CN106707795B - 一种天然气管网与电网耦合***的实时仿真模型与*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气管网与电网耦合***的实时仿真模型与***，属于能源互联网技术领域；该***包括上位机、第一目标机、第二目标机、天然气管网***和电网***的数字模型；所述第一目标机和第二目标机分别通过以太网交换机与上位机连接成***。本发明天然气管网与电网耦合***的实时仿真模型与***可实时模拟电力网***与天然气管道***的交互影响，实现了天然气管网与电网耦合***的实时仿真，天然气管网的状态能够被实时监测，突破了原有的静态分析方法不能模拟动态的局限；本发明将两个不同形式的能源进行互联，实现了不用能源的相互转换，是实现能源互联网实时仿真重要手段。
Description
技术领域
本发明涉及能源互联网技术领域，具体为一种天然气管网与电网耦合***的实时仿真模型与***。
背景技术
随着全世界范围内天然气探明储量的增加、燃气轮机技术的发展以及环境保护压力的增强，天然气发电迅猛发展。在我国，天然气发电作为一种清洁能源，对于优化能源结构、减轻环境压力、增强电网调峰能力具有明显优势。另外天然气发电作为我国天然气市场发展的依托，在我国天然气工业发展中扮演着重要角色。除此之外，天然气发电技术还直接或间接的带动燃气轮机技术、LNG船舶制造技术、清洁煤技术、城市集中制冷技术等的发展。
随着能源互联网的提出以及分布式能源应用范围的不断扩大，为了打破传统的冷、热、电相对独立的状态，提高能源的综合利用率，实现多种能源开放互联。能源互联网将多种能源分层开发利用，并进行智能管理，以降低能源的浪费，提高能源的利用率，并且能够将不同形式的能源进行转换以及合理调度，减少间歇性可再生能源对***的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气管网与电网耦合***的实时仿真模型与***，该装置将天然气管网***与电网***两个不同形式的能源通过燃气轮机耦合联系在一起，利用该仿真装置可以通过改变电网侧部分功率，实时观测天然气管网的变化，也可以通过设置天然气管网扰动实时观测电网变量，适用于开展天然气网与电网之间的交互作用的实时仿真；以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种天然气管网与电网耦合***的实时仿真模型与***，包括上位机、第一目标机、第二目标机、天然气管网***和电网***；所述第一目标机和第二目标机分别通过以太网交换机与上位机连接成***；所述第一目标机和第二目标机分别控制天然气管网***和电网***；所述天然气管网***包括燃气轮机、调压阀和管道模型；所述管道模型包括第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道和第七管道；所述第一管道的一端与恒压气源相通，且第一管道的另一端与第一分流器的一端连接；所述第一分流器的另一端通过第二管道和第三管道分别与第二分流器和第三分流器的一端连接；所述第三分流器的另一端分别与第四管道、第五管道相通；所述第二分流器的另一端分别与第六管道和第七管道的一端相通，且第七管道的另一端通过调压阀与燃气轮机连接；所述电网***包括发电机、AC/DC转换器、DC/AC转换器和交流配网；所述发电机一端与燃气轮机一端连接，且发电机另一端分别通过导线依次与AC/DC转换器、DC/AC转换器和交流配网电性连接；所述交流配网分别通过导线与工厂用装置和用户用电装置电性连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第一目标机和第二目标机分别是基于xPCtarget技术的工控机，第一目标机运行天然气管网Simulink模型且使用大步长仿真，第二目标机运行电网Simulink模型且使用较小步长仿真；第一目标机和第二目标机通过以太网交换机交换实时仿真变量。
作为本发明的一种优选技术方案，所述上位机中的管道模型采用的是动态模型，其方程组为：
其中：c为管道声速；A为管道的横截面积；M为以质量计量的流量；p为压力；D为管道直径；x为管道距离；g为重力加速度；θ为管道与水平线夹角；f为达西-维斯巴哈摩擦系数。
作为本发明的一种优选技术方案，所述调压阀通过调压阀模型对进入燃气轮机进行调节；所述调压阀模型主要包括出口压力参考值、比例环节、代数约束、微分环节、进口压力和出口压力；所述进口压力一端通过相乘器与出口压力一端连接，且出口压力另一端与出口压力参考值相连；所述出口压力参考值依次与比例环节、代数约束和相乘器电性连接，且相乘器与比例环节之间设置有微分环节。
作为本发明的一种优选技术方案，所述出口压力参考值为设定值，进口压力为调压阀的输入量，出口压力为调压阀的输出量。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可实时模拟电力网***与天然气管道***的交互影响，实现了天然气管网与电网耦合***的实时仿真，天然气管网的状态能够被实时监测，突破了原有的静态分析方法不能模拟动态的局限，同时打破了传统的不同形式能源之间相互分离的局限，将两个不同形式的能源进行互联，实现了不用能源的相互转换，是实现能源互联网的重要组成部分。本发明的实时仿真器成本低、仿真操作简单、仿真结果贴近实际，具有可观的实用价值；而且第七管道的另一端通过调压阀与燃气轮机连接，保证其出口压力恒定，即保证燃气轮机进口压力恒定；通过燃气轮机将天然气管网与电网进行耦合，能够分析在天然气负荷扰动的情况下，电网部分功率变化情况，以及电网扰动对天然气管道变化的影响，实用性强，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明的拓扑结构图；
图2为本发明的控制结构示意图；
图3为本发明的模型结构示意图；
图4为本发明的调压阀模型结构图。
附图标记说明：1-上位机、2-第一目标机、3-第二目标机、4-天然气管网***、5-电网***、6-以太网交换机、7-燃气轮机、8-调压阀、9-第一管道、10-第二管道、11-第三管道、12-第四管道、13-第五管道、14-第六管道、15-第七管道、16-恒压气源、17-第一分流器、18-第二分流器、19-第三分流器、20-发电机、21-AC/DC转换器、22-DC/AC转换器、23-交流配网、24-出口压力、25-工厂用装置、26-用户用电装置、27-出口压力参考值、28-比例环节、29-代数约束、30-微分环节、31-进口压力、32-相乘器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1～2，本发明提供的天然气管网与电网耦合***的实时仿真模型与***，包括上位机1、第一目标机2、第二目标机3、天然气管网***4和电网***5；所述第一目标机2和第二目标机3分别通过以太网交换机6与上位机1连接成***；所述第一目标机2和第二目标机3分别控制天然气管网***4和电网***5；所述天然气管网***4包括燃气轮机7、调压阀8和管道模型；所述管道模型包括第一管道9、第二管道10、第三管道11、第四管道12、第五管道13、第六管道14和第七管道15；所述第一管道9的一端与恒压气源16相通，且第一管道9的另一端与第一分流器17的一端连接；所述第一分流器17的另一端通过第二管道10和第三管道11分别与第二分流器18和第三分流器19的一端连接；所述第三分流器19的另一端分别与第四管道12、第五管道13相通；所述第二分流器18的另一端分别与第六管道14和第七管道15的一端相通，且第七管道15的另一端通过调压阀8与燃气轮机7连接；所述电网***5包括发电机20、AC/DC转换器21、DC/AC转换器22和交流配网23；所述发电机20一端与燃气轮机7一端连接，且发电机20另一端分别通过导线依次与AC/DC转换器21、DC/AC转换器22和交流配网23电性连接；所述交流配网23分别通过导线与工厂用装置25和用户用电装置26电性连接；设定第一管道9、第二管道10、第三管道11、第四管道12、第五管道13、第六管道14和第七管道15为水平的；天然气管网***4与电网***5通过燃气轮机7进行耦合，天然气管网***4通过调压阀8向燃气轮机7提供恒定的压力，燃气轮机7将电网需***5要的机械功率转化为流量输入到天然气管网***4中，电网负荷的投切影响燃气轮机7输出的机械功率，进而影响天然气管网***4输入燃气轮机7的天然气流量。这样就将天然气管网***4与电网***5有效地耦合在一起。
所述第一目标机2和第二目标机3分别是基于xPCtarget技术的工控机，第一目标机2运行天然气管网Simulink模型且使用大步长仿真，第二目标机3运行电网Simulink模型且使用较小步长仿真；第一目标机2和第二目标机3通过以太网交换机6交换实时仿真变量；第一目标机2和第二目标机3通过以太网交换机6交换实时仿真变量，进而可以对两个不同的***进行实时监测，通过在上位机1中调节电网***5部分负荷，即可在显示器上观察天然气管网***4的实时变化；也可以通过调节天然气管网***4负荷的变化来实时观察电网***5各参数的变化。
如图3所示，管道的长度和直径为定值，输入量为天然气管道的进口压力31和出口流量，输出量为管道的出口压力24和进口流量；所述上位机1中的管道模型采用的是动态模型，其方程组为：
其中：c为管道声速；A为管道的横截面积；M为以质量计量的流量；p为压力；D为管道直径；x为管道距离；g为重力加速度；θ为管道与水平线夹角；f为达西-维斯巴哈摩擦系数。
如图4所示，所述调压阀8通过调压阀模型对进入燃气轮机7进行调节；所述调压阀模型主要包括出口压力参考值27、比例环节28、代数约束29、微分环节30、进口压力31和出口压力24；所述进口压力31一端通过相乘器32与出口压力24一端连接，且出口压力24另一端与出口压力参考值27相连；所述出口压力参考值27依次与比例环节28、代数约束29和相乘器32电性连接，且相乘器32与比例环节28之间设置有微分环节30；所述出口压力参考值27为设定值，进口压力31为调压阀8的输入量，出口压力24为调压阀8的输出量；天然气管网的仿真模型中还设有调压阀8等非管道元件，本发明主要适用于园区等小范围场所，因此对于非管道元件压缩机作为恒压气源进行处理。对于调压阀8，其作用是在管道出口即调压阀8进口压力发生改变的情况下，保证其出口压力恒定，即保证燃气轮机7入口压力恒定。
本发明的工作原理：天然气管网与电网耦合***的实时仿真模型与***在使用时：首先在上位机1中利用Simulink对天然气管网***4和电网***5进行模型的搭建，通过以太网交换机6将上位机1与第一目标机2和第二目标机3进行连接。第一目标机2和第二目标机3是基于xPCtarget技术的工控机，第一目标机2运行天然气管网Simulink模型且使用大步长仿真，第二目标机3运行电网Simulink模型且使用较小步长仿真。第一目标机2和第二目标机3通过以太网交换机6交换实时仿真变量，进而可以对两个不同的***进行实时监测，通过在上位机1中调节电网部分负荷，即可在显示器上观察天然气管网的实时变化；也可以通过调节天然气负荷的变化来实时观察电网各参数的变化。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种天然气管网与电网耦合***的实时仿真模型与***，包括上位机(1)、第一目标机(2)、第二目标机(3)、天然气管网***(4)和电网***(5)；其特征在于：所述第一目标机(2)和第二目标机(3)分别通过以太网交换机(6)与上位机(1)连接成***；所述第一目标机(2)和第二目标机(3)分别控制天然气管网***(4)和电网***(5)；所述天然气管网***(4)包括燃气轮机(7)、调压阀(8)和管道模型；
所述管道模型包括第一管道(9)、第二管道(10)、第三管道(11)、第四管道(12)、第五管道(13)、第六管道(14)和第七管道(15)；所述第一管道(9)的一端与恒压气源(16)相通，且第一管道(9)的另一端与第一分流器(17)的一端连接；所述第一分流器(17)的另一端通过第二管道(10)和第三管道(11)分别与第二分流器(18)和第三分流器(19)的一端连接；所述第三分流器(19)的另一端分别与第四管道(12)、第五管道(13)相通；所述第二分流器(18)的另一端分别与第六管道(14)和第七管道(15)的一端相通，且第七管道(15)的另一端通过调压阀(8)与燃气轮机(7)0连接；
所述电网***(5)包括发电机(20)、AC/DC转换器(21)、DC/AC转换器(22)和交流配网(23)；所述发电机(20)一端与燃气轮机(7)一端连接，且发电机(20)另一端分别通过导线依次与AC/DC转换器(21)、DC/AC转换器(22)和交流配网(23)电性连接；所述交流配网(23)分别通过导线与工厂用装置(25)和用户用电装置(26)电性连接；
所述第一目标机(2)和第二目标机(3)分别是基于xPCtarget技术的工控机，第一目标机(2)运行天然气管网Simulink模型且使用大步长仿真，第二目标机(3)运行电网Simulink模型且使用较小步长仿真；第一目标机(2)和第二目标机(3)通过以太网交换机(6)交换实时仿真变量；
所述上位机(1)中的管道模型采用的是动态模型，其方程组为：
其中：t为时间；c为管道声速；A为管道的横截面积；M为以质量计量的流量；p为压力；D为管道直径；x为管道距离；g为重力加速度；θ为管道与水平线夹角；f为达西-维斯巴哈摩擦系数；
所述调压阀(8)通过调压阀模型对进入燃气轮机(7)进行调节；所述调压阀模型包括出口压力参考值(27)、比例环节(28)、代数约束(29)、微分环节(30)、进口压力(31)和出口压力(24)；所述进口压力(31)一端通过相乘器(32)与出口压力(24)一端连接，且出口压力(24)另一端与出口压力参考值(27)相连；所述出口压力参考值(27)依次与比例环节(28)、代数约束(29)和相乘器(32)电性连接，且相乘器(32)与比例环节(28)之间设置有微分环节(30)。
2.根据权利要求1所述的天然气管网与电网耦合***的实时仿真模型与***，其特征在于：所述出口压力参考值(27)为设定值，进口压力(31)为调压阀(8)的输入量，出口压力(24)为调压阀(8)的输出量。
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