燃氣管網(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用

上海市北燃氣銷售有限公司 方淑芬

圍繞著服務(wù)于燃氣輸配管理的主旨，誕生了很多應(yīng)用于燃氣輸配管網(wǎng)安全運行管理的系統(tǒng)，如燃氣預(yù)警系統(tǒng)、SCADA、GIS(地理信息系統(tǒng))及燃氣管網(wǎng)巡檢等系統(tǒng)，包括輸配系統(tǒng)壓力監(jiān)測管理、日常巡檢監(jiān)管、應(yīng)急搶修管理等方面。這些系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提升了管網(wǎng)實際運營管理水平，燃氣公司輸配管理逐步擺脫了經(jīng)驗管理和事后管理的模式，轉(zhuǎn)化成事前主動預(yù)防管控。近年來伴隨著人工智能理念的逐步滲透，“智能管網(wǎng)” “智能調(diào)度”順勢而生，相應(yīng)地對燃氣管網(wǎng)的規(guī)劃、運行和管理又提出了更高的要求。

市北燃氣公司轄區(qū)現(xiàn)有的高中低壓燃氣管道已超過8 700 km，各壓力級制調(diào)壓器3 500余座。管網(wǎng)正常運行是保障燃氣供應(yīng)的關(guān)鍵，而壓力和流量數(shù)據(jù)則是燃氣管網(wǎng)正常運行的直觀體現(xiàn)。目前公司系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示暫時主要是單個壓力級制調(diào)壓器處燃氣的壓力和部分流量，數(shù)據(jù)分析基本也只是簡單的統(tǒng)計和計算，從燃氣管理者的角度較難對整個或局部區(qū)域燃氣管網(wǎng)的運行狀況有一個整體、直觀的把控。因此，立足于目前燃氣管網(wǎng)現(xiàn)狀，結(jié)合管網(wǎng)運行的需求，采用互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，進一步挖掘系統(tǒng)采集到的大量數(shù)據(jù)的價值，探索制作一套城市燃氣管網(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)，輔助燃氣規(guī)劃和輸配運行，協(xié)調(diào)管網(wǎng)運行、壓力動態(tài)平衡和優(yōu)化管網(wǎng)運行狀態(tài)是十分必要的。

1 系統(tǒng)功能基本要求

燃氣管網(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)需具備以下功能：

(1)基本設(shè)備查詢和瀏覽功能。

(2)根據(jù)管網(wǎng)流量變化分析預(yù)測管網(wǎng)的壓力變化，指導(dǎo)管網(wǎng)規(guī)劃布局。

(3)實時顯示流量的分布以及燃氣的流向，分析管網(wǎng)的供氣平衡狀態(tài)。

(4)實時顯示壓力，并具有預(yù)測未來一周壓力值的功能，用以指導(dǎo)管網(wǎng)運行。

2 系統(tǒng)模型構(gòu)建

市北燃氣公司寶錢路調(diào)壓站和永盛路調(diào)壓站管網(wǎng)相對比較獨立，且壓力和流量數(shù)據(jù)相對完整，因此選取這2個調(diào)壓站供氣源的周邊高中壓供氣管道作為研究對象。燃氣管網(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)主要建立在壓力-流量模型和壓力預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，通過對歷史大數(shù)據(jù)的梳理和分析，結(jié)合輸配運行實際情況，再直觀展現(xiàn)管網(wǎng)運行狀態(tài)，并根據(jù)運行需要自主設(shè)定以了不同顏色區(qū)分的管網(wǎng)運行壓力范圍和壓降區(qū)間。

2.1 壓力-流量模型

壓力-流量模型根據(jù)調(diào)壓站處的壓力和流量結(jié)合遺傳算法計算出每根管道各節(jié)點處的壓力和流量情況，前提是假設(shè)管道內(nèi)氣體滿足穩(wěn)態(tài)工況基本流量公式，整個管網(wǎng)滿足流量守恒定律：調(diào)壓站輸出流量等于各用戶使用流量的總和；各節(jié)點輸入流量等于該節(jié)點輸出的流量總和。

通過遺傳算法，根據(jù)基本流量公式，運用評價函數(shù)f(x)等于各使用流量的總和減去輸出流量，將管道各個節(jié)點的壓力p和各分用戶的使用流量F使用關(guān)聯(lián)起來。

f(x)評價函數(shù)=∑F使用-F輸出

由于研究對象是高中壓管網(wǎng)，因此p的隨機范圍選取p調(diào)壓站為240 kPa。使用評價函數(shù)評估每代種群的適應(yīng)度，選擇適應(yīng)度高的個體，即將評價函數(shù)f(x)接近 0的個體進行保留，對其中部分增大評價函數(shù)的節(jié)點p重新取值。通過比較總流量誤差最小的節(jié)點壓力分布情況，找出壓力誤差較大的個別節(jié)點，修改壓力或直接替換為其他情況下該節(jié)點流量誤差較小時的壓力(即遺傳算法中的交叉變異)，從而進化出新的壓力分布情況作為種群，在滿足評價函數(shù)的基礎(chǔ)上，進行選擇、進化、不斷迭代，最終尋找到滿足實際情況的最優(yōu)解，完成搭建。

導(dǎo)入寶錢和永盛區(qū)域的管道信息到遺傳算法系統(tǒng)，包含管道材質(zhì)、管道直徑、管道長度、管道坐標(連接情況)等進行迭代訓(xùn)練。系統(tǒng)訓(xùn)練效果如圖1所示?？梢缘贸?，隨著系統(tǒng)訓(xùn)練迭代代數(shù)的增加，流量誤差不斷降低收斂，與真實值的差距逐步趨向于0，說明系統(tǒng)可靠性高。

圖1 系統(tǒng)訓(xùn)練效果

2.2 壓力預(yù)測模型

數(shù)學(xué)計算系統(tǒng)LSTM擅長處理和時間序列相關(guān)的序列數(shù)據(jù)，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，尋找到數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，從而預(yù)測未來數(shù)據(jù)。具體使用時，結(jié)合具體調(diào)壓器連續(xù)7日的壓力、溫度、天氣等數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，用歷史數(shù)據(jù)進行修正，調(diào)整中間LSTM的層數(shù)和每層的神經(jīng)元數(shù)目，得到未來一周管網(wǎng)壓力的預(yù)測數(shù)據(jù)，然后用下一周的數(shù)據(jù)進行驗證。圖2是編號G-18913調(diào)壓器連續(xù)7日進口壓力p預(yù)測值與真實值的對比，決定系數(shù)R2均大于0.9，說明擬合度高，預(yù)測出的數(shù)據(jù)可信度高。

圖2 G-18913調(diào)壓器進口壓力預(yù)測值與真實值的對比

3 系統(tǒng)應(yīng)用實例

3.1 查詢和瀏覽功能

燃氣管網(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合公司原有的GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)提供的查詢和瀏覽功能，通過菜單欄展示或隱藏對應(yīng)的設(shè)備圖層，如高中壓供氣管道、調(diào)壓站、高中壓管線等。同時，系統(tǒng)具有屬性查詢功能、自動定位和測距功能；可查詢選定管道或某個點的具體屬性，如管道氣體壓力、燃氣類型、口徑、壁厚、管道長度、風(fēng)險等級等，從而更好地為管網(wǎng)規(guī)劃和輸配運行服務(wù)。

3.2 指導(dǎo)管網(wǎng)規(guī)劃布局

公司現(xiàn)行新建住宅小區(qū)及單位燃氣配套工程的征詢意見、管道預(yù)排立項申請審批工作，主要根據(jù)該用氣點壓力及流量需求，考慮周邊調(diào)壓器進口壓力及該區(qū)域燃氣管網(wǎng)的運行狀態(tài)，保留一定的冗余量設(shè)計安排氣源接入點，但耗時較長。使用燃氣管網(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)可便捷的處理此類情況。為直觀展示，系統(tǒng)中以不同顏色區(qū)分管道的壓力降，壓力降從高到低依次以紅、黃、綠表示供應(yīng)緊張、一般和充裕3種狀態(tài)，管道欠壓則以灰色表示。具體紅、黃、綠閾值可根據(jù)需要設(shè)定。該系統(tǒng)可用于以下工作：

(1)在新用戶發(fā)展或者老用戶擴容審核過程中，通過輸入相應(yīng)數(shù)值，便可得知原有管道結(jié)構(gòu)是否具備為其供應(yīng)的能力。操作人員可根據(jù)顏色直觀判斷該管道運行情況，黃色或綠色可知該管網(wǎng)壓力滿足需求，紅色部分應(yīng)引起關(guān)注。

(2)對區(qū)域局部管網(wǎng)進行管道連通、擴徑，甚至刪減等管網(wǎng)優(yōu)化提供決策參考。以解決欠壓進行管道連通為例：模擬管道壓力不足(含緊張)時，系統(tǒng)可從任意指定點添加管道至該用氣管道，并同時顯示添加管道后的壓力分布和壓降情況，在滿足管道運行負荷的前提下，可結(jié)合管道長度、口徑、施工的便捷性等因素綜合考慮經(jīng)濟性最優(yōu)的方案。

3.3 實時顯示流量及流向

系統(tǒng)具有實時顯示燃氣流量分布、燃氣流量及壓力平衡點的功能，可以用來分析管網(wǎng)的供氣平衡狀態(tài)。上述功能可用于以下具體工作：

(1)指導(dǎo)規(guī)劃實施，進而優(yōu)化調(diào)壓站負荷率。由于管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用氣點分布及需求的不均衡，2個氣源點的流量負荷可能存在差異，這樣的差異可能導(dǎo)致2個調(diào)壓站的流量出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象。若某1個調(diào)壓站出現(xiàn)負荷率過大，對設(shè)備本體造成損耗過大，這種情況下規(guī)劃及調(diào)整部分管網(wǎng)結(jié)構(gòu)時可通過分析氣體流向、流量分布，結(jié)合平衡點的位置，在保障供應(yīng)的前提下，調(diào)整管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氣源點的流量分布和流向，進而實現(xiàn)調(diào)整負荷率的效果。

(2)為應(yīng)急管理提供支撐?？筛鶕?jù)平衡點分布、氣體流向和平衡點的位置制定系列保障供應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，提高應(yīng)急應(yīng)對的能力。如2個調(diào)壓站在實際供應(yīng)狀態(tài)中存在冗余不足的問題，那么在運行過程中，運維單位可通過壓力平衡點了解2個氣源大致供應(yīng)的范圍，以便于在突發(fā)情況下做出合理的應(yīng)急措施。此外，在正常供應(yīng)狀態(tài)下，如2個氣源負責(zé)的區(qū)域承擔(dān)比例為 2:1；異常工況情況下，運維單位可以根據(jù)平衡點或者平衡地帶，為了確保某 1個氣源點下游供應(yīng)穩(wěn)定，利用閥門啟閉操作對管網(wǎng)進行臨時分割。這樣不會因為某個氣源故障停止運行，導(dǎo)致另一個氣源點供應(yīng)能力無法滿足，最終導(dǎo)致全區(qū)域運行脫壓，產(chǎn)生更為惡劣的供應(yīng)事故。

3.4 實時顯示壓力及一周預(yù)測

系統(tǒng)具有實時顯示壓力的功能，以等高線的形式將該區(qū)域壓力分布情況進行展示，方便管理者和操作者直觀掌握該區(qū)域的整體供應(yīng)情況。

此外系統(tǒng)具有壓力預(yù)測功能，顯示選定區(qū)域或管線未來一周的預(yù)測數(shù)據(jù)，使用時可直觀地觀測到選定區(qū)域的整體壓力分布情況，并提前預(yù)知未來一周的壓力情況，以便做好相應(yīng)的應(yīng)對措施，為輸配運行管理提供參考。

4 結(jié)語

運用燃氣管網(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)，能為燃氣公司提供實時壓力流量數(shù)據(jù)，可彌補當(dāng)下流量測量數(shù)據(jù)的不足。同時，系統(tǒng)具有管道和流量調(diào)整的模擬計算，實時顯示流量和燃氣流向、預(yù)測未來一周壓力的功能，以及燃氣平衡點的功能，可協(xié)助調(diào)整優(yōu)化管網(wǎng)的供氣平衡狀態(tài)，提前掌握未來壓力的變化趨勢，即對將出現(xiàn)的異常情況做好相應(yīng)的應(yīng)對措施，為整體規(guī)劃和管網(wǎng)布局提供建設(shè)性建議。