本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領域，具體講涉及一種供熱管網(wǎng)等效建模方法。

背景技術：

隨著化石燃料的逐步枯竭以及能源結構綜合優(yōu)化調整問題的逐漸突出，世界各國發(fā)展新能源的意識都在不斷加強。作為最具開發(fā)規(guī)模的可再生能源發(fā)電代表的風電，近年來受重視的程度越來越高，開發(fā)利用發(fā)展迅速，但是由于風電出力隨風而定，時間上不穩(wěn)定，空間上不均衡，具有隨機性和波動性以及反調峰等特性，使得風力發(fā)電的消納問題比較突出，棄風現(xiàn)象普遍并且嚴重。

一些高緯度地區(qū)的供熱以大型熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱為主，城市供熱管網(wǎng)容積巨大，保溫性能好，具有較高的熱慣性，業(yè)已構成巨大的儲熱系統(tǒng)。在保證供熱前提下，可以通過供熱管網(wǎng)的儲熱特性和熱慣性平移供熱機組的熱負荷，適當降低供熱機組的熱出力，提升供熱機組的調峰能力，為新能源發(fā)電提供空間。因此，需要研究表征集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)儲熱能力和熱慣性的特征參數(shù)，建立城市供熱系統(tǒng)的熱特性模型，為熱-電聯(lián)合優(yōu)化運行控制提供理論基礎。

但供熱管網(wǎng)具有復雜拓撲結構，面對這樣一個復雜系統(tǒng)的建模，需要巨大的計算量，現(xiàn)有技術無法滿足計算的快速性要求。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出了一種供熱管網(wǎng)等效建模方法，簡化城市供熱管網(wǎng)的數(shù)學模型，大幅縮減了變量規(guī)模，有效提升該問題的求解速度。

一種供熱管網(wǎng)等效建模方法，所述方法包括：

I、按流體網(wǎng)絡建模技術建立集中供熱一次管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型；

II、所述管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型的等效聚合，得到模型參數(shù)；

III、校驗模型參數(shù)與實測數(shù)據(jù)是否存在偏差。

進一步的，所述步驟I的集中供熱一次管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型包括一次管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)水力模型和供熱管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)熱力模型；

所述一次管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)水力模型如下式所示：

其中，A為流體網(wǎng)絡的基本關聯(lián)矩陣，A＝(a_ij)_n×b；G為管網(wǎng)的流量對角陣，G＝(g_j)_b×b；Q為管網(wǎng)節(jié)點流量矩陣，Q＝(q_i)_n×b；B為流體網(wǎng)絡的基本回路矩陣，B＝(b_cj)_c×b；S為管網(wǎng)阻力系數(shù)對角陣，S＝(s_j)_b×b；Z為管網(wǎng)節(jié)點的高度差矩陣，Z＝(z_j)_b×b；M為水泵揚程列向量，M＝(m_j)_b×1；

所述供熱管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)熱力仿真模型如下式所示：

其中，c為水的比熱容；G為管道流量對角陣，G＝(g_j)_b×b；T_in為管道入口流體溫度列向量，T_in＝(t_j,in)_b×1；T_out為管道末端流體溫度列向量，T_out＝(t_j,out)_b×1；H為熱源節(jié)點輸入能量列向量，H＝(h_i)_b×1；U為熱用戶節(jié)點消耗能量列向量，U＝(u_i)_b×1；D為管道單位時間散熱量列向量，D＝(d_j)_b×1；T_Node為流入到管道中的流體溫度，T_Node＝(t_Node,i)_n×1；K表示管道的集總散熱系數(shù)，K＝(k_ij)_n×b。

進一步的，所述一次管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)水力模型的約束包括：

流體網(wǎng)絡i節(jié)點的流量q_i的約束如下式所示：

其中，a_ij為流動方向符號函數(shù)，i＝1,…,n，j＝1,…,b；g_j為管道j的質量流量，單位為kg/s；b為管道數(shù)目；

回路壓力平衡約束如下所示：

其中，b_cj為分支流動方向符號函數(shù)，c＝1,…,b-n；h_j為管道j兩端的壓力水頭之差，單位為Pa；

管網(wǎng)中任一管道的兩端的壓力水頭之差的約束如下式所示：

h_j＝s_jg_j²+z_j-m_j

其中，s_j為管道j的阻力系數(shù)，單位為Pa/(kg/s)²；z_j為管道j兩節(jié)點間水壓差，單位為Pa；m_j為管道j中水泵的揚程，單位為Pa。

進一步的，所述供熱管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)熱力模型的約束包括：

節(jié)點能量平衡約束和管道散熱平衡約束分別如下式所示：

g_jct_j,in＝g_jct_j,out+d_j j＝1,2,…,b

其中，g_jct_j,out為j管道在i節(jié)點傳入的熱量，單位為W；g_j為j管道的流量，單位為kg/s；c為水比熱，單位為J/[kg·K]；t_j,out為j管道出口端溫度，單位為K；h_i為熱源向i節(jié)點傳入的熱量，單位為W；g_jct_j,in為i節(jié)點輸出到j管道的熱量，單位為W；t_j,in為j管道入口端溫度；u_i為i節(jié)點的用戶消耗的熱量，單位為W；d_j為j管道向外界的散熱量，單位為W；

流體在節(jié)點處流入到不同管道中的流體溫度t_Node,i的約束如下式所示：

t_Node,i＝k_i,jt_j,in

其中，k_ij為當j管道以i節(jié)點為起點時為1，否則為0。

進一步的，所述步驟II包括：按照簡化前后溫度延遲一致和等價流動阻力不變的原則對步驟I的所述一次管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型進行簡化；通過matlab仿真計算獲得流動阻力特性系數(shù)、管道熱損失系數(shù)和換熱設備換熱系數(shù)。

進一步的，所述步驟III的實測數(shù)據(jù)包括：管道流量、節(jié)點相對壓力和管網(wǎng)管道的進出口水溫。

進一步的，所述步驟III包括：基于一次管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型簡化模型，用管道實測進口水溫計算出口水溫，并與實測出口水溫比較；

若存在偏差，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，重新計算獲得流動阻力特性系數(shù)、管道熱損失系數(shù)和換熱設備換熱系數(shù)；若不存在偏差，則輸出一次管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型簡化模型。

一種供熱管網(wǎng)等效建模裝置，所述裝置包括：

采集模塊，用于采集管道流量、節(jié)點相對壓力和管網(wǎng)管道的進出口水溫；

信息接收模塊，與采集模塊相連，用于接收采集模塊采集的數(shù)據(jù)；

處理模塊，與信息接收模塊相連，并根據(jù)所述信息接收模塊接收的數(shù)據(jù)計算出口水溫；

比較模塊，與處理模塊相連，用于處理模塊計算的出口水溫與實測出口水溫的比較；

輸出模塊，與比較模塊相連，用于輸出比較結果。

與最接近的現(xiàn)有技術比，本發(fā)明提供的技術方案具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的技術方案通過拓撲結構簡化、關鍵參數(shù)辨識和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)大型復雜供熱系統(tǒng)模型的簡化與校核，提高熱電聯(lián)合優(yōu)化模型計算速度和精確度。

2、本發(fā)明提供的技術方案用表征集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)儲熱能力和熱慣性的特征參數(shù)建立城市供熱系統(tǒng)的熱特性模型，為熱-電聯(lián)合優(yōu)化運行控制提供了可靠的技術支撐。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明所用裝置。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1所示是本發(fā)明的方法的具體實施步驟，首先根據(jù)傳熱學、流體力學原理和動力系統(tǒng)建模方法，基于流體網(wǎng)絡建模技術，建立集中供熱一次管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型。

一次管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型如下所示：

(1)首先建立一次管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)水力模型

任何流體網(wǎng)絡系統(tǒng)都滿足質量、能量守恒這兩大物理定律。假設某流體網(wǎng)絡有b個管道，n+1個節(jié)點，根據(jù)質量守恒原理，對于任何流體網(wǎng)絡，與某一節(jié)點相連的所有分支流量的代數(shù)和等于該節(jié)點的出流量：

式中：

a_ij——流動方向符號函數(shù)(i＝1,…,n；j＝1,…,b)當i節(jié)點為j管道的端點且g_j流出該節(jié)點時取值為1，反之為-1，當i節(jié)點不是j管道的任一端點時取值為0；

g_j——管道j的質量流量(kg/s)；

q_i——i節(jié)點的節(jié)點流量(kg/s)，流入節(jié)點為正，流出為負。

根據(jù)能量守恒原理，任何流體網(wǎng)絡沿任意獨立回路，各管道壓力降的代數(shù)和為零，回路壓力平衡方程可表示為

式中：

b_cj——分支流動方向符號函數(shù)(c＝1,…,b-n)，當管道j包含在c回路中并與回路同向時b_cj取值為1，反向時取值為-1，當管道j不包含在c回路中時取值為0。

h_j——管道j兩端的壓力水頭之差(Pa)。

對于管網(wǎng)當中的任一管道，其兩端的壓力水頭之差都可以表示為：

h_j＝s_jg_j²+z_j-m_j (3)

式中：

h_j——j管道兩端的壓力水頭之差(Pa)；

s_j——j管道的阻力系數(shù)(Pa/(kg/s)2)；

z_j——j管道兩節(jié)點的位置水頭之差(Pa)；

m_j——j管道中水泵的揚程(Pa)，當無水泵時取值為0。

在定義了流體網(wǎng)絡的基本關聯(lián)矩陣A和基本回路矩陣B的基礎上，穩(wěn)態(tài)水力計算模型有如下等效的矩陣模型：

式中：

A——流體網(wǎng)絡的基本關聯(lián)矩陣；

G——管網(wǎng)的流量向量；

Q——管網(wǎng)節(jié)點流量向量；

P——管網(wǎng)節(jié)點相對壓力向量；

B——流體網(wǎng)絡的基本回路矩陣；

S——管網(wǎng)阻力系數(shù)對角陣；

Z——管網(wǎng)節(jié)點的高差向量；

DH——水泵揚程列向量。

(2)然后建立供熱管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)熱力仿真

節(jié)點能量平衡方程和管道散熱平衡方程如下：

g_jct_j,in＝g_jct_j,out+d_j j＝1,2,…,b (4)

式中：

g_jct_j,out——j管道向i節(jié)點輸入的熱量(W)，g_j為j管道的流量(kg/s)，c為水比熱(J/[kg·K])，t_j,out為j管道出口端溫度(K)，若j管道沒有向i節(jié)點輸入流體，則該項為零；

h_i——熱源向i節(jié)點輸入的熱量(W)，若該節(jié)點沒有連接熱源，則該項為零；

g_jct_j,in——i節(jié)點輸出到j管道的熱量(W)，t_j,in為j管道入口端溫度，從同一節(jié)點引出的不同管道的入口端溫度均相等，若i節(jié)點沒有向j管道輸出流體，則該項為零；

u_i——i節(jié)點熱用戶消耗的熱量(W)，若該節(jié)點沒有連接熱用戶，則該項為零。

g_jct_j,in——輸入管道j的熱量(W)，g_j為j管道的流量(kg/s)，c為供熱介質比熱(J/[kg·℃])，t_j,in為j管道入口端溫度；

g_jct_j,out——j管道輸出的熱量(W)，t_j,out為j管道出口端溫度(℃)；

d_j——j管道向外界的散熱量(W)。

為了使管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)熱力計算模型的方程組封閉，還需要增加一組附加方程(其物理意義為流體在節(jié)點處的混合均勻且迅速，從該節(jié)點流入到不同管道中的流體溫度均相等)如下：

t_Node,i＝k_i,jt_j,in (5)

k_ij——當j管道以i節(jié)點為起點時，k_i,j為1，否則為0

供熱管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)熱力計算的矩陣方程組如下：

式中：

c——水的質量比熱，c＝4187J/(kg·℃)；

G——管道流量對角陣，b×b階，(kg/s)；

T_in——管道入口流體溫度列向量，b×1階，第j個元素t_j,in為j管道入口端的溫度，(℃)；

T_out——管道末端流體溫度列向量，b×1階，第j個元素t_j,out為j管道末端的溫度，(℃)；

H——熱源節(jié)點輸入能量列向量，n×1階，h_i為i節(jié)點熱源輸入的能量，(W)；

U——熱用戶節(jié)點消耗能量列向量，n×1階，u_i為i節(jié)點消耗的能量，U＝f(T_g,M,T_amb)，(W)；T_g為室外供水溫度列向量，M為熱用戶的散熱系數(shù)；T_amb為室外空氣溫度列向量；

D——管道單位時間散熱量列向量，b×1階，D＝f(T_in,T_out,K,T_soil)，T_in表示管道入口流體溫度列向量，b×1階，第j個元素t_j,in為j管道入口端的溫度，(℃)；T_out表示管道末端流體溫度列向量，b×1階，第j個元素t_j,out為j管道末端的溫度，(℃)；K表示管道的集總散熱系數(shù)；T_soil為土壤表面溫度列向量，(W)。

然后，等一次管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型確定后，按照以下原則對模型進行等效：

按照簡化前后溫度延遲一致、等價流動阻力不變的原則對上述一次管網(wǎng)系統(tǒng)進行簡化；即通過matlab軟件的system identification仿真工具計算，獲得流動阻力特性系數(shù)、管道熱損失系數(shù)與換熱設備換熱系數(shù)等關鍵參數(shù)

其次，讀取現(xiàn)場已有的有限測點數(shù)據(jù)，其中包括各管道流量、各節(jié)點相對壓力、管網(wǎng)管道的進出口水溫，為驗證關鍵參數(shù)做好數(shù)據(jù)準備。

接著，基于管網(wǎng)簡化模型，采用各管道實測入口溫度，計算出口溫度，并與實測出口溫度進行比較。如果存在偏差，可采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，重新進行關鍵參數(shù)的辨識；如果不存在偏差，則輸出供熱管網(wǎng)的等效模型。

最后，將上述等效的供熱管網(wǎng)模型用于熱電聯(lián)合優(yōu)化調度中。

如圖2所示是一種供熱管網(wǎng)等效建模裝置，所述裝置包括：

采集模塊，用于采集各管道流量、各節(jié)點相對壓力和管網(wǎng)管道的進出口水溫；

信息接收模塊，與采集模塊相連，用于接收采集模塊采集的數(shù)據(jù)；

處理模塊，與信息接收模塊相連，并根據(jù)所述信息接收模塊接收的數(shù)據(jù)進行出口水溫的計算；

比較模塊，與處理模塊相連，用于比較處理模塊計算的出口水溫與實測出口水溫；

輸出模塊，與比較模塊相連，用于輸出比較結果。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解：依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。