CC BY
34
УДК 681.518.3
НЕСТАЦИОНАРНАЯ МОДЕЛЬ В ЗАДАЧЕ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМОЙ КРУПНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО УЗЛА
Владислав Васильевич Никаноров, канд. техн. наук, зам. начальника департамента
E-mail: v.nikanorov@adm.gazprom.ru ПАО «Газпром» http://www.gazprom.ru
Сергей Григорьевич Марченко, главный инженер, первый зам. генерального директора
Е-mail: marchenko@mtg.gazprom.ru ООО «Газпром трансгаз Москва» http://moskva-tr.gazprom.ru Леонид Исаакович Бернер, д-р техн. наук, проф., генеральный директор
Е-mail: berner@atgs.ru.
Юрий Маркович Зельдин, канд. техн. наук, заведующий отделом ИУС
Е-mail: zeldin@atgs.ru АО «АтлантикТрансгазСистема» http://www.atgs.ru
Описан процесс оперативного диспетчерского управления газотранспортной системой (ГТС). Управление по схеме «предиктор-корректор» позволяет уменьшить ошибки, повысить запас устойчивости и/или энергоэффективность. Предъявлены требования к математической модели ГТС, предложен метод отображения результатов прогноза.
Ключевые слова: оперативное диспетчерское управление, газотранспортная система, схема управления «предиктор-корректор».
Основными задачами газотранспортного предприятия (ГТП) - территориального подразделения ПАО «Газпром» - являются выполнение заданий ПАО «Газпром» на транспортировку газа по участку газотранспортной системы (ГТС), а также гарантированная подача контрактных объемов газа потребителям в зоне ответственности Предприятия. При этом необходимо обеспечить максимально возможную эффек- Марченко с.г. тивность работы ГТП - минимум энергетических затрат за отчетный период. Решать поставленные задачи приходится в условиях технологических ограничений (минимально и максимально допустимые давления в трубопроводе, наличие резервных мощностей газоперекачивающих агрегатов, максимальная пропускная способность ГТС, ограниченный объем поступающего газа и т.п.), а также проводимых на Предприятии работ по техническому обслуживанию и ремонту ГТС.
Управление газотранспортной системой производится производственно-диспетчерской службой Предприятия. Типовой процесс оперативного диспетчерского управления ГТС (без учета нештатных ситуаций) состоит из следующих этапов:
- планирование режима работы с учетом плана транспорта и распределения газа, текущего состояния системы, плановых работ по техническому обслуживанию и ремонту участков газопроводов и технологического оборудования;
- установка планового режима работы ГТС;
- контроль параметров технологического процесса, выявление отклонений от плановых показателей, проведение корректирующих действий для возврата к плановому режиму (при необходимости).
ГШ -
r^l
Оперативное диспетчерское управление (ОДУ) охватывает временной горизонт от нескольких часов до нескольких суток, в течение которых описанные выше этапы циклически повторяются, в том числе из-за корректировки плановых показателей. Схематически процесс оперативного диспетчерского управления ГТС представлен на Рис. 1.
План транспорта и распределения
Корректировки плана
Текущий режим
ГТС (неста ционар)
и_а
Оперативное планирование режима ГТС, оценка эффективности
-Л
Контроль режима, выявление отклонений
Технологические ограничения
Корректирующие действия
Расчет баланса
Расчет эффективности
Рис. 1 Процесс оперативного диспетчерского управления ГТС
Для планирования режима ГТС, составления плана переключений в настоящее время активно используются нестационарные математические модели ГТС в режиме вариантных расчетов [1]. В качестве начального состояния берется текущий online-режим газотранспортной системы.
ГТС совместно с производственно-диспетчерской службой и средствами автоматизации представляет собой систему с обратной связью, в которой человек (диспетчер) включен в контур управления. При этом ГТС является объектом, обладающим рядом особенностей:
- географическая протяженность и инерционность системы. Время от приложения управляющих воздействий в одной точке до требуемой реакции системы (как правило, в другой точке) составляет от двух до шести часов. Реакция системы на управляющее воздействие зависит не только от текущего состояния ГТС, но и от его предыстории (нестационарный режим);
- наличие взаимосвязанных элементов системы с существенно различной инерционностью (например, магистральный газопровод большого диаметра с компрессорной станцией в нескольких десятках километров и короткий газопровод-отвод к крупному потребителю). Значимость этого фактора особенно возрастает при газоснабжении крупного промышленного узла;
- существенная суточная и дневная неравномерность потребления газа;
- отсутствие заданного «раз и навсегда» планового режима, изменение плана с течением времени;
- ограниченность имеющихся ресурсов: поступление газа в ГТС, запас газа в трубопроводах, резерв мощности газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и т.п.;
- технологические ограничения;
- изменение характеристик объекта управления из-за отключения части участков в ходе технического обслуживания или ремонта;
- отсутствие простых методов достижения максимальной эффективности. Решение, обеспечивающее максимальную эффективность в текущий момент времени, может привести к повышенному расходу энергоресурсов в дальнейшем и снижению общей эффективности работы ГТС за период.
Из-за них управление ГТС является сложной задачей, требующей высокой квалификации диспетчерского персонала.
С точки зрения общей теории управления, подача управляющих воздействий на основе анализа текущего и предыдущих состояний ГТС, а также с учетом других влияющих факторов (например, прогноза температуры наружного воздуха) реализует схему программно-адаптивного управления по возмущению и отклонению [2]. При этом для инерционных систем со сложными причинно-следственными связями (какой является ГТС) принципиально невозможно свести вектор ошибки к нулю. В устойчивом процессе программно-адаптивного управления изменения вектора ошибки носят колебательный характер.
Уменьшить вектор ошибки позволяет схема управления «предиктор-корректор» [2]. Она строится на основе прогнозирования поведения системы в самом процессе управления. Прогнозная информация подается на вход программно-адаптивного модуля управления. Вследствие этого система реагирует не только на уже свершившееся отклонение от планового режима, но и на то, которое только имеет тенденцию к осуществлению (в случае, если прогнозирование достаточно точное). Если программно-адаптивное управление замыкает прямые и обратные связи через уже свершившееся прошлое, то в схеме «предиктор-корректор» некоторая часть прямых и обратных связей замыкается через прогнозируемое будущее. При условии достаточно высокой точности прогноза схема «предиктор-корректор» обеспечивает наиболее высокое качество управления за счет того, что сводит до нуля фазовый сдвиг между возмущающим и управляющим воздействиями. Это позволяет употребить ресурсы системы на повышение запаса устойчивости и/или энергоэффективности. Повышение энергоэффективности достигается также за счет анализа поведения системы за период времени и принятия решений, которые обеспечат не «одномоментную», а общую энергоэффективность.
Как было отмечено выше, схема «предиктор-корректор» дает положительные результаты при условии высокой точности прогноза. Для газотранспортных систем наилучшие результаты прогнозирования дают нестационарные математические модели ГТС в режиме online (например, ПВК «Волна» разработки ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина» [3], ПВК «Веста» разработки РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина), с применением соответствующих методов предварительной обработки и подготовки параметров реального времени, поступающих от SCADA-системы [4]. Повышение точности прогноза достигается учетом суточной неравномерности газопотребления, для чего разработано несколько алгоритмов и соответствующих им программных комплексов [5, 6].
Однако до сих пор не прорабатывался вопрос поведения математической модели ГТС при достижении в ходе прогнозирования технологических ограничений, и представления диспетчеру результатов прогноза.
В ходе расчета прогноза поведения ГТС может возникнуть ситуация, когда из-за достижения технологических ограничений невозможно обеспечить заданные граничные условия на входах / выходах газотранспортной системы. Например, из-за минимально допустимого давления на входе газораспределительной станции, невозможно обеспечить прогнозное потребление газа через нее. Обычно в этом случае модель ГТС сигнализирует о невозможности дальнейшего счета и останавливается. Такое поведение модели не годится при управлении по схеме «предиктор-корректор», так как при этом диспетчер получает сигнал о возникшей проблеме, но не видит ее возможного дальнейшего развития, не может оценить ее масштабов по величине и времени.
При достижении технологических ограничений модель ГТС, работающая в режиме прогнозирования, должна продолжать расчет. Это возможно при изменении граничных
условий или режимов работы технологического оборудования. Модель ГТС должна автоматически обеспечивать следующее:
- при заданном расходе газа на границе и расчетном давлении, при достижении минимально или максимально допустимого давления переходить на расчет при фиксированном давлении и расчетном расходе. При возвращении давления в допустимый диапазон (с заданным гистерезисом) - возвращаться на расчет при заданном расходе и расчетном давлении;
- при выходе рабочей точки ГПА на границу допустимых режимов изменять обороты ГПА таким образом, чтобы рабочая точка оставалась в допустимой зоне;
- при достижении максимальных (минимальных) оборотов ГПА автоматически запускать дополнительный ГПА (останавливать работающий ГПА).
Обо всех автоматически производимых изменениях модель должна уведомлять диспетчера.
Важным вопросом при управлении на основе прогноза является представление результатов прогнозирования. Типовым методом являются тренды параметров (давление, расход, температура) в ключевых точках. Однако они не дают общей картины поведения ГТС в целом, особенно при большом количестве потребителей, и не позволяют оценить разницу между плановым и фактически возможным потреблением объекта (при достижении технологических ограничений). Так как для газотранспортной системы крупного промышленного узла основной задачей является гарантированное газоснабжение потребителей, эта информация позволит диспетчеру выстроить наиболее верную стратегию управления.
Предлагается в дополнение к трендам представлять результат прогнозирования цветом и стрелками на укрупненной технологической схеме ГТС, с возможностью автоматической или ручной прокрутки по времени. Подобные схемы широко применяются для отображения карт погоды, карт движения транспорта и т.п. Это позволит одним взглядом оценивать режим ГТС и тенденции его изменения как по ГТС в целом, так и на отдельных участках. Возможна следующая цветовая схема:
- цвет газопровода в текущей точке соответствует давлению (высокое давление -желтый, среднее давление - зеленый, низкое давление - голубой);
- стрелки вдоль газопровода обозначают расходы по участкам, величина стрелки соответствует величине расхода;
- цвет объектов потребления соответствует разнице между плановым и фактически возможным часовым потреблением газа (в абсолютных единицах или % от плана).
Таким образом, управление по схеме «предиктор-корректор» может повысить эффективность оперативного диспетчерского управления ГТС. Однако для полной реализации потенциальных возможностей необходимо соответствующим образом настроить работу математической модели ГТС, работающей в режиме online прогноза, и представить результаты расчетов в удобном для анализа виде.
Литература
1. Бернер Л.И., Ковалев А.А., Киселев В.В. Управление газотранспортной сетью с использованием методов моделирования и прогнозирования // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2013. № 1.
2. Достаточно общая теория управления. - М.: Концептуал, 2017. 464 с.
3. Модестова Н. На гребне атомной «Волны» // Атомный эксперт. 2016. № 1 (43).
4. Голубятников Е.А., Сарданашвили С.А. Проблемы моделирования on-line режимов систем газоснабжения // Территория Нефтегаз. 2015. № 4. С.32-37
5. НиканоровВ.В., Марченко С.Г., БернерЛ.И., ЗельдинЮ.М., ПлюснинИ.П. Подсистема прогнозирования газопотребления // Автоматизация в промышленности. 2017. № 4.
6. Абрамов А.С. Методы Data Mining в решении задачи прогнозирования газопотребления / Сб. трудов 69-й международной молодежной научной конференции «Нефть и газ-2015». -М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2015. 471 с.
Control of Gas Pipeline System of Large Industrial Area with Real-Time Transient Model
Vladislav Nikanorov, Candidate of Engineering Sciences, Deputy Head of Department, Gazprom Sergey Marchenko, Chief Engineer - Deputy General Director, Gazprom transgas Moscow LeonidBerner, PhD in Engineering, Professor, General Director, AtlanticTransgasSystem Yury Zeldin, Candidate of Engineering Sciences, Head of SCADA andHMI Department, Atlantic-TransgasSystem
The article describes the operational dispatch control of the gas transportation system (GTS). Using the «predictor-corrector» scheme allows to reduce errors, to increase stability and/or energy efficiency. The demands to the mathematical model of the GTS was presented, the method for displaying forecast results is proposed.
Keywords: operational dispatch control, gas transportation system, «predictor-corrector» control scheme.
УДК 681.518.3
СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ И ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ ГОРНОКЛИМАТИЧЕСКОГО КУРОРТА «АЛЬПИКА-СЕРВИС»
Леонид Исаакович Бернер, д-р техн. наук, генеральный директор
Е-шаИ: berner@atgs.ru Алексей Владиславович Рощин, канд. техн. наук, первый зам. генерального директора по производству Е-шаИ: roschin@atgs.ru Андрей Владимирович Харитонов, зав. сектором РКП
Е-шаИ: akharitonov@atgs.ru Андрей Александрович Колодин, зав. сектором ППО Е-шail: kolodin@atgs.ru АО «АтлантикТрансгазСистема» http://www.atgs.ru/ Юрий Иванович Передерий, генеральный директор Е-шail: pa-energo@yandex.ru ООО «Промавтоматика-Энерго» г. Краснодар
В статье представлен практический опыт реализации территориально -распределенной системы автоматизации и диспетчеризации инженерных систем горноклиматического курорта «Альпика-Сервис». Представлено описание 2ух уровней системы: нижнего уровня (уровень сбора данных и выполнения алгоритмов) и верхнего уровня (уровень диспетчерского управления).
Ключевые слова: система автоматизации, горно-климатический курорт, система контроля и управления водоснабжением, система контроля и управления водоснабжением инженерными системами
Горно-климатический курорт «Альпика-Сервис» включает в себя канатную дорогу «Аибга» и комплекс зданий (кафе, рестораны, гаражи ратраков, гаражи гондол, помещения для обслуживающего персонала). Территориально-распределенная система СА-ИДИС предназначена для автоматизации и диспетчеризации инженерных систем горноклиматического курорта «Альпика-сервис», таких как подсистемы вентиляции, водоснабжения зданий, электроснабжения, освещения, пожарного водообеспечения и т.д.
Архитектура системы-двухуровневая (рис.1).
