CN107120531A - 城市天然气管道系统故障传播影响评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种城市天然气管道系统故障传播影响评估方法及系统，所述方法包括：根据城市天然气管道系统建立城市天然气管道系统的网络结构拓扑图；根据网络结构拓扑图建立网络模型，网络模型包括节点信息表、边信息表和节点的连接矩阵；根据网络模型以及约束条件，获取城市天然气管道系统正常状态的第一流量压力分配信息；在网络模型中模拟系统故障，并根据故障传播规则和约束条件，获取城市天然气管道系统在故障状态下的第二流量压力分配信息；比较第一流量压力分配信息和第二流量压力分配信息对城市天然气管道系统进行故障传播影响评估。所述系统用于执行上述方法。本发明实施例提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及可靠性工程技术领域，具体涉及城市天然气管道系统故障传播影响评估方法及系统。
背景技术
随着科技的发展，天然气的使用越来越多，现在大部分分城市都使用天然气作为能源，为人们的生活带来了极大的方便。城市天然气管道系统是接收外部气源、向市区及郊区村镇居民供应生活用气、企业热源或化工原料的重要枢纽。
尽早的发现城市天然气管道系统中的故障、定位故障、探究故障传播的规律对于天然气输送有着重要的意义。现有技术中，对于城市天然气管道系统故障方面的研究主要集中在如何分析和建立故障发生对整条管道中天然气运行参数的影响。且多是针对一条管道进行研究，从局部角度解决问题，如将管道进行分段，分析其风险发展趋势。但是，现有技术中大多是只考虑城市天然气管道系统故障对局部的影响，但是因为天然气管道是相互连通的，一处故障会对整个系统造成影响，如果仅仅考虑管道系统故障对局部的影响，这对城市天然气管道系统的故障分析、故障传播影响评估以及故障监测都会造成影响。
因此，如何提出一种方案，能够提高城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性，成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种城市天然气管道系统故障传播影响评估方法及系统。
一方面，本发明实施例提出一种城市天然气管道系统故障传播影响评估方法，包括：
根据城市天然气管道系统建立所述城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，所述网络结构拓扑图包括：节点和表示天然气管道的边，其中所述节点和边用来表示所述城市天然气管道系统的连接关系，所述边带有表示天然气流动的方向；
根据所述网络结构拓扑图建立网络模型，所述网络模型包括节点信息表、边信息表以及所述节点的连接矩阵；
根据所述网络模型中的所述节点信息表、所述边信息表和所述连接矩阵以及预设的约束条件，获取所述城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；
在所述网络模型中模拟系统故障，并根据预设的故障传播规则和所述约束条件，获取所述城市天然气管道系统在故障状态下对应的第二流量压力分配信息；
比较所述第一流量压力分配信息和所述第二流量压力分配信息对所述城市天然气管道系统进行故障传播影响评估。
另一方面，本发明实施例提供一种城市天然气管道系统故障传播影响评估系统，包括：
拓扑图建立模块，用于根据城市天然气管道系统建立所述城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，所述网络结构拓扑图包括：节点和表示天然气管道的边，其中所述节点和边用来表示所述城市天然气管道系统的连接关系，所述边带有表示天然气流动的方向；
网络模型建立模块，用于根据所述网络结构拓扑图建立网络模型，所述网络模型包括节点信息表、边信息表以及所述节点的连接矩阵；
第一流量压力分配获取模块，用于根据所述网络模型中的所述节点信息表、所述边信息表和所述连接矩阵以及预设的约束条件，获取所述城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；
第二流量压力分配获取模块，用于在所述网络模型中模拟系统故障，并根据预设的故障传播规则和所述约束条件，获取所述城市天然气管道系统在故障状态下对应的第二流量压力分配信息；
故障传播影响评估模块，用于比较所述第一流量压力分配信息和所述第二流量压力分配信息对所述城市天然气管道系统进行故障传播影响评估。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估方法及系统，通过建立城市天然气管道系统的网络模型，获取城市天然气管道系统正常状态下的流量和压力分配情况，再进行系统故障的模拟，获取城市天然气管道系统故障后的流量和压力分配情况。将正常状态的流量压力的分配情况与故障状态的流量压力的分配情况进行比较，进一步进行城市天然气管道系统的故障传播影响评估。实现了天然气管道局部故障对整个天然气管道的影响的评估，提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例中城市天然气管道系统故障传播影响评估方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中网络结构拓扑图的结构示意图；
图3为本发明实施例中城市天然气管道系统故障传播影响评估方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中又一网络结构拓扑图的结构示意图；
图5为本发明实施例中故障判据模型结构示意图；
图6为本发明实施例中又一网络结构拓扑图的结构示意图；
图7为本发明实施例中调压室故障传播流程示意图；
图8为本发明实施例中城市天然气管道系统故障传播影响评估系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例中城市天然气管道系统故障传播影响评估方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估方法包括：
S1、根据城市天然气管道系统建立所述城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，所述网络结构拓扑图包括：节点和表示天然气管道的边，其中所述节点和边用来表示所述城市天然气管道系统的连接关系，所述边带有表示天然气流动的方向；
具体地，本发明实施例根据城市天然气管道系统建立出该城市的天然气管道网络结构拓扑图，即用节点和边来表示城市天然气管道系统的连接关系以及天然气的流动方向。其中网络结构拓扑图中的节点表示城市天然气管道系统中的调压室或阀门，边表示城市天然气管道系统中的管道，并且每条边带有表示城市天然气管道系统中的天然气的流动方向。具体可以将网络结构拓扑图中的节点和边分别进行顺序编号。
S2、根据所述网络结构拓扑图建立网络模型，所述网络模型包括节点信息表、边信息表以及所述节点的连接矩阵；
具体地，建立好城市天然气管道系统的网络结构拓扑图之后，根据网络结构拓扑图建立该城市的天然气的网络模型，其中网络模型中包括节点信息表、边信息表以及节点的连接矩阵。其中节点信息表中可以包括节点对应的类型、等级、消耗流量以及节点对应的供给需求关系；边信息表可以包括各个边对应的等级、起点、终点以及该边代表的管道的长度和直径。其中，节点的类型可以根据节点的具体作用进行划分；节点和边对应的等级可以根据管道压力进行划分，管道压力越大，等级越高，管道压力越小，等级越小；节点的消耗流量可以根据城市天然气管道系统的具体情况进行设置；节点对应的供给需求关系是指该节点是向其他节点供给天然气或需要其他节点向该节点供给天然气，即天然气在该节点处时是输出还是输入；边的起点和终点根据该边对应的天然气的流动方向进行设置。
其中，连接矩阵是利用矩阵的方式表示节点之间的连接关系，本发明实施例中将定义连接矩阵为A＝[aij]，其中，i表示网络结构拓扑图中的节点i，j表示网络结构拓扑图中的管道j。具体地，若节点i不在管道j上，则对应在连接矩阵中的元素aij表示为0；若节点i在管道j上，并且为管道j的起点，则对应在连接矩阵中的元素aij表示为-1；若节点i在管道j上，并且为管道j的终点，则对应在连接矩阵中的元素aij表示为1。
如：图2为本发明实施例中网络结构拓扑图的结构示意图，如图2所示，图中圆圈表示节点，圆圈中的字母表示节点编号，带箭头的线段表示边，即表示管道，箭头表示天然气的流动方向。本发明实施例中城市天然气管道的网络结构拓扑图中有6个节点a、b、c、d、e、f，有6条边ab、bc、cd、ae、df、ef，其中箭头表示天然气在管道中的流向，则其中连接矩阵可以表示为如下公式(1)：
S3、根据所述网络模型中的所述节点信息表、所述边信息表和所述连接矩阵以及预设的约束条件，获取所述城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；
具体地，建立城市天然气管道系统的网络模型后，根据该网络模型中的节点信息表、边信息表以及预设的约束条件，获取城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息，即计算城市天然气管道系统正常状态对应的流量和压力分配情况，具体可以计算出各个节点对应的压力和各个管道对应的流量。其中本发明实施例中的约束条件主要是根据质量守恒定律、节点流量平衡和环网压力平衡进行建立的，具体可以表示为如下公式(2)：
式中：∑input——表示整个城市天然气管道系统输入的天然气总量，即从上级调压室输出的天然气总量，其数值根据需求设置，也可以参照根据《城镇天然气设计规范》(GB50028-93)设置；
∑output——表示输出的天然气总量，即实际使用的需求量；
∑storage——表示贮存在天然气管道中的天然气总量，在使用过程中忽略为零；
A——表示节点的连接矩阵；Q——表示管道流量矩阵；
q——表示节点流量矩阵；p——表示节点压力矩阵；
Δp——表示管压降矩阵。
其中Q、q、p以及Δp可以从网络模型中的节点信息表以及边信息表中获得。
具体获取第一流量压力分配信息可以根据建立的网络模型和预设的约束条件，利用水利计算方程，计算出网络模型中各个节点对应的压力以及各个管道对应的流量，获取到城市天然气管道系统在正常状态下的第一流量压力分配信息。其中计算过程中所需的参数如天然气压缩因子、天然气相对密度和天然气温度等，可以根据实际情况进行设置。
S4、在所述网络模型中模拟系统故障，并根据预设的故障传播规则和所述约束条件，获取所述城市天然气管道系统在故障状态下对应的第二流量压力分配信息；
具体地，在网络模型建立好后，在网络模型中模拟系统故障，如随机选取其中某个节点或管道假设其出现故障，根据预设的故障传播规则和约束条件，获取城市天然气管道系统在故障状态下对应的第二流量压力分配信息。可以根据实际管道系统出现故障的数据，通过将模型中某个节点或管道的压力或流量改为非正常状态，模拟该节点或管道出现故障。本发明实施例主要是通过在网络模型中注入系统故障后，根据预设的故障传播规则，修改网络模型，如：修改网络模型中的节点信息表中各节点的消耗流量或节点的连接关系等，或修改边信息表中的相关信息。当网络模型改变后，对应连接矩阵、节点的流量矩阵会相应的改变，进一步约束条件会相应的改变，可以计算出系统故障状态对应的城市天然气管道系统的流量和压力分配情况，即获取到第二流量压力分配信息。
S5、比较所述第一流量压力分配信息和所述第二流量压力分配信息对所述城市天然气管道系统进行故障传播影响评估。
具体地，计算出正常状态下整个城市天然气管道系统对应的第一流量压力分配信息，和系统故障状态时整个城市天然气管道系统对应的第二流量压力分配信息后，将第一流量压力分配信息和第二流量压力分配信息进行比较，可以分析出系统故障对整个城市天然气管道系统的影响，进一步进行城市天然气管道系统的故障传播影响评估。如：可以分别评估每个管道或节点出现故障对整个城市天然气管道系统的影响，进一步评估该管道或节点的重要性，以及整个城市天然气管道系统的可靠性。
其中网络模型可以通过计算机软件扫描，将网络模型数字化，后期的流量和压力的分配情况的计算以及故障传播影响的评估也可以通过计算机软件进行。
图3为本发明实施例中城市天然气管道系统故障传播影响评估方法的流程示意图，如图3所示，本发明实施例中的城市天然气管道系统故障传播影响评估方法包括：
T1、建立城市天然气系统多层级网络模型。即根据城市天然气管道建立城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，再根据建立的网络结构拓扑图建立城市天然气系统多层级网络模型。
T2、多层级网络模型仿真。即根据建立的多层级网络模型和约束条件，获取正常状态下城市天然气管道系统的第一流量压力分配信息。
T3、故障注入。即在建立的多层级网络模型中进行模拟故障。
T4、故障传播模型仿真。即根据故障传播规则和约束条件获取故障状态下城市天然气管道系统的第二流量压力分配信息。
T5、故障传播影响分析。将第一流量压力分配信息和第二流量压力分配信息进行比较分析，对城市天然气管道系统的故障传播影响进行评估。如：可以分别评估每个管道或节点出现故障对整个城市天然气管道系统的影响，进一步评估该管道或系统的重要性，以及整个城市天然气管道系统的可靠性。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估方法，通过建立城市天然气管道系统的网络模型，获取城市天然气管道系统正常状态下的流量和压力分配情况，再进行系统故障的模拟，获取城市天然气管道系统故障后的流量和压力分配情况。将正常状态的流量压力的分配情况与故障状态的流量压力的分配情况进行比较，进一步进行城市天然气管道系统的故障传播影响评估。实现了天然气管道局部故障对整个天然气管道的影响的评估，提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性。
在上述实施例的基础上，所述故障传播规则包括：故障类型和所述故障类型对应的网络模型修改策略。
具体地，本发明实施例根据城市天然气管道系统的实际使用情况，预先设置故障传播规则，如设置故障类型以及各故障类型对应的网络模型修改策略。其中网络模型修改策略可以根据城市天然气管道系统实际出现故障后整个管道系统的变化进行设置如：网络模型中的节点或边是否需要移除、是否需要新增节点或边、负荷如何进行再次分配等，当然还可以包括其他网络模型的修改策略，本发明实施例不作具体限定。当在模型中进行模拟系统故障后，根据预设的故障传播规则修改网络模型，如：修改连接矩阵或节点信息表中的节点消耗流量，进一步改变约束条件，计算在故障状态下城市天然气管道系统放入流量和压力分配情况。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估方法，通过预先设置故障传播规则，在建立好的网络模型中模拟系统故障，根据故障传播规则修改网络模型，获取城市天然气管道系统在故障状态下对应的流量和压力分配情况。实现了天然气管道局部故障对整个天然气管道的影响的评估，提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性。
在上述实施例的基础上，所述故障类型包括：调压室故障。
具体地，在故障传播规则中设置的故障类型可以包括城市天然气管道系统各组成部件的不同故障模式，如调压室故障，调压室故障是指城市天然气管道系统中放入调压器出现故障；当然故障类型还可以包括其他情况，具体根据实际需要进行设置，本发明实施例不作具体限定。设置好故障类型后，根据实际管道系统出现故障时对应的情况，设置每个故障类型对应的网络模型修改策略，具体网络模型修改策略的同上述实施例一致，此处不再赘述。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估方法，根据城市天然气管道系统在实际应用时出现的故障类型设置故障类型以及对应的网络模型修改策略，进一步获取故障状态对应的第二流量压力信息。实现了局部管道系统故障对整个管道系统的故障影响评估，提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性，并可以进行整个城市天然气管道系统的可靠性评估，为城市天然气管道系统的设计提供依据。
在上述实施例的基础上，所述方法还包括：根据所述节点的作用将所述节点进行分类，所述节点的类型包括：源节点、第一类中转节点、第二类中转节点、第三类中转节点以及目标节点。
具体地，根据各个节点的作用，将节点进行分类，本发明实施例中节点的类型包括：源节点、第一类中转节点、第二类中转节点、第三类中转节点以及目标节点。其中源节点是指整个城市天然气管道系统中，长输管线进入城市处的调压器，源节点的作用是提供整个管道系统中天然气的来源；第一类中转节点在管道系统中代表的是不同压力等级管网之间的调压器，它的作用是降压分配，把高压天然气的压力调低；第二类中转节点在管道系统中代表的是管道之间的阀门，它的作用是进行天然气的分配，改变天然气输出路径；第三类中转节点在管道系统中代表的是某些用气区的调压器，它的作用相当于第一类中转节点和第二类中转节点作用的综合，它除了会把上游来气供给用户需求外，也把剩余天然气供给下游用户；目标节点在管道系统中代表的是某些用气区的调压器，它作用是调压供给用户。
每一类型的节点的压力和流量的计算方法不同，相应的节点之间的管道的流量和压力的计算方法也会不同，可以根据节点的类型设置其对应的压力和流量的计算方法，进一步可以计算出节点之间管道的计算方法。此外，本发明实施例中节点的类型对建立预设条件的建立也有影响，例如：约束条件中的质量守恒定律中的输入管道系统中的天然气总量等于输出的天然气总量以及管道贮存的天然气总量，其中管道系统中的天然气的输入和输出可以根据节点类型进行计算。
根据城市天然气管道系统设置各个节点的连接关系，城市天然气管道系统中的流向，各个节点的类型，以及根据管道系统中管道的压力设置个各个节点以及边的等级，即建立城市天然气管道的网络结构拓扑图。图4为本发明实施例中又一网络结构拓扑图的结构示意图，如图4所示，本发明实施例中包括3个等级，1个源节点，4个第一类中转节点，7个第二类中转节点，2个第三类中转节点和1个目标节点，其中边的箭头方向表示天然气在管道中的流向。
表1为本发明实施例中根据图2对应的网络结构拓扑图中建立的节点信息表，表2为本发明实施例中根据图2对应的网络结构拓扑图中建立的边信息表，如表1和表2所示，可以看出图2中的网络结构拓扑图中的所有的节点和边属于同一等级N，当然节点信息表和边信息表中还可以包括其他信息，如节点压力等，本发明实施例不作具体限定。
表1
| 网络层级 | 节点编号 | 节点类型 | 消耗流量 | 供给/需求 |
| N | a | 第一类中转节点 | -200 | 供给 |
| N | b | 第二类中转节点 | —— | —— |
| N | c | 目标节点 | +100 | 需求 |
| N | d | 第三类中转节点 | +100 | 需求 |
| N | e | 第二类中转节点 | —— | —— |
| N | f | 第二类中转节点 | —— | ——- |
其中：因为在图2中只能够显示一个等级的模型，所以表1中有些节点的供给和需求关系以及消耗流量和暂时不能确定，在节点信息表中用“-”表示。
表2
| 网络层级 | 边编号 | 起点 | 终点 | 长度 | 直径 |
| N | ab | a | b | Lab | dab |
| N | bc | b | c | Lbc | dbc |
| N | dc | d | c | Ldc | ddc |
| N | ad | a | e | Lad | dad |
| N | ef | e | f | Lef | def |
| N | fd | f | d | Lfd | dfd |
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估方法，根据各节点的作用将节点进行分类，每一类型的节点对应不同的消耗流量以及节点压力，将各节点的类型以及对应的消耗流量等，存储在节点信息表中，以便后期计算管道系统的流量和压力分配情况，提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性。
在上述实施例的基础上，所述方法还包括：设置故障判据，在所述网络模型中模拟系统故障，获取所述管道系统在故障状态下的对应的流量压力分配信息后，若根据所述故障判据和所述流量压力分配信息判断获知所述管道系统处于稳定状态，则将所述管道系统状态信息作为所述第二流量压力分配信息。
具体地，在模拟系统故障时，在注入系统故障后，根据故障传播规则以及约束条件，获取管道系统在故障状态下对应的流量压力分配信息。由于注入故障，可能导致管道系统不稳定，本发明实施例通过设置故障判据，根据故障判据判断当前状态下对应的管道系统的流量和压力的分配是否处于稳定状态，若是，则将该管道系统状态信息作为第二流量压力分配信息。将第二流量压力分配信息与第一流量压力分配信息进行比较，进行管道系统的故障传播影响评估。
本发明实施例中的故障判据是指设置流量的下限阈值和上限阈值，以及压力的下限阈值和上限阈值，只有当流量和压力都在对应的上限值和下限值之间时，表示系统处于稳定状态。其中流量和压力的上下限阈值可以采用如下公式(3)进行定义：
式中：C——表示容量；
L——表示负荷，负荷是指网络单元所承受的应力，即为天然气流量和压力，都作为观测参数。
α——表示余量参数，一般情况下α>0；
j——表示节点编号。
图5为本发明实施例中故障判据模型结构示意图，如图5所示，横坐标轴表示流量，纵坐标轴表示压力，只有当流量和压力都在矩形范围内，表示该系统处于正常状态，否则认为处于故障状态。实际应用时，可以依次判断网络模型中的节点以及边是否处于正常状态，当所有的节点和边都处于正常状态时，则认为管道系统处于稳定状态。若判断网络模型中有些节点或边处于故障状态，则根据故障传播规则对相应的节点或边进行处理，如移除或增加等，即修改网络模型，重新进行天然气的分配，计算天然气管道的流量和压力分配情况，再根据故障判据进行判断，直至系统处于稳定状态。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估方法，通过建立城市天然气管道系统的网络模型，获取城市天然气管道系统正常状态下的流量和压力分配情况，再进行系统故障的模拟，获取城市天然气管道系统故障后的流量和压力分配情况。将正常状态的流量压力的分配情况与故障状态的流量压力的分配情况进行比较，进一步进行城市天然气管道系统的故障传播影响评估。实现了天然气管道局部故障对整个天然气管道的影响的评估，提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性。
下面结合故障类型中的调压室故障介绍本发明实施例的技术方案，在建立网络模型，获取到管道系统的第一流量压力信息后，进行模拟系统故障，本发明实施例中模拟的是调压室故障。调压室的出口压力达不到指定要求，系统都处于降量运行的状态，但不会因为压力不足而关断某些阀门。
表3
| 网络层级 | 节点编号 | 节点类型 | 消耗流量 | 供给/需求 |
| 1 | 1 | 目标节点 | +150 | 需求 |
| 1 | 2 | 第二类中转节点 | 0 | —— |
| 1 | 3 | 第三类中转节点 | +120 | -需求 |
| 1 | 4 | 第三类中转节点 | +100 | 需求 |
| 1 | 5 | 第三类中转节点 | +200 | 需求 |
| 1 | 6 | 第二类中转节点 | +150 | —— |
| 2 | 7 | 第二类中转节点 | 0 | —— |
| 2 | 8 | 目标节点 | +100 | 需求 |
| 2 | 9 | 第三类中转节点 | +400 | 需求 |
| 2 | 10 | 第三类中转节点 | +100 | 需求 |
| 2 | 11 | 第二类中转节点 | 0 | —— |
| 2 | 12 | 源节点 | -1200 | 供给 |
图6为本发明实施例中又一网络结构拓扑图的结构示意图，如图6所示，图中圆圈表示节点，圆圈中的数字表示节点编号，带箭头的线段表示边，即表示管道，箭头表示天然气的流动方向。如图6所示，本发明实施例中包括14条边和12个节点，其节点信息表如表3所示，边信息表如表4所示。根据建立的网络模型和约束条件获取到正常状态下，该城市天然气管道系统的流量和压力分配信息，其中正常状态下节点的压力分配表如表5所示，管道的流量分配表如表6所示：
表4
| 网络层级 | 边编号 | 起点 | 终点 | 长度 | 直径 |
| 1 | 1 | 3 | 6 | 800 | 300 |
| 1 | 2 | 4 | 3 | 1200 | 250 |
| 1 | 3 | 6 | 1 | 1100 | 300 |
| 1 | 4 | 2 | 3 | 1200 | 250 |
| 1 | 5 | 5 | 4 | 800 | 300 |
| 1 | 6 | 2 | 1 | 900 | 250 |
| 1 | 7 | 5 | 2 | 950 | 250 |
| 2 | 8 | 7 | 5 | 100 | 250 |
| 2 | 9 | 7 | 8 | 950 | 300 |
| 2 | 10 | 10 | 7 | 1200 | 300 |
| 2 | 11 | 9 | 8 | 800 | 350 |
| 2 | 12 | 12 | 11 | 900 | 350 |
| 2 | 13 | 11 | 9 | 1200 | 350 |
| 2 | 14 | 12 | 10 | 800 | 350 |
表5
| 节点编号 | 压力(pa) |
| 1 | 1331.308 |
| 2 | 1358.547 |
| 3 | 1331.707 |
| 4 | 1337.446 |
| 5 | 1624.232 |
| 6 | 1331.529 |
| 7 | 1912.232 |
| 8 | 1894.857 |
| 9 | 1893.062 |
| 10 | 1956.917 |
| 11 | 1992.539 |
| 12 | 2000 |
表6
| 边编号 | 流量(Nm3/h) |
| 1 | 32.979 |
| 2 | 67.444 |
| 3 | 32.979 |
| 4 | 65.534 |
| 5 | 267.444 |
| 6 | 117.020 |
| 7 | 182.555 |
| 8 | 600 |
| 9 | 147.920 |
| 10 | 747.920 |
| 11 | 47.920 |
| 12 | 352.079 |
| 13 | 352.079 |
| 14 | 847.920 |
图7为本发明实施例中调压室故障传播流程示意图，如图7所示，本发明的提供的调压室故障传播包括以下步骤：
R1、定位故障调压室。即假设网络模型中的一个表示调压室的节点出现故障，可以通过输入非正常的该节点的流量值或压力值实现。
R2、计算调压室故障后调压室对应的压力降。其中调压室故障后的压力降可以根据如下公式(5)～(7)进行计算：
ΔP＝P(0)-P(1) (6)
式中：Q——故障后管道的流量初始值，可以根据水利计算方程进行修改；
△P——调压室故障后的压力降；
S——为管道的阻抗，该参数与流体的种类、流动状态、已知环境条件和管道的基本参数有关；
P(0)——正常情况下的节点基准压力；
P(1)——根据连接关系得到的上一层网络连接处的节点压力；
λ——天然气管道的摩擦阻力系数；
ρ0——标准状态下的天然气密度(0.73kg/Nm3)；
P0——标准大气压，P0＝101325Pa；
T0——标准状态下的绝对温度(273.15K)；
T——燃气绝对温度(K)；
Z0——标准状态下的气体压缩因子；
Z——气体压缩因子；
L——燃气管道的长度(m)
d——天然气管道内经(mm)；
故障发生点的上一层网络的基准压力不变，改变的是该节点的流量，采用如下公式(8)可以计算调压室故障后，各节点的流量值：
q——节点的流量；
qin——下一层网络节点流量。
R3、修改节点流量矩阵和管道流量矩阵。根据计算出的调压室故障后的压力降，以及各节点的流量，修改网络模型中节点信息表和边信息表，根据节点信息表和边信息表，修改节点流量矩阵和管道流量矩阵。
R4、根据约束条件计算本层流量压力分配情况。根据修改后的节点流量矩阵和管道流量矩阵的约束条件，基于导纳系数分配算法，计算该层的流量和压力分配情况，并存储。
R5、判断下层网络是否计算完成。即判断是否将网络模型中的所有层级的系统的流量压力分配情况是否全部计算出来，若是，执行R8，若否，执行R6。
R6、根据连接关系计算下一层网络的基准压力。故障发生点的上一层网络的基准压力不变，改变的是该节点的流量。下一层网络的基准压力具体可以根据公式(5)～(7)进行计算：
R7、计算该下一层网络的压力降。计算下一次级的压力降后，返回R3，直至所有层级计算完。
R8、输出故障后整个系统的流量压力分配信息。
表7
| 节点编号 | 正常压力(Pa) | 降量运行压力 | 降量百分比％ |
| 1 | 1331.308 | 831.308 | 37.557 |
| 2 | 1358.547 | 858.547 | 36.803 |
| 3 | 1331.707 | 831.707 | 37.545 |
| 4 | 1337.446 | 837.446 | 37.384 |
| 5 | 1624.232 | 1124.232 | 30.783 |
| 6 | 1331.529 | 831.529 | 37.550 |
| 7 | 1912.232 | 1412.232 | 26.147 |
| 8 | 1894.857 | 1394.857 | 26.387 |
| 9 | 1893.062 | 1393.062 | 26.412 |
| 10 | 1956.917 | 1456.917 | 25.550 |
| 11 | 1992.539 | 1492.539 | 25.093 |
| 12 | 2000 | 1500 | 25 |
故障注入后，获取到管道系统在调压室故障后对应的第二流量压力分配信息，将第一流量分配信息和第二流量压力分配信息进行比较，表7为本发明实施例中节点压力对比表，表8为本发明实施例中管道流量对比表，具体如表7和表8所示：
表8
| 边编号 | 流量(Nm3/h) | 降量运行流量 | 降量百分比％ |
| 1 | 32.979 | 29.974 | 9.113 |
| 2 | 67.444 | 46.864 | 30.51 |
| 3 | 32.979 | 18.723 | 43.228 |
| 4 | 65.534 | 31.784 | 51.500 |
| 5 | 267.444 | 78.110 | 70.793 |
| 6 | 117.020 | 70.833 | 39.469 |
| 7 | 182.555 | 131.951 | 27.719 |
| 8 | 600 | 386.132 | 35.644 |
| 9 | 147.920 | 146.677 | 0.511 |
| 10 | 747.920 | 741.969 | 0.795 |
| 11 | 47.920 | 12.210 | 74.520 |
| 12 | 352.079 | 256.24 | 27.221 |
| 13 | 352.079 | 344.00 | 2.294 |
| 14 | 847.920 | 329.091 | 61.18 |
由数据可知，节点的压力降低较多，都在25％以上；管道的流量降低不均。在这种降量运行的条件下，管网无法满足所有节点的流量、压力需求，网络几乎瘫痪。管道系统的性能可靠度也大大降低。所以在进行管道维护和管理时，应当特别注意该故障的发生，降低该影响的波及范围。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估方法，可以评估和分析局部的系统故障对整个管道系统的影响，可以得出不同节点或管道的重要度，进行系统可靠性设计和冗余设计等。同时可以根据大量的仿真数据在模型中定位故障。根据故障传播评估的大量的故障数据，可以建立数据库，作为故障字典。如果发生故障，通过对不同位置的监测信号比对和分析，搜索故障字典即可定位故障源，分析故障模式，采取相应的解决方案。
图8为本发明实施例中城市天然气管道系统故障传播影响评估系统的结构示意图，如图8所示，本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估系统包括：拓扑图建立模块81、网络模型建立模块82、第一流量压力分配获取模块83、第二流量压力分配获取模块84和故障传播影响评估模块85，其中：
拓扑图建立模块81用于根据城市天然气管道系统建立所述城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，所述网络结构拓扑图包括：节点和表示天然气管道的边，其中所述节点和边用来表示所述城市天然气管道系统的连接关系，所述边带有表示天然气流动的方向；网络模型建立模块82用于根据所述网络结构拓扑图建立网络模型，所述网络模型包括节点信息表、边信息表以及所述节点的连接矩阵；第一流量压力分配获取模块83用于根据所述网络模型中的所述节点信息表、所述边信息表和所述连接矩阵以及预设的约束条件，获取所述城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；第二流量压力分配获取模块84用于在所述网络模型中模拟系统故障，并根据预设的故障传播规则和所述约束条件，获取所述城市天然气管道系统在所述系统故障对应的状态下的第二流量压力分配信息；故障传播影响评估模块85用于比较所述第一流量压力分配信息和所述第二流量压力分配信息对所述述城市天然气管道系统进行故障传播影响评估。
具体地，拓扑图建立模块81根据城市天然气管道系统建立出该城市的天然气管道网络结构拓扑图，即用节点和边来表示城市天然气管道系统的连接关系以及天然气的流动方向。其中网络结构拓扑图中的节点表示城市天然气管道系统中的调压室或阀门，边表示城市天然气管道系统中的管道，并且每条边带有表示城市天然气管道系统中的天然气的流动方向。网络模型建立模块82根据网络结构拓扑图建立该城市的天然气的网络模型，其中网络模型中包括节点信息表、边信息表以及节点的连接矩阵。其中节点信息表和边信息表的内容，以及连接矩阵的建立方法同上述实施例一致，此处不再赘述。第一流量压力分配获取模块83根据该网络模型中的节点信息表、边信息表以及预设的约束条件，获取城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息，即计算城市天然气管道系统正常状态对应的流量和压力分配情况，具体可以计算出各个节点对应的压力和各个管道对应的流量。其中约束条件的建立同上述实时例一致，此处不再赘述。第二流量压力分配获取模块84在网络模型中模拟系统故障，如随机选取其中某个节点或管道假设其出现故障，根据预设的故障传播规则和约束条件，获取城市天然气管道系统在故障状态下对应的第二流量压力分配信息。故障传播影响评估模块85将第一流量压力分配信息和第二流量压力分配信息进行比较，可以分析出系统故障对整个城市天然气管道系统的影响，进一步进行城市天然气管道系统的故障传播影响评估。具体的评估方法同上述实施例一致，此处不再赘述。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估系统，通过建立城市天然气管道系统的网络模型，获取城市天然气管道系统正常状态下的流量和压力分配情况，再进行系统故障的模拟，获取城市天然气管道系统故障后的流量和压力分配情况。将正常状态的流量压力的分配情况与故障状态的流量压力的分配情况进行比较，进一步进行城市天然气管道系统的故障传播影响评估。实现了天然气管道局部故障对整个天然气管道的影响的评估，提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性。
在上述实施例的基础上，所述故障传播规则包括：故障类型和所述故障类型对应的网络模型修改策略。
具体地，本发明实施例根据城市天然气管道系统的实际使用情况，预先设置故障传播规则，如设置故障类型以及各故障类型对应的网络模型修改策略。其中，网络模型修改策略的设置同上述实施例一致，此处不再赘述。当在模型中进行模拟系统故障后，根据预设的故障传播规则修改网络模型，如：修改连接矩阵或节点信息表中的节点消耗流量，进一步改变约束条件，计算在故障状态下城市天然气管道系统放入流量和压力分配情况。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估系统，通过预先设置故障传播规则，在建立好的网络模型中模拟系统故障，根据故障传播规则修改网络模型，获取城市天然气管道系统在故障状态下对应的流量和压力分配情况。实现了天然气管道局部故障对整个天然气管道的影响的评估，提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性。
在上述实施例的基础上，所述故障类型包括：系统故障、调压室故障和阀门故障。
具体地，在故障传播规则中设置的故障类型可以包括城市天然气管道系统各组成部件的不同故障模式，如调压室故障，调压室故障是指城市天然气管道系统中放入调压器出现故障。当然故障类型还可以包括其他情况，具体根据实际需要进行设置，本发明实施例不作具体限定。设置好故障类型后，根据实际管道系统出现故障时对应的情况，设置每个故障类型对应的网络模型修改策略，具体网络模型修改策略的同上述实施例一致，此处不再赘述。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估系统，根据城市天然气管道系统在实际应用时出现的故障类型设置故障类型以及对应的网络模型修改策略，进一步获取故障状态对应的第二流量压力信息。实现了局部管道系统故障对整个管道系统的故障影响评估，提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性，并可以进行整个城市天然气管道系统的可靠性评估，为城市天然气管道系统的设计提供依据。
在上述实施例的基础上，所述拓扑图建立模块还用于：根据所述节点的作用将所述节点进行分类，所述节点的类型包括：源节点、第一类中转节点、第二类中转节点、第三类中转节点以及目标节点。
具体地，拓扑图建立模块在根据城市天然气管道系统建立网络结构拓扑图时，根据各个节点的作用，将节点进行分类，本发明实施例中节点的类型包括：源节点、第一类中转节点、第二类中转节点、第三类中转节点以及目标节点。其中各类型的节点的作用同上述实施例一致，此处不再赘述。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估系统，根据各节点的作用将节点进行分类，每一类型的节点对应不同的消耗流量以及节点压力，将各节点的类型以及对应的消耗流量等，存储在节点信息表中，以便后期计算管道系统的流量和压力分配情况，提高了城市天然气管道系统故障传播影响评估的准确性。
在上述实施例的基础上，所述第二流量压力分配获取模块还用于：设置故障判据，在所述网络模型中模拟系统故障，获取所述管道系统在所述故障状态下的对应的流量压力分配信息后，若根据所述故障判据和所述流量压力分配信息判断获知所述管道系统处于稳定状态，则将所述管道系统状态信息作为所述第二流量压力分配信息。
具体地，第二流量压力分配获取在模块模拟系统故障时，在注入系统故障后，根据故障传播规则以及约束条件，获取管道系统在故障状态下对应的流量压力分配信息。由于注入故障，可能导致管道系统不稳定，本发明实施例通过设置故障判据，根据故障判据判断当前状态下对应的管道系统的流量和压力的分配是否处于稳定状态，若是，则将该管道系统状态信息作为第二流量压力分配信息。将第二流量压力分配信息与第一流量压力分配信息进行比较，进行管道系统的故障传播影响评估。其中故障判据的设置方法同上述实施例一致，此处不再赘述。
本发明实施例中的系统用于执行上述实施例所述的方法，具体实施方式同上述实施例一致，此处不再赘述。
本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估系统，可以评估和分析局部的系统故障对整个管道系统的影响，可以得出不同节点或管道的重要度，进行系统可靠性设计和冗余设计等。同时可以根据大量的仿真数据在模型中定位故障。根据故障传播评估的大量的故障数据，可以建立数据库，作为故障字典。如果发生故障，通过对不同位置的监测信号比对和分析，搜索故障字典即可定位故障源，分析故障模式，采取相应的解决方案。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种城市天然气管道系统故障传播影响评估方法，其特征在于，所述方法包括：
根据城市天然气管道系统建立所述城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，所述网络结构拓扑图包括：节点和表示天然气管道的边，其中所述节点和边用来表示所述城市天然气管道系统的连接关系，所述边带有表示天然气流动的方向；
根据所述网络结构拓扑图建立网络模型，所述网络模型包括节点信息表、边信息表以及所述节点的连接矩阵；
根据所述网络模型中的所述节点信息表、所述边信息表和所述连接矩阵以及预设的约束条件，获取所述城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；
在所述网络模型中模拟系统故障，并根据预设的故障传播规则和所述约束条件，获取所述城市天然气管道系统在故障状态下对应的第二流量压力分配信息；
比较所述第一流量压力分配信息和所述第二流量压力分配信息对所述城市天然气管道系统进行故障传播影响评估。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述故障传播规则包括：故障类型和所述故障类型对应的所述网络模型修改策略。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述故障类型包括：调压室故障。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述节点的作用将所述节点进行分类，所述节点的类型包括：源节点、第一类中转节点、第二类中转节点、第三类中转节点以及目标节点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：设置故障判据，在所述网络模型中模拟系统故障，获取所述管道系统在故障状态下的对应的流量压力分配信息后，若根据所述故障判据和所述流量压力分配信息判断获知所述管道系统处于稳定状态，则将所述管道系统状态信息作为所述第二流量压力分配信息。
6.一种城市天然气管道系统故障传播影响评估系统，其特征在于，所述系统包括：
拓扑图建立模块，用于根据城市天然气管道系统建立所述城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，所述网络结构拓扑图包括：节点和表示天然气管道的边，其中所述节点和边用来表示所述城市天然气管道系统的连接关系，所述边带有表示天然气流动的方向；
网络模型建立模块，用于根据所述网络结构拓扑图建立网络模型，所述网络模型包括节点信息表、边信息表以及所述节点的连接矩阵；
第一流量压力分配获取模块，用于根据所述网络模型中的所述节点信息表、所述边信息表和所述连接矩阵以及预设的约束条件，获取所述城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；
第二流量压力分配获取模块，用于在所述网络模型中模拟系统故障，并根据预设的故障传播规则和所述约束条件，获取所述城市天然气管道系统在故障状态下对应的第二流量压力分配信息；
故障传播影响评估模块，用于比较所述第一流量压力分配信息和所述第二流量压力分配信息对所述城市天然气管道系统进行故障传播影响评估。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述故障传播规则包括：故障类型和所述故障类型对应的网络模型修改策略。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述故障类型包括：调压室故障。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述拓扑图建立模块还用于：根据所述节点的作用将所述节点进行分类，所述节点的类型包括：源节点、第一类中转节点、第二类中转节点、第三类中转节点以及目标节点。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二流量压力分配获取模块还用于：设置故障判据，在所述网络模型中模拟系统故障，获取所述管道系统在所述故障状态下的对应的流量压力分配信息后，若根据所述故障判据和所述流量压力分配信息判断获知所述管道系统处于稳定状态，则将所述管道系统状态信息作为所述第二流量压力分配信息。
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