Operation of Natural Gas Pipeline Networks With Storage Under Transient Flow Conditions
我们制定了一个非线性最优控制问题的天然气管道网络，其中包括存储库的日内运行。考虑了可压缩气体通过管道、压缩机、储层和井的流动动力学。特别地，储层被建模为在等温条件和均匀密度下存储气体的刚性中空容器，并且井被建模为垂直管。对于每个管道，流动动力学描述的密度和质量通量变量的耦合偏微分方程（PDE）系统，与使用Darcy-Wiesbach摩擦近似建模的动量耗散。压缩机被建模为按比例增加入口和出口之间的气体压力。所有网络组件的控制方程在空间上离散化，并组装成一个非线性微分-代数方程（DAE）系统，该系统将地上管道和地下油藏动态合成为一个单一的降阶模型。我们寻求最大化的目标函数，量化的经济利润和网络效率的流量方程和不等式，代表操作限制。使用原始-对偶内点求解器解决了该问题，并在几个管道测试网络上的计算实验和仿真中验证了所提出方法的有效性。
2021-05-05 math.OC
Modeling and Optimization of Steady Flow of Natural Gas and Hydrogen Mixtures in Pipeline Networks
我们扩展的典型问题的模拟和优化的稳态气体流量在管道网络中的压缩机的高度异质气体注入整个网络的混合物的运输。我们的研究是由拟议的项目，混合使用清洁能源产生的氢气到现有的天然气管道系统的努力，以减少能源系统对化石燃料的依赖的一部分。管道中的流动通过基本韦茅斯方程模型与端点压力相关，该模型具有理想气体状态方程，其中波速取决于氢浓度。在顶点处，除了质量平衡之外，我们还考虑了不同氢浓度的输入流的混合。感兴趣的问题是非均质气流模拟（HGFS），其确定给定固定边界条件和压缩机设置的系统压力和流量，以及非均质气流优化（HGFO），其通过确定最佳边界条件和压缩机设置来使目标极值化。我们研究的HGFS的解决方案的唯一性的条件，以及比较和对比混合整数和连续非线性规划配方的HGFO。我们开发的计算方法来解决这两个问题，并使用四个测试网络的复杂性不断增加，检查其性能。
2022-12-02 math.OC
Robust Gas Pipeline Network Expansion Planning to Support Power System Reliability
我们研究的问题，最优输运容量扩张规划的天然气管道网络，以服务日益增长的需求，燃气发电厂越来越多地用于提供基本负荷，灵活性，和备用发电的大容量电力系统。其目的是确定可以添加到网络中以提供服务于未来负载的额外容量的额外管道和气体压缩机的最小成本集合。这种组合最优化问题最初制定为一个混合整数非线性规划，然后我们扩展到占天然气发电生产的需求和预期未来负荷的不确定性的固有的可变性。我们认为在这里的稳态流建模，同时确保解决方案是可行的所有可能的值的区间不确定性的负载，这将导致一个具有挑战性的半无限的问题。我们应用以前推导的单调性属性，使简化的问题，只需要在两个极端的情况下的约束满足，然后制定鲁棒的天然气管道网络扩展规划问题，使用混合整数二阶锥制定。我们考虑比利时网络测试案例的案例研究，以检查所提出的方法的性能。
2021-01-25 math.OC
Technological schemes and control methods in the reconstruction of parallel gas pipeline systems under non-stationary conditions
本文研究非稳态条件下并联天然气管道重建的技术方案与控制方法，通过自动切断阀、物联网监测、数学建模和机器学习实现泄漏检测、阀门优化控制及连接管定位，以保障连续供气并降低损失。
2025-04-08 math.OC
Engineering solutions for non-stationary gas pipeline reconstruction and emergency management
本文针对非稳态天然气管道重建与应急管理，提出基于机器学习和优化算法的工程方案，并研究监测系统现代化及数据传输时间最小化方法，以提升系统可靠性和应急干预效率。
2025-04-09 math.OC
Optimal gas withdrawal strategy in reconstructed ring-type pipelines under unsteady flow conditions
针对非定常流条件下的重构环形管道取气优化问题，提出以压力梯度为零的水力耦合点为新用户最优接入位置的一维非定常流模型，经验证兼具稳定性与经济性，为智能燃气管网设计提供可扩展方案。
2025-10-01 math.OC
Optimal Control of Transient Flows in Pipeline Networks with Heterogeneous Mixtures of Hydrogen and Natural Gas
本文提出一种控制系统模型，通过集总元件将管网气体动力学偏微分方程转化为稀疏非线性微分代数方程组，以处理氢气与天然气异质混合物的瞬态流问题，并基于模型预测最优控制方法最小化压缩机能耗。
2023-05-22 math.OC
Dynamic State and Parameter Estimation for Natural Gas Networks using Real Pipeline System Data
我们提出了一种天然气网络的联合状态和参数估计的方法，其中通过管道网络的气体压力和流量取决于随时间变化的注入，抽取和压缩控制。估计构成为一个最优控制问题的约束下耦合偏微分方程描述空间和时间依赖的密度和质量通量的每个管道。这些被离散化，并结合节点的条件，以提供动态约束，将估计作为非线性最小二乘问题。我们开发了一种快速，可扩展的计算方法，用于在存在测量和过程噪声的情况下进行估计。最后，我们评估其有效性，使用一个数据集从一个实际的管道系统的容量规划模型和一个月的时间序列数据从其监控和数据采集（SCADA）系统。
2019-12-05 cs.SY eess.SY math.DS
A Bilevel Market Equilibrium Model for Natural Gas Pipeline Network Operations: Convex Relaxations and Single-level Reformulations
University of Arizona（亚利桑那大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
针对天然气管道网络运营，该研究提出集成双层市场均衡模型，引入凸松弛处理非凸方程，对比多种单层重构方案，经6节点网络验证了模型的有效性与准确性。
2026-10-14 math.OC
Optimal control of compressor stations in a coupled gas-to-power network
我们介绍了一个工具，用于模拟和优化的天然气管网耦合到电网的天然气发电厂。所考虑的模型包括等熵欧拉方程来描述耦合到交流功率流方程的气体流动。安装压缩机站以控制气体压力，使得满足某些界限。一个数值的案例研究，展示了快速变化的电力需求对天然气管道和必要的运营商的行动的影响。
2019-03-22 math.OC
Unsteady gas dynamics modeling for leakage detection in parallel pipelines
本研究提出一种基于时间衰减泄漏函数的解析框架，利用拉普拉斯变换求解平行管道压力分布，实现用最少传感器数据快速定位泄漏，兼具轻量、可解释且稳健的优点。
2025-09-11 math.OC
Stochastic Finite Volume Method for Uncertainty Management in Gas Pipeline Network Flows
针对燃气发电机电力负荷间歇性导致的天然气网络流不确定性，开发了基于双曲型PDE的随机有限体积表示方法，用于稳态天然气流概率约束优化，并通过单管道和测试网络验证了计算与价格分布分析。
2024-03-26 math.OC stat.CO
Modeling and analysis methods for early detection of leakage points in gas transmission systems
本文提出一种基于非稳态气体流动动力学和压降比分析的天然气管道泄漏早期检测方法，通过确定最小固定时间提高定位精度与响应速度。
2025-04-09 math.OC
Setpoint Tracking and Disturbance Attenuation for Gas Pipeline Flow Subject to Uncertainties using Backstepping
本文研究不确定出口流量下天然气管道出口压力调节问题，通过线性化等温欧拉方程建立2×2耦合双曲PDE系统，提出基于观测器的PDE backstepping控制器操纵入口压力以调节出口压力至设定值或其邻域，有效抑制扰动，并通过数值仿真验证了性能。
2024-09-25 math.OC
Controlling transient gas flow in real-world pipeline intersection areas
压缩机站是每个高压气体运输网络的核心。位于网络的交叉区域，它们包含在巨大的复杂工厂中，在那里它们与阀门和调节器相结合，负责路由和推动气体通过网络。由于其复杂性和缺乏数据，压缩机站通常在科学文献中以高度简化和理想化的方式处理。作为与德国最大的输电系统运营商之一正在进行的为其调度中心开发决策支持系统的项目的一部分，我们研究了如何实现压气站的自动化控制。每个站都必须处于特定的配置中，与其他附近的元素组合，导致交叉区域中多达2000种可能的可行操作模式的离散集。由于站的期望性能随时间变化，所以站的配置必须适应。我们的目标是在满足预设性能范围或需求场景的同时，尽量减少整体运营模式和相关要素随时间的必要变化。本文介绍了所选择的模型和实现的混合整数规划为基础的算法，以应对这一挑战。通过对真实世界数据的大量计算结果，我们证明了我们的方法的性能。
2022-06-13 math.OC
Relaxations of the Steady Optimal Gas Flow Problem for a Non-Ideal Gas
针对非理想气体稳态最优气流问题现有非线性约束松弛缺失或可扩展性差的问题，结合单变量函数多面体松弛进展构建紧松弛，可快速求解且在92%的大规模算例中能证明最优性。
2023-08-24 math.OC
Dynamic Optimization and Optimal Control of Hydrogen Blending Operations in Natural Gas Networks
本文建立天然气管网掺氢最优控制的动态模型，将PDE简化为DAE并用NLP求解，通过单管和多管案例研究气体混合对瞬态优化的影响。
2024-02-23 math.OC
Fast and Reliable Transient Simulation and Continuous Optimization of Large-Scale Gas Networks
我们关注的是在误差控制环境中的大型天然气管道系统的模拟和优化。气体流动动力学局部近似的足够精确的物理模型，从层次结构的复杂性降低，并随时间变化。由多个涡轮压缩机组成的压缩机站的可行工作区域包括聚合特征场的双凸近似。提出了一种先离散后优化的离散伴随方法，并将其应用于有效集策略下的序列二次规划求解由提名验证产生的非线性约束最优化问题。这里提出的方法加速计算的短期预测的突然变化的气体管理，并允许在大型网络的一天内的气体流量计划的经济控制。实际天然气管道系统的案例研究表明，新方法的显着性能。
2021-11-09 math.OC
Efficient Dynamic Compressor Optimization in Natural Gas Transmission Systems
电力系统越来越依赖燃气发电来平衡间歇性的可再生能源，这增加了通过天然气输送管道的流量和变化。在这些新的条件下，调整管道操作以保持效率和安全性需要最优化方法，该方法考虑瞬态并且可以快速计算响应于发电机重新调度的解决方案。本文提出了一种有效的计划，以最小化压缩成本的动态条件下，交付给客户的时间依赖的质量流描述。优化方案依赖于气体流动物理的紧凑表示，时间和空间的梯形离散化，以及两阶段的方法，以最大限度地减少能源成本和最大限度地提高平滑度。由此产生的大规模非线性程序使用现代的邻域点法求解。所提出的优化方案进行了验证，对集成的动态方程与自适应时间步进，以及最近提出的最先进的最优控制方法。比较表明，这些解决方案对于连续问题是可行的，并且从操作角度来看也是实用的。结果还表明，我们的计划提供了至少一个数量级减少计算时间相对于国家的最先进的和规模的大型天然气输送网络超过6000公里的总管道。
2015-11-24 math.OC
Optimal Control of Transient Flow in Natural Gas Networks
我们概述了一个新的控制系统模型的分布式动态的可压缩气体流通过大规模的管道网络随时间变化的注入，抽出，和控制动作的压缩机和调节器。管道上的气体动力学偏微分方程以及接头处的边界条件使用集总元件简化为稀疏非线性常微分方程系统，该系统使用图论符号以矢量矩阵形式表示。这个系统，我们称之为简化网络流（RNF）模型，是一个一致的离散气体流动的PDE方程。RNF形成了管道系统的最优控制问题的动态约束，该管道系统具有已知的时变抽取和注入以及整个网络中的气体压力限制。目标包括经济瞬时压缩（ETC）和最小减载（MLS），分别涉及最大限度地降低压缩成本，或者在不可行的情况下，最大限度地减少未完成的交付。这些连续的功能最优化问题近似使用Legendre-Gauss-Lobatto（LGL）伪谱配置计划，以产生一个家庭的非线性规划，其解决方案接近最优与更精细的离散。对一个天然气输气网络的时变场景进行仿真和优化，证明了与假设稳态行为的方法相比，该方法在安全性和效率方面的优势。
2015-09-14 math.OC physics.flu-dyn
Natural Gas Maximal Load Delivery for Multi-contingency Analysis
随着可再生能源发电的使用增加，电力系统越来越依赖于天然气发电厂作为满足波动的大容量电力需求的快速增长源。这种依赖性给电网带来了新的脆弱性，包括天然气输送网络因自然和人为灾害而中断。为了解决这些中断所带来的运营挑战，我们考虑的任务是确定一个可行的稳态运行点受损的天然气管道网络，同时确保最大的负载输送。我们制定的混合整数非凸最大负载交付（MLD）问题，这证明很难解决的大规模网络。为了解决这一挑战，我们提出了一个混合整数凸松弛的MLD问题，并用它来确定天然气管道系统的运输能力的界限。为了证明放松的有效性，在9个天然气管网模型的大小从11到4197个路口的大量随机损坏的情况下，精确和放松的配方进行了比较。一个概念的应用程序，它假设从一组综合产生的地震网络损坏的证明，也提出了证明效用的建议优化为基础的能力评估的背景下，自然灾害的风险评估。对于所有，但最大的网络，松弛为基础的方法被发现是适合于使用在多个应急网络中断的影响进行评估，往往收敛到最优解的放松制定在小于十秒。
2020-10-01 math.OC
Multi-period Stochastic Network Design for Combined Natural Gas and Hydrogen Distribution
University of Groningen（格罗宁根大学）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
本文提出多时期随机网络设计方法，用于天然气管网向氢气管网的转型，通过元启发式算法解决不确定性和平衡供需问题。
2025-10-10 math.OC
Mapping Austria's Natural Gas and Hydrogen Infrastructure Plans
Institute of Electricity Economics and Energy Innovation（电力经济与能源创新研究所）；Research Center for Energy Economics and Energy Analytics（能源经济与能源分析研究中心）；Graz University of Technology（格拉茨工业大学）
本文构建了奥地利至2040年的天然气和氢能基础设施空间离散数据集，整合了传输和分配网络及氢能扩展计划，通过QGas工具实现基础设施修改，并支持面向未来的能源系统分析。
2026-03-17 math.OC
Closing a 17-Year Gap: Algorithmic Detection and Empirical Prevalence of Rank Reversal in Multi-Criteria Decision Analysis
该研究针对多准则决策分析中等级逆转的17年算法检测空白，在Scikit-Criteria库实现对应框架，经案例与27组数据验证，发现等级逆转是MCDM文献中普遍存在的特征。
2026-08-12 cs.AI math.OC
