燃氣調度中心智能技術的設計與應用

羅文進，馬廣強，張艷珍

(1.鞍山市燃氣總公司,遼寧 鞍山 114002；2.本鋼集團有限公司，遼寧 鞍山 117000;3.凌源鋼鐵集團有限責任公司，122500)

燃氣調度中心智能技術的設計與應用

羅文進，馬廣強，張艷珍

(1.鞍山市燃氣總公司,遼寧 鞍山 114002；2.本鋼集團有限公司，遼寧 鞍山 117000;3.凌源鋼鐵集團有限責任公司，122500)

文中結合調度指揮中心SCADA改造升級的實踐，提出了調度指揮中心智能化技術的設計與應用。

燃氣；調度中心；SCADA；智能技術

0 引 言

鞍山市煤氣公司于1952年正式成立，1992年經國家批準晉升為國家大二型企業，并更名為鞍山市煤氣總公司，2009年經市政府批準，更名為鞍山市燃氣總公司。鞍山市燃氣總公司擁有顯著的區域優勢、穩定的客戶群體、良好的企業形象和廣闊的市場空間。截止“十一五”末期，鞍山燃氣服務的客戶群已超過50萬戶，城市管道燃氣氣化率超過93%，城市燃氣管網1 600 km。近年來，由于遼河油田氣源枯竭，鞍鋼生產緊張導致的氣源緊張問題日益嚴峻。合理調配氣源，保證安全、提供穩定的供氣服務是燃氣公司要解決的一個非常重要的問題。隨著我國西氣東輸、陜氣進京等國家重點工程的建設，特別是2003年以來，鞍山燃氣總公司陸續發展了鞍鋼燒結，鞍鋼彩涂板，福鞍鑄鋼、中鋼熱能院等工業用戶，供氣結構和供氣總量變化較大。氣源的多元化及用戶的需求多樣化使原以民用調峰為主的調度方式正面臨轉型升級的嚴峻考驗。原有的監測系統已經不能滿足工作需要。迫切要求建立科學的燃氣智能化調度體系以解決氣源管建設規劃設計、供氣管線改造、合理調度等方面的技術瓶頸。實現安全、科學、經濟供氣。

文中結合調度指揮中心SCADA改造升級的實踐，提出了調度指揮中心智能化技術的設計與應用。

1 系統現狀

目前燃氣公司在各儲配站均安裝了檢測設備，并將檢測數據通過GPRS遠程數據采集系統采集到儲配站實時數據庫中，市燃氣總公司調度指揮中心通過安裝客戶端軟件進行數據的查詢。只能進行遠程監測，沒有數據處理分析功能，需要進行數據分析，在線預測及提示預警等智能化設計。

2 主要智能界面

(1)體現城市燃氣輸配系統的組成、主要工藝設備、工藝流程及計算方法、城市燃氣的供需工況及調峰措施。

(2)各類用戶的用氣定額、城市燃氣需用量的計算；用氣工況；供氣的對象及原則。

(3)日常輸配數據統計，生產過程記錄，工藝技術參數的限定及超值報警。

(4)輸配燃氣所需實際儲氣容積的計算，調峰方式及選擇。高峰期加壓曲線提示。選擇合理加壓時間段的安全經濟方案。

(5)燃氣輸配崗位職工培訓操作演示系統。

(6)工業戶供氣計劃及生產用氣量的平衡。

(7)實現區域供氣，保證施工降壓及搶修期間作業區域內管網壓力的安全，作業區域外正常供氣。

(8)制定及實施設備維修期間的供氣方案。

(9)掌握設備運行狀況，對輸配系統設備運行中的故障提出整改建議。

(10)數據的采集分析、在線負荷預測。

3 技術原則

統籌規劃，統一標準：堅持信息化建設與燃氣檢測宏觀調控和綜合業務互相促進。統一領導、統一組織、統一規劃、統一技術、統一標準、統一實施。盡可能使用國家標準和行業標準，與公司信息化和燃氣檢測信息化建設要求相銜接。

經濟合理，注重實效：系統建設中，兼顧實用性、可靠性、安全性、先進性、可擴充性，在滿足功能要求的前提下，盡可能降低建設成本和運行成本。在系統建設特別是應用系統建設中，采用平臺化、構件化的思想，充分利用成熟的應用支撐平臺及中間件技術，分層實現，減少系統建設和維護工作量，提高系統的整體質量和效率，節省投資，應對變革。

3.1 先進性和成熟性

信息技術尤其是軟件技術發展迅速，新理念、新體系、新技術迭相推出，這造成了新的、先進的技術與成熟的技術之間的矛盾。而大規模、全局性的應用系統，其功能和性能要求具有綜合性。因此，在設計理念、技術體系、產品選用等方面要求先進性和成熟性的統一，采用B/S分布處理、無連接服務、合理非范式化、數據庫分區和負載均衡等技術措施以滿足系統在很長的生命周期內持續的可維護和可擴展。

3.2 開放性和標準性

系統將建立統一的先進的平臺標準，符合國家關于信息化建設的電子政務有關標準，軟件在設計時按照業務的需求進行平臺級及模塊化設計，制定統一的接口標準，使軟件系統具有高度集成性。系統建成后，其他系統可以經過一定的改造接入到本系統的平臺上，從而遼寧省人口信息管理系統成為一個開放的平臺，同時采用Internet技術、B/S技術，使軟件具有可擴充性和升級性。

3.3 實效性和共享性

系統將建立直觀易用的信息采集平臺和設定權限的信息發布平臺。采用文檔與關系型數據庫技術，進行各種信息的管理，確保系統的實效性和共享性，系統技術上先進、實用、合理，具有較長的生命周期。

3.4 可操作性和易用性

系統建設將結合實際需求，可操作性為重點，避免追求大而全。并且保證系統的易用性，使各類人員都能方便的使用本系統，開放的體系結構，具有互操作性。采用可視化技術，面向對象技術，使其具有易用性。

3.5 安全性和可靠性

安全是系統正常運行的保證，所以要充分重視系統的安全，包括整個網絡環境、基礎工作平臺、應用系統和數據信息的綜合安全體系。

3.6 系統設計架構

燃氣公司各采集站采用GPRS遠程數據采集的方式，將山南、宋三、立山、深溝寺各燃氣儲配站的設備檢測指標采集到罐站實時數據庫中，實時數據通訊及規約轉換程序將各儲配站數據提取并進行DDE數據交換，使得實時數據檢測系統能夠同步獲取儲配站檢測數據，實時數據檢測系統將獲取到的實時數據進行顯示、歷史數據查詢、檢測指標預警匯總、分機運轉查詢和氣源數據查詢。系統整體架構圖，如圖1所示。

圖1 系統整體架構圖

4 系統功能設計

4.1 實時數據通訊及DDE數據交換程序

4.1.1 實時數據通訊

系統將儲配站實時數據庫作為數據源，應用程序和數據根據設定周期進行數據通訊，將儲配站實時數據庫的數據及時的提取出來，供數據檢測系統調用。

4.1.2 DDE數據交換程序

DDE是一種動態數據交換機制(Dynamic Data Exchange，DDE)。DDE是進程通訊的方法。進場間通訊 (IPC)包括進程之間的同步事件之間的數據傳遞。DDE使用共享內存來時間進程見的數據交換以及使用DDE獲得傳遞數據的同步。DDE協議是一組所偶有的DDE應用程序都必須遵循的規則集。DDE協議可以應用于兩類個類型DDE應用程序：第一類是基于消息的DDE，第二類是動態數據交換管理庫(DDEM)應用程序(使用動態鏈接庫(DLL)，該庫是隨Windows系統一起發型)。

DDE應用程序可以分為4種類型：客戶、服務器、客戶/服務器和監視器。DDE繪畫發生再客戶應用程序和服務器應用程序之間。客戶應用程序從服務器應用程序請求數據或服務，服務器應用程序響應相應客戶應用程序的數據和服務請求。客戶/服務器應用程序既是客戶應用程序又是服務器應用程序，它既可發出請求，又可提供信息。監視器用用程序用于調試目的，如圖2所示。

圖2 DDE工作原理與結構

4.2 實時數據檢測系統

4.2.1 實時數據檢測軟件RSView32介紹

RSView32是基于Windows環境(支持Windows 2000)的工業監控軟件。利用RSView32可以廣泛的和不同的數據源、PLC-包括第三方的PLC建立通訊連接，建立廣闊的監控應用。

作為人機監控軟件-HMI，RSView32采用了全面支持ActiveX?的技術，使得用戶可以在顯示畫面中任意簡單地插入ActiveX控件，來豐富應用。開發了RSView32的對象模型-Object Model，使得用戶可以簡單的將RSView32和其他的基于組件的應用軟件互操作或者集成應用。

集成微軟的Visual Basic? for Applications (VBA)作為內建的腳本語言編輯器。可以隨意定制開發后臺應用程序。同時支持OPC的服務器和客戶端模式。亦即既可以通過OPC和硬件通訊，又可以向其他軟件提供OPC的服務。第一個支持附加件結構-AOA。使得用戶可以將其他的功能模塊直接掛接到RSView32的核心上去，生成一體的應用。

利用遠程客戶擴展您的RSView32的應用：

RSView32 Active Display System是用于RSView32的客戶/服務器應用。利用這個系統，你可以從遠程客戶端非常高效實時地監控到現場的設備運行狀況-不但可以讀取到實時的數據變化，也可以控制現場。

RSView32 WebServer對于有權用戶提供了不限客戶連接數的基于網絡瀏覽器(任何支持HTML、在任何平臺下-包括Linux/Unix等等的瀏覽器)的遠程監控方案。可以在遠程看到現場的畫面，參數值，報警等等。

RSView32 Messenger：提供強大的報警通知/消息功能。包括語音，電話，尋呼，自動電子郵件等等。

RSView32 TrendX：強功能的歷史數據趨勢查看/組態模塊。

RSView32 SPC：提供了集成的實時的統計過程控制-SPC。

RSView32 RecipePro：加強的RSView32配方管理和控制模塊。

4.2.2 檢測系統主界面

檢測系統主界面上將各種檢測指標顯示出來，能夠更直觀的查看各站情況，點擊各站名稱可進入各站實時檢測界面。主界面下方用紅色提示出實時指標預警情況，進行預警確認操作，如圖3所示。

圖3 檢測系統主界面

4.2.3 實時數據檢測畫面

下圖為山南儲配站實時檢測系統畫面，根據工藝設備和工藝流程設計了畫面，將罐容、壓力、入口中壓、出口中壓出口低壓、入口流量、流量等指標展示在界面中，通過數據通訊程序實時更新數據,如圖4所示。

圖4 實時數據檢測畫面

4.2.4 歷史數據查詢畫面

實時指標數據可按照時間順序繪制出歷史數據曲線進行連續的數據檢測，如圖5所示。

圖5 歷史數據查詢畫面

4.2.5 監測指標預警匯總畫面

對于實時監測過程中超出指標正常范圍的實時數據，系統自動彈出預警信息，操作人員需要在系統中進行確認預警操作，來消除預警消息，確認預警應當在處理完問題后進行確認操作，如圖6所示。

圖6 監測指標預警匯總畫面

5 在線預測

5.1 技術方案論述

總體實施框圖如圖7所示，項目實施中的每一步正好對應著預測軟件中的各個模塊。

圖7 總體設計框圖

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統，即數據采集與監視控制系統。SCADA系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。實時數據庫中存放的是SCADA系統實時采集的燃氣管網各站點的實時數據，系統通過定時查詢確定實時數據是否更新。數據一旦更新，馬上被軟件讀取，進入燃氣管網工況預測模塊，預測未來一段時間管網運行工況。

數據提取模塊按預測需求，從歷史數據庫中提取相應數據，包括時間，用氣量，溫度，放置在特定內存中，這一過程是通過對數據庫操作實現的，使用的是ADO控件和SQL結構化查詢命令。

數據處理模塊主要處理一些偽數據，包括超過正常數據范圍的數據，通訊中斷產生的偽數據和通訊錯誤產生的偽數據。然后對處理后的數據進行歸一化處理，得到0～1之間的一組數據。

格式化模塊將歸一化后的數據轉換成MATLAB能識別的數據，按MATLAB 格式準備訓練數據，按MATLAB 格式準備測試數據。

預測模塊是該項目的核心，通過選擇預測模型，編制程序，對燃氣負荷進行預測。

為了精確預測一周中各整點的負荷值，日期類型采用的是把一周劃分為7個日期類型，小時類型采用的是把一天劃分為24個小時類型，總共需要建立168個神經網絡模型。

5.2 技術創新點論述

燃氣負荷一般具有長期性，周期性和隨機性的變化趨勢，且具有日周期規律、星期周期規律和特殊節假日負荷增大的特點。影響燃氣負荷的因素較多，且預測有一定的復雜性，往往不容易準確預測。因此，在預測過程中對各種因素的考慮非常重要。燃氣負荷預測的方法很多，各種預測方法對結果的影響很大。因此，本文的創新點就是對預測模型進行選擇，并采用徑向基函數(RBF)和數理統計(概率分布)和時間序列分析相結合的組合方法進行預測。

該組合方法對燃氣SCADA系統的負荷預測和優化控制，國內無相同研究的文獻報道。

5.3 負荷預測模型的評估

對于負荷預測模型的評估有多種方法，如訓練時間、預測時間、預測精度等，但最終也是最重要的目標還是為了獲得精確的預測。因此大多數學者采用預測精度來評估負荷預測模型。該界面選用均方根相對誤差。

(1)

式中：RMSE表示均方根相對誤差；其他符號同前。

(6)最大負荷和最小負荷的相對誤差

(2)

(3)

6 實際應用情況

6.1 日常預測

利用模型進行模型擬合度檢驗，如圖8所示。

圖8 11年1月隨機抽樣日負荷預測結果檢驗

對最終結果進行檢驗數據處理均方差為MSE=1.325。RMSE=1.151。預測模擬精度的標準差為1.151萬m3。誤差平均為2.9%。最大誤差為6.9%。模型的擬合度能滿足日常調度需要。

6.2 罐容經濟曲線

目前我公司總罐容為20萬m3。作為當日調度心里應該明確，總罐容有7.522萬m3。這個空間可以保證調峰處在一個正常水平，按當日18.35%調節峰谷波動罐容比仍可以有40.99萬m3的調峰能力。因此當日調度可以明確20萬有效罐容為16萬m3，上限為18萬m3，下限為2萬。早高峰前罐容預測值應不低于14.478萬m3。氣源來量不少于2.833萬m3/h。這就為調度提供了重要的參考信息。

圖9是當月罐容實際運行的統計。

圖9 當月罐容實際運行統計

圖10為山南儲配站隨機調取2013年12月2日罐容運行情況：考慮當日工業戶有增量的計劃，罐容裝至安全上限。

圖10 山南儲配站2013年12月2日罐容運行情況

6.3 歷史數據統計

統計數據可以為規劃設計、氣源計劃、財務儲備提供科學依據，智能化平臺可以快捷方便、準確提取統計數據，為制定供氣調度計劃、合理安排氣源，以及長遠規劃設計、管理決策奠定基礎，如圖11所示。

圖11 達道灣2009年工業用氣量全年統計

7 燃氣調度指揮中心智能化設計的發展方向

隨著燃氣事業的不斷發展，軟件技術的不斷提高，燃氣智能化平臺將在以下幾個方面作為主要的發展方向。

7.1 與地理信息系統結合提供詳細的管網信息

燃氣管線埋設在地下，施工挖掘時需要精確定位，防止燃氣管線破損漏氣。遇到搶修時更需要及時準確地提供位置、材質、埋設深度等信息，確保安全、高效。目前以谷歌地圖為基準利用電子板工藝圖作為查詢界面，比以往翻閱圖紙的效率明顯提高。下一步需要開發更加專業的管網地理信息系統軟件，使管網信息查詢更加便捷高效。

7.2 與分析軟件結合提供更加強大的數據處理分析平臺

目前還需要人工通過對數據進行整理、對影響燃氣負荷的各種因素進行分析，運用徑向基函數(RBF)和數理統計(概率分布)相結合的組合方法建立相應數學模型，同時使用歷年的實際用氣負荷數據對模型進行智能訓練、修正。利用預測軟件可以建立起在線預測界面，提供數據處理功能，做到自動分析預測，可以使負荷預測操作更加簡單、精確。

7.3 與自控、遙控技術結合實現遠程壓力調控

由于遙控閥門的成本偏高，維護復雜，在燃氣管網的調峰、調壓作業中還需要人工操作，智能化平臺的作用還出在監測階段。隨著遙控閥門技術的不斷進步，進一步普及，必將給智能平臺的設計帶來新的變革。

The Design and Application of Intelligent Technology on Gas Dispatching Center

LUO Wen-jin1, MA Guang-qiang2, ZHANG Yan-zhen3

(1. Anshan Gas General Company, Liaoning, Anshan 114002, Liaoning Province, China;2. Benxi Iron and Steel Group Co., Ltd. Benxi 117000, Liaoning Province, China;3. Lingyuan Iron & Steel Co., Ltd, Lingyuan 122500, Liaoning Province, China)

The paper focuses on The Design and Application of Intelligent Technology on Gas Dispatching Center with Practice of dispatching Center SCADA upgrade.

Gas; Dispatching Center; SCADA; Intelligent Technology

2014-10-12

2014-12-27

羅文進，遼寧鞍山市燃氣總公司。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.010

TU

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