基于定量遞歸分析的天然氣管線輸送流量均衡調度方法

尤冬石 劉亞龍 殷若鵬

摘 要：通過對天然氣管線輸送流量進行優化均衡調度設計，實現對天然氣管線運行工況的準確監測。傳統方法采用線性時間序列Wolf一步預測方法進行天然氣管線輸送流量調度，沒能有效挖掘天然氣管線輸送網絡中天然氣流量的非線性特征，導致調度的準確性不好。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度方法。首先構建了天然氣管線的網絡配置結構模型，進行輸送流量序列的信號模型構建和非線性時間序列分析，對天然氣流量進行相空間重構，在高維相空間中進行遞歸圖構建，實現對天然氣管線輸送流量的定量遞歸分析，達到流量準確預測和均衡調度的目的，實現算法改進。仿真實驗分析結果表明，采用該方法進行天然氣管線輸送流量均衡調度，天然氣輸送運行的工況得到改善，輸送配置的均衡性較好，流量預測精度較高，調度效能增強。

關鍵詞：定量遞歸分析；天然氣管線；流量；均衡調度

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：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行天然氣開發和運輸的戰略性工程，通過西氣東輸管道工程，實現對天然氣由我國西部地區向東部地區的運輸和調度。西氣東輸的管線網絡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。自新疆塔里木輪南油氣田，向東經過庫爾勒、吐魯番、鄯善、張掖、武威、西安、洛陽、信陽、合肥、南京、常州等地區，這一項目的實施，為西部大開發、將西部地區的資源優勢變為經濟優勢創造了條件。西氣東輸管線采取干支結合、配套建設方式進行，管道輸氣規模設計為每年120億立方米。西氣東輸沿線通過分布在各地的壓氣站實現輸送流量的壓氣和調度，通過對天然氣管線輸送流量進行優化均衡調度設計，實現對天然氣管線運行工況的準確監測，研究天然氣管線輸送流量的均衡調度模型，在優化西氣東輸管道工程的工況和天然氣傳輸的效率中具有重要意義，相關的算法和模型設計研究受到人們的極大重視[1]。

傳統方法中，對天然氣管線輸送流量的調度方法主要有基于ARMA模型的流量預測算法、基于粒子群算法的天然氣流量的調度算法和基于模糊C均值聚類的流量預測和均衡調度算法等[2，3]，上述方法對天然氣管線輸送網絡天然氣流量的準確調度的本質是進行流量時間序列的特征分析和模型構建，采用現代的信號與信息處理方法進行流量信息的特征提取，實現天然氣流量調度，由此取得了一定的研究成果，其中，文獻[4]提出一種基于最大Lyapunov指數分離的天然氣管線輸送流量調度方法，通過最大Lyapunove預測方法進行流量預測，實現對西氣東輸天然氣管線的輸送流量工況的準確監測，但是該算法計算開銷較大，實時監測性能不好。文獻[5]采用線性時間序列Wolf一步預測方法進行天然氣管線輸送流量調度，而未能有效挖掘天然氣管線輸送網絡中天然氣流量的非線性特征，導致調度的準確性不好。

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度方法。首先構建了天然氣管線的網絡配置結構模型，進行輸送流量序列的信號模型構建和非線性時間序列分析，對天然氣流量進行相空間重構，在高維相空間中進行遞歸圖構建，實現對天然氣管線輸送流量的定量遞歸分析，達到流量準確預測和均衡調度的目的，實現算法改進。最后通過仿真實驗進行性能測試，得出有效性結論。

1 天然氣管線的網絡配置結構模型和天然氣輸送流量的時間序列分析

1.1 天然氣管線的網絡配置結構模型

為了實現對天然氣管線輸送網絡的天然氣流量均衡調度，需要首先分析天然氣管線網絡的天然氣儲運和輸送傳輸機制及流量調度機制，在天然氣管線輸送環境下，進行天然氣管線分布配置網絡模型和壓氣站的配壓節點分布模型分析，用一個二元有向圖 表示天然氣管線的網絡配置結構，得到天然氣管線分布配置網絡的分布結構模型如圖1所示。

其中， 是部署在天然氣管線的網絡配置的監測區域的管線分布頂點集； 是天然氣管線分布配置網絡在天然氣供氣和傳輸的覆蓋區域 中所有邊的集合。 ， 為壓氣站的分布節點，使用802.15.3a、802.15.4的專用網絡協議進行天然氣輸送的流量信息采集和數據傳輸，進行天然氣管線的網絡數據收發和流量傳輸的模型構建。采用最常用的Bell模型（0/1模型）構建天然氣管線分布配置網絡的轉發協議，得到天然氣管線分布配置網絡通信節點 與中繼節點s的通信半徑為 。

天然氣管線分布配置網絡流量的魯棒性模型中，假設天然氣管線分布配置網絡中2個相鄰節點的覆蓋貢獻度具有相關性，選擇管線分布覆蓋效率 的節點進行天然氣傳輸流量的均衡配置[6-10]，假設 為區域中天然氣傳輸配置范圍內的壓氣站分布節點的覆蓋系數， 為 ，其中 ， 、 且為常數； 表示控制簇頭傳輸的適應度函數，在保證SN節點與sink之間進行天然氣傳輸配置網絡均衡下，提高管線的天然氣輸送吞吐量，選擇自適應均衡策略，進行網絡配置，在上述構建天然氣管線的網絡配置結構模型中進行流量均衡調度分析。

1.2 天然氣輸送流量的時間序列分析

天然氣管線輸送流量傳輸信道模型中，流量傳輸分為3個區域，通過鏈路LAN連接在不同的網格站點中實現對天然氣流量的傳輸。采用離散頻譜的分數階傅立葉變換進行特征空間重組，構建天然氣管線輸送管道的路由分發的無向圖 ，其中， 為多輸入輸出多跳網絡中輸送天然氣管線系統的負荷預測階數，用 表示以節點u為圓心的得到功率向量 的輻射半徑，可以為任意實數，采用非線性時間序列分析方法，假設給定監測的天然氣管線輸送網絡信道的數據流量表示為：

其中，M是d維的非線性動力系統的時間窗口，h是M上的流量配置的傳遞函數，計算天然氣管線輸送流量時間序列的幾何不變量，得到了該狀態空間中的幾何吸引子 ，構建天然氣管線輸送流量預測相關函數，至此實現對天然氣管線輸送網絡天然氣流量的時間序列，為進行流量調度提供準確的數據輸入基礎。

2 天然氣管線輸送流量均衡調度算法改進實現

2.1 問題描述及天然氣管線輸送流量均衡調度的定量遞歸分析

在上述進行了天然氣管線的網絡模型配置和流量的時間序列分析的基礎上，進行天然氣管線輸送流量均衡調度算法改進，提高天然氣管線運行工況的準確監測能力。分析當前方法可知，傳統方法采用線性時間序列Wolf一步預測方法進行天然氣管線輸送流量調度，沒能有效挖掘天然氣管線輸送網絡中天然氣流量的非線性特征，導致調度的準確性不好。為了克服傳統方法的弊端，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度方法。在高維相空間中進行遞歸圖構建，實現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建方法如下。首先進行天然氣管線輸送流的相空間軌跡重構，對天然氣管線輸送流量時間序列 出現在分布區間 的概率隨機變量滿足 ， =1，時間序列 ， ，基于Takens嵌入定理，得到天然氣管線流量的相空間重構軌跡為：

2.2 改進算法實現步驟

綜上分析，改進的天然氣輸送流量的均衡調度算法實現步驟如下：

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

根據上述步驟進行算法優化設計，最后通過仿真實驗進行性能測試和驗證。

3 仿真實驗與結果分析

為了驗證本文設計算法在實現天然氣管線輸送流量均衡調度中的性能，進行仿真實驗。采用Matlab仿真軟件，參數設定為 ， ， ， ， ， ， ，天然氣管線輸送流量的初始采樣頻率 Hz，終止頻率 Hz，權重系數ω設定為0.9，根據和是哪個數仿真環境和參數設定，進行天然氣傳輸流量的均衡調度仿真，首先進行天然氣管線中輸送流量的原始序列采樣，得到采樣的流量時域波形如圖2所示。

4 結束語

本文研究天然氣管線的流量均衡調度模型，通過對天然氣管線輸送流量進行優化均衡調度設計，實現對天然氣管線運行工況的準確監測。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度方法。首先構建了天然氣管線的網絡配置結構模型，進行輸送流量序列的信號模型構建和非線性時間序列分析，對天然氣流量進行相空間重構，在高維相空間中進行遞歸圖構建，實現對天然氣管線輸送流量的定量遞歸分析，達到流量準確預測和均衡調度的目的，實現算法改進。仿真實驗分析結果表明，采用該方法進行天然氣管線輸送流量均衡調度，天然氣輸送運行的工況得到改善，輸送配置的均衡性較好，流量預測精度較高，調度效能增強。

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