一種天然氣系統(tǒng)能流計算的改進(jìn)方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種天然氣系統(tǒng)能流計算的改進(jìn)方法，首先輸入天然氣系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，建立天然氣系統(tǒng)能流計算模型；利用遺傳算法進(jìn)行天然氣系統(tǒng)的初值優(yōu)選；最后，利用牛頓法實現(xiàn)天然氣系統(tǒng)的能流計算。本發(fā)明專利技術(shù)結(jié)合遺傳算法的全局搜索和牛頓法的局部搜索能力，有效方法解決天然氣系統(tǒng)能流計算的初值選取問題。

An improved method for energy flow calculation of natural gas system

The invention discloses a method for improving the system of natural gas flow calculation, the network parameters of natural gas input to the system first, establish system of natural gas energy flow calculation model; initial value optimization of natural gas system based on genetic algorithm; finally, using the Newton method can achieve flow calculation of natural gas system. The invention combines the global search of genetic algorithm and the local search ability of Newton method, and effectively solves the initial value selection problem of the energy flow calculation of the natural gas system.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種天然氣系統(tǒng)能流計算的改進(jìn)方法
本專利技術(shù)屬于天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能流計算
，具體涉及到一種天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能流計算的改進(jìn)方法。
技術(shù)介紹
能流計算是天然氣系統(tǒng)的一種基本計算，是天然氣系統(tǒng)規(guī)劃和運行的基礎(chǔ)。現(xiàn)有天然氣系統(tǒng)能流計算均以牛頓法為核心算法。牛頓法是一種優(yōu)秀的局部搜索算法，具有局部二次收斂性。但其對初值的依賴性較高，初值選取不當(dāng)將直接影響算法的收斂性。關(guān)于天然氣系統(tǒng)的初值問題，盡管部分研究特別指出需要慎重選取天然氣系統(tǒng)的初值，但現(xiàn)有研究并未給出有效的解決辦法，而更多地依賴工程經(jīng)驗來確定初值。如2012年27卷第4期《IEEETransactionsonPowerSystems》中“Aunifiedgasandpowerflowanalysisinnaturalgasandelectricitycouplednetworks”和2015年第31卷第5期《IEEETransactionsonPowerSystems》中“AnIntegratedSteady-StateOperationAssessmentofElectrical,NaturalGas,andDistrictHeatingNetworks”均提出以天然氣系統(tǒng)平衡節(jié)點壓力作為參考，按天然氣管道首、末兩端壓力差為5％-10％來選取節(jié)點壓力的初值，但該方法對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)(即能流計算前無法確定全部氣流方向的網(wǎng)絡(luò))并不適用。綜上可知，現(xiàn)有研究并未給出有效方法解決天然氣系統(tǒng)能流計算的初值選取問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是針對現(xiàn)有天然氣系統(tǒng)能流計算初值難以選取的問題，結(jié)合遺傳算法的全局搜索和牛頓法的局部搜索能力，提供了一種計算天然氣系統(tǒng)能流的遺傳-牛頓混合方法。實現(xiàn)本專利技術(shù)之技術(shù)方案是：一種天然氣系統(tǒng)能流計算的改進(jìn)方法，首先輸入天然氣系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，建立天然氣系統(tǒng)能流計算模型；利用遺傳算法進(jìn)行天然氣系統(tǒng)的初值優(yōu)選；最后，利用牛頓法實現(xiàn)天然氣系統(tǒng)的能流計算。所述方法的具體步驟如下：一種天然氣系統(tǒng)能流計算的改進(jìn)方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及初始化1.1輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：氣源參數(shù)、輸氣管道參數(shù)、壓縮機參數(shù)、氣負(fù)荷、平衡節(jié)點壓力以及待求節(jié)點壓力范圍。1.2參數(shù)初始化設(shè)置遺傳算法的交叉概率PC，變異概率Pm，變量精度esp，種群規(guī)模Pop，表示種群中全部個體所在集合；牛頓法收斂精度ε，牛頓法的最大迭代次數(shù)iterNWmax。設(shè)置天然氣系統(tǒng)中除平衡節(jié)點外的節(jié)點個數(shù)為N；表示網(wǎng)絡(luò)N個節(jié)點所在的集合。(2)基于遺傳算法的初值優(yōu)選2.1編碼并產(chǎn)生初始種群第(1)步完成之后，以一個非平衡節(jié)點上的節(jié)點壓力為一個變量，則一共有N個變量，根據(jù)變量范圍和變量精度，按照二進(jìn)制編碼方法，確定第s(s＝1,2,···,N)個變量對應(yīng)的二進(jìn)制串長度為ns，其數(shù)值滿足下列關(guān)系式：式中esp的值在步驟1.2中給出；Πmax,s、Πmin,s分別表示第s個節(jié)點壓力變量的上限和下限；確定每個變量對應(yīng)的二進(jìn)制串長度后，每個個體包含N個變量的二進(jìn)制串，則確定每個個體的染色體長度為運用Matlab產(chǎn)生基于狀態(tài)變量的初始種群TP，種群規(guī)模均為Pop。具體步驟為：運用Matlab命令rand(Pop,L)產(chǎn)生一個Pop×L的矩陣T，其元素值為區(qū)間(0,1)上的隨機數(shù)；然后判斷矩陣T中的每個元素，若值小于0.5，則該元素置為0，否則置為1；從而得到二進(jìn)制編碼的矩陣TP。其中，TP的每一行表示攜帶N個節(jié)點壓力變量信息的一個個體，是位數(shù)為L的二進(jìn)制碼。2.2譯碼并得變量的實際值將各個二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的變量的實際值Πm_s，轉(zhuǎn)換公式如下：式中，TPm_s表示第m個個體上第s個節(jié)點壓力變量的二進(jìn)制編碼，即二進(jìn)制編碼矩陣TP的第m行第至第列二進(jìn)制編碼，Πm_s表示TPm_s代表的變量實際值，(TPm_s)D表示TPm_s對應(yīng)的變量的十進(jìn)制數(shù)值，求取公式為：其中Al表示TPm_s的第l位二進(jìn)制數(shù)；其余變量的含義同公式(1)-(2)。2.3計算個體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值2.3.1.計算管道流量根據(jù)步驟個體中各個節(jié)點的壓力變量實際值，得管道i-j流量fp,ij的計算公式如下：式中，下標(biāo)p表示管道，i表示系統(tǒng)中的某一節(jié)點i，j表示與節(jié)點i直接相連的另一個節(jié)點，j∈φi，φi為與節(jié)點i直接相聯(lián)但不包括節(jié)點i的節(jié)點集合；kij為管道的傳輸參數(shù)，是與管道的長度、內(nèi)徑、摩擦系數(shù)以及天然氣溫度等有關(guān)的常數(shù)，例如下表：表1節(jié)點管道參數(shù)kij管道首端節(jié)點i管道末端節(jié)點jkij120.2526130.2410230.2990240.2924360.2777580.23657100.16629120.163411130.149312130.159812140.166513140.1534Πi和Πj分別表示節(jié)點i和節(jié)點j的節(jié)點壓力，已從步驟2.2中獲得；sp,ij表示的是節(jié)點i，j間管道中的氣流方向，其取值如下所示：2.3.2計算燃?xì)廨啓C消耗的氣流量由管道方程可知，天然氣在傳輸過程中會有壓力損失，一般需要在天然氣系統(tǒng)中配置壓縮機來提升壓力。選擇燃?xì)廨啓C作為壓縮機，選擇作用于節(jié)點i和節(jié)點j間的壓縮機，記為壓縮機i-j，則其消耗的氣流量公式如下：τc,ij＝αc+βcHc,ij+γcHc,ij2(26)式中，下標(biāo)c代表壓縮機編號；αc，βc，γc為能量轉(zhuǎn)化效率常數(shù)，其取值由燃?xì)廨啓C的耗熱率曲線決定，例如下表：表2燃?xì)廨啓C耗熱率參數(shù)節(jié)點i編號節(jié)點j編號αcβcγc17070812070Hc,ij為壓縮機消耗的功率，其求取公式如下：式中，Bc,ij和Zc,ij均為壓縮機參數(shù)，其取決于壓縮機的溫度、效率、壓縮因子等因素，例如下表：表3壓縮機參數(shù)表入口出口BkZk45228.740.2333567226.020.2333589228.740.233351011226.020.23335fc,ij為流過壓縮機i-j的氣流量，其余變量的含義同公式(5)。2.3.3計算天然氣系統(tǒng)的節(jié)點能流平衡方程天然氣系統(tǒng)中，節(jié)點i的能流平衡方程如下所示：式中，fi為節(jié)點i的注入氣流量，sc,ij是用來表示壓縮機的方向的符號變量，其公式如下：式(9)其余變量含義與式(5)到式(8)一樣。2.3.4.計算目標(biāo)函數(shù)值將天然氣系統(tǒng)中能流方程中各節(jié)點不平衡量的總和作為目標(biāo)函數(shù)值。假設(shè)對于天然氣系統(tǒng)，其能流方程的一般形式為：則代入每個節(jié)點的壓力實際值至式(9)，得出每個節(jié)點對應(yīng)的注入氣流量的不平衡量如下：Δfs(Π)＝fs-fs(Π1,Π2,…,ΠN)(31)算出每個節(jié)點的注入其流量的不平衡量Δfs(Π)，得出能流方程中不平衡量的總和為：式中，F(xiàn)(Π)為目標(biāo)函數(shù)，即能流方程中不平衡量的總量。2.4收斂判據(jù)計算出每一個個體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)Fm(Π)，比較目標(biāo)函數(shù)的大小，選出其中的最小值minF(Π)。遺傳算法的收斂條件是，若minF(Π)小于閾值，則滿足收斂條件，將minF(Π)對應(yīng)的個體中的每個變量作為初值，代入步驟(3)；若不滿足收斂條件，即繼續(xù)執(zhí)行步驟2.5，直至滿足收斂條件為止。2.5產(chǎn)生新個體2.5.1選擇步驟2.3計算完初始種群TP的全部個體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)后，需要用適應(yīng)度大小評判個體優(yōu)劣，從而決定其遺傳機會的多少。以不平衡量總本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種天然氣系統(tǒng)能流計算的改進(jìn)方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及初始化1.1輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：氣源參數(shù)、輸氣管道參數(shù)、壓縮機參數(shù)、氣負(fù)荷、平衡節(jié)點壓力以及待求節(jié)點壓力范圍。1.2參數(shù)初始化設(shè)置遺傳算法的交叉概率P

【技術(shù)特征摘要】
1.一種天然氣系統(tǒng)能流計算的改進(jìn)方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及初始化1.1輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：氣源參數(shù)、輸氣管道參數(shù)、壓縮機參數(shù)、氣負(fù)荷、平衡節(jié)點壓力以及待求節(jié)點壓力范圍。1.2參數(shù)初始化設(shè)置遺傳算法的交叉概率PC，變異概率Pm，變量精度esp，種群規(guī)模Pop，表示種群中全部個體所在集合；牛頓法收斂精度ε，牛頓法的最大迭代次數(shù)iterNWmax。設(shè)置天然氣系統(tǒng)中除平衡節(jié)點外的節(jié)點個數(shù)為N；表示網(wǎng)絡(luò)N個節(jié)點所在的集合。(2)基于遺傳算法的初值優(yōu)選2.1編碼并產(chǎn)生初始種群第(1)步完成之后，以一個非平衡節(jié)點上的節(jié)點壓力為一個變量，則一共有N個變量，根據(jù)變量范圍和變量精度，按照二進(jìn)制編碼方法，確定第s(s＝1,2,···,N)個變量對應(yīng)的二進(jìn)制串長度為ns，其數(shù)值滿足下列關(guān)系式：式中esp的值在步驟1.2中給出；Πmax,s、Πmin,s分別表示第s個節(jié)點壓力變量的上限和下限；確定每個變量對應(yīng)的二進(jìn)制串長度后，每個個體包含N個變量的二進(jìn)制串，則確定每個個體的染色體長度為運用Matlab產(chǎn)生基于狀態(tài)變量的初始種群TP，種群規(guī)模均為Pop。具體步驟為：運用Matlab命令rand(Pop,L)產(chǎn)生一個Pop×L的矩陣T，其元素值為區(qū)間(0,1)上的隨機數(shù)；然后判斷矩陣T中的每個元素，若值小于0.5，則該元素置為0，否則置為1；從而得到二進(jìn)制編碼的矩陣TP。其中，TP的每一行表示攜帶N個節(jié)點壓力變量信息的一個個體，是位數(shù)為L的二進(jìn)制碼。2.2譯碼并得變量的實際值將各個二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的變量的實際值Πm_s，轉(zhuǎn)換公式如下：式中，TPm_s表示第m個個體上第s個節(jié)點壓力變量的二進(jìn)制編碼，即二進(jìn)制編碼矩陣TP的第m行第至第列二進(jìn)制編碼，Πm_s表示TPm_s代表的變量實際值，(TPm_s)D表示TPm_s對應(yīng)的變量的十進(jìn)制數(shù)值，，求取公式為：其中Al表示TPm_s的第l位二進(jìn)制數(shù)；其余變量的含義同公式(1)-(2)。2.3計算個體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值2.3.1.計算管道流量根據(jù)步驟個體中各個節(jié)點的壓力變量實際值，得管道i-j流量fp,ij的計算公式如下：式中，下標(biāo)p表示管道，i表示系統(tǒng)中的某一節(jié)點i，j表示與節(jié)點i直接相連的另一個節(jié)點，j∈φi，φi為與節(jié)點i直接相聯(lián)但不包括節(jié)點i的節(jié)點集合；kij為管道的傳輸參數(shù),Πi和Πj分別表示節(jié)點i和節(jié)點j的節(jié)點壓力；sp,ij表示的是節(jié)點i，j間管道中的氣流方向，其取值如下所示：2.3.2計算燃?xì)廨啓C消耗的氣流量由管道方程可知，天然氣在傳輸過程中會有壓力損失，一般需要在天然氣系統(tǒng)中配置壓縮機來提升壓力。選擇燃?xì)廨啓C作為壓縮機，選擇作用于節(jié)點i和節(jié)點j間的壓縮機，記為壓縮機i-j，則其消耗的氣流量公式如下：τc,ij＝αc+βcHc,ij+γcHc,ij2(7)式中，下標(biāo)c代表壓縮機編號；αc、βc和γc為能量轉(zhuǎn)化效率常數(shù)；Hc,ij為壓縮機消耗的功率，其求取公式如下：式中，Bc,ij和Zc,ij為壓縮機參數(shù)；fc,ij為流過壓縮機i-j的氣流量，其余變量的含義同公式(5)。2.3.3計算天然氣系統(tǒng)的節(jié)點能流平衡方程天然氣系統(tǒng)中，節(jié)點i的能流平衡方程如下所示：式中，fi為節(jié)點i的注入氣流量，sc,ij是用來表示壓縮機的方向的符號變量，其公式如下：式(9)其余變量含義與式(5)到式(8)一樣。2.3.4.計算目標(biāo)函數(shù)值將天然氣系統(tǒng)中能流方程中各節(jié)點不平衡量的總和作為目標(biāo)函數(shù)值。假設(shè)對于天然氣系統(tǒng)，其能流方程的一般形式為：

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙霞，楊侖，胡瀟云，瞿小斌，顏偉，余娟，
申請(專利權(quán))人：重慶大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：重慶,50