CN113723834A - 一种输气管网的智能高阶调度与运维系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输气管网的智能高阶调度与运维系统及方法，其特征在于，包括：SCADA系统，用于实时采集输气管网的运行参数数据；中间数据库，用于实时存储输气管网的运行参数数据和用户历史用气数据；管网完整性管理系统，用于实时确定输气管网中场站设备和输气管道的限压限流，并对异常数据进行在线预警；调度分析系统，得到输气管网的调度辅助分析结果；调度指挥系统，用于确定决策结果；控制系统，用于根据确定的决策结果产生指令，以控制输气管网的各场站设备进行工作，本发明可以广泛应用于天然气长输管道、输气管网运行调度技术领域中。

Description

一种输气管网的智能高阶调度与运维系统及方法

技术领域

本发明是关于一种输气管网的智能高阶调度与运维系统及方法，属于天然气长输管道、输气管网运行调度技术领域。

背景技术

当前，随着输气管网系统规模的逐渐扩大，管网构造与设施趋于复杂，优化天然气管道输送的调度管理也更加复杂。输气管网的普遍联网、大区域调度、运行智能化已经成为新的发展趋势，与欧美国家多个管道公司负责独立运输和调度不同，中国呈现出以大区域联网管道的集中化调度为特点，但是在用户用气预测与规律分析、现场远程自动控制、管网优化仿真等方面仍处于较为初级的水平。对于单条管道而言，目前多依靠经验进行运行管理，虽然在绝大多数情况下调度方案是可行的，但并非是最优的，也难以兼顾气量调度外的其他运行管理目标，且多气源条件下的气质变化、局部调整热值、能量计量交接约束尚且不在当前调度运行的考虑之列。风险评价与完整性检测结果则另成体系，与运行调度基本脱离，缺乏实时关联性。因此，迫切需要一套集成多个要素于一体的多目标调度与运维方法，以适应输气管网的下一代智能调度与智能运维的需求。

现有技术中的智能调度与智能运维方法，主要包括以气量调度和远程控制为核心的集中调控系统、离线多方案水力优化、独立的完整性评价和维护维修等，以及最新开始发展的调压计量装置智能化改造、远程计量交接等内容。现有方法的效果，是达到以气量调度和远程控制为核心的集中调控系统，包括对流向、管网路径选择、压力、管存、压缩机组进出压力、资源的气量调度、对场站交付压力和流量的远程控制，已经能够起到平稳保障生产运行的作用；对多压缩机组的多方案水力优化可以在离线状态下进行多方法的静态或动态的局部、指定时段的优化，可以独立地开展风险评价、完整性监测和评价并反馈到管网的运行维护工作中，对局部的调压计量装置进行远程控制和一定程度的自适应优化改造。

然而，现有方法存在问题也是明显的，包括集中调控系统内容相对简单、技术手段较为初级，多方案水力优化离线于集中调控系统，完整性评价独立于调控系统，智能化调压计量方式和远程计量交接的智能化程度较低且与当前的集中调控系统难以有效融合，造成当前的调度与运维系统功能单一，不能整合管网平衡、能量计量、局部热值调整、风险评价与生产运维和多用户容量分配等其他功能需求，对于多气源的组分跟踪、热值调整、适应第三方开放条件下的多用户容量分配，从生产调度角度还处于空白阶段，也不适应智能化管网发展的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够满足多气源、独立管网条件下的调峰、调质、能量计量、管网平衡和完整性运营需求的输气管网的智能高阶调度与运维系统及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一方面，提供一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，包括：

SCADA系统，用于实时采集输气管网的运行参数数据；

中间数据库，用于实时存储输气管网的运行参数数据和用户历史用气数据；

管网完整性管理系统，用于实时确定输气管网中场站设备和输气管道的限压限流，并对异常数据进行在线预警；

调度分析系统，用于根据输气管网的运行参数数据和用户历史用气数据以及确定的限压限流，确定输气管网的调度辅助分析结果；

调度指挥系统，用于根据输气管网的运行参数数据、确定的限压限流、预警信号以及输气管网的调度辅助分析结果，确定决策结果；

控制系统，用于根据确定的决策结果产生指令，以控制输气管网的各场站设备进行工作。

进一步地，所述SCADA系统包括：

SCADA实时数据服务器，用于采集和存储输气管网的实时运行参数数据；

历史服务器，用于存储一定时间的输气管网的运行参数数据；

通讯服务器，用于采用光纤、电话线或局域网能通讯方式，发送运行参数数据；

WEB服务器用于，采用网络通讯方式，发送运行参数数据；

GPS校时服务器，用于接收GPS卫星的时钟数据，自动时间同步。

进一步地，所述管网完整性管理系统包括：

监测模块，用于确定输气管道是否受腐蚀以及是否发生介质气体泄漏；

评估模块，用于评估输气管道的腐蚀情况；

所述预警模块用于当确定输气管道受腐蚀、出现异常信号和发生介质气体泄漏时进行在线预警；

所述后果仿真模型库用于定期识别和更新不同工况下天然气泄漏、流程操作风险的后果定量仿真与应急方案；

所述维护维修计划确定模块用于根据所述监测模块、评估模块以及后果仿真模型库的输出结果，形成并定期更新得到输气管网中场站设备和输气管道的限压限流与维护维修计划。

进一步地，所述监测模块包括：

强制电流保护系统，用于通过外置的电流系统施加电位差，确定输气管道是否受腐蚀；

牺牲阳极系统，用于通过埋设的阳极块施加电位差，确定输气管道是否受腐蚀；

局部腐蚀挂片监测系统，用于通过金属腐蚀挂片判断接触的局部输气管道的腐蚀状况；

动设备在线振动监测与诊断系统，用于通过内置于输气管网的场站设备和输气管道中各动设备震动部位的传感器采集震动频率数据并进行分析，识别异常信号，判断各动设备的健康状态；

在线泄漏监测与检测系统，用于间接监测输气管道是否发生介质气体泄漏。

进一步地，所述评估模块包括：

外检测设备，用于评估输气管道本体的防腐层和金属管道本体的腐蚀情况；

内检测设备，用于评估输气管道本体金属的腐蚀情况；

定量风险评估单元，用于采用风险评估方法，评估输气管道本体和各场站设备的风险值；

高后果区识别与分析单元，用于采用高后果区识别与分析方法，周期性地评估输气管道局部管段的风险值。

进一步地，所述调度分析系统包括：

气量预测模型模块，用于根据输气管网的用户历史用气数据，分析得到输气管网用户的用气规律；

调峰分析模块，用于采用稳态和瞬态水力仿真引擎，根据预先获取的管网物理参数，运行参数数据中的气源、储气量、管存量、不同下载气量和各控制点的压力参数，以及确定的限压限流与维护维修计划，构建水力仿真模型，进而确定输气管网小时流量、日流量、压力、温度、管存量的参数不超出给定参数的控制区间；

组分跟踪模块，用于根据多气源的进入天然气组分组成和各下载用气点的水力参数要求，在构建的水力仿真模型基础上，构建热力学模型和运行参数数据中组分和热值实测数据的统计分析，进而计算各下载用气点的天然气组成和热值；

热值调整分析模块，用于根据各下载用气点的天然气组成和热值以及预先设定的天然气组成和热值要求，在气源点或具体下载用气点，计算需要调整的天然气热值所需混入的氮气量；

能量计量传递模块，用于根据计算得到的各下载用气点的天然气组成和热值以及测量得到的上下游的实测热值进行能量纠偏，在没有热值能量计量的场站或下载用气点，得到各下载用气点的热值；

流量平衡分析模块，用于根据输气管网的运行参数数据和确定的限压限流与维护维修计划，对不同气源的进出量、各个用户下载点的外输流量以及压缩机压缩比和流量进行控制；

用户容量分配模块，用于根据确定的控制区间和限压限流与维护维修计划，对输气管网内的管输能力进行分割和分配；

调度优化模块，用于优化得到不同气源的压力和组合供气量，输气管网内各压缩机站的负荷组合、联络线的流向和管输量以及储气设施的进出气流量、压力和时间，以及输气管网的燃气发电用户和间断用气用户的机组组合和启停机时间。

进一步地，所述调度优化模块包括：

气源调度优化单元，用于在多气源条件下，以气源价格和可调整的气源组合比例以及不同气源的调峰能力进行优化组合，采用运筹学方法，优化不同气源的压力和组合供气量；

管输调度优化单元，用于采用混合整数线性优化或混合整数非线性优化方法，根据输气任务、各压缩机站的压缩机组配置、各输气场站的流量和压力分配约束指标，以及确定的限压限流与维护维修计划，优化得到输气管网内各压缩机站的负荷组合、联络线的流向和管输量以及储气设施的进出气流量、压力和时间；

用气负荷调度优化单元，用于通过构建的水力仿真模型，根据用户的用气负荷需求、输气管网的平衡指标，以及确定的限压限流与维护维修计划，优化得到输气管网的燃气发电用户和间断用气用户的机组组合和启停机时间。

进一步地，所述调度指挥系统包括：

决策方案确定模块，用于对需要提供决策的问题进行识别，辅助确定决策目标，并调度决策所需的数据，根据调度的数据、输气管网的运行参数数据，管网完整性管理系统发送的预警信号、限压限流与维护维修计划、调度分析系统得到的调度辅助分析结果和决策目标，确定对应的决策方案；

人机交互模块，用于根据不同的调度任务需求，采用人机交互方式对确定的决策方案进行比较、调整和判断，得到最优的决策方案；

显示模块，用于动态显示输气管网的运行参数数据。

进一步地，所述控制系统包括：

指令生成模块，用于根据最优的决策方案，对输气管网的各场站设备下达指令；

场站PID智能控制回路，用于对输气管网中偏离设计工况的场站设备的运行参数进行自动纠偏调节；

远程调压调流控制模块，用于根据输气管网的运行参数数据以及上位监控系统输入的压力值和流量值，通过设置在输气管道内的调压器或电动调节阀，对输气管道的压力和流量进行精确调节；

远程隔离和启停控制模块，用于在正常工况下，根据下达的指令，实现故障隔离、流程切换、场站隔离和越站以及恢复供气；

时滞模型库模块，用于根据输气管网的水力仿真模型以及输气管网的用户历史用气数据进行离线水力仿真计算，建立得到输气管网的各场站设备的量化调节对输气管网压力的时滞波动影响的数据库。

另一方面，提供一种输气管网的智能高阶调度与运维方法，包括：

在输气管网的运行中，SCADA系统实时采集输气管网的运行参数数据；

管网完整性管理系统定期输出不断更新的输气管网中场站设备和输气管道的限压限流，对异常数据进行在线预警；

调度分析系统根据输气管网的运行参数数据和确定的限压限流，得到输气管网的调度辅助分析结果；

调度指挥系统根据输气管网的运行参数数据、确定的限压限流、预警信号以及输气管网的调度辅助分析结果，产生决策结果；

控制系统将决策结果转化为可执行的指令，并传输至场站设备对应的输气场站进行远程操作控制；

输气场站的远程操作控制结果通过SCADA系统实时采集，形成闭环控制。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于设置有SCADA系统、管网完整性管理系统、调度分析系统、调度指挥系统和控制系统，将调峰、多气源组分跟踪、局部热值调整、管网平衡、风险评价与生产运维、多用户容量分配、能量计量和智能控制八个要素集为一体，能够完整地适应输气管网独立开放运营和智能化控制的需求，满足多气源、独立管网条件下的调峰、调质、能量计量、管网平衡、完整性运营的需要。

2、在现有的以状态监测功能为主的SCADA系统和管网完整性管理系统的基础上，本发明通过生产数据的中间数据库和限压限流与维护维修计划，建立结构化的调度分析系统，经调度指挥系统产生决策结果，转化成控制系统可执行的指令，并传输至场站设备对应的输气场站进行远程操作控制，输气场站的远程操作控制结果通过SCADA系统实时采集，SCADA系统监测的数据再发送至调度分析系统，经模型分析比对计算后，由调度指挥系统产生新的决策结果并产生的指令形成闭环控制，达到智能调度的目标，可以广泛应用于天然气长输管道、输气管网运行调度技术领域中。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的系统的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明中，输气管网的各输气场站调压工艺区采用监控调压器和电动调节阀，在正常工况下，通过调节电动调节阀的开度实现对站点压力和流量的调节。调压调流采用本发明的控制系统中的远程调压调流控制模块，调度人员只需在上位监控系统中输入需要的压力值和流量值，即可完成对输气管网中管道压力和流量的精确调节。在日常调度运行中，本发明的SCADA系统(Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监控)实时采集调压器出口压力和流量。当调压器出口的压力波动符合调压器内预设的压力曲线趋势时，调压器内设定的程序自动启动进行调节，以保证压力平稳；当调压器出口的压力波动不符合预设的压力曲线趋势且属于非常规情景时，本发明的调度指挥系统即输入相关指令得到控制参数，开始进行干预控制，根据得到的控制参数向调压器发出指令进行远程控制调节。对于电动调节阀的调节也相同，由电动调节阀内预设的限定流量值判断是否进行调节。控制参数用于控制电动调节阀后安装的压力变送器，针对大型天然气场站调压系统，为提高调压系统的安全性和可靠性，每条调压线电动调节阀后均安装三台压力变送器，控制参数的选择采用3选2的方式，取中间测量压力作为控制参数，具体为：

三台压力变送器的压力值互差后，自动放弃压力值偏差最大的那台压力变送器的压力值，剩下两台压力变送器取两台压力变送器压力值的平均值作为控制参数，确保控制参数的精确可靠。

另外，输气管网的输气场站包括输气管网的首站、分输站、压缩机站和末站，是输气管网除输气管道以外的部分，各类输气场站的场站设备(例如调压器、调节阀、压缩机、压力变送器、调压系统、现场变送器、流量估算仪、色谱仪、加臭机和其它智能设备仪表等)均属于输气场站的一部分。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，包括SCADA系统1、中间数据库2、管网完整性管理系统3、调度分析系统4、调度指挥系统5和控制系统6。

SCADA系统1用于通过通讯网络实时采集输气管网的运行参数数据，包括输气管网的压力、温度、流量、密度、组分和热值，场站设备的运行状态等实测数据，以及气源、储气量、管存量、不同下载气量和各控制点的压力参数，并对超过安全阈值的运行参数数据进行报警；SCADA系统1还通过通讯网络以点对点方式连接远程终端站，将实时采集的运行参数数据发送至远程终端站，远程终端站用于根据输气管网的运行参数数据，对输气管网内的各类控制设备(压缩机、调压器、调节阀、压缩机、压力变送器、调压系统、现场变送器、流量估算仪、色谱仪、加臭机和其它智能设备仪表等)进行数据采集和天然气流量计算等。

中间数据库2用于实时存储和分析展示输气管网的运行参数数据，并通过数据接口形成可供外部其他系统使用的不断更新的输气管网工艺、仪表、设备、介质的数据，中间数据库2还用于存储输气管网的用户历史用气数据。

管网完整性管理系统3用于实时确定输气管网中场站设备和输气管道的限压限流与维护维修计划，并对异常数据进行在线预警。

调度分析系统4用于根据输气管网的运行参数数据和用户历史用气数据以及确定的限压限流与维护维修计划，通过模型分析比对计算，得到输气管网的调度辅助分析结果，包括输气管网用户的用气规律，输气管网的小时流量、日流量、压力、温度、管存量的参数不超出给定参数的控制区间，各下载用气点的天然气组成和热值，需要调整的天然气热值所需混入的氮气量，各下载用气点的热值，流量平衡分析结果，用户容量分配结果和调度优化结果。

调度指挥系统5用于根据输气管网的运行参数数据、确定的限压限流与维护维修计划、预警信号以及输气管网的调度辅助分析结果，确定决策结果。

控制系统6用于根据确定的决策结果产生指令，以控制输气管网的各场站设备进行工作。

在一个优选的实施例中，SCADA系统1可以采用分布式控制的计算机网络系统，该计算机网络系统内设置有SCADA实时数据服务器、历史服务器、通讯服务器、WEB服务器和GPS校时服务器。

SCADA实时数据服务器用于采集和临时存储输气管网的实时运行参数数据。

历史服务器用于存储一定时间的输气管网的运行参数数据。

通讯服务器用于采用光纤、电话线或局域网能通讯方式，发送运行参数数据。

WEB服务器用于采用网络通讯方式，发送运行参数数据。

GPS校时服务器用于接收GPS卫星的时钟数据，以自动时间同步。

在一个优选的实施例中，远程终端站包括至少一个站控系统RTU和远程监控点，其中，站控系统通过可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controllers)或远程控制终端RTU(远程终端设备，Remote Terminal Unit)分别连接输气管网内的各类控制设备，可编程逻辑控制器PLC或远程控制终端RTU用于实时采集各控制设备的工艺参数(例如天然气的压力、温度、流量、泄漏浓度、阀门工作状态等)。

站控系统用于通过可编程逻辑控制器PLC或远程控制终端RTU，根据实时采集的各工艺参数，对各控制设备进行自动控制管理，保障场站自动高效地运行。

站控系统还设置有紧急切断模块，用于在必要时(例如预设的触发超压、事故连锁等需要紧急关断工况)进行紧急停车自动操作。

在一个优选的实施例中，管网完整性管理系统3包括监测模块31、评估模块32、预警模块33、后果仿真模型库34和维护维修计划确定模块35，其中，监测模块31包括线路部分的强制电流保护系统以及场站部分的牺牲阳极系统、局部腐蚀挂片监测系统、动设备(压缩机等)在线振动监测与诊断系统和在线泄漏监测与检测系统，评估模块32包括外检测设备、内检测设备、定量风险评估单元以及高后果区识别与分析单元。

强制电流保护系统用于通过外置的电流系统施加电位差，确定输气管道是否受腐蚀。

牺牲阳极系统用于通过埋设的阳极块施加电位差，确定输气管道是否受腐蚀。

局部腐蚀挂片监测系统用于通过金属腐蚀挂片判断接触的局部输气管道的腐蚀状况。

动设备在线振动监测与诊断系统用于通过内置于输气管网的场站设备和输气管道中各动设备(由驱动机带动的转动设备即有能源消耗的设备，例如泵、压缩机、风机等)震动部位的传感器采集震动频率数据并进行分析，识别异常信号，判断各动设备的健康状态。

在线泄漏监测与检测系统用于通过光纤和次声波传感器等设备设施，间接监测输气管道是否发生介质气体泄漏。

外检测设备用于评估输气管道本体的防腐层和金属管道本体的腐蚀情况。

内检测设备用于评估输气管道本体金属的腐蚀情况。

定量风险评估单元用于采用风险评估方法，评估输气管道本体和各场站设备的风险值，其中，风险评估方法为现有技术公开的内容，具体过程在此不多做赘述。

高后果区识别与分析单元用于采用高后果区识别与分析方法，周期性地评估输气管道局部管段的风险值，其中，高后果区识别与分析方法为现有技术公开的内容，具体过程在此不多做赘述。

预警模块33用于当确定输气管道受腐蚀、出现异常信号和发生介质气体泄漏时进行在线预警。

后果仿真模型库34用于定期识别和更新不同工况下天然气泄漏、流程操作风险的后果定量仿真与应急方案。

维护维修计划确定模块35用于根据监测模块31、评估模块32以及后果仿真模型库34的输出结果，经人工干预后，形成并定期更新得到输气管网中场站设备和输气管道的限压限流与维护维修计划，以对输气管网中局部输气管道以及场站设备的流量、压力和转速等能力指标进行常态化限制，并形成具体输气管段和场站设备的维护维修时间窗口，改变流程和场站设备的备用情况和可靠性，其中，维护维修时间窗口为根据限压限流与维护维修计划选择的最佳维修作业时间段，以保证输气任务所需投用的设备可以正常工作。

在一个优选的实施例中，调度分析系统4包括气量预测模块41、调峰分析模块42、组分跟踪模块43、热值调整分析模块44、能量计量传递模块45、流量平衡分析模块46、用户容量分配模块47和调度优化模块48，其中，调度优化模块48包括气源调度优化单元、管输调度优化单元、用气负荷调度优化单元和应急调度优化单元。

气量预测模型模块用于在输气管网的用户历史用气数据的基础上，采用数理统计、机器学习和组合预测等方法，综合考虑大气温度、节假日、时间和季节等因素，分析得到输气管网用户的用气规律，以此为指导对未来短、中、长期的用户用气量进行预测，其中，采用的数理统计、机器学习和组合预测等方法均为现有技术公开的方法，具体过程在此不多做赘述。

调峰分析模块42用于采用稳态和瞬态水力仿真引擎，根据预先获取的管网物理参数，运行参数数据中的气源、储气量、管存量、不同下载气量和各控制点的压力参数，以及确定的限压限流与维护维修计划，构建水力仿真模型，进而确定输气管网小时流量、日流量、压力、温度、管存量的参数不超出给定参数的控制区间。

组分跟踪模块43用于根据多气源的进入天然气组分组成和各下载用气点的水力参数要求，在构建的水力仿真模型基础上，构建热力学模型和运行参数数据中组分和热值实测数据的统计分析，进而计算各下载用气点的天然气组成和热值。

热值调整分析模块44用于根据各下载用气点的天然气组成和热值以及预先设定的天然气组成和热值要求，在气源点或具体下载用气点，计算需要调整的天然气热值所需混入的氮气量，以确保各下载用气点的热值稳定并满足要求。

能量计量传递模块45用于根据计算得到的各下载用气点的天然气组成和热值以及通过输气管网中各色谱分析仪测量得到的上下游的实测热值进行能量纠偏，在没有热值能量计量的场站或下载用气点，得到各下载用气点的热值。

流量平衡分析模块46用于根据输气管网的运行参数数据和确定的限压限流与维护维修计划，对不同气源的进出量、各个用户下载点的外输流量以及压缩机压缩比和流量进行控制，充分利用输气管网和其他储气设施的储存与调峰能力，使得输气管网的全部供气区域无不平衡供气点出现，以最低成本保证平稳供气。

用户容量分配模块47用于针对多用户情况下，根据调峰分析模块42确定的控制区间和确定的限压限流与维护维修计划，对输气管网内的管输能力进行分割和分配，确保不同用户的稳定管输量和调峰用气量的总和在具体输气管网的管道内不高于管输能力。

气源调度优化单元用于在多气源条件下，以气源价格和可调整的气源组合比例以及不同气源的调峰能力进行优化组合，采用运筹学方法，优化不同气源的压力和组合供气量。

管输调度优化单元用于采用混合整数线性优化或混合整数非线性优化方法，根据输气任务、各压缩机站的压缩机组配置、各输气场站的流量和压力分配约束指标，以及确定的限压限流与维护维修计划，优化得到输气管网内各压缩机站的负荷组合、联络线的流向和管输量以及储气设施的进出气流量、压力和时间。

用气负荷调度优化单元用于通过构建的水力仿真模型，根据用户的用气负荷需求、输气管网的平衡指标，以及确定的限压限流与维护维修计划，优化得到输气管网的燃气发电用户和间断用气用户的机组组合和启停机时间。

应急调度优化单元用于当输气管网的进气量高于供气量时，通过储气设施进行调峰或紧急放散措施控制系统6压力，以保证输气管网的安全运行；当输气管网的气源不足时，通过限气等措施，保证输气管网重点用户的用气。

在一个优选的实施例中，调度指挥系统5包括决策方案确定模块、人机交互模块、和显示模块。

决策方案确定模块用于对需要提供决策的问题进行识别，辅助确定决策目标，并调度决策所需的数据，根据调度的数据、输气管网的运行参数数据，管网完整性管理系统3发送的预警信号、限压限流与维护维修计划、调度分析系统4得到的调度辅助分析结果和决策目标，确定对应的决策方案，其中，决策所需的数据包括输气管网的输气量计划、各用户的用气负荷需求、各输气场站的完整性指标、预设的不同输气量下的优化输气方案库、输气管网各输气场站的流量和压力指标范围等。

人机交互模块用于根据不同的调度任务需求，采用人机交互方式对确定的决策方案进行比较、调整和判断，得到最优的决策方案。

显示模块用于采用参数列表、参数曲线图和工艺流程图的方式，动态显示输气管网的运行参数数据，其中，参数列表分类显示输气管网各场站设备的压力、温度、流量信息，以及所有的阀状态、报警信息等；参数曲线图包括分为历史曲线和实时曲线，曲线的采样周期与SCADA系统1的采样周期保持同步，历史曲线用于记录各场站设备中所有工艺参数从正式运行开始后的变化；工艺流程图用于显示各场站设备的状态或工艺参数，其中，通过颜色区分电动阀门的开关状态以及天然气、放散和排污管线。

在一个优选的实施例中，控制系统6包括指令生成模块61、场站PID(比例-积分-微分)智能控制回路62、远程调压调流控制模块63、远程隔离和启停控制模块64以及时滞模型库模块65。

指令生成模块61用于采用有线专线为主、无线GPRS/CDMA(GPRS，通用分组无线通讯技术；CDMA，码分多址无线通信技术)为备的通讯方式，根据最优的决策方案，对输气管网的各场站设备下达指令，以进行远程控制和管理。

场站PID智能控制回路62用于对输气管网中偏离设计工况的场站设备的运行参数进行自动纠偏调节，包括超压切断及停站、泄露切断及停站和低温换热连锁等智能连锁控制，其中，运行参数包括场站外电运行状态参数、自发电系统运行状态参数、站应急电源系统运行状态参数、阴极保护设备状态参数、气质分析仪表状态参数和加臭系统控制参数，以及包括超压切断及停站、泄露切断及停站、低温换热连锁等智能连锁控制。

远程调压调流控制模块63用于根据输气管网的运行参数数据以及上位监控系统输入的压力值和流量值，通过设置在输气管道内的调压器或电动调节阀，对输气管道的压力和流量进行精确调节。

远程隔离和启停控制模块64用于在正常工况下，出于站场维护等目的，根据下达的指令，实现故障隔离、流程切换、场站隔离和越站以及恢复供气。

时滞模型库模块65用于根据输气管网的水力仿真模型以及输气管网的用户历史用气数据进行离线水力仿真计算，得到输气管网的各场站设备中各阀门和调压调流设备的开度参数，以调整各场站设备的流量和压力参数预期值，并分析预期值和实际值之间的时间传递滞后关系，以及预期外的造成输气管网的各场站设备流量和压力不稳定的影响，建立得到输气管网的各场站设备的量化调节对输气管网压力的时滞波动影响的数据库，接口于远程调压调流控制模块63。

在一个优选的实施例中，场站PID智能控制回路62是由PID调节阀，与PID调节阀配套的电动、气动、电液联动或气液联动执行机构以及检测被调参数的仪表等构成的闭环自动调节回路，具体结构为现有技术，在此不多做赘述。PID调节的效果受控制逻辑及比例、积分、微分3个参数的设定影响。在实际生产中，输气管网中的部分PID调节阀出现调节缓慢或超调等情况，由于缺乏有效的工具，人工整定需要耗费一定的时间且无法保证整定结果的有效性，因此，本发明中场站PID智能控制回路62的整定过程为：

①基于输气管网中场站设备的历史运行数据，获取场站设备的动态特性(即基于实际运行数据建立设备模型)。

②根据场站设备的不同动态特性，选取对应不同的PID控制形式。

③基于控制对象的具体特点，采用每一输气管网的历史用气流量规律的分段拟合函数方法，对场站PID智能控制回路62中的PID参数进行整定。

实施例2

本实施例提供一种输气管网的智能高阶调度与运维方法，包括以下步骤：

1)在输气管网的运行中，SCADA系统1实时采集输气管网的运行参数数据，运行参数数据一方面发送至调度指挥系统5，动态地显示在显示模块上，一方面发送至调度分析系统4，另一方面发送至中间数据库2进行存储和分析展示，并通过数据接口形成可供外部其他系统使用的不断更新的输气管网工艺、仪表、设备、介质的数据。

2)管网完整性管理系统3定期输出不断更新的输气管网中场站设备和输气管道的限压限流与维护维修计划，对异常数据进行在线预警，将预警信号发送至调度指挥系统5，保证准确的预警能力及预控能力，并将确定的限压限流与维护维修计划发送至调度分析系统4。

3)调度分析系统4根据输气管网的运行参数数据和确定的限压限流与维护维修计划，通过模型分析比对计算，得到输气管网的调度辅助分析结果，并发送至调度指挥系统5。

4)调度指挥系统5采用人工方式，结合输气管网的运行参数数据、确定的限压限流与维护维修计划、预警信号以及输气管网的调度辅助分析结果，产生决策结果，并发送至控制系统6。

5)控制系统6将决策结果转化为可执行的指令，并通过通讯网络传输至场站设备对应的输气场站进行远程操作控制。

6)输气场站的远程操作控制结果通过SCADA系统1实时采集，形成闭环控制。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，其特征在于，包括：

SCADA系统，用于实时采集输气管网的运行参数数据；

中间数据库，用于实时存储输气管网的运行参数数据和用户历史用气数据；

管网完整性管理系统，用于实时确定输气管网中场站设备和输气管道的限压限流，并对异常数据进行在线预警；

调度分析系统，用于根据输气管网的运行参数数据和用户历史用气数据以及确定的限压限流，确定输气管网的调度辅助分析结果；

调度指挥系统，用于根据输气管网的运行参数数据、确定的限压限流、预警信号以及输气管网的调度辅助分析结果，确定决策结果；

控制系统，用于根据确定的决策结果产生指令，以控制输气管网的各场站设备进行工作。

2.如权利要求1所述的一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，其特征在于，所述SCADA系统包括：

SCADA实时数据服务器，用于采集和存储输气管网的实时运行参数数据；

历史服务器，用于存储一定时间的输气管网的运行参数数据；

通讯服务器，用于采用光纤、电话线或局域网能通讯方式，发送运行参数数据；

WEB服务器用于，采用网络通讯方式，发送运行参数数据；

GPS校时服务器，用于接收GPS卫星的时钟数据，自动时间同步。

3.如权利要求1所述的一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，其特征在于，所述管网完整性管理系统包括：

监测模块，用于确定输气管道是否受腐蚀以及是否发生介质气体泄漏；

评估模块，用于评估输气管道的腐蚀情况；

所述预警模块用于当确定输气管道受腐蚀、出现异常信号和发生介质气体泄漏时进行在线预警；

所述后果仿真模型库用于定期识别和更新不同工况下天然气泄漏、流程操作风险的后果定量仿真与应急方案；

所述维护维修计划确定模块用于根据所述监测模块、评估模块以及后果仿真模型库的输出结果，形成并定期更新得到输气管网中场站设备和输气管道的限压限流与维护维修计划。

4.如权利要求3所述的一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，其特征在于，所述监测模块包括：

强制电流保护系统，用于通过外置的电流系统施加电位差，确定输气管道是否受腐蚀；

牺牲阳极系统，用于通过埋设的阳极块施加电位差，确定输气管道是否受腐蚀；

局部腐蚀挂片监测系统，用于通过金属腐蚀挂片判断接触的局部输气管道的腐蚀状况；

动设备在线振动监测与诊断系统，用于通过内置于输气管网的场站设备和输气管道中各动设备震动部位的传感器采集震动频率数据并进行分析，识别异常信号，判断各动设备的健康状态；

在线泄漏监测与检测系统，用于间接监测输气管道是否发生介质气体泄漏。

5.如权利要求3所述的一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，其特征在于，所述评估模块包括：

外检测设备，用于评估输气管道本体的防腐层和金属管道本体的腐蚀情况；

内检测设备，用于评估输气管道本体金属的腐蚀情况；

定量风险评估单元，用于采用风险评估方法，评估输气管道本体和各场站设备的风险值；

高后果区识别与分析单元，用于采用高后果区识别与分析方法，周期性地评估输气管道局部管段的风险值。

6.如权利要求3所述的一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，其特征在于，所述调度分析系统包括：

气量预测模型模块，用于根据输气管网的用户历史用气数据，分析得到输气管网用户的用气规律；

调峰分析模块，用于采用稳态和瞬态水力仿真引擎，根据预先获取的管网物理参数，运行参数数据中的气源、储气量、管存量、不同下载气量和各控制点的压力参数，以及确定的限压限流与维护维修计划，构建水力仿真模型，进而确定输气管网小时流量、日流量、压力、温度、管存量的参数不超出给定参数的控制区间；

组分跟踪模块，用于根据多气源的进入天然气组分组成和各下载用气点的水力参数要求，在构建的水力仿真模型基础上，构建热力学模型和运行参数数据中组分和热值实测数据的统计分析，进而计算各下载用气点的天然气组成和热值；

热值调整分析模块，用于根据各下载用气点的天然气组成和热值以及预先设定的天然气组成和热值要求，在气源点或具体下载用气点，计算需要调整的天然气热值所需混入的氮气量；

能量计量传递模块，用于根据计算得到的各下载用气点的天然气组成和热值以及测量得到的上下游的实测热值进行能量纠偏，在没有热值能量计量的场站或下载用气点，得到各下载用气点的热值；

流量平衡分析模块，用于根据输气管网的运行参数数据和确定的限压限流与维护维修计划，对不同气源的进出量、各个用户下载点的外输流量以及压缩机压缩比和流量进行控制；

用户容量分配模块，用于根据确定的控制区间和限压限流与维护维修计划，对输气管网内的管输能力进行分割和分配；

调度优化模块，用于优化得到不同气源的压力和组合供气量，输气管网内各压缩机站的负荷组合、联络线的流向和管输量以及储气设施的进出气流量、压力和时间，以及输气管网的燃气发电用户和间断用气用户的机组组合和启停机时间。

7.如权利要求6所述的一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，其特征在于，所述调度优化模块包括：

气源调度优化单元，用于在多气源条件下，以气源价格和可调整的气源组合比例以及不同气源的调峰能力进行优化组合，采用运筹学方法，优化不同气源的压力和组合供气量；

管输调度优化单元，用于采用混合整数线性优化或混合整数非线性优化方法，根据输气任务、各压缩机站的压缩机组配置、各输气场站的流量和压力分配约束指标，以及确定的限压限流与维护维修计划，优化得到输气管网内各压缩机站的负荷组合、联络线的流向和管输量以及储气设施的进出气流量、压力和时间；

用气负荷调度优化单元，用于通过构建的水力仿真模型，根据用户的用气负荷需求、输气管网的平衡指标，以及确定的限压限流与维护维修计划，优化得到输气管网的燃气发电用户和间断用气用户的机组组合和启停机时间。

8.如权利要求7所述的一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，其特征在于，所述调度指挥系统包括：

决策方案确定模块，用于对需要提供决策的问题进行识别，辅助确定决策目标，并调度决策所需的数据，根据调度的数据、输气管网的运行参数数据，管网完整性管理系统发送的预警信号、限压限流与维护维修计划、调度分析系统得到的调度辅助分析结果和决策目标，确定对应的决策方案；

人机交互模块，用于根据不同的调度任务需求，采用人机交互方式对确定的决策方案进行比较、调整和判断，得到最优的决策方案；

显示模块，用于动态显示输气管网的运行参数数据。

9.如权利要求8所述的一种输气管网的智能高阶调度与运维系统，其特征在于，所述控制系统包括：

指令生成模块，用于根据最优的决策方案，对输气管网的各场站设备下达指令；

场站PID智能控制回路，用于对输气管网中偏离设计工况的场站设备的运行参数进行自动纠偏调节；

远程调压调流控制模块，用于根据输气管网的运行参数数据以及上位监控系统输入的压力值和流量值，通过设置在输气管道内的调压器或电动调节阀，对输气管道的压力和流量进行精确调节；

远程隔离和启停控制模块，用于在正常工况下，根据下达的指令，实现故障隔离、流程切换、场站隔离和越站以及恢复供气；

时滞模型库模块，用于根据输气管网的水力仿真模型以及输气管网的用户历史用气数据进行离线水力仿真计算，建立得到输气管网的各场站设备的量化调节对输气管网压力的时滞波动影响的数据库。

10.一种输气管网的智能高阶调度与运维方法，其特征在于，包括：

在输气管网的运行中，SCADA系统实时采集输气管网的运行参数数据；

管网完整性管理系统定期输出不断更新的输气管网中场站设备和输气管道的限压限流，对异常数据进行在线预警；

调度分析系统根据输气管网的运行参数数据和确定的限压限流，得到输气管网的调度辅助分析结果；

调度指挥系统根据输气管网的运行参数数据、确定的限压限流、预警信号以及输气管网的调度辅助分析结果，产生决策结果；

控制系统将决策结果转化为可执行的指令，并传输至场站设备对应的输气场站进行远程操作控制；

输气场站的远程操作控制结果通过SCADA系统实时采集，形成闭环控制。

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