管網仿真系統技術方案天然氣管網運營公司在日常的生產調度管理過程中，越來越深刻地意識到管網運行安全和用戶用氣量預測的重要性。他們希望有一種軟件可以完全準確地模擬管網實際的運行狀態，使操作員不僅可以得到SCADA實時數據還可以通過模擬軟件知道實時數據的正確性。在進一步的使用過程中，調度人員還希望這種仿真軟件能夠對管網未來的狀態進行預測，以使操作員提前了解管網的運行，制定調度計劃或避免故障發生。針對天然氣管網的實際情況我們選擇了GL公司的管網仿真軟件。GL公司的軟件可以提供綜合有效的管網模擬軟件系統，客戶可以根據不同的要求選擇不同的模塊，模擬軟件具有可擴展能力，能夠適應管線未來的項目擴展。GL公司的SPS可以實現管網的離線和在線仿真，Forecast可以進行管網的負荷預測。一、SPSSPS軟件家族包括管道的實時在線仿真（Statefinder）、泄露檢測（Leakfinder）、實時狀態預測（Predictor）、操作員培訓系統（Trainer）和離線仿真（Simulator）5個軟件。其中Statefinder、Leakfinder和Predictor是SPS軟件中的在線產品，它們的運行需要SCADA系統實時數據的支持，能夠實時動態的模擬管網的運行狀態。Leakfinder可以在管網實時運行中進行泄漏檢測，而Predictor則可以對動態管網的未來運行狀態進行預測。Trainer用于培訓管網系統操作人員，它可以模擬真實的SCADA系統運行狀態，使操作員在模擬的環境下學習如何操作管理管網系統。Simulator是其它四個軟件模塊的基礎，用于管道離線仿真、管道設計、管道運行能力的估算等。 眾所周知，SPS/仿真器擁有精確模擬管道設備中流體液力學和全部控制系統性能（非理想化）的手段，它所提供的仿真精度是任何其它軟件所不能比擬的。SPS擁有的強大的二次開發能力，是其他同等軟件所不具備的。它提供的ADL開發環境使得在不改變基本的核心仿真軟件的前提下，可以設置與基本仿真同時運行的應用，或者控制仿真過程。新定義的變量可以表示為仿真數據的函數，它們的值可以像任何隱式仿真數據一樣用于報告、結果顯示、或傳遞給第三方的應用或系統。操作員可以根據需要開發自己的應用程序、可選擇多種數學函數、可模擬PLC多種運行邏輯、可增改泄漏檢測的算法，等等，以滿足仿真過程中的各種需要。ADL開發環境可以應用于SPS的所有模塊。 SPS不僅可以運行在Windows系統還可以運行在UNIX系統下。1實時在線仿真（Statefinder）Statefinder根據實際的天然氣管網中的管徑管長、調壓器位置、氣體熱值等數據，建立管網仿真模型對實際管網運行狀態進行實時持續的仿真。它的模型包含了管網中的所有設備，特別值得一提的是Statefinder對管網中壓縮機復雜工藝的模擬是其它同類軟件所不能比擬的。Statefinder通過OPC接口將SCADA系統數據實時地輸入仿真系統，根據SCADA數據Statefinder可以動態的模擬管網運行工況，與實際管網并行運行，計算管網中各點的壓力、流量、濃度、管網儲氣量等其他參數，并過濾檢測數據，將仿真軟件的計算結果與SCADA實時數據相比較，如果超過設定的偏差值則會自動報警，以提醒調度員可能有故障發生。所以在線仿真能夠監測實時管網的運行。在線仿真軟件還可以實時跟蹤管網中各點的氣源比例。 實時在線仿真的性能必須非常穩定，能夠在臨時的數據中斷期間持續工作。同時，因為實時模型產生的管線狀態是仿真的出發點，預估狀態的精度是預估環境的根本。SPS實時在線仿真進行狀態預估的方法是將所有能夠得到的壓力和流量數據用于計算（即所謂的壓力-壓力聚合體）。以單個管道為例，如果已知上游和下游的壓力和流速，許多其它仿真系統通常是利用上游的壓力和下游的流速來驅動模型（壓力-流速聚合體），而剩下多余的數據則用來檢驗結果，或者推算儀表誤差。現在假設下游流量測量出現故障，其它系統在數據中斷期間便失去了計算的基礎，更糟糕的是，當數據中斷期間的流速發生變化時，這些系統將會在數據恢復時人為地在仿真管線中引入劇烈的動態效應。至少我們的一個競爭對手試圖通過運行多個實時模型來克服他們這種在技術上的缺陷。然而，SPS的技術在狀態預估中同時使用兩端的壓力和流量數據，實際上將管道系統分成了許多獨立的管道段，如果發生數據丟失，計算將不計丟失的數據而照常繼續， 并且利用剩下的實時數據來推算缺失數據的數值，達到在液力學上相容的狀態。 當管網中的部分地區發生故障或丟失數據時，仿真軟件也可以根據管網中其他各點的數據，實時動態的模擬故障發生地的管道運行工況，幫助操作員分析故障原因并解決問題，操作員還可以使用仿真數據對SCADA丟失的數據進行補充。 仿真曲線可以實施動態的顯示管網的運行、壓力流量的變化和操作員的操作，當SCADA數據丟失時，丟失點的數據和管道信息能夠被模擬生成，及時的顯示在曲線上。Statefinder計算的仿真結果可以由用戶設定，傳到用戶的自定義界面顯示或傳回到SCADA系統顯示。下圖顯示了SPS與SCADA系統的數據傳輸。RTU讀取現場儀表數據，傳送到SCADA服務器并在SCADA界面中顯示。SPS通過OPC接口可以讀取SCADA實時數據進行仿真模擬。SPS提供API接口，可以支持用戶開發界面顯示仿真數據。用戶也可以設置，將仿真數據傳回到SCADA服務器，在SCADA界面顯示。使用這種方法用戶可以直觀的比較SCADA實時數據和仿真數據。但由于這種方法加大了SCADA服務器的負荷，數據傳輸效率會比另一種方法低。用戶可以根據自己的需要選擇。2泄露檢測（Leakfinder） 高壓氣體管道突然發生泄漏對周圍用戶、居民是非常危險的，管道中不易察覺的細小泄漏也會給管網公司帶來巨大的經濟損失。所以對于管道氣體運行公司來說，高壓管網的泄漏檢測是非常重要的。SPS中的Leakfinder在模型和數據精確的基礎上能夠準確地監測管道運行并檢測氣體泄漏。 Leakfinder由SPS在線仿真(Statefinder)和泄露分析器(Leakanalyzer)組成，建立了及時準確地泄漏檢測系統。Statefinder使用SCADA系統實時數據跟蹤模擬管網動態運行狀態，當SCADA實時數據出現異常時，Statefinder將會告知Leakanalyzer，它是泄漏檢測的數據基礎。Leakanalyzer詳細檢查這些異常數據，并分析是否為氣體泄漏。如果泄露檢測系統發現了一個泄漏點，它將立刻發出警報并顯示泄漏地點、泄漏時間、泄露速度和泄露氣體總量。這些數據將及時地反映到SCADA界面或用戶的自定義界面。 由于SCADA數據經常存在的不穩定性，即使將其調節在測量的有效重復性內，它也很難被直接使用，因此為了得到液力學上合理的管道狀態，狀態預估過程允許假設虛擬流體在指定位置進入或離開管道，這些指定的位置稱為監測器。這種虛擬的流動，即所謂的“診斷流”，在一個調試好的系統中應該接近于零。引入的診斷流是檢測泄漏的關鍵。在真實管道中出現泄漏時，SCADA報告的壓力和流量與泄漏處的流出量相一致（在其本身的不確定性范圍內）。在實時狀態預估中，泄漏點并沒有流出量，達到同SCADA數據相對應的液力學狀態預估的唯一方法，是在這些診斷流處允許流體離開仿真系統，從而留下泄漏的“紙跡”以供詳細分析。 基于狀態預估的結果，SPS支持兩種不同的泄漏檢測方法：監測器平衡方法和泄漏量監測方法。針對任何特定管線（也可能是每段管道），具體選擇采用何種方法取決于該特定管道的狀況、測量情況和液力學特性。對于這兩種技術，正確的使用方法是采用一種以上的檢漏時間間隔。這種策略是使用較短的檢漏時間間隔迅速探測大的泄漏，而使用較長的檢漏時間間隔多花一些時間檢測小的泄漏。 兩種檢漏算法都在ADL中采用，因此系統的修改和操作對項目工程師（或客戶的檢漏分析師）也非常“開放”。事實上，如果客戶有檢漏的特殊算法，ADL能夠很容易地支持對系統的擴充。 在上面的介紹中我們提到Statefinder可以在SCADA系統丟失數據時進行補數，并正常工作。所以在使用了Statefinder的Leakfinder中，當管網中部分地區出現故障而無法得到實時數據時，泄漏檢測系統仍能正常運行并檢測管網中的泄漏點。當這種情況發生時，Leakanalyzer能夠自動調整泄漏檢測的門檻值（LDTs），以使系統保持正常運行狀態，避免錯誤報警。 泄漏檢測的精確度與模型建立、參數設置和現場數據采集設備的準確度有關。當客戶提供了計算所需的相關數據，實際模擬運行后計算的結果可以估算泄漏檢測的精確度。當然這一結果也是與所提供數據的準確度相關的。可以許諾客戶的是，在同一模型下，相同的參數數據時，SPS泄漏檢測軟件Leakfinder是同行業軟件中泄漏檢測精確度最高的。 3動態預測管網未來工況（Predictor）SPS的Predictor可以用于預測未來一段時間內的管網運行狀態。它同樣是一個實時在線系統，包含了Statefinder和預測器。使用Statefinder得到當前管網的運行狀態，預測器根據當前數據實時動態的對未來時間的管網進行預測。預測分為自動預測和條件預測。 自動預測使用Statefinder當前的計算結果作為預測的起始點，操作員可以設置預測時間，并將負荷預測中計算的各用戶相應時間段的負荷數據導入。預測系統則能實時動態的計算出管網未來的運行工況，它與實時數據并行運行，但時間軸是用戶設置的未來時間。同樣預測軟件也可以在預測中設置報警，以提醒操作員SCADA系統在未來可能要產生的報警。 在實際生產運行中，調度人員可以將客戶申報的第二天或未來幾小時的用氣量輸入預測系統，使用當前管網運行數據進行預測，查看管網是否能夠滿足客戶申報的用氣量。如滿足則用戶申報的用氣量可以作為用氣量計劃下發，如不滿足可在預測系統中進行調整驗證，制定新的用氣量計劃。 條件預測可以讓用戶設置一些假設的條件，并利用當前管網的運行數據預測當所設條件發生時管網的運行。例如：我們可以設置供氣點斷氣、管網中某點泄漏、某閥門關斷或備用氣源補氣等等。通過預測計算我們可以看到故障發生后管網的運行狀態、存活時間，操作員可以根據預測結果制定相應的搶修預案。 在日常的調度管理中，操作員可以把自動預測作為默認方式，設定好預測未來一天或未來一周的管網運行。Predictor將會按設定值自動預測。同時操作員可以設定幾種條件預測方案，當故障發生時操作員可手動選擇，以制定搶修方案用。例如當供氣點發生故障斷氣搶修時，操作員可以選擇供氣點斷氣的條件預測方案，使用當前管網運行狀態數據作為起始點進行預測，模擬未來管道的運行。通過模擬仿真，操作員可以得到管網的存活時間，各個重要客戶點在故障后發生了怎樣的變化。這些數據可以有效的幫助操作員制定搶修計劃。在搶修過程中，在線仿真實時監測管網的運行，預測系統也能夠實時的根據當前管網的最新狀態進行預測，操作員可以非常直觀地了解到搶修的進程以及搶修方案是否正確。 對于預測結果的精確度和泄漏檢測系統一樣，是與當前管道數據的準確性相關的。這里提供一個例子來說明SPS與同類產品相比的優越性。幾年前， 一家歐洲SCADA供應商曾利用獨立的試驗來測試仿真軟件。SCADA供應商從海底輸氣管道收集了上游和下游24小時壓力和流量數據，為了仿真軟件供應商們標定它們的模型，提供了管道的物理數據（長度，直徑，壁厚，高度曲線等等）、氣體成份和前8小時的數據，隨后16小時的下游壓力沒有提供。而在下游壓力“消失”的16個小時中關閉和開啟一個管道隔斷閥，在系統中引進劇烈的瞬態變化，使測試復雜化。 測試是估算缺少的下游壓力（SCADA供應商知道其實際值）。 仿真軟件供應商們把他們的估算送回SCADA供應商分析，Advantica的SPS評為最佳仿真預測系統 4.離線仿真（Simulator）離線分析是管網某一時間點靜態平衡下的分析計算。調度人員可以將某一點的SCADA數據導入仿真系統，計算管網在該時間點的儲氣量、各點壓力、流量數據、燃氣熱值等。用戶需要增大或減少用氣量時，也可以通過離線計算查看更改是否合理，會不會超出管網的負荷能力。 在管網運行過程中用戶用氣量的變化會導致管網壓力變化。例如柘中電廠加大用氣量就會導致白鶴到柘中電廠中間管道壓力的下降。調度人員可以利用離線系統計算當管網負荷已經很大的情況下是否還允許用戶加大用量，或者為保證某些重要用戶的使用可以適當減少周圍哪些用戶的使用。 此計算是在仿真軟件離線分析下進行的，通常情況下調度人員可以從SCADA系統導入一天、一月或一季度中用氣量高峰時間點的數據到仿真系統，這些數據包括氣源點的壓力、調壓站的出口壓力以及用戶的用氣量。然后調度人員人為的加大某一用戶的用氣量，通過離線計算察看管網的壓力是否能夠承受。或者在運行過程中某一用戶臨時需要加大用氣量，而調度人員不確認在當前管網運行的狀態下是否能夠承受此需求。那么此時調度人員可以導出當前時間的SCADA數據到仿真系統，通過設置該用戶的用氣量來計算管網的壓力。如果加大用氣量導致了管網失壓，在允許的情況下調度人員也可以設置減少周圍用戶的用氣量以保證此用戶的用氣。利用離線分析，可以計算出其他用戶的用氣量減少多少即可滿足此用戶的需求。 離線分析也可用于管道設計。當管網中需要增加或減少管道時，設計人員可以在離線系統中建立模型，進行模擬計算，使用分析驗證加、減管道的合理性。5.操作員培訓系統（Trainer） 操作員培訓系統(Trainer)為管網調度人員提供了一個完全模擬SCADA系統操作的環境。它是一套離線的系統，就像飛行員培訓系統一樣，Trainer提供了完全仿真的SCADA環境。它可以真實的模擬管網氣體的動態工況和管網中設備的運行，操作員會感覺像在操作真正的管網。操作員培訓系統提供了一套開發工具可以由用戶自定義開發模擬系統的操作界面、管網的運行方式，它可以與SPS在線和離線軟件相連讀取仿真數據作為數據源。培訓系統可以模擬所有操作員所需要的日常操作：啟停壓縮機、改變任意點的壓力/流量、開/關閥等。此外，Trainer還可以模擬RTU對壓縮機的非連續控制。所有這些操作與在真實的SCADA系統中操作完全一樣，但操作對SCADA沒有任何影響。 SPS/培訓器建立在SPS高保真液力學仿真精確性的基礎上，配以控制室式的操作員圖形界面。操作界面可以設置為兩種不同風格。 有“圖形界面”的SPS/培訓器一般在微機上運行，在這種情況下，使用同我們的示意圖軟件編程工具相連的Microsoft? Visual Basic建立屏幕對話框，供用戶與培訓程序交互作用。這些屏幕通常被設計成外表和行為類似于控制室的SCADA屏幕。依據SCADA系統的制造年限（或學生界面的設計），一些控制室屏幕可能僅有簡單的圖形，而依靠文字表格將數據呈現給學生；而另一些界面則會有站內設備、流動路線等的動態顯示（顏色變化、動畫）。Visual Basic很容易支持這類界面，示意圖軟件的細節將在下一節提供。 有“SCADA界面”的SPS/培訓器使其主機同SCADA主機系統的一個復制件結合。復制的SCADA主機系統以為它是在與真實的管線通訊，而實際上是由SPS/培訓器截獲這些通訊，并從正在進行的仿真中反回數據。SPS/培訓器也截獲發往現場的設備控制和定點的指令，同時在仿真中執行同等的控制。 用戶在培訓操作員時，可以使用Trainer預定義一些管網故障，在培訓過程中操作員將學會如何處理這些故障，以使得在實際的管網運行過程中受培訓的操作員能夠正確處理。 在實際的SCADA系統中，系統通過RTU采集現場數據，傳送到SCADA服務器，操作員通過SCADA操作界面GUI查看管道數據并下發操作命令。在培訓系統中用戶使用Trainer開發并復制了SCADA服務器，SPS的仿真數據傳送到Trainer主機，這相當于實際系統中RTU的采集數據，然后數據傳送到復制的SCADA服務器，而培訓系統界面相當于SCADA系統GUI，受培訓人員就像在操作實際的SCADA系統。 培訓系統還提供了操作員考核功能。它以培訓系統為背景，用戶可以自定義考核內容，對操作員培訓結果進行檢查。 二、負荷預測（Forecaster） 天然氣管網公司在日常的運行中，需要知道整個管網的供氣能力、各用戶未來的需求量、用戶的用氣趨勢，并平衡供氣量和用氣負荷。負荷預測軟件Forecaster提供了用戶用氣量預測的功能。它可以計算并繪制未來用戶用氣量曲線，幫助天然氣管網公司平衡供氣量和需求以及幫助調度員制定調峰計劃。Forecaster可以幫助調度人員預測住宅用戶、商業用戶、工業用戶以及大型電廠等用戶的用氣量。天然氣公司對用戶未來用氣量掌握的越詳細就越能準確的知道所需購買的供氣量，從而可以大幅度降低開銷和減少浪費。 上圖是預測系統整體結構圖。整個預測系統由四大部分支持：負荷預測軟件Forecaster、歷史天氣數據、SCADA歷史數據以及客戶信息系統(CIS)的客戶數據。其中歷史天氣數據、SCADA歷史數據和客戶信息數據是負荷預測的數據計算依據。Advantica的Forecaster預測軟件共有6種計算方法用于負荷預測計算，Regression（回歸法）、Neural Network（神經網絡法）、Auto Regressive Integrated Moving Average（ARIMA） （差分自回歸滑動平均法）、Carnak（Carnak法）、Combination（綜合法）和Bayesian（貝葉斯法）。它們的計算原理如下圖所示，Combination是前四種方法的綜合運用，Bayesian方法使用了貝葉斯統計法進行計算。我們可以為不同的用戶選擇不同的計算方法，并可以使用XML語言對各種計算方法進行配置，反復計算進行比較，為各個用戶選擇最適合他們的方法，能夠最準確地預測用氣量。Forecaster使用客戶信息結合天氣數據在模型中建立負荷預測，數據存儲在Oracle數據庫中。豐富的歷史數據是準確預測的前提，一般在負荷預測前，都要收集幾年的SCADA歷史數據和天氣數據。操