天然气管网运行方案的确定方法及装置与流程

本发明涉及油气管道技术领域，特别涉及一种天然气管网运行方案的确定方法及装置。

背景技术：

天然气是一种清洁高效的能源，在工业生产、发电、居民生活用燃料、汽车燃料等方面已经被广泛使用，在使用过程中，主要以管道输送的方式将天然气输送至用户。然而，在管道输送的过程中，由于天然气气源位置的不同，以及天然气的管网中的元件类型较多，比如，压气站、分输压气站、管道和用户等，从而在多个天然气气源和各用户类型之间形成了错纵交织的管网。在该管网对天然气的输送过程中，由于用户类型较多，且输送管线较长，导致整个管网在输送天然气的过程中成为了能耗大户。因此亟需一种能够降低管网能耗的天然气管网运行方案。

技术实现要素：

为了解决相关技术中天然气管网运行能耗较大，从而造成能量浪费的问题，本发明实施例提供了一种天然气管网运行方案的确定方法及装置。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种天然气管网运行方案的确定方法，所述方法包括：

获取管网中n个元件组成的拓扑结构，以及所述n个元件中每个元件的静参数和边界约束条件，所述n为大于1的正整数；

按照所述拓扑结构将所述管网划分为m条管链，并基于所述n个元件的边界约束条件确定所述m条管链中相连管链之间的约束条件，每条管链包括至少一个元件，所述m为大于或等于1的正整数；

基于每条管链包括的至少一个元件的静参数和边界约束条件，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，每种管链运行方案包括所述至少一个元件中每个元件的元件运行参数和元件能耗；

基于每条管链的多种管链运行方案，以及相连管链之间的约束条件，按照线性化处理的方式，通过混合整数线性规划模型确定所述管网的最优能耗，以及在所述管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。

可选地，所述基于每条管链包括的至少一个元件的静参数和边界约束条件，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，包括：

对目标管链的起点边界约束条件中的压力范围以第一预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界压力，所述目标管链为所述m条管链中的任一条管链；

对所述目标管链的终点边界约束条件中的压力范围以所述第一预设步长进行离散化处理，得到多个终点边界压力；

对所述目标管链的起点边界约束条件中的温度范围以第二预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界温度；

对所述目标管链的起点边界约束条件中的流量范围以第三预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界流量；

将所述多个起点边界压力、所述多个终点边界压力、所述多个起点边界温度和所述多个起点边界流量进行组合，得到多组边界条件，每组边界条件包括一个起点边界压力、一个终点边界压力、一个起点边界温度和一个起点边界流量；

基于所述多组边界条件，以及所述目标管链包括的每个元件的静参数和边界约束条件，沿所述目标管链的流向，确定所述目标管链在所述多组边界条件下分别对应的管链运行方案，所述管链运行方案是指在每组边界条件下所述目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

可选地，所述基于所述多组边界条件，以及所述目标管链包括的每个元件的静参数和边界约束条件，沿所述目标管链的流向，确定所述目标管链在所述多组边界条件下分别对应的管链运行方案，包括：

基于目标边界条件包括的起点边界压力、起点边界温度和起点边界流量，以及所述目标管链的流向上第一个元件的参数信息，确定所述第一个元件的至少一种元件运行方案；

其中，所述目标边界条件为所述多组边界条件中的任一边界条件，当元件是管道时，参数信息为元件的静参数，当元件不是管道时，参数信息为元件的静参数和终点压力约束条件；

将所述第一个元件的至少一种元件运行方案中的每个元件运行方案包括的运行参数作为下一个元件的起点边界条件，基于所述下一个元件的起点边界条件和参数信息，确定所述下一个元件的至少一种元件运行方案；

当所述下一个元件为所述目标管链的最后一个元件时，将所述目标管链中每个元件的至少一种元件运行方案进行组合，得到所述目标管链在所述目标边界条件下的多种管链运行方案，并从所述多种管链运行方案中确定在所述目标边界条件下所述目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

可选地，所述基于每条管链的多种管链运行方案，以及相连管链之间的约束条件，按照线性化处理的方式，通过混合整数线性规划模型确定所述管网的最优能耗，以及在所述管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案，包括：

将目标管链的每种管链运行方案包括的第一个元件的运行参数、最后一个元件的运行参数以及每种管链运行方案对应的管链能耗进行组合，得到每种管链运行方案对应的一组边界运行参数，从而得到所述目标管链的多组边界运行参数，所述目标管链为所述m条管链中的任一条管链，所述管链能耗为对应的一种管链运行方案包括的至少一个元件的元件能耗的和；

对所述目标管链的多组边界运行参数进行德洛内三角剖分处理，得到所述目标管链对应的多个单纯形；

对所述目标管链对应的多个单纯形中的每个单纯形分别通过凸组合法进行线性化近似处理，得到每个单纯形对应的一组线性近似的边界运行参数，从而得到所述目标管链的多组线性近似的边界运行参数；

基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定所述管网的最优能耗，以及在所述管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。

可选地，所述基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定所述管网的最优能耗，以及在所述管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案，包括：

基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定所述管网的最优能耗；

基于所述管网的最优能耗和每条管链的多组线性近似的边界运行参数，确定在所述管网的能耗最优时每条管链的最优线性近似的边界运行参数；

基于在所述管网的能耗最优时每条管链的最优线性近似的边界运行参数，确定每条管链的最优管链运行方案。

另一方面，提供了一种天然气管网运行方案的确定装置，所述装置包括：

获取模块，用于获取管网中n个元件组成的拓扑结构，以及所述n个元件中每个元件的静参数和边界约束条件，所述n为大于1的正整数；

第一确定模块，用于按照所述拓扑结构将所述管网划分为m条管链，并基于所述n个元件的边界约束条件确定所述m条管链中相连管链之间的约束条件，每条管链包括至少一个元件，所述m为大于或等于1的正整数；

第二确定模块，用于基于每条管链包括的至少一个元件的静参数和边界约束条件，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，每种管链运行方案包括所述至少一个元件中每个元件的元件运行参数和元件能耗；

第三确定模块，用于基于每条管链的多种管链运行方案，以及相连管链之间的约束条件，按照线性化处理的方式，通过混合整数线性规划模型确定所述管网的最优能耗，以及在所述管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。

可选地，所述第二确定模块包括：

第一离散单元，用于对目标管链的起点边界约束条件中的压力范围以第一预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界压力，所述目标管链为所述m条管链中的任一条管链；

第二离散单元，用于对所述目标管链的终点边界约束条件中的压力范围以所述第一预设步长进行离散化处理，得到多个终点边界压力；

第三离散单元，用于对所述目标管链的起点边界约束条件中的温度范围以第二预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界温度；

第四离散单元，用于对所述目标管链的起点边界约束条件中的流量范围以第三预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界流量；

第一组合单元，用于将所述多个起点边界压力、所述多个终点边界压力、所述多个起点边界温度和所述多个起点边界流量进行组合，得到多组边界条件，每组边界条件包括一个起点边界压力、一个终点边界压力、一个起点边界温度和一个起点边界流量；

第一确定单元，用于基于所述多组边界条件，以及所述目标管链包括的每个元件的静参数和边界约束条件，沿所述目标管链的流向，确定所述目标管链在所述多组边界条件下分别对应的管链运行方案，所述管链运行方案是指在每组边界条件下所述目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

可选地，所述第一确定单元主要用于：

基于目标边界条件包括的起点边界压力、起点边界温度和起点边界流量，以及所述目标管链的流向上第一个元件的参数信息，确定所述第一个元件的至少一种元件运行方案；

其中，所述目标边界条件为所述多组边界条件中的任一边界条件，当元件是管道时，参数信息为元件的静参数，当元件不是管道时，参数信息为元件的静参数和终点压力约束条件；

将所述第一个元件的至少一种元件运行方案中的每个元件运行方案包括的运行参数作为下一个元件的起点边界条件，基于所述下一个元件的起点边界条件和参数信息，确定所述下一个元件的至少一种元件运行方案；

当所述下一个元件为所述目标管链的最后一个元件时，将所述目标管链中每个元件的至少一种元件运行方案进行组合，得到所述目标管链在所述目标边界条件下的多种管链运行方案，并从所述多种管链运行方案中确定在所述目标边界条件下所述目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

可选地，所述第三确定模块包括：

第二组合单元，用于将目标管链的每种管链运行方案包括的第一个元件的运行参数、最后一个元件的运行参数以及每种管链运行方案对应的管链能耗进行组合，得到每种管链运行方案对应的一组边界运行参数，从而得到所述目标管链的多组边界运行参数，所述目标管链为所述m条管链中的任一条管链，所述管链能耗为对应的一种管链运行方案包括的至少一个元件的元件能耗的和；

第一处理单元，用于对所述目标管链的多组边界运行参数进行德洛内三角剖分处理，得到所述目标管链对应的多个单纯形；

第二处理单元，用于对所述目标管链对应的多个单纯形中的每个单纯形分别通过凸组合法进行线性化近似处理，得到每个单纯形对应的一组线性近似的边界运行参数，从而得到所述目标管链的多组线性近似的边界运行参数；

第二确定单元，用于基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定所述管网的最优能耗，以及在所述管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。

可选地，所述第二确定单元主要用于：

基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定所述管网的最优能耗；

基于所述管网的最优能耗和每条管链的多组线性近似的边界运行参数，确定在所述管网的能耗最优时每条管链的最优线性近似的边界运行参数；

基于在所述管网的能耗最优时每条管链的最优线性近似的边界运行参数，确定每条管链的最优管链运行方案。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中，通过获取管网中n个元件组成的拓扑结构，以及n个元件中每个元件的静参数和边界约束条件；基于该管网中每个节点的入度值和出度值，将该管网划分为m条管链，同时确定m条管链中相连管链之间的约束条件，以对管网的拓扑结构实现简化。基于每条管链包括的至少一个元件中每个元件的静参数和边界约束条件，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，进而基于每条管链的多种管链运行方案，以及相连管链之间的约束条件，按照线性化处理的方式，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。以便于该管网在每条管链的最优运行方案下运行时，实现能耗的降低，同时由于将该管网划分为单独管链进行处理，提高了运算效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种天然气管网运行方案的确定方法的流程图；

图2a是本发明实施例提供的另一种天然气管网运行方案的确定方法的流程图；

图2b是本发明实施例提供的一种天然气管网的拓扑结构示意图；

图2c是本发明实施例提供的一种天然气管网的管链结构示意图；

图3a是本发明实施例提供的第一种天然气管网运行方案的确定装置的结构示意图；

图3b是本发明实施例提供的第二种天然气管网运行方案的确定装置的结构示意图；

图3c是本发明实施例提供的第三种天然气管网运行方案的确定装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种天然气管网运行方案的确定方法的流程图。参见图1，该方法包括如下步骤。

步骤101：获取管网中n个元件组成的拓扑结构，以及n个元件中每个元件的静参数和边界约束条件，n为大于1的正整数。

步骤102：按照该拓扑结构将该管网划分为m条管链，并基于n个元件的边界约束条件确定m条管链中相连管链之间的约束条件，每条管链包括至少一个元件，m为大于或等于1的正整数。

步骤103：基于每条管链包括的至少一个元件的静参数和边界约束条件，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，每种管链运行方案包括该至少一个元件中每个元件的元件运行参数和元件能耗。

步骤104：基于每条管链的多种管链运行方案，以及相连管链之间的约束条件，按照线性化处理的方式，通过混合整数线性规划模型确定管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。

本发明实施例中，通过获取管网中n个元件组成的拓扑结构，以及n个元件中每个元件的静参数和边界约束条件；基于该管网中每个节点的入度值和出度值，将该管网划分为m条管链，同时确定m条管链中相连管链之间的约束条件，以对管网的拓扑结构实现简化。基于每条管链包括的至少一个元件中每个元件的静参数和边界约束条件，按照线性化处理的方式，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，进而基于每条管链的多种管链运行方案，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。以便于该管网在每条管链的最优运行方案下运行时，实现能耗的降低，同时由于将该管网划分为单独管链进行处理，提高了运算效率。

可选地，基于每条管链包括的至少一个元件的静参数和边界约束条件，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，包括：

对目标管链的起点边界约束条件中的压力范围以第一预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界压力，目标管链为m条管链中的任一条管链；

对目标管链的终点边界约束条件中的压力范围以第一预设步长进行离散化处理，得到多个终点边界压力；

对目标管链的起点边界约束条件中的温度范围以第二预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界温度；

对目标管链的起点边界约束条件中的流量范围以第三预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界流量；

将该多个起点边界压力、该多个终点边界压力、该多个起点边界温度和该多个起点边界流量进行组合，得到多组边界条件，每组边界条件包括一个起点边界压力、一个终点边界压力、一个起点边界温度和一个起点边界流量；

基于该多组边界条件，以及目标管链包括的每个元件的静参数和边界约束条件，沿目标管链的流向，确定目标管链在该多组边界条件下分别对应的管链运行方案，该管链运行方案是指在每组边界条件下目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

可选地，基于该多组边界条件，以及目标管链包括的每个元件的静参数和边界约束条件，沿目标管链的流向，确定目标管链在该多组边界条件下分别对应的管链运行方案，包括：

基于目标边界条件包括的起点边界压力、起点边界温度和起点边界流量，以及目标管链的流向上第一个元件的参数信息，确定第一个元件的至少一种元件运行方案；

其中，目标边界条件为该多组边界条件中的任一边界条件，当元件是管道时，参数信息为元件的静参数，当元件不是管道时，参数信息为元件的静参数和终点压力约束条件；

将第一个元件的至少一种元件运行方案中的每个元件运行方案包括的运行参数作为下一个元件的起点边界条件，基于该下一个元件的起点边界条件和参数信息，确定该下一个元件的至少一种元件运行方案；

当该下一个元件为目标管链的最后一个元件时，将目标管链中每个元件的至少一种元件运行方案进行组合，得到目标管链在目标边界条件下的多种管链运行方案，并从该多种管链运行方案中确定在目标边界条件下目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

可选地，基于每条管链的多种管链运行方案，以及相连管链之间的约束条件，按照线性化处理的方式，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案，包括：

将目标管链的每种管链运行方案包括的第一个元件的运行参数、最后一个元件的运行参数以及每种管链运行方案对应的管链能耗进行组合，得到每种管链运行方案对应的一组边界运行参数，从而得到目标管链的多组边界运行参数，目标管链为m条管链中的任一条管链，管链能耗为对应的一种管链运行方案包括的至少一个元件的元件能耗的和；

对目标管链的多组边界运行参数进行德洛内三角剖分处理，得到该目标管链对应的多个单纯形；

对目标管链对应的多个单纯形中的每个单纯形分别通过凸组合法进行线性化近似处理，得到每个单纯形对应的一组线性近似的边界运行参数，从而得到该目标管链的多组线性近似的边界运行参数；

基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。

可选地，基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案，包括：

基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗；

基于该管网的最优能耗和每条管链的多组线性近似的边界运行参数，确定在该管网的能耗最优时每条管链的最优线性近似的边界运行参数；

基于在该管网的能耗最优时每条管链的最优线性近似的边界运行参数，确定每条管链的最优管链运行方案。

上述所有可选技术方案，均可按照任意结合形成本发明的可选实施例，本发明实施例对此不再一一赘述。

图2a是本发明实施例提供的一种天然气管网运行方案的确定方法的流程图。参见图2a，该方法包括如下步骤。

步骤201：获取管网中n个元件组成的拓扑结构，以及n个元件中每个元件的静参数和边界约束条件，n为大于1的正整数。

为了实现对天然气的输送，该管网可以包括多种类型的元件，比如压气站和管道等。在天然气输送的过程中，可以通过压气站等为天然气加压，以保证天然气在经过管道、阀门等降压后，天然气的压力仍可以满足用户的需求。也即是，压气站等可以通过消耗电网的能量或者消耗天然气的热能，将电能或天然气的热能转换为天然气的压力能，在经过管段和阀门等对天然气的压力能能消耗之后，天然气的压力能能仍能满足用户的需求。因此，在确定该管网从电网获取的能耗，或者基于天然气的热能获取的能耗时，可以获取该管网所包括的n个元件组成的拓扑结构，以及每个元件的静参数和约束条件。

其中，当元件为压气站时，压气站的静参数可以包括压气站模型，比如压气站内每台压缩机的特性曲线等；压气站的约束条件可以包括每台压缩机的进气压力范围、排气压力范围、进气温度范围、进气流量范围等。当元件为管道时，管道的静参数可以包括管道模型，比如管道的坡度图、管壁粗糙度、管径和管段长度等。比如，获取的n个元件组成的拓扑结构可以如图2b所示，该拓扑结构中包括11座压气站，12条管道，1个阀门和22个节点。

需要说明的是，在获取管网中n个元件组成的拓扑结构时，还可以获取天然气的组分值，比如，天然气的组分值可以为甲烷的摩尔组分占95.38％，乙烷的摩尔组分含量占1.24％，硫化氢的摩尔组分含量占0.506％，氢气的摩尔组分占0.732％，氮气的摩尔组分占0.512％，二氧化碳的摩尔组分占1.63％。

步骤202：按照该拓扑结构将该管网划分为m条管链，并基于n个元件的边界约束条件确定m条管链中相连管链之间的约束条件。

在获取到该管网中n个元件组成的拓扑结构后，为了简化计算，提高计算效率，可以对管网的拓扑结构进行拆分。具体地，可以按照该管网中天然气的流向确定该拓扑结构中每个节点的入度值和出度值，当该节点的入度值大于1，或者该节点的出度值大于1时，基于该节点的入度值和出度值对该节点进行拆分，从而可以将该管网划分为m条管链，并确定m条管链中相连管链之间的约束条件。

其中，节点是指多个元件之间的连接点，节点的入度值是指沿管网的流向流入该节点的分支的数量，节点的出度值是指沿管网的流向从该节点流出的分支的数量。m条管链中的每条管链包括至少一个元件，m为大于或等于1的正整数。

继续上述举例，其中，节点1连接天然气的气源，节点22连接用户。从节点1至节点22，入度值大于1或出度值大于1的节点包括节点4、节点9、节点15、节点20，节点4的入度值为1出度值为2，则可以将节点4拆分为3个分支，即拆分为节点1到节点4、节点4至节点9和节点4至节点15；节点9的入度值为1出度值为2，则可以将节点9拆分为3个分支，即拆分为节点4至节点9、节点9至节点20和节点9至节点15；节点15的入度值为2出度值为1，则可以将节点15拆分为3个分支，即可以拆分为节点9至节点15、节点4至节点15和节点15至节点20；节点20的入度值为2出度值为1，则可以将节点20拆分为3个分支，既可以拆分为节点15值节点20、节点9至节点20和节点20至节点22。进而在拆分后，可以得到如图2c所示的7条管链。

以7条管链中相连的管链c、管链d和管链e为例，管链c、管链d和管链之间的约束条件可以为管链c的出口流量为管链c的进口流量与管链c的耗气量的差值，管链c的出口流量为管链e的进口流量与管链d的进口流量的和，管链c的出口压力、管链d的进口压力和管链e的进口压力均相同，管链c的出口温度、管链d的进口温度和管链e的进口温度均相同。

需要说明的是，在管网对天然气的输送过程中，只有压气站等消耗能量，也即是，该管网中，除了压气站等消耗能量的元件外，其他元件的能耗为0。因此，对于划分后的多条管链，当该多条管链中存在不包括消耗能量的元件的管链时，可以对该管链进行合并处理。比如，可以将上、下游节点相同且仅含有管段、气源及用户等的管链进行合并预处理为一条管链。

在将管网的拓扑结构拆分为多条管链后，可以基于每条管链包括的至少一个元件的静参数和边界约束条件，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，具体地，可以通过如下步骤203-步骤205实现，其中，每种管链运行方案包括该至少一个元件中每个元件的元件运行参数和元件能耗。

步骤203：对目标管链的起点边界约束条件中的压力范围、温度范围和流量范围，以及目标管链的终点边界约束条件中的终点压力范围分别进行离散化处理。

其中，目标管链是指m条管链中的任一条管链。

在基于目标管链的起点边界约束条件中的压力范围、温度范围和流量范围，以及目标管链的终点边界约束条件中的终点压力范围，确定目标管链的多个运行方案时，由于起点边界约束条件中的压力、温度和流量，终点边界约束条件中的压力均为连续范围，也即是该连续范围内可以有无穷多个起点边界压力、起点边界温度、起点边界流量和终点边界压力。因此，可以对目标管链的起点边界约束条件中的压力范围、温度范围和流量范围，以及终点边界约束条件中的终点压力范围分别进行离散化处理，以减少运算量，提高运算效率。其中，目标管链的起点边界约束条件中的压力范围、温度范围和流量范围可以为目标管链中第一元件的起点边界约束条件中的输入压力约束条件、输入温度约束条件和输入流量约束条件，目标管链的终点压力范围可以为目标管链中最后一个元件的终点边界约束条件中的输出压力约束条件。

具体地，可以对目标管链的起点边界约束条件中的压力范围以第一预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界压力，对目标管链的终点边界约束条件中的压力范围以第一预设步长进行离散化处理，得到多个终点边界压力，可以对目标管链的起点边界约束条件中的温度范围以第二预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界温度；可以对目标管链的起点边界约束条件中的流量范围以第三预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界流量。

其中，第一预设步长可以为0.01mpa(兆帕)、0.02mpa、0.05mpa或0.1mpa等，第二预设步长可以为0.2℃(摄氏度)、0.5℃或1℃等，第三预设步长可以为50m³/s(立方米每秒)、100m³/s或200m³/s等。

比如，当温度范围为15～25℃时，假设第二离散步长为1℃，则离散后的起点边界温度可以为15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃和25℃共11个起点边界温度。

需要说明的是，在对目标管链的起点边界约束条件和终点边界约束条件进行离散化处理时，还可以对目标管链中的每个耗能元件的终点边界约束条件中的输出压力约束条件基于第一预设步长进行离散化处理，也即是，对压气站的输出压力约束条件基于第一预设步长进行离散化处理，从而得到压气站的多个输出压力。

步骤204：将该多个起点边界压力、该多个终点边界压力、该多个起点边界温度和该多个起点边界流量进行组合，得到多组边界条件。

基于目标管链对天然气进行输送时，只要目标管链的边界条件满足起点压力范围、终点压力范围、起点温度范围和起点流量范围，就可以实现对天然气的输送。因此，对于离散后得到的多个起点边界压力、多个终点边界压力、多个起点边界温度和起点边界流量，可以进行随机组合从而得到多组边界条件。其中，每组边界条件包括一个起点边界压力、一个起点边界温度和一个起点边界流量。

步骤205：基于该多组边界条件，以及目标管链包括的每个元件的静参数和边界约束条件，沿目标管链的流向，确定目标管链在该多组边界条件下分别对应的管链运行方案。

其中，管链运行方案是指在每组边界条件下目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

由于目标管链中可能包括至少一个元件，且每个元件的边界约束条件可能不同，因此，在确定目标管链的多个运行方案时，可以通过动态规划法，沿目标管链的流向，基于每个元件的边界约束条件按照如下步骤(1)-(3)确定目标管链在该多组边界条件下分别对应管链运行方案。

(1)基于目标边界条件包括的起点边界压力、起点边界温度和起点边界流量，以及目标管链的流向上第一个元件的参数信息，确定第一个元件的至少一种元件运行方案。

由于目标管链的第一个元件可能为管道或压气站等，接下来分别对这两种情况进行详细介绍。其中，目标边界条件为该多组边界条件中的任一边界条件，当元件是管道时，参数信息为元件的静参数，当元件不是管道时，参数信息为元件的静参数和终点压力约束条件。

第一种情况，当第一个元件为管道时，可以基于目标边界条件包括的起点边界压力、起点边界温度和起点边界流量，以及该管道的静参数，确定该管道的运行参数。

在确定管道的运行参数前，可以将目标边界条件包括的起点边界压力、起点边界温度和起点边界流量分别作为管道的输入压力、输入温度和输入流量，并基于上述步骤201获取的天然气的组分值，确定天然气的物性参数，比如，天然气的密度、粘度等。

进而，在一种可能的实现方式中，可以基于天然气的物性参数中的密度和粘度、管道的静参数中的管径和管道长度，以及输入流量，按照如下公式(1)确定管道的雷诺数，进而基于雷诺数与阻力系数之间的关系曲线确定管道的阻力系数，之后，基于天然气的密度、流量、管道的管径、长度和阻力系数，按照如下公式(2)确定目标管道的运行参数。

其中，在上述公式(1)中，re是指管道内天然气的雷诺数，ρ是指天然气的密度，q是指天然气的输入流量，μ是指天然气的粘度。在上述公式(2)中，δp是指管道起点到终点的压降值，λ是指管道的阻力系数，ρ是指天然气的密度，l是指管道的长度，q是指天然气的输入流量，d是指管道的管径，π是指常数，取3.14。

在确定了管道的输出压力之后，可以基于管道的输入压力、输入温度、输入流量和输出压力确定管道的输出温度和输出流量。其中，基于管道的输入压力、输入温度、输入流量和输出压力确定管道的输出温度和输出流量的方法可以参考相关技术，本发明实施例对此不做详细描述。

第二种情况，当第一个元件为压气站时，可以将目标边界条件包括的起点边界压力、起点边界温度和起点边界流量分别作为压气站的输入压力、输入温度和输入流量，并基于压气站的输入压力、输入温度和输入流量，以及该压气站的参数信息，确定该压气站的运行参数。

由于压气站内可能包括至少一台压缩机，因此，在确定压气站的运行参数时，可以先确定该至少一台压缩机的运行参数，进而将该至少一台压缩机的运行参数确定为压气站的运行参数。

对于该至少一台压缩机中的第一台压缩机的运行参数，在一种可能的实现方式中，可以基于上述步骤201获取的天然气的组分值，以及压气站的输入压力、输入温度和输入流量确定天然气的物性参数，比如，天然气的密度、粘度、压缩因子和绝热指数等。进而，可以基于压气站的输入压力、输入温度和输入流量，以及上述步骤203离散化得到的第一台压缩机的多个输出压力中的每个输出压力，天然气的物性参数，按照如下公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)、公式(7)、公式(8)、公式(9)，确定第一台压缩机的运行参数。

h＝a1q²+a2q·n+a3n²(3)

其中，在上述公式(3)中，h是指压缩机的压头，q是指压缩机的输入流量，a1、a2和a3是指压缩机的性能相关系数，n是指压缩机的转速。在上述公式(4)中，η是指压缩机的效率，b0、b1、b2和b3是指压缩机的性能相关系数。在上述公式(5)中，n是指压缩机的能耗，ρ1是指压缩机进口天然气的密度。在上述公式(6)中，t2是指压缩机的输出温度，t1是指压缩机的输入温度，p2是指压缩机的输出压力，p1是指压缩机的输入压力，mt是指天然气的温度影响因子。在上述公式(7)中，mv是指天然气的体积影响因子，z1是指天然气的压缩因子，r是指气体常数，g是指重力加速度，取常数9.8m²/s。在上述公式(8)中，kt是指天然气的绝热指数。在上述公式(9)中，mv是指天然气的体积影响因子，ρ2是指压缩机出口天然气的密度。

在确定了第一台压缩机的运行参数后，可以将第一台压缩机的运行参数中的输出压力、输出温度和输入流量作为下一台压缩机的起点边界条件，进而基于天然气的组分值，以及下一台压缩机的起点边界条件和参数信息，基于上述所述方法确定下一台压缩机的运行参数。当下一台压缩机为压气站的最后一台压缩机时，则可以确定压气站的至少一种元件运行方案。

(2)将第一个元件的至少一种元件运行方案中的每个元件运行方案包括的运行参数作为下一个元件的起点边界条件，基于该下一个元件的起点边界条件和参数信息，确定该下一个元件的至少一种元件运行方案。

在确定了目标管链中的第一个元件的至少一种元件运行方案后，对于每个元件运行方案，可以将该运行方案包括的元件的运行参数中的输出压力、输出温度和输入流量确定为下一个元件的起点边界条件，进而基于天然气的组分值、下一个元件的起点边界条件下一个元件的参数信息，确定下一个元件的至少一种元件运行方案。

具体地，当下一个元件为管道时，可以通过上述步骤(1)中的第一种情况确定管道的运行参数；当下一个元件为压气站时，可以通过上述步骤(1)中的第二种情况确定压气站的至少一种元件运行方案。

(3)当该下一个元件为目标管链的最后一个元件时，将目标管链中每个元件的至少一种元件运行方案进行组合，得到目标管链在目标边界条件下的多种管链运行方案，并从该多种管链运行方案中确定在目标边界条件下目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

在确定了该下一个元件的至少一种元件运行方案后，当该下一个元件为目标管连的最后一个元件时，由于目标管连中的第一个元件的至少一种元件运行方案中的每个元件运行方案对应第二个元件的至少一种元件运行方案，第二个元件的至少一种元件运行方案中的每个元件运行方案对应下一个元件的至少一种元件运行方案，因此，可以将第一个元件的一种元件运行方案，第一个元件的一种元件运行方案对应的第二元件的一种元件运行方案，以及第二元件的一种元件运行方案对应的下一个元件的一种元件运行方案，确定为目标管链的运行方案，从而得到目标管链在目标边界条件下的多种管链运行方案。之后，基于目标条件下每种管链运行方案的管链能耗确定在目标边界条件下目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

在确定了m条管链中每条管链的多种管链运行方案后，由于每条管链的多种管链运行参数之间存在非线性相关，因此，为了便于确定管网的最优能耗，可以基于每条管链的多种管链运行方案，以及步骤202中确定的相连管链之间的约束条件，按照如下步骤206-步骤209，按照线性化处理的方式，通过混合整数线性规划模型确定管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。

步骤206：将目标管链的每种管链运行方案包括的第一个元件的运行参数、最后一个元件的运行参数以及每种管链运行方案对应的管链能耗进行组合，得到每种管链运行方案对应的一组边界运行参数，从而得到目标管链的多组边界运行参数，管链能耗为对应的一种管链运行方案包括的至少一个元件的元件能耗的和。

由于相连管链之间的约束条件，可以基于每条管链的边界条件进行确定，因此，在确定管网的最优能耗之前，可以将目标管链的每种管链运行方案包括的第一个元件的运行参数包括的起点边界压力、起点边界温度和起点边界流量，最后一个元件的运行参数包括的终点边界压力，以及该管链运行方案对应的管链能耗进行组合，得到每种管链运行方案对应的一组边界运行参数，进而得到目标管链的多组边界运行参数。

步骤207：对目标管链的多组边界运行参数进行线性化处理。

由于目标管链的每组边界运行参数中包括的起点边界压力、起点边界温度、起点边界流量和终点边界压力是分别通过对起点压力范围、终点压力范围、起点温度范围和起点流量范围分别进行离散化处理得到的，因此，可以对目标管链的多组运行参数进行线性化处理。具体地，在一种可能的实现方式中，可以对目标管链的多组边界运行参数进行德洛内三角剖分处理，得到该目标管链对应的多个单纯形，进而对每个单纯形分别通过凸组合法进行线性化近似处理，得到每个单纯形对应的一组线性近似的边界运行参数，从而得到该目标管链的多组线性近似的边界运行参数。

其中，为了提高该多组边界运行参数线性化的准确度，在对该多组边界运行参数线性化处理之前，可以通过德诺内三角剖分将该多组边界运行参数连接成由一系列单纯性组成的凸面体，也即是对该多组边界运行参数组成的凸面体进行三角剖分，得到多个单纯形。进而对于每个单纯形，对该单纯形的包括的至少一组边界运行参数，按照如下公式(10)、公式(11)、公式(12)、公式(13)、公式(14)、公式(15)进行线性化处理，得到每个单纯形对应的一组线性近似的边界运行参数，从而得到该目标管链的多组线性近似的边界运行参数。其中，每个单纯形可以为经过四维剖分得到的凸五面体，也即是由五组边界运行参数组成的凸五面体。

其中，在上述公式(10)中，pa是指线性近似的起点边界压力，pai是指第i组边界运行参数中的起点边界压力，λi是指第i组边界运行参数的凸组合系数，λ是指边界运行参数的组数。在上述公式(11)中，ta是指线性近似的起点边界温度，tai是指第i组边界运行参数中的起点边界温度。在上述公式(12)中，pb是指线性近似的终点边界压力，pbi是指第i组边界运行参数中的终点边界压。在上述公式(13)中，tb是指线性近似的终点边界温度，tbi是指第i组边界运行参数中的终点边界温度。在上述公式(14)中，q是指线性近似的起点边界流量，qi是指第i组边界运行参数中的起点边界流量。在上述公式(15)中，n是指线性近似的管链能耗，ni是指第i组边界运行参数中的管链能耗。其中，λi满足如下公式(16)

进一步地，由于凸组合法是对德诺内三角剖分后的单纯形进行线性化处理，因此，在进行凸组合时，为了提高线性化近似的精度，可以在每次线性化近似时只采用一个单纯形的顶点。比如，对于每个单纯形，可以引入一个0-1的变量yj，当对该单纯形线性化近似时时，yj＝1，当对其他单纯形线性化近似时，yj＝0。则对目标管链的多组边界运行参数进行线性化近似时，还应该增如下公式(17)、公式(18)、公式(19)三个线性约束条件。

其中，在上述公式(17)中，y是指单纯形的个数，j是指第j个单纯形，yj是指第j个单纯形线性化处理时的影响因子。在上述公式(18)中，yj是指第j个单纯形线性化处理时的影响因子，k是指第j个单纯形包括的第k组边界运行参数，ψj是指第j个单纯形包括的边界运行参数的组数，λk是指第k组边界运行参数的凸组合系数。在上述公式(19)中，

步骤208：基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。

具体地，基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，基于该管网的最优能耗和每条管链的多组线性近似的边界运行参数，确定在该管网的能耗最优时每条管链的最优线性近似的边界运行参数，基于在该管网的能耗最优时每条管链的最优线性近似的边界运行参数，确定每条管链的最优管链运行方案。

其中，对于通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，可以通过scip(solvingconstraintintegerprograms，解决约束规划和整数规划)等求解器确定该管网的最优能耗，当然也可以通过milp(mixedintegerlinearprogramming，混合整数线性规划)求解算法确定该管网的最优能耗。比如，在通过milp求解算法确定该管网的最优能耗时，可以通过分支定界法确定该管网的最优能耗。在一种可能的实现方式中，对于该管网包括的m条管链中的第一条管链的多种管链运行方案进行分支，基于相连管链之间的约束条件，确定每种管链运行方案对应的与第一条管链相连的至少一条管链的可能的管链运行方案，进而对至少一条管链中的每条管链可能的管链运行方案进行分支，从而得到多条分支。分别确定该多条分支中每条分支的对应的该管网的能耗，得到多个管网能耗，进而从该多个管网能耗中确定该管网的最优能耗。

在确定了该管网的最优能耗后，将该最优能耗对应的一条分支中包括的每条管链的线性近似的边界运行参数确定为该管网中每条管链的最优线性近似的边界运行参数。进而基于每条管链的最优线性近似的边界运行参数，从该管链的多个管链运行方案中查找对应的管链运行方案，并将该管链运行方案确定为该管链的最优管链运行方案。

需要说明的是，当基于每条管链的最优线性近似的边界运行参数，从该管链的多个管链运行方案中未查找到对应的管链运行方案时，可以将该条管链的最优线性近似的边界运行参数确定为该条管链的目标边界条件，进而通过上述步骤205所述的方法，确定该条管链的多种管链运行方案，并将该多种管链运行方案中管链能耗最优时对应的管链运行方案确定为该条管链的最优管链运行方案。

本发明实施例中，通过获取管网中n个元件组成的拓扑结构，以及n个元件中每个元件的静参数和边界约束条件；基于该管网中每个节点的入度值和出度值，将该管网划分为m条管链，同时确定m条管链中相连管链之间的约束条件，以缩小管网计算规模、提高计算效率、简化求解问题。基于每条管链包括的至少一个元件中每个元件的静参数和边界约束条件，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，进而基于每条管链的多种管链运行方案确定该条管链的多组边界运行参数，通过德诺内三角剖分法和凸组合法对该多组边界运行参数进行线性化处理，以将复杂的非线性规划转化为容易求解的线性规划，有效降低近似造成的误差。之后，基于线性化处理后的每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。以便于该管网在每条管链的最优运行方案下运行时，实现能耗的降低。由于不需要对每条管道和每座压气站都进行线性化，只需要对整条管链进行线性化，因此大幅度的提高了计算效率，减小了计算误差。

图3a是本发明实施例提供的一种天然气管网运行方案的确定装置的结构示意图。参见图3a，该装置包括：

获取模块301，用于获取管网中n个元件组成的拓扑结构，以及该n个元件中每个元件的静参数和边界约束条件，该n为大于1的正整数；

第一确定模块302，用于按照该拓扑结构将该管网划分为m条管链，并基于该n个元件的边界约束条件确定该m条管链中相连管链之间的约束条件，每条管链包括至少一个元件，该m为大于或等于1的正整数；

第二确定模块303，用于基于每条管链包括的至少一个元件的静参数和边界约束条件，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，每种管链运行方案包括该至少一个元件中每个元件的元件运行参数和元件能耗；

第三确定模块304，用于基于每条管链的多种管链运行方案，以及相连管链之间的约束条件，按照线性化处理的方式，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。

可选地，参见图3b，第二确定模块303包括：

第一离散单元3031，用于对目标管链的起点边界约束条件中的压力范围以第一预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界压力，目标管链为该m条管链中的任一条管链；

第二离散单元3032，用于对目标管链的终点边界约束条件中的压力范围以第一预设步长进行离散化处理，得到多个终点边界压力；

第三离散单元3033，用于对目标管链的起点边界约束条件中的温度范围以第二预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界温度；

第四离散单元3034，用于对目标管链的起点边界约束条件中的流量范围以第三预设步长进行离散化处理，得到多个起点边界流量；

第一组合单元3035，用于将该多个起点边界压力、该多个终点边界压力、该多个起点边界温度和该多个起点边界流量进行组合，得到多组边界条件，每组边界条件包括一个起点边界压力、一个终点边界压力、一个起点边界温度和一个起点边界流量；

第一确定单元3036，用于基于该多组边界条件，以及目标管链包括的每个元件的静参数和边界约束条件，沿目标管链的流向，确定目标管链在该多组边界条件下分别对应的管链运行方案，该管链运行方案是指在每组边界条件下目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

可选地，第一确定单元3035主要用于：

基于目标边界条件包括的起点边界压力、起点边界温度和起点边界流量，以及目标管链的流向上第一个元件的参数信息，确定第一个元件的至少一种元件运行方案；

其中，目标边界条件为该多组边界条件中的任一边界条件，当元件是管道时，参数信息为元件的静参数，当元件不是管道时，参数信息为元件的静参数和终点压力约束条件；

将第一个元件的至少一种元件运行方案中的每个元件运行方案包括的运行参数作为下一个元件的起点边界条件，基于该下一个元件的起点边界条件和参数信息，确定该下一个元件的至少一种元件运行方案；

当该下一个元件为目标管链的最后一个元件时，将目标管链中每个元件的至少一种元件运行方案进行组合，得到目标管链在目标边界条件下的多种管链运行方案，并从该多种管链运行方案中确定在目标边界条件下目标管链中每个元件的元件能耗和最小时的管链运行方案。

可选地，参见图3c，第三确定模块304包括：

第二组合单元3041，用于将目标管链的每种管链运行方案包括的第一个元件的运行参数、最后一个元件的运行参数以及每种管链运行方案对应的管链能耗进行组合，得到每种管链运行方案对应的一组边界运行参数，从而得到目标管链的多组边界运行参数，目标管链为该m条管链中的任一条管链，管链能耗为对应的一种管链运行方案包括的至少一个元件的元件能耗的和；

第一处理单元3042，用于对目标管链的多组边界运行参数进行德洛内三角剖分处理，得到该目标管链对应的多个单纯形；

第二处理单元3043，用于对目标管链对应的多个单纯形中的每个单纯形分别通过凸组合法进行线性化近似处理，得到每个单纯形对应的一组线性近似的边界运行参数，从而得到目标管链的多组线性近似的边界运行参数；

第二确定单元3044，用于基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。

可选地，第二确定单元主3044要用于：

基于每条管链的多组线性近似的边界运行参数，以及相连管链之间的约束条件，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗；

基于该管网的最优能耗和每条管链的多组线性近似的边界运行参数，确定在该管网的能耗最优时每条管链的最优线性近似的边界运行参数；

基于在该管网的能耗最优时每条管链的最优线性近似的边界运行参数，确定每条管链的最优管链运行方案。

本发明实施例中，通过获取管网中n个元件组成的拓扑结构，以及n个元件中每个元件的静参数和边界约束条件；基于该管网中每个节点的入度值和出度值，将该管网划分为m条管链，同时确定m条管链中相连管链之间的约束条件，以对管网的拓扑结构实现简化。基于每条管链包括的至少一个元件中每个元件的静参数和边界约束条件，通过动态规划法分别确定每条管链的多种管链运行方案，进而基于每条管链的多种管链运行方案，以及相连管链之间的约束条件，按照线性化处理的方式，通过混合整数线性规划模型确定该管网的最优能耗，以及在该管网的能耗最优时每条管链的最优运行方案。以便于该管网在每条管链的最优运行方案下运行时，实现能耗的降低，同时由于将该管网划分为单独管链进行处理，提高了运算效率。

需要说明的是：上述实施例提供的天然气管网运行方案的确定装置在确定天然气管网运行方案时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的天然气管网运行方案的确定装置与天然气管网运行方案的确定方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。