Decision-making Method of Risk Emergency Coordination for Urban Distribution and Drainage Networks Considering Spatio-Temporal Nonuniformity of Rainstorms

SUN Yuexin; ZHOU Bin; CAO Yingping; WANG Yuxuan; CHUNG Chi-yung; SHUAI Zhikang

doi:10.7500/AEPS20250401007

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Decision-making Method of Risk Emergency Coordination for Urban Distribution and Drainage Networks Considering Spatio-Temporal Nonuniformity of Rainstorms

Basic Research | 更新时间：2026-02-28

- Decision-making Method of Risk Emergency Coordination for Urban Distribution and Drainage Networks Considering Spatio-Temporal Nonuniformity of Rainstorms
- Automation of Electric Power Systems Vol. 50, Issue 4, Pages: 120-132(2026)
- 作者机构：
  
  1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南省长沙市 410082
  2.电力应急技术湖南省工程研究中心，湖南省长沙市 410082
  3.香港理工大学电机及电子工程学系，香港 999077
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52277091);Science and Technology Innovation Program of Hunan Province(2024RC1037)
- DOI：10.7500/AEPS20250401007
  CLC：
- Received：01 April 2025，
  
  Revised：2025-07-16，
  
  Online First：16 December 2025，
  
  Published：25 February 2026
- 稿件说明：
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孙月新,周斌,曹应平等.暴雨时空分异下城市配电网与排涝水网风险应急联动决策方法[J].电力系统自动化,2026,50(4):120-132.

SUN Yuexin,ZHOU Bin,CAO Yingping,et al.Decision-making Method of Risk Emergency Coordination for Urban Distribution and Drainage Networks Considering Spatio-Temporal Nonuniformity of Rainstorms[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(4):120-132.
孙月新,周斌,曹应平等.暴雨时空分异下城市配电网与排涝水网风险应急联动决策方法[J].电力系统自动化,2026,50(4):120-132. DOI： 10.7500/AEPS20250401007.

SUN Yuexin,ZHOU Bin,CAO Yingping,et al.Decision-making Method of Risk Emergency Coordination for Urban Distribution and Drainage Networks Considering Spatio-Temporal Nonuniformity of Rainstorms[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(4):120-132. DOI： 10.7500/AEPS20250401007.

摘要

暴雨灾害强度和时空分布具有极强的不确定性和不均衡性，给城市配电网安全可靠运行带来了严峻挑战。首先，构建了暴雨时空分异下城市配电网与排涝水网协同互济的应急联动指挥调度架构，提出了配电网抢修重构与排涝水网库-闸-泵集群协同的应急联动防控机制；其次，揭示了考虑城市内涝事故与电力设备故障跨网络交互传播的灾变正反馈叠加扩大机理，量化了触发城市受灾大停电事故的暴雨强度和排涝失效临界条件；然后，构建了异质非线性偏微分约束下城市配电网、河湖水网和排水管网风险应急联动决策模型，并提出了基于隐式差分离散和分段线性化的城市配电网与排涝水网应急联动决策求解方法。最后，以典型暴雨场景下中国湖南省宁乡受灾配电网为算例进行仿真分析，结果表明所提应急联动方法可有效降低暴雨灾害下配电网负荷损失和受涝水深。

Abstract

The intensity and spatio-temporal distribution of rainstorm disasters exhibit strong uncertainty and heterogeneity

posing serious challenges to the secure and reliable operation of urban distribution networks. First

this paper establishes a coordinated emergency command and dispatch framework for urban distribution and drainage networks considering the spatio-temporal nonuniformity of rainstorms. A mutual emergency prevention and control mechanism is proposed to coordinate the repair and reconfiguration of the distribution network and reservoir-sluice-pump synergetic clusters of the drainage network. Next

this paper reveals the superposition and expansion mechanisms of catastrophic positive feedback considering the interactive propagation between urban flooding accidents and power equipment failures. It further quantifies critical conditions of rainfall intensity and drainage failures that trigger large-scale power outages in cities due to disasters. Furthermore

a risk emergency coordination decision-making model for urban distribution

watershed

and drainage networks with heterogeneous nonlinear partial differential constraints is formulated. Moreover

based on implicit differential discretization and piecewise linearization

a solution method for emergency coordination decision-making for urban distribution and drainage networks is proposed. Finally

the simulation analysis is carried out on the disaster-affected distribution network in Ningxiang

Hunan Province

China

in a typical rainstorm scenario. The results show that the proposed emergency coordination method can effectively reduce distribution network load loss and floodwater depth during rainstorm disasters.

关键词

Keywords

references

徐宗学，叶陈雷 . 城市暴雨洪涝模拟：原理、模型与展望［J］. 水利学报， 2021 ， 52 （ 4 ）： 381 - 392 .

XU Zongxue ， YE Chenlei . Simulation of urban flooding/waterlogging processes： principle， models and prospects ［J］. Journal of Hydraulic Engineering ， 2021 ， 52 （ 4 ）： 381 - 392 .

MILLY P C D ， WETHERALD R T ， DUNNE K A ， et al . Increasing risk of great floods in a changing climate ［J］. Nature ， 2002 ， 415 （ 6871 ）： 514 - 517 .

国务院灾害调查组 . 河南郑州 “ 7 · 20 ”特大暴雨灾害调查报告［EB/OL］.（ 2022-01-21 ）［ 2025-03-01 ］. https：//www.mem.gov.cn/gk/sgcc/tbzdsgdcbg/202201/P020220121639049697767.pdf https://www.mem.gov.cn/gk/sgcc/tbzdsgdcbg/202201/P020220121639049697767.pdf .

The State Council Disaster Investigation Team . Investigation report on the extreme rainstorm disaster in Zhengzhou， Henan Province on July 20， 2021 ［EB/OL］. （ 2022-01-21 ）［ 2025-03-01 ］. https：//www.mem.gov.cn/gk/sgcc/tbzdsgdcbg/202201/P020220121639049697767.pdf https://www.mem.gov.cn/gk/sgcc/tbzdsgdcbg/202201/P020220121639049697767.pdf .

吴勇军，薛禹胜，谢云云，等 . 台风及暴雨对电网故障率的时空影响［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 2 ）： 20 - 29 .

WU Yongjun ， XUE Yusheng ， XIE Yunyun ， et al . Space-time impact of typhoon and rainstorm on power grid fault probability ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 2 ）： 20 - 29 .

许守东，王建，李铭益，等 . 极端气象灾害下考虑MESS主动调控的配电网故障恢复策略［J］. 电力系统保护与控制， 2024 ， 52 （ 12 ）： 45 - 57 .

XU Shoudong ， WANG Jian ， LI Mingyi ， et al . Distribution network fault recovery strategy considering active control of an MESS in extreme weather ［J］. Power System Protection and Control ， 2024 ， 52 （ 12 ）： 45 - 57 .

徐潇源，李佳琪，王晗，等 . 城市电力-交通系统韧性研究综述及展望［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 23 ）： 1 - 15 .

XU Xiaoyuan ， LI Jiaqi ， WANG Han ， et al . Review and prospect of research on urban power-transportation system resilience ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 23 ）： 1 - 15 .

SUN S Y ， LI G F ， BIE Z H ， et al . Resilience assessment of power distribution system against rainstorm-induced urban waterlogging ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2025 ， 61 （ 5 ）： 7916 - 7928 .

ZHANG W ， ZHANG C ， ZHOU Q ， et al . Spatial-temporal resilience assessment of distribution systems under typhoon coupled with rainstorm events ［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics ， 2025 ， 21 （ 1 ）： 188 - 197 .

刘金，李更丰，孙思源，等 . 暴雨灾害下配电网预警与风险评估技术研究综述［J］. 东北电力大学学报， 2022 ， 42 （ 6 ）： 1 - 7 .

LIU Jin ， LI Gengfeng ， SUN Siyuan ， et al . A review of early warning and risk assessment technologies for distribution networks under rainstorm disasters ［J］. Journal of Northeast Electric Power University ， 2022 ， 42 （ 6 ）： 1 - 7 .

WANG Y X ， ZHOU B ， ZHANG C ， et al . A hybrid data and knowledge driven risk prediction method for distributed photovoltaic systems considering spatio-temporal characteristics of extreme rainfalls ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2025 ， 61 （ 1 ）： 1613 - 1625 .

刘子裕，刘达夫，杨祺铭，等 . 风涝复合灾害下配电网恢复资源灾前部署及灾后调度方法［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 17 ）： 154 - 164 .

LIU Ziyu ， LIU Dafu ， YANG Qiming ， et al . Pre-disaster deployment and post-disaster dispatching method for distribution network restoration resources under compound typhoon and waterlog disaster ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 17 ）： 154 - 164

吴龙腾，孟子杰，吴杰康，等 . 台风及暴雨灾害下配电网抗灾及复电优化策略［J/OL］. 南方电网技术［ 2025-05-26 ］. https：//link.cnki.net/urlid/44.1643.tk.20250303.1421.012 https://link.cnki.net/urlid/44.1643.tk.20250303.1421.012 .

WU Longteng ， MENG Zijie ， WU Jiekang ， et al . Optimization strategy of disaster resistance and power restoration in distribution network under typhoon and rainstorm disasters ［J/OL］. Southern Power System Technology ［ 2025-05-26 ］. https：//link.cnki.net/urlid/44.1643.tk.20250303.1421.012 https://link.cnki.net/urlid/44.1643.tk.20250303.1421.012 .

陈彬彬，孙宏斌，尹冠雄，等 . 综合能源系统分析的统一能路理论（二）：水路与热路［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 7 ）： 2133 - 2142 .

CHEN Binbin ， SUN Hongbin ， YIN Guanxiong ， et al . Energy circuit theory of integrated energy system analysis （Ⅱ）： hydraulic circuit and thermal circuit ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 7 ）： 2133 - 2142 .

张苏涵，顾伟，姚帅，等 . 综合能源网络统一建模及其应用（一）：时域二端口模型［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 19 ）： 6509 - 6521 .

ZHANG Suhan ， GU Wei ， YAO Shuai ， et al . Unified modeling of integrated energy networks in time domain and its applications（Ⅰ）： two-port models in time domain ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 19 ）： 6509 - 6521 .

ZHAO X ， TAN H ， WANG L ， et al . Per-unit scheme for integrated solution of hybrid power-water flow problem ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2023 ， 11 （ 2 ）： 680 - 685 .

赵霞，谭红，孙名轶，等 . 区域水-能耦合系统的电-气-水混合潮流模型［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 11 ）： 4274 - 4284 .

ZHAO Xia ， TAN Hong ， SUN Mingyi ， et al . Hybrid power-gas-water flow modeling for regional water-energy nexus ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 11 ）： 4274 - 4284 .

LI J X ， XU Y ， WANG Y ， et al . Resilience-motivated distribution system restoration considering electricity-water-gas interdependency ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2021 ， 12 （ 6 ）： 4799 - 4812 .

WANG C ， GAO N ， WANG J H ， et al . Robust operation of a water-energy nexus： a multi-energy perspective ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 4 ）： 2698 - 2712 .

曾博，孟自帅，董嘉路，等 . 考虑电-水耦合灵活性的数据中心与城市配电-水网协同规划研究［J］. 电工技术学报， 2025 ， 40 （ 23 ）： 7554 - 7569 .

ZENG Bo ， MENG Zishuai ， DONG Jialu ， et al . Research on synergistic planning of data center and urban electricity-water distribution networks considering electricity-water interdependent flexibility ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2025 ， 40 （ 23 ）： 7554 - 7569 .

OIKONOMOU K ， PARVANIA M . Optimal coordination of water distribution energy flexibility with power systems operation ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 1101 - 1110 .

QIU Y W ， LIN J ， LIU F ， et al . Stochastic online generation control of cascaded run-of-the-river hydropower for mitigating solar power volatility ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 4709 - 4722 .

BLAZEK J . Computational fluid dynamics： principles and applications ［M］. Amsterdam， Netherlands ： Elsevier ， 2015 .

CAO Y P ， ZHOU B ， CHUNG C Y ， et al . Dynamic modelling and mutual coordination of electricity and watershed networks for spatio-temporal operational flexibility enhancement under rainy climates ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2023 ， 14 （ 5 ）： 3450 - 3464 .

CAO Y P ， ZHOU B ， CHUNG C Y ， et al . A coordinated emergency response scheme for electricity and watershed networks considering spatio-temporal heterogeneity and volatility of rainstorm disasters ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2024 ， 15 （ 4 ）： 3528 - 3541 .

CAO Y P ， ZHOU B ， CHUNG C Y ， et al . Resilience-oriented coordinated topology reconfiguration of electricity and drainage networks with distributed mobile emergency resources ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2025 ， 16 （ 1 ）： 786 - 800 .

杨明，李梦林，王勃，等 . 面向新型电力系统的数值天气预报技术及应用综述［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 17 ）： 1 - 20 .

YANG Ming ， LI Menglin ， WANG Bo ， et al . Review on technologies and applications of numerical weather prediction for new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 17 ）： 1 - 20 .

ZHOU B ， XU D ， LI C B ， et al . Multiobjective generation portfolio of hybrid energy generating station for mobile emergency power supplies ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2018 ， 9 （ 6 ）： 5786 - 5797 .

罗昊，王长江，王建国 . 面向数字孪生的电-气综合能源系统可用输电能力计算［J］. 电力建设， 2023 ， 44 （ 11 ）： 113 - 127 .

LUO Hao ， WANG Changjiang ， WANG Jianguo . Calculation of available transmission capacity of electricity-gas integrated energy system for digital twin ［J］. Electric Power Construction ， 2023 ， 44 （ 11 ）： 113 - 127 .

FARIVAR M ， LOW S H . Branch flow model： relaxations and convexification： PartⅠ ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2013 ， 28 （ 3 ）： 2554 - 2564 .

杨敏，李强，李琳，等 . 有压管道充水过程数值模拟［J］. 水利学报， 2007 ， 38 （ 2 ）： 171 - 175 .

YANG Min ， LI Qiang ， LI Lin ， et al . Numerical simulation of water-filling process in pressure conduit ［J］. Journal of Hydraulic Engineering ， 2007 ， 38 （ 2 ）： 171 - 175 .

ZHOU S B ， XU Z Y ， LIU F . Method for determining the optimal number of clusters based on agglomerative hierarchical clustering ［J］. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems ， 2017 ， 28 （ 12 ）： 3007 - 3017 .

YANG G G ， GREMONT B C ， YANG L D ， et al . Space-time channel model for rain-affected communication networks ［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation ， 2019 ， 67 （ 7 ）： 4768 - 4776 .

LOU Y H ， WANG P ， LI Y ， et al . Projecting urban flood risk through hydrodynamic modeling under shared socioeconomic pathways ［J］. Journal of Environmental Management ， 2024 ， 370 ： 122647 .

梁振锋，闫俊杰，李江锋，等 . 极端暴雨灾害下城市配电网风险评估方法［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 10 ）： 4180 - 4190 .

LIANG Zhenfeng ， YAN Junjie ， LI Jiangfeng ， et al . Risk assessment of urban distribution network under extreme rainstorm disasters ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 10 ）： 4180 - 4190 .

中国气象局陆面数据同化系统（CLDAS-V2.0）实时产品数据集［EB/OL］. （ 2017-01-19 ）［ 2025-03-10 ］. https：//data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode/NAFP_CLDAS2.0_RT.html https://data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode/NAFP_CLDAS2.0_RT.html .

Real-time product dataset of Land Data Assimilation System of China Meteorological Administration （CLDAS-V2.0）［EB/OL］. （ 2017-01-19 ）［ 2025-03-10 ］. https：//data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode/NAFP_CLDAS2.0_RT.html https://data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode/NAFP_CLDAS2.0_RT.html .

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