基于定量遞歸分析的天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度方法

尤冬石 劉亞龍 殷若鵬

摘 要：通過對天然氣管線輸送流量進(jìn)行優(yōu)化均衡調(diào)度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對天然氣管線運(yùn)行工況的準(zhǔn)確監(jiān)測。傳統(tǒng)方法采用線性時(shí)間序列Wolf一步預(yù)測方法進(jìn)行天然氣管線輸送流量調(diào)度，沒能有效挖掘天然氣管線輸送網(wǎng)絡(luò)中天然氣流量的非線性特征，導(dǎo)致調(diào)度的準(zhǔn)確性不好。提出一種基于定量遞歸分析的天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度方法。首先構(gòu)建了天然氣管線的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行輸送流量序列的信號模型構(gòu)建和非線性時(shí)間序列分析，對天然氣流量進(jìn)行相空間重構(gòu)，在高維相空間中進(jìn)行遞歸圖構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對天然氣管線輸送流量的定量遞歸分析，達(dá)到流量準(zhǔn)確預(yù)測和均衡調(diào)度的目的，實(shí)現(xiàn)算法改進(jìn)。仿真實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度，天然氣輸送運(yùn)行的工況得到改善，輸送配置的均衡性較好，流量預(yù)測精度較高，調(diào)度效能增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：定量遞歸分析；天然氣管線；流量；均衡調(diào)度

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Through the optimization of the natural gas pipeline transportation flow to optimize the balanced scheduling design， to achieve an accurate monitoring of the operating conditions of natural gas pipeline. Traditional method using one step prediction method for linear time series Wolf for natural gas pipeline transportation scheduling flow， could not effectively tap nonlinear characteristic of natural gas pipeline to transport gas flow in a network， and lead to the bad accuracy of the scheduling. A natural gas pipeline transportation flow balancing scheduling method based on quantitative recursive analysis is proposed. First construct a network configuration structure model of natural gas pipeline， propose transportation flow sequence signal model construction and nonlinear time series analysis； Next provide the gas flow of phase space reconstruction， recursive graph construction in a high-dimensional phase space， realize recurrence quantification analysis of natural gas pipeline transportation flow， achieve flow prediction and balancing scheduling algorithm improvement. Analysis of the experimental results show that using the method of natural gas pipeline transportation flow balancing scheduling， natural gas conveying operation is improved， the transport configuration balance good， traffic prediction with high accuracy， furtherly the effectiveness of scheduling is enhanced.

Key words： quantitative recursive analysis； natural gas pipeline； flow rate； equilibrium scheduling

0 引言

西氣東輸工程是我國進(jìn)行天然氣開發(fā)和運(yùn)輸?shù)膽?zhàn)略性工程，通過西氣東輸管道工程，實(shí)現(xiàn)對天然氣由我國西部地區(qū)向東部地區(qū)的運(yùn)輸和調(diào)度。西氣東輸?shù)墓芫€網(wǎng)絡(luò)全線采用自動化控制，供氣范圍覆蓋中原、華東、長江三角洲地區(qū)。自新疆塔里木輪南油氣田，向東經(jīng)過庫爾勒、吐魯番、鄯善、張掖、武威、西安、洛陽、信陽、合肥、南京、常州等地區(qū)，這一項(xiàng)目的實(shí)施，為西部大開發(fā)、將西部地區(qū)的資源優(yōu)勢變?yōu)榻?jīng)濟(jì)優(yōu)勢創(chuàng)造了條件。西氣東輸管線采取干支結(jié)合、配套建設(shè)方式進(jìn)行，管道輸氣規(guī)模設(shè)計(jì)為每年120億立方米。西氣東輸沿線通過分布在各地的壓氣站實(shí)現(xiàn)輸送流量的壓氣和調(diào)度，通過對天然氣管線輸送流量進(jìn)行優(yōu)化均衡調(diào)度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對天然氣管線運(yùn)行工況的準(zhǔn)確監(jiān)測，研究天然氣管線輸送流量的均衡調(diào)度模型，在優(yōu)化西氣東輸管道工程的工況和天然氣傳輸?shù)男手芯哂兄匾饬x，相關(guān)的算法和模型設(shè)計(jì)研究受到人們的極大重視[1]。

傳統(tǒng)方法中，對天然氣管線輸送流量的調(diào)度方法主要有基于ARMA模型的流量預(yù)測算法、基于粒子群算法的天然氣流量的調(diào)度算法和基于模糊C均值聚類的流量預(yù)測和均衡調(diào)度算法等[2，3]，上述方法對天然氣管線輸送網(wǎng)絡(luò)天然氣流量的準(zhǔn)確調(diào)度的本質(zhì)是進(jìn)行流量時(shí)間序列的特征分析和模型構(gòu)建，采用現(xiàn)代的信號與信息處理方法進(jìn)行流量信息的特征提取，實(shí)現(xiàn)天然氣流量調(diào)度，由此取得了一定的研究成果，其中，文獻(xiàn)[4]提出一種基于最大Lyapunov指數(shù)分離的天然氣管線輸送流量調(diào)度方法，通過最大Lyapunove預(yù)測方法進(jìn)行流量預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對西氣東輸天然氣管線的輸送流量工況的準(zhǔn)確監(jiān)測，但是該算法計(jì)算開銷較大，實(shí)時(shí)監(jiān)測性能不好。文獻(xiàn)[5]采用線性時(shí)間序列Wolf一步預(yù)測方法進(jìn)行天然氣管線輸送流量調(diào)度，而未能有效挖掘天然氣管線輸送網(wǎng)絡(luò)中天然氣流量的非線性特征，導(dǎo)致調(diào)度的準(zhǔn)確性不好。

針對上述問題，本文提出一種基于定量遞歸分析的天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度方法。首先構(gòu)建了天然氣管線的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行輸送流量序列的信號模型構(gòu)建和非線性時(shí)間序列分析，對天然氣流量進(jìn)行相空間重構(gòu)，在高維相空間中進(jìn)行遞歸圖構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對天然氣管線輸送流量的定量遞歸分析，達(dá)到流量準(zhǔn)確預(yù)測和均衡調(diào)度的目的，實(shí)現(xiàn)算法改進(jìn)。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測試，得出有效性結(jié)論。

1 天然氣管線的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)模型和天然氣輸送流量的時(shí)間序列分析

1.1 天然氣管線的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)模型

為了實(shí)現(xiàn)對天然氣管線輸送網(wǎng)絡(luò)的天然氣流量均衡調(diào)度，需要首先分析天然氣管線網(wǎng)絡(luò)的天然氣儲運(yùn)和輸送傳輸機(jī)制及流量調(diào)度機(jī)制，在天然氣管線輸送環(huán)境下，進(jìn)行天然氣管線分布配置網(wǎng)絡(luò)模型和壓氣站的配壓節(jié)點(diǎn)分布模型分析，用一個(gè)二元有向圖 表示天然氣管線的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)，得到天然氣管線分布配置網(wǎng)絡(luò)的分布結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

其中， 是部署在天然氣管線的網(wǎng)絡(luò)配置的監(jiān)測區(qū)域的管線分布頂點(diǎn)集； 是天然氣管線分布配置網(wǎng)絡(luò)在天然氣供氣和傳輸?shù)母采w區(qū)域 中所有邊的集合。 ， 為壓氣站的分布節(jié)點(diǎn)，使用802.15.3a、802.15.4的專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行天然氣輸送的流量信息采集和數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行天然氣管線的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)和流量傳輸?shù)哪Ｐ蜆?gòu)建。采用最常用的Bell模型（0/1模型）構(gòu)建天然氣管線分布配置網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，得到天然氣管線分布配置網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn) 與中繼節(jié)點(diǎn)s的通信半徑為 。

天然氣管線分布配置網(wǎng)絡(luò)流量的魯棒性模型中，假設(shè)天然氣管線分布配置網(wǎng)絡(luò)中2個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的覆蓋貢獻(xiàn)度具有相關(guān)性，選擇管線分布覆蓋效率 的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行天然氣傳輸流量的均衡配置[6-10]，假設(shè) 為區(qū)域中天然氣傳輸配置范圍內(nèi)的壓氣站分布節(jié)點(diǎn)的覆蓋系數(shù)， 為 ，其中 ， 、 且為常數(shù)； 表示控制簇頭傳輸?shù)倪m應(yīng)度函數(shù)，在保證SN節(jié)點(diǎn)與sink之間進(jìn)行天然氣傳輸配置網(wǎng)絡(luò)均衡下，提高管線的天然氣輸送吞吐量，選擇自適應(yīng)均衡策略，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，在上述構(gòu)建天然氣管線的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)模型中進(jìn)行流量均衡調(diào)度分析。

1.2 天然氣輸送流量的時(shí)間序列分析

天然氣管線輸送流量傳輸信道模型中，流量傳輸分為3個(gè)區(qū)域，通過鏈路LAN連接在不同的網(wǎng)格站點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)對天然氣流量的傳輸。采用離散頻譜的分?jǐn)?shù)階傅立葉變換進(jìn)行特征空間重組，構(gòu)建天然氣管線輸送管道的路由分發(fā)的無向圖 ，其中， 為多輸入輸出多跳網(wǎng)絡(luò)中輸送天然氣管線系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測階數(shù)，用 表示以節(jié)點(diǎn)u為圓心的得到功率向量 的輻射半徑，可以為任意實(shí)數(shù)，采用非線性時(shí)間序列分析方法，假設(shè)給定監(jiān)測的天然氣管線輸送網(wǎng)絡(luò)信道的數(shù)據(jù)流量表示為：

其中，M是d維的非線性動力系統(tǒng)的時(shí)間窗口，h是M上的流量配置的傳遞函數(shù)，計(jì)算天然氣管線輸送流量時(shí)間序列的幾何不變量，得到了該狀態(tài)空間中的幾何吸引子 ，構(gòu)建天然氣管線輸送流量預(yù)測相關(guān)函數(shù)，至此實(shí)現(xiàn)對天然氣管線輸送網(wǎng)絡(luò)天然氣流量的時(shí)間序列，為進(jìn)行流量調(diào)度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸入基礎(chǔ)。

2 天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度算法改進(jìn)實(shí)現(xiàn)

2.1 問題描述及天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度的定量遞歸分析

在上述進(jìn)行了天然氣管線的網(wǎng)絡(luò)模型配置和流量的時(shí)間序列分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度算法改進(jìn)，提高天然氣管線運(yùn)行工況的準(zhǔn)確監(jiān)測能力。分析當(dāng)前方法可知，傳統(tǒng)方法采用線性時(shí)間序列Wolf一步預(yù)測方法進(jìn)行天然氣管線輸送流量調(diào)度，沒能有效挖掘天然氣管線輸送網(wǎng)絡(luò)中天然氣流量的非線性特征，導(dǎo)致調(diào)度的準(zhǔn)確性不好。為了克服傳統(tǒng)方法的弊端，本文提出一種基于定量遞歸分析的天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度方法。在高維相空間中進(jìn)行遞歸圖構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對天然氣管線輸送流量的定量遞歸分析，天然氣流量的遞歸圖構(gòu)建方法如下。首先進(jìn)行天然氣管線輸送流的相空間軌跡重構(gòu)，對天然氣管線輸送流量時(shí)間序列 出現(xiàn)在分布區(qū)間 的概率隨機(jī)變量滿足 ， =1，時(shí)間序列 ， ，基于Takens嵌入定理，得到天然氣管線流量的相空間重構(gòu)軌跡為：

2.2 改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)步驟

綜上分析，改進(jìn)的天然氣輸送流量的均衡調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）對于傳輸管道中天然氣傳輸流量的時(shí)間序列 ，其采樣時(shí)間序列長度為 ，采用合適的嵌入維數(shù) 和延遲時(shí)間 對天然氣輸送流量進(jìn)行相空間重構(gòu)，重構(gòu)后的天然氣流量的相空間的軌跡為：

根據(jù)上述步驟進(jìn)行算法優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測試和驗(yàn)證。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)算法在實(shí)現(xiàn)天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。采用Matlab仿真軟件，參數(shù)設(shè)定為 ， ， ， ， ， ， ，天然氣管線輸送流量的初始采樣頻率 Hz，終止頻率 Hz，權(quán)重系數(shù)ω設(shè)定為0.9，根據(jù)和是哪個(gè)數(shù)仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行天然氣傳輸流量的均衡調(diào)度仿真，首先進(jìn)行天然氣管線中輸送流量的原始序列采樣，得到采樣的流量時(shí)域波形如圖2所示。

4 結(jié)束語

本文研究天然氣管線的流量均衡調(diào)度模型，通過對天然氣管線輸送流量進(jìn)行優(yōu)化均衡調(diào)度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對天然氣管線運(yùn)行工況的準(zhǔn)確監(jiān)測。本文提出一種基于定量遞歸分析的天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度方法。首先構(gòu)建了天然氣管線的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行輸送流量序列的信號模型構(gòu)建和非線性時(shí)間序列分析，對天然氣流量進(jìn)行相空間重構(gòu)，在高維相空間中進(jìn)行遞歸圖構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對天然氣管線輸送流量的定量遞歸分析，達(dá)到流量準(zhǔn)確預(yù)測和均衡調(diào)度的目的，實(shí)現(xiàn)算法改進(jìn)。仿真實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行天然氣管線輸送流量均衡調(diào)度，天然氣輸送運(yùn)行的工況得到改善，輸送配置的均衡性較好，流量預(yù)測精度較高，調(diào)度效能增強(qiáng)。

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