基于XML语言生成TGNET仿真模型的升级改进
——以天然气产运销方案校核为例
2019-10-08刘定智郜婕梁严张甜
刘定智 郜婕 梁严 张甜
（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.昆仑能源湖北黄冈液化天然气有限公司）
0 引言
天然气工业从勘探、开发、管输到销售是一条紧密联系的产业链。为了促进天然气产业链上中下游协调发展，在规划阶段就需要统筹考虑各环节特点和发展趋势，通过产运销平衡分析，编制产运销规划方案。在天然气产运销规划工作中，方案校核是一项重要内容。在业务流程上，方案校核是实现规划业务闭环管理的重要环节；在校核过程中，通过细化各环节工艺约束，提前发现并解决各环节局部瓶颈，使规划方案更贴近实际，提高方案合理性。
管网环节是天然气产运销规划方案校核重点，通常采用仿真软件完成管网校核工作。TGNET管网仿真软件是校核天然气产运销规划方案的常用工具。该软件具有操作简便、价格适中、稳态计算精度较高等特点［1］。产运销方案校核过程如下：
（1）将产运销方案转换为TGNET模型；
（2）利用TGNET软件仿真计算；
（3）分析仿真结果，完成校核工作。
将产运销方案转换为TGNET模型是校核基础，但人工绘制拓扑模型工作量巨大、耗时很长、校核效率较低。提高TGNET模型转换效率是提高产运销方案校核整体效率的关键。
1 TGNET模型的转换进程
1.1 手工绘制的管网拓扑模型
天然气产运销平衡方式不同，TGNET模型的转换方法也不同。采用 Excel人工平衡方式生成产运销方案时，首先利用TGNET建模工具，手工绘制管网拓扑模型，再以拓扑模型为基础，手工输入或分批拷贝产运销参数，完成所有输入并通过错误检查后，再进行仿真校核。其中，建立管网拓扑模型的工作量最大，完全依靠人工完成，效率较低。需要采用更先进的方法完成模型自动转换。
1.2 基于KWS脚本自动生成的仿真模型
2015年以来，中国石油天然气股份有限公司规划总院（简称规划总院）自主研发了天然气产运销一体化优化软件生成产运销方案［2］。在应用该软件校核规划方案过程中，为了克服人工绘制拓扑模型工作量大、校核效率较低等问题，规划总院又研发了基于KWS脚本自动生成仿真模型的方法［3］43。即根据KWS语法，将产运销优化模型自动转换为KWS文件后导入TGNET软件，自动生成管网仿真模型，通过仿真分析，完成方案校核。
几年来的应用表明，KWS转换方法能大幅缩短人工建立管网拓扑模型和参数输入的时间，提高了工作效率。但在以下几方面仍需改进：
第一，由于 KWS文件形成于 TGNET早期版本，该文件主要用于计算，生成仿真模型只是辅助功能，对管网的图形化支持不足。将KWS文件导入TGNET软件后，管网拓扑结构存在局部变形。主要表现在：
（1）无法控制单节点组件位置。在人工绘制管网仿真模型时，可按照用户意愿，任意排布各组件拓扑位置。但采用 KWS文件生成拓扑模型时，TGNET只能根据单节点组件（包括气源、客户、储气库等）与相连节点的位置关系自动调整拓扑位置，不能根据需要人工设定单节点组件位置。
图1为优化软件的原始拓扑结构，图2 KWS文件导入TGNET后的拓扑结构。
图1 优化软件的原始拓扑结构
图2 KWS文件导入TGNET后的拓扑结构
对比图1和图2，导入KWS文件后，管段、压缩机、调节阀等双节点组件位置保持不变，但气源、客户等单节点组件（图中绿色）自动调整为竖直向上。连接同一节点的组件自动按水平方向等间距、等高度排列，人工无法设定，拓扑结构存在局部变形。尽管不影响计算，但对于复杂管网，影响模型直观性，最终影响仿真校核。
（2）无法显示数据块。KWS文件不支持数据块（Data Block）显示，不能实现插入数据块并在TGNET软件界面中直观显示仿真结果。需要人工逐个将数据块内容导入TGNET界面，工作量巨大。
第二，KWS文件导入需要KEY文件支持［3］44。由于无法包含参数单位，在导入KWS文件时，还要根据不同单位设置，配套不同KEY文件，操作繁琐。
第三，高版本TGNET逐渐取消了KWS导入支持，使用不便。在TGNET 3.0及以前版本中，TGNET仅支持KWS导入而不支持XML方式。TGNET 3.4版可同时支持 KWS和 XML两种导入方式。在TGNET 3.6及以后的高版本中，TGNET逐渐取消了KWS导入功能。应用高版本开展仿真校核工作时，需先将KWS文件导入低版本TGNET，另存为TGW模型文件，再用高版本TGNET打开TGW文件，要先后用到低版本和高版本两套软件，使用不便。
为了克服以上不足，考虑采用XML语言自动生成高版本TGNET仿真模型。
2 基于XML语言的TGNET校核方法
2.1 XML语言简介
XML（eXtensible Markup Language）即可扩展标记语言，是一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言。它可以用来标记数据，定义数据类型，是一种允许用户对自己的标记语言进行定义的源语言。该语言提供统一的方法来描述和交换独立于应用程序或供应商的结构化数据，是各种应用程序之间进行数据传输的常用工具。
2.2 组件合并
产运销优化软件用节点、气源、客户、管段、储气库、固定自耗气、压缩机、调节阀、阻力件、冷却器、加热器、储气罐等12种组件抽象描述了天然气业务链系统，但并未完全与TGNET组件对应。与KWS方法类似，在生成XML文件前，首先要完成组件合并。为满足管网校核要求，需要合并的组件包括：用天然气客户替代固定自耗气和储气库注气、用气源替代储气库采气和LNG储气罐、取消冷却器和加热器（规划阶段校核不考虑温度影响）。其余节点、气源、客户、管段、压缩机、调节阀、阻力件等与TGNET组件对应，不必合并。
2.3 XML计算程序
参照 KWS脚本转换方法，将 XML文件选作TGNET与其他软件交换数据的中间文件。与 KWS文件类似，XML文件也是纯文本格式，可按照XML语法规则，编写数据转换程序，自动生成XML文件，将产运销软件中计算规划方案的优化模型自动转化为TGNET校核模型。在生成TGNET模型时，除了XML基本语法，还要满足以下特殊语法（下文中[]表示需要由产运销优化软件导出的参数替换）：
（1）节点。TGNET软件用节点表示各组件间的空间连接关系。节点的XML语法如下：
（2）单节点组件。单节点组件指只有一端与节点相连的组件，包括气源、客户、储气库等。以气源为例，XML语法如下：
XML中可人工设置气源坐标，避免了拓扑变形。而在KWS中，只能控制节点位置，气源坐标由软件自动生成，无法人为设定气源位置。其他单节点组件的语法与气源类似。
（3）双节点组件。双节点组件指两端都与节点相连的组件，包括管段、压缩机、调节阀、阻力件等。以管段为例，XML语法如下：
其他双节点组件的语法与管段类似。
（4）其他设置。除了管网拓扑组件，还要通过XML设置TGNET的流体组分、参数单位、标准压力、标准温度、状态方程、黏度、迭代次数、误差限等。这些参数与管网拓扑无关，可按照 TGNET的XML语法直接写入XML文件。
与 KWS相比，XML转换方式具有明显优势：一是可以通过XML控制更多软件参数；二是可以直接保存参数单位，不必再通过KEY文件配置仿真模型单位，只用一个XML文件即可完成模型导入。
2.4 XML转换方法的优势
在 TGNET早期版本中，由于没有图形建模功能，需要通过人工编写KWS文件建立仿真模型，效率较低。与KWS脚本相比，XML语言的功能更强，按照XML语法规则和组件合并原则，既可建立仿真模型，又可支持数据块（Data Block）显示。但XML语法更加复杂，人工编写代码的工作量非常大，必须通过程序将产运销优化模型自动转换为 XML文件，再将XML文件导入TGNET软件，生成管网仿真模型，开展方案校核工作。转换程序框图见图3。
图3 转换程序框图
借鉴 KWS方式，XML转换程序也利用 C++语言开发，包括一个父类，三个子类，分别为：CGasPTSTgnetModelXML（父类）、CGasTgnetYearXML（子类）、CGasTgnetMonth_MonthXML（子类）、CGasTgnetMonth_YearXML（子类）。以上各类均包含数据库连接、数据载入、错误判断与定位、单位转化、XML文件生成等五个方法。使用时，只需将优化模型的SQLite数据库地址传递给转换程序。由转换程序依次调用以上五个方法，读取数据并转换生成XML文件，实现年、月优化模型的自动转换。
在现有天然气产运销一体化优化软件的“导出为TGNET模型”模块中，嵌入GasPTSTgnet_Offline XML.dll动态链接库，使软件具备了转换生成 XML文件的功能。优化软件导出TGNET模型时，既可选择导出KWS文件（用于TGNET低版本），也可选择导出XML文件（用于TGNET高版本），使自动导出仿真模型功能可以适应多个TGNET版本。
3 方法测试
XML语言转换为TGNET模型的测试方法分为以下几个层次：
（1）测试各组件的连接关系是否正确；
（2）测试输入参数，即管网结构参数、物性参数、工艺参数等是否正确；
（3）测试各项设置，即计算模式、参数单位、迭代次数、误差限等是否正确；
（4）测试转换后的模型能否正常计算；
（5）测试在TGNET各版本中能否正常使用；
（6）测试转换前后的拓扑结构是否一致。
为验证XML转换方法，先后选用了5套产运销优化模型参与测试。各项指标的测试结果见表1。
表1 XML语言转换为TGNET模型测试结果
测试结果表明，XML方法能有效避免KWS转换问题，主要包括：
（1）高版本无法直接打开问题。转换后生成的XML文件，在高版本TGNET中可直接导入并模拟计算，不必再借助低版本转换；
（2）转换后拓扑结构的一致性问题。将天然气产运销一体化优化软件的单节点组件坐标写入XML文件，再导入TGNET软件，避免了气源、客户等组件出现竖直方向调整和水平平铺问题；
（3）参数单位可较好地融入XML文件。可以将XML中设置的参数单位直接导入TGNET中，不必再借助KEY文件转换；
（4）具备数据块转换功能。将天然气产运销一体化优化软件的动态输出结果直接写入XML文件，即可在TGNET中显示数据块。
对于复杂管网，由于 TGNET暂未提供地理信息系统（GIS）中常用的数据遮盖自动调整功能，如果动态输出参数过多，将导致数据块占据较多空间，遮盖管网拓扑界面，影响使用。
4 应用效果
中国石油的天然气产运销优化模型中应用了XML转换方法。该模型共包含约1 700条管段、400个资源点以及2 800个用户，其节点数量超过1 500个，涵盖了中国石油现有和规划的所有天然气资源、客户，以及全部储气库、LNG接收站和绝大多数管道。模型拓扑复杂、规模庞大，是目前规划总院天然气产运销优化模型库中最复杂的一套。经过测试和应用，XML导出功能较好地反映了产运销系统实际情况。应用结果表明，在天然气产运销一体化优化软件环境下，利用TGNET模型的XML导出功能，可在 5分钟内完成以上模型逐年（10年）的 XML文件导出。由于 XML语法更为复杂，转换后 XML代码量大，文件生成过程比 KWS方式多耗时近 1分钟。但与KWS方法相比，XML方法能适应TGNET高版本要求，能更完整地转换拓扑数据，更好地融合产运销优化软件与TGNET软件。另外，采用中间文件转化思路，还可以选用其他文件格式，将产运销优化模型转换为其他管网仿真软件支持的分析模型，实现工艺校核目标。
综上所述，通过XML语言，可以将拓扑、工艺和设置等参数完整转换到TGNET仿真模型中。XML方法解决了拓扑结构局部变形、无法包含参数单位、难以直接用于TGNET高版本等问题，完善了产运销规划方案自动转化功能，进一步提高了校核效率，实用性较强。
