一种天然气系统能流计算的改进方法技术方案

本发明专利技术公开一种天然气系统能流计算的改进方法，首先输入天然气系统的网络参数，建立天然气系统能流计算模型；利用遗传算法进行天然气系统的初值优选；最后，利用牛顿法实现天然气系统的能流计算。本发明专利技术结合遗传算法的全局搜索和牛顿法的局部搜索能力，有效方法解决天然气系统能流计算的初值选取问题。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种天然气系统能流计算的改进方法
本专利技术属于天然气系统稳态能流计算
，具体涉及到一种天然气系统稳态能流计算的改进方法。
技术介绍
能流计算是天然气系统的一种基本计算，是天然气系统规划和运行的基础。现有天然气系统能流计算均以牛顿法为核心算法。牛顿法是一种优秀的局部搜索算法，具有局部二次收敛性。但其对初值的依赖性较高，初值选取不当将直接影响算法的收敛性。关于天然气系统的初值问题，尽管部分研究特别指出需要慎重选取天然气系统的初值，但现有研究并未给出有效的解决办法，而更多地依赖工程经验来确定初值。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”均提出以天然气系统平衡节点压力作为参考，按天然气管道首、末两端压力差为5％-10％来选取节点压力的初值，但该方法对复杂网络(即能流计算前无法确定全部气流方向的网络)并不适用。综上可知，现有研究并未给出有效方法解决天然气系统能流计算的初值选取问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有天然气系统能流计算初值难以选取的问题，结合遗传算法的全局搜索和牛顿法的局部搜索能力，提供了一种计算天然气系统能流的遗传-牛顿混合方法。实现本专利技术之技术方案是：一种天然气系统能流计算的改进方法，首先输入天然气系统的网络参数，建立天然气系统能流计算模型；利用遗传算法进行天然气系统的初值优选；最后，利用牛顿法实现天然气系统的能流计算。所述方法的具体步骤如下：一种天然气系统能流计算的改进方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)输入基础数据及初始化1.1输入基础数据获取天然气系统网络结构数据：气源参数、输气管道参数、压缩机参数、气负荷、平衡节点压力以及待求节点压力范围。1.2参数初始化设置遗传算法的交叉概率PC，变异概率Pm，变量精度esp，种群规模Pop，表示种群中全部个体所在集合；牛顿法收敛精度ε，牛顿法的最大迭代次数iterNWmax。设置天然气系统中除平衡节点外的节点个数为N；表示网络N个节点所在的集合。(2)基于遗传算法的初值优选2.1编码并产生初始种群第(1)步完成之后，以一个非平衡节点上的节点压力为一个变量，则一共有N个变量，根据变量范围和变量精度，按照二进制编码方法，确定第s(s＝1,2,···,N)个变量对应的二进制串长度为ns，其数值满足下列关系式：式中esp的值在步骤1.2中给出；Πmax,s、Πmin,s分别表示第s个节点压力变量的上限和下限；确定每个变量对应的二进制串长度后，每个个体包含N个变量的二进制串，则确定每个个体的染色体长度为运用Matlab产生基于状态变量的初始种群TP，种群规模均为Pop。具体步骤为：运用Matlab命令rand(Pop,L)产生一个Pop×L的矩阵T，其元素值为区间(0,1)上的随机数；然后判断矩阵T中的每个元素，若值小于0.5，则该元素置为0，否则置为1；从而得到二进制编码的矩阵TP。其中，TP的每一行表示携带N个节点压力变量信息的一个个体，是位数为L的二进制码。2.2译码并得变量的实际值将各个二进制编码转换为对应的变量的实际值Πm_s，转换公式如下：式中，TPm_s表示第m个个体上第s个节点压力变量的二进制编码，即二进制编码矩阵TP的第m行第至第列二进制编码，Πm_s表示TPm_s代表的变量实际值，(TPm_s)D表示TPm_s对应的变量的十进制数值，求取公式为：其中Al表示TPm_s的第l位二进制数；其余变量的含义同公式(1)-(2)。2.3计算个体对应的目标函数值2.3.1.计算管道流量根据步骤个体中各个节点的压力变量实际值，得管道i-j流量fp,ij的计算公式如下：式中，下标p表示管道，i表示系统中的某一节点i，j表示与节点i直接相连的另一个节点，j∈φi，φi为与节点i直接相联但不包括节点i的节点集合；kij为管道的传输参数，是与管道的长度、内径、摩擦系数以及天然气温度等有关的常数，例如下表：表1节点管道参数kij管道首端节点i管道末端节点jkij120.2526130.2410230.2990240.2924360.2777580.23657100.16629120.163411130.149312130.159812140.166513140.1534Πi和Πj分别表示节点i和节点j的节点压力，已从步骤2.2中获得；sp,ij表示的是节点i，j间管道中的气流方向，其取值如下所示：2.3.2计算燃气轮机消耗的气流量由管道方程可知，天然气在传输过程中会有压力损失，一般需要在天然气系统中配置压缩机来提升压力。选择燃气轮机作为压缩机，选择作用于节点i和节点j间的压缩机，记为压缩机i-j，则其消耗的气流量公式如下：τc,ij＝αc+βcHc,ij+γcHc,ij2(26)式中，下标c代表压缩机编号；αc，βc，γc为能量转化效率常数，其取值由燃气轮机的耗热率曲线决定，例如下表：表2燃气轮机耗热率参数节点i编号节点j编号αcβcγc17070812070Hc,ij为压缩机消耗的功率，其求取公式如下：式中，Bc,ij和Zc,ij均为压缩机参数，其取决于压缩机的温度、效率、压缩因子等因素，例如下表：表3压缩机参数表入口出口BkZk45228.740.2333567226.020.2333589228.740.233351011226.020.23335fc,ij为流过压缩机i-j的气流量，其余变量的含义同公式(5)。2.3.3计算天然气系统的节点能流平衡方程天然气系统中，节点i的能流平衡方程如下所示：式中，fi为节点i的注入气流量，sc,ij是用来表示压缩机的方向的符号变量，其公式如下：式(9)其余变量含义与式(5)到式(8)一样。2.3.4.计算目标函数值将天然气系统中能流方程中各节点不平衡量的总和作为目标函数值。假设对于天然气系统，其能流方程的一般形式为：则代入每个节点的压力实际值至式(9)，得出每个节点对应的注入气流量的不平衡量如下：Δfs(Π)＝fs-fs(Π1,Π2,…,ΠN)(31)算出每个节点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总和为：式中，F(Π)为目标函数，即能流方程中不平衡量的总量。2.4收敛判据计算出每一个个体对应的目标函数Fm(Π)，比较目标函数的大小，选出其中的最小值minF(Π)。遗传算法的收敛条件是，若minF(Π)小于阈值，则满足收敛条件，将minF(Π)对应的个体中的每个变量作为初值，代入步骤(3)；若不满足收敛条件，即继续执行步骤2.5，直至满足收敛条件为止。2.5产生新个体2.5.1选择步骤2.3计算完初始种群TP的全部个体对应的目标函数后，需要用适应度大小评判个体优劣，从而决定其遗传机会的多少。以不平衡量总本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天然气系统能流计算的改进方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)输入基础数据及初始化1.1输入基础数据获取天然气系统网络结构数据：气源参数、输气管道参数、压缩机参数、气负荷、平衡节点压力以及待求节点压力范围。1.2参数初始化设置遗传算法的交叉概率P

【技术特征摘要】
1.一种天然气系统能流计算的改进方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)输入基础数据及初始化1.1输入基础数据获取天然气系统网络结构数据：气源参数、输气管道参数、压缩机参数、气负荷、平衡节点压力以及待求节点压力范围。1.2参数初始化设置遗传算法的交叉概率PC，变异概率Pm，变量精度esp，种群规模Pop，表示种群中全部个体所在集合；牛顿法收敛精度ε，牛顿法的最大迭代次数iterNWmax。设置天然气系统中除平衡节点外的节点个数为N；表示网络N个节点所在的集合。(2)基于遗传算法的初值优选2.1编码并产生初始种群第(1)步完成之后，以一个非平衡节点上的节点压力为一个变量，则一共有N个变量，根据变量范围和变量精度，按照二进制编码方法，确定第s(s＝1,2,···,N)个变量对应的二进制串长度为ns，其数值满足下列关系式：式中esp的值在步骤1.2中给出；Πmax,s、Πmin,s分别表示第s个节点压力变量的上限和下限；确定每个变量对应的二进制串长度后，每个个体包含N个变量的二进制串，则确定每个个体的染色体长度为运用Matlab产生基于状态变量的初始种群TP，种群规模均为Pop。具体步骤为：运用Matlab命令rand(Pop,L)产生一个Pop×L的矩阵T，其元素值为区间(0,1)上的随机数；然后判断矩阵T中的每个元素，若值小于0.5，则该元素置为0，否则置为1；从而得到二进制编码的矩阵TP。其中，TP的每一行表示携带N个节点压力变量信息的一个个体，是位数为L的二进制码。2.2译码并得变量的实际值将各个二进制编码转换为对应的变量的实际值Πm_s，转换公式如下：式中，TPm_s表示第m个个体上第s个节点压力变量的二进制编码，即二进制编码矩阵TP的第m行第至第列二进制编码，Πm_s表示TPm_s代表的变量实际值，(TPm_s)D表示TPm_s对应的变量的十进制数值，，求取公式为：其中Al表示TPm_s的第l位二进制数；其余变量的含义同公式(1)-(2)。2.3计算个体对应的目标函数值2.3.1.计算管道流量根据步骤个体中各个节点的压力变量实际值，得管道i-j流量fp,ij的计算公式如下：式中，下标p表示管道，i表示系统中的某一节点i，j表示与节点i直接相连的另一个节点，j∈φi，φi为与节点i直接相联但不包括节点i的节点集合；kij为管道的传输参数,Πi和Πj分别表示节点i和节点j的节点压力；sp,ij表示的是节点i，j间管道中的气流方向，其取值如下所示：2.3.2计算燃气轮机消耗的气流量由管道方程可知，天然气在传输过程中会有压力损失，一般需要在天然气系统中配置压缩机来提升压力。选择燃气轮机作为压缩机，选择作用于节点i和节点j间的压缩机，记为压缩机i-j，则其消耗的气流量公式如下：τc,ij＝αc+βcHc,ij+γcHc,ij2(7)式中，下标c代表压缩机编号；αc、βc和γc为能量转化效率常数；Hc,ij为压缩机消耗的功率，其求取公式如下：式中，Bc,ij和Zc,ij为压缩机参数；fc,ij为流过压缩机i-j的气流量，其余变量的含义同公式(5)。2.3.3计算天然气系统的节点能流平衡方程天然气系统中，节点i的能流平衡方程如下所示：式中，fi为节点i的注入气流量，sc,ij是用来表示压缩机的方向的符号变量，其公式如下：式(9)其余变量含义与式(5)到式(8)一样。2.3.4.计算目标函数值将天然气系统中能流方程中各节点不平衡量的总和作为目标函数值。假设对于天然气系统，其能流方程的一般形式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：赵霞，杨仑，胡潇云，瞿小斌，颜伟，余娟，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50