CN103307447B - 一种城市燃气管网技术故障信息监测预警系统 - Google Patents

Abstract

一种城市燃气管网技术故障信息监测预警系统属于城市燃气系统安全领域，其特征在于是一种分布式—集中控制式网络，包括作为全网的协调控制单元的由基准燃气源、定流量源、定压力源三种源节点的计算机，以及作为基本控制单元的各自的分布式节点，以分布式节点上各个监测点参数实测值作为监控对象，实测值在额定值内时属于正常运行，在额定值到1.5倍额定值之间平稳浮动属于正常，但发注意观测信号，连续三次发生突变，发预警信号，一旦超过1.5倍额定值，发危急信号，在预警状态下，若用户能耗突升，由基准气源源节点通知定压力源源节点或/和定流量源源节点调剂，若属于燃气泄漏，则发出设备急修信号，解决了城市燃气系统的技术故障预警问题。

Description

一种城市燃气管网技术故障信息监测预警系统

技术领域

本发明属于城市燃气系统技术故障预警技术领域。

背景技术

现阶段，城市燃气管网的使用主要存在两方面问题：一方面是对在役管道过早或过度检修，浪费巨大；另一方面，一些管道由于没有及时得到维护而发生泄漏、破裂，造成不可挽回的损失，因此，通常着眼于加强对城市燃气管网风险评估技术的研究，用科学、实用、受到业界广泛认可的风险评估方法对燃气管道网络系统进行定性、定量风险评估，并根据相应的安全管理标准，评价系统发生危险的可能性及其严重程度，提出必要的措施以寻求降低事故发生概率、减小事故损失，制定最优的安全投资策略，但缺点在运行过程中没有事先预警，发明内容

本发明的目的在于提高一种城市燃气管网技术故障信息预警系统，以解决城市燃气系统故障预警问题，

本发明的思路是：把城市燃气管网建成一个同时具有城市燃气输出、故障预警以及网络通信功能的、服务于技术故障预警的计算机网络，以小区燃气入口处、集中负荷入口处作为一个分布式节点，以各节点作为基本控制单元，以节点内各测量点的参数为监测对象，以流量仪、压力仪、泄漏仪、燃气探测仪为基本手段，以测点设备在正常运行下的参数额定值为观测基准值，对参数进行分级预警控制，以基准气源源节点、定压力源源节点、以及定流量源源节点上的主计算机为网络协调单位，在各源节点之间以及各源节点到分布式节点，及存储、储运和调压功能的三种辅助节点之间实现网络通信，以便在生活用户能耗、企业用户能耗突然增加时，由基准气源源节点通知定压力源源节点或/和定流量源源节点进行协调控制，在各分布节点，则以设备经济运行安全参数、技术运行安全参数两个测点设备监控参数监控设备安全，以所述测点设备的监控各节点的参数运行安全，实测值在等于或小于额定值时属于正常运行，实测值在额定值到1.1倍额定值之间上下平稳浮动时属于需要注意观察的不稳定的正常运行状态，如发生连续三次跃变，则发出预警信号，一旦实测值超过1.1倍额定值，则发出危急预警信号，

本发明的特征在于是一种城市燃气系统故障信息监测预警网络，由多个网络拓扑结构互异的网络单元构成，每个网络单元包含：源节点计算机、分布式节点计算机、位于输入节点与输出节点之间的简称为输出管道段的各段输出管道，以及各种传感测量仪组成，其中：

源节点计算机，包含：基准气源源节点计算机、定压力源源节点计算机和定流量源源节点计算机，分别简称为基准气源源节点、定压力源源节点和定流量源源节点，

分布式节点计算机位于网络单元的各个节点上，称为分布式节点，简称为节点，包括以基准气源为源节点的分布式节点、以定压力源为源节点的分布式节点，以及以定流量源为源节点的分布式节点的三种分布式计算机，所述节点包括小区燃气入口处和集中负荷入口处，所述节点还包括：接收站、储配室和燃气调压室，是一种分别供储存、分配和调压用的辅助节点，部分所述分布式节点在定压力源源节点、定流量源源节点工作时是共享的，

在所述节点上，设有：历史数据存储模块、实时采样数据缓存模块、节点设备参数监测模块以及节点控制器，其中：

历史数据存储模块，设有：历史数据数组，包括源节点类别和编号、节点编号、采样日和节点参数额定值，所述历史数据按源节点类别分区，每个区内为从源节点起，从上到下按序号排列的各中间节点层，节点在每个中间节点层内按节点编号横向顺序排列，所述各历史数据数组按日采样、按年划分，共同组织在一个设定的历史数据采样时间范围内，所述各节点参数包括流量、压力、按体积计的日燃气用量中的任何一种和多种，

实时采样数据缓存模块，设有：实时采样数据数组，包括：采样日、传感器种类、传感器编号以及节点参数采样值，所述传感器种类是指气体流量计、气体压力计以及流动的燃气泄漏检测仪，

节点设备参数监测模块，包括：

设备经济运行安全参数，以当前故障日为标志，若当前故障检修费用和该设备历史上的故障检修费用之和将大于或等于设备当前采购价时，认为该设备若要继续运行，则既不经济也不安全，由所在节点发出该设备报废预警信号，

设备技术运行安全参数，以设备的有效使用期为标志，若该设备继续运行，则有安全隐患，由所在节点发出该设备报废预警信号，

所述设备包括：动力泵、增压泵、输出管道段以及各类传感元件，

节点控制器，设有：

设备监测数据组，包括：设备原价，设备当前采购价以及设备有效期，

传感器编号和传感器部署位置映射表

传感器所在测点的监测数据组，包括：测点采样参数额定值

节点的监测数据组，包括：节点内各测点采样参数额定值之和的上限阈值，下同

反向路由回复表，发向自身所属类别的源节点，内含：源节点类别、发出日期、采样日、采样时刻、本节点编号、上游节点编号、反向路径域以及各类采样数据的实时采样值，所述采样时刻是所述城市燃气系统故障信息监测预警系统统一制定的，以及报废设备的名称、编号、更新日以及新设备有效期，

所述节点控制器把各类参数实时采样值沿着自身所属源节点提供的路径域向上行发向自身所属的源节点，所属路径域由包括各上行的中间节点层中的下一跳上行节点编号、地址以及跳数，

在所述辅助节点上，设有：历史数据存储模块、实时采样数据缓存模块、设备参数监测模块以及辅助节点控制器，其中：

历史数据存储模块，设有：历史数据数组，包括：辅助节点名称、采样日、采样时刻、节点参数实测值以及额定值，数据组存储方式按日测定、按年划分，也同样组成一个设定的历史数据时间范围，与所述节点中历史数据的时间范围相同，

实时采样数据缓存模块，具有与所述节点中的实时采样数据缓存模块相同的数组结构，

节点设备参数监测模块，数据类型与所述节点中的同类模块内的数据类型相同，

辅助节点控制器，向所述各个源节点计算机发送的反向路由回复表，其中数组的内容包括：辅助节点名称、发出日期、采样日、采样时刻、辅助节点编号、反向路径域、采样数据实测值以及报废设备的名称、编号、更新日以及新设备有效期，

所述各源节点计算机，也称源节点中央控制器，设有：通信模块、节点编号模块、节点及辅助节点的实时采样数据缓存模块以及节点或辅助节点输出参数的分级控制模块，其中：节点编号模块，用于把一个实际的燃气管网中的单元燃气管网转换成一个用各类节点编号表示的网络矩阵，步骤如下：

第1步：给出一个实际的中压燃气管网单元，各节点用纯阿拉伯数字表示，

第2步：找出基准气源源节点、定流量源源节点以及定压力源源节点，

第3步：分别找出各源节点下行方向的各下游或称下一跳节点作为各自第一层中间节点，再依次找出各所述第一层中间节点中各中间节点的下一跳节点构成各自的第二层中间节点，依次类推，找出各自所有的中间节点层，

第4步：对于第3步中所述的各类别中间节点层内的各中间节点，若有不同类别的中间节点交汇于一个节点时，则该节点就是辅助节点，其特征是在采样时刻只有输入而没有输出，

第5步：设定：基准气源源节点的类别符号为A，定压力源源节点的类别符号为B，定流量源源节点的类别符号为C，A、B、C三类源节点各自的中间节点层分别用对应的符号a、b、c表示，则各个不同类别中间节点层a、b、c下标的第一个阿拉伯数字表示中间节点层的序号，第二个阿拉伯数字表示同一个中间节点层中各个节点的序号，则节点标号Aa11，就表示为基准气源源节点分布式节点中第1层中间节点层的第1个节点，其余依次类推，

设定：用符号D表示辅助节点中的接收站或储运站或燃气调压室，

第6步：用第5步得到的节点编号代替第1步中用纯阿拉伯数字表示的节点编号，构成一个节点编号矩阵，在空白元素位置上填一个符号“0”，称为中压燃气管道单元的网络矩阵，是一个网络单元，

通信模块，设有：用于各源节点间进行网络通信的源节点间路由请求表，用于各源节点与自身各中间节点进行网络通信用的源节点—中间节点路由请求表，以及用于各源节点与辅助节点间进行网络通信用的源节点—辅助节点路由请求表，

其中：源节点间路由请求表，内含：通信日期、发信方源节点类别、地址以及源节点编号、收信方源节点类别、地址以及源节点编号、路径域以及数据部分，所述数据部分包括发信方各中间节点当日的参数实时采样值，

源节点—中间节点路由请求表，内含：通信日期、作为发信方的源节点的节点编号及地址、作为目的节点的各中间节点的节点编号、地址、路径域以及数据部分，所述数据部分由源节点设定，包括向所述各中间节点发出的节点内各测点采样参数额定值之和的上限阈值，或者是应由所述中间节点向源节点发回的数据部分，缺省的反向路由回复表和节点参数历史数据值，

源节点—辅助节点路由请求表，其内容与源节点—中间节点的路由请求表相同，

节点或辅助节点参数的分级控制模块，依次按以下步骤对节点或辅助节点的日实时采样数据进行分级控制：

第1步：从所述节点编号模块中提取所述中压燃气管网单元的网络矩阵，并按最短路径法建立各源节点之间的路由表，以及各源节点到包括辅助节点在内的所有节点的路由表，存入通信模块，

第2步：三个所述源节点各自令包括辅助节点在内的所有节点按以下步骤对所属各测点的采样参数进行分级控制并预警，

第2.1步：提取所有节点内各测点的采样参数历史值、上报到所属于的源节点，

第2.2步：各测点判断所在之处的节点设备是否达到报废状态，若有，则由各测点上报节点请求报废，节点把报废设备的更新日、新设备的有限期、新设备的采购价格上报所属于的源节点备存，若没有，则执行第2.3步，

第2.3步：令各测点开始按设定的采样日、采样时刻逐日采样并判断，

若：测点参数的实时采样值在所述测点设备的运行额定值上下10%范围内平稳变动，则为正常，否则向所在节点发出给予注意观测的信号，

若：测点参数的实时采样值超过所述测点设备运行额定值但又小于1.1倍所述测点设备运行额定值的范围内，且连续三次采样时突发持续上升的或持续下降的跃变，则发出预警信号，并进行如下判断：

若：属于民用或企业用户能耗需求的突变，则立即通过所在节点上报节点所属的源节点，

若：民用或企业用户燃气供应量稳定下降，在测量输入燃气量一定的情况下，则应为包括输出管道段在内的设备燃气泄漏，立即上报节点检修，一直到民用或企业用户燃气供应量稳定为止，

若：测量参数的实时采样值等于或大于所述测点设备运行额定值的1.1倍时，应立即通过所在节点上报节点所属于的源节点，并作以下判断：

若：属于民用或企业用户燃气需用量的突然增加，则所在节点应上报所属于的源节点请求增加系统总流量，或提升系统运行的总压力，

若：属于民用或企业用户燃气供应量突然下降，则包括输出管道段在内的节点设备的燃气泄漏量必然发生向上跃升，判断为设备故障，发出节点设备报警信号，

第3步：基准气源源节点的总输出燃气用量连续三天发生向上跃变，而部分或全部下属节点也连续三天发生燃气用量向上跃变，则判断为系统的燃气总用量猛增，并通知所属燃气调压室增加燃气，储配室输出备用的燃气量，以满足用户燃气需求，若在后续三天内燃气总用量还处于跃变状态，但幅度下降时，便通知定压力源源节点、定流量源源节点，根据自身所有节点的输入参数值增加流量或提升压力，一直到燃气总用量等于下属各节点所上报的节点内各测点采样参数额定值之和的上限阈值的总和为止，此时，三个所述源节点是共享部分节点，但同一节点允许具有不同编号，

第4步：若基准气源源节点的总输出燃气用量一旦向下跃变，则由所述作为辅助节点的接收站和储配室所接收剩余燃气量，

第5步：若实时采样值超过1.1倍，则设备属于危险运行，有可能发生设备故障，发出危急预警信号。

本发明使城市燃气管道同时具有网络通信、分布—集中式节点控制、各节点内各测点设备的故障安全和参数安全运行的功能。

图1.实际的中压燃气管网的网络单元结构图。

图2.对各节点进行了网络分层编号的分布—集中式中压燃气管网的网络单元。

图3.用节点编号为元素的网络矩阵。

图4.本发明的系统结构图。

图5.分支节点计算机的模块结构图。

图6.源节点计算机的模块结构图。

图7.基准气源源节点计算机中节点和节点输出参数的分层控制及预警的顺序流程图。

图8.在发出预警信号后，源节点内的节点和辅助节点参数分级控制模块进行流量压力协调控制流程图。

图9.各节点的测点运行参数分级控制曲线图。

具体实施方式

见图1—图9

在图2中：Aa₀₁是基准气源源节点，Aa₁₁—Aa₁₃是第一中间节点层，Aa₂₁—Aa₂₂是第二中间节点层，Aa₃₁就是Aa₁₂，但又是第三中间节点层，

Bb₀₁是定压力源源节点，Bb₁₁、Bb₁₂是第一中间节点层，Bb₁₂、Aa₁₂、Aa₃₁三个分布式节点共享一个节点，

Cc₀₁是定流量源源节点，Cc₁₁、Cc₁₂是第一中间节点层，Cc₂₁是第二中间节点层，但与Cc₁₂共享节点，

D₁、D₂、D₃是辅助节点，其中：D₂为接收站，D₁、D₁为储配室，燃气调压室缺省，

Aa₁₃、（Bb₁₂、Aa₁₂、Aa₃₁）、Bb₁₁、Cc₁₁交汇于D₂，Aa₁₃、Cc₁₁交汇于D₃，Bb₁₁、（Cc₁₂、Cc₂₁）交汇于D₁

Aa₀₁到Aa₁₁或Aa₁₂或Aa₁₃的最短路径只有一跳，Aa₀₁到Aa₂₁或Aa₂₂的最短路径有二跳，Aa₀₁到D₂或D₃的最短路径有二跳，其余类推

本发明实现了供气、预警已经通信网络的统一。

Claims (1)

1.一种城市燃气管网技术故障信息监测报警系统，其特征在于，是一种城市燃气系统故障信息监测预警网络，由多个网络拓扑结构互异的网络单元构成，每个网络单元包含：源节点计算机、分布式节点计算机、位于输入节点与输出节点之间的简称为输出管道段的各段输出管道，以及各种传感测量仪组成，其中：

源节点计算机，包含：基准气源源节点计算机、定压力源源节点计算机和定流量源源节点计算机，分别简称为基准气源源节点、定压力源源节点和定流量源源节点，

分布式节点计算机位于网络单元的各个节点上，称为分布式节点，简称为节点，包括以基准气源为源节点的分布式节点、以定压力源为源节点的分布式节点，以及以定流量源为源节点的分布式节点的三种分布式计算机，所述节点包括小区燃气入口处和集中负荷入口处，所述节点还包括：接收站、储配室和燃气调压室，是一种分别供储存、分配和调压用的辅助节点，部分所述分布式节点在定压力源源节点、定流量源源节点工作时是共享的，

在所述节点上，设有：历史数据存储模块、实时采样数据缓存模块、节点设备参数监测模块以及节点控制器，其中：

历史数据存储模块，设有：历史数据数组，包括源节点类别和编号、节点编号、采样日和节点参数额定值，所述历史数据按源节点类别分区，每个区内为从源节点起，从上到下按序号排列的各中间节点层，节点在每个中间节点层内按节点编号横向顺序排列，所述各历史数据数组按日采样、按年划分，共同组织在一个设定的历史数据采样时间范围内，所述各节点参数包括流量、压力、按体积计的日燃气用量中的任何一种和多种，

实时采样数据缓存模块，设有：实时采样数据数组，包括：采样日、传感器种类、传感器编号以及节点参数采样值，所述传感器种类是指气体流量计、气体压力计以及流动的燃气泄漏检测仪，

节点设备参数监测模块，包括：

设备经济运行安全参数，以当前故障日为标志，若当前故障检修费用和该设备历史上的故障检修费用之和将大于或等于设备当前采购价时，认为该设备若要继续运行，则既不经济也不安全，由所在节点发出该设备报废预警信号，

设备技术运行安全参数，以设备的有效使用期为标志，若该设备继续运行，则有安全隐患，由所在节点发出该设备报废预警信号，

所述设备包括：动力泵、增压泵、输出管道段以及各类传感元件，

节点控制器，设有：

设备监测数据组，包括：设备原价，设备当前采购价以及设备有效期，

传感器编号和传感器部署位置映射表

传感器所在测点的监测数据组，包括：测点采样参数额定值

节点的监测数据组，包括：节点内各测点采样参数额定值之和的上限阈值，下同

反向路由回复表，发向自身所属类别的源节点，内含：源节点类别、发出日期、采样日、采样时刻、本节点编号、上游节点编号、反向路径域以及各类采样数据的实时采样值，所述采样时刻是所述城市燃气系统故障信息监测预警系统统一制定的，以及报废设备的名称、编号、更新日以及新设备有效期，

所述节点控制器把各类参数实时采样值沿着自身所属源节点提供的路径域向上行发向自身所属的源节点，所属路径域由包括各上行的中间节点层中的下一跳上行节点编号、地址以及跳数，

在所述辅助节点上，设有：历史数据存储模块、实时采样数据缓存模块、设备参数监测模块以及辅助节点控制器，其中：

历史数据存储模块，设有：历史数据数组，包括：辅助节点名称、采样日、采样时刻、节点参数实测值以及额定值，数据组存储方式按日测定、按年划分，也同样组成一个设定的历史数据时间范围，与所述节点中历史数据的时间范围相同，

实时采样数据缓存模块，具有与所述节点中的实时采样数据缓存模块相同的数组结构，

设备参数监测模块，数据类型与所述节点中的同类模块内的数据类型相同，

辅助节点控制器，向所述各个源节点计算机发送的反向路由回复表，其中数组的内容包括：辅助节点名称、发出日期、采样日、采样时刻、辅助节点编号、反向路径域、采样数据实测值以及报废设备的名称、编号、更新日以及新设备有效期，

所述各源节点计算机，也称源节点中央控制器，设有：通信模块、节点编号模块、节点及辅助节点的实时采样数据缓存模块以及节点或辅助节点输出参数的分级控制模块，其中：节点编号模块，用于把一个实际的燃气管网中的单元燃气管网转换成一个用各类节点编号表示的网络矩阵，步骤如下：

第1步：给出一个实际的中压燃气管网单元，各节点用纯阿拉伯数字表示，

第2步：找出基准气源源节点、定流量源源节点以及定压力源源节点，

第3步：分别找出各源节点下行方向的各下游或称下一跳节点作为各自第一层中间节点，再依次找出各所述第一层中间节点中各中间节点的下一跳节点构成各自的第二层中间节点，依次类推，找出各自所有的中间节点层，

第4步：对于第3步中所述的各类别中间节点层内的各中间节点，若有不同类别的中间节点交汇于一个节点时，则该节点就是辅助节点，其特征是在采样时刻只有输入而没有输出，

第5步：设定：基准气源源节点的类别符号为A，定压力源源节点的类别符号为B，定流量源源节点的类别符号为C，A、B、C三类源节点各自的中间节点层分别用对应的符号a、b、c表示，则各个不同类别中间节点层a、b、c下标的第一个阿拉伯数字表示中间节点层的序号，第二个阿拉伯数字表示同一个中间节点层中各个节点的序号，则节点标号Aa11，就表示为基准气源源节点分布式节点中第1层中间节点层的第1个节点，其余依次类推，

设定：用符号D表示辅助节点中的接收站或储运站或燃气调压室，

第6步：用第5步得到的节点编号代替第1步中用纯阿拉伯数字表示的节点编号，构成一个节点编号矩阵，在空白元素位置上填一个符号“0”，称为中压燃气管道单元的网络矩阵，是一个网络单元，

通信模块，设有：用于各源节点间进行网络通信的源节点间路由请求表，用于各源节点与自身各中间节点进行网络通信用的源节点—中间节点路由请求表，以及用于各源节点与辅助节点间进行网络通信用的源节点—辅助节点路由请求表，

其中：源节点间路由请求表，内含：通信日期、发信方源节点类别、地址以及源节点编号、收信方源节点类别、地址以及源节点编号、路径域以及数据部分，所述数据部分包括发信方各中间节点当日的参数实时采样值，

源节点—中间节点路由请求表，内含：通信日期、作为发信方的源节点的节点编号及地址、作为目的节点的各中间节点的节点编号、地址、路径域以及数据部分，所述数据部分由源节点设定，包括向所述各中间节点发出的节点内各测点采样参数额定值之和的上限阈值，或者是应由所述中间节点向源节点发回的数据部分，缺省的反向路由回复表和节点参数历史数据值，

源节点—辅助节点路由请求表，其内容与源节点—中间节点的路由请求表相同，

节点或辅助节点参数的分级控制模块，依次按以下步骤对节点或辅助节点的日实时采样数据进行分级控制：

第1步：从所述节点编号模块中提取所述中压燃气管网单元的网络矩阵，并按最短路径法建立各源节点之间的路由表，以及各源节点到包括辅助节点在内的所有节点的路由表，存入通信模块，

第2步：三个所述源节点各自令包括辅助节点在内的所有节点按以下步骤对所属各测点的采样参数进行分级控制并预警，

第2.1步：提取所有节点内各测点的采样参数历史值、上报到所属于的源节点，

第2.2步：各测点判断所在之处的节点设备是否达到报废状态，若有，则由各测点上报节点请求报废，节点把报废设备的更新日、新设备的有限期、新设备的采购价格上报所属于的源节点备存，若没有，则执行第2.3步，

第2.3步：令各测点开始按设定的采样日、采样时刻逐日采样并判断，

若：测点参数的实时采样值在所述测点设备的运行额定值上下10％范围内平稳变动，则为正常，否则向所在节点发出给予注意观测的信号，

若：测点参数的实时采样值超过所述测点设备运行额定值但又小于1.1倍所述测点设备运行额定值的范围内，且连续三次采样时突发持续上升的或持续下降的跃变，则发出预警信号，并进行如下判断：

若：属于民用或企业用户能耗需求的突变，则立即通过所在节点上报节点所属的源节点，

若：民用或企业用户燃气供应量稳定下降，在测量输入燃气量一定的情况下，则应为包括输出管道段在内的设备燃气泄漏，立即上报节点检修，一直到民用或企业用户燃气供应量稳定为止，

若：测量参数的实时采样值等于或大于所述测点设备运行额定值的1.1倍时，应立即通过所在节点上报节点所属于的源节点，并作以下判断：

若：属于民用或企业用户燃气需用量的突然增加，则所在节点应上报所属于的源节点请求增加系统总流量，或提升系统运行的总压力，

若：属于民用或企业用户燃气供应量突然下降，则包括输出管道段在内的节点设备的燃气泄漏量必然发生向上跃升，判断为设备故障，发出节点设备报警信号，

第3步：基准气源源节点的总输出燃气用量连续三天发生向上跃变，而部分或全部下属节点也连续三天发生燃气用量向上跃变，则判断为系统的燃气总用量猛增，并通知所属燃气调压室增加燃气，储配室输出备用的燃气量，以满足用户燃气需求，若在后续三天内燃气总用量还处于跃变状态，但幅度下降时，便通知定压力源源节点、定流量源源节点，根据自身所有节点的输入参数值增加流量或提升压力，一直到燃气总用量等于下属各节点所上报的节点内各测点采样参数额定值之和的上限阈值的总和为止，此时，三个所述源节点是共享部分节点，但同一节点允许具有不同编号，

第4步：若基准气源源节点的总输出燃气用量一旦向下跃变，则由所述作为辅助节点的接收站和储配室所接收剩余燃气量，

第5步：若实时采样值超过1.1倍，则设备属于危险运行，有可能发生设备故障，发出危急预警信号。