摘要：從調(diào)度的業(yè)務(wù)、功能模塊出發(fā)，分析現(xiàn)階段城市燃氣調(diào)度的現(xiàn)狀，構(gòu)建出城市燃氣運營調(diào)度智能化的總體架構(gòu)，提出調(diào)度智能優(yōu)化方向及關(guān)鍵技術(shù)，探討了調(diào)度智能化的應(yīng)用實踐——超壓超流量調(diào)度控制流程。

關(guān)鍵詞：智能化；  調(diào)度；  智能燃氣網(wǎng)；  優(yōu)化

Architecture and Optimization Direction of Operation and Scheduling of Intelligent City Gas Network

Abstract: The status quo of city gas scheduling is analyzed in terms of the business and functional modules for schedulin9．The overall frame of intelligent city gas operation and scheduling is constructed．The optimization direction and key technology of the intelligent scheduling are proposed．The application practice for scheduling intellectualization-overpressure super flow scheduling control process is discussed．

Key words: intellectualization；schedulin9；intelligent gas network；optimization

1 概述

國家能源科技十二五規(guī)劃指出：要積極優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，合理控制能源消費總量，推動能源生產(chǎn)和利用方式變革。因此，未來我國能源發(fā)展必將仍偏重保障供給為主，向科學(xué)調(diào)控能源生產(chǎn)和消費總量轉(zhuǎn)變；資源依賴型的發(fā)展模式向科技創(chuàng)新驅(qū)動型的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。從這些政策可以看出，未來我國城市能源供應(yīng)體系必將是一個安全穩(wěn)定、清潔高效、多元互補、智能控制的體系。這就需要我們建立一套有利于管網(wǎng)運營維護效率和成本控制的新一代智能化燃氣供應(yīng)系統(tǒng)。建設(shè)可靠、高效、互動、成本優(yōu)化的智能燃氣供應(yīng)系統(tǒng)，是發(fā)展清潔能源、節(jié)能減排、優(yōu)化資源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略選擇。

目前，我國天然氣承擔(dān)的任務(wù)以減排和清潔為主，燃氣管網(wǎng)尚處于大力發(fā)展階段，信息化、智能監(jiān)控和智能運營調(diào)度程度有待提高。燃氣供應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)建立了以SCADA系統(tǒng)、GIS為主的信息平臺，但各系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性不強，存在信息孤島現(xiàn)象，沒有形成統(tǒng)一的體系^[1]，而實現(xiàn)調(diào)度的智能化可以在很大程度上減少人為因素的干擾，降低誤調(diào)度的概率，提高運營調(diào)度的工作效率。本文結(jié)合我國燃氣供應(yīng)調(diào)度的特點，提出運營調(diào)度智能化的架構(gòu)，并分析我國發(fā)展燃氣網(wǎng)調(diào)度的智能優(yōu)化方向。

2 城市燃氣運營調(diào)度智能化架構(gòu)

2.1 城市燃氣運營調(diào)度的作用及業(yè)務(wù)模塊

城市燃氣企業(yè)的運營調(diào)度管理范圍基本上是從城市門站、儲配站、調(diào)壓站以及燃氣管道到用戶。運營調(diào)度就是對管網(wǎng)運行狀況進行監(jiān)控分析及調(diào)整、氣源協(xié)調(diào)、緊急情況的應(yīng)急指揮，從而使整個城市燃氣輸配系統(tǒng)處于安全、穩(wěn)定的狀態(tài)，為用戶提供高質(zhì)量的供氣服務(wù)，減少輸配過程中的損失，最大限度地延長系統(tǒng)的使用壽命，達到提高企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。實施這項任務(wù)的關(guān)鍵部門就是調(diào)度中心。調(diào)度中心的主要職能包括以下幾方面。

①輸配調(diào)度

監(jiān)控、記錄燃氣輸配管網(wǎng)的壓力、流量、溫度、加臭等各項技術(shù)參數(shù)在規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)安全運行；調(diào)度協(xié)調(diào)各廠站和管道的運行操作和設(shè)備檢修；保證輸配的安全運行和穩(wěn)定供氣。

②氣源調(diào)度

協(xié)調(diào)、監(jiān)控、記錄上游的燃氣流量、壓力、組成、熱值和一級輸差，保證城市輸配系統(tǒng)的燃氣連續(xù)供應(yīng)。

③應(yīng)急調(diào)度

編制調(diào)度預(yù)案，實施應(yīng)急調(diào)度。當(dāng)進氣量高于供氣量時，利用儲氣設(shè)施進行調(diào)峰，或采取緊急放散措施控制系統(tǒng)壓力，保證安全運行；當(dāng)氣源不足時，采取必要的限氣等措施，保證重點用戶的燃氣供應(yīng)。

④搶險調(diào)度

當(dāng)燃氣輸配系統(tǒng)發(fā)生燃氣泄漏、火災(zāi)、爆炸等安全事故，調(diào)度中心要及時調(diào)度搶險隊伍趕赴現(xiàn)場搶險維修，調(diào)度有關(guān)人員進行關(guān)閉閥門、緊急放散、通知用戶、現(xiàn)場警戒等協(xié)調(diào)工作，并向有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和部門及時報告。

2.2 智能化調(diào)度所需的應(yīng)用平臺

我國城市燃氣供應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢是將高科技研究成果應(yīng)用于我國城市燃氣輸配系統(tǒng)，實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)智能化。智能化調(diào)度具有信息化、自動化、互動化的特點，包含調(diào)度的各個環(huán)節(jié)，覆蓋全部管網(wǎng)。應(yīng)用平臺是構(gòu)架智能化調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，可為實現(xiàn)各類功能提供技術(shù)支持，其基礎(chǔ)系統(tǒng)主要包括以下幾方面。

①監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))

監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對門站、儲配站、調(diào)壓站的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等功能^[1]。

②地理信息系統(tǒng)

主要用于查看城市管網(wǎng)、管道設(shè)備以及調(diào)壓站、調(diào)壓箱等地理位置信息，實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)的動態(tài)管理。

③無線通信定位系統(tǒng)

日常用于定位巡檢人員、車輛。當(dāng)有險情發(fā)生時，用于及時報告情況、調(diào)配搶險人員、定位搶險車輛。

④氣象信息系統(tǒng)

建立氣象信息的采集與傳輸、存儲系統(tǒng)，提供實時的天氣情況。

⑤信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)需要存儲輸配管網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)、GIS、EAM系統(tǒng)(企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng))等在不同時間采集及存檔的資料和信息，并對這些資料和信息進行分類、統(tǒng)計、備份。

⑥決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)提供燃氣調(diào)度分析決策常用的計算功能，使各級調(diào)度部門可便捷地進行調(diào)度分析并制定調(diào)度方案。其計算功能使用的軟件包括數(shù)據(jù)分析軟件、管網(wǎng)動態(tài)模擬軟件、城市用氣量預(yù)測軟件以及智能決策分析軟件，例如管道完整性等級識別分析軟件、設(shè)備安全等級識別軟件、管網(wǎng)運行優(yōu)化軟件等。

由于其海量信息特點，智能調(diào)度的應(yīng)用平臺可以采用云計算技術(shù)來構(gòu)建，結(jié)合以上各基礎(chǔ)平臺的功能，實現(xiàn)智能調(diào)度的目的。

2．3智能化調(diào)度系統(tǒng)的功能

調(diào)度中心主要有兩大任務(wù)，一個是城市燃氣管網(wǎng)日常運行調(diào)控，另一個是管網(wǎng)運營優(yōu)化。因此，智能化調(diào)度系統(tǒng)就是要在這兩大業(yè)務(wù)上有所突破。具體地說，是以現(xiàn)有的調(diào)度結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用平臺為支撐，將先進的自動控制技術(shù)、信息通信技術(shù)、分析決策技術(shù)高度集成而形成的智能綜合調(diào)度平臺，可靈活配置資源進行調(diào)度工作，保證城市管網(wǎng)正常運行。隨著技術(shù)發(fā)展，逐步實現(xiàn)從離線預(yù)測、經(jīng)驗調(diào)度、人工控制到在線分析、智能決策、自動控制的飛躍。

綜合調(diào)度智能平臺工作時都是幾個基礎(chǔ)平臺同時運作，實現(xiàn)以下幾個單元功能。

①動態(tài)運行監(jiān)控單元

可對管網(wǎng)運行狀況實時監(jiān)測及調(diào)控。這種可視化不是簡單地以框圖顯示系統(tǒng)配置，而是SCADA系統(tǒng)與GIS相結(jié)合，準(zhǔn)確地顯示出實際地理位置的管網(wǎng)壓力、流量等情況，對管網(wǎng)的監(jiān)控更加真實、具體，實現(xiàn)管網(wǎng)運行全景監(jiān)控。

②實時安全評估單元

在日常運行中，能保證準(zhǔn)確的預(yù)警能力及預(yù)控能力。通過對調(diào)壓器運行狀況的監(jiān)測，進行分析比對，提前預(yù)知疑似危險點，同時調(diào)動相關(guān)基礎(chǔ)平臺實時在線、不間斷地分析、評估，給出調(diào)整結(jié)果，平衡管網(wǎng)運行狀態(tài)，達到前期預(yù)警、智能報警和協(xié)同控制的作用。當(dāng)突發(fā)事故時，能診斷事故地點及類型，并給出相應(yīng)控制策略幫助調(diào)度人員進行控制。

③優(yōu)化運營單元

在企業(yè)運營規(guī)則的指導(dǎo)下，根據(jù)約束條件運用各種優(yōu)化算法、優(yōu)化模型，達到提高運行可靠性、節(jié)省運行費用等優(yōu)化目標(biāo)，在管網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的狀態(tài)下實現(xiàn)企業(yè)運營的最優(yōu)化。例如以降低運行成本為優(yōu)化目標(biāo)時，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從遠程設(shè)備上獲取數(shù)據(jù)，管網(wǎng)動態(tài)模擬軟件再根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出管道的效率等參數(shù)，最后優(yōu)化軟件根據(jù)這些參數(shù)及預(yù)測的用氣量求解出運行方案，確定系統(tǒng)的運行方式、壓縮機及調(diào)節(jié)閥等的控制參數(shù)和各氣源的供氣量^[2]。

通過智能調(diào)度應(yīng)用平臺，可對管網(wǎng)運行進行有效控制，實現(xiàn)以上的運營調(diào)度功能需求。在發(fā)生較大故障時，能保障燃氣的正常供應(yīng)；在遇到自然災(zāi)害、突發(fā)性破壞時，也能保證管網(wǎng)安全運行。智能調(diào)度應(yīng)用平臺是整個運營調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)，需要統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。通過采用統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)平臺的開放性，對外提供標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用接口，保證各種應(yīng)用的連接，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高度集成化，并為以后的持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件。

3 城市燃氣運營調(diào)度智能優(yōu)化方向

3.1 運營調(diào)度智能優(yōu)化方向

①輸配調(diào)度優(yōu)化

日常的調(diào)度都是根據(jù)預(yù)測的負荷值來執(zhí)行的，因此，精確的負荷預(yù)測值是提高智能調(diào)度能力的關(guān)鍵。主要有兩方面可以改進，一是加強對天然氣負荷數(shù)據(jù)的處理能力，辨別假數(shù)據(jù)，提高負荷數(shù)據(jù)的真實性和準(zhǔn)確性；二是對模擬軟件的定期更新，以更好地適應(yīng)不斷發(fā)展的系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)的可靠性^[3]。

②氣源調(diào)度優(yōu)化

氣源多元化已經(jīng)是城市燃氣發(fā)展的大方向，這也給運營調(diào)度工作提出了又一問題。多氣源來氣的壓力如何平衡需要通過軟件進行模擬，找出平衡多氣源壓力的因素，完善調(diào)度措施。

③搶險與應(yīng)急調(diào)度優(yōu)化

搶險是否及時、人員和資源的運輸路線是否最優(yōu)是影響搶險救援的關(guān)鍵因素。這就需要建立一個多目標(biāo)優(yōu)化模型，使各個目標(biāo)在不沖突的情況下盡可能都達到最優(yōu)，保證搶險任務(wù)在最短時間內(nèi)開始，最大限度地減少人員傷亡及經(jīng)濟損失。

在事故后記錄事故情況，可建立數(shù)據(jù)庫，通過事故回放、故障特點分析等方法對事故進行整理、歸類，挖掘潛在的事故發(fā)生因素。例如，與天氣的關(guān)系、某一地理位置易發(fā)的事故、某類設(shè)備在某段時間易發(fā)的事故等等^[4]。

另外，為了提高搶險與應(yīng)急調(diào)度效率，可以利用綜合平臺建立調(diào)度人員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)。模擬管網(wǎng)狀態(tài)、事故發(fā)生狀況和控制中心環(huán)境，為調(diào)度人員提供真實的運行環(huán)境，用來訓(xùn)練他們的正常操作和事故處理能力^[5]。

3.2 調(diào)度智能化的關(guān)鍵技術(shù)

調(diào)度智能化的關(guān)鍵技術(shù)包括智能監(jiān)測技術(shù)、動態(tài)分析決策技術(shù)、自動控制技術(shù)、安全風(fēng)險評估技術(shù)、優(yōu)化調(diào)度技術(shù)、對外服務(wù)輔助技術(shù)、云計算管理技術(shù)等。這些關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)了智能化調(diào)度的可靠性、靈活性，為城市燃氣管網(wǎng)的正常運行提供保障，可以滿足資源優(yōu)化配置、運營經(jīng)濟性的要求。

4 調(diào)度智能化的應(yīng)用實踐

以超壓超流量調(diào)度控制流程(見圖l)為例。對調(diào)壓器、閥門進行智能改造，改造后的調(diào)壓器具有手動調(diào)節(jié)、自動調(diào)節(jié)、遙調(diào)、安全保護、參數(shù)設(shè)定及顯示功能，改造后的閥門具有手動、自動及遙控切斷、參數(shù)設(shè)定及顯示功能。

在日常調(diào)度運行中，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測調(diào)壓器出口壓力。無壓力波動時持續(xù)監(jiān)測，當(dāng)壓力波動符合調(diào)壓器內(nèi)預(yù)設(shè)的壓力曲線趨勢時，調(diào)壓器內(nèi)設(shè)定的程序自動啟動調(diào)節(jié)功能，保證壓力平穩(wěn)；當(dāng)調(diào)壓器出口壓力波動且不符合預(yù)測曲線時，調(diào)度中心的情景決策分析軟件對情況進行判斷，屬于非常規(guī)情景發(fā)生時，調(diào)度中心即輸入相關(guān)指令得到控制參數(shù)，開始進行干預(yù)控制。有兩種控制方式：一種是根據(jù)得到的參數(shù)向調(diào)壓器發(fā)出指令遠程控制調(diào)節(jié)，另一種是向廠站人員發(fā)出指令進行人工調(diào)節(jié)。對于閥門的調(diào)節(jié)也是同樣道理，由閥門內(nèi)設(shè)定的限定流量值判斷是否進行調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

城市燃氣運營調(diào)度智能化是構(gòu)建城市智能燃氣網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。運營調(diào)度智能化能夠提高管網(wǎng)利用效率，提升輸配能力，提高事故處理能力及效率，充分發(fā)揮調(diào)度作用。隨著國家經(jīng)濟發(fā)展和科技進步，智能化是發(fā)展趨勢，具有廣闊的前景。

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本文作者：高順利 劉靖 劉蓉 王碩

作者單位：北京市燃氣集團有限責(zé)任公司北京建筑工程學(xué)院供熱供燃氣通風(fēng)及空調(diào)工程北京市重點實驗室，北京l00044)