管网仿真系统技术方案.docx

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管网仿真系统技术方案

天然气管网运营公司在日常的生产调度管理过程中，越来越深刻地意识到管网运行安全和用户用气量预测的重要性。

他们希望有一种软件可以完全准确地模拟管网实际的运行状态，使操作员不仅可以得到SCADA实时数据还可以通过模拟软件知道实时数据的正确性。

在进一步的使用过程中，调度人员还希望这种仿真软件能够对管网未来的状态进行预测，以使操作员提前了解管网的运行，制定调度计划或避免故障发生。

针对天然气管网的实际情况我们选择了GL公司的管网仿真软件。

GL公司的软件可以提供综合有效的管网模拟软件系统，客户可以根据不同的要求选择不同的模块，模拟软件具有可扩展能力，能够适应管线未来的项目扩展。

GL公司的SPS可以实现管网的离线和在线仿真，Forecast可以进行管网的负荷预测。

一、SPS

    SPS软件家族包括管道的实时在线仿真（Statefinder）、泄露检测（Leakfinder）、实时状态预测（Predictor）、操作员培训系统（Trainer）和离线仿真（Simulator）5个软件。

其中Statefinder、Leakfinder和Predictor是SPS软件中的在线产品，它们的运行需要SCADA系统实时数据的支持，能够实时动态的模拟管网的运行状态。

Leakfinder可以在管网实时运行中进行泄漏检测，而Predictor则可以对动态管网的未来运行状态进行预测。

Trainer用于培训管网系统操作人员，它可以模拟真实的SCADA系统运行状态，使操作员在模拟的环境下学习如何操作管理管网系统。

Simulator是其它四个软件模块的基础，，用于管道离线仿真、管道设计、管道运行能力的估算等。

    众所周知，SPS/仿真器拥有精确模拟管道设备中流体液力学和全部控制系统性能（非理想化）的手段，它所提供的仿真精度是任何其它软件所不能比拟的。

    SPS拥有的强大的二次开发能力，是其他同等软件所不具备的。

它提供的ADL开发环境使得在不改变基本的核心仿真软件的前提下，可以设置与基本仿真同时运行的应用，或者控制仿真过程。

新定义的变量可以表示为仿真数据的函数，它们的值可以象任何隐式仿真数据一样用于报告、结果显示、或传递给第三方的应用或系统。

操作员可以根据需要开发自己的应用程序、可选择多种数学函数、可模拟PLC多种运行逻辑、可增改泄漏检测的算法，等等，以满足仿真过程中的各种需要。

ADL开发环境可以应用于SPS的所有模块。

    SPS不仅可以运行在Windows系统还可以运行在UNIX系统下。

1．实时在线仿真（Statefinder）

    Statefinder根据实际的天然气管网中的管径管长、调压器位置、气体热值等数据，建立管网仿真模型对实际管网运行状态进行实时持续的仿真。

它的模型包含了管网中的所有设备，特别值得一提的是Statefinder对管网中压缩机复杂工艺的模拟是其它同类软件所不能比拟的。

Statefinder通过OPC接口将SCADA系统数据实时地输入仿真系统，根据SCADA数据Statefinder可以动态的模拟管网运行工况，与实际管网并行运行，计算管网中各点的压力、流量、浓度、管网储气量等其他参数，并过滤检测数据，将仿真软件的计算结果与SCADA实时数据相比较，如果超过设定的偏差值则会自动报警，以提醒调度员可能有故障发生。

所以在线仿真能够监测实时管网的运行。

在线仿真软件还可以实时跟踪管网中各点的气源比例。

    实时在线仿真的性能必须非常稳定，能够在临时的数据中断期间持续工作。

同时，因为实时模型产生的管线状态是仿真的出发点，预估状态的精度是预估环境的根本。

SPS实时在线仿真进行状态预估的方法是将所有能够得到的压力和流量数据用于计算（即所谓的压力-压力聚合体）。

以单个管道为例，如果已知上游和下游的压力和流速，许多其它仿真系统通常是利用上游的压力和下游的流速来驱动模型（压力-流速聚合体），而剩下多余的数据则用来检验结果，或者推算仪表误差。

现在假设下游流量测量出现故障，其它系统在数据中断期间便失去了计算的基础，更糟糕的是，当数据中断期间的流速发生变化时，这些系统将会在数据恢复时人为地在仿真管线中引入剧烈的动态效应。

至少我们的一个竞争对手试图通过运行多个实时模型来克服他们这种在技术上的缺陷。

    然而，SPS的技术在状态预估中同时使用两端的压力和流量数据，实际上将管道系统分成了许多独立的管道段，如果发生数据丢失，计算将不计丢失的数据而照常继续，并且利用剩下的实时数据来推算缺失数据的数值，达到在液力学上相容的状态。

    当管网中的部分地区发生故障或丢失数据时，仿真软件也可以根据管网中其他各点的数据，实时动态的模拟故障发生地的管道运行工况，帮助操作员分析故障原因并解决问题，操作员还可以使用仿真数据对SCADA丢失的数据进行补充。

    仿真曲线可以实施动态的显示管网的运行、压力流量的变化和操作员的操作，当SCADA数据丢失时，丢失点的数据和管道信息能够被模拟生成，及时的显示在曲线上。

Statefinder计算的仿真结果可以由用户设定，传到用户的自定义界面显示或传回到SCADA系统显示。

下图显示了SPS与SCADA系统的数据传输。

    RTU读取现场仪表数据，传送到SCADA服务器并在SCADA界面中显示。

SPS通过OPC接口可以读取SCADA实时数据进行仿真模拟。

SPS提供API接口，可以支持用户开发界面显示仿真数据。

用户也可以设置，将仿真数据传回到SCADA服务器，在SCADA界面显示。

使用这种方法用户可以直观的比较SCADA实时数据和仿真数据。

但由于这种方法加大了SCADA服务器的负荷，数据传输效率会比另一种方法低。

用户可以根据自己的需要选择。

2．泄露检测（Leakfinder）

    高压气体管道突然发生泄漏对周围用户、居民是非常危险的，管道中不易察觉的细小泄漏也会给管网公司带来巨大的经济损失。

所以对于管道气体运行公司来说，高压管网的泄漏检测是非常重要的。

SPS中的Leakfinder在模型和数据精确的基础上能够准确地监测管道运行并检测气体泄漏。

    Leakfinder由SPS在线仿真（Statefinder）和泄露分析器（Leakanalyzer）组成，建立了及时准确地泄漏检测系统。

Statefinder使用SCADA系统实时数据跟踪模拟管网动态运行状态，当SCADA实时数据出现异常时，Statefinder将会告知Leakanalyzer，它是泄漏检测的数据基础。

Leakanalyzer详细检查这些异常数据，并分析是否为气体泄漏。

如果泄露检测系统发现了一个泄漏点，它将立刻发出警报并显示泄漏地点、泄漏时间、泄露速度和泄露气体总量。

这些数据将及时地反映到SCADA界面或用户的自定义界面。

    由于SCADA数据经常存在的不稳定性，即使将其调节在测量的有效重复性内，它也很难被直接使用，因此为了得到液力学上合理的管道状态，状态预估过程允许假设虚拟流体在指定位置进入或离开管道，这些指定的位置称为监测器。

这种虚拟的流动，即所谓的“诊断流”，在一个调试好的系统中应该接近于零。

引入的诊断流是检测泄漏的关键。

在真实管道中出现泄漏时，SCADA报告的压力和流量与泄漏处的流出量相一致（在其本身的不确定性范围内）。

在实时状态预估中，泄漏点并没有流出量，达到同SCADA数据相对应的液力学状态预估的唯一方法，是在这些诊断流处允许流体离开仿真系统，从而留下泄漏的“纸迹”以供详细分析。

    基于状态预估的结果，SPS支持两种不同的泄漏检测方法：

监测器平衡方法和泄漏量监测方法。

针对任何特定管线（也可能是每段管道），具体选择采用何种方法取决于该特定管道的状况、测量情况和液力学特性。

对于这两种技术，正确的使用方法是采用一种以上的检漏时间间隔。

这种策略是使用较短的检漏时间间隔迅速探测大的泄漏，而使用较长的检漏时间间隔多花一些时间检测小的泄漏。

    两种检漏算法都在ADL中采用，因此系统的修改和操作对项目工程师（或客户的检漏分析师）也非常“开放”。

事实上，如果客户有检漏的特殊算法，ADL能够很容易地支持对系统的扩充。

    在上面的介绍中我们提到Statefinder可以在SCADA系统丢失数据时进行补数，并正常工作。

所以在使用了Statefinder的Leakfinder中，当管网中部分地区出现故障而无法得到实时数据时，泄漏检测系统仍能正常运行并检测管网中的泄漏点。

当这种情况发生时，Leakanalyzer能够自动调整泄漏检测的门槛值（LDTs），以使系统保持正常运行状态，避免错误报警。

    泄漏检测的精确度与模型建立、参数设置和现场数据采集设备的准确度有关。

当客户提供了计算所需的相关数据，实际模拟运行后计算的结果可以估算泄漏检测的精确度。

当然这一结果也是与所提供数据的准确度相关的。

可以许诺客户的是，在同一模型下，相同的参数数据时，SPS泄漏检测软件Leakfinder是同行业软件中泄漏检测精确度最高的。

3.动态预测管网未来工况（Predictor）

    SPS的Predictor可以用于预测未来一段时间内的管网运行状态。

它同样是一个实时在线系统，包含了Statefinder和预测器。

使用Statefinder得到当前管网的运行状态，预测器根据当前数据实时动态的对未来时间的管网进行预测。

预测分为自动预测和条件预测。

    自动预测使用Statefinder当前的计算结果作为预测的起始点，操作员可以设置预测时间，并将负荷预测中计算的各用户相应时间段的负荷数据导入。

预测系统则能实时动态的计算出管网未来的运行工况，它与实时数据并行运行，但时间轴是用户设置的未来时间。

同样预测软件也可以在预测中设置报警，以提醒操作员SCADA系统在未来可能要产生的报警。

    在实际生产运行中，调度人员可以将客户申报的第二天或未来几小时的用气量输入预测系统，使用当前管网运行数据进行预测，查看管网是否能够满足客户申报的用气量。

如满足则用户申报的用气量可以作为用气量计划下发，如不满足可在预测系统中进行调整验证，制定新的用气量计划。

    条件预测可以让用户设置一些假设的条件，并利用当前管网的运行数据预测当所设条件发生时管网的运行。

例如：

我们可以设置供气点断气、管网中某点泄漏、某阀门关断或备用气源补气等等。

通过预测计算我们可以看到故障发生后管网的运行状态、存活时间，操作员可以根据预测结果制定相应的抢修预案。

    在日常的调度管理中，操作员可以把自动预测作为默认方式，设定好预测未来一天或未来一周的管网运行。

Predictor将会按设定值自动预测。

同时操作员可以设定几种条件预测方案，当故障发生时操作员可手动选择，以制定抢修方案用。

例如当供气点发生故障断气抢修时，操作员可以选择供气点断气的条件预测方案，使用当前管网运行状态数据作为起始点进行预测，模拟未来管道的运行。

通过模拟仿真，操作员可以得到管网的存活时间，各个重要客户点在故障后发生了怎样的变化。

这些数据可以有效的帮助操作员制定抢修计划。

在抢修过程中，在线仿真实时监测管网的运行，预测系统也能够实时的根据当前管网的最新状态进行预测，操作员可以非常直观地了解到抢修的进程以及抢修方案是否正确。

    对于预测结果的精确度和泄漏检测系统一样，是与当前管道数据的准确性相关的。

这里提供一个例子来说明SPS与同类产品相比的优越性。

几年前，一家欧洲SCADA供应商曾利用独立的试验来测试仿真软件。

SCADA供应商从海底输气管道收集了上游和下游24小时压力和流量数据，为了仿真软件供应商们标定它们的模型，提供了管道的物理数据（长度，直径，壁厚，高度曲线等等）、气体成份和前8小时的数据，随后16小时的下游压力没有提供。

而在下游压力“消失”的16个小时中关闭和开启一个管道隔断阀，在系统中引进剧烈的瞬态变化，使测试复杂化。

测试是估算缺少的下游压力（SCADA供应商知道其实际值）。

仿真软件供应商们把他们的估算送回SCADA供应商分析，Advantica的SPS评为最佳仿真预测系统

4.离线仿真（Simulator）

    离线分析是管网某一时间点静态平衡下的分析计算。

调度人员可以将某一点的SCADA数据导入仿真系统，计算管网在该时间点的储气量、各点压力、流量数据、燃气热值等。

用户需要增大或减少用气量时，也可以通过离线计算查看更改是否合理，会不会超出管网的负荷能力。

    在管网运行过程中用户用气量的变化会导致管网压力变化。

例如柘中电厂加大用气量就会导致白鹤到柘中电厂中间管道压力的下降。

调度人员可以利用离线系统计算当管网负荷已经很大的情况下是否还允许用户加大用量，或者为保证某些重要用户的使用可以适当减少周围哪些用户的使用。

    此计算是在仿真软件离线分析下进行的，通常情况下调度人员可以从SCADA系统导入一天、一月或一季度中用气量高峰时间点的数据到仿真系统，这些数据包括气源点的压力、调压站的出口压力以及用户的用气量。

然后调度人员人为的加大某一用户的用气量，通过离线计算察看管网的压力是否能够承受。

或者在运行过程中某一用户临时需要加大用气量，而调度人员不确认在当前管网运行的状态下是否能够承受此需求。

那么此时调度人员可以导出当前时间的SCADA数据到仿真系统，通过设置该用户的用气量来计算管网的压力。

如果加大用气量导致了管网失压，在允许的情况下调度人员也可以设置减少周围用户的用气量以保证此用户的用气。

利用离线分析，可以计算出其他用户的用气量减少多少即可满足此用户的需求。

    离线分析也可用于管道设计。

当管网中需要增加或减少管道时，设计人员可以在离线系统中建立模型，进行模拟计算，使用分析验证加、减管道的合理性。

5.操作员培训系统（Trainer）

    操作员培训系统（Trainer）为管网调度人员提供了一个完全模拟SCADA系统操作的环境。

它是一套离线的系统，就像飞行员培训系统一样，Trainer提供了完全仿真的SCADA环境。

它可以真实的模拟管网气体的动态工况和管网中设备的运行，操作员会感觉像在操作真正的管网。

操作员培训系统提供了一套开发工具可以由用户自定义开发模拟系统的操作界面、管网的运行方式，它可以与SPS在线和离线软件相连读取仿真数据作为数据源。

培训系统可以模拟所有操作员所需要的日常操作：

启停压缩机、改变任意点的压力/流量、开/关阀等。

此外，Trainer还可以模拟RTU对压缩机的非连续控制。

所有这些操作与在真实的SCADA系统中操作完全一样，但操作对SCADA没有任何影响。

    SPS/培训器建立在SPS高保真液力学仿真精确性的基础上，配以控制室式的操作员图形界面。

操作界面可以设置为两种不同风格。

    有“图形界面”的SPS/培训器一般在微机上运行，在这种情况下，使用同我们的示意图软件编程工具相连的Microsoft?

VisualBasic建立屏幕对话框，供用户与培训程序交互作用。

这些屏幕通常被设计成外表和行为类似于控制室的SCADA屏幕。

依据SCADA系统的制造年限（或学生界面的设计），一些控制室屏幕可能仅有简单的图形，而依靠文字表格将数据呈现给学生；而另一些界面则会有站内设备、流动路线等的动态显示（颜色变化、动画）。

VisualBasic很容易支持这类界面，示意图软件的细节将在下一节提供。

    有“SCADA界面”的SPS/培训器使其主机同SCADA主机系统的一个复制件结合。

复制的SCADA主机系统以为它是在与真实的管线通讯，而实际上是由SPS/培训器截获这些通讯，并从正在进行的仿真中反回数据。

SPS/培训器也截获发往现场的设备控制和定点的指令，同时在仿真中执行同等的控制。

    用户在培训操作员时，可以使用Trainer预定义一些管网故障，在培训过程中操作员将学会如何处理这些故障，以使得在实际的管网运行过程中受培训的操作员能够正确处理。

    在实际的SCADA系统中，系统通过RTU采集现场数据，传送到SCADA服务器，操作员通过SCADA操作界面GUI查看管道数据并下发操作命令。

在培训系统中用户使用Trainer开发并复制了SCADA服务器，SPS的仿真数据传送到Trainer主机，这相当于实际系统中RTU的采集数据，然后数据传送到复制的SCADA服务器，而培训系统界面相当于SCADA系统GUI，受培训人员就像在操作实际的SCADA系统。

    培训系统还提供了操作员考核功能。

它以培训系统为背景，用户可以自定义考核内容，对操作员培训结果进行检查。

二、负荷预测（Forecaster）

    天然气管网公司在日常的运行中，需要知道整个管网的供气能力、各用户未来的需求量、用户的用气趋势，并平衡供气量和用气负荷。

负荷预测软件Forecaster提供了用户用气量预测的功能。

它可以计算并绘制未来用户用气量曲线，帮助天然气管网公司平衡供气量和需求以及帮助调度员制定调峰计划。

Forecaster可以帮助调度人员预测住宅用户、商业用户、工业用户以及大型电厂等用户的用气量。

天然气公司对用户未来用气量掌握的越详细就越能准确的知道所需购买的供气量，从而可以大幅度降低开销和减少浪费。

    上图是预测系统整体结构图。

整个预测系统由四大部分支持：

负荷预测软件Forecaster、历史天气数据、SCADA历史数据以及客户信息系统（CIS）的客户数据。

其中历史天气数据、SCADA历史数据和客户信息数据是负荷预测的数据计算依据。

Advantica的Forecaster预测软件共有6种计算方法用于负荷预测计算，Regression（回归法）、NeuralNetwork（神经网络法）、AutoRegressiveIntegratedMovingAverage（ARIMA）（差分自回归滑动平均法）、Carnak（Carnak法）、Combination（综合法）和Bayesian（贝叶斯法）。

它们的计算原理如下图所示，Combination是前四种方法的综合运用，Bayesian方法使用了贝叶斯统计法进行计算。

我们可以为不同的用户选择不同的计算方法，并可以使用XML语言对各种计算方法进行配置，反复计算进行比较，为各个用户选择最适合他们的方法，能够最准确地预测用气量。

    Forecaster使用客户信息结合天气数据在模型中建立负荷预测，数据存储在Oracle数据库中。

丰富的历史数据是准确预测的前提，一般在负荷预测前，都要收集几年的SCADA历史数据和天气数据。

操作人员首先要为每个用户配置历史用气量数据、客户信息以及天气因素；其次要在仿真模型中对每个用户的位置进行配置，这点在模型建立时已经完成；最后还要为每个用户选择计算方法。

历史需求数据可以从CIS系统导出或从SCADA历史数据得到。

天气因数由每天的天气综合情况组成，包括温度、风速、湿度、云量等等。

调度人员可以将包含有客户信息、历史数据和天气数据的文件导入到仿真系统，在Forecaster中有大量对用户需求产生影响的属性参数可以配置，例如：

节假日、公休日。

这些影响因素配置的越详细，预测计算将会更准确。

    在调试Forecaster的过程中，我们可以使用手中的历史数据。

例如我们现在已经得到了5年的历史数据，那么我们可以将前4年的数据作为历史数据来预测第5年的管网负荷，并使用第5年的历史数据加以验证。

在这个过程中，我们可以更改参数设置、选择不同计算方法，最终使得计算结果尽可能的与真实数据相一致。

下图是Forecaster中计算输出的预测曲线与真实SCADA数据曲线的对比图。

我们可以看到两条曲线的趋势完全相同，数据基本吻合，这也表明了Forecaster的精确度。

    根据客户需要，Forecaster可以进行短期、中期、长期的预测。

短期预测允许客户预测未来几小时或未来几天的管网负荷。

中期预测能够预测未来几个月的负荷。

长期可以预测未来一年或几年的管网负荷。

预测的时间间隔可以是每小时、每天或更长时间段。

客户在日常的管理中，一般希望每天对未来一天的用户用气量进行预测，这是每天都要进行的。

客户可以把这种预测设置为默认预测，预测软件每天将会自动预测第二天的用气量。

在制定月计划和季度计划时会使用到中期预测，制定年计划时将使用长期预测。

客户可以将各种需要的预测方式都设置在Forecaster中，在需要的时候手动切换即可直接进行所需的预测。

    Forecaster计算结果的输出也是非常灵活方便的，数据可以输出到Excel、Web等文件中，图形曲线也可以直接发布到Web网页。