[发明专利]考虑天然气管道动态特性的天然气网动态状态估计方法

权利要求书

1.一种考虑天然气管道动态特性的天然气网动态状态估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)建立天然气网动态状态估计的时域窗和频域窗：

(1-1)定义时域窗宽I^t，I^t为正整数，取值由天然气网调度人员给定，定义时域窗内第u个采样时刻为τ_u＝τ-uΔt,u＝0,1,…,I^t-1，τ为天然气网当前时刻，Δt为天然气网的采样间隔时间，定义当前时域窗宽为I^t,e，I^t,e为正整数，取值由天然气网调度人员给定，定义历史时域窗宽为I^t,h，I^t,h为正整数，取值由调度人员给定，I^t、I^t,e和I^t,h满足以下关系式：

I^t＝I^t,e+I^t,h

(1-2)定义频域窗宽为I^f，I^f的取值由天然气网调度人员给定，定义频域窗内第d个频率分量为ω_d,d＝0,1,…,I^f-1，ω_d由下式计算得到：

(2)构建天然气网动态状态估计的量测向量，包括：

(2-1)从天然气网的数据采集与监视控制系统中获取天然气网当前时刻τ所在时域窗内所有采样时刻τ_u的天然气网运行数据，包括：各天然气网管道首端的天然气流量量测值i_p为天然气网管道编号，各天然气网管道末端的天然气流量量测值各压缩机首端的天然气流量量测值i_c为压缩机编号，各压缩机末端的天然气流量量测值各天然气网节点的压力量测值i_n为天然气网节点编号；各天然气源的天然气流量量测值i_s为天然气源编号；各天然气负荷的天然气流量量测值i_l为天然气负荷编号；

(2-2)构建各采样时刻τ_u天然气网动态状态估计的量测向量z_u：

其中，为由采样时刻τ_u所有天然气网管道首端的天然气流量量测值和所有压缩机首端的天然气流量量测值构成的列向量；为由采样时刻τ_u所有天然气网管道末端的天然气流量量测值和所有压缩机末端的天然气流量量测值构成的列向量；z_pr,u为由采样时刻τ_u所有天然气网节点的压力量测值构成的列向量；z_gs,u为由采样时刻τ_u天然气网中所有天然气源的天然气流量量测值构成的列向量；z_gl,u为由采样时刻τ_u天然气网中所有天然气负荷的天然气流量量测值构成的列向量；

(3)构建各采样时刻τ_u天然气网动态状态估计的状态向量x_u：

其中，为由采样时刻τ_u所有天然气网管道首端的天然气流量和所有压缩机首端的天然气流量构成的列向量，为由采样时刻τ_u所有天然气网管道末端的天然气流量和所有压缩机末端的天然气流量构成的列向量，x_pr,u为由采样时刻τ_u所有天然气网节点的压力构成的列向量，x_gs,u为由采样时刻τ_u天然气网中所有天然气源的天然气流量构成的列向量，x_gl,u为由采样时刻τ_u天然气网中所有天然气负荷的天然气流量构成的列向量；

(4)根据步骤(2)构建的量测向量和步骤(3)构建的状态向量，建立天然气网动态状态估计的目标函数如下：

其中，J表示目标函数表达式，W为量测误差的协方差矩阵，由天然气网调度人员给定，上标T表示矩阵转置，δ为历史时间窗衰减因子，δ由天然气网调度人员给定；

(5)建立天然气网动态状态估计的约束条件，包括：

(5-1)建立天然气网中的压缩机流量、压力相关约束：

(5-1-1)建立压缩机首末端的流量约束：

其中，Ω_c为天然气网中所有压缩机的编号集合；

(5-1-2)建立压缩机首末端的压力约束：

对于末端压力恒定的压缩机，压缩机首末端的压力约束如下：

其中，表示压缩机i_c在采样时刻τ_u的末端压力，为压缩机i_c末端压力的设定值，为一常数，由天然气网调度人员给定，Ω_c,1为天然气网中所有末端压力恒定的压缩机的编号集合；

对于压缩比恒定的压缩机，压缩机首末端的压力约束如下：

其中，表示压缩机i_c在采样时刻τ_u的首端压力，为压缩机i_c压缩比的设定值，为一常数，由天然气调度人员给定，Ω_c,2为天然气网中所有压缩比恒定的压缩机的编号集合；

对于压力差恒定的压缩机，压缩机首末端的压力约束如下：

其中，为压缩机i_c末端与首端压力差的设定值，为一常数，由天然气调度人员给定，Φ_c,3为天然气网中所有压力差恒定的压缩机的编号集合；

(5-2)建立天然气网管道中天然气流量、压力约束：

(5-2-1)建立频域窗内每一个频率分量ω_d的天然气网管道二端口约束：

式中，为天然气网管道i_p末端压力在频域窗I^f内第d个分量的值，为待求复数变量，为天然气网管道i_p首端压力第d个频率分量的值，为待求复数变量；为天然气网管道i_p末端天然气流量在频域窗I^f内第d个分量的值，为待求变复数量；为天然气网管道i_p首端天然气流量在频域窗内第d个分量的取值，为待求复数变量；和表示天然气网管道i_p在频域窗内第d个分量的二端口参数，其值分别为：

式中，为天然气网管道i_p的长度，为天然气网参数，表示天然气网管道参数第d个频率分量的取值，其值分别为：

式中，g为重力加速度，为天然气网管道i_p的内径，为天然气网管道i_p的倾角，为天然气网管道i_p的摩擦系数，为天然气网管道i_p内的流速基值，R为天然气的气体常数，T为天然气的温度，j为复数单位，和分别为天然气网参数，其值分别为：

式中，为天然气网管道i_p的面积；

(5-2-2)建立天然气网管道首端天然气流量的时域-频域映射约束：

其中，Re()表示取复数实部，Im()表示取复数虚部，θ_d为由ω_d计算的参数，θ_d计算如下：

θ_d＝I^f·ω_d-ω_d

(5-2-3)建立天然气网管道末端的天然气流量的时域-频域映射约束：

(5-2-4)建立天然气网节点的时域-频域映射约束：

其中，为节点i_n的压力在频域窗内第d个分量的值，为待求复数变量；

(5-3)建立天然气网拓扑约束：

(5-3-1)建立天然气网节点的流量平衡约束：

其中，为首端与节点i_n相连的管道编号集合，为末端与节点i_n相连的管道编号集合，为首端与节点i_n相连的压缩机编号集合，为末端与节点i_n相连的压缩机编号集合，为与节点i_n相连的天然气源编号集合，与节点i_n相连的天然气负荷编号集合；

(5-3-2)建立天然气网中管道-压缩机-节点时域压力关系约束：

(5-3-3)建立天然气网中管道-节点频域压力关系约束：

(6)由步骤(4)中建立的天然气网动态状态估计的目标函数和步骤(5)中建立的天然气网动态状态估计的约束条件共同构成天然气网动态状态估计模型，利用拉格朗日方法或内点法对天然气网动态状态估计模型进行求解，获得各采样时刻τ_u天然气网动态状态估计的状态向量x_u，实现考虑天然气管道动态特性的天然气网动态状态估计。