燃氣輸配系統(tǒng)遠程調壓控制策略研究

摘　要：根據(jù)調壓箱(站)下游用戶的天然氣消耗歷史數(shù)據(jù)，通過黑箱建模的方式，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計算出以“天”為周期的優(yōu)化調壓控制策略，以保證下游管網壓力平穩(wěn)和下游用戶用氣質量。

關鍵詞：燃氣調壓箱　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

隨著城市化進程的發(fā)展和能源結構的調整，各行業(yè)(工業(yè)、商業(yè)、市政和民用等)對天然氣的需求越來越大。天然氣需求的增大和應用范圍的不斷擴展，需要將自動化技術、測控技術、計算機技術和通信技術等信息化技術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、遠程調控等智能化管理調度水平。

圖1表示：用氣高峰日和非高峰日內下游用戶一天內用氣量隨時間的變化過程；圖2表示：一年內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，高峰時段和非高峰時段時，天然氣的流量變化范圍很大，在考慮性價比的情況下，實際流量計的選擇必須覆蓋流量上限。由此可能會出現(xiàn)：在用氣量低谷時，實際運行流量接近或低于流量計下限，從而引起流量的測量不準確。

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

通過調壓箱運行過程中關鍵工藝參數(shù)的監(jiān)測，分析現(xiàn)場設備運行狀態(tài)、分析建立下游用戶的用氣規(guī)律^{[1，2，3]}，并以此為基礎計算出不同工況下的控制策略，實現(xiàn)調壓箱在實際運行中的優(yōu)化控制^[4]，滿足特定情況下的限流保供運行、調壓運行和小流量工況運行，保證用氣高峰時段的凋壓箱上下游管網運行壓力平穩(wěn)和天然氣供應能力，以及用氣低谷時段流量計計量的準確性。

本論文以區(qū)域調壓箱為研究對象，通過對現(xiàn)有調壓設備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改造，搭建可實現(xiàn)遠程調壓限流控制、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，為燃氣集團實現(xiàn)增強安全供氣指數(shù)，提高數(shù)據(jù)測控效率，推進天然氣輸配控制系統(tǒng)的智能化建設提供有力支持。

2　遠程調壓系統(tǒng)平臺搭建

2．1　遠程調壓系統(tǒng)介紹

目前現(xiàn)場調壓單元的配置為：切斷閥+監(jiān)視調壓器+工作調壓器，其中切斷閥的配置與否取決于調壓箱進出口壓力的壓力等級，如果進出口壓力等級是跨級的，則需要配置切斷閥。

在現(xiàn)有配置條件下實現(xiàn)：調壓，限流，小流量控制等，都需要由現(xiàn)場操作工人根據(jù)調度中心的調度命令來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)上述功能的遠程操控和自動執(zhí)行，首先需要對現(xiàn)有工作調壓器進行相應的技術改造，使其改造為可實現(xiàn)遠程操控的遠程調壓／限流系統(tǒng)。

可實現(xiàn)遠程操控的調壓系統(tǒng)有：LC21-圣誕樹系統(tǒng)、CS系統(tǒng)、五合一智能調壓器和RCS8000系統(tǒng)等。

2．2　控制平臺的搭建

現(xiàn)場硬件配置：過程數(shù)據(jù)遠傳儀表(溫度、壓力、流量、可燃氣體濃度、閥位狀態(tài)等)；遠傳調壓設備；控制系統(tǒng)(PLC／RTU)；數(shù)據(jù)遠傳單元(遠傳DTU)；和現(xiàn)場工控機。

在上述硬件配置的平臺上，通過上位軟件的編程實現(xiàn)：調壓站設備運行過程的組態(tài)顯示；工控機中歷史數(shù)據(jù)的建模，流量預測；優(yōu)化控制策略的生成；及同現(xiàn)場控制器配合實現(xiàn)具體控制。

通過上述硬件配置和軟件編程，搭建可實現(xiàn)遠程操控，歷史數(shù)據(jù)建模，關鍵過程數(shù)據(jù)預測，調壓控制，限流控制，小流量運行控制等目的的控制平臺。

3　下游用戶用氣規(guī)律建模

通過對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，建立關鍵過程參數(shù)一時間的預測模型，用于后續(xù)優(yōu)化調度控制。

由于天然氣的用氣特性曲線有高峰時段和低谷時段，因此，其數(shù)據(jù)表現(xiàn)出非平穩(wěn)數(shù)據(jù)序列的特性，需要在建模之前對數(shù)據(jù)進行處理，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。

按預測周期不同可分為：短期／中期／長期預測模型；按預測最小單位可分為：分鐘預測／小時預測／日預測／月預測／年預測，預測最小單位不同則使用的技術方案不同。按其技術路線可分為：主元回歸分析法、時間序列法、灰色系統(tǒng)法GM(1，N)、粗糙集法、神經網絡法、支持向量機法和組合預測法，各種技術路線的側重點不同。

在短期預測建模過程中，常用的技術路線有：時間序列法、神經網絡法、小波分析法等，但是在技術路線可執(zhí)行這個特點上，時間序列法更有優(yōu)勢。方案中采用的技術路線為：ARIMA建模。日用氣規(guī)律建模需要的數(shù)據(jù)有：出口壓力-時間，瞬時流量-時間的相關數(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)辨識實現(xiàn)。

(1)當時間序列{k1，k2，k3，…kn}本身不是平穩(wěn)時間序列的時候，如果它的增量(即：一次差分)穩(wěn)定在零點附近，可以將看成是平穩(wěn)序列。在實際的問題中，所遇到的多數(shù)非平穩(wěn)序列可以通過一次或多次差分后成為平穩(wěn)時間序列。

對于非平穩(wěn)數(shù)列：{k1，k2，k3，…kn}，進行如下處理：

k1＝k1

k2＝k2-k1

k3＝k3-k2

┆

kn＝kn-kn-1

構建新數(shù)列：{k1，k2，k3，…kn}，如果新數(shù)列還是非平穩(wěn)數(shù)列，則重復上述過程。

(2)確定自回歸和滑動平均模型的階數(shù)，建立ARIMA模型；

(3)通過歷史數(shù)據(jù)，使用最小二乘的辨識算法，計算ARIMA模型中的未知參數(shù)。

即：

通過求解上述矩陣方程的解，從而計算出ARIMA模型中的未知參數(shù)。

具體建模過程的思路：通過當前年度的前2年～3年歷史數(shù)據(jù)，隨著時間的更替，歷史數(shù)據(jù)不斷循環(huán)更新。根據(jù)每年中相應日相應時讓點的流量數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)(2011年11月20日9點30分的瞬時流量數(shù)據(jù)／壓力數(shù)據(jù)、2012年11月20日9點30分的瞬時流量數(shù)據(jù)／壓力數(shù)據(jù)、2013年11月20日9點30分的瞬時流量數(shù)據(jù)／壓力數(shù)據(jù)，通過同一時間點的3個歷史數(shù)據(jù)，預測2014年11月20日9點30分的瞬時流量數(shù)據(jù)／壓力數(shù)據(jù))，以5min作為時間差，預測下一個時間點的瞬時流量／壓力(2014年11月20日9點35分的瞬時流量／壓力)，循環(huán)執(zhí)行上述過程，一次性預測出5日～7日的下游需求預測數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的優(yōu)化調度和控制。

黑箱建模中不同模型的補償思路如圖4所示：通過‘周’模型計算下一周的周預測累積流量；通過‘天’模型計算下一周內每天的預測累積流量，并以天預測累積流量為基礎計算出7天的累積流量；通過兩個7日的預測累積流量，使用加權的方式計算出最終的周預測累積流量，同時結合每日的日累計流量的比例關系，計算出最終日累計流量數(shù)據(jù)；循環(huán)執(zhí)行上述過程，直至最后生成一周內以‘分’為周期的過程參數(shù)預測數(shù)據(jù)，用于后于的優(yōu)化調度和控制。

4　優(yōu)化控制策略的生成

通過調整調壓站出口壓力的設置值，調整調壓站所能供給的天然氣流量，但最終調度目的為：減少對調壓站上游管網負荷的沖擊，保證調壓站下游管網壓力的平穩(wěn)，并保證足夠的天然氣供應量。

如圖5所示：通過天然氣用氣流量模型，預測下游用戶一天內天然氣用量的流量-時間分布數(shù)據(jù)，判斷出用氣高峰時段和低谷時段，同時結合實際運行過程參數(shù)數(shù)據(jù)，計算出相應不同時段的運行壓力數(shù)據(jù)，在此基礎上調度人員根據(jù)經驗做出調整確認后，下載到本地控制器中執(zhí)行具體的控制。

在用氣高峰時段，且上游管網供氣充足時：結合模型預測數(shù)據(jù)和調壓箱實際出口壓力數(shù)據(jù)，執(zhí)行調壓運行控制策略，計算出最終調壓站出口壓力設定值隨時間的變化曲線，在保證下游管網壓力穩(wěn)定的同時，保證天然氣的供應量。

在用氣高峰時段，且上游管網供氣不足時：結合模型預測數(shù)據(jù)和調壓箱實際出口壓力數(shù)據(jù)，執(zhí)行限流運行控制策略，計算出最終調壓站出口壓力設定值隨時間的變化曲線，使得實際運行調壓箱的瞬時流量不超過限流設定值，實現(xiàn)限流保供的目的，并保證調壓箱上下游管網的運行壓力平穩(wěn)。

在用氣低谷時段，結合調壓箱實際出口壓力數(shù)據(jù)，周期性調整調壓器出口壓力的設定值，在保證下游管網壓力平穩(wěn)的同時，保證運行流量計的計量準確性。

5　結論

由于燃氣行業(yè)涉及民生問題，因此，對天然氣調壓系統(tǒng)運行的‘安’、‘穩(wěn)’、‘長’、‘滿’、‘優(yōu)’等指標提出更高的要求，并且著重于關注‘安’、‘穩(wěn)’、‘長’的指標要求。因此，在凋壓站／調壓箱控制過程中，對運行過程中調壓站的出口壓力關注更多，其下游用戶的流量需求通過壓力和流量間的耦合關系來保證。

在本論文中，下游用戶用氣規(guī)律的建模在實際控制中，用來判斷用氣高峰時段和用氣低谷時段，后續(xù)的控制過程需要和實際調壓箱的出口壓力數(shù)據(jù)相互配合來完成整個控制作用。但是隨著城市化智能管網系統(tǒng)的建設，各底層調壓站／調壓箱的用氣規(guī)律建模的作用將會越來越大，不僅可以為管理層提供運營決策的基礎數(shù)據(jù)支持，同時在管網運行調度過程起著越來越重要的作用，如：區(qū)域調壓箱運行站點的決策，調壓箱運行數(shù)量的決策，及各調壓箱運行負荷分配的估計等。

參考文獻

1李雅蘭，劉燕.天然氣負荷指標及用氣規(guī)律的研究[J].城市燃氣，2007；(2)：15-22

2嚴銘卿.燃氣負荷中長期預測的方法[J].城市燃氣，2009；(10)：13-17

3嚴銘卿，廉樂明.燃氣負荷及研究進展[J].煤氣與熱力，2002；(6)：490-493

4霍小亮.微流遙調技術在城市燃氣調壓站中的應用[J].城市燃氣，2013；(9)：17-20

本文作者：高順利　李洪波　宋來弟　邵華　史晉峰

作者單位：北京市燃氣集團有限責任公司

  北京遠東儀表有限公司