一种基于多工况量测的热网稳态运行参数估计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多工况的热网稳态运行网络参数估计方法，属于综合能源系统的运行和控制技术领域。该方法包括：建立热网等效模型、基于热网等效模型对稳态运行的热网进行网络参数估计、建立参数估计的目标函数、建立热网稳态运行的约束条件、利用MATLAB优化工具箱求解参数估计结果。本方法基于热网双侧等效模型，建立了基于多工况的热网稳态运行参数估计方法，综合考虑了水力工况中的阻力系数(管道内壁粗糙度)和热力工况中的散热系数。对于运行时间较长、管道内壁腐蚀老化程度高导致水力热力参数偏离厂家所给参考值的供热管网，有利于进一步实现热电联产系统状态估计、安全分析与安全控制、优化调度，提高系统管理水平、增加社会总福利。

A Method for Estimating Steady-state Operating Parameters of Heat Networks Based on Multi-condition Measurement

The invention relates to a method for estimating the parameters of a steady-state operation network of a heat network based on multiple operating conditions, which belongs to the technical field of operation and control of an integrated energy system. The method includes: establishing the equivalent model of the heat network, estimating the network parameters based on the equivalent model of the heat network, establishing the objective function of the parameter estimation, establishing the constraints of the steady-state operation of the heat network, and solving the parameter estimation results by using the optimization toolbox of MATLAB. Based on the two-sided equivalent model of the heat network, a method for estimating the steady-state operation parameters of the heat network under multi-operating conditions is established. The resistance coefficient (the roughness of the inner wall of the pipeline) and the heat dissipation coefficient under the thermal conditions are considered comprehensively. For the heating network with long running time and high corrosion aging degree of pipeline inner wall, which results in the deviation of hydraulic and thermal parameters from the reference value given by the manufacturer, it is conducive to further realizing the state estimation, safety analysis and safety control, optimal dispatch of cogeneration system, improving the level of system management and increasing the total social welfare.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多工况量测的热网稳态运行参数估计方法
本专利技术涉及一种基于多工况量测的热网稳态运行参数估计方法，属于综合能源系统的运行和控制
技术背景热网根据供热介质不同可以分为热水供热管网和蒸汽供热管网两类。目前，我国的工业供热多为中高压蒸汽供热管网，民用供热多为热水供热管网。在本专利技术中我们以热水供热管网进行分析。热网中的参数具有很强的不确定性。水力工况中，管段的流通能力会因各种内因、外因发生变化，一般用阻力系数描述流体在管道中受阻碍的程度。管段的阻力系数一般采用经验公式计算，真实值与厂家所给数值往往存在一定差异。管道运行时间、直径、材质、热媒种类和内壁腐蚀等多种因素的变化，会使管道中参数的实际值也随之改变，这种不确定性向集中供热系统的网络分析提出了挑战。热力工况中，建模中的散热系数常使用经验参数值，与实际值存在偏差，且散热系数受环境的影响同样存在波动，成为不确定性的重要来源，同样不利于集中供热系统的运行规划。因此，估计出接近真实值的模型参数，可以更准确的求解、分析热网的运行状态，这对进一步实现热电联产系统状态估计、安全分析与安全控制、优化调度，提高系统管理水平、增加社会总福利都具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于多工况的热网稳态运行参数估计方法，对热网的阻力系数和散热系数同时进行估计，以得到更为准确的网络参数。本专利技术提出的基于多工况量测的热网稳态运行参数估计方法，包括以下步骤：(1)建立热网等效模型的节点-支路关联矩阵，包括：在热网双侧等效模型中同时考虑热网供水支路和回水支路，并将热源和热负荷等效为连接支路，对于由N个节点、B条支路构成的热网，形成以下表示节点和支路关系的矩阵：(1-1)一个节点-支路关联矩阵A，节点-支路关联矩阵A表示网络中节点和支路的拓扑关系，矩阵A由0、1、-1三个元素组成，A中元素定义如下：i＝1，2，…，N；j＝1，2，…，B其中，i为热网中的任意一个节点，j为热网中任意一条支路；(1-2)一个正节点-支路关联矩阵Af：正节点-支路关联矩阵Af表示各支路的首端节点与支路的关系，Af＝{A|Aij＞0}，Af中元素定义如下：i＝1，2，…，N；j＝1，2，…，B；(1-3)一个负节点-支路关联矩阵At：负节点-支路关联矩阵At表示各支路的末端节点与支路的关系，At＝{-A|Aij＜0}，At中元素定义如下式：i＝1，2，…，N；j＝1，2，…，B；(2)基于热网等效模型，对稳态运行的热网进行参数估计：(2-1)设定热网参数估计的收敛精度δ和最大循环次数d，初始化时设循环次数a为0；(2-2)从热网的数据采集与监视控制系统中获取测量的n个不同工况下的热网运行数据，包括热网中各节点压力任意两个节点间支路的流量两个节点间支路的首端温度和末端温度热源和热负荷等效成的连接支路，热功率其中上标q表示连接支路，t表示工况编号，且有t＝1，2，...，n，上述运行数据构成一个测量值列向量zh(t)；(2-3)将热网所有待估计的估计量构成一个列向量xh(t)，其中包括状态列向量xstate(t)和参数列向量xpara，列向量xstate(t)包括热网中各支路流量m(t)、各节点压力H(t)以及任两个节点间支路的首端温度Tf(t)和末端温度Tt(t)，列向量xpara包括任两个节点间支路的管道内壁粗糙度ε以及普通支路的散热系数λp，其中上标p表示供水支路和回水支路组成的普通支路；(2-4)建立一个描述热网状态量、参数量与测量值之间关系的量测函数f1(x)，f1(x)＝f1(xh(t))，f1(xh(t))为热力系统潮流方程组，热力系统潮流方程组包括以下方程：(2-4-1)一个支路压力损失方程：支路压力损失方程表示一条支路两端节点的压力差，支路压力损失方程的矩阵形式如下：ATH(t)＝ΔH(t)-Hp(t)其中H为上述步骤(2-2)中的热网各节点压力组成的列向量，AT为上述步骤(1-1)中节点-支路关联矩阵A的转置，Hp为支路上泵的扬程组成的列向量，a、b、c为泵参数，从泵的产品铭牌上获取，mp(t)为泵所在支路的流量，ΔH为热网中每条支路压力损失组成的列向量，支路压力损失ΔH通过下式计算得到：ΔH(t)＝K(t)·m(t)·|m(t)|其中，K为热网中支路的阻力系数，m为热网中任一支路流量；(2-4-2)一个连接支路热功率方程：热功率方程表示连接支路q的首末端温度关系，表示为如下形式：其中，上标q表示连接支路，φq(t)为连接支路的用热功率，热负荷处的用热功率为正，热源处的用热功率为负，Cp为供热介质的比热容，由流体的物性参数表获取，mq(t)为连接支路流量，为连接支路首端温度，为连接支路末端温度；(2-4-3)一个阻力系数方程：阻力系数方程表示一条支路阻力系数与管道内壁粗糙度、流量之间的关系K(t)＝f2(m(t)，ε)，其具体可以表现为以下形式：其中，ρ为供热介质的密度，由流体的物性参数表获得，g为当地的重力加速度，d为热网中支路的管道内径，从相应数据手册中获取，l为热网中支路的管道长度，从相应数据手册中获取，f为摩擦系数，通过下式计算得到：其中，d为热网中支路的管道内径，从相应数据手册中获取，ρ为供热介质的密度，由流体的物性参数表获得，γ为热介质的运动黏滞系数，m为任一支路的流量，ε为任两个节点间支路的管道内壁粗糙度。(3)根据上述步骤(2-2)的测量值，建立一个基于多工况的热网稳态运行参数估计的目标函数如下：其中W为测量值的协方差矩阵，上标T表示矩阵转置，J(xh(t))表示目标函数表达式；(4)建立热网稳态运行的约束条件c(xh(t))，包括：(4-1)对所有节点建立流量连续性约束，流量连续性约束表示为如下矩阵形式：AM(t)＝0其中，M(t)为热网每条支路流量构成的列向量，将供水支路和回水支路统一等效为普通支路，用上标p表示，连接支路等效为特殊支路，用上标q表示，则M(t)表示为：其中，Mp(t)表示供水支路和回水支路即普通支路流量组成的子向量，Mq(t)表示连接支路流量组成的子向量；(4-2)对热网中的所有节点建立温度混合约束：(∑mout(t))Tn(t)＝∑(min(t)Tin(t))其中，mout(t)为供热介质流出节点的支路流量，min(t)为供热介质流入节点的支路流量，Tn(t)为节点处供热介质混合后的温度，Tin(t)为不同支路供热介质在节点处混合前的温度；用不同支路末端温度Tt(t)代替支路供热介质在节点处混合前的温度Tin(t)，则节点温度混合约束表示为如下矩阵形式：diag(AfM(t))Tn(t)＝Atdiag(M(t))Tt(t)其中，Af、At分别为上述步骤(1-2)中的正节点-支路关联矩阵和上述步骤(1-3)中的负节点-支路关联矩阵，diag(·)表示对角阵；(4-3)对热网中的所有普通支路建立支路温降约束，支路温降约束的矩阵形式如下：其中，Ta(t)为环境温度，为普通支路末端温度，为普通支路首端温度，L为普通支路长度，λ为热网中普通支路的散热系数，为待估计量，e是自然对数，Cp为供热介质的比热容，Mp(t)表示供水支路和回水支路即普通支路流量组成的子向量；(5)利用信赖域反射算法、有效集算法、内点法或序列二次规划算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多工况量测的热网稳态运行参数估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)建立热网等效模型的节点‑支路关联矩阵，包括：在热网双侧等效模型中同时考虑热网供水支路和回水支路，并将热源和热负荷等效为连接支路，对于由N个节点、B条支路构成的热网，形成以下表示节点和支路关系的矩阵：(1‑1)一个节点‑支路关联矩阵A，节点‑支路关联矩阵A表示网络中节点和支路的拓扑关系，矩阵A由0、1、‑1三个元素组成，A中元素定义如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于多工况量测的热网稳态运行参数估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)建立热网等效模型的节点-支路关联矩阵，包括：在热网双侧等效模型中同时考虑热网供水支路和回水支路，并将热源和热负荷等效为连接支路，对于由N个节点、B条支路构成的热网，形成以下表示节点和支路关系的矩阵：(1-1)一个节点-支路关联矩阵A，节点-支路关联矩阵A表示网络中节点和支路的拓扑关系，矩阵A由0、1、-1三个元素组成，A中元素定义如下：其中，i为热网中的任意一个节点，j为热网中任意一条支路；(1-2)一个正节点-支路关联矩阵Af：正节点-支路关联矩阵Af表示各支路的首端节点与支路的关系，Af＝{A|Aij＞0}，Af中元素定义如下：(1-3)一个负节点-支路关联矩阵At：负节点-支路关联矩阵At表示各支路的末端节点与支路的关系，At＝{-A|Aij＜0}，At中元素定义如下式：(2)基于热网等效模型，对稳态运行的热网进行参数估计：(2-1)设定热网参数估计的收敛精度δ和最大循环次数d，初始化时设循环次数a为0；(2-2)从热网的数据采集与监视控制系统中获取测量的n个不同工况下的热网运行数据，包括热网中各节点压力任意两个节点间支路的流量两个节点间支路的首端温度和末端温度热源和热负荷等效成的连接支路，热功率其中上标q表示连接支路，t表示工况编号，且有t＝1，2，...，n，上述运行数据构成一个测量值列向量zh(t)；(2-3)将热网所有待估计的估计量构成一个列向量xh(t)，其中包括状态列向量xstate(t)和参数列向量xpara，列向量xstate(t)包括热网中各支路流量m(t)、各节点压力H(t)以及任两个节点间支路的首端温度Tf(t)和末端温度Tt(t)，列向量xpara包括任两个节点间支路的管道内壁粗糙度ε以及普通支路的散热系数λp，其中上标p表示供水支路和回水支路组成的普通支路；(2-4)建立一个描述热网状态量、参数量与测量值之间关系的量测函数f1(x)，f1(x)＝f1(xh(t))，f1(xh(t))为热力系统潮流方程组，热力系统潮流方程组包括以下方程：(2-4-1)一个支路压力损失方程：支路压力损失方程表示一条支路两端节点的压力差，支路压力损失方程的矩阵形式如下：ATH(t)＝ΔH(t)-Hp(t)其中H为上述步骤(2-2)中的热网各节点压力组成的列向量，AT为上述步骤(1-1)中节点-支路关联矩阵A的转置，Hp为支路上泵的扬程组成的列向量，a、b、c为泵参数，从泵的产品铭牌上获取，mp(t)为泵所在支路的流量，ΔH为热网中每条支路压力损失组成的列向量，支路压力损失ΔH通过下式计算得到：ΔH(t)＝K(t)·m(t)·|m(t)|其中，K为热网中支路的阻力系数，m为热网中任一支路流量；(2-4-2)一个连接支路热功率方程：热功率方程表示连接支路q的首末端温度关系，表示为如下形式：其中，上标q表示连接支路，φ...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宏斌，郭庆来，王彬，尹冠雄，盛同天，潘昭光，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11