CN109002419A - 天然气管网的动态分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种天然气管网的动态分析方法及装置，该方法包括：基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。本申请实施例可实现对大规模复杂管网的动态分析，且效率较高。

Description

天然气管网的动态分析方法及装置

技术领域

本申请涉及天然气管网动态分析技术领域，尤其是涉及一种天然气管网的动态分析方法及装置。

背景技术

天然气管网中任意单元产生的扰动都可能造成***内大范围的状态波动，从而影响正常的供气。由于天然气的可压缩性，扰动造成的慢瞬态变化与时间、空间紧密相关；而且，天然气管网由大量、不同种类的单元构成，具有不同的运行模式、控制模式和限制条件，对扰动做出的响应也不相同。此外，天然气管网的气源多种多样，不同气源的运行模式差异很大。天然气管网的以上特点给其运行状态预测、***特性分析带来了巨大困难。

目前，对天然气管道的瞬态模拟技术已经比较成熟。研究者也发表了许多关于天然气管网瞬态模型的文章。但是，这些文章中的模型多数并非真正意义上的“管网模型”，而是在管道模型的基础上拼凑而成。这些模型的主要焦点在于对偏微分方程的处理，仅简单地考虑了管道与管道连接处的守恒关系。

其中，具有代表性的最新方法是Mahmood Farzaneh-Gord,Hamid Reza Rahbari于2016年在Journal of Natural Gas Science and Engineering上发表的文章《Unsteadynatural gas flow within pipeline network,an analytical approach》。在这篇文章中，作者首先采用Kolomogorov and Fomin变换法，化简了质量守恒方程和动量守恒方程；然后对化简后的方程组积分(对时间积分)，将非稳态方程转化为“稳态方程组”。但是，该稳态方程组中的关键系数与时间相关。然后，采用基尔霍夫一定律将各管道的“稳态方程组”组合在一起，形成管网方程组。这个方法就是典型的“拼凑式”方法，其特点在于重点强调对管道模型的改进，然后简单考虑管道模型的耦合关系，形成管网模型。该模型的问题在于：形成的管网模型在形式上非常复杂，应用于大型、复杂管网存在很大困难。

也有研究者关注到了这个问题，试图从整体的角度建立天然气管网的***模型。其中，R.Alamian,M.Behbahani-Nejad,A.Ghanbarzadeh于2012年在Journal of NaturalGas Science and Engineering杂志上发表了一篇题为《A state space model fortransient flow simulation in natural gas pipelines》的文章，该文章从控制论的角度建立了天然气管网的状态空间模型。首先，作者对质量守恒、动量守恒方程进行拉普拉斯变换，建立管道的传递函数模型；然后基于传递函数，提取状态变量，描述管网中各节点、管道间的作用关系，再进行反拉普拉斯变换，建立起管网的状态空间模型。但是，由于该模型完全基于控制学方法，建模过程中出了两次拉普拉斯变换外，还要构造逻辑框图，从而给计算造成了较大负担。因此，对于大规模复杂管网，这种方案不具有可行性。换而言之，现有模型仅适用于简单的天然气管网。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种天然气管网的动态分析方法及装置，以实现对大规模复杂管网的动态分析。

为达到上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种天然气管网的动态分析方法，包括：

基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；

根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；

将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；

根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。

本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述节点动态方程包括：

其中，Δp_i为节点i处的压力增量，ρ_n为流体密度，c为声速，A_i,j为节点i与节点j间管道的横截面积，Δx_i,j为节点i与节点j间管道的离散空间步长，ΔQ_i,j为节点i与节点j间管道的流量增量，ΔL_i为节点j处的供气量增量或需气量增量。

本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述管道动态方程包括：

其中，ΔQ_i为管道i的压力增量，Δp_k为管道i的端部k处的压力增量，Δp_j为管道i的端部j处的压力增量，K_qi为第一系数，且K_pk为第二系数，且K_pj为第三系数，且f(Q₀,p₀,p₀)为变量在平衡态时管道流量变化率的值。

本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述节点有向邻接矩阵包括：

其中，向量为所述天然气管网中所有节点处压力变化量对时间的导数，Φ为第一系数矩阵，AI为邻接矩阵，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量，ΔL向量为所述天然气管网中所有需求点处天然气流入量，或所述天然气管网中所有供气点处天然气流出量。

本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述管道有向邻接矩阵包括：

其中，向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量对时间的导数，K_p为第二系数矩阵，K_Q为第三系数矩阵，Δp向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力增量，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量。

本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述状态空间模型包括：

其中，为所述天然气管网的状态空间模型；

A为所述天然气管网的状态矩阵，且

X为所述天然气管网的状态变量矩阵，且

B为所述天然气管网的控制矩阵，且

U为所述天然气管网的控制变量矩阵，且

m为所述天然气管网中的管道数量，n为所述天然气管网中的节点数量，O为零矩阵，C_p为第四系数矩阵，C_Q为第五系数矩阵，p向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力，Q_n向量为所述天然气管网中的非管道部件的流量。

本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析，包括：

接收基于预设规则输入至所述状态空间模型的扰动事件，所述扰动事件为导致所述状态空间模型偏离正常运行状态的不利事件；

根据预设的数值求解方法模拟所述扰动事件在所述状态空间模型中传播过程。

另一方面，本申请实施例还提供了一种天然气管网的动态分析装置，

包括：

动态方程建立模块，用于基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；

邻接矩阵建立模块，用于根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；

状态空间模型获取模块，用于将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；

管网动态分析模块，用于根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。

本申请实施例的天然气管网的动态分析装置，所述节点动态方程包括：

其中，Δp_i为节点i处的压力增量，ρ_n为流体密度，c为声速，A_i,j为节点i与节点j间管道的横截面积，Δx_i,j为节点i与节点j间管道的离散空间步长，ΔQ_i,j为节点i与节点j间管道的流量增量，ΔL_i为节点j处的供气量增量或需气量增量。

本申请实施例的天然气管网的动态分析装置，所述管道动态方程包括：

其中，ΔQ_i为管道i的压力增量，Δp_k为管道i的端部k处的压力增量，Δp_j为管道i的端部j处的压力增量，K_qi为第一系数，且K_pk为第二系数，且K_pj为第三系数，且f(Q₀,p₀,p₀)为变量在平衡态时管道流量变化率的值。

本申请实施例的天然气管网的动态分析装置，所述节点有向邻接矩阵包括：

其中，向量为所述天然气管网中所有节点处压力变化量对时间的导数，Φ为第一系数矩阵，AI为邻接矩阵，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量，ΔL向量为所述天然气管网中所有需求点处天然气流入量，或所述天然气管网中所有供气点处天然气流出量。

本申请实施例的天然气管网的动态分析装置，所述管道有向邻接矩阵包括：

其中，向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量对时间的导数，K_p为第二系数矩阵，K_Q为第三系数矩阵，Δp向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力增量，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量。

本申请实施例的天然气管网的动态分析装置，所述状态空间模型包括：

其中，为所述天然气管网的状态空间模型；

A为所述天然气管网的状态矩阵，且

X为所述天然气管网的状态变量矩阵，且

B为所述天然气管网的控制矩阵，且

U为所述天然气管网的控制变量矩阵，且

m为所述天然气管网中的管道数量，n为所述天然气管网中的节点数量，O为零矩阵，C_p为第四系数矩阵，C_Q为第五系数矩阵，p向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力，Q_n向量为所述天然气管网中的非管道部件的流量。

本申请实施例的天然气管网的动态分析装置，所述根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析，包括：

接收基于预设规则输入至所述状态空间模型的扰动事件，所述扰动事件为导致所述状态空间模型偏离正常运行状态的不利事件；

根据预设的数值求解方法模拟所述扰动事件在所述状态空间模型中传播过程。

再一方面，本申请实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；

根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；

将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；

根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。

由以上本申请实施例的方案可以看出，本申请实施例在建模过程无需进行拉普拉斯变换，也无需构造逻辑框图；且可基于质量守恒方程直接建立天然气管网的节点动态方程，以取代传统的在节点处采用基尔霍夫方程描述质量守恒的方法，从而大大地减少了模型中的方程数量，节省了存储空间，提高了计算效率，因而本申请可以适用于大规模复杂天然气管网的动态分析。从而大规模复杂天然气管网运行状态的在线预测、决策与预警提供了理论基础。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请一实施例中天然气管网的动态分析方法的流程图；

图2为本申请一实施例中的天然气管网拓扑结构示意图；

图3为图2所示天然气管网中第50个及第61个需求节点的负荷曲线(扰动事件)；

图4为图2所示天然气管网中第2个管道的上游节点，采用本申请实施例得到的流量波动曲线与采用现有TGNET软件得到的流量波动曲线的对比图；

图5为图2所示天然气管网中第2个管道的上游节点，采用本申请实施例得到的压力波动曲线与采用现有TGNET软件得到的压力波动曲线的对比图；

图6为图2所示天然气管网中第41个管道的上游节点，采用本申请实施例得到的流量波动曲线与采用现有TGNET软件得到的流量波动曲线的对比图；

图7为图2所示天然气管网中第41个管道的上游节点，采用本申请实施例得到的压力波动曲线与采用现有TGNET软件得到的压力波动曲线的对比图；

图8为图2所示天然气管网中第59个气源节点的供气量波动曲线；

图9为本申请一实施例中天然气管网的动态分析装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参考图1所示，本申请实施例的天然气管网的动态分析方法可以包括以下步骤：

S101、基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程。

本申请实施例中，质量守恒方程和动量守恒方程分别为下式(1)和式(2)。

其中，p为压力，v为流速，x为长度，t为时间，λ为摩擦系数，ρ_n为流体密度，g为重力加速度，α为管道倾角。

为了简化建模过程，在不失精确性的前提下，可将式(2)采用有限差分法转化为仅对时间求导的微分方程：

其中，Q_i为管道i的流量，p_j和p_k分别为管道i两端的节点j及k处的压力，A为管道横截面积，c为声速，η_e为管道效率，Δx为离散的空间步长，D为管道内径，为管道i的平均压力，并且：

现有技术中，一般先对管道建立“能量守恒、质量守恒”方程，然后采用基尔霍夫定律将管道方程耦合为管网模型。而本申请实施例中，将式(1)应用于天然气管网的节点(例如管道连接点、天然气供需点等)，从而可直接在节点处建立节点动态方程，见式(5)。其物理意义为：节点处的压力变化速率取决于该节点处的流量变化情况。这样的目的是取代传统的在节点处采用基尔霍夫方程描述质量守恒的方法，从而大大地减少了模型中的方程数量，节省了存储空间，提高了计算效率(其中，减少的方程数量与节点数量相当)。这在建立高度复杂管网的状态空间模型时，优势尤为突出。

其中，p_i为节点i处的压力，c为声速，A_i,j为节点i与节点j间管道的横截面积，Δx_i,j为节点i与节点j间管道的离散空间步长，Q_i,j为节点i与节点j间管道的流量，L_i为节点j处的供气量或需气量。

为了进一步简化模型，可对式(3)采用泰勒公式线性化，从而可得到线性化关系式：

其中，Q_i0,p_k0,p_j0为对应物理量在稳定工作点处的值；

ΔQ_i＝Q_i-Q_i0 (7)

Δp_k＝p_k-p_k0 (8)

Δp_j＝p_j-p_j0 (9)

为了让式(6)在形式上更简单，且由于 为常数，将式(6)简写为式(11)的形式：

其中，ΔQ_i为管道i的流量增量，Δp_k为管道i的端部k处的压力增量，Δp_j为管道i的端部j处的压力增量，K_qi为式(12)算得的系数，K_pk为式(13)算得的系数，K_pj为式(14)算得的系数，f(Q_i0,p_k0,p_j0)为变量在平衡态时f的值，f为化简后的管道流量变化率表达式，并且：

为了方便建立统一的天然气管网的状态空间模型，式(5)可以变换成以下形式：

其中，Δp_i为节点i处的压力增量，ΔL_i为节点j处的供气量增量或需气量增量，并且：

Δp_i＝p_i-p_i0 (16)

ΔQ_i,j＝Q_i,j-Q_i,j0 (17)

式中，Δp_i0，ΔQ_i,j0分别为对应物理量在稳定工作点处的值。

S102、根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵。

在本申请实施例中，邻接矩阵可以用于描述天然气管网的拓扑结构和网络中节点、边之间的连接关系或相互作用。为了将同一天然气管网中的所有管道、节点的动态方程(式(11)和式(15))耦合到一起，可先利用邻接矩阵表达管道动态方程和节点动态方程，以便于耦合。其中，邻接矩阵可定义为:

基于式(1)的定义，可以将所有节点的状态空间模型(式(15))整合为式(19)的形式：

其中，向量为由式(16)算得所述天然气管网中所有节点处压力变化量对时间的导数，AI为邻接矩阵(根据图论建立，体现管网节点间的连接关系)，ΔQ向量由式(17)算得所述天然气管网中所有管道的流量变化量，ΔL向量为所述天然气管网中所有需求点处天然气流入量，或所述天然气管网中所有供气点处天然气流出量，Φ为一个系数矩阵，Φ由式(20)算得，即：

Φ＝diag(φ₁,φ₂,φ₃…φ_n) (20)

当描述管道的动态过程时，需要借助AI的转置矩阵，即BI。

同时，本申请实施例还可将控制单元(即非管道单元，例如压气站、阀室等)表达为邻接矩阵中的边的形式。

为了便于与管道区分，将BI拆分成式(23)的形式：

BI＝[BI_P|BI_N] (23)

其中，BI_P表示管道的邻接矩阵转置；BI_N表示非管道单元的邻接矩阵的转置。

如此，线性化以后的管道动态方程式(11)，可以通过式(23)，整合为式(24)的形式：

其中，向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量对时间的导数，K_p为系数矩阵，体现节点的物理性质，由式(13)、式(14)与式(23)中的BI_P合成，即将式(13)、式(14)的计算结果一一对应地放入BI_P与之相应的位置。

K_Q为系数矩阵，体现管道的物理性质，且

式(25)中，非管道单元对应的对角线元素为0。

在本申请实施例中，对于控制单元(如压气站、阀室等)，其控制模式均可总结为以下形式：

c_p,j,ip_i+c_p,j,kp_k+c_Q,jp_i＝E_j (26)

其中，c_p,j,i，c_p,j,k，c_Q,j和E_j是根据单元的要求设定的系数；j为单元的编号；i，k为控制单元两端节点的编号。

基于式(23)和式(26)，控制单元可整合为：

其中，p向量为各控制单元两端节点的压力，Q向量为控制单元的流量，且p向量及Q向量中管道单元对应的元素为0；C_p为系数矩阵，且C_p由式(20)中的系数确定，并一一对应地放入式(23)中BI_N元素的对应位置。

C_Q为系数矩阵，根据式(26)中的系数取值确定，

其中，管道对应的对角线元素为0。

另外，管道气源、储气库、用户、液化天然气(LNG)站等单元在本申请的模型中体现为节点。对于这些节点，其控制模式可统一描述为式(29)：

K_p,ip_i+K_L,iL_i＝S_i (29)

其中，K_p,i和K_L,i为控制系数，根据实际控制情况取值，S_i为节点i设定的目标值。

当模型中某节点为控制点时，例如某气源为控压模式，则将该节点对应的节点动态方程替换为式(23)的形式，并将该节点的压力或气体供应(需求量)赋值为常数。

S103、将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型。

整合式(19)、式(24)、式(27)、式(29)可得到以下式(30)，式(30)即为模型的最终形式：

其中，m为所述天然气管网中的管道数量(即包含管道和控制单元的连通单元总数)，n为所述天然气管网中的节点数量，O为零矩阵，且向量和ΔQ向量中与控制单元对应的元素均为0；Q_n向量为非管道部件(如阀门、压气站等)的流量，且Q_n向量与管道对应的元素均为0。

进一步，式(30)可以写成式(31)的形式：

其中，根据控制论中对状态空间模型的定义，A为所述天然气管网的状态矩阵；X为所述天然气管网的状态变量矩阵；B为所述天然气管网的控制矩阵；U为所述天然气管网的控制变量矩阵，其中：

至此，本申请实施例建立所述天然气管网的状态空间模型，并且，该状态空间模型包含了天然气管网的拓扑结构、管道参数、天然气供需参数以及管网控制的特征。其中，天然气管网的拓扑结构可以用邻接矩阵表征，管道参数包含于式(32)中，天然气供需参数包含于式(33)和式(35)中，管网控制也包含于式(33)和式(35)中。也就是说，本申请实施例考虑了天然气管网内部的主要动态部件(管道、管道的连接节点、气源、用户)，从而能够捕捉由于各种扰动导致的***变化，且当天然气管网发生改变，只需调整式(31)中相应部分的参数即可。因此，无论实际天然气管网有多么复杂，其状态演化过程均可用相应的状态空间模型表达。

S104、根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。

本申请实施例中，所述根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析，可以包括以下步骤：

首先，接收基于预设规则输入至所述状态空间模型的扰动事件，所述扰动事件为导致所述状态空间模型偏离正常运行状态的不利事件。

多数意外事件(用户的用气量发生波动、阀门的关闭、蓄意攻击、设备失效等)的发生，最终都将导致管道运行状态(例如压力、流量等)的改变，最终影响天然气管网的供气能力。因此，本申请实施例中可将不利事件定义为一条或多条管道的失效。管道的失效体现为丧失输气能力，在有向邻接矩阵中表现为边上的权值变为0。失效管道数量不同时，可视为施加在状态空间模型上的“扰动力度”不同，本申请实施例中，所述预设规则可以包括：从预设的不利事件集合中通过蒙特卡洛法等随机选择一条不利事件，直至遍历所述不利事件集合中的每条不利事件；所述不利事件集合中的每条不利事件各不相同且均包含至少一条管道连线的权值为零的规则。

然后，根据预设的数值求解方法模拟所述扰动事件在所述状态空间模型中传播过程。由于天然气管网的动态模拟中存在数值算法中比较棘手的问题，如果处理不当可能导致迭代次数多、模拟过程波动大，进而导致耗时长、精度低的结果。考虑到这个问题，在本申请一个示例性实施例中可采用隐式、高阶的变步长数值微分公式(NumericalDifferentiation Formula，简称NDF)，对动态过程进行模拟，模拟对象为式(2)。因此，相对于被广泛采用的龙格-库塔方法(即R-K方法)方法等，采用这种NDF算法的迭代次数少，精度更高。

本申请实施例的状态空间模型可以用于观察天然气管网***的内在性质。例如采用李雅普诺夫第一方法(即线性近似法)，通过计算式(25)中的状态矩阵A的特征值，可以判断天然气管网的稳定性；再比如基于能控性准则，可采用状态矩阵A和状态矩阵B构建能控性矩阵，从而可以判断天然气管网的可控性，等等。

为了验证本申请实施例在真实、复杂天然气管网的适用性，将本申请实施例应用于现实中的某天然气管网(如图2所示)。该天然气管网总里程为1100km，管径范围为950～1014毫米。图2中尖端向外的节点表示需求节点(即用户)，尖端向内的节点表示气源。其中，气源1(正常日供气量3453万Nm³，供气压力7MPa)和59(正常日供气量762万Nm³，供气压力6.5MPa)为管道气源；气源32为LNG站(正常日供气量130万Nm³)；气源13为地下储气库，(正常日调峰能力389万Nm³)。

向图2所示天然气管网中的两个需求节点(50和61)施加扰动(如图3所示)，并分别采用本申请实施例的方法和专业软件TGNET模拟0～24小时内管网各单元的压力、流量变化。最终采用TGNET完成整个模拟过程用时5.8s，而采用本申请实施例的方法完成整个模拟过程仅用时0.533s。

为了整体分析本申请实施例对管网的适用性，采集了管道2、管道41的上游节点、气源59处的模拟结果，并与TGNET的仿真结果对比，如图4至图8所示。上述三个分析对象分别代表了距离扰动最远的管道、多条管道的连接点以及距离扰动最近的气源。通过对比发现，采用本申请实施例计算用时短，模拟结果与TGNET基本吻合。

参考图9所示，本申请实施例的天然气管网的动态分析装置可以包括：

动态方程建立模块91，可以用于基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；

邻接矩阵建立模块92，可以用于根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；

状态空间模型获取模块93，可以用于将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；

管网动态分析模块94，可以用于根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。

本申请实施例的装置与上述实施例的方法对应，因此，有关于本申请的装置细节，请参见上述实施例的方法，在此不再赘述。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，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、商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、商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、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (15)

1.一种天然气管网的动态分析方法，其特征在于，包括：

基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；

根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；

将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；

根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。

2.如权利要求1所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述节点动态方程包括：

其中，Δp_i为节点i处的压力增量，ρ_n为流体密度，c为声速，A_i,j为节点i与节点j间管道的横截面积，Δx_i,j为节点i与节点j间管道的离散空间步长，ΔQ_i,j为节点i与节点j间管道的流量增量，ΔL_i为节点j处的供气量增量或需气量增量。

3.如权利要求2所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述管道动态方程包括：

其中，ΔQ_i为管道i的压力增量，Δp_k为管道i的端部k处的压力增量，Δp_j为管道i的端部j处的压力增量，K_qi为第一系数，且K_pk为第二系数，且K_pj为第三系数，且f(Q₀,p₀,p₀)为变量在平衡态时管道流量变化率的值。

4.如权利要求3所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述节点有向邻接矩阵包括：

其中，向量为所述天然气管网中所有节点处压力变化量对时间的导数，Φ为第一系数矩阵，AI为邻接矩阵，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量，ΔL向量为所述天然气管网中所有需求点处天然气流入量，或所述天然气管网中所有供气点处天然气流出量。

5.如权利要求4所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述管道有向邻接矩阵包括：

其中，向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量对时间的导数，K_p为第二系数矩阵，K_Q为第三系数矩阵，Δp向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力增量，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量。

6.如权利要求5所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述状态空间模型包括：

其中，为所述天然气管网的状态空间模型；

A为所述天然气管网的状态矩阵，且

X为所述天然气管网的状态变量矩阵，且

B为所述天然气管网的控制矩阵，且

U为所述天然气管网的控制变量矩阵，且

m为所述天然气管网中的管道数量，n为所述天然气管网中的节点数量，O为零矩阵，C_p为第四系数矩阵，C_Q为第五系数矩阵，p向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力，Q_n向量为所述天然气管网中的非管道部件的流量。

7.如权利要求1所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析，包括：

接收基于预设规则输入至所述状态空间模型的扰动事件，所述扰动事件为导致所述状态空间模型偏离正常运行状态的不利事件；

根据预设的数值求解方法模拟所述扰动事件在所述状态空间模型中传播过程。

8.一种天然气管网的动态分析装置，其特征在于，包括：

动态方程建立模块，用于基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；

邻接矩阵建立模块，用于根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；

状态空间模型获取模块，用于将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；

管网动态分析模块，用于根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。

9.如权利要求8所述的天然气管网的动态分析装置，其特征在于，所述节点动态方程包括：

其中，Δp_i为节点i处的压力增量，ρ_n为流体密度，c为声速，A_i,j为节点i与节点j间管道的横截面积，Δx_i,j为节点i与节点j间管道的离散空间步长，ΔQ_i,j为节点i与节点j间管道的流量增量，ΔL_i为节点j处的供气量增量或需气量增量。

10.如权利要求9所述的天然气管网的动态分析装置，其特征在于，所述管道动态方程包括：

其中，ΔQ_i为管道i的压力增量，Δp_k为管道i的端部k处的压力增量，Δp_j为管道i的端部j处的压力增量，K_qi为第一系数，且K_pk为第二系数，且K_pj为第三系数，且f(Q₀,p₀,p₀)为变量在平衡态时管道流量变化率的值。

11.如权利要求9所述的天然气管网的动态分析装置，其特征在于，所述节点有向邻接矩阵包括：

其中，向量为所述天然气管网中所有节点处压力变化量对时间的导数，Φ向量为第一系数矩阵，AI为邻接矩阵，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量，ΔL向量为所述天然气管网中所有需求点处天然气流入量，或所述天然气管网中所有供气点处天然气流出量。

12.如权利要求10所述的天然气管网的动态分析装置，其特征在于，所述管道有向邻接矩阵包括：

其中，向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量对时间的导数，K_p为第二系数矩阵，K_Q为第三系数矩阵，Δp向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力增量，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量。

13.如权利要求12所述的天然气管网的动态分析装置，其特征在于，所述状态空间模型包括：

其中，为所述天然气管网的状态空间模型；

A为所述天然气管网的状态矩阵，且

X为所述天然气管网的状态变量矩阵，且

B为所述天然气管网的控制矩阵，且

U为所述天然气管网的控制变量矩阵，且

m为所述天然气管网中的管道数量，n为所述天然气管网中的节点数量，O为零矩阵，C_p为第四系数矩阵，C_Q为第五系数矩阵，p向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力，Q_n向量为所述天然气管网中的非管道部件的流量。

14.如权利要求8所述的天然气管网的动态分析装置，其特征在于，所述根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析，包括：

接收基于预设规则输入至所述状态空间模型的扰动事件，所述扰动事件为导致所述状态空间模型偏离正常运行状态的不利事件；

根据预设的数值求解方法模拟所述扰动事件在所述状态空间模型中传播过程。

15.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；

根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；

将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；

根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。