一种管容优化分配方法、系统、介质和设备

技术领域

本发明涉及天然气管道输送经济性分析领域，尤其涉及一种管容优化分配方法、系统、介质和设备。

背景技术

我国关于管容分配方案的研究尚处于起步阶段，目前国内鲜有学者对这方面内容进行研究，因此以欧洲目前的管容分配方法作为参考，目前的管容分配方法研究主要集中在管容分配算法研究中，如欧洲最大的管容分配平台PRISMA针对长期产品使用上升时钟拍卖算法进行营销，而短期产品使用统一价格拍卖算法进行营销。有些学者针对管道运输能力分配设计了拍卖算法，分别以净现值分配、按比例分配、优化分配进行拍卖算法的设计。

上述研究存在一定程度不足：第一，由于欧洲的管容分配以分配算法为研究重点，并未考虑到实际的管道运行状态，因此，这种分配算法得到的分配仅存在于理论层面，在实际执行时可能存在天然气无法通过管道输送到托运商的情况。第二，由于不同类型的用户的分配优先级是不同的，同时由于一年内的用户的管输服务需求量会因为各种因素的影响产生波动，而欧洲现行的分配算法并未考虑到分配优先级因素以及不同时期的管输需求波动因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种管容优化分配方法、系统、介质和设备。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种管容优化分配方法，包括：

获取待分配管道的多个约束条件；

根据构建的目标函数、多个约束条件及决策变量构建管容分配模型；

对所述管容分配模型进行线性化处理，根据处理后的管容分配模型，结合待分配管道的基础参数，获得待分配管道的管容优化分配结果。

本发明的有益效果是：本方案通过根据构建的目标函数、多个约束条件及决策变量构建管容分配模型，对所述管容分配模型进行线性化处理，根据处理后的管容分配模型，结合待分配管道的基础参数，获得待分配管道的管容优化分配结果，实现在最大化管道运营公司的管输收益、尽可能提高各个管道利用率，提高用户的用气满意度，并采用分段线性化的方法线性化模型内的非线性约束，提高模型的求解效率，以获得全局最优解。

进一步地，还包括：根据管道净现值构建所述目标函数。

进一步地，所述多个约束条件包括：

管网流量约束条件、产能约束条件、优先级约束条件、需求约束条件、中间节点上传量约束条件、节点流量平衡约束条件、管道流量约束条件、节点流量平衡约束条件、管道流量约束条件、管容路径约束条件、管道流向约束条件和管网压力约束条件。

进一步地，所述基础参数包括：托运商分配需求信息、管网信息和水力参数。

进一步地，所述托运商分配需求信息包括：供气方信息、上载站点与上载管道信息、下载站点与下载管道信息、用户压力需求信息、用户指定需求量信息、申请服务时间信息、接受路径调剂信息和供气可中断信息。

所述管网信息包括：天然气管网系统管道拓扑结构、单位管输费用、管道设计输量、管道长度、管道内径、管道承压能力、管道最小输气压力和各站点类型。

所述水力参数包括：天然气的物性参数、压气站加压能力、水力摩阻系数和管道管壁粗糙度。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种管容优化分配系统，包括：获取约束模块、管容分配构建模块和管容分配模块；

所述获取约束模块用于获取待分配管道的多个约束条件；

所述管容分配构建模块用于根据构建的目标函数、多个约束条件及决策变量构建管容分配模型；

所述管容分配模块用于对所述管容分配模型进行线性化处理，根据处理后的管容分配模型，结合待分配管道的基础参数，获得待分配管道的管容优化分配结果。

本发明的有益效果是：本方案通过根据构建的目标函数、多个约束条件及决策变量构建管容分配模型，对所述管容分配模型进行线性化处理，根据处理后的管容分配模型，结合待分配管道的基础参数，获得待分配管道的管容优化分配结果，实现管道运营公司的管输收益最大化、尽可能提高各个管道利用率，提高用户的用气满意度，并采用分段线性化的方法线性化模型内的非线性约束，提高模型的求解效率，以获得全局最优解。

进一步地，还包括：目标函数构建模块，根据管道净现值构建所述目标函数。

进一步地，所述多个约束条件包括：

管网流量约束条件、产能约束条件、优先级约束条件、需求约束条件、中间节点上传量约束条件、节点流量平衡约束条件、管道流量约束条件、节点流量平衡约束条件、管道流量约束条件、管容路径约束条件、管道流向约束条件和管网压力约束条件。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一方案所述的一种管容优化分配方法。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种电子设备，包括处理器和上述方案所述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的一种管容优化分配方法的流程示意图；

图2为本发明的实施例提供的一种管容优化分配系统的结构框图；

图3为本发明的其他实施例提供的优化模型算例示意图；

图4为本发明的其他实施例提供的各个用户分配管输量示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

由于管道公司与托运商所签订的合同为多周期的，而不同周期的托运商的需求的管道输送能力可能会存在差异，因此，需要考虑不同周期的托运商的性质、托运商的需求管输量从而得到不同周期的管容分配的方案，从而满足不同周期的托运商用气需求。本研究的重点在于考虑多周期下、多用户特点的管容分配方法设计，设计该方法的目的在于得到多周期下满足不同类型用户需求的条件下的“最优的可行的”管容分配方案。其中“最优”即使得管道公司的管输收益净现值最大、用户满意度最高、各段管道利用率最高，“可行”即得到的管容分配方案需要满足管道运行的运行相关约束，如管网水力特性约束、管输输送能力约束、管道压气站约束、管道承压能力约束等。

在管容分配的过程中，由于管容分配是在管道运营商与托运商签订输气合同之后进行的工作，因此，在设计分配方法时，其必须满足的边界条件是用户签订合同的管输量，在考虑这个边界条件时，由于不同类型的用户的重要度不同，因此满足其合同输量的量可以进行适当调整。在满足该边界条件下求解出管输收益净现值最大、管道管输量以及管输路径。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种管容优化分配方法，包括：

获取待分配管道的多个约束条件；需要说明的是，多个约束条件可以包括：

根据构建的目标函数、多个约束条件及决策变量构建管容分配模型；

对所述管容分配模型进行线性化处理，根据处理后的管容分配模型，结合待分配管道的基础参数，获得待分配管道的管容优化分配结果。需要说明的是，基础参数可以包括：托运商分配需求信息、管网信息和水力参数；

托运商分配需求信息：所指定的供气方、所指定的上载站点与上载管道、所指定的下载站点与下载管道、用户压力需求、用户指定需求量、申请服务时间、接受路径调剂情况及供气可中断情况；

管网信息：包括天然气管网系统管道拓扑结构、单位管输费用、管道设计输量、管道长度、管道内径、管道承压能力、管道最小输气压力及各站点类型；

水力参数：包括天然气的物性参数、压气站加压能力、水力摩阻系数及管道管壁粗糙度。

需要说明的是，所述管容优化分配结果包括：管容分配结果及分配结果对应的收益结果。

在某一实施例中，管容分配模型可以为MINLP模型(混合整数非线性规划模型)。

所提出的模型包含许多约束，包括节点和管道，管道流量，管道压力，管道流向、管道容量。结合具体的实际数据和非线性方程线性化方法，该模型可以转化为MILP数学模型，MILP数学模型由目标函数、约束条件以及决策变量组成，其中所有约束和目标函数都是线性的。因此，该模型可以通过基于分支定界算法的商业MILP模型求解器GUROBI来求解，该算法是全局最优解的搜索算法，因此，可以获得管容分配的最优方案。具体的MINLP数学模型如下，符号说明如下：集合索引如表1所示，参数索引如图2所示，变量索引如表3所示，整数变量如图4所示。

表1

表2

/>

表3

表4

在某一实施例中，目标函数可以包括：

(1)净现值是评估项目获利能力的重要技术经济指标，因此，以决策周期内总费用净现值最小为目标函数。

NPV＝∑

其中，C

t周期的总成本(C

C

t周期天然气管网总管输成本为管网系统中所有管道的输送费用之和，单条管道的输送费用可用单位流量的管输费用、管道天然气输送量、管道长度之积表示：

Q

ctm

(2)为了提高管容分配过程中尽可能提高低利用率管道的利用率，在优化模型中加入以管道利用率为目标函数。管道利用率定义如下：

(3)为了提高管容分配过程中的用户对于管输合同的执行情况的满意程度，在优化模型中加入表征用户满意度的的目标函数。用户满意度的定义如下：

在另一实施例中，约束条件可以包括：

考虑到天然气管网系统的运行特性，模型中考虑如下约束条件以约束解的范围。

1)管网流量约束

对每个节点定义了如下4个流量来表征管网的流量关系，包括：节点上传流量(Q

2)产能约束

进气点上传量(Q

其中，V

提气点的下载量(Qi,tout)可高于用户需求也可低于用户需求，低于用户需求时需要根据评分设置用户权重，优先满足权重较高的用户需求(根据评分指定分配优先级)

3)优先级约束

4)需求约束

指定进提气点组合下的分配容量不高于用户所提供的需求量

(1)对于不可中断用户而言：

其中，Q

(2)对于可中断用户而言：

其中，Q

5)中间节点上传量约束

中间节点是除去供气点外的所有点，包括压气站节点及普通节点，中间节点上传量(Q

其中，Q

6)节点流量平衡

节点流量平衡即管网系统中的每一个节点处的节点上传量和流入节点的流量之和与节点下载量和流出节点的流量相等。考虑到管网结构中存在部分双向管，因此约束表示如下：

其中，Q

7)管道流量约束

若节点i，j间存在管道，则管道内的流量存在一定的上下限：

其中，q

8)节点流量平衡

节点流量平衡即管网系统中的每一个节点处的节点上传量和流入节点的流量之和与节点下载量和流出节点的流量相等。考虑到管网结构中存在部分双向管，因此约束表示如下：(指定上下载站场)

其中，Q

9)管道流量约束

若节点i，j间存在管道，则管道内的流量存在一定的上下限：

10)管容路径约束

相同进提气点组合对应的各管道管容分配量相等：

其中，Q

11)管道流向约束

由于天然气管网系统中存在部分管道正反输的情况，因此需要添加约束限制各条管道的流向。

对于单向管而言，管道流向始终不变：

对于双向管而言，保证同一周期内流向不变：

有流向才有流量：

12)管网压力约束

①压气站两端压力约束

压气站节点进站压力不应高于出站压力，且出站压力应该在一定上限之内：

其中，P

普通节点两端压力相等：

其中，P

②管网水力约束

输气管道中天然气的流动状态满足水力特性方程。对于单向管道而言，管道内天然气流向已定，因而水力约束可写作：

对于双向管道而言，管道内天然气流向不定，水力约束收到流向决策影响，因而可写作：

/>

其中，Z表示天然气的压缩因子，T

③管道承压能力约束

天然气运输过程中管道内的气体压力应处于管道的承压范围之内：

其中，P

④需求点压力约束：

管网系统中各需求点的压力应在一定范围内：

其中，Pd

本方案通过根据构建的目标函数、多个约束条件及决策变量构建管容分配模型，对所述管容分配模型进行线性化处理，根据处理后的管容分配模型，结合待分配管道的基础参数，获得待分配管道的管容优化分配结果，实现管道运营公司的管输收益最大化、尽可能提高各个管道利用率，提高用户的用气满意度，并采用分段线性化的方法线性化模型内的非线性约束，提高模型的求解效率，以获得全局最优解。

可选地，在一些实施例中，还包括：根据管道净现值构建所述目标函数。

可选地，在一些实施例中，所述多个约束条件包括：

管网流量约束条件、产能约束条件、优先级约束条件、需求约束条件、中间节点上传量约束条件、节点流量平衡约束条件、管道流量约束条件、节点流量平衡约束条件、管道流量约束条件、管容路径约束条件、管道流向约束条件和管网压力约束条件。

可选地，在一些实施例中，所述基础参数包括：托运商分配需求信息、管网信息和水力参数。

可选地，在一些实施例中，所述托运商分配需求信息包括：供气方信息、上载站点与上载管道信息、下载站点与下载管道信息、用户压力需求信息、用户指定需求量信息、申请服务时间信息、接受路径调剂信息和供气可中断信息。

所述管网信息包括：天然气管网系统管道拓扑结构、单位管输费用、管道设计输量、管道长度、管道内径、管道承压能力、管道最小输气压力和各站点类型。

所述水力参数包括：天然气的物性参数、压气站加压能力、水力摩阻系数和管道管壁粗糙度。

在某一实施例中，本发明适用于一定规模的天然气管道运营企业进行管容分配。基于考虑管网水力特性、用户满意度、管网利用率的多周期管容分配优化方法确定的管容分配方案，能够保证管道管容利用率在一个合理的水平，进一步提高用户满意度，最大化管道运营企业的净现值。

首先进行问题描述及参数输入，明确模型所要解决的问题以及所需要的基础参数，其次确定目标函数，确定统筹考虑管网水力特性、用户满意度、管网利用率的目标函数，再次确定约束条件，包括管道流量约束、压力约束、用户优先级约束等相关约束，最后选取MINLP模型并进行线性化处理，通过模型求解可得最终结果。通过对于水力约束线性化之后成为MILP模型，通过调用GUROBI求解器进行求解。其中，通过确定的模型目标函数、决策变量、约束条件建立该MINLP模型。

在某一实施例中，如图2所示，一种管容优化分配系统，包括：获取约束模块1101、管容分配构建模块1102和管容分配模块1103；

所述获取约束模块1101用于获取待分配管道的多个约束条件；

所述管容分配构建模块1102用于根据构建的目标函数、多个约束条件及决策变量构建管容分配模型；

所述管容分配模块1103用于对所述管容分配模型进行线性化处理，根据处理后的管容分配模型，结合待分配管道的基础参数，获得待分配管道的管容优化分配结果。

本方案通过根据构建的目标函数、多个约束条件及决策变量构建管容分配模型，对所述管容分配模型进行线性化处理，根据处理后的管容分配模型，结合待分配管道的基础参数，获得待分配管道的管容优化分配结果，实现管道运营公司的管输收益最大化、尽可能提高各个管道利用率，提高用户的用气满意度，并采用分段线性化的方法线性化模型内的非线性约束，提高模型的求解效率，以获得全局最优解。

可选地，在一些实施例中，还包括：目标函数构建模块，根据管道净现值构建所述目标函数。

可选地，在一些实施例中，所述多个约束条件包括：

管网流量约束条件、产能约束条件、优先级约束条件、需求约束条件、中间节点上传量约束条件、节点流量平衡约束条件、管道流量约束条件、节点流量平衡约束条件、管道流量约束条件、管容路径约束条件、管道流向约束条件和管网压力约束条件。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。

需要说明的是，上述各实施例是与在先方法实施例对应的产品实施例，对于产品实施例中各可选实施方式的说明可以参考上述各方法实施例中的对应说明，在此不再赘述。

在某一实例中，剩余能力计算的管容优化分配可以包括：考虑管网水力特性、用户满意度、管网利用率的多周期管容分配优化方法的主要内容是建立管容优化模型。通过确定模型的目标函数、决策变量、约束条件等相关参数，其中，Q

在某一实施例中，如图3所示，优化模型算例包括：

通过虚拟算例说明所建立模型已具备了考虑用户分配优先级的管容优化分配的功能。

算例1如图3所示，算例中共包含7个节点，其中供气点共1个，用绿色节点表示(节点5)；需求点共3个，用红色节点表示(节点1，3，4)；普通节点共3个，用蓝色节点表示(节点2，6，7)，管道均为单向管道。对于三个需求点，其中用户3为完全保障用户，用户1和用户4为可压减用户。

表1为管道基本参数。

表1

本算例中，供气点5供气量为15亿方/月，各个需求点的需求量如表2所示：

表2三个用户的分配优先级的用户的权重如表3所示：

/>

表3

三个用户的分配管输量，各个用户分配管输量如图4所示：

由于管输能力的限制(10亿方/月)，不能满足全部用户需求。最终用户3的管输服务需求得到了完全满足，用户1的管输需求得到了部分满足，而用户4没有分配到管输量。虽然用户1、3权重相同，但是用户3为完全保障用户，用户1可压减用户，完全保障用户的优先级大于可压减用户。同类型可压减用户1的权重比4更高，因此剩余管输能力都分配给了用户1。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。