CN111553041A

CN111553041A - 一种燃气管网参数校验方法、系统、终端及存储介质

Info

Publication number: CN111553041A
Application number: CN202010326984.8A
Authority: CN
Inventors: 崔高辰; 刘青; 贾庆山; 龙腾; 管晓宏; 赵千川; 靳晓强
Original assignee: Tsinghua University; Beijing Gas Group Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Beijing Gas Group Co Ltd
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: CN111553041B

Abstract

本申请提供一种燃气管网参数校验方法、系统、终端及存储介质，所述方法包括：根据经验公式确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式；确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式的待校验参数及实测数据；根据管道设计图纸和经验设定待校验参数的初始值；获取与待校验参数数量相等的实测数据对；利用所述实测数据对组成的实测数据建立燃气管道摩擦阻力损失计算公式的非线性方程组，并采用牛顿‑拉夫逊法求解非线性方程组得到多组参数校验值；获取多组参数校验值并计算参数校验值的均值，得到最终的参数的估计值；本申请基于燃气网管SCADA采集数据系统和燃气管道实际参数相结合对比校验的方法，并通过牛顿‑拉夫逊方法进行求解分析，实现真实工况参数实时模拟测量。

Description

一种燃气管网参数校验方法、系统、终端及存储介质

技术领域

本申请涉及数据处理技术领域，尤其是涉及一种燃气管网参数校验方法、系统、终端及存储介质。

背景技术

随着我国城镇化水平的提升，城市规模不断扩大，为城市提供服务的基础设施也越来越多。天然气作为清洁能源，已成为城市运行和生产、生活的主体能源。随着城市建设发展，城市燃气管网的规模逐渐增大，拓扑结构趋向多样化、复杂化，同时一些老旧管网建设年代较长，数据采集难度大；城市建设的快速发展，部分管网更新改造变动多，仅根据人工经验和后期部署的SCADA系统数据来分析管网拓扑结构，很大程度上不能满足使用需要，同时也为燃气管网的实时调度和智能化系统升级带来一定障碍。

随着信息技术的发展和推广应用，国内天然气管网基础设施的自动化、信息化程度逐步提高，相关信息系统也逐渐建立与完善，使得借助实测数据和机理模型相结合，推断校验燃气管网拓扑结构准确性的相关方法应用成为可能，并且能够为燃气管网调度提供可靠的数据支撑。目前，国内关于燃气管网拓扑结构确定和参数校验问题的解决方案大多是基于宏观水力模型展开的，由于宏观水力模型是以数据驱动的，以此为基础的调度方案必定存在缺陷，例如无法得到非测点的运行状态，遇到改扩建、检修等引起管网拓扑结构改变的情况时，原调度方法会因模型失准而失效。

例如基于数据实时性采集而提出的应用于自来水管网调度的“基于在线构架的供水实时调度方法”(ZL201510078366.5)，该发明专利是直接利用实时水量数据开展供水调度，虽在一定程度上可以提高响应速度，但由于缺乏供水管网实时模型的支撑，无法全面了解供水管网的实时工况，必然会影响调度决策效果。也有类似用于供热管网的“一种供热管网等效建模方法”(ZL201611164890.5)，是按流体网络建模技术建立集中供热一次管网系统数学模型，以及建立的数学模型的等效聚合，得到模型参数和校验模型参数与实测数据是否存在偏差，但是对于模型数据的校验没有涉及，当数据出现问题时，容易产生误解偏差。

现有的燃气管网仿真与优化方法中，在进行仿真优化前，需要预先指定管网参数，包括却不仅限于管道长度、管道内径、管道摩擦因子等，但所使用的参数多为经验值或参考值、标称值。而实际工程中，一方面，工程实施误差和管道老化等因素会导致上述预设参数与实际有较大出入，由于缺少对于实际参数的采集和校正会导致仿真优化结果与实际工况不符合的情况，使得最终的仿真优化结果失真率高，不具有参考意义，对实际应用和策略决策造成影响；另一方面，现场实际工况数据和参数的采集和核验往往耗时耗力，同时城市燃气管网数量众多，数据采集点不具有可持续性，所以对于燃气管网参数的实时模拟测量和更新显得尤为重要。

有鉴于此，在燃气管网全面数字化背景下，亟需一种燃气管网参数校验方法、系统、终端及存储介质，以解决现有技术中燃气管网参数与实际工况偏差较大、实际工况数据和参数的采集和核验实时性差导致仿真优化结果失真率高的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本申请提供一种燃气管网参数校验方法、系统、终端及存储介质，解决了现有技术中燃气管网参数与实际工况偏差较大、实际工况数据和参数的采集和核验实时性差导致仿真优化结果失真率高的问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请提供一种燃气管网参数校验方法，包括：

根据经验公式确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式；

确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式的待校验参数及实测数据；

根据管道设计图纸和经验设定待校验参数的初始值；

获取与待校验参数数量相等的实测数据对；

利用所述实测数据对组成的实测数据建立燃气管道摩擦阻力损失计算公式的非线性方程组，并采用牛顿-拉夫逊法求解所述非线性方程组得到多组参数校验值；

获取多组参数校验值并计算参数校验值的均值，得到最终的参数的估计值。

可选的，所述利用所述实测数据对组成的实测数据建立燃气管道摩擦阻力损失计算公式的非线性方程组，并采用牛顿-拉夫逊法求解所述非线性方程组，包括：

根据待校验参数的初始值初始化所述待校验参数；

计算燃气管道摩擦阻力损失数值矩阵F与雅各比矩阵J；

判断燃气管道摩擦阻力损失数值是否满足预设精度；若是，则返回得到当前待校验参数；若否，则更新待校验参数，直到燃气管道摩擦阻力损失数值满足预设精度。

可选的，所述计算燃气管道摩擦阻力损失数值矩阵F与雅各比矩阵J，包括：

设定燃气管道摩擦阻力损失数值公式为f(θ)，待校验参数个数为i；

根据所述实测数据对组成的实测数据与待校验参数的当前值计算所述燃气管道摩擦阻力损失数值即f_i(θ)数值；

根据各组燃气管道摩擦阻力损失数值即f_i(θ)数值得到燃气管道摩擦阻力损失数值矩阵F；

根据公式f(θ)计算得到雅各比矩阵J。

可选的，所述所述判断燃气管道摩擦阻力损失数值是否满足预设精度；若是，则返回得到当前待校验参数；若否，则更新待校验参数，直到燃气管道摩擦阻力损失数值满足预设精度，包括：

判断max(|f_i|)<ε是否成立；

若是，则返回当前θ；

若否，则根据公式θ′＝θ-J^-1F计算得到更新后的待校验参数，直到max(|f_i|)<ε成立；

其中，ε为预设精度，例如可取1e^-5。

第二方面，本申请还提供一种燃气管网参数校验系统，包括：

第一确定单元，配置用于根据经验公式确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式；

第二确定单元，配置用于确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式的待校验参数及实测数据；

初始设定单元，配置用于根据管道设计图纸和经验设定待校验参数的初始值；

数据获取单元，配置用于获取与待校验参数数量相等的实测数据对；

参数计算单元，配置用于利用所述实测数据对组成的实测数据建立燃气管道摩擦阻力损失计算公式的非线性方程组，并采用牛顿-拉夫逊法求解所述非线性方程组得到多组参数校验值；

参数估值单元，配置用于获取多组参数校验值并计算参数校验值的均值，得到最终的参数的估计值。

可选的，所述参数计算单元具体包括：

初始赋值单元，配置用于根据待校验参数的初始值初始化所述待校验参数；

矩阵计算单元，配置用于计算燃气管道摩擦阻力损失数值矩阵F与雅各比矩阵J；

参数更新单元，配置用于判断燃气管道摩擦阻力损失数值是否满足预设精度；若是，则返回得到当前待校验参数；若否，则更新待校验参数，直到燃气管道摩擦阻力损失数值满足预设精度。

可选的，所述矩阵计算单元具体用于：

根据公式f(θ)计算得到雅各比矩阵J。

可选的，所述参数更新单元具体用于：

判断max(|f_i|)<ε是否成立；

若是，则返回当前θ；

其中，ε为预设精度，例如可取1e^-5。

第三方面，本申请提供一种终端，包括：

处理器、存储器，其中，

该存储器用于存储计算机程序，

该处理器用于从存储器中调用并运行该计算机程序，使得终端执行上述的终端的方法。

第四方面，本申请提供了一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面所述的方法。

与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

1、本申请基于燃气网管SCADA采集数据系统和燃气管道实际参数相结合对比校验的方法，将SCADA系统监测点收集的实时数据作为实际参数的体现，并结合机理模型通过牛顿-拉夫逊方法进行求解分析，最终实现真实工况参数的实时模拟测量，确保后续的管网仿真与优化是建立在较为准确的参数之上。

2、本申请通过将关键的压降方程转化为非线性方程组，从而可以使用牛顿-拉夫逊方法进行求解，求解速度快，其对于非线性方程组的求解而言，非常迅速。这对于大规模的燃气管网的实时模拟参数更新有重大作用。

3、本申请根据传热学、流体力学原理和相关经验公式等，建立符合实际燃气管网物理特性的相关计算方程；通过关键参数辨识和现场实测参数进行数据对比，可以实现大型复杂燃气管网的参数简化与校核，提高仿真和优化调度所需数据的可靠性和精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种燃气管网参数校验方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的另一种燃气管网参数校验方法的流程图；

图3为本申请另一实施例所提供的一种燃气管网参数校验系统的结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种终端系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种燃气管网参数校验方法的流程图，该方法100包括：

S101：根据经验公式确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式；

S102：确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式的待校验参数及实测数据；

S103：根据管道设计图纸和经验设定待校验参数的初始值；

S104：获取与待校验参数数量相等的实测数据对；

S105：利用所述实测数据对组成的实测数据建立燃气管道摩擦阻力损失计算公式的非线性方程组，并采用牛顿-拉夫逊法求解所述非线性方程组得到多组参数校验值；

S106：获取多组参数校验值并计算参数校验值的均值，得到最终的参数的估计值。

基于上述实施例，作为可选的实施例，如图3所示，所述S105利用所述实测数据对组成的实测数据建立燃气管道摩擦阻力损失计算公式的非线性方程组，并采用牛顿-拉夫逊法求解所述非线性方程组，包括：

根据待校验参数的初始值初始化所述待校验参数；

计算燃气管道摩擦阻力损失数值矩阵F与雅各比矩阵J；

基于上述实施例，作为可选的实施例，所述计算燃气管道摩擦阻力损失数值矩阵F与雅各比矩阵J，包括：

根据公式f(θ)计算得到雅各比矩阵J。

基于上述实施例，作为可选的实施例，所述判断燃气管道摩擦阻力损失数值是否满足预设精度；若是，则返回得到当前待校验参数；若否，则更新待校验参数，直到燃气管道摩擦阻力损失数值满足预设精度，包括：

判断max(|f_i|)<ε是否成立；

若是，则返回当前θ；

其中，ε为预设精度，例如可取1e^-5。

具体的，本申请可通过SCADA系统采集到的燃气管网节点处的燃气压强、温度、流速数据，推导计算出管段的长度、内径、管道内壁的当量绝对粗糙度等实际工况参数。本申请将以上述参数为例进行说明，但本申请专利不仅限于计算这些参数。具体过程如下：

步骤1、根据经验公式确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式(公式1)，例如钢管：

步骤2、确定上述的燃气管道摩擦阻力损失计算公式的待校验参数L、△、d、ρ₀四个参数，确定上述的燃气管道摩擦阻力损失计算公式的实测数据p₁、p₂、Q₀、T；

步骤3、将步骤1的公式1设定为f(θ)(公式2)，并计算f(θ)对θ的偏导数(公式3)：

步骤4、根据管道设计图纸和经验，设定L、△、d、ρ₀的初始值；

步骤5、获取与待校验参数数量相等的实测数据对，即获取4组实测数据对(p₁,p₂,Q₀,T)；

步骤6、利用所述步骤5获取的4组实测数据对，建立关于f_i(θ)＝0的非线性方程组，每个i对应一组实测数据对，本例中包含4个非线性方程，采用牛顿-拉夫逊法求解所述非线性方程组。

步骤6.1、将所述步骤4的待校验参数的初始值赋值到待校验参数的当前值；

步骤6.2、根据所述步骤5获取的实测数据与待校验参数的当前值计算所述步骤6中的各个f_i(θ)数值，根据公式4得到燃气管道摩擦阻力损失数值矩阵F，并根据公式5计算当前的雅各比矩阵：

步骤6.3、若max(|f_i|)<ε，即可终止步骤6，并返回当前θ，否则继续进行步骤6.4。其中ε为预设精度，例如可取1e^-5；

步骤6.4、根据公式6计算一次更新后的待校验参数θ′，并重复进行步骤6.2。

θ′＝θ-J^-1F (公式6)

步骤7、重复多次步骤6，获取多组参数θ的校验值，取均值为最终的参数的估计值。

需要说明的是，针对已有的实际参数测量问题，创新性的将实测数据与参数校验相结合，通过节点的压强、流量和温度等数据，来辅助求解管网的工况参数，从而加强仿真优化的精度。将关键压降方程转化为可以用牛顿-拉夫逊方法求解的参数非线性方程组，并结合实际数据进行参数求解。牛顿-拉夫逊方法对于非线性方程组的求解非常迅速，从而能够实现实际工况参数的超实时模拟测量，也为超实时仿真和优化打下了基础。

请参考图3，图3为本申请实施例所提供的一种燃气管网参数校验系统的结构示意图，该系统300，包括：

第一确定单元301，配置用于根据经验公式确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式；

第二确定单元302，配置用于确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式的待校验参数及实测数据；

初始设定单元303，配置用于根据管道设计图纸和经验设定待校验参数的初始值；

数据获取单元303，配置用于获取与待校验参数数量相等的实测数据对；

参数计算单元305，配置用于利用所述实测数据对组成的实测数据建立燃气管道摩擦阻力损失计算公式的非线性方程组，并采用牛顿-拉夫逊法求解所述非线性方程组得到多组参数校验值；

参数估值单元306，配置用于获取多组参数校验值并计算参数校验值的均值，得到最终的参数的估计值。

基于上述实施例，作为可选的实施例，所述参数计算单元305具体包括：

初始赋值单元，配置用于根据待校验参数的初始值初始化所述待校验参数；；

基于上述实施例，作为可选的实施例，所述矩阵计算单元具体用于：

根据公式f(θ)计算得到雅各比矩阵J。

基于上述实施例，作为可选的实施例，所述参数更新单元具体用于：

判断max(|f_i|)<ε是否成立；

若是，则返回当前θ；

其中，ε为预设精度，例如可取1e^-5。

请参考图4，图4为本申请实施例所提供的一种终端系统400的结构示意图，该终端系统400可以用于执行本发明实施例提供的软件多语言显示及输入同步切换方法。

其中，该终端系统400可以包括：处理器401、存储器402及通信单元403。这些组件通过一条或多条总线进行通信，本领域技术人员可以理解，图中示出的服务器的结构并不构成对本发明的限定，它既可以是总线形结构，也可以是星型结构，还可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

其中，该存储器402可以用于存储处理器401的执行指令，存储器402可以由任何类型的易失性或非易失性存储终端或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。当存储器402中的执行指令由处理器401执行时，使得终端系统400能够执行以下上述方法实施例中的部分或全部步骤。

处理器401为存储终端的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子终端的各个部分，通过运行或执行存储在存储器402内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，以执行电子终端的各种功能和/或处理数据。所述处理器可以由集成电路(Integrated Circuit，简称IC)组成，例如可以由单颗封装的IC所组成，也可以由连接多颗相同功能或不同功能的封装IC而组成。举例来说，处理器401可以仅包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)。在本发明实施方式中，CPU可以是单运算核心，也可以包括多运算核心。

通信单元403，用于建立通信信道，从而使所述存储终端可以与其它终端进行通信。接收其他终端发送的用户数据或者向其他终端发送用户数据。

本申请还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本发明提供的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-only memory，简称：ROM)或随机存储记忆体(英文：random access memory，简称：RAM)等。

本申请基于燃气网管SCADA采集数据系统和燃气管道实际参数相结合对比校验的方法，将SCADA系统监测点收集的实时数据作为实际参数的体现，并结合机理模型通过牛顿-拉夫逊方法进行求解分析，最终实现真实工况参数的实时模拟测量，确保后续的管网仿真与优化是建立在较为准确的参数之上。本申请通过将关键的压降方程转化为非线性方程组，从而可以使用牛顿-拉夫逊方法进行求解，求解速度快，其对于非线性方程组的求解而言，非常迅速。这对于大规模的燃气管网的实时模拟参数更新有重大作用。本申请根据传热学、流体力学原理和相关经验公式等，建立符合实际燃气管网物理特性的相关计算方程；通过关键参数辨识和现场实测参数进行数据对比，可以实现大型复杂燃气管网的参数简化与校核，提高仿真和优化调度所需数据的可靠性和精确度。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例提供的系统而言，由于其与实施例提供的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims

1.一种燃气管网参数校验方法，其特征在于，包括：

根据经验公式确定燃气管道摩擦阻力损失计算公式；

根据管道设计图纸和经验设定待校验参数的初始值；

获取与待校验参数数量相等的实测数据对；

2.根据权利要求1所述的燃气管网参数校验方法，其特征在于，所述利用所述实测数据对组成的实测数据建立燃气管道摩擦阻力损失计算公式的非线性方程组，并采用牛顿-拉夫逊法求解所述非线性方程组，包括：

根据待校验参数的初始值初始化所述待校验参数；

计算燃气管道摩擦阻力损失数值矩阵F与雅各比矩阵J；

3.根据权利要求2所述的燃气管网参数校验方法，其特征在于，所述计算燃气管道摩擦阻力损失数值矩阵F与雅各比矩阵J，包括：

根据公式f(θ)计算得到雅各比矩阵J。

4.根据权利要求3所述的燃气管网参数校验方法，其特征在于，所述判断燃气管道摩擦阻力损失数值是否满足预设精度；若是，则返回得到当前待校验参数；若否，则更新待校验参数，直到燃气管道摩擦阻力损失数值满足预设精度，包括：

判断max(|f_i|)<ε是否成立；

若是，则返回当前θ；

其中，ε为预设精度，例如可取1e^-5。

5.一种燃气管网参数校验系统，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的燃气管网参数校验系统，其特征在于，所述参数计算单元具体包括：

7.根据权利要求6所述的燃气管网参数校验系统，其特征在于，所述矩阵计算单元具体用于：

根据公式f(θ)计算得到雅各比矩阵J。

8.根据权利要求7所述的燃气管网参数校验系统，其特征在于，所述参数更新单元具体用于：

判断max(|f_i|)<ε是否成立；

若是，则返回当前θ；

其中，ε为预设精度，例如可取1e^-5。

9.一种终端，其特征在于，包括：

处理器；

用于存储处理器的执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行权利要求1-5任一项所述的方法。

10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。