电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法及系统，包括：建立管网结点水力模型；建立管网安全状态识别及边界约束模型；建立管网区域电价预测模型；建立管网能耗成本最优化算法，求解管网运行最优化成本；运行方案生成和校验模型，基于管网结点水力模型、管网安全状态识别及边界约束模型、管网区域电价预测模型和管网能耗成本最优化算法生成调度运行方案，并对方案进行验证。本发明专利技术不涉及到设备改造，主要整合了多种流量计算和分析方法和因地制宜的表决机制，解决天然气管网各结点的动态实时流量，结合工业实践、平衡理论和大数据分析，帮管网运行提供重要的数据依据，实现后续的管网能好评估和调度方案制定。制定。制定。

【技术实现步骤摘要】
电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及液化天然气设备
，具体地，涉及一种电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来国内天然气消耗量逐年大幅度提升，国内油气体制改革进展顺利，天然气市场化改革也在全面推进。与此同时，国内电力市场化改革也在快速开展，截至2023年底全国将有15个省份正式进入电力现货市场时代。天然气管道压缩机组作为天然气管网的关键能耗设备，其耗能占管网总能耗的9成以上，所消耗能源仅有天然气和电力两种，国内长输管网压缩机又以电驱机组为主，因此天然气长输管网企业的能耗成本势必受到电力现货市场的重大影响。
[0003]天然气长输管网通常总里程长，互通互联流程复杂，地域上跨越省份众多，目前的油气调度方案一般停留在完成输量兼顾能耗总量的层面。在全国统一电力市场化改革背景下，管网公司利用其负荷可调、管道可储能的优势可通过大数据算法优化运行计划，利用不同地区的电价差异、不同时段的现货电价变化，合理调整设备负荷率、管道储能水平，从需求侧积极响应电网平衡的需求获取利益，实现管道运行成本的最优化。
[0004]1、设备性能模型和管网水力模型：建立一套设备机理模型和数字仿真模型，实时计算管网流动情况和设备实际工况，解决设备性能模拟的准确性和快速性。
[0005]2、建立多区域的现货电价预测模型，基于气象大数据、各地区发电侧和用电侧的市场数据创建管网区域机器学习模型预测短期和长期的现货电价，预测算法可以利用XGboost，LTSM，kNN等大数据机器学习模型，创建不同地区实时市场出清SCED的目标函数。
[0006]3、根据管网和设备的工况，以及不同区域的现货电价、燃料气核定价格，生成基于能耗成本最优化的开机方案、机组负荷调整方案以及管存冲
‑
放的储能计划，保证全网的设备和管段处于安全边界之内，且各考察结点的管道输送流量满足需求。
[0007]3、使用运行数据校核压缩机入口流量计、眼压差等具备计量属性的设备作为流量辅助测算。
[0008]针对简化的串联式三站管网
‑
机组能的耗成本最优化算法流程基本如图1所示，优化后的结果如图2所示。
[0009]专利文献CN113129164A公开了一种天然气管网天然气流量压力调度决策指标的计算方法，包括以下步骤：建立天然气管网的压力计算模型：将第k时刻的所有气源点、储气设施和控制节点的实际压力数据代入调度指标模型中计算，获得第+1时天然气管网的所有气源点、储气设施和控制节点的运行压力计算值：计算储气设施、气源点和控制节点的天然气流量压力值。
[0010]专利文献CN113326984A涉及天然气输送
，公开了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。
[0011]然而上述专利是解决天然气管网的调度仿真问题，在输气控制逻辑、路由设计提供了有效思路，而未涉及对于多台能耗设备串并联的开机方案能效优化，也未考虑新兴的电力现货市场能耗成本对于输气生产的影响，不能解决电力现货市场下的天然气网络运行中能耗成本最优化的问题。

技术实现思路

[0012]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法及系统。
[0013]根据本专利技术提供的一种电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法，包括：
[0014]步骤S1：建立管网结点水力模型；
[0015]步骤S2：建立管网安全状态识别及边界约束模型；
[0016]步骤S3：建立管网区域电价预测模型；
[0017]步骤S4：建立管网能耗成本最优化算法，求解管网运行最优化成本；
[0018]步骤S5：运行方案生成和校验模型，基于管网结点水力模型、管网安全状态识别及边界约束模型、管网区域电价预测模型和管网能耗成本最优化算法生成调度运行方案，并对方案进行验证。
[0019]优选地，在所述步骤S1中：
[0020]管网结点水力模型创建，包括：压缩机组性能子模型、管道储能子模型、管道输量子模型，管网结点水力模型是一套包含燃驱和电驱压缩机组性能模拟、管道管存压力能储存模型、以及管输流动和管存量的水力模型的网格化的机理模型；
[0021]建立压气站结点性能模型，压气站结点性能模型由单台或者多台压缩机性能模型组成，该模型求解机组在不同工况流体参数条件下的工作点，参数包括在预设上游管段出口天然气压力、温度、流量、组分和管容弹性，以及下游管段入口的天然气压力、温度、流量，可生成机组功率和压缩机转速，该模型处理多机串联并联的性能叠加问题，模型物理原理如下：
[0022][0023]ω＝f(W,Fl
ngas
)
[0024]其中，
‑
W为将流体压力从P1提升至P2需要的功耗或能头，G为无量纲的流体比重，T1为压缩机入口流体温度，k为无量纲的气体绝热指数，P1、T1、P2分别为压缩机入口绝对压力、入口温度、和出口绝对压力，ω为压缩机转速，f()为压缩机性能模型函数，Flngas为压缩机通过流量；
[0025]建立管道储能模型，将结点至结点之间的管段流体存储压力能量化为管网动力体系内的储能模块，储能量与相邻结点的动力单元压缩机组的出力相互协调，保证管道流通
量，储能模型的物理模型如下：
[0026][0027]其中，Epipe
‑
strg为管网内全部n路管段所存储的天然气流体总压力能，Zi各管段内天然气的特征压缩因子，n为各管段的气体多变指数，P2si、T2si、P2di分别为管段i的入口绝对压力、入口温度、和出口绝对压力，R为理想气体常数；
[0028]建立管道输量模型，包括结合压缩机组机芯流量模型、管道流阻、流量模型以及实际流量原件组合而成的管道输量模型，保证对于管网各管段、各结点的流量能够实时求解。
[0029]优选地，在所述步骤S2中：
[0030]建立管网安全状态识别及边界约束模型，包括：各节点上压气站和分输站的状态识别方法，管网运行的经济性边界和安全限制矩阵；
[0031]建立管网运行的经济性边界和安全限制矩阵，在最优化算法的约束模型中加入所有管段和结点的流体约束，形成一套约束矩阵，该约束矩阵包含管道最高限制压力、压缩机入口流量最低和最高限制、压缩机组最大出力和最低效率限制、管段最小管存约束，单一线型管线的约束矩阵结构如下：
[0032][0033][0034][0035]其中Hres
‑
net为单一线型管线的边界约束矩阵，Node 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法，其特征在于，包括：步骤S1：建立管网结点水力模型；步骤S2：建立管网安全状态识别及边界约束模型；步骤S3：建立管网区域电价预测模型；步骤S4：建立管网能耗成本最优化算法，求解管网运行最优化成本；步骤S5：运行方案生成和校验模型，基于管网结点水力模型、管网安全状态识别及边界约束模型、管网区域电价预测模型和管网能耗成本最优化算法生成调度运行方案，并对方案进行验证。2.根据权利要求1所述的电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法，其特征在于，在所述步骤S1中：管网结点水力模型创建，包括：压缩机组性能子模型、管道储能子模型、管道输量子模型，管网结点水力模型是一套包含燃驱和电驱压缩机组性能模拟、管道管存压力能储存模型、以及管输流动和管存量的水力模型的网格化的机理模型；建立压气站结点性能模型，压气站结点性能模型由单台或者多台压缩机性能模型组成，该模型求解机组在不同工况流体参数条件下的工作点，参数包括在预设上游管段出口天然气压力、温度、流量、组分和管容弹性，以及下游管段入口的天然气压力、温度、流量，可生成机组功率和压缩机转速，该模型处理多机串联并联的性能叠加问题，模型物理原理如下：ω＝f(W,Fl
ngas
)其中，
‑
W为将流体压力从P1提升至P2需要的功耗或能头，G为无量纲的流体比重，T1为压缩机入口流体温度，k为无量纲的气体绝热指数，P1、T1、P2分别为压缩机入口绝对压力、入口温度、和出口绝对压力，ω为压缩机转速，f()为压缩机性能模型函数，Flngas为压缩机通过流量；建立管道储能模型，将结点至结点之间的管段流体存储压力能量化为管网动力体系内的储能模块，储能量与相邻结点的动力单元压缩机组的出力相互协调，保证管道流通量，储能模型的物理模型如下：其中，Epipe
‑
strg为管网内全部n路管段所存储的天然气流体总压力能，Zi各管段内天然气的特征压缩因子，n为各管段的气体多变指数，P2si、T2si、P2di分别为管段i的入口绝对压力、入口温度、和出口绝对压力，R为理想气体常数；建立管道输量模型，包括结合压缩机组机芯流量模型、管道流阻、流量模型以及实际流量原件组合而成的管道输量模型，保证对于管网各管段、各结点的流量能够实时求解。3.根据权利要求1所述的电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法，其特征在于，在所述步骤S2中：
建立管网安全状态识别及边界约束模型，包括：各节点上压气站和分输站的状态识别方法，管网运行的经济性边界和安全限制矩阵；建立管网运行的经济性边界和安全限制矩阵，在最优化算法的约束模型中加入所有管段和结点的流体约束，形成一套约束矩阵，该约束矩阵包含管道最高限制压力、压缩机入口流量最低和最高限制、压缩机组最大出力和最低效率限制、管段最小管存约束，单一线型管线的约束矩阵结构如下：线的约束矩阵结构如下：线的约束矩阵结构如下：其中Hres
‑
net为单一线型管线的边界约束矩阵，Node为管线中第i个结点的约束条件，Pi为管线中第i段管段的约束条件，T
is
为管段或者结点的入口温度约束，T
id
为管段或者结点的出口温度约束，P
is
为管段或者结点的入口压力约束，P
id
为管段或者结点的出口安全压力约束，Wi为结点的最大功率约束，η
i
为节点的最低效率约束。4.根据权利要求1所述的电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法，其特征在于，在所述步骤S3中：创建管网区域电价预测模型，管网区域电价预测模型是基于气象大数据、各地区发电侧和用电侧的市场数据的机器学习模型；基于气象大数据、各地区发电侧和用电侧的市场数据创建管网区域电价预测模型预测短期和长期的现货电价，预测算法利用大数据机器学习模型包括XGboost、LTSM或STM，创建实时市场出清SCED的目标函数，目标函数公式表述如下：其中，P为模型区域内的负荷平衡约束，C为模型区域内的负荷单元的负荷率，LB+、LB
‑
为模型区域内的机组出力上、下限约束，Mb为机组出力上下限约束系数，SL+、SL
‑
为模型区域内的线路潮流上、下限约束，Ml为机组爬坡约束，Ms为线路潮流约束系数；T为预测时效内
的时段上限，N为区域需求侧负荷单元总量，NL为机组上网结点数量上限，NS为线路结点约束数量上限，下标i为第i个系统负荷，下标t为第t个预测时段，下标l为第l个机组并网点，下标s为第s个电网线路结点；预测算法兼顾短期电价预测、短期预测修正和中长期电价预测。5.根据权利要求1所述的电力现货市场天然气长输管网运行调度最优化方法，其特征在于：在所述步骤S4中：建立管网能耗成本最优化算法，利用线性规划和非线性算法，求解管网处于各种稳态、准稳态的指定周期内的整体运行成本最优化；建立管网能耗成本最优化算法，利用线性规划和非线性算法，求解指定周期内的整体运行成本最优化，给出设备负荷和管道流动的调整方案，基于成本最优化的目标，管网能耗成本最优化算法核心是保证管网所有压气站结点的总能耗成本最低，管网中的压气站包含燃驱和电驱机组，最优化目标即为燃驱机组的燃料费和电驱机组的电费成本最低；以某段单线型段管道为对象，优化过程如下：保证管段入口压力P1s、入口流量Q01、管段出口压力Pnd、管段出口流量Q n+1不变，寻找压气站Sta 1到压气站Sta n的负荷控制参数，使得燃料成本和用电成本的综合最优化：Min(ΣCost_FG1+ΣCost_ELE2+ΣCost_operation)其中Cost_FG是燃驱机组燃料费，Cost_ELE是电驱机组电费，Cost_operation是管网运行的边际成本；最优化算法求解过程兼顾管网运行的边际成本；在所述步骤S5中：根据机组负荷调空目标，正向计算各管段和结点的流体数据，生成一套调度运行方案，并具备对方案的可行性、安全性的再次复核，且在运行中实时模拟调整。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志刚，陈向阳，樊融，朱莉莉，严雯静，
申请(专利权)人：上海轻环能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：