基于XML語言生成TGNET仿真模型的升級改進
——以天然氣產(chǎn)運銷方案校核為例

劉定智 郜婕 梁嚴 張?zhí)?/p>

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司）

0 引言

天然氣工業(yè)從勘探、開發(fā)、管輸?shù)戒N售是一條緊密聯(lián)系的產(chǎn)業(yè)鏈。為了促進天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上中下游協(xié)調(diào)發(fā)展，在規(guī)劃階段就需要統(tǒng)籌考慮各環(huán)節(jié)特點和發(fā)展趨勢，通過產(chǎn)運銷平衡分析，編制產(chǎn)運銷規(guī)劃方案。在天然氣產(chǎn)運銷規(guī)劃工作中，方案校核是一項重要內(nèi)容。在業(yè)務流程上，方案校核是實現(xiàn)規(guī)劃業(yè)務閉環(huán)管理的重要環(huán)節(jié)；在校核過程中，通過細化各環(huán)節(jié)工藝約束，提前發(fā)現(xiàn)并解決各環(huán)節(jié)局部瓶頸，使規(guī)劃方案更貼近實際，提高方案合理性。

管網(wǎng)環(huán)節(jié)是天然氣產(chǎn)運銷規(guī)劃方案校核重點，通常采用仿真軟件完成管網(wǎng)校核工作。TGNET管網(wǎng)仿真軟件是校核天然氣產(chǎn)運銷規(guī)劃方案的常用工具。該軟件具有操作簡便、價格適中、穩(wěn)態(tài)計算精度較高等特點［1］。產(chǎn)運銷方案校核過程如下：

（1）將產(chǎn)運銷方案轉(zhuǎn)換為TGNET模型；

（2）利用TGNET軟件仿真計算；

（3）分析仿真結果，完成校核工作。

將產(chǎn)運銷方案轉(zhuǎn)換為TGNET模型是校核基礎，但人工繪制拓撲模型工作量巨大、耗時很長、校核效率較低。提高TGNET模型轉(zhuǎn)換效率是提高產(chǎn)運銷方案校核整體效率的關鍵。

1 TGNET模型的轉(zhuǎn)換進程

1.1 手工繪制的管網(wǎng)拓撲模型

天然氣產(chǎn)運銷平衡方式不同，TGNET模型的轉(zhuǎn)換方法也不同。采用 Excel人工平衡方式生成產(chǎn)運銷方案時，首先利用TGNET建模工具，手工繪制管網(wǎng)拓撲模型，再以拓撲模型為基礎，手工輸入或分批拷貝產(chǎn)運銷參數(shù)，完成所有輸入并通過錯誤檢查后，再進行仿真校核。其中，建立管網(wǎng)拓撲模型的工作量最大，完全依靠人工完成，效率較低。需要采用更先進的方法完成模型自動轉(zhuǎn)換。

1.2 基于KWS腳本自動生成的仿真模型

2015年以來，中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院（簡稱規(guī)劃總院）自主研發(fā)了天然氣產(chǎn)運銷一體化優(yōu)化軟件生成產(chǎn)運銷方案［2］。在應用該軟件校核規(guī)劃方案過程中，為了克服人工繪制拓撲模型工作量大、校核效率較低等問題，規(guī)劃總院又研發(fā)了基于KWS腳本自動生成仿真模型的方法［3］43。即根據(jù)KWS語法，將產(chǎn)運銷優(yōu)化模型自動轉(zhuǎn)換為KWS文件后導入TGNET軟件，自動生成管網(wǎng)仿真模型，通過仿真分析，完成方案校核。

幾年來的應用表明，KWS轉(zhuǎn)換方法能大幅縮短人工建立管網(wǎng)拓撲模型和參數(shù)輸入的時間，提高了工作效率。但在以下幾方面仍需改進：

第一，由于 KWS文件形成于 TGNET早期版本，該文件主要用于計算，生成仿真模型只是輔助功能，對管網(wǎng)的圖形化支持不足。將KWS文件導入TGNET軟件后，管網(wǎng)拓撲結構存在局部變形。主要表現(xiàn)在：

（1）無法控制單節(jié)點組件位置。在人工繪制管網(wǎng)仿真模型時，可按照用戶意愿，任意排布各組件拓撲位置。但采用 KWS文件生成拓撲模型時，TGNET只能根據(jù)單節(jié)點組件（包括氣源、客戶、儲氣庫等）與相連節(jié)點的位置關系自動調(diào)整拓撲位置，不能根據(jù)需要人工設定單節(jié)點組件位置。

圖1為優(yōu)化軟件的原始拓撲結構，圖2 KWS文件導入TGNET后的拓撲結構。

圖1 優(yōu)化軟件的原始拓撲結構

圖2 KWS文件導入TGNET后的拓撲結構

對比圖1和圖2，導入KWS文件后，管段、壓縮機、調(diào)節(jié)閥等雙節(jié)點組件位置保持不變，但氣源、客戶等單節(jié)點組件（圖中綠色）自動調(diào)整為豎直向上。連接同一節(jié)點的組件自動按水平方向等間距、等高度排列，人工無法設定，拓撲結構存在局部變形。盡管不影響計算，但對于復雜管網(wǎng)，影響模型直觀性，最終影響仿真校核。

（2）無法顯示數(shù)據(jù)塊。KWS文件不支持數(shù)據(jù)塊（Data Block）顯示，不能實現(xiàn)插入數(shù)據(jù)塊并在TGNET軟件界面中直觀顯示仿真結果。需要人工逐個將數(shù)據(jù)塊內(nèi)容導入TGNET界面，工作量巨大。

第二，KWS文件導入需要KEY文件支持［3］44。由于無法包含參數(shù)單位，在導入KWS文件時，還要根據(jù)不同單位設置，配套不同KEY文件，操作繁瑣。

第三，高版本TGNET逐漸取消了KWS導入支持，使用不便。在TGNET 3.0及以前版本中，TGNET僅支持KWS導入而不支持XML方式。TGNET 3.4版可同時支持 KWS和 XML兩種導入方式。在TGNET 3.6及以后的高版本中，TGNET逐漸取消了KWS導入功能。應用高版本開展仿真校核工作時，需先將KWS文件導入低版本TGNET，另存為TGW模型文件，再用高版本TGNET打開TGW文件，要先后用到低版本和高版本兩套軟件，使用不便。

為了克服以上不足，考慮采用XML語言自動生成高版本TGNET仿真模型。

2 基于XML語言的TGNET校核方法

2.1 XML語言簡介

XML（eXtensible Markup Language）即可擴展標記語言，是一種用于標記電子文件使其具有結構性的標記語言。它可以用來標記數(shù)據(jù)，定義數(shù)據(jù)類型，是一種允許用戶對自己的標記語言進行定義的源語言。該語言提供統(tǒng)一的方法來描述和交換獨立于應用程序或供應商的結構化數(shù)據(jù)，是各種應用程序之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｓ霉ぞ摺?/p>

2.2 組件合并

產(chǎn)運銷優(yōu)化軟件用節(jié)點、氣源、客戶、管段、儲氣庫、固定自耗氣、壓縮機、調(diào)節(jié)閥、阻力件、冷卻器、加熱器、儲氣罐等12種組件抽象描述了天然氣業(yè)務鏈系統(tǒng)，但并未完全與TGNET組件對應。與KWS方法類似，在生成XML文件前，首先要完成組件合并。為滿足管網(wǎng)校核要求，需要合并的組件包括：用天然氣客戶替代固定自耗氣和儲氣庫注氣、用氣源替代儲氣庫采氣和LNG儲氣罐、取消冷卻器和加熱器（規(guī)劃階段校核不考慮溫度影響）。其余節(jié)點、氣源、客戶、管段、壓縮機、調(diào)節(jié)閥、阻力件等與TGNET組件對應，不必合并。

2.3 XML計算程序

參照 KWS腳本轉(zhuǎn)換方法，將 XML文件選作TGNET與其他軟件交換數(shù)據(jù)的中間文件。與 KWS文件類似，XML文件也是純文本格式，可按照XML語法規(guī)則，編寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，自動生成XML文件，將產(chǎn)運銷軟件中計算規(guī)劃方案的優(yōu)化模型自動轉(zhuǎn)化為TGNET校核模型。在生成TGNET模型時，除了XML基本語法，還要滿足以下特殊語法（下文中[]表示需要由產(chǎn)運銷優(yōu)化軟件導出的參數(shù)替換）：

（1）節(jié)點。TGNET軟件用節(jié)點表示各組件間的空間連接關系。節(jié)點的XML語法如下：

（2）單節(jié)點組件。單節(jié)點組件指只有一端與節(jié)點相連的組件，包括氣源、客戶、儲氣庫等。以氣源為例，XML語法如下：

[最大壓力]

[最小壓力]

MaxPressure

XML中可人工設置氣源坐標，避免了拓撲變形。而在KWS中，只能控制節(jié)點位置，氣源坐標由軟件自動生成，無法人為設定氣源位置。其他單節(jié)點組件的語法與氣源類似。

（3）雙節(jié)點組件。雙節(jié)點組件指兩端都與節(jié)點相連的組件，包括管段、壓縮機、調(diào)節(jié)閥、阻力件等。以管段為例，XML語法如下：

其他雙節(jié)點組件的語法與管段類似。

（4）其他設置。除了管網(wǎng)拓撲組件，還要通過XML設置TGNET的流體組分、參數(shù)單位、標準壓力、標準溫度、狀態(tài)方程、黏度、迭代次數(shù)、誤差限等。這些參數(shù)與管網(wǎng)拓撲無關，可按照 TGNET的XML語法直接寫入XML文件。

與 KWS相比，XML轉(zhuǎn)換方式具有明顯優(yōu)勢：一是可以通過XML控制更多軟件參數(shù)；二是可以直接保存參數(shù)單位，不必再通過KEY文件配置仿真模型單位，只用一個XML文件即可完成模型導入。

2.4 XML轉(zhuǎn)換方法的優(yōu)勢

在 TGNET早期版本中，由于沒有圖形建模功能，需要通過人工編寫KWS文件建立仿真模型，效率較低。與KWS腳本相比，XML語言的功能更強，按照XML語法規(guī)則和組件合并原則，既可建立仿真模型，又可支持數(shù)據(jù)塊（Data Block）顯示。但XML語法更加復雜，人工編寫代碼的工作量非常大，必須通過程序?qū)a(chǎn)運銷優(yōu)化模型自動轉(zhuǎn)換為 XML文件，再將XML文件導入TGNET軟件，生成管網(wǎng)仿真模型，開展方案校核工作。轉(zhuǎn)換程序框圖見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)換程序框圖

借鑒 KWS方式，XML轉(zhuǎn)換程序也利用 C++語言開發(fā)，包括一個父類，三個子類，分別為：CGasPTSTgnetModelXML（父類）、CGasTgnetYearXML（子類）、CGasTgnetMonth_MonthXML（子類）、CGasTgnetMonth_YearXML（子類）。以上各類均包含數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)載入、錯誤判斷與定位、單位轉(zhuǎn)化、XML文件生成等五個方法。使用時，只需將優(yōu)化模型的SQLite數(shù)據(jù)庫地址傳遞給轉(zhuǎn)換程序。由轉(zhuǎn)換程序依次調(diào)用以上五個方法，讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換生成XML文件，實現(xiàn)年、月優(yōu)化模型的自動轉(zhuǎn)換。

在現(xiàn)有天然氣產(chǎn)運銷一體化優(yōu)化軟件的“導出為TGNET模型”模塊中，嵌入GasPTSTgnet_Offline XML.dll動態(tài)鏈接庫，使軟件具備了轉(zhuǎn)換生成 XML文件的功能。優(yōu)化軟件導出TGNET模型時，既可選擇導出KWS文件（用于TGNET低版本），也可選擇導出XML文件（用于TGNET高版本），使自動導出仿真模型功能可以適應多個TGNET版本。

3 方法測試

XML語言轉(zhuǎn)換為TGNET模型的測試方法分為以下幾個層次：

（1）測試各組件的連接關系是否正確；

（2）測試輸入?yún)?shù)，即管網(wǎng)結構參數(shù)、物性參數(shù)、工藝參數(shù)等是否正確；

（3）測試各項設置，即計算模式、參數(shù)單位、迭代次數(shù)、誤差限等是否正確；

（4）測試轉(zhuǎn)換后的模型能否正常計算；

（5）測試在TGNET各版本中能否正常使用；

（6）測試轉(zhuǎn)換前后的拓撲結構是否一致。

為驗證XML轉(zhuǎn)換方法，先后選用了5套產(chǎn)運銷優(yōu)化模型參與測試。各項指標的測試結果見表1。

表1 XML語言轉(zhuǎn)換為TGNET模型測試結果

測試結果表明，XML方法能有效避免KWS轉(zhuǎn)換問題，主要包括：

（1）高版本無法直接打開問題。轉(zhuǎn)換后生成的XML文件，在高版本TGNET中可直接導入并模擬計算，不必再借助低版本轉(zhuǎn)換；

（2）轉(zhuǎn)換后拓撲結構的一致性問題。將天然氣產(chǎn)運銷一體化優(yōu)化軟件的單節(jié)點組件坐標寫入XML文件，再導入TGNET軟件，避免了氣源、客戶等組件出現(xiàn)豎直方向調(diào)整和水平平鋪問題；

（3）參數(shù)單位可較好地融入XML文件?？梢詫ML中設置的參數(shù)單位直接導入TGNET中，不必再借助KEY文件轉(zhuǎn)換；

（4）具備數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)換功能。將天然氣產(chǎn)運銷一體化優(yōu)化軟件的動態(tài)輸出結果直接寫入XML文件，即可在TGNET中顯示數(shù)據(jù)塊。

對于復雜管網(wǎng)，由于 TGNET暫未提供地理信息系統(tǒng)（GIS）中常用的數(shù)據(jù)遮蓋自動調(diào)整功能，如果動態(tài)輸出參數(shù)過多，將導致數(shù)據(jù)塊占據(jù)較多空間，遮蓋管網(wǎng)拓撲界面，影響使用。

4 應用效果

中國石油的天然氣產(chǎn)運銷優(yōu)化模型中應用了XML轉(zhuǎn)換方法。該模型共包含約1 700條管段、400個資源點以及2 800個用戶，其節(jié)點數(shù)量超過1 500個，涵蓋了中國石油現(xiàn)有和規(guī)劃的所有天然氣資源、客戶，以及全部儲氣庫、LNG接收站和絕大多數(shù)管道。模型拓撲復雜、規(guī)模龐大，是目前規(guī)劃總院天然氣產(chǎn)運銷優(yōu)化模型庫中最復雜的一套。經(jīng)過測試和應用，XML導出功能較好地反映了產(chǎn)運銷系統(tǒng)實際情況。應用結果表明，在天然氣產(chǎn)運銷一體化優(yōu)化軟件環(huán)境下，利用TGNET模型的XML導出功能，可在 5分鐘內(nèi)完成以上模型逐年（10年）的 XML文件導出。由于 XML語法更為復雜，轉(zhuǎn)換后 XML代碼量大，文件生成過程比 KWS方式多耗時近 1分鐘。但與KWS方法相比，XML方法能適應TGNET高版本要求，能更完整地轉(zhuǎn)換拓撲數(shù)據(jù)，更好地融合產(chǎn)運銷優(yōu)化軟件與TGNET軟件。另外，采用中間文件轉(zhuǎn)化思路，還可以選用其他文件格式，將產(chǎn)運銷優(yōu)化模型轉(zhuǎn)換為其他管網(wǎng)仿真軟件支持的分析模型，實現(xiàn)工藝校核目標。

綜上所述，通過XML語言，可以將拓撲、工藝和設置等參數(shù)完整轉(zhuǎn)換到TGNET仿真模型中。XML方法解決了拓撲結構局部變形、無法包含參數(shù)單位、難以直接用于TGNET高版本等問題，完善了產(chǎn)運銷規(guī)劃方案自動轉(zhuǎn)化功能，進一步提高了校核效率，實用性較強。