基于状态空间模型的天然气管网瞬态优化控制研究

Natural gas pipeline system is a nonlinear interconnected network system with large time delays. The traditional simulation-based analysis method of characteristics and scheduling optimization based on steady-state assumption has some limitations in real-time optimization. The project aims to get the optimal control strategy for the transient dynamics of the systems under the weak assumption and simplification of the system. The study includes: (1) getting the lumped parameter model of the pipeline segment, the sector constraint model of the equipment units and the algebraic constraint model of the topology network, in a separate way. Then a comprehensive analysis using operator theory obtains the state-space model of the entire system; (2) processing the time delay element by Grownwall inequality, then to get the system stability criteria by input-output analysis method; (3) getting the general solution of the controller from system model with allowing controller added. Then with the minimum energy consumption as the objective function, the optimal controller is obtained; (4) the system parameters identification observer is selected by the comparison of different methods. Finally, the result is verified by the simulation method and experimental verification on the ring pipelines. In this paper, for real-time operation of complex pipeline networks, an optimal control strategy for transient dynamic is provided, which is long-term social and economic benefits and broad application prospects.

天然气管网系统属于大时滞且存在耦合的复杂非线性网络化系统，传统的基于特征线法的仿真分析和基于稳态假设的调度优化在解决系统的实时优化运行方面有一定的局限性。本项目在弱假设前提下从控制的角度研究管网瞬态实时运行优化控制策略问题。研究内容包括：（1）采用单独建模整体分析的方法，分别建立管段子系统集总参数模型、设备单元的非线性扇区约束模型和管网拓扑结构代数约束模型，采用算子分析法综合得到系统整体状态空间模型；（2）采用Grownwall不等式处理模型中时滞项，利用输入输出法得到系统控制稳定性判定条件；（3）反求加入容许控制的系统模型，得到控制器通解，进而以能耗最小为目标函数求出最优控制器；（4）采用比选法确定适用于系统的模型参数辨识方法，并结合优化控制器采用仿真法和环道实验验证所求控制器的有效性。本文为复杂输气管道的优化运行提供了瞬态最优控制策略，具有长远的社会经济效益和广泛的应用前景。

油气管道作为能源供应的重要通道，其安全经济运行对于保证国家能源安全具有重要的意义。目前以SCADA（全线数据采集和监控）为核心的数字化管道，能够通过调控指令的制定与下达实现对管道全线的控制。但管道控制指令的制定主要采用被动分析的方法，需要调度人员通过不断验证和修正控制参数，最终制订出安全可行的运行方案和操作策略。. 本课题在广泛调研现场实际需要的情况下，针对管道的自动化运行展开研究。本课题将管网系统的节点异构性、拓扑结构复杂性和连接非线性三方面问题统一考虑，通过算子理论将它们纳入到输入输出方法的框架下，给出基于状态空间方程的分布式网络化控制系统的统一模型。分别通过算法编程和MATLAB软件对天然气管道系统进行了系统的模型参数辨识，获得了管段的传递函数模型，并与系统实际进行对比。为了充分应用现场PID控制器，并满足控制系统的精度和功能，对天然气管道的控制层实现分层控制，采用遗传算法优化设计了串级控制二次型调节器。针对一段实际管道，采用输入输出稳定性控制器设计方法，既考虑设备级又分析了互联关系，把输气管道系统拆分成多个子管段，应用LMI工具箱求解，得到整个管道系统的分布式控制方法。. 课题依托实验环道系统，进行了不同工况的工艺仿真分析与模型验证。针对传统可靠性分析中失效分析和工艺过程完全隔离的问题，我们创新性的提出结合工艺的可靠性一体化分析方法，提出适用于可靠性评价的系统工艺计算流程，并运用该框架对大张坨储气库不同工况下系统整体的运行可靠性进行评价。本课题初步实现管道随需求可以实际调度控制的算法，能够改变现行的以操作员为主的控制方式，实现管道的自动控制运行。. 针对当前智能管道的概念，本课题通过建立管网的整体模型并给出实时的自动控制算法，可以形成以SCADA系统为核心的自主控制的闭环系统，使系统可以在无人干涉的情况下自动的最优运行，为智能SCADA系统的发展打下理论基础。