一种考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法与流程

1.本发明属于灾害评估技术领域，特别涉及一种考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法。


背景技术：

2.近年来，全球气候变化导致极端天气频发，城市建设打破了原有的水循环平衡，城市化尤其使对流层气象活动增加，由地形、地势和地理景观的地方性差异所形成的一种局部地区的特殊气候，引起局部区域降水量增多，而局部气候存在不确定性，城市暴雨内涝愈发明显，并造成了不同程度的损害。暴雨内涝易受微地形影响，从而具有局部性、持续性的特点，随着城市发展，城区配电设备越来越多，且配电设施选址灵活性受限，因此暴雨淹没配电设备从而引起的电网安全事故越来越多。目前，电网公司关于防备暴雨内涝对配电设备的影响研究较少，大部分研究集中在强风和暴雨的组合以及暴雨引发的次生灾害(如山体滑坡、崩塌、泥石流等)，实际上，气候变化已经明显改变了气候模式，暴雨自身造成的淹水即可对配电设备造成重大危害。但出现水淹时常常容易对配电设备造成损坏，同时在积水持续上涨的过程中会将配电设备淹没，对配电设备造成泡水与损坏，因此建立一种考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法具有现实意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，通过雨涝淹没模拟，对风险区域分级，为配电设备防涝以及新建配电设备规划提供重要数据支持，降低暴雨内涝对配电设备的灾害影响。
4.为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
5.考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，包括以下步骤：
6.s1：根据当地多年历史气象观测数据，建立极值分布模型，采用极值分布模型计算确定10～50年一遇极值降雨量；
7.s2：收集研究区地理信息数据，并对地理数据进行填洼、转换等处理；
8.s3：按照10～50年一遇极值降雨量，结合研究区的dem电子高程数据，采用二维水动力模型进行雨涝淹没模拟，并在电子地图上绘制各区域淹没深度；
9.s4：根据配电设备的性质，结合gis软件和城市电子街道图，进行区域风险分级。
10.优选的，上述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法中，所述步骤s1中，在所用历史降水数据观测时间序列大于25年时，采用年极值并基于广义极值分布模型或其中的i型、ii型或iii型进行10～50年一遇极值降雨量估计。
11.优选的，上述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法中，所述步骤s2中，地理信息数据包括高程数据、土地覆盖数据、地表糙率和地表径流系数。
12.优选的，上述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法中，所述步骤s3中，dem电子高程数据为精度12.5米以下的地理高程数据，电子地图为城市街道图。
13.优选的，上述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法中，所述步骤s3中，二维水动力模型为floodarea。模拟方法为将上述处理好的降雨数据以及地理数据输入到floodarea模型中，设置好计算时间和步长以及输出参数，启动模型中的暴雨仿真选项进行降雨淹没模拟。
14.优选的，上述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法中，所述步骤s4中，淹没深度由单元之间的最低水位和最高地形高程的差决定，对每个单元的每个时刻淹没的范围和积水深度，以栅格形式呈现和存储。
15.优选的，上述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法中，所述步骤s4中，将淹没深度在0.3米以下的区域设置为安全区；将淹没深度在0.3～0.7米的区域评为二类风险区；将淹没深度在0.7以上的区域评为一类风险区，得到风险区域划分图，并将风险区域划分图与电子街道图结合，根据淹没深度对一般配电设备的影响程度划分不同地区的淹没风险等级，给出不同风险的具体淹没深度。
16.优选的，上述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法中，所述步骤s4中，采用gis软件将安全区设置为无颜色，二类风险区设置为紫色，一类风险区设置为黑色，得到风险区域划分图，并将风险区域划分图与电子街道图结合，即可清晰的判断不同地区处于何类风险区。
17.优选的，上述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法中，所述配电设备为环网柜。环网柜是一组高压开关设备装在钢板金属柜体内或做成拼装间隔式环网供电单元的电气设备，其核心部分采用负荷开关和熔断器，具有结构简单、体积小、价格低、可提高供电参数和性能以及供电安全等优点。但出现水淹时常常容易对环网柜造成损坏，同时在积水持续上涨的过程中会将环网柜被淹没，对环网柜造成泡水与损坏，如果积水淹没环网柜本体过半，环网柜大概率将因为积水而停运。
18.优选的，上述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法中，所述步骤s3中，具体的模拟演进以栅格为单位，利用曼宁公式计算每个栅格单元与周围8个单元之间的流入水量，其计算公式为：
[0019][0020]
式中：v表示水量，k
st
为地表粗糙情况对水流影响的系数，r
hy
为水力半径，i为地形坡度。
[0021]
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0022]
本发明通过建立城市极值降雨模型，综合考虑城市地理信息对暴雨内涝的影响以及配电系统自身性质，对配电系统雨涝淹没风险区域进行分级分析研究，有利于提升电网公司的灾害管理水平，为配电设备防涝以及新建配电设备规划提供重要数据支持，最大程度降低暴雨内涝对配电系统的灾害影响。
附图说明
[0023]
图1为本发明一种考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法方法的流程图；
[0024]
图2为本发明二维水动力模型floodarea汇流计算原理示意图；
[0025]
图3为南宁日降雨年极值时序图；
[0026]
图4为站点数据分布形态图；
[0027]
图5为本发明的实施例1极值分布参数估计结果图；
[0028]
图6为本发明实施例1南宁城区10年一遇降雨情景下环网柜淹没模拟风险示例图；
[0029]
图7为本发明实施例1南宁城区20年一遇降雨情景下环网柜淹没模拟风险示例图；
[0030]
图8为本发明实施例1南宁城区50年一遇降雨情景下环网柜淹没模拟风险示例图。
具体实施方式
[0031]
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0032]
一种考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，参阅图1，包括如下步骤：
[0033]
s1：根据当地多年历史气象观测数据，建立极值分布模型，采用极值分布模型计算确定10～50年一遇极值降雨量，在所用历史降水数据观测时间序列大于25年时，采用年极值并基于广义极值分布模型或其中的i型、ii型或iii型进行10～50年一遇极值降雨量估计。
[0034]
s2：收集研究区地理信息数据，包括高程数据、土地覆盖数据、地表糙率和地表径流系数，并对地理数据进行填洼、转换等处理。
[0035]
s3：按照10～50年一遇极值降雨量，结合研究区的精度12.5米的dem电子高程数据，采用二维水动力模型floodarea进行雨涝淹没模拟，将上述处理好的降雨数据以及地理数据输入到floodarea模型中，设置好计算时间和步长以及输出参数，启动模型中的暴雨仿真选项进行降雨淹没模拟，淹没深度由单元之间的最低水位和最高地形高程的差决定，对每个单元的每个时刻淹没的范围和积水深度，以栅格形式呈现和存储。其中，具体的模拟演进以栅格为单位，利用曼宁公式计算每个栅格单元与周围8个单元之间的流入水量，其计算公式为：
[0036][0037]
式中：v表示水量，k
st
为地表粗糙情况对水流影响的系数，r
hy
为水力半径，i为地形坡度。
[0038]
s4：根据配电设备的性质，结合gis软件和城市电子街道图，进行区域风险分级。将淹没深度在0.3米以下的区域设置为安全区，将淹没深度在0.3～0.7米的区域评为二类风险区，将淹没深度在0.7米以上的区域评级为一类风险区。采用gis软件将安全区设置为无颜色，二类风险区设置为紫色，一类风险区设置为黑色，得到风险区域划分图，并将风险区域划分图与电子街道图结合，即可清晰的判断不同地区处于何类风险区。
[0039]
案例
[0040]
配电设备以环网柜为例，站点为南宁城区。
[0041]
步骤s1、极值降雨计算过程：
[0042]
广义极值分布(generalized extreme value distribution，gev)。由fisher-tippet定理可知，对于常数σn》0及μn，有：
[0043][0044]
其中，g(x)为标准化后的不退化分布函数，且一定是gev分布族中的一个。假设x1，x2，
…
xn为一组独立同分布的变量，则gev分布模型如下：
[0045][0046]
其中，μ，σ和ε分别为模型的位置参数，尺度参数和形状参数，且位置参数μ和形状参数ε满足：-∞＜μ＜+∞,-∞＜ε＜+∞。gev分布模型根据形状参数ε的取值分为极值i、ii、和iii型。
[0047]
gev分布中，通常采取年极值法选择每年最大/最小值作为极值样本，然后利用极大似然估计法计算所得极值样本的分布参数。假设x1，x2，
…
xn为一组独立同分布的极值样本数据且服从gev分布模型，则这组极值样本数据对应的对数似然函数如下(ε≠0)：
[0048][0049]
令
[0050]
可得μ、σ和ε各自的参数估计值。当ε≠0时，gev分布模型服从极值i型分布，其对数似然函数可用式(8)描述：
[0051][0052]
同样的利用极大似然估计法可得到ε＝0时参数μ和σ的估计值，从而可获得相对应模型分布参数。gev分布模型中，t年一遇表示发生概率为1/t的重现水平，极值降水95％置信区间为其中极值降水的重现水平x
p
和标准误差var(x
p
)计算公式分别如式(6)、(7)所示。
[0053][0054]
[0055]
其中，
μ
为位置参数，ε为形状参数，σ为尺度参数，是是在点(f(u)，σ，ε)处的值，f(u)为阈值u的经验分布函数。
[0056]
以南宁城区的站点为例，该站点数据集记录了从1951年开始至今的每日降水数据，提取每年最大降水量结果见图3；采用gev模型对数据进行分布估计，所得分布形态见图3；极值分布对应的参数估计结果见图3；最终可以计算得出不同重现期下的降雨量如表一所示：
[0057]
表1 gev不同重现期降雨计算
[0058]
重现期95％下界(mm)估计值(mm)95％上界(mm)10132.97150.71168.4520146.79173.14199.4850161.06203.91246.76100168.79228.34287.89
[0059]
步骤s2：收集研究区地理信息数据，包括高程数据、土地覆盖数据、地表糙率和地表径流系数，并对地理数据进行填洼、转换等处理。
[0060]
步骤s3：按照10、20、50年一遇极值降雨量，结合研究区的精度12.5米的dem电子高程数据，采用二维水动力模型floodarea进行雨涝淹没模拟，将上述处理好的降雨数据以及地理数据输入到floodarea模型中，设置好计算时间和步长以及输出参数，启动模型中的暴雨仿真选项进行降雨淹没模拟，淹没深度由单元之间的最低水位和最高地形高程的差决定，对每个单元的每个时刻淹没的范围和积水深度，以栅格形式呈现和存储。其中，具体的模拟演进以栅格为单位，利用曼宁公式计算每个栅格单元与周围8个单元之间的流入水量，其计算公式为：
[0061][0062]
式中：v表示水量，k
st
为地表粗糙情况对水流影响的系数，r
hy
为水力半径，i为地形坡度。
[0063]
步骤s4：根据配电设备的性质，结合gis软件和城市电子街道图，进行区域风险分级。将淹没深度在0.3米以下的区域设置为安全区，将淹没深度在淹没深度在0.3～0.7米的区域评为二类风险区，将淹没深度在0.7米以上的区域评级为一类风险区。采用gis软件将安全区设置为无颜色，二类风险区设置为紫色，一类风险区设置为黑色，得到风险区域划分图，并将风险区域划分图与电子街道图结合，即可清晰的判断不同地区处于何类风险区。
[0064]
本发明实施例下的站点淹没模拟图示例：南宁城区10年一遇、20年一遇与50年一遇降雨情况下环网柜的淹没风险图，如图6、7、8。
[0065]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

技术特征：
1.一种考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：根据当地多年历史气象观测数据，建立极值分布模型，采用极值分布模型计算确定10～50年一遇极值降雨量；s2：收集研究区地理信息数据，并对地理数据进行填洼、转换等处理；s3：按照10～50年一遇极值降雨量，结合研究区的dem电子高程数据，采用二维水动力模型进行雨涝淹没模拟，并在电子地图上绘制各区域淹没深度；s4：根据配电设备的性质，结合gis软件和城市电子街道图，进行区域风险分级。2.根据权利要求1所述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，其特征在于，在所用历史降水数据观测时间序列大于25年时，采用年极值并基于广义极值分布模型或其中的i型、ii型或iii型进行10～50年一遇极值降雨量估计。3.根据权利要求1所述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，其特征在于，所述步骤s2中，地理信息数据包括高程数据、土地覆盖数据、地表糙率和地表径流系数。4.根据权利要求1所述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，其特征在于，所述步骤s3中，dem电子高程数据为精度12.5米以下的地理高程数据，电子地图为城市街道图。5.根据权利要求1所述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，其特征在于，所述步骤s3中，二维水动力模型为floodarea。6.根据权利要求1所述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，其特征在于，所述步骤s4中，淹没深度由单元之间的最低水位和最高地形高程的差决定，对每个单元的每个时刻淹没的范围和积水深度，以栅格形式呈现和存储。7.根据权利要求1所述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，其特征在于，所述步骤s4中，将淹没深度在0.3米以下的区域设置为安全区；将淹没深度在0.3～0.7米的区域评为二类风险区；将淹没深度在0.7米以上的区域评级为一类风险区，得到风险区域划分图，并将风险区域划分图与电子街道图结合。8.根据权利要求7所述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，其特征在于，所述步骤s4中，采用gis软件将安全区设置为无颜色，二类风险区设置为紫色，一类风险区设置为黑色。9.根据权利要求1所述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，其特征在于，所述配电设备为环网柜。10.根据权利要求1所述的考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，其特征在于，所述步骤s3中，具体的模拟演进以栅格为单位，利用曼宁公式计算每个栅格单元与周围8个单元之间的流入水量，其计算公式为：式中：v表示水量，kst为地表粗糙情况对水流影响的系数，r
hy
为水力半径，i为地形坡度。

技术总结
本发明涉及灾害评估技术领域，具体涉及一种考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，包括：S1：根据研究地区历史降雨数据建立极值分布模型，利用极值分布模型计算确定10～50年一遇极值降雨量；S2：收集研究区地理信息数据，并对地理数据进行填洼、转换等处理；S3：结合10～50年一遇极值降雨量和地区的DEM高程数据，采用二维水动力模型进行雨涝淹没模拟；S4：根据配电设备的性质，结合GIS软件和城市电子街道图，进行区域风险分级。本发明通过考虑微地形影响的配电设备雨涝淹没风险区域分级方法，有利于提升电网公司的灾害管理水平，最大程度降低暴雨内涝对配电设备的灾害影响。影响。


技术研发人员：王乐 唐捷 王珂 简曾鸿 张炜 卓浩泽 黄远飞 覃桂锋
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/8/21