本發(fā)明涉及天然氣管道運(yùn)輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及控制回路性能評估技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種面向天然氣分輸站的基于最小方差的控制回路性能評估方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效的清潔能源，已發(fā)展成為世界三大主力能源之一。天然氣采用管道輸送，為下游分輸用戶提供壓力平穩(wěn)、安全可靠的天然氣。長輸管道的天然氣經(jīng)過高高壓、高中壓站進(jìn)入城市管網(wǎng)。天然氣分輸站是輸氣管道沿線為分輸氣體至用戶而設(shè)置的站場，為了保證高壓天然氣安全進(jìn)入下游管道，并保持持續(xù)供氣，分輸站需要通過調(diào)壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力，確保系統(tǒng)下游壓力不超過允許的壓力，同時保證當(dāng)調(diào)壓設(shè)備出現(xiàn)故障時，能進(jìn)行安全切斷。

近年來，天然氣輸送過程中事故頻發(fā)，如2014年1月份的青島中石化“11-22”特大事故共造成62人遇難，136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元。因此在應(yīng)用天然氣這種清潔高效的能源同時，必須要確保天然氣運(yùn)行的安全。在天然氣輸送過程中，由于在每個城市管網(wǎng)中都存在大量的工商業(yè)用戶、民用用戶，特別是工商業(yè)用戶由于沒有足夠的管道可作為緩沖儲氣，若輸送壓力波動太大或者停氣，將直接影響工業(yè)用戶的生產(chǎn)，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故，因此分輸站壓力調(diào)節(jié)是保證天然氣安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

但是，由于工作調(diào)節(jié)閥在高低溫、高壓、腐蝕等惡劣情況將導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥性能下降出現(xiàn)非線性工作特性，同時由于外部其他干擾(如進(jìn)站壓力變化)、控制器結(jié)構(gòu)或參數(shù)不合理等原因，控制回路的性能便會惡化甚至回路振蕩，導(dǎo)致天然氣運(yùn)行安全事故。因此，保證控制回路中控制器性能穩(wěn)定是很有必要的。

由于天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，分輸站控制回路越來越多。以浙江省天然氣運(yùn)行公司為例，其管理的省級天然氣管網(wǎng)在2015年末預(yù)計管線長度將超過1700公里，輸氣站55座、無人遠(yuǎn)控站21座、閥室83座，涉及到分輸站壓力控制回路達(dá)到數(shù)百條、壓力調(diào)節(jié)閥達(dá)到上千個。面對如此多的控制回路和閥門設(shè)備，對于天然氣運(yùn)行企業(yè)的站場管理和維護(hù)人員來講，是一個巨大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種基于最小方差的控制回路性能評估方法與系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)壓力控制回路性能下降趨勢或電動調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障時，該裝置能夠自動及時地對管理人員進(jìn)行提示，這將大大減輕人員的勞動強(qiáng)度，提升運(yùn)行管理效率，從而避免或減少天然氣分輸站存在的壓力波動過大以及安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具有如下構(gòu)成：

該基于最小方差的控制回路性能評估方法，所述的方法包括以下步驟：

采集天然氣管道壓力控制回路數(shù)據(jù)，所述控制回路數(shù)據(jù)包括天然氣管道進(jìn)口和出口的天然氣壓力參數(shù)；

對采集到的控制回路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立進(jìn)出口壓力的輸入輸出模型；

以天然氣管道進(jìn)口的天然氣壓力數(shù)據(jù)作為輸入，通過所述輸入輸出模型得到預(yù)測輸出值；

比較所述預(yù)測輸出值與實際采集到的天然氣管道出口的天然氣壓力數(shù)據(jù)得到誤差，基于最小方差算法評估控制回路的性能。

可選地，采用預(yù)測誤差方法，建立進(jìn)出口壓力的輸入輸出模型，所述預(yù)測誤差算法采用如下模型結(jié)構(gòu)：

yt+a1yt-1+…+anayt-na＝b1ut-1+b2ut-2+…+bnbut-nb

其中，

y表示管道出口壓力值，u表示管道入口壓力值，t表示當(dāng)前時刻，yt,…,yt-na分別表示t時刻之前不同時刻的管道出口壓力值，ut-1,…,ut-nb表示t時刻之前不同時刻的管道入口壓力值，a1,…,ana分別表示t時刻之前不同時刻對應(yīng)不同出口壓力值的模型參數(shù)，b1,…,bnb分別表示t時刻之前不同時刻對應(yīng)不同入口壓力值的模型參數(shù)，其中na和nb為預(yù)設(shè)時刻選擇數(shù)量。

可選地，基于預(yù)測誤差算法，根據(jù)如下公式辨識所述輸入輸出模型中的參數(shù)θ：

其中，θ表示輸入輸出模型參數(shù)，n表示參數(shù)θ個數(shù)，表示輸入輸出數(shù)據(jù)集，

該參數(shù)θ與所述預(yù)測誤差算法的模型結(jié)構(gòu)具有如下對應(yīng)關(guān)系：

θ＝[a1,…ana,b1,…bnb]^t

其中，[]^t表示向量轉(zhuǎn)置。

可選地，通過最小二乘法得到模型參數(shù)θmin，所述模型參數(shù)θmin通過求取導(dǎo)數(shù)得到，公式如下：

其中，θmin表示通過最小二乘法得到的輸入輸出模型參數(shù)，從而可以得到輸入輸出模型，argmin[]表示取最小值，n表示參數(shù)θ個數(shù)，表示輸入輸出數(shù)據(jù)集，()^-1表示求矩陣的逆。

可選地，根據(jù)如下公式計算最小方差值：

其中，為最小方差值，為所述預(yù)測輸出值與實際采集到的天然氣管道出口的天然氣壓力數(shù)據(jù)之間誤差的方差，為脈沖響應(yīng)系數(shù)，d為延遲時間，一般選取2或者3。

可選地，根據(jù)如下公式計算得到所述脈沖響應(yīng)函數(shù)：

g＝h0+h1q^-1+…+hd-1q^-d+1

其中，g表示脈沖響應(yīng)函數(shù)，由輸入輸出模型得到，q表示不同延遲時間下對應(yīng)不同脈沖響應(yīng)系數(shù)的反饋因子，d表示延遲時間。

可選地，基于最小方差算法評估控制回路的性能，包括如下步驟：

根據(jù)如下公式計算控制回路的性能指標(biāo)η：

其中，為實際采集到的天然氣管道出口的天然氣壓力數(shù)據(jù)的方差。

可選地，還包括如下步驟：

當(dāng)所述控制回路的性能指標(biāo)η大于預(yù)設(shè)性能閾值時，進(jìn)行故障報警。

本發(fā)明還提供了一種基于最小方差的控制回路性能評估系統(tǒng)，應(yīng)用于所述的基于最小方差的控制回路性能評估方法，所述系統(tǒng)包括：

數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集天然氣管道壓力控制回路數(shù)據(jù)，所述控制回路數(shù)據(jù)包括天然氣管道進(jìn)口和出口的天然氣壓力參數(shù)；

數(shù)據(jù)庫模塊，用于存儲所述天然氣管道壓力控制回路數(shù)據(jù)；

輸入輸出模型構(gòu)建模塊，用于采用預(yù)測誤差算法對采集到的控制回路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立進(jìn)出口壓力的輸入輸出模型；

預(yù)測誤差模塊，用于以天然氣管道進(jìn)口的天然氣壓力數(shù)據(jù)作為輸入，通過所述輸入輸出模型得到預(yù)測輸出值，比較所述預(yù)測輸出值與實際采集到的天然氣管道出口的天然氣壓力數(shù)據(jù)得到誤差；

控制回路性能指標(biāo)計算模塊，用于基于最小方差算法計算控制回路性能指標(biāo)。

可選地，還包括：

人機(jī)交互模塊，用于基于django框架搭建的網(wǎng)絡(luò)建立人際交互界面，通過所述人機(jī)交互界面發(fā)布控制回路性能指標(biāo)計算結(jié)果和報警信息。

采用該發(fā)明的基于最小方差的控制回路性能評估方法與系統(tǒng)，利用多臺個人計算機(jī)，通過采用django和mysql開源軟件，以基于最小方差的控制回路性能評估方法為基礎(chǔ)，構(gòu)建以實時采集的控制回路進(jìn)出口壓力數(shù)據(jù)來評估控制回路性能的在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；能夠?qū)μ烊粴夤艿缐毫刂苹芈愤M(jìn)行實時監(jiān)測，減輕人員的勞動強(qiáng)度，提升運(yùn)行管理效率，從而避免或減少天然氣管道存在的壓力波動過大以及安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于最小方差的控制回路性能評估方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明的基于最小方差的控制回路性能評估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了能夠更清楚地描述本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實施例來進(jìn)行進(jìn)一步的描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于最小方差的控制回路性能評估方法，所述的方法包括以下步驟：

采集天然氣管道壓力控制回路數(shù)據(jù)，所述控制回路數(shù)據(jù)包括天然氣管道進(jìn)口和出口的天然氣壓力參數(shù)；

對采集到的控制回路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立進(jìn)出口壓力的輸入輸出模型；

以天然氣管道進(jìn)口的天然氣壓力數(shù)據(jù)作為輸入，通過所述輸入輸出模型得到預(yù)測輸出值；

比較所述預(yù)測輸出值與實際采集到的天然氣管道出口的天然氣壓力數(shù)據(jù)得到誤差，基于最小方差算法評估控制回路的性能。

在一種優(yōu)選的實施方式中，采用預(yù)測誤差方法，建立進(jìn)出口壓力的輸入輸出模型，所述預(yù)測誤差算法采用如下模型結(jié)構(gòu)：

yt+a1yt-1+…+anayt-na＝b1ut-1+b2ut-2+…+bnbut-nb

其中，

y表示管道出口壓力值，u表示管道入口壓力值，t表示當(dāng)前時刻，yt,…,yt-na分別表示t時刻之前不同時刻的管道出口壓力值，ut-1,…,ut-nb表示t時刻之前不同時刻的管道入口壓力值，a1,…,ana分別表示t時刻之前不同時刻對應(yīng)不同出口壓力值的模型參數(shù)，b1,…,bnb分別表示t時刻之前不同時刻對應(yīng)不同入口壓力值的模型參數(shù)，其中na和nb為預(yù)設(shè)時刻選擇數(shù)量。

在一種優(yōu)選的實施方式中，基于預(yù)測誤差算法，根據(jù)如下公式辨識所述輸入輸出模型中的參數(shù)θ：

其中，θ表示輸入輸出模型參數(shù)，n表示參數(shù)θ個數(shù)，表示輸入輸出數(shù)據(jù)集，

該參數(shù)θ與所述預(yù)測誤差算法的模型結(jié)構(gòu)具有如下對應(yīng)關(guān)系：

θ＝[a1,…ana,b1,…bnb]^t

其中，[]^t表示向量轉(zhuǎn)置。

在一種優(yōu)選的實施方式中，通過最小二乘法得到模型參數(shù)θmin，所述模型參數(shù)θmin通過求取導(dǎo)數(shù)得到，公式如下：

其中，θmin表示通過最小二乘法得到的輸入輸出模型參數(shù)，從而可以得到輸入輸出模型，argmin[]表示取最小值，n表示參數(shù)θ個數(shù)，表示輸入輸出數(shù)據(jù)集，()^-1表示求矩陣的逆。

根據(jù)如下公式計算所述的誤差ε：

其中，ε表示所述預(yù)測輸出值與實際采集到的天然氣管道出口的天然氣壓力數(shù)據(jù)之間的誤差，是yt的預(yù)測值即以進(jìn)口壓力為輸入，通過輸入輸出模型得到的輸出值。

在一種優(yōu)選的實施方式中，根據(jù)如下公式計算最小方差值：

其中，為最小方差值，為所述預(yù)測輸出值與實際采集到的天然氣管道出口的天然氣壓力數(shù)據(jù)之間誤差的方差，為脈沖響應(yīng)系數(shù)，d為延遲時間，一般選取2或者3。

在一種優(yōu)選的實施方式中，根據(jù)如下公式計算得到所述脈沖響應(yīng)函數(shù)：

g＝h0+h1q^-1+…+hd-1q^-d+1

其中，g表示脈沖響應(yīng)函數(shù)，由輸入輸出模型得到，q表示不同延遲時間下對應(yīng)不同脈沖響應(yīng)系數(shù)的反饋因子，d表示延遲時間。

在一種優(yōu)選的實施方式中，基于最小方差算法評估控制回路的性能，包括如下步驟：

根據(jù)如下公式計算控制回路的性能指標(biāo)η：

其中，為實際采集到的天然氣管道出口的天然氣壓力數(shù)據(jù)的方差。

在一種優(yōu)選的實施方式中，還包括如下步驟：

當(dāng)所述控制回路的性能指標(biāo)η大于預(yù)設(shè)性能閾值時，進(jìn)行故障報警。

如圖2所示，本發(fā)明還提供了一種基于最小方差的控制回路性能評估系統(tǒng)，應(yīng)用于所述的基于最小方差的控制回路性能評估方法。首先，通過plc采集天然氣管道壓力控制回路數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；其次，再利用通過django和mysql開源軟件，和多臺計算機(jī)進(jìn)行分布式存儲；然后，利用預(yù)測誤差算法，辨識輸入輸出模型和獲取誤差；再通過最小方差算法，計算得到控制回路性能指標(biāo)；在人機(jī)界面上，采用web形式對控制回路進(jìn)出口壓力和控制回路性能進(jìn)行查詢，對控制回路性能進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測值超過設(shè)定閾值后，進(jìn)行報警。

所述系統(tǒng)包括：

數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集天然氣管道壓力控制回路數(shù)據(jù)，所述控制回路數(shù)據(jù)包括天然氣管道進(jìn)口和出口的天然氣壓力參數(shù)；

數(shù)據(jù)庫模塊，用于存儲所述天然氣管道壓力控制回路數(shù)據(jù)；

輸入輸出模型構(gòu)建模塊，用于采用預(yù)測誤差算法對采集到的控制回路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立進(jìn)出口壓力的輸入輸出模型；

預(yù)測誤差模塊，用于以天然氣管道進(jìn)口的天然氣壓力數(shù)據(jù)作為輸入，通過所述輸入輸出模型得到預(yù)測輸出值，比較所述預(yù)測輸出值與實際采集到的天然氣管道出口的天然氣壓力數(shù)據(jù)得到誤差；

控制回路性能指標(biāo)計算模塊，用于基于最小方差算法計算控制回路性能指標(biāo)。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述系統(tǒng)還包括：

人機(jī)交互模塊，用于基于django框架搭建的網(wǎng)絡(luò)建立人際交互界面，通過所述人機(jī)交互界面發(fā)布控制回路性能指標(biāo)計算結(jié)果和報警信息。

采用該發(fā)明的面向天然氣分輸站的控制回路性能評估方法及系統(tǒng)，利用多臺個人計算機(jī)，通過采用django和mysql開源軟件，以基于最小方差的控制回路性能評估方法為基礎(chǔ)，構(gòu)建以實時采集的控制回路進(jìn)出口壓力數(shù)據(jù)來評估控制回路性能的在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；能夠?qū)μ烊粴夤艿缐毫刂苹芈愤M(jìn)行實時監(jiān)測，減輕人員的勞動強(qiáng)度，提升運(yùn)行管理效率，從而避免或減少天然氣管道存在的壓力波動過大以及安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以做出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。