CN104407601A - 一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法 - Google Patents

一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法 Download PDF

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罗青云
张昭振
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    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults

Abstract

一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，有利于确定调压设备安全运行状态、故障类别、预警等级等，从而实现运行过程中的自动诊断，提高城市燃气管网供气的稳定性和安全性，其特征在于，包括以下步骤：利用SCADA数据采集与监视控制系统采集调压设备的出口压力数据；利用EMD经验模态分解法处理所述出口压力数据，获得若干个能量矩以及各个能量矩的值；如果某个能量矩的值≥预设值，则自动诊断为调压设备出现运行故障。

Description

一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法
技术领域
本发明涉及城市燃气管网的安全运行技术，特别是一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，有利于确定调压设备安全运行状态、故障类别、预警等级，从而实现运行过程中的自动诊断，提高城市燃气管网供气的稳定性和安全性。
背景技术
随着世界经济的快速发展，人类社会对能源的需求量也愈来愈大。燃气作为一种清洁能源已愈来愈被社会所重视。在燃气输配系统中，燃气调压器的安全运行决定了燃气供气的稳定性，调压器是控制燃气供应系统压力的设备，具有降低压力和稳定压力的作用。燃气调压系统是燃气管网的核心设施，是燃气系统安全稳定供气的重要保障。如果调压器出现故障而失效，会造成压力较高的燃气管道直接和承压能力较低的管道相连，高压力的燃气不仅冲击低压管道的每个接口，而且直接冲击与低压管道相连接的用户用气设备，很容易在这些地方产生燃气泄漏，进而发生火灾、爆炸及人员伤亡事故。因此，加强燃气管网调压设备的故障诊断及预警工作，不仅影响供气质量，而且与人民生命和国家财产安全息息相关，对于我国开展燃气事业有着非常重要的意义。
关于燃气调压设备的自诊断方式，目前国内外比较常用的方式是配置数据采集与监视控制(SCADA)系统，监视调压器的运行状态，依靠其报警系统，对管网调压设备进行报警。另一层面的燃气预警系统在调压设备现有技术的基础上，结合单片机和手机模块所组成的预警装置，传送数据到指定主机，来实时监控。现有自诊断方式，便于在调压设备发生异常的时候进行报警提示，而在故障判断，安全预警方法，仍然不够完善。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明提供一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，有利于确定调压设备安全运行状态、故障类别、预警等级等，从而实现运行过程中的自动诊断，提高城市燃气管网供气的稳定性和安全性。
本发明的技术方案如下：
一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：利用SCADA数据采集与监视控制系统采集调压设备的出口压力数据；利用EMD经验模态分解法处理所述出口压力数据，获得若干个能量矩以及各个能量矩的值；如果某个能量矩的值≥预设值，则自动诊断为调压设备出现运行故障。
对于≥预设值的能量矩进行告警指示。
各个能量矩及其值采用柱状图显示，对于≥预设值的能量矩进行红色告警。
所述预设值为1.5，当两个红色告警能量矩的值之和≥5时即诊断为严重故障。
所述SCADA数据采集与监视控制系统以一定的时间间隔自动采集调压设备的出口压力数据。
所述EMD经验模态分解法处理所述出口压力数据包括将所述出口压力数据分解成有限个不同频带下的IMF本征模函数分量。
所述频带是指采集数据序列中的最大压力数据值与最小压力数据值的范围。
对于n个IMF本征模函数分量，记为IMFi，i＝1～n；利用获得各能量矩的值，第一能量矩记为Ei1，第二能量矩记为Ei2，依此类推。
本发明的技术效果如下：本发明一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，能够实现燃气调压设备的快速、精准判断。本发明通过EMD结合SCADA系统，实时对各站点中低压调压器出口压力数据进行采集和计算，实现了对调压设备的实时监测，根据调压设备实际运行情况给出安全预警信息和故障诊断信息，为燃气系统的运行提供安全保障。
所述调压设备是城市燃气输配系统中自动调节并稳定管网中压力的设施，包含调压站和调压箱。其中调压站包括调压装置及调压室的建筑物或构筑物等，将调压装置放置于专用的调压室建筑物或构筑物中，承担用气压力的调节。调压箱包括调压装置，将调压装置放置于专用箱子中，设与用气建筑物附近，承担用气压力的调节。根据燃气的进出口管道压力分为高中压调压设备、高压调压设备、中低压调压设备等。本发明中所采集的是中低压调压设备的出口压力数据，管道设计压力小于0.01MPa为低压，大于等于0.01小于等于0.4MPa为中压。本发明为中低压燃气管网调压设备提供运行故障诊断与安全预警，以解决对中低压燃气调压设备自动诊断故障的技术问题。
附图说明
图1为实施本发明一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法简要流程图。图中S1～S4为步骤1～4。
图2是采用本发明得到的实例故障诊断分析数据展示示意图。图中纵轴0～4表示能量矩的值，横轴Ei1～Ei6表示1～6个能量矩，各能量矩的值如下：Ei1＝0.368；Ei2＝0.204；Ei3＝0.226；Ei4＝2.086；Ei5＝1.346；Ei6＝3.859。Ei≥1.5时能量矩显示红色告警，两个红色Ei之和≥5时即诊断为严重故障报警。Ei1～Ei3对应的是调压设备高频故障，例如调压设备的喘振等；Ei4～Ei6对应的是调压设备低频故障，例如用气低峰时段(夜间)调压设备出口压力高或者用气高峰时段调压设备出口压力低等。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。
图1为实施本发明一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法简要流程图。如图1所示，步骤S1：数据采集，通过SCADA系统，每隔一段时间间隔M，采集一次数据，并获得中低压调压站的出口压力数据；所述SCADA系统为数据采集与监视控制系统。所述调压设备是城市燃气输配系统中自动调节并稳定管网中压力的设施，包含调压站和调压箱。其中调压站包括调压装置及调压室的建筑物或构筑物等，将调压装置放置于专用的调压室建筑物或构筑物中，承担用气压力的调节。调压箱包括调压装置，将调压装置放置于专用箱子中，设与用气建筑物附近，承担用气压力的调节。根据燃气的进出口管道压力分为高中压调压设备、高压调压设备、中低压调压设备等。本发明中所采集的是中低压调压设备的出口压力数据，管道设计压力小于0.01MPa为低压，大于等于0.01小于等于0.4MPa为中压。
步骤S2：对采集到的数据集合进行EMD法操作，将采集数据分解成有限个不同频带下的IMF(Intrinsic Mode Function，本征模函数)分量。所述频带是采集数据序列中的最大压力数据值与最小压力数据值的范围。所述的IMF分量是不同特征尺度的数据序列，其个数是有限的和平稳的。
步骤S3：选取各IMF分量，构成能量矩作为分类器的特征向量来识别燃气调压设备的工作状态与故障类型。
步骤S4：根据能量矩的值，进行调压器故障信息的分析。所述能量矩考虑了每个IFM分量在时间轴上的分布特点，能有效、准确地提取出信号的本质特征。矩阵是指纵横排列的二维数据表格，最早来自于方程组的系数及常数所构成的方阵，借用“矩”这个概念，选取各IMF分量，组合成一个能量矩，作为燃气调压设备工作状态特征量。燃气调压器最常见的故障是：调压器出口压力低、夜间关闭压力高、调压器出口压力喘振。因此故障信息提取目标的最终类型归结为以下四种情况中的一种：1.调压器出口压力低；2.调压器出口夜间关闭压力高；3.调压器出口压力喘振；4.调压器出口压力正常。
图2是采用本发明得到的实例故障诊断分析数据展示示意图。如图2所示，Ei1,Ei2,Ei3,Ei4,Ei5,Ei6表明的是6个能量矩。通过数据采集得到的288个点，经过EMD分解之后得到6个能量矩，其中前3项对应的是高频故障，代表的是调压设备的喘振，后3项对应的是低频故障，一般反应的是调压设备夜间用气低峰时调压设备出口压力高或用气高峰时调压设备出口压力低，通过图可看出，后3项能量矩中有两个红色示警，处于一个较高的位置，一个值为2.086，另一个值为3.859，两项之和大于5，故诊断为严重故障报警。
如图1所示，步骤S1：数据准备，通过SCADA系统，每隔一段时间间隔M，采集一次数据，并获得中低压调压设备的出口压力数据；所述时间间隔M为5分钟，即1天的数据情况为288个值。
步骤S2：对采集到的数据集合进行EMD分解，将采集数据分解成有限个不同频带下的IMF(Intrinsic Mode Function，本征模函数)分量；其中，各IMF分量满足过零点条件和均值条件；所述过零点条件为：在整个数据序列中，极值点数目和零交叉点数目之差的绝对值为0或1；所述均值条件为：在任意一点处，由局部极大值点构成的上包络线和由局部极小值点构成的下包络线对时间轴对称。
EMD分解具体包括如下步骤：
(1)采集的288个数据记为x(t)，确定x(t)的局部极值点，将所有极大值点及所有极小值点分别用三次样条线连接起来形成上包络线u1(t)和下包络线l1(t)；
(2)计算上、下包络线的均值，记作m1(t)，其中
(3)计算x(t)和m1(t)的差值，记作h1(t)，其中h1(t)＝x(t)-m1(t)；
(4)判断h1(t)是否满足IMF的条件。如果满足条件，则h1(t)即为第一个IMF；如果不满足条件，则把h1(t)作为待分解信号，重复步骤(1)～(3)，循环k次直到h1k(t)＝h1(k-1)(t)-m1k(t)符合IMF的条件。记c1(t)＝h1k(t)，则c1(t)是x(t)的第一个IMF，即为IMF1。
(5)从x(t)中减去IMF1，得到r1(t)＝x(t)-IMF1，将r1(t)作为待分解信号，重复步骤(1)～(4)，依次得到x(t)的第二个分量IMF2，…，第n个分量IMFn。
步骤S3：选取各IMF分量，构成能量矩作为分类器的特征向量来识别燃气调压器的工作状态与故障类型。其中288个调压器出口压力数据经过EMD分解得到5-8个不等的本征模函数(IMF)，构成的能量矩阵Ei也从5项到8项不等。IMF的能量矩Ei计算公式为依据计算公式求取能量矩。
步骤S4：根据能量矩的值，自动进行调压器故障信息的分析。
一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：利用SCADA数据采集与监视控制系统采集调压设备的出口压力数据；利用EMD经验模态分解法处理所述出口压力数据，获得若干个能量矩以及各个能量矩的值；如果某个能量矩的值≥预设值，则自动诊断为调压设备出现运行故障。对于≥预设值的能量矩进行告警指示。各个能量矩及其值采用柱状图显示，对于≥预设值的能量矩进行红色告警。所述预设值为1.5，当两个红色告警能量矩的值之和≥5时即诊断为严重故障。所述SCADA数据采集与监视控制系统以一定的时间间隔自动采集调压设备的出口压力数据。所述EMD经验模态分解法处理所述出口压力数据包括将所述出口压力数据分解成有限个不同频带下的IMF本征模函数分量。所述频带是指采集数据序列中的最大压力数据值与最小压力数据值的范围。对于n个IMF本征模函数分量，记为IMFi，i＝1～n；利用获得各能量矩的值，第一能量矩记为Ei1，第二能量矩记为Ei2，依此类推。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (8)

1.一种城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：利用SCADA数据采集与监视控制系统采集调压设备的出口压力数据；利用EMD经验模态分解法处理所述出口压力数据，获得若干个能量矩以及各个能量矩的值；如果某个能量矩的值≥预设值，则自动诊断为调压设备出现运行故障。
2.根据权利要求1所述的城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，其特征在于，对于≥预设值的能量矩进行告警指示。
3.根据权利要求1所述的城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，其特征在于，各个能量矩及其值采用柱状图显示，对于≥预设值的能量矩进行红色告警。
4.根据权利要求3所述的城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，其特征在于，所述预设值为1.5，当两个红色告警能量矩的值之和≥5时即诊断为严重故障。
5.根据权利要求1所述的城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，其特征在于，所述SCADA数据采集与监视控制系统以一定的时间间隔自动采集调压设备的出口压力数据。
6.根据权利要求1所述的城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，其特征在于，所述EMD经验模态分解法处理所述出口压力数据包括将所述出口压力数据分解成有限个不同频带下的IMF本征模函数分量。
7.根据权利要求6所述的城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，其特征在于，所述频带是指采集数据序列中的最大压力数据值与最小压力数据值的范围。
8.根据权利要求6所述的城市燃气管网调压设备运行故障诊断方法，其特征在于，对于n个IMF本征模函数分量，记为IMFi，i＝1～n；利用获得各能量矩的值，第一能量矩记为Ei1，第二能量矩记为Ei2，依此类推。
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