一种加快天然气管网瞬态仿真速度的方法及系统

本发明属于天然气管网控制，尤其涉及一种加快天然气管网瞬态仿真速度的方法及系统。

背景技术：

1、输气管网是天然气系统的重要组成部分，对于天然气系统仿真的关键在于对输气管网气体动态流动过程的仿真。通过建立输气网络的动态仿真模型并进行求解，能够模拟给定条件下的天然气系统动态运行状况，并预测未来一段时间系统节点气压和管道流量等状态量的变化。输气网络的动态仿真结果可以为天然气系统的优化运行提供参考，为工程实践提供理论依据。为使模型能更有效地应用于系统的优化运行研究，就需要采用合理方法对输气网络动态仿真模型进行快速准确求解，以提高规划运行效率，否则求解速度过慢，精度过低，模型就会失去实际的应用价值。管道系统的复杂性和大规模性质导致仿真需要大量时间完成，特别是在需要高时间分辨率的情况下。现代计算硬件通常具有多核处理器和大内存，但串行仿真未能充分利用这些资源。对于大规模管网，串行仿真可能根本无法应对。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述或现有的模型资源利用不足，计算时间长、预测不准确的问题，提出了本发明。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种加快天然气管网瞬态仿真速度的方法，其特征在于，包括：确定瞬态仿真目标，收集和整理管网的地理数据、管道属性和运行数据；创建管网的仿真模型，包括管道、连接点、压缩站、阀门等元素的准确描述，删除不必要的细节和元素，以减小模型规模；通过数学模型简化物理过程，以保持精度，优化管道参数，以保持准确性；将管网模型进行空间和时间的缩放，以减小问题的规模，使用减小的时间步长，以提高时间分辨率；利用合适的算法平衡计算精度和速度，通过实际管网数据进行模型校准，生成可视化仿真结果，用于分析和决策制定。

5、作为本发明所述加快天然气管网瞬态仿真速度的方法的一种优选方案，其中：所述确定瞬态仿真目标，收集和整理管网的地理数据、管道属性和运行数据，包括：界定仿真的范围，包括需要仿真的管网部分以及与其他系统如压缩站、阀门、连接点的交互，设定性能目标减少仿真运行时间；获取天然气管道系统的地理数据，包括管道长度、直径、材质、连接点坐标、地形和地理坐标等，使用地理信息系统工具来管理和分析地理数据，收集管道的属性数据，如壁厚、摩擦系数、管道分段信息等，获取与管网运行相关的数据，如流量、压力、温度、阀门状态、压缩机状态等。

6、作为本发明所述加快天然气管网瞬态仿真速度的方法的一种优选方案，其中：所述创建管网的仿真模型，包括管道、连接点、压缩站、阀门等元素的准确描述，包括：初始化时间步长δt，如1秒，初始化模型参数，包括管道属性、连接点的初始状态以及压缩站和阀门的特性，从仿真的起始时间t＝0秒开始，进行时间步迭代，直到达到所需的仿真时间；针对每个管道段，使用特征线法计算波动的传播，更新每个连接点的状态，包括压力、温度和流量，考虑入口和出口的波动以及阀门和压缩站的效应来更新连接点的状态；若有阀门操作或瞬态事件，则根据操作规则和开度来调整阀门处的波动；若有压缩站操作，则考虑压缩机的特性，如效率、容量，来调整压缩站节点的状态；根据瞬态事件或计算需要，来调整时间步长，在每个时间步骤结束时，记录管道系统的状态。

7、作为本发明所述加快天然气管网瞬态仿真速度的方法的一种优选方案，其中：所述使用特征线法计算波动的传播，包括：

8、所述特征线法计算公式如下所示：

9、γ0＝ρma

10、γ+＝ρma+c

11、γ-＝ρma-c

12、其中，γ+为顺特征曲线，γ-为逆特征曲线，c为气体的声速；

13、所述顺特征曲线方程为：

14、

15、所述逆特征曲线方程为：

16、

17、作为本发明所述加快天然气管网瞬态仿真速度的方法的一种优选方案，其中：所述通过数学模型简化物理过程，以保持精度，优化管道参数，以保持准确性，包括：

18、瞬态效应的时间尺度相对较小，将系统视为长期稳态，在该情况下，可以忽略瞬态效应，从而简化模型，所述模型表达式具体如下所示：

19、

20、其中，ρ是密度，v是速度矢量；

21、

22、其中，cp是比热容，t是温度，k是导热系数；

23、通过使用粗略的离散化格点，以减小时间和空间离散度，可以降低模型规模；删除不必要的管段，将多个管段合并为一个等效管段，以减小模型规模，保留对仿真结果精度有显著影响的管段，评估每个管段对整个系统的流量和压力的影响，如果某个管段的贡献非常小，或者每个管段对系统响应的敏感性较差，考虑删除不重要的管段；合并多个节点，例如，若某个节点的流量非常小且对系统整体性能的影响较小，则可以考虑将其与相邻节点合并为一个等效节点；若多个节点在物理上非常接近，它们之间的距离很小，则可以考虑将它们合并为一个等效节点；若节点之间的流量和压力分布趋于平衡，则将这些节点合并成一个等效节点，以降低节点数；合并为等效节点后，可以显著减小模型的规模，降低计算资源的要求，从而提高计算效率；较小的模型通常需要更少的计算时间，有助于快速获得仿真结果；较小的模型需要较少的内存，有助于在计算资源有限的情况下运行仿真；较小的模型通常更容易稳定，降低数值不稳定性的风险；通过拟合管道参数，如管道摩擦系数，以与实际系统的历史数据相匹配，以减小误差；根据仿真目标，调整时间步长以在速度和准确性之间找到平衡。

24、作为本发明所述加快天然气管网瞬态仿真速度的方法的一种优选方案，其中：所述将管网模型进行空间和时间的缩放，以减小问题的规模，使用减小的时间步长，以提高时间分辨率，包括：通过将管道划分为离散的段，可以减小问题的规模，选择划分的单元大小，以便捕捉系统中重要的特性，同时减小问题的规模；在瞬态管道仿真中，使用较小的时间步长来捕捉瞬态事件和波动；采用多时间步仿真方法，如显式时间积分方法，允许使用较小的时间步长进行仿真，以提高时间分辨率；在需要更高时间分辨率的情况下，使用时间插值技术来获得介于两个时间步长之间的数据，有助于更精细地观察系统的动态行为，无需显著增加计算成本。

25、作为本发明所述加快天然气管网瞬态仿真速度的方法的一种优选方案，其中：所述利用合适的算法平衡计算精度和速度，通过实际管网数据进行模型校准，生成可视化仿真结果，用于分析和决策制定，包括：首先，在初始时间(t＝0)处初始化管道系统的状态，包括连接点的压力、温度、流量等信息，设置仿真的时间步长δt和仿真结束时间，从初始时间开始，进行时间步迭代，直到达到所需的仿真结束时间；在每个时间步内，对管道系统的每个组件进行更新，包括管道段、连接点、阀门、压缩站等，对于每个组件的状态更新，逆步进算法使用未来时间步t+δt的值来隐式地估计当前时间步t的解，对于管道系统的每个组件，建立相应的模型方程，使用适当的数值方法如牛顿迭代法，对模型方程进行求解以获得未来时间步t+δt的状态，在每个时间步骤结束时，记录管道系统的状态。

26、第二方面，本发明实施例提供了一种加快天然气管网瞬态仿真速度的系统，其包括，数据收集模块，用于确定瞬态仿真目标，收集和整理管网的地理数据、管道属性和运行数据；模型创建模块，用于创建管网的仿真模型，包括管道、连接点、压缩站、阀门等元素的准确描述，删除不必要的细节和元素，以减小模型规模；模型优化模块，用于通过数学模型简化物理过程，以保持精度，优化管道参数，以保持准确性；将管网模型进行空间和时间的缩放，以减小问题的规模，使用减小的时间步长，以提高时间分辨率；计算仿真模块，用于利用合适的算法平衡计算精度和速度，通过实际管网数据进行模型校准，生成可视化仿真结果，用于分析和决策制定。

27、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述加快天然气管网瞬态仿真速度的方法的任一步骤。

28、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述加快天然气管网瞬态仿真速度的方法的任一步骤。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过并行计算，仿真速度可以显著提高，使得原本需要数小时或数天完成的仿真任务可以在较短的时间内完成，这可以大大提高工程和研究中的效率，并行计算方法允许使用更小的时间步长来进行仿真，从而提高时间分辨率，这使得系统的瞬态事件可以更精确地被捕捉，有助于更准确地分析和优化管道系统的性能，传统的串行仿真方法在处理大规模管道系统时可能会受到计算资源的限制，而并行计算方法更适合处理这些大规模管网。这有助于在更复杂的系统中进行仿真和优化，提高了可扩展性，现代计算硬件通常具有多核处理器和大内存，而并行计算方法可以更有效地利用这些硬件资源，充分发挥计算机性能，通过更准确的仿真结果，工程师和研究人员可以更好地理解管道系统的行为，做出更准确的决策，优化系统的性能，降低风险，并提高可靠性。