本發(fā)明屬于天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能流計算
技術(shù)領(lǐng)域:
,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。
背景技術(shù):
: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(yùn)行的基礎(chǔ)?,F(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(yàn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的是針對現(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(shí)現(xiàn)本發(fā)明之技術(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(shí)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(jī)參數(shù)、氣負(fù)荷、平衡節(jié)點(diǎn)壓力以及待求節(jié)點(diǎn)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(diǎn)外的節(jié)點(diǎn)個數(shù)為N;表示網(wǎng)絡(luò)N個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(diǎn)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(shí)際值將各個二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的變量的實(shí)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)的壓力變量實(shí)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(diǎn)i,j表示與節(jié)點(diǎn)i直接相連的另一個節(jié)點(diǎn),j∈φi,φi為與節(jié)點(diǎn)i直接相聯(lián)但不包括節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)管道參數(shù)kij管道首端節(jié)點(diǎn)i管道末端節(jié)點(diǎn)jkij120.2526130.2410230.2990240.2924360.2777580.23657100.16629120.163411130.149312130.159812140.166513140.1534Πi和Πj分別表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的節(jié)點(diǎn)壓力,已從步驟2.2中獲得;sp,ij表示的是節(jié)點(diǎn)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(jī)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(jī)來提升壓力。選擇燃?xì)廨啓C(jī)作為壓縮機(jī),選擇作用于節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的壓縮機(jī),記為壓縮機(jī)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(jī)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(jī)的耗熱率曲線決定,例如下表:表2燃?xì)廨啓C(jī)耗熱率參數(shù)節(jié)點(diǎn)i編號節(jié)點(diǎn)j編號αcβcγc17070812070Hc,ij為壓縮機(jī)消耗的功率,其求取公式如下:式中,Bc,ij和Zc,ij均為壓縮機(jī)參數(shù),其取決于壓縮機(jī)的溫度、效率、壓縮因子等因素,例如下表:表3壓縮機(jī)參數(shù)表入口出口BkZk45228.740.2333567226.020.2333589228.740.233351011226.020.23335fc,ij為流過壓縮機(jī)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(diǎn)能流平衡方程天然氣系統(tǒng)中,節(jié)點(diǎn)i的能流平衡方程如下所示:式中,fi為節(jié)點(diǎn)i的注入氣流量,sc,ij是用來表示壓縮機(jī)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(diǎn)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(diǎn)的壓力實(shí)際值至式(9),得出每個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jī)會的多少。以不平衡量總和F(Π)最小作為優(yōu)化目標(biāo)時,個體m的適應(yīng)度函數(shù)如下:式中:fm為表示第m個個體對應(yīng)的適應(yīng)度值,F(xiàn)m(Π)為第m個個體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值。采用輪盤賭選取,每個個體被選中的概率為具體操作為:在區(qū)間[0,1]產(chǎn)生一個均勻分布的隨機(jī)數(shù)r,若滿足則表示個體w被選中。重復(fù)選擇Pop次,得到Pop個經(jīng)過選擇后的個體,組成父代種群Tf。2.5.2交叉對父代種群Tf進(jìn)行交叉操作。具體步驟為:將種群Tf中的個體和作為父代,對父代第1個變量對應(yīng)的二進(jìn)制碼,運(yùn)用Matlab命令rand()隨機(jī)產(chǎn)生一個(0,1)上的數(shù)r,若r<Pc(Pc為交叉概率,已在步驟1.2中給出),n1為第一個變量的二進(jìn)制串長度,取rn1的整數(shù)部分c1作為第1個變量的二進(jìn)制碼交叉點(diǎn)位置,將父代個體和中第1個變量的二進(jìn)制碼的第c1至n1位進(jìn)行互換,按照同樣方法,對父代和中剩下的N-1個變量進(jìn)行二進(jìn)制碼交叉操作,得到子代個體和從而可以得到新的子代種群Tson,并且該種群規(guī)模保持Pop個個體不變。2.5.3變異對子代種群Tson進(jìn)行變異操作,具體步驟為:對種群Tson中的個體對個體上第1個變量對應(yīng)的二進(jìn)制碼,運(yùn)用Matlab命令rand()隨機(jī)產(chǎn)生一個(0,1)上的數(shù)r,若r<Pm(Pm為變異概率,已在步驟1.2中給出),取rn1的整數(shù)部分d1作為第1個變量二進(jìn)制碼的變異點(diǎn)位置,則該個體第1個變量二進(jìn)制碼的第d1位二進(jìn)制數(shù)發(fā)生變異,即原來為1則變?yōu)?,原來為0則變?yōu)?,若r>Pm,則該變量對應(yīng)的二進(jìn)制碼不變,對該個體上剩下的N-1個變量對應(yīng)的二進(jìn)制碼作同樣的操作,得到新個體從而得到新種群TP=TNew,規(guī)模仍為Pop。轉(zhuǎn)到步驟2.2繼續(xù)計算。(3)基于牛頓法的天然氣系統(tǒng)能流計算3.1計算不平衡量執(zhí)行步驟(1)和步驟(2),可以獲得最優(yōu)的個體中代表的各節(jié)點(diǎn)壓力,即較好的牛頓法初值。結(jié)合式(5)至式(10),計算出個體中所有節(jié)點(diǎn)的不平衡量Δf(k),即式中,上標(biāo)k表示的是迭代次數(shù),第一次計算時,k=1。3.2收斂判據(jù)牛頓法計算天然氣系統(tǒng)能流的收斂判據(jù)是:max(|Δf(k)|)≤ε(ε為牛頓法收斂精度,在步驟1.2已給出)。若滿足收斂條件,則轉(zhuǎn)至步驟3.5;若不滿足收斂條件,則繼續(xù)執(zhí)行步驟3.3。3.3計算雅克比矩陣計算雅克比矩陣J(k),即式中所有變量含義與式(9)和式(11)相同。3.4計算修正量根據(jù)步驟3.1和步驟3.3計算的不平衡量Δf(k)和雅克比矩陣J(k),可以計算N個節(jié)點(diǎn)注入壓力的修正量,如下所示:ΔΠ(k)=-[J(k)]-1Δf(k)(37)然后更新各節(jié)點(diǎn)壓力,公式如下:Π(k+1)=Π(k)+ΔΠ(k)(38)轉(zhuǎn)到步驟3.1繼續(xù)計算。3.5計算天然氣系統(tǒng)能流分布根據(jù)公式(7)至式(10),計算出管道的流量,壓縮機(jī)流量以及壓縮機(jī)消耗的流量,以此得到天然氣系統(tǒng)的能流分布。附圖說明圖1為本發(fā)明方法的程序流程框圖;圖2為本發(fā)明方法的步驟(2)中遺傳算法初值優(yōu)選流程圖;圖3為本發(fā)明方法的步驟(3)中基于牛頓法的天然氣系統(tǒng)能流計算流程框圖;圖4為本發(fā)明方法中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式如附圖4所示,以14節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)為例,一種天然氣系統(tǒng)能流計算的改進(jìn)方法具體步驟如下:(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)首先,輸入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。具體包括:氣源參數(shù)、輸氣管道參數(shù)、壓縮機(jī)參數(shù)、氣負(fù)荷、平衡節(jié)點(diǎn)壓力以及待求節(jié)點(diǎn)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=0.8,變異概率Pm=0.3,變量精度esp=10-4,種群規(guī)模Pop=200,;牛頓法收斂精度ε=10-6,牛頓法的最大迭代次數(shù)iterNWmax=50。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采用2015年第35卷第24期《中國電機(jī)工程學(xué)報》中“電-氣混聯(lián)綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析”一文中的14節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù),并作如下改進(jìn):1)原節(jié)點(diǎn)1、9和11的壓力分別改為900Psia、1000Psia和1200Psia;2)原節(jié)點(diǎn)10的氣源供氣量為80MMCFD,壓力未知;3)原節(jié)點(diǎn)2、3、7、8、12、13和14的氣負(fù)荷分別改為25MMCFD、65MMCFD、25MMCFD、40MMCFD、50MMCFD、70MMCFD和105MMCFD;4)原壓縮機(jī)#1和#2的壓縮比分別改為1.3和1.4。5)節(jié)點(diǎn)壓力Π2,Π3,Π4的壓力范圍為600Psia~900Psia,Π6的壓力范圍為600Psia~1000Psia,Π10,Π12,Π13,Π14的壓力范圍為800Psia~1000Psia,另外需要解釋的是:節(jié)點(diǎn)1、9和114給定,節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)7可由壓縮機(jī)的壓縮比控制。(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)步完成后,根據(jù)變量范圍和變量精度,按照技術(shù)方案中的公式(1),確定以節(jié)點(diǎn)壓力為決策變量的二進(jìn)制串長度,其中14節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)的狀態(tài)變量為Π2,Π3,Π4,Π6,Π8,Π10,Π12,Π13,Π14,將其重新編號為:Π1,Π2,Π3,Π4,Π5,Π6,Π7,Π8,Π9,則各變量對應(yīng)的二進(jìn)制串長為:確定各變量二進(jìn)制串長度后,按照公式(2)確定個體染色體的串長度為:根據(jù)步驟2.1,利用Matlab產(chǎn)生二進(jìn)制編碼矩陣TP,以第一個個體為例,其二進(jìn)制碼攜帶9個變量的信息,各個變量對應(yīng)的二進(jìn)制碼為:TP1_1=000111100011000010001(41)TP1_2=001011001101100110110(42)TP1_3=0111101110100101111110(43)TP1_4=0001011101101011011101(44)TP1_5=0000000010001011111010(45)TP1_6=001000101111001010110(46)TP1_7=110011001010111111000(47)TP1_8=000000111010110101010(48)TP1_9=100110110010110111001(49)2.2譯碼并得變量的實(shí)際值對所得變量進(jìn)行譯碼,以第一個個體為例,按照技術(shù)方案中的公式,得二進(jìn)制碼對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值如下:(TP1_1)D=0·221-1+0·221-2+…+1·20=247313(50)(TP1_2)D=0·221-1+0·221-2+…+0·20=367414(51)(TP1_3)D=0·222-1+1·222-2+…+0·20=2025854(52)(TP1_4)D=0·222-1+0·222-2+…+1·20=383709(53)(TP1_5)D=0·222-1+0·222-2+…+0·20=8954(54)(TP1_6)D=0·221-1+0·221-2+…+0·20=286294(55)(TP1_7)D=1·221-1+1·221-2+…+0·20=1676792(56)(TP1_8)D=0·221-1+0·221-2+…+0·20=30122(57)(TP1_9)D=1·221-1+0·221-2+…+1·20=1271225(58)按照技術(shù)方案中的公式(3),將其二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的實(shí)際值如下:2.3計算目標(biāo)函數(shù)值根據(jù)步驟2.2將種群中每一個體每一變量對應(yīng)的二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的實(shí)際值,然后計算每一個體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值,即不平衡量總和。以第一個個體為例,其目標(biāo)函數(shù)值為:F(Π1)=1126.4670(68)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)≤90,則滿足收斂條件,將minF(Π)對應(yīng)的個體中的每個變量作為已知量,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。得到滿足條件的各節(jié)點(diǎn)壓力值為:Π1=723.5856Π2=735.0393Π3=744.9004Π4=627.4450Π5=600.8539(69)Π6=827.3031Π7=959.9114Π8=802.8727Π9=921.23352.5產(chǎn)生新個體2.5.1選擇先根據(jù)技術(shù)方案中的公式(14),計算每個個體的適應(yīng)度函數(shù)之,然后按照技術(shù)方案中的公式(15),計算個體的選擇概率P(fk),將所有個體的選擇概率用矩陣P表示如下:2.5.2交叉按照技術(shù)方案中步驟2.5.2,以第一個體和第二個個體為例,交叉后其變量的二進(jìn)制編碼分別為和數(shù)值如下:2.5.3變異對子代種群Tson進(jìn)行變異操作得到新種群TP=TNew,以第一個個體為例,變異后其變量的二進(jìn)制編碼分別為得到變異后的新種群之后,將其按照技術(shù)方案中的步驟(3)繼續(xù)進(jìn)行計算,直至滿足收斂要求。(3)基于牛頓法的天然氣系統(tǒng)能流計算3.1計算不平衡量以牛頓法第一次迭代后的結(jié)果為例,按照技術(shù)方案中的公式(12),計算不平衡量Δf(1)如下:3.2收斂判據(jù)當(dāng)不平衡量Δf(k)滿足max(|Δf(k)|)<ε,則結(jié)束迭代計算,輸出結(jié)果;當(dāng)max(|Δf(k)|)>ε且迭代次數(shù)k≥iterNWmax,則停止迭代,輸出“不收斂!”,結(jié)束判斷;當(dāng)max(|Δf(k)|)>ε且迭代次數(shù)k<iterNWmax,則執(zhí)行步驟3.3,并增加迭代次數(shù),k=k+1,重新進(jìn)行迭代計算,直到滿足收斂條件。根據(jù)前面步驟,迭代6次后即滿足收斂條件,此時max(|Δf(k)|)=1.1232e-7<ε。3.3計算雅克比矩陣以牛頓法第一次迭代后的結(jié)果為例,按照技術(shù)方案中的公式(17),計算雅克比矩陣J(1)3.4計算修正量以牛頓法第一次迭代后的結(jié)果為例,按照技術(shù)方案中的公式(18),計算修正量ΔΠ(1)。按照技術(shù)方案中的公式(19)更新節(jié)點(diǎn)壓力3.5計算天然氣系統(tǒng)能流分布根據(jù)技術(shù)方案的公式(7)至式(10),可以計算出管道的流量,壓縮機(jī)流量以及壓縮機(jī)消耗的流量。計算結(jié)果如表1和表2所示:表114節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)管道流量表2壓縮機(jī)流量和消耗氣量實(shí)驗(yàn)效果以附圖4所示的14節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)為仿真對象,從收斂特性方面對比所提的遺傳-牛頓混合方法和常規(guī)牛頓法,以此來驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性。常規(guī)牛頓法的初值選取方法參考2012年27卷第4期《IEEETransactionsonPowerSystems》中“Aunifiedgasandpowerflowanalysisinnaturalgasandelectricitycouplednetworks”的選取方法,即以天然氣系統(tǒng)平衡節(jié)點(diǎn)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(diǎn)壓力的初值。所選初值如表3所示:表314節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓力初值收斂精度為10-4的情況下,上述算例計算完成后得到的收斂特性結(jié)果如表4所示:表4遺傳-牛頓混合方法與常規(guī)牛頓法的比較從表4可看出,與常規(guī)牛頓法相比,所提出方法有效地解決了牛頓法在天然氣系統(tǒng)能流計算中初值難以選取的問題。為驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性和正確性,將僅考慮負(fù)荷功率不確定性(方案1)得到的網(wǎng)損可能性分布與本文提出的同時考慮負(fù)荷功率不確定性和阻抗不確定性(方案2)得到的網(wǎng)損可能性分布結(jié)果對比如表4所示。當(dāng)前第1頁1 2 3