CN107420743B - 一种智能城市燃气pe管网测控系统及测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能城市燃气PE管网测控系统及测控方法。其特征在于：气源与用户之间的管网上设置多个测控节点，每个测控节点都能够采集PE管网对应地理位置点的管网燃气运行压力、温度和流量，并能够通过无线局域网发送至总控室服务器，还能够接收来自总控室服务器的阀门关闭控制指令；所述测控节点处均设置有智能PE阀门，智能PE阀门上设置有电源储备模块、管外主控模块和管内无线采集模块。本发明在管网上分段配置智能PE阀门，通过无线网络全部连接于城市燃气PE管网的总控室服务器，通过监测分析及泄漏判定方法，实现整体管网运行的实时监测和安全监控。

Description

一种智能城市燃气PE管网测控系统及测控方法

技术领域

本发明涉及一种智能城市燃气PE管网测控系统及测控方法。

背景技术

在城市化建设和节能减排工作快速推进的大背景下，燃气输配管网敷设里程也在快速增长，城市燃气管网中使用高密度PE材质管道和阀门的管线愈来愈多，因其具有耐腐蚀、长寿命、低流阻等一系列特点，有逐步取代以往钢质管网的趋势。然而，随着城市燃气管网里程数的快速增长，泄漏和爆炸的安全隐患也随之增加。对比现有天然气长输干线运行安全监控技术应用，城市管网运行监控措施明显薄弱，而PE管网因核心部件和相关技术准备不足，尤其 无法适应管网自动运行及安全监控需求。

根据现行《城镇燃气管网泄漏检测技术规程》CJJ/T 215-2014要求，埋地管道的泄漏初检一般采用车载仪器、手推车仪器或手持仪器等沿埋设管道上方进行检测，发现泄漏后使用气相色谱分析仪器进行泄漏判定，判断是否为燃气泄漏及泄漏燃气的种类，经过确认后再进行检测孔检测或开挖检测来进行泄漏点定位。此技术规程方法适用于常规巡检和有人工预判泄漏报告后的漏点查找定位，显然实时性差且耗时耗力。为了更好地保障燃气管网的运行安全，有必要建设智能化燃气管网，对燃气的运行状况进行实时监测、精准分析，并在出现明确泄漏时能够快速响应关断燃气阀门，以避免安全事故的发生。本发明提出一种城市燃气PE管网的智能测控系统构建和基于多运行参数分析判定燃气泄漏的方法，可实现燃气管网的智能化运行监测和应急响应控制。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种智能城市燃气PE管网测控系统及测控方法的技术方案。

所述的一种智能城市燃气PE管网测控系统，其特征在于：气源与用户之间的管网上设置多个测控节点，每个测控节点都能够采集PE管网对应地理位置点的管网燃气运行压力、温度和流量，并能够通过无线局域网发送至总控室服务器，还能够接收来自总控室服务器的阀门关闭控制指令；所述测控节点处均设置有智能PE阀门，智能PE阀门上设置有电源储备模块、管外主控模块和管内无线采集模块。

所述的一种智能城市燃气PE管网测控系统，其特征在于所述电源储备模块由太阳能电池板和锂电池组成，太阳能电池板为锂电池充电，锂电池为整个系统储能；

所述管外主控模块由控制器、无线模块、通讯模块和电源模块，控制器采用STM32F103芯片，无线模块采用NRF2401芯片，通讯模块采用GU900E芯片，电源模块为控制器供电，同时测量剩余电量，电池余量数据打包发送至总控室服务器；

所述管内无线采集模块密封安装在智能PE阀门两端套管内壁上，由压力传感器、温度传感器、无线模块、电磁感应线圈组成，两组管内无线采集模块密封贴附于智能PE阀门左右两侧的管道内壁，管内无线采集模块的位置与管道外壁贴附的电磁感应线圈在同一竖直面上，管外的电磁感应线圈通电，电能耦合至管内的电磁感应线圈，为无线模块供电，压力传感器和温度传感器工作，采集管内压力、温度数据通过无线模块发送至控制器。

所述的一种智能城市燃气PE管网测控系统，其特征在于所述智能PE阀门所在的管路上还布设有外置捆绑式超声波流量计。

所述的一种智能城市燃气PE管网测控系统，其特征在于所述管外主控模块还包括I/O控制接口，控制器通过I/O控制接口控制驱动装置，驱动装置驱动阀杆动作。

所述的一种智能城市燃气PE管网测控系统，其特征在于所述无线模块采用NRF2401芯片。

所述的一种智能城市燃气PE管网测控系统，其特征在于所述测控节点分布间距小于2km。

所述的一种智能城市燃气PE管网测控方法，其特征在于包括以下步骤：

1）总控室服务器预置有管网信息，包括实时用户用气量、实时调压站调节曲线、管段摩擦系数、管径、管长、进出口标高差、送气量、介质粘度、阀门安装地理位置与对应编号；

2）应用管道仿真软件PipelineStudio建立管网模型，输入步骤1)中的管网信息进行瞬态仿真，计算出管网当前运行压力曲线；

3）测控节点将采集到的阀门两侧压力、温度、流量数据通过移动通信网络发送至总控室服务器；

4）总控室服务器将测控节点实测数据压力矩阵与仿真的测控节点位压力数据矩阵进行相关系数计算，相关性低于阈值时，进行泄漏定位分析，列出相关系数最小的管段即为可能的泄漏管段，根据压力波传播速度和压力突变时间估算出泄漏点位置；

5）控制室通过移动网络下发指令，远程关断泄漏点两端的智能PE阀门。

所述的一种智能城市燃气PE管网测控方法，其特征在于所述泄漏定位分析的途径包括：

a.根据各测控节点之间的实测参数具有依赖于网络拓扑模型的关联关系，建立起关联矩阵模型，分析出异常的测控点数据；

b.通过按时间倒推重点测控点采集数据异常突变验证泄漏关联分析的可信度；

c.利用优化完成的数学模型，以前一阶段管网气源站及管网终端用户的压力流量特性为输入，分析非泄漏和设定重点测控点管段泄漏两种情况，仿真输出各测控点数据，验证泄漏关联分析的可信度。

所述的一种智能城市燃气PE管网测控方法，其特征在于所述泄漏定位分析的方法如下：

1）获取判漏所需数据：利用PipelineStudio仿真得到的管网数据，以矩阵的行表示同一时间该支线上气源、节点1、节点2……节点n、用户的压力数据，矩阵的列表示同一位置不同时间的压力数据；新得到的数组置于矩阵顶端，动态计算的间隔与智能PE 阀门的采集间隔一致，获得两组结构相同的矩阵，一组放置实测数据，一组放置仿真数据；

2）泄漏判断：将矩阵A的首行与矩阵B的首行进行相关系数计算，计算公式为：

，式中r—相关系数，n—节点个数，/>

—实测矩阵A 的元素，/>

—仿真矩阵B的元素，i—矩阵的行标，当相关系数r低于阈值，则说明该支线上存在泄漏；其中，阈值的获取：首先对无泄漏支线进行多组仿真与实测，然后计算两者数据的相关系数，根据实际工况取经验值；

3）泄漏分析：若步骤2）中发现支线存在泄漏，则进行泄漏管段的确定；将矩阵A的列与列进行相关系数的计算，r值最小的管段即泄漏源所处管段；由于靠近气源的节点受气源压力影响较大，靠近用户的节点受用户压力影响较大，因此计算相关系数的顺序为，第一列与第二列，第二列与第三列……，同时第n列与第n-1列，第n-1列与第n-2列，计算公式与步骤2）相同，求出所有r值后，r值最小的管段即泄漏源所处管段；

4）若需要泄漏源的具体位置，则利用负压波原理，检索r值最小两列数据的突变点，两个突变点对应的时刻分别代表压力波传播至上游传感器、下游传感器的时刻，根据天然气压力波传播的速度来确定泄漏点的位置，具体公式为：

，式中 X：泄漏点距管道始端的长度，单位：m；L：管道长度，单位：m；V：传输介质中压力波传播速度，单位：m/s；N：天然气流速，单位：m/s；△T：管道始末端压力变送器检测到突变点的时差：单位：s。

本发明在管网上分段配置智能PE阀门，通过无线网络全部连接于城市燃气PE管网的总控室服务器，通过监测分析及泄漏判定方法，实现整体管网运行的实时监测和安全监控。解决了以往燃气管网监测数据不完整无法实现控制优化、泄漏发现依靠定期现场巡检或报告、因处置意外破管明显不及时而可能引发重大公共安全事故等一系列问题，为智慧城市建设提供了有力的技术支持，还可为燃气管网企业带来明显的经济和社会效益，为传统PE阀门产业转型升级带来新的发展机遇。

本发明实现了城市燃气PE管网的运行参数实时监测、数据综合利用、泄漏快速评估、应急安全处置，为燃气PE管网高效运行及公共安全保障提供技术支持。

附图说明

图1为本发明系统框架示意图；

图2为智能PE阀门的结构示意图；

图3为管网测控节点与总控室服务器构成测控系统的示意图；

图4为本发明功能示意框图：

图中：1—测控节点，2—气源，3—用户，4—无线局域网，5—总控室服务器，6—太阳能板，7—蓄电池，8—电源模块，9—无线模块,10—通讯模块,11—I/O控制接口,12—控制器,13—驱动装置,14—电磁感应线圈,15—压力传感器,16—温度传感器,17—超声波流量计。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明：

本发明的测控系统，是将城市PE燃气管网上现有的PE阀门替换为本发明所述的具有压力、温度检测和远程指令控制关断功能的智能PE阀门，结合流量仪表，组成管网测控节点；测控节点分布于对应城市燃气管网构成的网路拓扑中；测控节点以无线通讯方式与燃气总控室相连，构成完整测控系统。依附于测控系统的测控方法实现，包含了管网流体动态传输模型建立与优化、管网运行参数仿真与数据利用、测控节点检测数据相关性分析建模与管网泄漏分析、泄漏点定位分析推算、相关仿真分析工具与实施步骤等。测控方法还包括了泄漏状态下可远程控制对应管段智能PE阀门紧急关闭，以确保PE燃气管网和公共环境安全。

本发明的测控系统包含在燃气管网布局的拓扑图结构，包含管网上按规范布局的多个测控节点1及无线局域网4，包含燃气管网总控室服务器5，每个测控节点1可以采集管网特定地理位置点的管网燃气运行压力、温度、流量，并可远程无线发送至总控室服务器5，同时也可接收来总控室服务器5的阀门关闭控制指令。测控方法包含了管网流体动态传输模型构建与优化、管网运行仿真参数在运行监控及泄漏分析上的利用。实施中以测控节点实测参数训练优化管路流体动态传输模型，以综合时间与空间因素的测控节点压力数据相关矩阵分析泄漏，以负压波原理方法根据测控节点压力数据异常突变推算泄漏点位置，并且泄漏和泄漏点评定，都可利用仿真模型进行分析验证，提高泄漏判定的可信度。

独立配置的超声波流量计17连接智能PE阀门的无线模块，实现测控节点压力、温度、流量参数的同时传送，并且，超声波流量计17靠近智能PE阀门安装，可将两者标识为同一地理位置点，并可绑定对应的智能PE阀门（身份编码），为保证监控精度，测控节点分布间距小于2km；采用时差式超声波流量计，安装位置与始端距离>10D（注：D为管径）；分支管道起点、调压站前设置测控节点。

基于基本管件流阻特性建立的管网流体动态传输模型，是可依据测控节点实测数据进行学习优化的，利用优化后的模型对管网运行状况进行测控节点数据仿真分析，具有与实际采集数据较好的一致性，且可以模拟管网上任意点运行参数。

泄漏分析是通过建立测控节点之间的不同时间压力关联矩阵，在设定评估阈值情况下，依据特定判据判定的，并且此判定可以进一步通过仿真进行验证。

可依据负压波原理，在搜索到两个相邻的压力参数突变的测控节点后，依据压力波传播速度推算两个测控节点间的管路泄漏点。

本发明的测控系统依附于城市燃气PE管网构建。按燃气管网设计规范，主干线管路、各支线管路中按需分别布局有多个带有内部压力、温度检测和自储能、可远程控制关闭功能的智能PE阀门，智能PE阀门包括电源储备模块、管外主控模块、管内无线采集模块。

电源储备模块由太阳能电池板6、锂电池7组成；利用清洁能源为终端供电，太阳能电池板6为锂电池7充电；锂电池7为整个系统储能.

管外主控模块，由控制器12、无线模块9、通讯模块10、电源模块8组成；控制器做相应的防爆措施，保证其正常工作；控制器12采用STM32F103，STM32系列在工业控制领域被广泛应用，本系统采用它的理由是：1、工作模式和待机模式功耗低；2、串口资源多，能够符合本系统多外接模块的需求；3、大容量的闪存，能够暂存采集模块的数据；4、运行速率高，计算能力强等优点，适应本系统的需求；无线模块9与采集装置用同样的芯片NRF2401；通讯模块将采集终端接入移动网络，使管网数据传送更加实时、远程、准确，模块采用GU900E芯片，超小的体积适合各种物联网产品方案，本系统采用它的理由是：1、支持OPEN AT技术，可以二次开发编程；2、支持永久在线模式，保证系统数据与指令的及时传输等优点，适应本系统的需求；电源模块为控制器供电，同时测量剩余电量，电池余量和其他数据一起打包发送至控制室服务器，并有低电量预警，提示工作人员及时更换电池。

管内无线采集模块密封可靠的安装在智能PE阀门两端套管内壁上，由压力传感器15、温度传感器16、无线模块9、电磁感应线圈14组成；控制器为管外的电磁感应线圈通电时，电能耦合至管内的电磁感应线圈，为无线模块供电，此时传感器组工作，采集管内压力、温度数据通过无线模块9发送至控制器；无线模块9采用NRF2401芯片。

整个测控模块除太阳能电池板6、电磁感应线圈14外，均置于密封盒内，密封盒固定在靠近智能PE阀门的套管上部；太阳能电池板6固定在密封盒的正上方，保证无遮挡物；电磁感应线圈14分别贴附在智能PE阀门左右两侧的管道外壁上；两组管内无线采集模块密封贴附于智能PE阀门左右两侧的管道内壁，管内无线采集模块的位置与管道外壁贴附的电磁感应线圈在同一竖直面上，管外的电磁感应线圈通电，电能耦合至管内的电磁感应线圈，为无线模块供电，压力传感器和温度传感器工作，采集管内压力、温度数据通过无线模块发送至控制器。

每个智能PE阀门边的管路上还布有外置捆绑式超声波流量计17。

定义同一地理位置管路上的压力、温度、流量三个物理量传感器及智能PE阀门组合作为一个测控节点，将整个燃气管网干线支线对应为一个拓扑网路，此网路上分布可有多个测控节点。借助每个测控节点与燃气管网总控室的无线通信网络，可将测控节点采集到的信息上传到总控室网络服务器，也可将网络服务器的控制指令下载到测控节点的智能阀门执行模块上。基于此测控系统，可以依据测控节点采集到信息，训练完善燃气管网动态传输模型，通过分析节点信息的相关性，评估燃气管路的泄漏状况，确定泄漏点地理位置，输出运行监测信息和应急安全控制指令。

智能PE阀门外置的电源模块同时还带有球阀紧急关断驱动装置13的驱动控制功能，控制器通过I/O控制接口控制驱动装置，驱动装置驱动阀杆动作。在接收到控制器关闭指令后，可以触发球阀关闭机构快速关闭球阀，形成可受控通断供气的管路区间段。燃气管网自气源或加压站开始，分段按需配置智能PE球阀和超声波流量计，以满足同时获取管路上特定节点位置压力、流量、温度参数的需要。按燃气输出流向定义气源方向为上游，用户终端方向为下游，当干线上智能PE阀门关闭时，其下游的干线、支线将无气可供。双路供气或环路供气时，仍可按气流流向定义上下游关系，布局必要的区段检测节点和智能阀门。

测控方法首先涉及燃气管路的运行分析模型建立。可选择不同形状PE管件建立起典型管件的基本流阻模型，为不同管路连接布局提供模型组件库支持，并且此基本流阻模型预留精细化修正通道（调整参数或数组），为运行获得测控节点实测数据后自学习修正创造条件。根据实际燃气管路布局，形成含有多个测控节点的管路拓扑，结合连接管路全部组件的基本流阻模型，建立起管网燃气动态传输的数学分析模型。按管路实际几何结构参数（包括管道摩擦系数、管径、管长、进出口标高差等）、物理参数（包括送气量、介质粘度等）赋值，并以管网气源（加气）站及管网终端用户的压力流量特性为测控系统的输入，可依据管网燃气传输动态模型，求解出管网任意点压力、温度、流量等数据，并且在已知测控节点(含对应编号)地理位置信息情况下，借助计算机分析软件，快速得到整个管网或任意管段各细分位置点的燃气传输物理参数。而在测控节点位，仿真计算出的数据可以与实测数据进行比较，在测控系统输入稳定时两者误差应在一定的限定范围内，传输模型初始运行时的超差数据，可以作为训练优化分析模型的输入。

分析各测控节点所得实测数据，可捕捉到泄漏信息，分析泄漏可分几个步骤实施：①根据整个管网各测控节点之间的实测参数具有依赖于网络拓扑的关联关系，建立起包含压力、流量双变量的关联分析矩阵，结合测控节点相对管网的起点、终点位置和输入特性影响，建立相关性评估评定阈值表，分析得出异常的测控点数据。②利用连续仿真分析得到的测控节点数据，比较与实测测控节点数据的系统性差异规律或异常突变，验证泄漏关联分析的可信度。③利用优化完成的数学模型，以前一阶段管网气源（加气）站及管网终端用户的压力流量特性为输入，分析非泄漏和设定重点测控点管段泄漏两种情况，仿真输出各测控点数据，并对比实测测控节点数据，验证泄漏关联分析的可信度。

在异常测控点确定后，可以利用负压波原理，进一步分析对应一定流量特性的两个异常测控点压力参数波动的时域特性，推导出两个异常测控点之间管段的泄漏点位置。在明确存在泄漏后，可给出应急处置对策并远程控制PE阀门执行紧急关闭。

本发明中管道仿真软件PipelineStudio的具体实施如下：

选择代表实际管道与部件的图形符号，定义其结构、流体相关属性，在界面窗口工作区建立管网拓扑物理模型；特殊管件进行单独结构、流体特性建模，设置可调整配置的修正因子，以提高模型精度并可供自学习完善；

选择仿真方程：本发明所述测控系统对象下，状态方程采用BWRS公式，水力摩阻系数计算采用Colebrook公式；

设置管内气体组分，输入管段、阀门物理参数、调节站的压力调节曲线、用户实时用气曲线等变量；

基于TGNET气体模拟器进行瞬态仿真，获得整个管网任意点的压力、温度、流量值。

总控室服务器端实际监测的沿线测控节点压力数据与仿真压力数据进行相关系数计算，若相关性低于阈值，进行泄漏分析。具体实施如下：

1）获取判漏所需数据：利用PipelineStudio仿真得到的管网数据，以矩阵的行表示同一时间该支线上气源、节点1、节点2……节点n、用户的压力数据，矩阵的列表示同一位置不同时间的压力数据；新得到的数组置于矩阵顶端，动态计算的间隔与智能PE 阀门的采集间隔一致，获得两组结构相同的矩阵，一组放置实测数据，一组放置仿真数据；

2）泄漏判断：将矩阵A的首行与矩阵B的首行进行相关系数计算，计算公式为：

，式中r—相关系数，n—节点个数，/>

—实测矩阵A 的元素，/>

—仿真矩阵B的元素，i—矩阵的行标，∑：求和符号。当相关系数r低于阈值，则说明该支线上存在泄漏；其中，阈值的获取：首先对无泄漏支线进行多组仿真与实测，然后计算两者数据的相关系数，根据实际工况取经验值；

3）泄漏分析：若步骤2）中发现支线存在泄漏，则进行泄漏管段的确定；将矩阵A的列与列进行相关系数的计算，r值最小的管段即泄漏源所处管段；由于靠近气源的节点受气源压力影响较大，靠近用户的节点受用户压力影响较大，因此计算相关系数的顺序为，第一列与第二列，第二列与第三列……，同时第n列与第n-1列，第n-1列与第n-2列，计算公式与步骤2）相同，求出所有r值后，r值最小的管段即泄漏源所处管段；

4）若需要泄漏源的具体位置，则利用负压波原理，检索r值最小两列数据的突变点，两个突变点对应的时刻分别代表压力波传播至上游传感器、下游传感器的时刻，根据天然气压力波传播的速度来确定泄漏点的位置，具体公式为：

，式中 X：泄漏点距管道始端的长度，单位：m；L：管道长度，单位：m；V：传输介质中压力波传播速度，单位：m/s；N：天然气流速，单位：m/s；△T：管道始末端压力变送器检测到突变点的时差：单位：s。/>

Claims (1)

1.一种智能城市燃气PE管网测控方法，其特征在于包括以下步骤：1)总控室服务器预置有管网信息，包括实时用户用气量、实时调压站调节曲线、管段摩擦系数、管径、管长、进出口标高差、送气量、介质粘度、阀门安装地理位置与对应编号；2)应用管道仿真软件PipelineStudio建立管网模型，输入步骤1)中的管网信息进行瞬态仿真，计算出管网当前运行压力曲线；3)测控节点将采集到的阀门两侧压力、温度、流量数据通过移动通信网络发送至总控室服务器；4)总控室服务器将测控节点实测数据压力矩阵与仿真的测控节点位压力数据矩阵进行相关系数计算，相关性低于阈值时，进行泄漏定位分析，列出相关系数最小的管段即为可能的泄漏管段，根据压力波传播速度和压力突变时间估算出泄漏点位置；5)控制室通过移动网络下发指令，远程关断泄漏点两端的智能PE阀门；

所述泄漏定位分析的途径包括：a.根据各测控节点之间的实测参数具有依赖于网络拓扑模型的关联关系，建立起关联矩阵模型，分析出异常的测控点数据；b.通过按时间倒推重点测控点采集数据异常突变验证泄漏关联分析的可信度；c.利用优化完成的数学模型，以前一阶段管网气源站及管网终端用户的压力流量特性为输入，分析非泄漏和设定重点测控点管段泄漏两种情况，仿真输出各测控点数据，验证泄漏关联分析的可信度；

所述泄漏定位分析的方法如下：1)获取判漏所需数据：利用PipelineStudio仿真得到的管网数据，以矩阵的行表示同一时间支线上气源、节点1、节点2……节点n、用户的压力数据，矩阵的列表示同一位置不同时间的压力数据；新得到的数组置于矩阵顶端，动态计算的间隔与智能PE阀门的采集间隔一致，获得两组结构相同的矩阵，一组放置实测数据，一组放置仿真数据；2)泄漏判断：将矩阵A的首行与矩阵B的首行进行相关系数计算，计算公式为：

式中r—相关系数，n—节点个数，a_1i—实测矩阵A的元素，b_1i—仿真矩阵B的元素，i—矩阵的行标，当相关系数r低于阈值，则说明该支线上存在泄漏；其中，阈值的获取：首先对无泄漏支线进行多组仿真与实测，然后计算两者数据的相关系数，根据实际工况取经验值；3)泄漏分析：若步骤2)中发现支线存在泄漏，则进行泄漏管段的确定；将矩阵A的列与列进行相关系数的计算，r值最小的管段即泄漏源所处管段；由于靠近气源的节点受气源压力影响较大，靠近用户的节点受用户压力影响较大，因此计算相关系数的顺序为，第一列与第二列，第二列与第三列……，第n-2列与第n-1列，第n-1列与第n列，计算公式与步骤2)相同，求出所有r值后，r值最小的管段即泄漏源所处管段；4)若需要泄漏源的具体位置，则利用负压波原理，检索r值最小两列数据的突变点，两个突变点对应的时刻分别代表压力波传播至上游传感器、下游传感器的时刻，根据天然气压力波传播的速度来确定泄漏点的位置，具体公式为：

式中X：泄漏点距管道始端的长度，单位：m；L：管道长度，单位：m；V：传输介质中压力波传播速度，单位：m/s；N：天然气流速，单位：

m/s；△T：管道始末端压力变送器检测到突变点的时差：单位：s。

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