供热系统水力平衡的模型预测控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种供热系统水力平衡的模型预测控制方法及系统，本模型预测控制方法包括如下步骤：步骤S1，建立供热系统的水力学仿真模型；步骤S2，计算各热力站的流量分配方案；步骤S3，通过供热系统仿真模型，计算与流量分配方案相对应的各热力站站内压降；步骤S4，通过各热力站运行历史数据，建立可调阀门开度或水泵频率与热力站水力特性的对应关系；以及步骤S5,由各热力站的目标流量及站内压降条件，计算各热力站中可调阀门的开度或可调增压水泵的频率，并据此执行控制操作。

Model predictive control method and system for hydraulic balance of heating system

The invention relates to a hydraulic balance of the heating system model predictive control method and system, the model predictive control method comprises the following steps: step S1, hydraulic simulation model of the heating system; step S2, calculate the flow distribution of each thermal power station; step S3, through the heating system simulation model, flow calculation and allocation scheme the corresponding thermal power station pressure drop; step S4, station history data through the establishment of thermal, adjustable valve or pump frequency and hydraulic characteristics of thermal power station correspondence; and step S5, the target flow and pressure drop conditions by the thermal power station station, calculation of the thermal station in adjustable valve opening or adjustable water booster pump frequency, and then performs a control operation.

【技术实现步骤摘要】
供热系统水力平衡的模型预测控制方法及系统
本专利技术属于供热系统的先进控制领域，具体涉及到一种为实现供热系统水力平衡而对系统中多个热力站内可调阀门或可调水泵进行模型预测控制的方法与系统。
技术介绍
供热系统通过在热源厂内生产高温热水并驱动热水在一级管网内循环流动，向地理上分布的各热力站输送热能。在输送过程中，通过调节系统中各热力站内的阀门减压或水泵增压实现热水流量在各热力站之间的按需分配，即保持水力平衡。目前，供热系统水力平衡的自动控制方法，主要是通过跟踪各热力站供回水水温与设定值的偏差，或直接跟踪进入热力站的热水流量与设定值的偏差而对站内的可调阀门或水泵进行反馈控制调节。然而，由于供热系统的热惰性和高时滞，以及多个热力站之间的水力耦合特性，使得针对一个热力站的反馈控制调节会明显受到其他热力站控制调节的干扰和影响。特别是在供热系统运行工况发生大幅度变化时，高时滞和强耦合特性可能会使供热系统在反馈控制模式下产生严重振荡，无法保持稳定运行。因此，供热系统还在相当大的程度上需要通过人工经验方式来手动调节水力平衡。而在手动调节方式下，针对数量众多的阀门或水泵，每调整一个阀门的开度或水泵的运行频率，都需要等待系统运行稳定后，依据调节效果再作后续调节，需要经历调节、稳定、再调节的反复校准过程，效率低下且对运行人员的技术水平要求很高。为此，本专利技术基于供热系统的水力学仿真模型，通过在线仿真模型计算与运行数据辨识相结合，提供一种供热系统水力平衡调节的模型预测控制方法，解决供热系统一级网水力平衡调节难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种供热系统水力平衡的模型预测控制方法，预测并控制各工况下热力站的阀门开度或水泵的运行频率，解决因阀门或水泵的耦合关系带来的反复调节问题，实现供热系统的稳定运行。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种供热系统水力平衡的模型预测控制方法，包括如下步骤：步骤S1，建立供热系统的水力学仿真模型；步骤S2，计算各热力站的流量分配方案；步骤S3，通过供热系统仿真模型，计算与流量分配方案相对应的各热力站站内压降；步骤S4，通过各热力站运行历史数据，建立可调阀门开度或水泵频率与热力站水力特性的对应关系；以及步骤S5,由各热力站的目标流量及站内压降条件，计算各热力站中可调阀门的开度或可调增压水泵的频率，并据此执行控制操作。进一步，步骤S1，建立供热系统的水力学仿真模型的方法，即通过已知的管网总供回水压力和各热力站流量，并结合管网水力学仿真计算获得各热力站进出口压力，进而计算获得各热力站的站内压降，以及分别建立供水、回水管网模型以构建所述水力学仿真模型。进一步，分别建立供水、回水管网模型以构建所述水力学仿真模型的方法包括：基于图论对供热管网结构进行建模，将热力站、管路分支连接处抽象成连接节点，两个节点之间供水管段、回水管段均抽象成边，则供热管网结构抽象成节点与边的表现形式；所述供水管网模型为上式中，DS：供水管网对应的节点与边构成的关系矩阵；Qs：供水管节点流量，Qs＝[qs0,qs1,…,qsi,…,qsm]T，单位kg/s；Qes：供水管边流量，Qes＝[qes0,qes1,…,qesj,…,qesn]，单位kg/s；Ps：供水管节点压力，Ps＝[ps0,ps1,…,psi,…,psm]，单位Pa；ΔPes：供水管边压降，ΔPes＝[Δpes0,Δpes1,…,Δpesj,…,Δpesn]T，单位Pa；Δpesj：为第j条供水边的压降，单位Pa；λsj、ξsj：分别为第j条边的供水管的沿程阻力系数与局部阻力系数；qesj：第j条供水边的流量，单位kg/s；ρ：液体的密度，单位kg/m3；dsj：第j条边的供水管内径，单位m；以及所述回水管网模型为上式中，DR：回水管网对应的节点与边构成的关系矩阵；Qr：回水管节点流量，Qr＝[qr0,qr1,…,qri,…,qrm]T，单位kg/s；Qer：回水管边流量，Qer＝[qer0,qer1,…,qerj,…,qern]，单位kg/s；Pr：回水管节点压力，Pr＝[pr0,pr1,…,pri,…,prm]，单位Pa；ΔPer：回水管边压降，ΔPer＝[Δper0,Δper1,…,Δperj,…,Δpern]T，单位Pa；Δperj：第j条回水边上的压降，单位Pa；drj：第j条边的回水管内径，单位m；λrj、ξrj：分别为第j条边的回水管的沿程阻力系数与局部阻力系数；qerj：第j条回水边的流量，单位kg/s；上述供水管网模型和回水管网模型即构成所述水力学仿真模型。进一步，步骤S3，通过供热系统仿真模型，计算与流量分配方案相对应的各热力站站内压降的方法包括：将热源供、回水压力，热力站流量以及管网结构作为水力学仿真模型的输入条件，以计算获得热力站供水压力与回水压力；即第i个热力站流量为qi时，则该站内须提供的压降为：Δpi＝psi-pri；并且得到热力站内压降Δp，即Δpsub＝[Δpv,Δpv+1,…,Δpv+i,…,Δpt]；v表示热源数量，并令v+k＝t，且k表示热力站数量；热源数量为1时，计算供水压力表达式如下：通过已知热力站节点流量计算各边流量，即：Qes＝-[DS]-1.Qs；由各边流量计算供水管节点压力Ps，Ps＝-[DS]-1·ΔPes＝-[DS]-1.[Δpes0,Δpes1,…,Δpesj,…,Δpesn]T；以及计算回水压力Pr的表达式如下：Pr＝-[DR]-1·ΔPer＝-[DR]-1.[Δper0,Δper1,…,Δperj,…,Δpern]T；即第i个热力站流量为qi时，则该站内须提供的压降为：Δpi＝psi-pri；并且得到热力站内压降Δp，即Δpsub＝[Δpv,Δpv+1,…,Δpv+i,…,Δpt]；上式中，λsj、ξsj分别为第j根供水管段上的沿程阻力系数与局部阻力系数；λrj、ξrj分别为第j根回水管段上的沿程阻力系数与局部阻力系数；进一步，通过各热力站运行历史数据，建立可调阀门开度或水泵频率与热力站水力特性的对应关系的步骤如下：步骤S410，获得热力站的运行数据库；以及步骤S420，从所述运行数据库获得各热力站运行历史数据，以建立阀门或水泵与热力站水力特性的对应关系；其中热力站运行历史数据包括：热力站阀门开度、热力站一次侧流量、一次侧供水压力、回水压力、一次侧阀门开度或水泵的运行频率。进一步，所述步骤420，通过从所述运行数据库获得各热力站运行历史数据，以建立阀门或水泵与热力站水力特性的对应关系的方法包括：采用神经网络算法训练阀门或水泵的运行特性调节模型，即通过拟合热力站阀门位于不同开度或水泵处于不同的运行频率、不同流量与不同压降的运行数据，建立阀门开度运行特性模型θ＝f(q,Δp)，及水泵运行特性模型n＝f(q,Δp)，用于描述在开度或频率一定时，热力站流量与压降的一一对应关系。进一步，所述步骤S5中由各热力站的目标流量及站内压降条件，计算各热力站中可调阀门的开度或可调增压水泵的频率并据此执行的方法包括：通过阀门开度运行特性模型和水泵运行特性模型，得到阀门或水泵的调节特性曲线，即根据当前站内流量，以及计算获得的站内压降为条件，通过阀门开度特性模型或水泵运行特性模型计算得出相应阀门开度或水泵运行频率，并将此参数提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种供热系统水力平衡的模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，建立供热系统的水力学仿真模型；步骤S2，计算各热力站的流量分配方案；步骤S3，通过供热系统仿真模型，计算与流量分配方案相对应的各热力站站内压降；步骤S4，通过各热力站运行历史数据，建立可调阀门开度或水泵频率与热力站水力特性的对应关系；以及步骤S5,由各热力站的目标流量及站内压降条件，计算各热力站中可调阀门的开度或可调增压水泵的频率，并据此执行控制操作。

【技术特征摘要】
1.一种供热系统水力平衡的模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，建立供热系统的水力学仿真模型；步骤S2，计算各热力站的流量分配方案；步骤S3，通过供热系统仿真模型，计算与流量分配方案相对应的各热力站站内压降；步骤S4，通过各热力站运行历史数据，建立可调阀门开度或水泵频率与热力站水力特性的对应关系；以及步骤S5,由各热力站的目标流量及站内压降条件，计算各热力站中可调阀门的开度或可调增压水泵的频率，并据此执行控制操作。2.根据权利要求1所述的模型预测控制方法，其特征在于，步骤S1，建立供热系统的水力学仿真模型的方法，即通过已知的管网总供回水压力和各热力站流量，并结合管网水力学仿真计算获得各热力站进出口压力，进而计算获得各热力站的站内压降，以及分别建立供水、回水管网模型以构建所述水力学仿真模型。3.根据权利要求2所述的模型预测控制方法，其特征在于，分别建立供水、回水管网模型以构建所述水力学仿真模型的方法包括：基于图论对供热管网结构进行建模，将热力站、管路分支连接处抽象成连接节点，两个节点之间供水管段、回水管段均抽象成边，则供热管网结构抽象成节点与边的表现形式如下：所述供水管网模型为上式中，DS：供水管网对应的节点与边构成的关系矩阵；Qs：供水管节点流量，Qs＝[qs0,qs1,…,qsi,…,qsm]T，单位kg/s；Qes：供水管边流量，Qes＝[qes0,qes1,…,qesj,…,qesn]，单位kg/s；Ps：供水管节点压力，Ps＝[ps0,ps1,…,psi,…,psm]，单位Pa；ΔPes：供水管边压降，ΔPes＝[Δpes0,Δpes1,…,Δpesj,…,Δpesn]T，单位Pa；Δpesj：为第j条供水边的压降，单位Pa；λsj、ξsj：分别为第j条边的供水管的沿程阻力系数与局部阻力系数；qesj：第j条供水边的流量，单位kg/s；ρ：液体的密度，单位kg/m3；dsj：第j条边的供水管内径，单位m；以及所述回水管网模型为上式中，DR：回水管网对应的节点与边构成的关系矩阵；Qr：回水管节点流量，Qr＝[qr0,qr1,…,qri,…,qrm]T，单位kg/s；Qer：回水管边流量，Qer＝[qer0,qer1,…,qerj,…,qern]，单位kg/s；Pr：回水管节点压力，Pr＝[pr0,pr1,…,pri,…,prm]，单位Pa；ΔPer：回水管边压降，ΔPer＝[Δper0,Δper1,…,Δperj,…,Δpern]T，单位Pa；Δperj：为第j条回水边的压降，单位Pa；qerj：第j条回水边的流量，单位kg/s；drj：第j条边的回水管内径，单位m；λrj、ξrj：分别为第j条边的回水管的沿程阻力系数与局部阻力系数；上述供水管网模型和回水管网模型即构成所述水力学仿真模型。4.根据权利要求3所述的模型预测控制方法，其特征在于，步骤S3，通过供热系统仿真模型，计算与流量分配方案相对应的各热力站站内压降的方法包括：将热源供、回水压力，热力站流量以及管网结构作为水力学仿真模型的输入条件，以计算获得热力站供水压力与回水压力；即第i个热力站流量为qi时，则该站内须提供的压降为：Δpi＝psi-pri；并且得到热力站内压降Δp，即Δpsub＝[Δpv,Δpv+1...

【专利技术属性】
技术研发人员：方大俊，董瑞，郝静麒，
申请(专利权)人：常州英集动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32