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

劉定智 郜婕 梁嚴 張甜

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

0 引言

天然氣工業從勘探、開發、管輸到銷售是一條緊密聯系的產業鏈。為了促進天然氣產業鏈上中下游協調發展，在規劃階段就需要統籌考慮各環節特點和發展趨勢，通過產運銷平衡分析，編制產運銷規劃方案。在天然氣產運銷規劃工作中，方案校核是一項重要內容。在業務流程上，方案校核是實現規劃業務閉環管理的重要環節；在校核過程中，通過細化各環節工藝約束，提前發現并解決各環節局部瓶頸，使規劃方案更貼近實際，提高方案合理性。

管網環節是天然氣產運銷規劃方案校核重點，通常采用仿真軟件完成管網校核工作。TGNET管網仿真軟件是校核天然氣產運銷規劃方案的常用工具。該軟件具有操作簡便、價格適中、穩態計算精度較高等特點［1］。產運銷方案校核過程如下：

（1）將產運銷方案轉換為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。

將產運銷方案轉換為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模型轉換效率是提高產運銷方案校核整體效率的關鍵。

1 TGNET模型的轉換進程

1.1 手工繪制的管網拓撲模型

天然氣產運銷平衡方式不同，TGNET模型的轉換方法也不同。采用 Excel人工平衡方式生成產運銷方案時，首先利用TGNET建模工具，手工繪制管網拓撲模型，再以拓撲模型為基礎，手工輸入或分批拷貝產運銷參數，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劃總院（簡稱規劃總院）自主研發了天然氣產運銷一體化優化軟件生成產運銷方案［2］。在應用該軟件校核規劃方案過程中，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，規劃總院又研發了基于KWS腳本自動生成仿真模型的方法［3］43。即根據KWS語法，將產運銷優化模型自動轉換為KWS文件后導入TGNET軟件，自動生成管網仿真模型，通過仿真分析，完成方案校核。

幾年來的應用表明，KWS轉換方法能大幅縮短人工建立管網拓撲模型和參數輸入的時間，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，對管網的圖形化支持不足。將KWS文件導入TGNET軟件后，管網拓撲結構存在局部變形。主要表現在：

（1）無法控制單節點組件位置。在人工繪制管網仿真模型時，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只能根據單節點組件（包括氣源、客戶、儲氣庫等）與相連節點的位置關系自動調整拓撲位置，不能根據需要人工設定單節點組件位置。

圖1為優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、調節閥等雙節點組件位置保持不變，但氣源、客戶等單節點組件（圖中綠色）自動調整為豎直向上。連接同一節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，影響模型直觀性，最終影響仿真校核。

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

第二，KWS文件導入需要KEY文件支持［3］44。由于無法包含參數單位，在導入KWS文件時，還要根據不同單位設置，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。它可以用來標記數據，定義數據類型，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據，是各種應用程序之間進行數據傳輸的常用工具。

2.2 組件合并

產運銷優化軟件用節點、氣源、客戶、管段、儲氣庫、固定自耗氣、壓縮機、調節閥、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務鏈系統，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（規劃階段校核不考慮溫度影響）。其余節點、氣源、客戶、管段、壓縮機、調節閥、阻力件等與TGNET組件對應，不必合并。

2.3 XML計算程序

參照 KWS腳本轉換方法，將 XML文件選作TGNET與其他軟件交換數據的中間文件。與 KWS文件類似，XML文件也是純文本格式，可按照XML語法規則，編寫數據轉換程序，自動生成XML文件，將產運銷軟件中計算規劃方案的優化模型自動轉化為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[]表示需要由產運銷優化軟件導出的參數替換）：

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

（2）單節點組件。單節點組件指只有一端與節點相連的組件，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。其他單節點組件的語法與氣源類似。

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

其他雙節點組件的語法與管段類似。

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

與 KWS相比，XML轉換方式具有明顯優勢：一是可以通過XML控制更多軟件參數；二是可以直接保存參數單位，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轉換方法的優勢

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語法規則和組件合并原則，既可建立仿真模型，又可支持數據塊（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，必須通過程序將產運銷優化模型自動轉換為 XML文件，再將XML文件導入TGNET軟件，生成管網仿真模型，開展方案校核工作。轉換程序框圖見圖3。

圖3 轉換程序框圖

借鑒 KWS方式，XML轉換程序也利用 C++語言開發，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）。以上各類均包含數據庫連接、數據載入、錯誤判斷與定位、單位轉化、XML文件生成等五個方法。使用時，只需將優化模型的SQLite數據庫地址傳遞給轉換程序。由轉換程序依次調用以上五個方法，讀取數據并轉換生成XML文件，實現年、月優化模型的自動轉換。

在現有天然氣產運銷一體化優化軟件的“導出為TGNET模型”模塊中，嵌入GasPTSTgnet_Offline XML.dll動態鏈接庫，使軟件具備了轉換生成 XML文件的功能。優化軟件導出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）測試輸入參數，即管網結構參數、物性參數、工藝參數等是否正確；

（3）測試各項設置，即計算模式、參數單位、迭代次數、誤差限等是否正確；

（4）測試轉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）測試轉換前后的拓撲結構是否一致。

為驗證XML轉換方法，先后選用了5套產運銷優化模型參與測試。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轉換問題，主要包括：

（1）高版本無法直接打開問題。轉換后生成的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換；

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

（3）參數單位可較好地融入XML文件。可以將XML中設置的參數單位直接導入TGNET中，不必再借助KEY文件轉換；

（4）具備數據塊轉換功能。將天然氣產運銷一體化優化軟件的動態輸出結果直接寫入XML文件，即可在TGNET中顯示數據塊。

對于復雜管網，由于 TGNET暫未提供地理信息系統（GIS）中常用的數據遮蓋自動調整功能，如果動態輸出參數過多，將導致數據塊占據較多空間，遮蓋管網拓撲界面，影響使用。

4 應用效果

中國石油的天然氣產運銷優化模型中應用了XML轉換方法。該模型共包含約1 700條管段、400個資源點以及2 800個用戶，其節點數量超過1 500個，涵蓋了中國石油現有和規劃的所有天然氣資源、客戶，以及全部儲氣庫、LNG接收站和絕大多數管道。模型拓撲復雜、規模龐大，是目前規劃總院天然氣產運銷優化模型庫中最復雜的一套。經過測試和應用，XML導出功能較好地反映了產運銷系統實際情況。應用結果表明，在天然氣產運銷一體化優化軟件環境下，利用TGNET模型的XML導出功能，可在 5分鐘內完成以上模型逐年（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，能更完整地轉換拓撲數據，更好地融合產運銷優化軟件與TGNET軟件。另外，采用中間文件轉化思路，還可以選用其他文件格式，將產運銷優化模型轉換為其他管網仿真軟件支持的分析模型，實現工藝校核目標。

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