[发明专利]基于二阶锥优化算法的天然气系统最优潮流求解方法

说明书

本发明提供了一种基于二阶锥优化算法的天然气系统最优潮流求解方法，建立天然气系统模型及其运行需满足的约束条件，将非凸的管道流量方程进行放缩，转化为二阶锥形式的凸方程，以天然气成本为目标函数，求解天然气系统的最优潮流，根据转化后的凸方程得到松弛间隙，为保证松弛为紧，在天然气最优潮流求解过程中引入割集进行迭代，保证最后得到的解为最优潮流解。本发明首先分析天然气系统的管道、加压站、气井等主要部件，并研究其运行机理，建立天然气稳态模型；然后，将非凸非线性的天然气最优潮流问题转换为易于求解的凸问题；接着，引入割集，进行迭代求解，保证所求得的解为原问题的最优解；最后，利用MOSEK二阶锥优化求解器验证所提算法的正确性和有效性。

技术领域

本发明涉及一种天然气系统，具体涉及一种天然气系统最优潮流求解方法。

背景技术

能源是人类赖以生存的基础和重要保障，是国民经济的命脉，如何保证能源可持续供应的同时减少环境污染，是当今社会共同关注的重点。经过多年发展，我国能源事业取得了巨大的成就，但这是建立在消耗大量不可再生煤炭资源上，给环境带来了巨大的污染。美国作为一个能源需求大国，煤炭发电比例小于天然气发电比例，这是由于天然气发电产生的产物相对煤炭对环境的污染小，且天然气在美国储量十分丰富。虽然我国天然气储量较少，但“页岩气革命”的爆发为我国作为页岩气存量最丰富的国家解决天然气储量问题带了新的机遇。另外，俄罗斯作为我国的邻国，其天然气储量相当丰富，加强两国能源合作，亦能缓解我国的能源危机。因此，推动天然气在我国发展，研究天然气系统最优潮流显得尤为重要。

天然气系统的模型是一个高度非凸非线性模型，求解困难。可以利用常规求解电力系统潮流的方法求解天然气系统潮流。牛顿拉夫逊法是常规求解系统潮流的方法，其原理简单，易于理解，但求解过程复杂，速度缓慢，对初值设定要求高，易于陷入局部最优解。线性化方法虽能加快求解速度，但求解的精度低，结果只能作为近似值；而二阶锥优化算法作为一种凸优化算法，其拥有高效求解的优点且能保证求解结果为全局最优解。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提出一种基于二阶锥优化算法的天然气系统最优潮流求解方法，为天然气系统优化运行提供支撑。

技术方案：本发明提供了一种基于二阶锥优化算法的天然气系统最优潮流求解方法，包括以下步骤：

(1)建立天然气系统的管道流量方程；

(2)对于采用燃气轮机消耗的加压站，从天然气网络中汲取燃料驱动加压站运行，建立加压站模型；

(3)天然气系统的节点满足能量守恒，即流入该节点的流量等于流出该节点的流量，用关联矩阵的形式构造流量守恒模型；

(4)此外，天然气系统运行需满足气井供应约束、管道节点压力约束、管道流量约束和加压站两端压力比约束；

(5)包括步骤(1)～(4)的天然气模型除了管道流量方程是非凸非线性模型，其余为线性模型；将非凸的管道流量方程进行放缩，转化为二阶锥形式的凸方程；

(6)以天然气成本为目标函数，求解天然气系统的最优潮流；

(7)根据转化后的凸方程得到松弛间隙，为保证松弛为紧，在天然气最优潮流求解过程中引入割集进行迭代，保证最后得到的解为最优潮流解。

进一步，步骤(1)对于天然气系统中输气管道k其两端节点分别为m和n，则其流量方程为：

其中：