本發(fā)明涉及能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種天然氣管網(wǎng)與電網(wǎng)耦合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真模型與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著全世界范圍內(nèi)天然氣探明儲量的增加、燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)壓力的增強(qiáng)，天然氣發(fā)電迅猛發(fā)展。在我國，天然氣發(fā)電作為一種清潔能源，對于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境壓力、增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰能力具有明顯優(yōu)勢。另外天然氣發(fā)電作為我國天然氣市場發(fā)展的依托，在我國天然氣工業(yè)發(fā)展中扮演著重要角色。除此之外，天然氣發(fā)電技術(shù)還直接或間接的帶動燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)、LNG船舶制造技術(shù)、清潔煤技術(shù)、城市集中制冷技術(shù)等的發(fā)展。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的提出以及分布式能源應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，為了打破傳統(tǒng)的冷、熱、電相對獨(dú)立的狀態(tài)，提高能源的綜合利用率，實(shí)現(xiàn)多種能源開放互聯(lián)。能源互聯(lián)網(wǎng)將多種能源分層開發(fā)利用，并進(jìn)行智能管理，以降低能源的浪費(fèi)，提高能源的利用率，并且能夠?qū)⒉煌问降哪茉催M(jìn)行轉(zhuǎn)換以及合理調(diào)度，減少間歇性可再生能源對系統(tǒng)的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種天然氣管網(wǎng)與電網(wǎng)耦合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真模型與系統(tǒng)，該裝置將天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)兩個(gè)不同形式的能源通過燃?xì)廨啓C(jī)耦合聯(lián)系在一起，利用該仿真裝置可以通過改變電網(wǎng)側(cè)部分功率，實(shí)時(shí)觀測天然氣管網(wǎng)的變化，也可以通過設(shè)置天然氣管網(wǎng)擾動實(shí)時(shí)觀測電網(wǎng)變量，適用于開展天然氣網(wǎng)與電網(wǎng)之間的交互作用的實(shí)時(shí)仿真；以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種天然氣管網(wǎng)與電網(wǎng)耦合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真模型與系統(tǒng)，包括上位機(jī)、第一目標(biāo)機(jī)、第二目標(biāo)機(jī)、天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)系統(tǒng)；所述第一目標(biāo)機(jī)和第二目標(biāo)機(jī)分別通過以太網(wǎng)交換機(jī)與上位機(jī)連接成系統(tǒng)；所述第一目標(biāo)機(jī)和第二目標(biāo)機(jī)分別控制天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)系統(tǒng)；所述天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)包括燃?xì)廨啓C(jī)、調(diào)壓閥和管道模型；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與恒壓氣源相通，且第一管道的另一端與第一分流器的一端連接；所述第一分流器的另一端通過第二管道和第三管道分別與第二分流器和第三分流器的一端連接；所述第三分流器的另一端分別與第四管道、第五管道相通；所述第二分流器的另一端分別與第六管道和第七管道的一端相通，且第七管道的另一端通過調(diào)壓閥與燃?xì)廨啓C(jī)連接；所述電網(wǎng)系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC轉(zhuǎn)換器和交流配網(wǎng)；所述發(fā)電機(jī)一端與燃?xì)廨啓C(jī)一端連接，且發(fā)電機(jī)另一端分別通過導(dǎo)線依次與AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC轉(zhuǎn)換器和交流配網(wǎng)電性連接；所述交流配網(wǎng)分別通過導(dǎo)線與工廠用裝置和用戶用電裝置電性連接。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述第一目標(biāo)機(jī)和第二目標(biāo)機(jī)分別是基于xPCtarget技術(shù)的工控機(jī)，第一目標(biāo)機(jī)運(yùn)行天然氣管網(wǎng)Simulink模型且使用大步長仿真，第二目標(biāo)機(jī)運(yùn)行電網(wǎng)Simulink模型且使用較小步長仿真；第一目標(biāo)機(jī)和第二目標(biāo)機(jī)通過以太網(wǎng)交換機(jī)交換實(shí)時(shí)仿真變量。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述上位機(jī)中的管道模型采用的是動態(tài)模型，其方程組為：

其中：c為管道聲速；A為管道的橫截面積；M為以質(zhì)量計(jì)量的流量；p為壓力；D為管道直徑；x為管道距離；g為重力加速度；θ為管道與水平線夾角；f為達(dá)西-維斯巴哈摩擦系數(shù)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述調(diào)壓閥通過調(diào)壓閥模型對進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；所述調(diào)壓閥模型主要包括出口壓力參考值、比例環(huán)節(jié)、代數(shù)約束、微分環(huán)節(jié)、進(jìn)口壓力和出口壓力；所述進(jìn)口壓力一端通過相乘器與出口壓力一端連接，且出口壓力另一端與出口壓力參考值相連；所述出口壓力參考值依次與比例環(huán)節(jié)、代數(shù)約束和相乘器電性連接，且相乘器與比例環(huán)節(jié)之間設(shè)置有微分環(huán)節(jié)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述出口壓力參考值為設(shè)定值，進(jìn)口壓力為調(diào)壓閥的輸入量，出口壓力為調(diào)壓閥的輸出量。

有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明可實(shí)時(shí)模擬電力網(wǎng)系統(tǒng)與天然氣管道系統(tǒng)的交互影響，實(shí)現(xiàn)了天然氣管網(wǎng)與電網(wǎng)耦合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真，天然氣管網(wǎng)的狀態(tài)能夠被實(shí)時(shí)監(jiān)測，突破了原有的靜態(tài)分析方法不能模擬動態(tài)的局限，同時(shí)打破了傳統(tǒng)的不同形式能源之間相互分離的局限，將兩個(gè)不同形式的能源進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了不用能源的相互轉(zhuǎn)換，是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。本發(fā)明的實(shí)時(shí)仿真器成本低、仿真操作簡單、仿真結(jié)果貼近實(shí)際，具有可觀的實(shí)用價(jià)值；而且第七管道的另一端通過調(diào)壓閥與燃?xì)廨啓C(jī)連接，保證其出口壓力恒定，即保證燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口壓力恒定；通過燃?xì)廨啓C(jī)將天然氣管網(wǎng)與電網(wǎng)進(jìn)行耦合，能夠分析在天然氣負(fù)荷擾動的情況下，電網(wǎng)部分功率變化情況，以及電網(wǎng)擾動對天然氣管道變化的影響，實(shí)用性強(qiáng)，易于推廣使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的模型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的調(diào)壓閥模型結(jié)構(gòu)圖。

附圖標(biāo)記說明：1-上位機(jī)、2-第一目標(biāo)機(jī)、3-第二目標(biāo)機(jī)、4-天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)、5-電網(wǎng)系統(tǒng)、6-以太網(wǎng)交換機(jī)、7-燃?xì)廨啓C(jī)、8-調(diào)壓閥、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-恒壓氣源、17-第一分流器、18-第二分流器、19-第三分流器、20-發(fā)電機(jī)、21-AC/DC轉(zhuǎn)換器、22-DC/AC轉(zhuǎn)換器、23-交流配網(wǎng)、24-出口壓力、25-工廠用裝置、26-用戶用電裝置、27-出口壓力參考值、28-比例環(huán)節(jié)、29-代數(shù)約束、30-微分環(huán)節(jié)、31-進(jìn)口壓力、32-相乘器。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

參見圖1～2，本發(fā)明提供的天然氣管網(wǎng)與電網(wǎng)耦合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真模型與系統(tǒng)，包括上位機(jī)1、第一目標(biāo)機(jī)2、第二目標(biāo)機(jī)3、天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4和電網(wǎng)系統(tǒng)5；所述第一目標(biāo)機(jī)2和第二目標(biāo)機(jī)3分別通過以太網(wǎng)交換機(jī)6與上位機(jī)1連接成系統(tǒng)；所述第一目標(biāo)機(jī)2和第二目標(biāo)機(jī)3分別控制天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4和電網(wǎng)系統(tǒng)5；所述天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4包括燃?xì)廨啓C(jī)7、調(diào)壓閥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的一端與恒壓氣源16相通，且第一管道9的另一端與第一分流器17的一端連接；所述第一分流器17的另一端通過第二管道10和第三管道11分別與第二分流器18和第三分流器19的一端連接；所述第三分流器19的另一端分別與第四管道12、第五管道13相通；所述第二分流器18的另一端分別與第六管道14和第七管道15的一端相通，且第七管道15的另一端通過調(diào)壓閥8與燃?xì)廨啓C(jī)7連接；所述電網(wǎng)系統(tǒng)5包括發(fā)電機(jī)20、AC/DC轉(zhuǎn)換器21、DC/AC轉(zhuǎn)換器22和交流配網(wǎng)23；所述發(fā)電機(jī)20一端與燃?xì)廨啓C(jī)7一端連接，且發(fā)電機(jī)20另一端分別通過導(dǎo)線依次與AC/DC轉(zhuǎn)換器21、DC/AC轉(zhuǎn)換器22和交流配網(wǎng)23電性連接；所述交流配網(wǎng)23分別通過導(dǎo)線與工廠用裝置25和用戶用電裝置26電性連接；設(shè)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為水平的；天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4與電網(wǎng)系統(tǒng)5通過燃?xì)廨啓C(jī)7進(jìn)行耦合，天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4通過調(diào)壓閥8向燃?xì)廨啓C(jī)7提供恒定的壓力，燃?xì)廨啓C(jī)7將電網(wǎng)需系統(tǒng)5要的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為流量輸入到天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4中，電網(wǎng)負(fù)荷的投切影響燃?xì)廨啓C(jī)7輸出的機(jī)械功率，進(jìn)而影響天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4輸入燃?xì)廨啓C(jī)7的天然氣流量。這樣就將天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4與電網(wǎng)系統(tǒng)5有效地耦合在一起。

所述第一目標(biāo)機(jī)2和第二目標(biāo)機(jī)3分別是基于xPCtarget技術(shù)的工控機(jī)，第一目標(biāo)機(jī)2運(yùn)行天然氣管網(wǎng)Simulink模型且使用大步長仿真，第二目標(biāo)機(jī)3運(yùn)行電網(wǎng)Simulink模型且使用較小步長仿真；第一目標(biāo)機(jī)2和第二目標(biāo)機(jī)3通過以太網(wǎng)交換機(jī)6交換實(shí)時(shí)仿真變量；第一目標(biāo)機(jī)2和第二目標(biāo)機(jī)3通過以太網(wǎng)交換機(jī)6交換實(shí)時(shí)仿真變量，進(jìn)而可以對兩個(gè)不同的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過在上位機(jī)1中調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)5部分負(fù)荷，即可在顯示器上觀察天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4的實(shí)時(shí)變化；也可以通過調(diào)節(jié)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4負(fù)荷的變化來實(shí)時(shí)觀察電網(wǎng)系統(tǒng)5各參數(shù)的變化。

如圖3所示，管道的長度和直徑為定值，輸入量為天然氣管道的進(jìn)口壓力31和出口流量，輸出量為管道的出口壓力24和進(jìn)口流量；所述上位機(jī)1中的管道模型采用的是動態(tài)模型，其方程組為：

其中：c為管道聲速；A為管道的橫截面積；M為以質(zhì)量計(jì)量的流量；p為壓力；D為管道直徑；x為管道距離；g為重力加速度；θ為管道與水平線夾角；f為達(dá)西-維斯巴哈摩擦系數(shù)。

如圖4所示，所述調(diào)壓閥8通過調(diào)壓閥模型對進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)7進(jìn)行調(diào)節(jié)；所述調(diào)壓閥模型主要包括出口壓力參考值27、比例環(huán)節(jié)28、代數(shù)約束29、微分環(huán)節(jié)30、進(jìn)口壓力31和出口壓力24；所述進(jìn)口壓力31一端通過相乘器32與出口壓力24一端連接，且出口壓力24另一端與出口壓力參考值27相連；所述出口壓力參考值27依次與比例環(huán)節(jié)28、代數(shù)約束29和相乘器32電性連接，且相乘器32與比例環(huán)節(jié)28之間設(shè)置有微分環(huán)節(jié)30；所述出口壓力參考值27為設(shè)定值，進(jìn)口壓力31為調(diào)壓閥8的輸入量，出口壓力24為調(diào)壓閥8的輸出量；天然氣管網(wǎng)的仿真模型中還設(shè)有調(diào)壓閥8等非管道元件，本發(fā)明主要適用于園區(qū)等小范圍場所，因此對于非管道元件壓縮機(jī)作為恒壓氣源進(jìn)行處理。對于調(diào)壓閥8，其作用是在管道出口即調(diào)壓閥8進(jìn)口壓力發(fā)生改變的情況下，保證其出口壓力恒定，即保證燃?xì)廨啓C(jī)7入口壓力恒定。

本發(fā)明的工作原理：天然氣管網(wǎng)與電網(wǎng)耦合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真模型與系統(tǒng)在使用時(shí)：首先在上位機(jī)1中利用Simulink對天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)4和電網(wǎng)系統(tǒng)5進(jìn)行模型的搭建，通過以太網(wǎng)交換機(jī)6將上位機(jī)1與第一目標(biāo)機(jī)2和第二目標(biāo)機(jī)3進(jìn)行連接。第一目標(biāo)機(jī)2和第二目標(biāo)機(jī)3是基于xPCtarget技術(shù)的工控機(jī)，第一目標(biāo)機(jī)2運(yùn)行天然氣管網(wǎng)Simulink模型且使用大步長仿真，第二目標(biāo)機(jī)3運(yùn)行電網(wǎng)Simulink模型且使用較小步長仿真。第一目標(biāo)機(jī)2和第二目標(biāo)機(jī)3通過以太網(wǎng)交換機(jī)6交換實(shí)時(shí)仿真變量，進(jìn)而可以對兩個(gè)不同的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過在上位機(jī)1中調(diào)節(jié)電網(wǎng)部分負(fù)荷，即可在顯示器上觀察天然氣管網(wǎng)的實(shí)時(shí)變化；也可以通過調(diào)節(jié)天然氣負(fù)荷的變化來實(shí)時(shí)觀察電網(wǎng)各參數(shù)的變化。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下。由語句“包括一個(gè)......限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素”。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。