一种基于能量计量的多气源管网运行调度优化方法

本发明涉及多气源管网运行优化领域，具体涉及一种基于能量计量的多气源管网运行调度优化方法。

背景技术：

1、随着天然气管网规模扩大，天然气贸易交流更加频繁，天然气管网上游气源和下游用户逐渐多样化，传统的体积计量不足以解决管网集中调控遇到的诸多复杂问题，也不能反映用户对气质的要求。能量计量是以天然气能量作为结算单位的一种计量方式，是在体积计量的基础上，同时测量天然气的热值，通过单位体积的热值含量和体积量计算出流经管道的天然气总能量。天然气作为一种清洁能源，其最大的价值就体现在燃烧所产生的热量，而天然气是一种含有多种组分的混合气体，不同地区天然气的热值不同，同一用户的来自不同气源的天然气热值可能也不同。因此，为发挥天然气的商品价值，有必要建立能量计量体系。目前，国际天然气贸易，包括管输天然气和液化天然气(lng)贸易以及天然气现货、期货和期权交易中，均用能量作天然气的计量单位，这也是我国未来天然气交易计量的发展趋势。

2、在全国“一张网”的趋势下，管网供气方案逐渐多样化，使用能量计量可以更好的表示用户对天然气气质的满意度，但仍然面临在能量计量下如何优化管网运行方案的问题，即确保在满足用户用气需求的前提下，最大限度地降低管网运行成本，提高运营利润。因此，在能量计量体系下如何合理选择各气源及其供应量，制定运营方案，提高运营利润显得十分迫切和重要。

3、综上，本发明提供一种基于能量计量的多气源管网运行调度优化方法，考虑不同气源间气质、热值、气价、供气能力间的差异以及不同用户的气质、气量需求不同等影响因素，开展能量计量体系下多气源管网运行优化研究，对推动天然气能量计量体系的有序、快速、高效、可控地建立起到了积极作用，为解决实施能量计量体系后多气源管网一体化运营的关键问题提供有力支撑，对保障国民经济和社会发展的能源安全具有重要意义，促进了整个天然气产业链的整合与升级。

技术实现思路

1、针对能量计量下多气源管网运行方案优化的问题，本发明提出了一种基于能量计量的多气源管网运行调度优化方法，该方法能够得到满足用户用气需求与经济性的多气源管网运行调度方案，对多气源管网运行调度具有一定的指导意义。

2、为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供的一种基于能量计量的多气源管网运行调度优化方法，包括：

4、s1：根据多气源管网结构参数，将管网划分为具有不同节点的多气源管网；

5、s2：根据多气源管网结构参数、气源气质参数、天然气购销参数、用户需求参数，构建基于能量计量的多气源管网运行调度优化模型的约束条件；

6、s3：根据约束条件及多目标函数运营利润最大化与用户满意度最大化构建基于能量计量的多气源管网运行调度优化模型；

7、s4：求解基于能量计量的多气源管网运行调度优化模型输出多气源管网运行调度优化结果。

8、进一步的，本发明采用的能量计价方式主要根据基准热值，通过现行体积价格进行计量单位的形式转换；同时，转换过程中还将引入价格波动系数，表征各地、各用户交易时实际天然气的热值与国家发布的热值标杆之间的差异引起的价格波动；

9、所述的波动系数w为：

10、

11、式中，w为天然气价格波动系数；hact为实际天然气热值；h0天然气价格从体积计价转换为能量计价的基准热值；

12、所述的能量计量下天然气销售价格fsell、购买价格fpurchase及运输价格fpipe转换公式为：

13、

14、

15、

16、式中，fsell为能量计量下天然气销售价格；fv，sell为体积计量下的天然气销售价格；fpurchase为能量计量下天然气购买价格；fv，purchase为体积计量下的天然气购买价格；fpipe为能量计量下天然气购买价格；fv，pipe为体积计量下的天然气购买价格。

17、进一步的，在所述步骤s1前，还需要获取目标管网的结构参数、气源供气参数、天然气购销参数、用户需求参数；

18、所述的管网结构参数包括气源位置、用户位置、压气站位置、管道长度；

19、所述的气源供气参数包括：气源供气压力、供气能力边界、气源气质参数；

20、所述的天然气购销参数包括：天然气购气价格、天然气管输价格、天然气销售价格；

21、所述的用户需求参数包括：用户气量需求、用户气质需求。

22、进一步的，步骤s1中所述的节点包括：气源节点、用户节点、管道节点、压气站节点；

23、所述的气源节点用于表示具有供气能力的气源；

24、所述的用户节点用于表示下游用户；

25、所述的管道节点用于表示连接各类节点的管道；

26、所述的压气站节点用于表示具有增压功能的压气站。

27、进一步的，步骤s2中所述的约束包括气体压力约束、气体流量约束、压缩机约束、天然气气质约束；

28、所述的气体压力约束包括用户节点压降约束、压力约束、管道压力约束；

29、所述的用户节点压降约束指的是以体积流量表示的基本压降公式，约束关系式为：

30、

31、式中，qi,e为节点i-元件e管段内天然气的体积流量；di,e为节点i-元件e管段的管段内径；pi|(i,e)为节点i-元件e管段的起点压力；pe|(i,e)为节点i-元件e管段的终点压力；z为天然气压缩因子；δ为天然气相对密度；ti,e为节点i-元件e管段内页岩气平均热力学温度；li,e为节点i-元件e管段的管道长度；

32、所述的用户节点压力约束指的是用户节点u的压力应满足用户最低需求压力，约束关系式为：

33、

34、式中，为用户节点u的最低需求压力；pu为用户节点u的压力；

35、所述的管道压力约束指的是管道节点l压力应在最小允许运行压力和最大允许运行压力之间，约束关系式为：

36、plmin≤pl≤plmax

37、式中，pl为管道节点l的运行压力；为管道节点l的最小运行压力；为管道节点l的最大允许运行压力；

38、所述的气体流量约束包括节点流量平衡约束、气源节点流量约束和需求节点流量约束；

39、所述的节点流量平衡约束指的是流入节点i的流量之和应与流出节点i的流量之和相等，约束关系式为：

40、

41、式中，qi为节点i的流量；βie为节点i与元件e之间的连接关系系数；qe为元件e的流量；

42、所述的气源节点流量约束指的是气源节点g的流量受到供气能力约束，约束关系式为：

43、

44、式中，为气源节点g的供气能力下界；qg为气源节点g的供气量；为气源节点g的供气能力上界；

45、所述的用户节点流量平衡约束指的是用户节点u的流量应满足节点用户最小需求气量，约束关系式为：

46、

47、式中，为用户节点u的需求流量；qu为用户节点u的注入流量；

48、所述的压缩机约束包括进气压力约束、排气压力约束、压比约束、转速约束、进气流量约束、运行功率约束、开机台数约束；

49、所述的进气压力约束指的是压气站节点c中压缩机j的进气压力应大于最小进气压力，约束关系式为：

50、

51、式中，为压气站节点c中压缩机j允许的最小进气压力；为压气站节点c中压缩机j的进气压力；

52、所述的排气压力约束指的是压气站节点c中压缩机j的排气压力应小于最大排气压力，约束关系式为：

53、

54、式中，为压气站节点c中压缩机j的排气压力；为压气站节点c中压缩机j允许的最大排气压力；

55、所述的压比约束关系式为：

56、

57、式中，εc,j为压气站节点c中压缩机j的压缩比；

58、若压比εc,j大于1，则需要运行压缩机j进行增压，压缩机运行变量bc,j＝1，压缩机j运行功率nc,j赋正值；若压比εc,j小于等于1，压缩机j运行变量bc,j＝0，压缩机停止运行，压缩机j运行功率nc,j为0，所述的压缩机功率计算公式为：

59、

60、式中，nc,j为压气站节点c中处压缩机j的运行功率；k为气体比热，为压缩机j吸气条件下的气体压缩因子；为压缩机j排气条件下的气体压缩因子；ηc,j为压气站节点c中处压缩机j的效率；

61、所述的压缩机运行功率约束指的是压缩机j的运行功率应在允许的最小运行功率和最大运行功率之间，约束关系式为：

62、

63、式中，为压气站节点c中压缩机j允许的最小运行功率；nc,j为压气站节点c中压缩机j的运行功率；为压气站节点c中压缩机j允许的最大运行功率；

64、所述的压缩机转速约束指的是压缩机j的转速应在允许的最小转速和最大转速之间，约束关系式为：

65、

66、式中，为压气站节点c中压缩机j允许的最小转速；rc,j为压气站节点c中压缩机j的转速；为压气站节点c中压缩机j允许的最大转速；

67、所述的压缩机进气流量约束指的是压缩机j的进气流量应在允许的最小进气流量和最大进气流量之间，约束关系式为：

68、

69、

70、

71、式中，为压气站节点c中压缩机j允许的最小进气流量；qc,j为压气站节点c中压缩机j的进气流量；为压气站节点c中压缩机j允许的最大进气流量；asu、bsu、csu、ast、bst、cst为压缩机特性参数；

72、所述的开机台数约束指的是压气站节点c内压缩机开机台数小于压气站配备的压缩机数量，约束关系式为：

73、

74、式中，δc,j为压气站节点c的压缩机j开机变量；χc为压气站节点c内压缩机数量；

75、所述的天然气气质约束包括互换性约束、用户节点热值约束、用户节点组分含量约束；

76、所述的互换性约束指的是多气源混合供应时，混输的天然气需满足标准中的互换性要求，本发明通过设置气源节点g的供气比例系数xg约束各气源供气比例实现，约束关系式为：

77、

78、式中，为气源节点g的供气比例下界；xg为气源节点g的供气比例；为气源节点g的供气比例上界；

79、所述的用户节点热值约束指的是用户节点u处天然气热值必须大于所要求的最低天然气热值，约束关系为：

80、

81、式中，为用户节点u要求的最低天然气热值；hu为用户节点u处接收天然气的热值；

82、所述的用户节点甲烷含量约束指的是用户节点u处天然气甲烷含量必须大于所要求的的最低甲烷含量，约束关系式为：

83、

84、式中，为用户节点u要求的最低甲烷含量；为用户节点u处接收天然气的甲烷含量。

85、进一步的，步骤s3中所述的目标函数分别为运营利润最大化和用户满意度最大化；

86、所述的目标函数一运营利润最大化由售气收益、购气成本、管输成本和压气站运行费用组成，目标函数关系式如下：

87、maxf1＝ssell-spurchase-spipe-scompreesor

88、式中，f1为能量计量下管网运营利润；ssell为能量计量下天然气售气总收益；spurchase为能量计量下天然气购气总成本；spipe为管输总成本；scompressor为压气站运行成本；

89、所述的能量计量下的天然气售气总收益定义为营销商将上游购买的天然气向下游用户销售获得的收益，关系式如下：

90、

91、式中，为能量计量下用户节点u处天然气售气价格；hu为用户节点u处天然气热值；qu为用户节点u处天然气下气量；

92、所述的能量计量下的购气成本定义为营销商从上游供应商购气的成本，关系式如下：

93、

94、式中，为能量计量下气源节点g处天然气购气价格；hg为气源节点g处天然气热值；qg为气源节点g处天然气注入量；

95、所述的管输总成本定义为天然气通过管道输送至站场产生的费用，关系式如下：

96、

97、式中，为能量计量下管道节点l的管输费率；ql为管道节点l的管输流量；li,e为节点i-元件e的管道长度；hi为管道上游节点i的天然气热值；he为管道下游元件e的天然气热值；

98、所述的压气站运行成本定义为压气站节点内压缩机的运行成本，关系式如下：

99、

100、式中，wc,j为压气站节点c中压缩机j的耗电量；fc,j为压气站节点c中压缩机j的单位能耗价格；

101、本发明以热值含量指标αu和甲烷含量指标γu衡量用户节点u对气质的满意度，其中热值指标αu表示实际来气热值与合同要求热值之间的差异；甲烷含量指标γu表示实际来气甲烷含量与合同要求甲烷含量之间的差异，关系式如下：

102、

103、

104、式中，为用户节点u合同要求热值；为用户节点u实际来气热值；(ch4)为用户节点u合同要求的甲烷含量；(ch4)为用户节点u实际来气的甲烷含量；

105、所述的目标函数二为用户满意度最大化，即要求热值含量指标和甲烷含量指标两项指标总和最小，目标函数关系式如下：

106、

107、式中，yu为未达标的用户节点u的数量总和。

108、进一步的，步骤s4中求解多目标优化模型采用ε-约束法处理多目标函数，即根据不同目标的优先级和用户、营销商的偏好程度来选择主优化目标，将次优化目标转化为约束条件，在此基础上将多目标优化模型转化为单目标优化模型，关系式如下：

109、

110、式中，x为模型优化变量；f1(x)为主目标函数；f2(x)为次目标函数；ζ为单一目标模型中约束下界；h(x)为等式约束；g(x)为不等式约束；

111、所述的单一目标模型中约束下界ζ在求解过程中可反复调整试算，每次求解单目标模型，可得到双目标模型的帕累托最优解；最后，通过求解一定数量的单目标模型，得到双目标模型的帕累托解集。

112、进一步的，步骤s4中所述的多气源管网运行调度优化结果包括：管网运营成本、运营利润、售气收益、用户满意度、气源供气量、压气站增压方案。

113、综上所述，本发明提供的一种基于能量计量的多气源管网运行调度优化方法：根据多气源管网结构参数，将管网划分为具有气源节点、用户节点、管道节点及压气站节点的多气源集输管网；根据多气源管网结构参数、气源气质参数、用户需求参数，构建基于能量计量的多气源管网运行调度优化模型的约束条件；根据约束条件及多目标函数运营利润最大化与用户满意度最大化构建基于能量计量的多气源管网运行调度优化模型；根据不同目标的优先级和用户、营销商的偏好程度来选择主优化目标，基于ε-约束法将次优化目标转化为约束条件，在此基础上将多目标优化模型转化为单目标优化模型，并对模型进行求解，输出多气源管网运行调度优化结果。现有研究大多集中于研究体积计量体系下的多气源管网运营的相关优化问题，而实施能量计量体系后会对运营利润产生明显影响，不同于传统体积计量下运行优化问题，能量计量下天然气的购运销价格与天然气的热值紧密相关，同时需考虑不同用户对天然气气质的需求。本发明聚集于能量计量视角下多气源管网运行方案优化的问题，考虑不同气源间气质、热值、气价、供气能力间的差异以及不同用户的气质、气量需求不同等影响因素，以运营利润最大化与用户满意度最大化为多目标函数建立多气源管网运行优化模型；该模型能够根据不同目标的优先级和用户、营销商的偏好程度来选择主优化目标，基于ε-约束法将次优化目标转化为约束条件，强化优化方案的实用性。