CN108108665B - 一种基于多变量的燃气调压器安全预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多变量的燃气调压器安全预警方法，该安全预警方法包括如下步骤，步骤1，采集燃气调压器的出口压力信号；步骤2，通过小波包能量分析的方式，得到出口压力信号的第一频带能量分布规律；步骤3，利用第一频带能量分布规律确定出存在高频故障或低频故障的燃气调压器；步骤4，获取出现高频故障或低频故障的燃气调压器的压力雷达图；步骤5，依据压力雷达图，判断是否对燃气调压器进行故障预警或故障报警。本发明实现了对燃气调压器运行状况的监测及故障预警报警，从而显著提高了燃气调压器工作的安全性和可靠性，实现了燃气调压器的智能化和精细化管理，有效解决了现有燃气调压器管理中存在的诸多问题。

Description

一种基于多变量的燃气调压器安全预警方法

技术领域

本发明涉及燃气输配技术领域，更为具体来说，本发明为一种基于多变量的燃气调压器安全预警方法。

背景技术

目前，燃气调压站的运营管理主要通过日常巡检实现，依靠管理人员经验判断燃气调压器是否发生故障；但是，这种传统的、依靠人工的判断方法存在诸多问题。

(1)对燃气调压器的故障状态和正常状态没有统一的判定标准：仅依靠技师的经验排除故障会产生很多不确定因素，比如，对于同一种情况，有些技师认为属于正常状态，而有些技师认为属于故障状态，从而埋下了燃气调压器安全隐患。

(2)燃气调压器轻微的异常状况难以被发现：在燃气调压器实际的运行过程中，有一些部件在工作一段时间后会出现一定的损坏，但出现的轻微异常情况往往难以被管理人员发现，尤其是对于处在环网中的燃气调压器，其压力和流量等会相互补充，根据单一变量无法判断异常情况。若从而导致整个调压过程长期偏离正常状态，则导致使得燃气调压器的故障日益恶化，加剧后的异常情况被发现时也会增加更多的维修费用。

(3)人力、财力资源浪费严重：为保证燃气调压器安全运行，现有方法是制定出一套严格的维检修操作流程，要求各级人员严格执行，但是这种保守的运维和管理制度极大地增加了生产运营成本。

因此，如何准确地判断出燃气调压器是否发生故障、及时地发现燃气调压器轻微的异常状况、降低燃气调压器的运营成本，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为解决现有的燃气调压器管理存在的难以准确判断燃气调压器是否发生故障、轻微的异常状况发现过迟、运营成本过高等问题，本发明创新提出了一种基于多变量的燃气调压器安全预警方法，较佳地实现了对燃气调压器运行状况的监测、故障的预警和报警，从而准确判断出燃气调压器是否发生故障、及早地发现轻微的异常情况，并有效地降低了成本投入，实现了燃气调压器智能化、精细化的管理，极大提高了燃气调压器工作的安全性。

为实现上述技术目的，本发明创新提供了一种基于多变量的燃气调压器安全预警方法，所述安全预警方法包括如下步骤，

步骤1，采集燃气调压器的出口压力信号；

步骤2，通过小波包能量分析的方式，得到所述出口压力信号的第一频带能量分布规律；

步骤3，利用所述第一频带能量分布规律确定出存在高频故障或低频故障的燃气调压器；

步骤4，获取出现所述高频故障或所述低频故障的燃气调压器的压力雷达图，所述压力雷达图包括出口压力雷达图和/或负载压力雷达图；

步骤5，依据所述压力雷达图，判断是否对燃气调压器进行故障预警或故障报警。

本发明创新地采用了小波包能量分析的方式处理燃气调压器的出口压力信号，从而实现了对燃气调压器低频故障或高频故障的初步判断，并在此基础上根据各个燃气调压器的实际情况有选择性地进行故障预警或故障报警，从而实现准确地判断出发生故障的燃气调压器，并实现尽早地发现燃气调压器的轻微异常，进而极大降低了燃气调压器维修成本和整体的生产运营成本。

进一步地，为实现对具体高频故障类型的预警或报警，本发明步骤3中，对于出现高频故障的燃气调压器，通过小波包能量分析的方式，得到其负载压力信号的第二频带能量分布规律，并确定其负载压力信号与其出口压力信号之间的第一相关关系；利用所述第二频带能量分布规律和所述第一相关关系确定高频故障类型；

步骤5中，对于具有高频故障的燃气调压器，其故障预警或故障报警信息中包括高频故障类型。

进一步地，步骤3中，如果所述第二频带能量分布规律符合喘振导致的信号频带能量分布变化且通过第一相关关系计算的第一相关系数大于第一预设系数，则高频故障类型为指挥器喘振；否则，高频故障类型为为主阀喘振。

进一步地，为实现对具体低频故障类型的预警或报警，本发明步骤3中，对于出现低频故障的燃气调压器，分别计算用气高峰时段燃气调压器的第一稳压指标和用气低峰时段燃气调压器的第二稳压指标；如果第二稳压指标大于第一稳压指标，则低频故障类型为出口压力高；如果第一稳压指标大于第二稳压指标，则低频故障类型为出口压力低；

步骤5中，对于具有低频故障的燃气调压器，其故障预警或故障报警信息中包括低频故障类型。

进一步地，步骤3中，为避免对低频故障的误判，本发明对于出现低频故障的燃气调压器，确定其出口压力信号与其流量信号之间的第二相关关系，如果通过所述第二相关关系计算的第二相关系数大于第二预设系数，则当前的燃气调压器运行正常、撤销其存在低频故障的判断。

进一步地，本发明为更有针对性地实现安全预警，步骤1中，读取所有燃气调压器的一天的运行数据，将平均负载压力大于平均出口压力的燃气调压器所在支路确定为主要运行调压支路，采集主要运行调压支路上的燃气调压器的出口压力信号。

进一步地，为提高稳压指标计算的准确性和可靠性，本发明步骤3中，通过如下方式计算第一和/或第二稳压指标：

其中，K表示待计算的稳压指标，P_i表示燃气调压器出口压力实际值，P_s表示燃气调压器设定压力值，n表示出口压力采集点数。

进一步地，为提高相关关系计算的准确性和可靠性，本发明步骤3中，通过如下方式确定第一和/或第二相关关系：

其中，ρ_XY表示相关系数，Cov(X,Y)表示两个随机变量X和Y之间的协方差，D(X)、D(Y)分别表示两个随机变量X和Y的方差。

进一步地，步骤2中，对所述出口压力信号进行3层小波包分解，使得到的第一频带能量分布规律中具有8个按顺序排列的频带能量；

步骤3中，筛选出频带能量均值高于预设安全值的燃气调压器，其中：频带能量大小呈增大趋势的燃气调压器存在高频故障，而第1个频带能量高于其他频带能量的燃气调压器存在低频故障。

本发明的有益效果为：本发明实现了对燃气调压器运行状况的监测及故障预警报警，从而显著提高了燃气调压器工作的安全性和可靠性，实现了燃气调压器的智能化和精细化管理，有效解决了现有燃气调压器管理中存在的诸多问题。

附图说明

图1为基于多变量的燃气调压器安全预警方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的基于多变量的燃气调压器安全预警方法进行详细的解释和说明。

如附图1所示，本发明具体公开了一种基于多变量的燃气调压器安全预警方法，其用于燃气调压站的安全预警，该安全预警方法具体包括如下步骤。

步骤1，采集燃气调压器的出口压力信号；具体来说，本实施例进行数据预处理的操作：读取所有燃气调压器的一天的运行数据，运行数据为每分钟读取一次，故一天共有1440组数，将平均负载压力大于平均出口压力的燃气调压器所在支路确定为主要运行调压支路，采集主要运行调压支路上的燃气调压器的出口压力信号；如果平均负载压力与平均出口压力的压差不随流量变化或平均出口压力大于平均负载压力，则直接判断燃气调压器处于关闭状态。本实施例中，由于判断原则是以一天的数据为最小单元，故忽略一天中只在某一时段开启的支路，只分析全天都开启的支路。

本实施例通过小波包能量法判定高频故障和低频故障，具体如下。

步骤2，通过小波包能量分析的方式，从而实现无疏漏地分解出高频信号和低频信号，得到出口压力信号的第一频带能量分布规律。本实施例中，可采用小波包基函数db6，对出口压力信号进行3层小波包分解，以使得到的第一频带能量分布规律中具有8个按顺序排列的频带能量，运行状态良好的燃气调压器，其小波包频带能量整体较小；而喘振故障趋势的调压器，其小波包频带能量的后几项会偏高；而出口压力偏高或者偏低的调压器，其小波包频带能量的第一项相对较高。

步骤3，利用第一频带能量分布规律确定出存在高频故障或低频故障的燃气调压器；本实施例中，筛选出频带能量均值高于预设安全值的燃气调压器，其中：在所筛选出的燃气调压器中，频带能量大小呈增大趋势的燃气调压器存在高频故障，而第1个频带能量高于其他频带能量的燃气调压器存在低频故障。对于预设安全值，本发明可以根据燃气调压站的具体情况而合理设定。

具体来说，对于出现高频故障的燃气调压器，可能存在两方面的原因：一方面是调压器主阀内部腔体或皮膜的损坏，引起内部气流组织极度的不稳定导致出口压力的喘振；另一方面是指挥器弹簧过于灵敏引起负载压力出现的喘振，进而造成出口压力的喘振现象。本发明创新通过小波包能量分析的方式，得到其负载压力信号的第二频带能量分布规律，并确定其负载压力信号与其出口压力信号之间的第一相关关系；利用第二频带能量分布规律和第一相关关系确定高频故障类型；本实施例中，如果第二频带能量分布规律符合喘振导致的信号频带能量分布变化且通过第一相关关系计算的第一相关系数大于第一预设系数，则高频故障类型为指挥器喘振；否则，高频故障类型为为主阀喘振。本实施例中，第一预设系数为0.5。

具体来说，对于出现低频故障的燃气调压器，确定其出口压力信号与其流量信号之间的第二相关关系，如果通过第二相关关系计算的第二相关系数大于第二预设系数，则说明燃气调压器出口的压力波动是由于流量大幅度波动引起的，即当前的燃气调压器运行正常、撤销其存在低频故障的判断。如果通过第二相关关系计算的第二相关系数小于或等于第二预设系数，则分别计算用气高峰时段(上午7:00～10:00和晚上18:00～20:00)燃气调压器的第一稳压指标KH和用气低峰时段(午夜23:00～凌晨4:00)燃气调压器的第二稳压指标KL；如果第二稳压指标大于第一稳压指标，则低频故障类型为出口压力高；如果第一稳压指标大于第二稳压指标，则低频故障类型为出口压力低；因此，本发明公开的技术方案可以实现对站点在用气低峰时段、用气高峰时段等故障频发时段进行实时故障诊断和预警报警，从而保证了生产安全、极大地节约了运营成本。本实施例中，第二预设系数为0.8；对于第一标准指标范围和第二标准指标范围，可在本发明公开的技术方案的基础上，根据实际情况而合理地设置。

本实施例中，通过如下方式计算第一和/或第二稳压指标：燃气调压器实际出口压力与设定压力的均方根偏差对设定压力的百分比。

其中，K表示待计算的稳压指标，P_i表示燃气调压器出口压力实际值(单位为bar)，P_s表示燃气调压器设定压力值(单位为bar)，n表示出口压力采集点数。

本实施例中，通过如下方式确定第一和/或第二相关关系：正负号表示相关的方向，绝对值表示变量之间的相关程度，相关系数越大，代表两个随机变量之间的相关度越高。

其中，ρ_XY表示相关系数，Cov(X,Y)表示两个随机变量X和Y之间的协方差，D(X)、D(Y)分别表示两个随机变量X和Y的方差；本实施例中，关系数的取值范围为[-1,1]，其中，|ρ_XY|>0.9表示显著相关；|ρ_XY|≥0.8表示高度相关；0.5≤|ρ_XY|＜0.8表示中度相关；|ρ_XY|＜0.5表示一般相关。

步骤4，获取出现高频故障或低频故障的燃气调压器的压力雷达图，压力雷达图包括出口压力雷达图和/或负载压力雷达图。

步骤5，依据压力雷达图，判断是否对燃气调压器进行故障预警或故障报警。具体地，可自动判断或通过技师人工判断上述压力雷达图的方式确认是否需要进一步的检修及进行报警或预警，对于具有高频故障的燃气调压器，其故障预警或故障报警信息中包括高频故障类型；对于具有低频故障的燃气调压器，其故障预警或故障报警信息中包括低频故障类型，从而实现了燃气调压器的故障识别和预警报警。

具体实施时，本发明上述阐述的安全预警方法可主要通过专门设计的“燃气调压器多变量安全预警知识模型”实现，该知识模型采用多个预警指标：频带能量E_i、稳压指标K、相关系数ρ_XY，对燃气调压器现场采集的数据进行预处理后，将预处理后的数据输入到上述知识模型中，输出结果用来指导安全生产运营以及燃气系统的后期完善优化。另外，本发明还可在后续故障案例的积累过程中不断优化上述知识模型，从而达到有效减小误报率的目的。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多变量的燃气调压器安全预警方法，其特征在于：所述安全预警方法包括如下步骤，

步骤1，采集燃气调压器的出口压力信号；

步骤2，通过小波包能量分析的方式，得到所述出口压力信号的第一频带能量分布规律；

步骤3，利用所述第一频带能量分布规律确定出存在高频故障或低频故障的燃气调压器；

步骤4，获取出现所述高频故障或所述低频故障的燃气调压器的压力雷达图，所述压力雷达图包括出口压力雷达图和/或负载压力雷达图；

步骤5，依据所述压力雷达图，判断是否对燃气调压器进行故障预警或故障报警；

步骤3中，对于出现高频故障的燃气调压器，通过小波包能量分析的方式，得到其负载压力信号的第二频带能量分布规律，并确定其负载压力信号与其出口压力信号之间的第一相关关系；利用所述第二频带能量分布规律和所述第一相关关系确定高频故障类型；

步骤5中，对于具有高频故障的燃气调压器，其故障预警或故障报警信息中包括高频故障类型。

2.根据权利要求1所述的基于多变量的燃气调压器安全预警方法，其特征在于：

步骤3中，如果所述第二频带能量分布规律符合喘振导致的信号频带能量分布变化且通过第一相关关系计算的第一相关系数大于第一预设系数，则高频故障类型为指挥器喘振；否则，所述高频故障类型为为主阀喘振。

3.根据权利要求2所述的基于多变量的燃气调压器安全预警方法，其特征在于：

步骤3中，对于出现低频故障的燃气调压器，分别计算用气高峰时段燃气调压器的第一稳压指标和用气低峰时段燃气调压器的第二稳压指标；如果第二稳压指标大于第一稳压指标，则低频故障类型为出口压力高；如果第一稳压指标大于第二稳压指标，则低频故障类型为出口压力低；

步骤5中，对于具有低频故障的燃气调压器，其故障预警或故障报警信息中包括低频故障类型。

4.根据权利要求3所述的基于多变量的燃气调压器安全预警方法，其特征在于：

步骤3中，对于出现低频故障的燃气调压器，确定其出口压力信号与其流量信号之间的第二相关关系，如果通过所述第二相关关系计算的第二相关系数大于第二预设系数，则当前的燃气调压器运行正常、撤销其存在低频故障的判断。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的基于多变量的燃气调压器安全预警方法，其特征在于：

步骤1中，读取所有燃气调压器的一天的运行数据，将平均负载压力大于平均出口压力的燃气调压器所在支路确定为主要运行调压支路，采集主要运行调压支路上的燃气调压器的出口压力信号。

6.根据权利要求3所述的基于多变量的燃气调压器安全预警方法，其特征在于：

步骤3中，通过如下方式计算第一和/或第二稳压指标：

其中，K表示待计算的稳压指标，P_i表示燃气调压器出口压力实际值，P_s表示燃气调压器设定压力值，n表示出口压力采集点数。

7.根据权利要求4所述的基于多变量的燃气调压器安全预警方法，其特征在于：

步骤3中，通过如下方式确定第一和/或第二相关关系：

其中，ρ_XY表示相关系数，Cov(X,Y)表示两个随机变量X和Y之间的协方差，D(X)、D(Y)分别表示两个随机变量X和Y的方差。

8.根据权利要求1所述的基于多变量的燃气调压器安全预警方法，其特征在于：

步骤2中，对所述出口压力信号进行3层小波包分解，使得到的第一频带能量分布规律中具有8个按顺序排列的频带能量；

步骤3中，筛选出频带能量均值高于预设安全值的燃气调压器，其中：频带能量大小呈增大趋势的燃气调压器存在高频故障，而第1个频带能量高于其他频带能量的燃气调压器存在低频故障。

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