CN113326984A - 一种基于天然气管网系统的全局调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天然气输送技术领域，具体涉及一种基于天然气管网系统的全局调度方法，包括：获取各个上气点和下气点的输气需求量；将各个上气点和下气点的输气需求量输入经过预先训练的路径规划模型中，并加载对应的管网相关数据；通过所述路径规划模型计算生成用以实现天然气调度的全局输气调度方案；所述全局输气调度方案包括各个上气点和下气点对应的最优输气路径列表，以及最优输气路径各个管段的输气方向和输气占用量。本发明中基于天然气管网系统的全局调度方法能够提供全局数据支持和输气路径依据，从而能够提升天然气调度的全面性和成本管理效果。

Description

一种基于天然气管网系统的全局调度方法
技术领域
本发明涉及天然气输送技术领域，具体涉及一种基于天然气管网系统的全局调度方法。
背景技术
近年来，随着油气体制改革的大力推动，天然气市场化改革也正在进行全面部署。国家石油天然气管网集团有限公司的正式挂牌成立，意味着油气体制改革已经迈出了重要的一步，这为全面实现油气基础设施向第三方公平开放打下了基础。基于天然气管网系统的调度是一种新的发展趋势，而然气调度是一个非常复杂的过程，其具有的非线性、多变量特征给实际管网天然气调度带来了许多问题。
目前，基于天然气管网系统的调度大多是通过调度员经验调控的方式对天然气进行分配和输送，其容易造成压缩机站能耗巨大、流量分配效率低等问题。为此，公开号为CN110232481A的中国专利公开了《一种基于MQPSO的天然气管网多目标优化调度方法》，其根据天然气管网中的节点、管段和压缩机的分布情况，建立天然气管网模型；将用户流量数据、压缩机的运行数据作为变量，并对用户流量数据、压缩机的运行数据赋初值，生成初始群体；随机设置一个外部存档，然后设计MQPSO算法，求解管网多目标优化调度问题，获得各节点流量分配和压缩机工作参数的优化值。
上述现有的调度方法通过仿真系统模拟执行输气需求，进而根据系统反馈的工况信息调整天然气的调度方案。虽然现有调度方法主要时以保证管网压力安全为目标，但将其改进后仍可应用于天然气调度的成本管理。申请人发现实际天然气调度时，气源点（上气点）和用气需求点（下气点）的组合会有成百上千种工况。然而，现有调度方法只能进行局部的调度操作，因此采用现有的调度方法难以从全局的角度去制定调度方案，进而使得不能为天然气调度决策提供全局数据支持，不能为管输费计算提供输气路径依据，从而导致天然气调度的全面性和成本管理效果均不好。因此，如何设计一种能够提供全局数据支持和输气路径依据的全局调度方法是急需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够提供全局数据支持和输气路径依据的基于天然气管网系统的全局调度方法，从而能够提升天然气调度的全面性和成本管理效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于天然气管网系统的全局调度方法，包括以下步骤：
S1：获取各个上气点和下气点的输气需求量；
S2：将各个上气点和下气点的输气需求量输入经过预先训练的路径规划模型中，并加载对应的管网相关数据；
S3：通过所述路径规划模型计算生成用以实现天然气调度的全局输气调度方案；
所述全局输气调度方案包括各个上气点和下气点对应的最优输气路径列表，以及最优输气路径各个管段的输气方向和输气占用量。
优选的，步骤S3中，所述路径规划模型通过如下步骤计算全局输气调度方案：
S301：计算从各个上气点分别对应到达各个下气点的所有可达输气路径，并根据可达输气路径各个管段的管段长度及其对应的单位管容单位长度输气价格计算各个可达输气路径的单位管容输气价格；然后根据可达输气路径及其对应的单位管容输气价格构建路径库；
S302：开始一轮调度规划，从路径库中选取单位管容输气价格最小的可达输气路径作为最优路径；然后根据最优路径所对应上气点和下气点的剩余待分配输气量计算该最优路径中各个管段在本轮调度规划中的输气占用量；最后根据输气占用量计算对应上气点和下气点的剩余待分配输气量；
S303：判断是否所有上气点和下气点的剩余待分配输气量均等于零：若是，则进入步骤S305；否则，进入步骤S304；
S304：删除路径库中输气占用量已满负荷的管段对应的可达输气路径以及剩余待分配输气量为零的上气点和/或下气点对应的可达输气路径，形成下一轮调度规划的路径库，并返回步骤S302；
S305：将各个最优路径作为对应上气点和下气点的最优输气路径，并结合最优输气路径各个管段在各轮调度规划中计算的输气占用量生成对应的全局输气调度方案。
优选的，步骤S303中，先判断最优路径中是否存在输气占用量超负荷的过载管段：若存在，则根据设置的优选算法从占用对应过载管段的所有候选最优路径中选择最优路径来占用对应的过载管段；若不存在，则继续判断是否所有上气点和下气点的剩余待分配输气量均等于零。
优选的，优选算法通过如下步骤选择最优路径来占用对应的过载管段：
S3001：确定占用对应过载管段的所有候选最优路径；
S3002：计算各个候选最优路径的权重值；
S3003：从所有候选最优路径中依次剔除权重值小的候选最优路径，直至对应过载管段的输气占用量等于其可输气能力时，将剩余的候选最优路径作为占用对应过载管段的最优路径。
优选的，步骤S3002中，通过如下公式计算各个候选最优路径的权重值：
W=A/S；式中：W表示权重值；A表示候选最优路径对过载管段的输气占用量；S表示本轮调度规划的路径库中具有相同上气点和下气点的可达输气路径的可输气能力之和。
优选的，步骤S3003中，在候选最优路径的权重值相同时，优先剔除单位管容输气价格高的候选最优路径。
优选的，步骤S302中，在第一轮调度规划时，根据最优路径所对应上气点和下气点的输气需求量以及对应最优路径各个管段的可输气能力计算对应最优路径中各个管段的输气占用量，并计算对应上气点和下气点的剩余待分配输气量。
优选的，步骤S302中，上气点和下气点的剩余待分配输气量为输气需求量与对应上气点和下气点已确定输气占用量的差值。
优选的，步骤S304中，若删除对应的可达输气路径后，路径库中已不存在可达输气路径，则直接进入步骤S305。
优选的，管网相关数据包括所有管段的两端节点名称、输气方向、可输气能力、管段长度、单位管容单位长度输气价格和管线名称中的任意一项或多项。
本发明中基于天然气管网系统的全局调度方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明中，路径规划模型能够生成包括各个上气点和下气点对应的最优输气路径列表以及最优输气路径各个管段输气占用量的全局输气调度方案，生成的全局输气调度方案能够为天然气调度决策提供全局数据支持，并能够为管输费计算提供输气路径依据，从而能够提升天然气调度的全面性和成本管理效果。同时，本发明的路径规划模型以各个上气点和下气点的输气需求量作为输入，即能够根据上气点和下气点的输气需求去设计全局输气调度方案，而不再单一的根据某一项“输气任务”或某一对“上气点和下气点”去执行天然气调度，这能够更有效的实现天然气的全局调度，从而能够进一步提升天然气调度的全面性。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例中全局调度方法的逻辑框图；
图2为实施例中全局调度方法的流程图；
图3为实施例中管网输气调度图的输气示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例：
本实施例中公开了一种基于天然气管网系统的全局调度方法。
如图1和图2所示，一种基于天然气管网系统的全局调度方法，包括以下步骤：
S1：获取各个上气点和下气点的输气需求量。
S2：将各个上气点和下气点的输气需求量输入经过预先训练的路径规划模型中，并加载对应的管网相关数据。具体的，管网相关数据包括所有管段的两端节点名称、输气方向、可输气能力、管段长度、单位管容单位长度输气价格和管线名称中的任意一项或多项。
S3：通过路径规划模型计算生成用以实现天然气调度的全局输气调度方案；
全局输气调度方案包括各个上气点和下气点对应的最优输气路径列表，以及最优输气路径各个管段的输气方向和输气占用量。具体的，基于本发明的全局输气调度方案能够生成如图3所示的管网输气调度图。
本发明中，路径规划模型能够生成包括各个上气点和下气点对应的最优输气路径列表以及最优输气路径各个管段输气占用量的全局输气调度方案，生成的全局输气调度方案能够为天然气调度决策提供全局数据支持，并能够为管输费计算提供输气路径依据，从而能够提升天然气调度的全面性和成本管理效果。同时，本发明的路径规划模型以各个上气点和下气点的输气需求量作为输入，即能够根据上气点和下气点的输气需求去设计全局输气调度方案，而不再单一的根据某一项“输气任务”或某一对“上气点和下气点”去执行天然气调度，这能够更有效的实现天然气的全局调度，从而能够进一步提升天然气调度的全面性。
具体实施过程中，步骤S3中，路径规划模型通过如下步骤计算全局输气调度方案：
S301：计算从各个上气点分别对应到达各个下气点的所有可达输气路径，并根据可达输气路径各个管段的管段长度及其对应的单位管容单位长度输气价格计算各个可达输气路径的单位管容输气价格；然后根据可达输气路径及其对应的单位管容输气价格构建路径库。具体的，本发明是通过路径穷举算法计算所有可达输气路径，例如：假设输气需求的上气点有10个，下气点有20个，则需要寻找10×20=200组“上气点->下气点”的所有可达输气路径，假设每组平均有5条可达输气路径，则总共有200×5=1000条输气路径。最终生成的路径类似为：【节点A】--(管线1)-->【节点B】--(管线1)-->【节点C】。当单位管容单位长度输气价格设置为1时，则将计算可达输气路径的单位管容输气价格调整为了计算输气路径长度，进而能够根据“最短路径优先原则”依次选取最优路径。
路径穷举算法具体为：从上气点开始，遍历上气点的子节点，判断子节点是否为目标下气点：若是，则表示找到了一条可达输气路径；若不是，则再遍历子节点的下级节点，如果子节点没有下级节点则表示该路径不可达。同时，由于管网存在环形的路径，所以在判断子节点时，还需要验证该“管线+子节点”在当前路径中是否出现过，如果出现过则表示这是一条环状路径，该路径不可达，应丢弃。
S302：开始一轮调度规划，从路径库中选取单位管容输气价格最小的可达输气路径作为最优路径；然后根据最优路径所对应上气点和下气点的剩余待分配输气量计算该最优路径中各个管段在本轮调度规划中的输气占用量；最后根据输气占用量计算对应上气点和下气点的剩余待分配输气量。具体的，上气点和下气点的剩余待分配输气量为输气需求量与对应上气点和下气点已确定输气占用量的差值。在第一轮调度规划时，根据最优路径所对应上气点和下气点的输气需求量以及对应最优路径各个管段的可输气能力计算对应最优路径中各个管段的输气占用量，并计算对应上气点和下气点的剩余待分配输气量。
S303：判断是否所有上气点和下气点的剩余待分配输气量均等于零：若是，则进入步骤S305；否则，进入步骤S304。
S304：删除路径库中输气占用量已满负荷的管段对应的可达输气路径以及剩余待分配输气量为零的上气点和/或下气点对应的可达输气路径，形成下一轮调度规划的路径库，并返回步骤S302。具体的，若删除对应的可达输气路径后，若下一轮调度规划的路径库中已不存在可达输气路径，则直接进入步骤S305。
S305：将各个最优路径作为对应上气点和下气点的最优输气路径，并结合最优输气路径各个管段在各轮调度规划中计算的输气占用量生成对应的全局输气调度方案。
本发明中，通过路径穷举法能够找出从上气点到达下气点的所有可达输气路径，并基于所有可达输气路径实现天然气调度，这能够进一步保证天然气调度的全面性。同时，本发明通过“输气价格最低路径优先原则”（或“最短路径优先原则”）依次选取最优路径，并优先申请最优路径各个管段的输气占用量，即能够通过单位管容输气价格小的输气路径完成天然气输送，这能够进一步提升天然气调度的成本管理效果。此外，本发明能够删输气占用量已满负荷的管段对应的可达输气路径以及剩余待分配输气量为零的上气点和下气点对应的可达输气路径，即能够不断的对路径库进行优化，进而能够避免出现上气点和下气点重复计算和管段超负载输气的问题，从而能够提升天然气调度的调度管理效果。
具体实施过程中，步骤S303中，先判断最优路径中是否存在输气占用量超负荷的过载管段：若存在，则根据设置的优选算法从占用对应过载管段的所有候选最优路径中选择最优路径来占用对应的过载管段；若不存在，则继续判断是否所有上气点和下气点的剩余待分配输气量均等于零。具体实施过程中，优选算法通过如下步骤选择最优路径来占用对应的过载管段：
S3001：确定占用对应过载管段的所有候选最优路径。
S3002：计算各个候选最优路径的权重值。具体的，通过如下公式计算各个候选最优路径的权重值：
W=A/S；式中：W表示权重值，权重值越小说明该路径的备选路径越多，权重值的取值范围0＜W≤1；A表示当前最优路径对过载管段的输气占用量；S表示本轮调度规划的路径库中具有相同上气点和下气点的可达输气路径的可输气能力之和。可达输气路径的可输气能力由可达输气路径下属管段中剩余可输气能力的最小值确定，管段剩余可输气能力是指扣除在前N轮调度规划中计算确定的输气占用量、以及本轮规划调度中相同上气点、下气点的可达输气路径对同一管段的重复占用量。
S3003：从所有候选最优路径中依次剔除权重值小的候选最优路径，直至对应过载管段的输气占用量等于其可输气能力时，将剩余的候选最优路径作为占用对应过载管段的最优路径。具体的，在候选最优路径的权重值相同时，优先剔除单位管容输气价格高的候选最优路径。
本发明中，当存在输气占用量超负荷的过载管段时，能够根据优选算法从占用对应过载管段的所有候选最优路径中选择最优路径来占用对应的过载管段，即能够对占用过载管段的最优路径进行筛选和剔除，进而能够更有效的避免出现管段超负载输气的问题，从而能够进一步提升天然气调度的调度管理效果。同时，由于天然气管网输气需求处于需求大于供应的状态、管网资源比较紧张，因此本发明优先保证天然气输气需求的整体全部满足，而不是优先考虑最低单位管容输气价格或最短输气路径，所以裁决时优先剔除权重值小（即备选路径多）的申请，当权重值相同时优先剔除单位管容输气价格高或路径较长的申请，直到管段的输气占用量等于其可输气能力为止，这能够进一步提升天然气调度的全面性。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。同时，实施例中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。最后，本发明要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种基于天然气管网系统的全局调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取各个上气点和下气点的输气需求量；
S2：将各个上气点和下气点的输气需求量输入经过预先训练的路径规划模型中，并加载对应的管网相关数据；
S3：通过所述路径规划模型计算生成用以实现天然气调度的全局输气调度方案；
所述全局输气调度方案包括各个上气点和下气点对应的最优输气路径列表，以及最优输气路径各个管段的输气方向和输气占用量。
2.如权利要求1所述的基于天然气管网系统的全局调度方法，其特征在于：步骤S3中，所述路径规划模型通过如下步骤计算全局输气调度方案：
S301：计算从各个上气点分别对应到达各个下气点的所有可达输气路径，并根据可达输气路径各个管段的管段长度及其对应的单位管容单位长度输气价格计算各个可达输气路径的单位管容输气价格；然后根据可达输气路径及其对应的单位管容输气价格构建路径库；
S302：开始一轮调度规划，从路径库中选取单位管容输气价格最小的可达输气路径作为最优路径；然后根据最优路径所对应上气点和下气点的剩余待分配输气量计算该最优路径中各个管段在本轮调度规划中的输气占用量；最后根据输气占用量计算对应上气点和下气点的剩余待分配输气量；
S303：判断是否所有上气点和下气点的剩余待分配输气量均等于零：若是，则进入步骤S305；否则，进入步骤S304；
S304：删除路径库中输气占用量已满负荷的管段对应的可达输气路径以及剩余待分配输气量为零的上气点和/或下气点对应的可达输气路径，形成下一轮调度规划的路径库，并返回步骤S302；
S305：将各个最优路径作为对应上气点和下气点的最优输气路径，并结合最优输气路径各个管段在各轮调度规划中计算的输气占用量生成对应的全局输气调度方案。
3.如权利要求2所述的基于天然气管网系统的全局调度方法，其特征在于：步骤S303中，先判断最优路径中是否存在输气占用量超负荷的过载管段：若存在，则根据设置的优选算法从占用对应过载管段的所有候选最优路径中选择最优路径来占用对应的过载管段；若不存在，则继续判断是否所有上气点和下气点的剩余待分配输气量均等于零。
4.如权利要求3所述的基于天然气管网系统的全局调度方法，其特征在于：优选算法通过如下步骤选择最优路径来占用对应的过载管段：
S3001：确定占用对应过载管段的所有候选最优路径；
S3002：计算各个候选最优路径的权重值；
S3003：从所有候选最优路径中依次剔除权重值小的候选最优路径，直至对应过载管段的输气占用量等于其可输气能力时，将剩余的候选最优路径作为占用对应过载管段的最优路径。
5.如权利要求4所述的基于天然气管网系统的全局调度方法，其特征在于：步骤S3002中，通过如下公式计算各个候选最优路径的权重值：
W=A/S；式中：W表示权重值；A表示候选最优路径对过载管段的输气占用量；S表示本轮调度规划的路径库中具有相同上气点和下气点的可达输气路径的可输气能力之和。
6.如权利要求4所述的基于天然气管网系统的全局调度方法，其特征在于：步骤S3003中，在候选最优路径的权重值相同时，优先剔除单位管容输气价格高的候选最优路径。
7.如权利要求2所述的基于天然气管网系统的全局调度方法，其特征在于：步骤S302中，在第一轮调度规划时，根据最优路径所对应上气点和下气点的输气需求量以及对应最优路径各个管段的可输气能力计算对应最优路径中各个管段的输气占用量，并计算对应上气点和下气点的剩余待分配输气量。
8.如权利要求2所述的基于天然气管网系统的全局调度方法，其特征在于：步骤S302中，上气点和下气点的剩余待分配输气量为输气需求量与对应上气点和下气点已确定输气占用量的差值。
9.如权利要求2所述的基于天然气管网系统的全局调度方法，其特征在于：步骤S304中，若删除对应的可达输气路径后，路径库中已不存在可达输气路径，则直接进入步骤S305。
10.如权利要求1所述的基于天然气管网系统的全局调度方法，其特征在于：管网相关数据包括所有管段的两端节点名称、输气方向、可输气能力、管段长度、单位管容单位长度输气价格和管线名称中的任意一项或多项。
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