燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)壓控制策略研究

摘　要：根據(jù)調(diào)壓箱(站)下游用戶的天然氣消耗歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)黑箱建模的方式，分析并建立下游用戶用氣規(guī)律的模型，并以此黑箱模型為基礎(chǔ)計(jì)算出以“天”為周期的優(yōu)化調(diào)壓控制策略，以保證下游管網(wǎng)壓力平穩(wěn)和下游用戶用氣質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：燃?xì)庹{(diào)壓箱　用氣規(guī)律建模　小流量工況　優(yōu)化控制策略

Remote Pressure Control Strategy Research of Gas Transmission and Distribution System

Abstract：According to the historical data of natural gas consmnption of the regular box’s downstreanl users，by the way of black-box modeling，analyzing and establishing the natural gas consumption model of downstream users，and calmllating the optimal control stralegy with the period of“day”by the black box modelin9，to nlake sure the pressure slability in the downstream pipe network．and to ensure the quality of nsers’using-gas．

Keywords：Natural gas regular box  Modeling of consumption regularity Low-floW conditions Optimal control strategy

1　引言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，各行業(yè)(工業(yè)、商業(yè)、市政和民用等)對(duì)天然氣的需求越來(lái)越大。天然氣需求的增大和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，需要將自動(dòng)化技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等信息化技術(shù)與天然氣輸配控制系統(tǒng)相融合，提高并完善天然氣輸配系統(tǒng)的工藝故障分析、區(qū)域天然氣需求分析、遠(yuǎn)程調(diào)控等智能化管理調(diào)度水平。

圖1表示：用氣高峰日和非高峰日內(nèi)下游用戶一天內(nèi)用氣量隨時(shí)間的變化過(guò)程；圖2表示：一年內(nèi)260天的日平均用氣量。從圖1和圖2中可以看出：高峰日和非高峰日，高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段時(shí)，天然氣的流量變化范圍很大，在考慮性價(jià)比的情況下，實(shí)際流量計(jì)的選擇必須覆蓋流量上限。由此可能會(huì)出現(xiàn)：在用氣量低谷時(shí)，實(shí)際運(yùn)行流量接近或低于流量計(jì)下限，從而引起流量的測(cè)量不準(zhǔn)確。

在現(xiàn)有調(diào)壓設(shè)備配置情況下，在高峰日和高峰時(shí)段時(shí)，隨著下游用戶天然氣流量需求的增大，下游管網(wǎng)的壓力會(huì)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，即表現(xiàn)出：調(diào)壓箱下游管網(wǎng)運(yùn)行壓力不平穩(wěn)，用戶用氣質(zhì)量不能保證的情況。同時(shí)結(jié)合上游管網(wǎng)的供給能力，即：供給充足和供給不足時(shí)，分別采用調(diào)壓運(yùn)行和限流保供的控制策略，降低上游管網(wǎng)的天然氣供給負(fù)荷壓力，并保證調(diào)壓箱上下游管網(wǎng)的運(yùn)行壓力平穩(wěn)。

通過(guò)調(diào)壓箱運(yùn)行過(guò)程中關(guān)鍵工藝參數(shù)的監(jiān)測(cè)，分析現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、分析建立下游用戶的用氣規(guī)律^{[1，2，3]}，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算出不同工況下的控制策略，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓箱在實(shí)際運(yùn)行中的優(yōu)化控制^[4]，滿足特定情況下的限流保供運(yùn)行、調(diào)壓運(yùn)行和小流量工況運(yùn)行，保證用氣高峰時(shí)段的凋壓箱上下游管網(wǎng)運(yùn)行壓力平穩(wěn)和天然氣供應(yīng)能力，以及用氣低谷時(shí)段流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性。

本論文以區(qū)域調(diào)壓箱為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有調(diào)壓設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改造，搭建可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)壓限流控制、工藝故障分析、歷史數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化控制策略生成和執(zhí)行的平臺(tái)，為燃?xì)饧瘓F(tuán)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)安全供氣指數(shù)，提高數(shù)據(jù)測(cè)控效率，推進(jìn)天然氣輸配控制系統(tǒng)的智能化建設(shè)提供有力支持。

2　遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)平臺(tái)搭建

2．1　遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)介紹

目前現(xiàn)場(chǎng)調(diào)壓?jiǎn)卧呐渲脼椋呵袛嚅y+監(jiān)視調(diào)壓器+工作調(diào)壓器，其中切斷閥的配置與否取決于調(diào)壓箱進(jìn)出口壓力的壓力等級(jí)，如果進(jìn)出口壓力等級(jí)是跨級(jí)的，則需要配置切斷閥。

在現(xiàn)有配置條件下實(shí)現(xiàn)：調(diào)壓，限流，小流量控制等，都需要由現(xiàn)場(chǎng)操作工人根據(jù)調(diào)度中心的調(diào)度命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)上述功能的遠(yuǎn)程操控和自動(dòng)執(zhí)行，首先需要對(duì)現(xiàn)有工作調(diào)壓器進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造，使其改造為可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的遠(yuǎn)程調(diào)壓／限流系統(tǒng)。

可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的調(diào)壓系統(tǒng)有：LC21-圣誕樹系統(tǒng)、CS系統(tǒng)、五合一智能調(diào)壓器和RCS8000系統(tǒng)等。

2．2　控制平臺(tái)的搭建

現(xiàn)場(chǎng)硬件配置：過(guò)程數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳儀表(溫度、壓力、流量、可燃?xì)怏w濃度、閥位狀態(tài)等)；遠(yuǎn)傳調(diào)壓設(shè)備；控制系統(tǒng)(PLC／RTU)；數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳單元(遠(yuǎn)傳DTU)；和現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)。

在上述硬件配置的平臺(tái)上，通過(guò)上位軟件的編程實(shí)現(xiàn)：調(diào)壓站設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的組態(tài)顯示；工控機(jī)中歷史數(shù)據(jù)的建模，流量預(yù)測(cè)；優(yōu)化控制策略的生成；及同現(xiàn)場(chǎng)控制器配合實(shí)現(xiàn)具體控制。

通過(guò)上述硬件配置和軟件編程，搭建可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，歷史數(shù)據(jù)建模，關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，調(diào)壓控制，限流控制，小流量運(yùn)行控制等目的的控制平臺(tái)。

3　下游用戶用氣規(guī)律建模

通過(guò)對(duì)2年～3年的歷史數(shù)據(jù)處理，模型選擇，參數(shù)回歸的方式，建立關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)一時(shí)間的預(yù)測(cè)模型，用于后續(xù)優(yōu)化調(diào)度控制。

由于天然氣的用氣特性曲線有高峰時(shí)段和低谷時(shí)段，因此，其數(shù)據(jù)表現(xiàn)出非平穩(wěn)數(shù)據(jù)序列的特性，需要在建模之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其處理后的數(shù)據(jù)具有近似平穩(wěn)數(shù)據(jù)序列的特性。

按預(yù)測(cè)周期不同可分為：短期／中期／長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型；按預(yù)測(cè)最小單位可分為：分鐘預(yù)測(cè)／小時(shí)預(yù)測(cè)／日預(yù)測(cè)／月預(yù)測(cè)／年預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)最小單位不同則使用的技術(shù)方案不同。按其技術(shù)路線可分為：主元回歸分析法、時(shí)間序列法、灰色系統(tǒng)法GM(1，N)、粗糙集法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法和組合預(yù)測(cè)法，各種技術(shù)路線的側(cè)重點(diǎn)不同。

在短期預(yù)測(cè)建模過(guò)程中，常用的技術(shù)路線有：時(shí)間序列法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波分析法等，但是在技術(shù)路線可執(zhí)行這個(gè)特點(diǎn)上，時(shí)間序列法更有優(yōu)勢(shì)。方案中采用的技術(shù)路線為：ARIMA建模。日用氣規(guī)律建模需要的數(shù)據(jù)有：出口壓力-時(shí)間，瞬時(shí)流量-時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)。

具體步驟：原始數(shù)據(jù)處理、ARIMA的建模確定和參數(shù)辨識(shí)實(shí)現(xiàn)。

(1)當(dāng)時(shí)間序列{k1，k2，k3，…kn}本身不是平穩(wěn)時(shí)間序列的時(shí)候，如果它的增量(即：一次差分)穩(wěn)定在零點(diǎn)附近，可以將看成是平穩(wěn)序列。在實(shí)際的問(wèn)題中，所遇到的多數(shù)非平穩(wěn)序列可以通過(guò)一次或多次差分后成為平穩(wěn)時(shí)間序列。

對(duì)于非平穩(wěn)數(shù)列：{k1，k2，k3，…kn}，進(jìn)行如下處理：

k1＝k1

k2＝k2-k1

k3＝k3-k2

┆

kn＝kn-kn-1

構(gòu)建新數(shù)列：{k1，k2，k3，…kn}，如果新數(shù)列還是非平穩(wěn)數(shù)列，則重復(fù)上述過(guò)程。

(2)確定自回歸和滑動(dòng)平均模型的階數(shù)，建立ARIMA模型；

(3)通過(guò)歷史數(shù)據(jù)，使用最小二乘的辨識(shí)算法，計(jì)算ARIMA模型中的未知參數(shù)。

即：

通過(guò)求解上述矩陣方程的解，從而計(jì)算出ARIMA模型中的未知參數(shù)。

具體建模過(guò)程的思路：通過(guò)當(dāng)前年度的前2年～3年歷史數(shù)據(jù)，隨著時(shí)間的更替，歷史數(shù)據(jù)不斷循環(huán)更新。根據(jù)每年中相應(yīng)日相應(yīng)時(shí)讓點(diǎn)的流量數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)(2011年11月20日9點(diǎn)30分的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)／壓力數(shù)據(jù)、2012年11月20日9點(diǎn)30分的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)／壓力數(shù)據(jù)、2013年11月20日9點(diǎn)30分的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)／壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)同一時(shí)間點(diǎn)的3個(gè)歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)2014年11月20日9點(diǎn)30分的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)／壓力數(shù)據(jù))，以5min作為時(shí)間差，預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)流量／壓力(2014年11月20日9點(diǎn)35分的瞬時(shí)流量／壓力)，循環(huán)執(zhí)行上述過(guò)程，一次性預(yù)測(cè)出5日～7日的下游需求預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的優(yōu)化調(diào)度和控制。

黑箱建模中不同模型的補(bǔ)償思路如圖4所示：通過(guò)‘周’模型計(jì)算下一周的周預(yù)測(cè)累積流量；通過(guò)‘天’模型計(jì)算下一周內(nèi)每天的預(yù)測(cè)累積流量，并以天預(yù)測(cè)累積流量為基礎(chǔ)計(jì)算出7天的累積流量；通過(guò)兩個(gè)7日的預(yù)測(cè)累積流量，使用加權(quán)的方式計(jì)算出最終的周預(yù)測(cè)累積流量，同時(shí)結(jié)合每日的日累計(jì)流量的比例關(guān)系，計(jì)算出最終日累計(jì)流量數(shù)據(jù)；循環(huán)執(zhí)行上述過(guò)程，直至最后生成一周內(nèi)以‘分’為周期的過(guò)程參數(shù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，用于后于的優(yōu)化調(diào)度和控制。

4　優(yōu)化控制策略的生成

通過(guò)調(diào)整調(diào)壓站出口壓力的設(shè)置值，調(diào)整調(diào)壓站所能供給的天然氣流量，但最終調(diào)度目的為：減少對(duì)調(diào)壓站上游管網(wǎng)負(fù)荷的沖擊，保證調(diào)壓站下游管網(wǎng)壓力的平穩(wěn)，并保證足夠的天然氣供應(yīng)量。

如圖5所示：通過(guò)天然氣用氣流量模型，預(yù)測(cè)下游用戶一天內(nèi)天然氣用量的流量-時(shí)間分布數(shù)據(jù)，判斷出用氣高峰時(shí)段和低谷時(shí)段，同時(shí)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行過(guò)程參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)不同時(shí)段的運(yùn)行壓力數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上調(diào)度人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出調(diào)整確認(rèn)后，下載到本地控制器中執(zhí)行具體的控制。

在用氣高峰時(shí)段，且上游管網(wǎng)供氣充足時(shí)：結(jié)合模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和調(diào)壓箱實(shí)際出口壓力數(shù)據(jù)，執(zhí)行調(diào)壓運(yùn)行控制策略，計(jì)算出最終調(diào)壓站出口壓力設(shè)定值隨時(shí)間的變化曲線，在保證下游管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的同時(shí)，保證天然氣的供應(yīng)量。

在用氣高峰時(shí)段，且上游管網(wǎng)供氣不足時(shí)：結(jié)合模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和調(diào)壓箱實(shí)際出口壓力數(shù)據(jù)，執(zhí)行限流運(yùn)行控制策略，計(jì)算出最終調(diào)壓站出口壓力設(shè)定值隨時(shí)間的變化曲線，使得實(shí)際運(yùn)行調(diào)壓箱的瞬時(shí)流量不超過(guò)限流設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)限流保供的目的，并保證調(diào)壓箱上下游管網(wǎng)的運(yùn)行壓力平穩(wěn)。

在用氣低谷時(shí)段，結(jié)合調(diào)壓箱實(shí)際出口壓力數(shù)據(jù)，周期性調(diào)整調(diào)壓器出口壓力的設(shè)定值，在保證下游管網(wǎng)壓力平穩(wěn)的同時(shí)，保證運(yùn)行流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性。

5　結(jié)論

由于燃?xì)庑袠I(yè)涉及民生問(wèn)題，因此，對(duì)天然氣調(diào)壓系統(tǒng)運(yùn)行的‘安’、‘穩(wěn)’、‘長(zhǎng)’、‘滿’、‘優(yōu)’等指標(biāo)提出更高的要求，并且著重于關(guān)注‘安’、‘穩(wěn)’、‘長(zhǎng)’的指標(biāo)要求。因此，在凋壓站／調(diào)壓箱控制過(guò)程中，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中調(diào)壓站的出口壓力關(guān)注更多，其下游用戶的流量需求通過(guò)壓力和流量間的耦合關(guān)系來(lái)保證。

在本論文中，下游用戶用氣規(guī)律的建模在實(shí)際控制中，用來(lái)判斷用氣高峰時(shí)段和用氣低谷時(shí)段，后續(xù)的控制過(guò)程需要和實(shí)際調(diào)壓箱的出口壓力數(shù)據(jù)相互配合來(lái)完成整個(gè)控制作用。但是隨著城市化智能管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，各底層調(diào)壓站／調(diào)壓箱的用氣規(guī)律建模的作用將會(huì)越來(lái)越大，不僅可以為管理層提供運(yùn)營(yíng)決策的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，同時(shí)在管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度過(guò)程起著越來(lái)越重要的作用，如：區(qū)域調(diào)壓箱運(yùn)行站點(diǎn)的決策，調(diào)壓箱運(yùn)行數(shù)量的決策，及各調(diào)壓箱運(yùn)行負(fù)荷分配的估計(jì)等。

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本文作者：高順利　李洪波　宋來(lái)弟　邵華　史晉峰

作者單位：北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司

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