而新模型显示63%的故障源自微地形变化引发的局部过载。通过部署分布式应急电源和动态网络重构，成功将最大停电时长从8.2小时压缩至3.5小时，同时将设备投资成本降低21%。

该研究对防灾规划具有三重突破意义：首先，建立了台风灾害的完整时空演化模型，将风速、降雨、地形三大要素的耦合作用纳入统一分析框架。其次，开发的两阶段优化模型实现了从静态配置到动态响应的闭环管理，特别是在台风路径不确定性处理方面，采用基于贝叶斯更新的场景生成技术，使规划方案对实际灾害的适应度提升58%。最后，提出的"韧性增强指数"（REI）评价体系，从设备可靠性、网络鲁棒性、资源响应速度三个维度量化系统韧性，为多部门协同防灾提供了可操作的评估标准。

实践应用方面，研究团队已与南方电网合作开展工程验证。在某沿海城市电网改造中，基于本文提出的修正模型优化了12个关键节点的EPS布局，并设计出可随淹没深度自动调整的模块化变压器。在2024年"梅花"台风实际过境中，该配置方案成功保障了受灾最严重区域的72小时不间断供电，较传统应急预案减少经济损失4300万元。研究建议将地形敏感系数纳入国家电网防灾规划标准，并开发配套的数字化管理平台，实现台风预警信息与电网拓扑结构的实时交互分析。

未来研究可进一步探索以下方向：在模型层面，考虑海陆风环流对城市下垫面风场的长期影响；在应用层面，开发基于数字孪生的智能决策系统，实现台风路径预测与电网韧性提升的动态耦合优化。这些深化研究将为构建城市韧性电网提供更完善的解决方案。