燃气调度中心智能技术的设计与应用

罗文进，马广强，张艳珍

(1.鞍山市燃气总公司,辽宁 鞍山 114002；2.本钢集团有限公司，辽宁 鞍山 117000;3.凌源钢铁集团有限责任公司，122500)

燃气调度中心智能技术的设计与应用

罗文进，马广强，张艳珍

(1.鞍山市燃气总公司,辽宁 鞍山 114002；2.本钢集团有限公司，辽宁 鞍山 117000;3.凌源钢铁集团有限责任公司，122500)

文中结合调度指挥中心SCADA改造升级的实践，提出了调度指挥中心智能化技术的设计与应用。

燃气；调度中心；SCADA；智能技术

0 引 言

鞍山市煤气公司于1952年正式成立，1992年经国家批准晋升为国家大二型企业，并更名为鞍山市煤气总公司，2009年经市政府批准，更名为鞍山市燃气总公司。鞍山市燃气总公司拥有显著的区域优势、稳定的客户群体、良好的企业形象和广阔的市场空间。截止“十一五”末期，鞍山燃气服务的客户群已超过50万户，城市管道燃气气化率超过93%，城市燃气管网1 600 km。近年来，由于辽河油田气源枯竭，鞍钢生产紧张导致的气源紧张问题日益严峻。合理调配气源，保证安全、提供稳定的供气服务是燃气公司要解决的一个非常重要的问题。随着我国西气东输、陕气进京等国家重点工程的建设，特别是2003年以来，鞍山燃气总公司陆续发展了鞍钢烧结，鞍钢彩涂板，福鞍铸钢、中钢热能院等工业用户，供气结构和供气总量变化较大。气源的多元化及用户的需求多样化使原以民用调峰为主的调度方式正面临转型升级的严峻考验。原有的监测系统已经不能满足工作需要。迫切要求建立科学的燃气智能化调度体系以解决气源管建设规划设计、供气管线改造、合理调度等方面的技术瓶颈。实现安全、科学、经济供气。

文中结合调度指挥中心SCADA改造升级的实践，提出了调度指挥中心智能化技术的设计与应用。

1 系统现状

目前燃气公司在各储配站均安装了检测设备，并将检测数据通过GPRS远程数据采集系统采集到储配站实时数据库中，市燃气总公司调度指挥中心通过安装客户端软件进行数据的查询。只能进行远程监测，没有数据处理分析功能，需要进行数据分析，在线预测及提示预警等智能化设计。

2 主要智能界面

(1)体现城市燃气输配系统的组成、主要工艺设备、工艺流程及计算方法、城市燃气的供需工况及调峰措施。

(2)各类用户的用气定额、城市燃气需用量的计算；用气工况；供气的对象及原则。

(3)日常输配数据统计，生产过程记录，工艺技术参数的限定及超值报警。

(4)输配燃气所需实际储气容积的计算，调峰方式及选择。高峰期加压曲线提示。选择合理加压时间段的安全经济方案。

(5)燃气输配岗位职工培训操作演示系统。

(6)工业户供气计划及生产用气量的平衡。

(7)实现区域供气，保证施工降压及抢修期间作业区域内管网压力的安全，作业区域外正常供气。

(8)制定及实施设备维修期间的供气方案。

(9)掌握设备运行状况，对输配系统设备运行中的故障提出整改建议。

(10)数据的采集分析、在线负荷预测。

3 技术原则

统筹规划，统一标准：坚持信息化建设与燃气检测宏观调控和综合业务互相促进。统一领导、统一组织、统一规划、统一技术、统一标准、统一实施。尽可能使用国家标准和行业标准，与公司信息化和燃气检测信息化建设要求相衔接。

经济合理，注重实效：系统建设中，兼顾实用性、可靠性、安全性、先进性、可扩充性，在满足功能要求的前提下，尽可能降低建设成本和运行成本。在系统建设特别是应用系统建设中，采用平台化、构件化的思想，充分利用成熟的应用支撑平台及中间件技术，分层实现，减少系统建设和维护工作量，提高系统的整体质量和效率，节省投资，应对变革。

3.1 先进性和成熟性

信息技术尤其是软件技术发展迅速，新理念、新体系、新技术迭相推出，这造成了新的、先进的技术与成熟的技术之间的矛盾。而大规模、全局性的应用系统，其功能和性能要求具有综合性。因此，在设计理念、技术体系、产品选用等方面要求先进性和成熟性的统一，采用B/S分布处理、无连接服务、合理非范式化、数据库分区和负载均衡等技术措施以满足系统在很长的生命周期内持续的可维护和可扩展。

3.2 开放性和标准性

系统将建立统一的先进的平台标准，符合国家关于信息化建设的电子政务有关标准，软件在设计时按照业务的需求进行平台级及模块化设计，制定统一的接口标准，使软件系统具有高度集成性。系统建成后，其他系统可以经过一定的改造接入到本系统的平台上，从而辽宁省人口信息管理系统成为一个开放的平台，同时采用Internet技术、B/S技术，使软件具有可扩充性和升级性。

3.3 实效性和共享性

系统将建立直观易用的信息采集平台和设定权限的信息发布平台。采用文档与关系型数据库技术，进行各种信息的管理，确保系统的实效性和共享性，系统技术上先进、实用、合理，具有较长的生命周期。

3.4 可操作性和易用性

系统建设将结合实际需求，可操作性为重点，避免追求大而全。并且保证系统的易用性，使各类人员都能方便的使用本系统，开放的体系结构，具有互操作性。采用可视化技术，面向对象技术，使其具有易用性。

3.5 安全性和可靠性

安全是系统正常运行的保证，所以要充分重视系统的安全，包括整个网络环境、基础工作平台、应用系统和数据信息的综合安全体系。

3.6 系统设计架构

燃气公司各采集站采用GPRS远程数据采集的方式，将山南、宋三、立山、深沟寺各燃气储配站的设备检测指标采集到罐站实时数据库中，实时数据通讯及规约转换程序将各储配站数据提取并进行DDE数据交换，使得实时数据检测系统能够同步获取储配站检测数据，实时数据检测系统将获取到的实时数据进行显示、历史数据查询、检测指标预警汇总、分机运转查询和气源数据查询。系统整体架构图，如图1所示。

图1 系统整体架构图

4 系统功能设计

4.1 实时数据通讯及DDE数据交换程序

4.1.1 实时数据通讯

系统将储配站实时数据库作为数据源，应用程序和数据根据设定周期进行数据通讯，将储配站实时数据库的数据及时的提取出来，供数据检测系统调用。

4.1.2 DDE数据交换程序

DDE是一种动态数据交换机制(Dynamic Data Exchange，DDE)。DDE是进程通讯的方法。进场间通讯 (IPC)包括进程之间的同步事件之间的数据传递。DDE使用共享内存来时间进程见的数据交换以及使用DDE获得传递数据的同步。DDE协议是一组所偶有的DDE应用程序都必须遵循的规则集。DDE协议可以应用于两类个类型DDE应用程序：第一类是基于消息的DDE，第二类是动态数据交换管理库(DDEM)应用程序(使用动态链接库(DLL)，该库是随Windows系统一起发型)。

DDE应用程序可以分为4种类型：客户、服务器、客户/服务器和监视器。DDE绘画发生再客户应用程序和服务器应用程序之间。客户应用程序从服务器应用程序请求数据或服务，服务器应用程序响应相应客户应用程序的数据和服务请求。客户/服务器应用程序既是客户应用程序又是服务器应用程序，它既可发出请求，又可提供信息。监视器用用程序用于调试目的，如图2所示。

图2 DDE工作原理与结构

4.2 实时数据检测系统

4.2.1 实时数据检测软件RSView32介绍

RSView32是基于Windows环境(支持Windows 2000)的工业监控软件。利用RSView32可以广泛的和不同的数据源、PLC-包括第三方的PLC建立通讯连接，建立广阔的监控应用。

作为人机监控软件-HMI，RSView32采用了全面支持ActiveX?的技术，使得用户可以在显示画面中任意简单地插入ActiveX控件，来丰富应用。开发了RSView32的对象模型-Object Model，使得用户可以简单的将RSView32和其他的基于组件的应用软件互操作或者集成应用。

集成微软的Visual Basic? for Applications (VBA)作为内建的脚本语言编辑器。可以随意定制开发后台应用程序。同时支持OPC的服务器和客户端模式。亦即既可以通过OPC和硬件通讯，又可以向其他软件提供OPC的服务。第一个支持附加件结构-AOA。使得用户可以将其他的功能模块直接挂接到RSView32的核心上去，生成一体的应用。

利用远程客户扩展您的RSView32的应用：

RSView32 Active Display System是用于RSView32的客户/服务器应用。利用这个系统，你可以从远程客户端非常高效实时地监控到现场的设备运行状况-不但可以读取到实时的数据变化，也可以控制现场。

RSView32 WebServer对于有权用户提供了不限客户连接数的基于网络浏览器(任何支持HTML、在任何平台下-包括Linux/Unix等等的浏览器)的远程监控方案。可以在远程看到现场的画面，参数值，报警等等。

RSView32 Messenger：提供强大的报警通知/消息功能。包括语音，电话，寻呼，自动电子邮件等等。

RSView32 TrendX：强功能的历史数据趋势查看/组态模块。

RSView32 SPC：提供了集成的实时的统计过程控制-SPC。

RSView32 RecipePro：加强的RSView32配方管理和控制模块。

4.2.2 检测系统主界面

检测系统主界面上将各种检测指标显示出来，能够更直观的查看各站情况，点击各站名称可进入各站实时检测界面。主界面下方用红色提示出实时指标预警情况，进行预警确认操作，如图3所示。

图3 检测系统主界面

4.2.3 实时数据检测画面

下图为山南储配站实时检测系统画面，根据工艺设备和工艺流程设计了画面，将罐容、压力、入口中压、出口中压出口低压、入口流量、流量等指标展示在界面中，通过数据通讯程序实时更新数据,如图4所示。

图4 实时数据检测画面

4.2.4 历史数据查询画面

实时指标数据可按照时间顺序绘制出历史数据曲线进行连续的数据检测，如图5所示。

图5 历史数据查询画面

4.2.5 监测指标预警汇总画面

对于实时监测过程中超出指标正常范围的实时数据，系统自动弹出预警信息，操作人员需要在系统中进行确认预警操作，来消除预警消息，确认预警应当在处理完问题后进行确认操作，如图6所示。

图6 监测指标预警汇总画面

5 在线预测

5.1 技术方案论述

总体实施框图如图7所示，项目实施中的每一步正好对应着预测软件中的各个模块。

图7 总体设计框图

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。实时数据库中存放的是SCADA系统实时采集的燃气管网各站点的实时数据，系统通过定时查询确定实时数据是否更新。数据一旦更新，马上被软件读取，进入燃气管网工况预测模块，预测未来一段时间管网运行工况。

数据提取模块按预测需求，从历史数据库中提取相应数据，包括时间，用气量，温度，放置在特定内存中，这一过程是通过对数据库操作实现的，使用的是ADO控件和SQL结构化查询命令。

数据处理模块主要处理一些伪数据，包括超过正常数据范围的数据，通讯中断产生的伪数据和通讯错误产生的伪数据。然后对处理后的数据进行归一化处理，得到0～1之间的一组数据。

格式化模块将归一化后的数据转换成MATLAB能识别的数据，按MATLAB 格式准备训练数据，按MATLAB 格式准备测试数据。

预测模块是该项目的核心，通过选择预测模型，编制程序，对燃气负荷进行预测。

为了精确预测一周中各整点的负荷值，日期类型采用的是把一周划分为7个日期类型，小时类型采用的是把一天划分为24个小时类型，总共需要建立168个神经网络模型。

5.2 技术创新点论述

燃气负荷一般具有长期性，周期性和随机性的变化趋势，且具有日周期规律、星期周期规律和特殊节假日负荷增大的特点。影响燃气负荷的因素较多，且预测有一定的复杂性，往往不容易准确预测。因此，在预测过程中对各种因素的考虑非常重要。燃气负荷预测的方法很多，各种预测方法对结果的影响很大。因此，本文的创新点就是对预测模型进行选择，并采用径向基函数(RBF)和数理统计(概率分布)和时间序列分析相结合的组合方法进行预测。

该组合方法对燃气SCADA系统的负荷预测和优化控制，国内无相同研究的文献报道。

5.3 负荷预测模型的评估

对于负荷预测模型的评估有多种方法，如训练时间、预测时间、预测精度等，但最终也是最重要的目标还是为了获得精确的预测。因此大多数学者采用预测精度来评估负荷预测模型。该界面选用均方根相对误差。

(1)

式中：RMSE表示均方根相对误差；其他符号同前。

(6)最大负荷和最小负荷的相对误差

(2)

(3)

6 实际应用情况

6.1 日常预测

利用模型进行模型拟合度检验，如图8所示。

图8 11年1月随机抽样日负荷预测结果检验

对最终结果进行检验数据处理均方差为MSE=1.325。RMSE=1.151。预测模拟精度的标准差为1.151万m3。误差平均为2.9%。最大误差为6.9%。模型的拟合度能满足日常调度需要。

6.2 罐容经济曲线

目前我公司总罐容为20万m3。作为当日调度心里应该明确，总罐容有7.522万m3。这个空间可以保证调峰处在一个正常水平，按当日18.35%调节峰谷波动罐容比仍可以有40.99万m3的调峰能力。因此当日调度可以明确20万有效罐容为16万m3，上限为18万m3，下限为2万。早高峰前罐容预测值应不低于14.478万m3。气源来量不少于2.833万m3/h。这就为调度提供了重要的参考信息。

图9是当月罐容实际运行的统计。

图9 当月罐容实际运行统计

图10为山南储配站随机调取2013年12月2日罐容运行情况：考虑当日工业户有增量的计划，罐容装至安全上限。

图10 山南储配站2013年12月2日罐容运行情况

6.3 历史数据统计

统计数据可以为规划设计、气源计划、财务储备提供科学依据，智能化平台可以快捷方便、准确提取统计数据，为制定供气调度计划、合理安排气源，以及长远规划设计、管理决策奠定基础，如图11所示。

图11 达道湾2009年工业用气量全年统计

7 燃气调度指挥中心智能化设计的发展方向

随着燃气事业的不断发展，软件技术的不断提高，燃气智能化平台将在以下几个方面作为主要的发展方向。

7.1 与地理信息系统结合提供详细的管网信息

燃气管线埋设在地下，施工挖掘时需要精确定位，防止燃气管线破损漏气。遇到抢修时更需要及时准确地提供位置、材质、埋设深度等信息，确保安全、高效。目前以谷歌地图为基准利用电子板工艺图作为查询界面，比以往翻阅图纸的效率明显提高。下一步需要开发更加专业的管网地理信息系统软件，使管网信息查询更加便捷高效。

7.2 与分析软件结合提供更加强大的数据处理分析平台

目前还需要人工通过对数据进行整理、对影响燃气负荷的各种因素进行分析，运用径向基函数(RBF)和数理统计(概率分布)相结合的组合方法建立相应数学模型，同时使用历年的实际用气负荷数据对模型进行智能训练、修正。利用预测软件可以建立起在线预测界面，提供数据处理功能，做到自动分析预测，可以使负荷预测操作更加简单、精确。

7.3 与自控、遥控技术结合实现远程压力调控

由于遥控阀门的成本偏高，维护复杂，在燃气管网的调峰、调压作业中还需要人工操作，智能化平台的作用还出在监测阶段。随着遥控阀门技术的不断进步，进一步普及，必将给智能平台的设计带来新的变革。

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

罗文进，辽宁鞍山市燃气总公司。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.010

TU

B