CN107085420A - 基于最小方差的控制回路性能评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于最小方差的控制回路性能评估方法与系统，其中包括采集天然气管道压力控制回路数据，控制回路数据包括进口和出口的天然气压力参数；建立进出口压力的输入输出模型；以天然气管道进口的天然气压力数据作为输入，通过输入输出模型得到预测输出值；比较预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据得到误差，基于最小方差算法评估控制回路的性能。采用该种方法及系统，当出现压力控制回路性能下降趋势或电动调节阀发生故障时，该装置能够自动及时地对管理人员进行提示，这将大大减轻人员的劳动强度，提升运行管理效率，从而避免或减少天然气分输站存在的压力波动过大以及安全生产事故的发生。

Description

基于最小方差的控制回路性能评估方法及系统

技术领域

本发明涉及天然气管道运输技术领域，尤其涉及控制回路性能评估技术领域，具体是指一种面向天然气分输站的基于最小方差的控制回路性能评估方法及系统。

背景技术

天然气作为一种优质、高效的清洁能源，已发展成为世界三大主力能源之一。天然气采用管道输送，为下游分输用户提供压力平稳、安全可靠的天然气。长输管道的天然气经过高高压、高中压站进入城市管网。天然气分输站是输气管道沿线为分输气体至用户而设置的站场，为了保证高压天然气安全进入下游管道，并保持持续供气，分输站需要通过调压系统调节压力，确保系统下游压力不超过允许的压力，同时保证当调压设备出现故障时，能进行安全切断。

近年来，天然气输送过程中事故频发，如2014年1月份的青岛中石化“11-22”特大事故共造成62人遇难，136人受伤，直接经济损失7.5亿元。因此在应用天然气这种清洁高效的能源同时，必须要确保天然气运行的安全。在天然气输送过程中，由于在每个城市管网中都存在大量的工商业用户、民用用户，特别是工商业用户由于没有足够的管道可作为缓冲储气，若输送压力波动太大或者停气，将直接影响工业用户的生产，造成重大的经济损失和安全事故，因此分输站压力调节是保证天然气安全运行的关键技术。

但是，由于工作调节阀在高低温、高压、腐蚀等恶劣情况将导致调节阀性能下降出现非线性工作特性，同时由于外部其他干扰(如进站压力变化)、控制器结构或参数不合理等原因，控制回路的性能便会恶化甚至回路振荡，导致天然气运行安全事故。因此，保证控制回路中控制器性能稳定是很有必要的。

由于天然气行业的快速发展，分输站控制回路越来越多。以浙江省天然气运行公司为例，其管理的省级天然气管网在2015年末预计管线长度将超过1700公里，输气站55座、无人远控站21座、阀室83座，涉及到分输站压力控制回路达到数百条、压力调节阀达到上千个。面对如此多的控制回路和阀门设备，对于天然气运行企业的站场管理和维护人员来讲，是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种基于最小方差的控制回路性能评估方法与系统，当出现压力控制回路性能下降趋势或电动调节阀发生故障时，该装置能够自动及时地对管理人员进行提示，这将大大减轻人员的劳动强度，提升运行管理效率，从而避免或减少天然气分输站存在的压力波动过大以及安全生产事故的发生。

为了实现上述目的，本发明具有如下构成：

该基于最小方差的控制回路性能评估方法，所述的方法包括以下步骤：

采集天然气管道压力控制回路数据，所述控制回路数据包括天然气管道进口和出口的天然气压力参数；

对采集到的控制回路数据进行分析，建立进出口压力的输入输出模型；

以天然气管道进口的天然气压力数据作为输入，通过所述输入输出模型得到预测输出值；

比较所述预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据得到误差，基于最小方差算法评估控制回路的性能。

可选地，采用预测误差方法，建立进出口压力的输入输出模型，所述预测误差算法采用如下模型结构：

y_t+a₁y_t-1+…+a_nay_t-na＝b₁u_t-1+b₂u_t-2+…+b_nbu_t-nb

其中，

y表示管道出口压力值，u表示管道入口压力值，t表示当前时刻，y_t,…,y_t-na分别表示t 时刻之前不同时刻的管道出口压力值，u_t-1,…,u_t-nb表示t时刻之前不同时刻的管道入口压力值，a₁,…,a_na分别表示t时刻之前不同时刻对应不同出口压力值的模型参数，b₁,…,b_nb分别表示t时刻之前不同时刻对应不同入口压力值的模型参数，其中na和nb为预设时刻选择数量。

可选地，基于预测误差算法，根据如下公式辨识所述输入输出模型中的参数θ：

其中，θ表示输入输出模型参数，N表示参数θ个数，表示输入输出数据集，

该参数θ与所述预测误差算法的模型结构具有如下对应关系：

θ＝[a₁,…a_na,b₁,…b_nb]^T

其中，[]^T表示向量转置。

可选地，通过最小二乘法得到模型参数θ_min，所述模型参数θ_min通过求取导数得到，公式如下：

其中，θ_min表示通过最小二乘法得到的输入输出模型参数，从而可以得到输入输出模型， argmin[]表示取最小值，N表示参数θ个数，表示输入输出数据集，()^-1表示求矩阵的逆。

可选地，根据如下公式计算最小方差值：

其中，为最小方差值，为所述预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据之间误差的方差，为脉冲响应系数，d为延迟时间，一般选取2或者 3。

可选地，根据如下公式计算得到所述脉冲响应函数：

G＝h₀+h₁q^-1+…+h_d-1q^-d+1

其中，G表示脉冲响应函数，由输入输出模型得到，q表示不同延迟时间下对应不同脉冲响应系数的反馈因子，d表示延迟时间。

可选地，基于最小方差算法评估控制回路的性能，包括如下步骤：

根据如下公式计算控制回路的性能指标η：

其中，为实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据的方差。

可选地，还包括如下步骤：

当所述控制回路的性能指标η大于预设性能阈值时，进行故障报警。

本发明还提供了一种基于最小方差的控制回路性能评估系统，应用于所述的基于最小方差的控制回路性能评估方法，所述系统包括：

数据采集模块，用于采集天然气管道压力控制回路数据，所述控制回路数据包括天然气管道进口和出口的天然气压力参数；

数据库模块，用于存储所述天然气管道压力控制回路数据；

输入输出模型构建模块，用于采用预测误差算法对采集到的控制回路数据进行分析，建立进出口压力的输入输出模型；

预测误差模块，用于以天然气管道进口的天然气压力数据作为输入，通过所述输入输出模型得到预测输出值，比较所述预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据得到误差；

控制回路性能指标计算模块，用于基于最小方差算法计算控制回路性能指标。

可选地，还包括：

人机交互模块，用于基于Django框架搭建的网络建立人际交互界面，通过所述人机交互界面发布控制回路性能指标计算结果和报警信息。

采用该发明的基于最小方差的控制回路性能评估方法与系统，利用多台个人计算机，通过采用Django和MySQL开源软件，以基于最小方差的控制回路性能评估方法为基础，构建以实时采集的控制回路进出口压力数据来评估控制回路性能的在线监测网络；能够对天然气管道压力控制回路进行实时监测，减轻人员的劳动强度，提升运行管理效率，从而避免或减少天然气管道存在的压力波动过大以及安全生产事故的发生。

附图说明

图1为本发明的基于最小方差的控制回路性能评估方法的流程图；

图2为本发明的基于最小方差的控制回路性能评估系统的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于最小方差的控制回路性能评估方法，所述的方法包括以下步骤：

采集天然气管道压力控制回路数据，所述控制回路数据包括天然气管道进口和出口的天然气压力参数；

对采集到的控制回路数据进行分析，建立进出口压力的输入输出模型；

以天然气管道进口的天然气压力数据作为输入，通过所述输入输出模型得到预测输出值；

比较所述预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据得到误差，基于最小方差算法评估控制回路的性能。

在一种优选的实施方式中，采用预测误差方法，建立进出口压力的输入输出模型，所述预测误差算法采用如下模型结构：

y_t+a₁y_t-1+…+a_nay_t-na＝b₁u_t-1+b₂u_t-2+…+b_nbu_t-nb

其中，

y表示管道出口压力值，u表示管道入口压力值，t表示当前时刻，y_t,…,y_t-na分别表示t 时刻之前不同时刻的管道出口压力值，u_t-1,…,u_t-nb表示t时刻之前不同时刻的管道入口压力值，a₁,…,a_na分别表示t时刻之前不同时刻对应不同出口压力值的模型参数，b₁,…,b_nb分别表示t时刻之前不同时刻对应不同入口压力值的模型参数，其中na和nb为预设时刻选择数量。

在一种优选的实施方式中，基于预测误差算法，根据如下公式辨识所述输入输出模型中的参数θ：

其中，θ表示输入输出模型参数，N表示参数θ个数，表示输入输出数据集，

该参数θ与所述预测误差算法的模型结构具有如下对应关系：

θ＝[a₁,…a_na,b₁,…b_nb]^T

其中，[]^T表示向量转置。

在一种优选的实施方式中，通过最小二乘法得到模型参数θ_min，所述模型参数θ_min通过求取导数得到，公式如下：

其中，θ_min表示通过最小二乘法得到的输入输出模型参数，从而可以得到输入输出模型， argmin[]表示取最小值，N表示参数θ个数，表示输入输出数据集，()^-1表示求矩阵的逆。

根据如下公式计算所述的误差ε：

其中，ε表示所述预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据之间的误差，是y_t的预测值即以进口压力为输入，通过输入输出模型得到的输出值。

在一种优选的实施方式中，根据如下公式计算最小方差值：

其中，为最小方差值，为所述预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据之间误差的方差，为脉冲响应系数，d为延迟时间，一般选取2或者 3。

在一种优选的实施方式中，根据如下公式计算得到所述脉冲响应函数：

G＝h₀+h₁q^-1+…+h_d-1q^-d+1

其中，G表示脉冲响应函数，由输入输出模型得到，q表示不同延迟时间下对应不同脉冲响应系数的反馈因子，d表示延迟时间。

在一种优选的实施方式中，基于最小方差算法评估控制回路的性能，包括如下步骤：

根据如下公式计算控制回路的性能指标η：

其中，为实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据的方差。

在一种优选的实施方式中，还包括如下步骤：

当所述控制回路的性能指标η大于预设性能阈值时，进行故障报警。

如图2所示，本发明还提供了一种基于最小方差的控制回路性能评估系统，应用于所述的基于最小方差的控制回路性能评估方法。首先，通过PLC采集天然气管道压力控制回路数据进行预处理；其次，再利用通过Django和MySQL开源软件，和多台计算机进行分布式存储；然后，利用预测误差算法，辨识输入输出模型和获取误差；再通过最小方差算法，计算得到控制回路性能指标；在人机界面上，采用WEB形式对控制回路进出口压力和控制回路性能进行查询，对控制回路性能进行实时监测，当监测值超过设定阈值后，进行报警。

所述系统包括：

数据采集模块，用于采集天然气管道压力控制回路数据，所述控制回路数据包括天然气管道进口和出口的天然气压力参数；

数据库模块，用于存储所述天然气管道压力控制回路数据；

输入输出模型构建模块，用于采用预测误差算法对采集到的控制回路数据进行分析，建立进出口压力的输入输出模型；

预测误差模块，用于以天然气管道进口的天然气压力数据作为输入，通过所述输入输出模型得到预测输出值，比较所述预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据得到误差；

控制回路性能指标计算模块，用于基于最小方差算法计算控制回路性能指标。

在一种优选的实施方式中，所述系统还包括：

人机交互模块，用于基于Django框架搭建的网络建立人际交互界面，通过所述人机交互界面发布控制回路性能指标计算结果和报警信息。

采用该发明的面向天然气分输站的控制回路性能评估方法及系统，利用多台个人计算机，通过采用Django和MySQL开源软件，以基于最小方差的控制回路性能评估方法为基础，构建以实时采集的控制回路进出口压力数据来评估控制回路性能的在线监测网络；能够对天然气管道压力控制回路进行实时监测，减轻人员的劳动强度，提升运行管理效率，从而避免或减少天然气管道存在的压力波动过大以及安全生产事故的发生。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种基于最小方差的控制回路性能评估方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

采集天然气管道压力控制回路数据，所述控制回路数据包括天然气管道进口和出口的天然气压力参数；

对采集到的控制回路数据进行分析，建立进出口压力的输入输出模型；

以天然气管道进口的天然气压力数据作为输入，通过所述输入输出模型得到预测输出值；

比较所述预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据得到误差，基于最小方差算法评估控制回路的性能。

2.根据权利要求1所述的基于最小方差的控制回路性能评估方法，其特征在于，采用预测误差方法，建立进出口压力的输入输出模型，所述预测误差算法采用如下模型结构：

y_t+a₁y_t-1+…+a_nay_t-na＝b₁u_t-1+b₂u_t-2+…+b_nbu_t-nb

其中，

y表示管道出口压力值，u表示管道入口压力值，t表示当前时刻，y_t,…,y_t-na分别表示t时刻之前不同时刻的管道出口压力值，u_t-1,…,u_t-nb表示t时刻之前不同时刻的管道入口压力值，a₁,…,a_na分别表示t时刻之前不同时刻对应不同出口压力值的模型参数，b₁,…,b_nb分别表示t时刻之前不同时刻对应不同入口压力值的模型参数，其中na和nb为预设时刻选择数量。

3.根据权利要求2所述的基于最小方差的控制回路性能评估方法，其特征在于，基于预测误差算法，根据如下公式辨识所述输入输出模型中的参数θ：

其中，θ表示输入输出模型参数，N表示参数θ个数，表示输入输出数据集，

该参数θ与所述预测误差算法的模型结构具有如下对应关系：

θ＝[a₁,…a_na,b₁,…b_nb]^T

其中，[]^T表示向量转置。

4.根据权利要求3所述的基于最小方差的控制回路性能评估方法，其特征在于，通过最小二乘法得到模型参数θ_min，所述模型参数θ_min通过求取导数得到，公式如下：

其中，θ_min表示通过最小二乘法得到的输入输出模型参数，从而可以得到输入输出模型，argmin[]表示取最小值，N表示参数θ个数，表示输入输出数据集，()^-1表示求矩阵的逆。

5.根据权利要求1所述的基于最小方差的控制回路性能评估方法，其特征在于，根据如下公式计算最小方差值：

<mrow> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>v</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>h</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>h</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <mo>...</mo> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>h</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>;</mo> </mrow> 1

其中，为最小方差值，为所述预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据之间误差的方差，为脉冲响应系数，d为延迟时间。

6.根据权利要求5所述的基于最小方差的控制回路性能评估方法，其特征在于，根据如下公式计算得到所述脉冲响应函数G：

G＝h₀+h₁q^-1+…+h_d-1q^-d+1

其中，G表示脉冲响应函数，由输入输出模型得到，q表示不同延迟时间下对应不同脉冲响应系数的后移算子，d表示延迟时间。

7.根据权利要求6所述的基于最小方差的控制回路性能评估方法，其特征在于，基于最小方差算法评估控制回路的性能，包括如下步骤：

根据如下公式计算控制回路的性能指标η：

<mrow> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>v</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

其中，为实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据的方差。

8.根据权利要求7所述的基于最小方差的控制回路性能评估方法，其特征在于，还包括如下步骤：

当所述控制回路的性能指标η大于预设性能阈值时，进行故障报警。

9.一种基于最小方差的控制回路性能评估系统，其特征在于，应用于权利要求1至8中任一项所述的基于最小方差的控制回路性能评估方法，所述系统包括：

数据采集模块，用于采集天然气管道压力控制回路数据，所述控制回路数据包括天然气管道进口和出口的天然气压力参数；

数据库模块，用于存储所述天然气管道压力控制回路数据；

输入输出模型构建模块，用于采用预测误差算法对采集到的控制回路数据进行分析，建立进出口压力的输入输出模型；

预测误差模块，用于以天然气管道进口的天然气压力数据作为输入，通过所述输入输出模型得到预测输出值，比较所述预测输出值与实际采集到的天然气管道出口的天然气压力数据得到误差；

控制回路性能指标计算模块，用于基于最小方差算法计算控制回路性能指标。

10.根据权利要求9所述的基于最小方差的控制回路性能评估系统，其特征在于，还包括：

人机交互模块，用于基于Django框架搭建的网络建立人际交互界面，通过所述人机交互界面发布控制回路性能指标计算结果和报警信息。