城市热网的柔性分析与结构缺陷诊断及定位方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种城市热网的柔性分析与结构缺陷诊断及定位方法和系统。该方法是首先建立城市热网的映射模型，生成热网在各个工况下的测试用例集合，用于模拟供需两端的不同动态组合。本发明专利技术还提出了热网柔性评价的模型和结构缺陷诊断及定位方法，用来量化评估热网结构灵活输运热能的能力及热网运行过程中动态调控的能力。通过诊断获得热网柔性欠佳的区域或管路，以便运行操作人员并对这些柔性欠佳的区域提出优化改造方案。本发明专利技术的方法和系统能够为热网的规划设计和优化改造提供更加真实的评估以及实践的可行性。

Flexibility Analysis and Defect Diagnosis and Location Method and System of Urban Heat Network

【技术实现步骤摘要】
城市热网的柔性分析与结构缺陷诊断及定位方法和系统
本专利技术涉及一种城市热网的柔性分析及结构缺陷诊断及定位方法和系统，属于热网优化调度领域。
技术介绍
伴随能源转型，以及新型城市能源网络的发展，越来越致力于实现城市能源供应整体效益的最大化。热网作为城市能源网络中的重要组成部分，其在面临大扰动时，快速响应和供应负荷的大幅波动能力直接关系着人们的正常生活和生产活动。当前城市供热系统运行中，不仅需要依据天气变化调控各热源的热能生产方案，还需要调控热网中各泵、阀的工作点状态组合，以保证安全、均衡、高效的向建筑物输送热能，这一热能输运供应系统的运行调控问题具有大规模、高延迟、强耦合、多约束、时变和非线性的技术特征。因此我国供热供需两端的不确定性给现有热网带来诸多挑战。其中，热网的柔性是供热企业技术装备水平和管理水平的综合体现。热网灵活输运热能的能力直接关系到清洁供热目标的实现，若热网输运的柔性充足，在采暖季初期可以减少高碳、高成本的尖峰热水锅炉使用，更多地使用低碳、可再生能源，反之，若热网输运的柔性不足，将导致无法包容消纳波动、不确定的低碳及可再生热能，造成弃用浪费。随着经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，热用户对供热的要求也越来越高，因此提高供热柔性既是热用户的期望也是供热企业的目标。本专利技术讨论了热网的柔性评估问题以及其结构缺陷的诊断与定位，定义了用于评估城市热网的柔性模型与方法，并针对热网中柔性欠佳的部分进行初步诊断，用于指导热网的改造，以获得优化的柔性改造方案，并用于实际系统的再造。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种城市热网的柔性分析及结构缺陷诊断及定位方法和系统。本专利技术采用的技术方案如下：一种城市热网的柔性分析与结构缺陷诊断及定位方法，包括如下步骤：步骤S1，基于结构机理建模，结合运行数据辨识，建立用于热网的热工水力仿真计算的映射模型；步骤S2，通过回溯算法生成测试用例集合，模拟供需的动态波动组合，结合步骤S1中的映射模型进行计算；步骤S3，将热网柔性定义为在供需两端组合不确定的条件下，热网在供需之间各工况下进行热能输运的满足程度，给出热网柔性的计算方法，对热网进行评估；步骤S4，针对步骤S3的评估结果，对热网进行诊断，定位柔性欠佳的区域。上述技术方案中，进一步的，所述的步骤S1具体为：S11：建立供热管网的一维严格结构机理模型，基于图论，将供热管网结构及热能输运过程抽象为有向图G的表达，具体由包含热源供给、热用户/热力站需求、管网分叉及汇合等节点的集合V(G)，以及连接各节点的管段的集合E(G)构成，如下：V(G)＝{V1，…，Vn，…，VN}E(G)＝{E1，......，Em，......，EM}G＝{V(G)，E(G)}其中，Vn为热网中的第n个节点，节点总个数为N，Em为热网中的第m个管段，管段总数为M；S12：建立热网输运热能的一维连续性方程、能量方程、动量方程，并运用数值计算方法联立求解结构机理模型方程组；S13：以热网的正向严格结构机理建模为基础，再结合热网运行状态监测数据，通过智能优化算法对模型特征参数进行反向辨识校准，获得热网的映射模型。进一步的，所述的步骤S2通过回溯算法生成测试用例集合，模拟供需的动态波动组合，具体为：S21：确定源侧的热源种类、数目及调控范围，统计用户侧的历史用热数据，构建供需参数的测试用例集合H，并根据热网的工程约束条件构建参数的约束关系集合TS；所述的约束关系考虑了不同热用户的优先级、热网中不同泵阀组合、不同解列方案；S22：构建测试集H的空间树，并用回溯算法遍历测试集的空间树，剔除重复的测试用例；对解空间树进行遍历，同时利用约束关系对树的枝叶进行裁剪。当遍历到叶子时，把符合条件的根到叶子之间的路径组合输出；在遍历过程中，需要与TS中的约束关系进行比较；重复步骤S22直至不再有重复的测试集；获得测试集H′；S23：构建热源Hs和热用户Hd的两两组合测试用例集HSD，接着从HSD中删除超出约束TS的组合，然后检查HSD是否能被H′覆盖，如果被全部覆盖，则算法结束；否则，剔除没有被覆盖的组合；获得测试集HSD′；S24：根据上述步骤生成的测试集HSD′，输入热工水力仿真映射模型进行计算，获得热网的运行工况数据。进一步的，所述的步骤S3中，将热网柔性定义为在供需两端组合不确定的条件下，热网在供需之间各工况下进行热能输运的满足程度，针对该定义建立热网柔性评价模型和计算方法，具体为：S3l：首先根据负荷预测得到热网中热源的供应量Hs，1，…，Hs，a，…，Hs，A，A为热源数量，热力站或热用户的需求所占权重W1，...，Wi，...，WB，B为热力站或热用户的数目，通过热工水力仿真映射模型计算得出在热网的某个工况下，热力站所能获得的热负荷HX，1，…HX，b，...，HX，B；通过历史数据统计各个热力站的需求负荷Hd，1，...，Hd，b，...Hd，B，并定义单个热力站的满足度为S32：定义热网在前述工况下的用户满足度为其中y为热网的所有不可控属性，X为热网的所有可调属性，包括但不限于可调热源，阀门，水泵等。S33：计算某一时刻ti下的热网柔性fi，其中考虑了Ω为所有不可控因素的可能性组合；S34：计算给定热网在某一评估周期[ti，ti+1]下的柔性Fi：S35：根据步骤S34计算热网的柔性，在系统上显示整个热网的柔性分布图。进一步的，所述的步骤S4中，针对步骤S3的评估结果，对热网进行结构缺陷诊断和定位，获取柔性欠佳的区域，具体为：S41：设定目标函数：其中，z代表不同的管网方案，r1(z)＝∑n∈Nan(Hd，b-HX，b)2，描述了该工况下用户侧实际供热与期望供热的偏差程度，an为各个需要被控制的节点的优先级；r2(z)描述了管网的建设成本，μ是权重；S42：计算目标函数r(z)在当前管网方案下的梯度根据梯度的计算结果诊断各管网部件的柔性。所述的诊断各管网部件的柔性，具体为：若梯度分量是负数，则该分量所对应的管网部件的柔性不足，且该负数越小意味着该分量所对应的管网部件的柔性越差，反之，若为正值，则当前管网下对应部件柔性已经足够。本专利技术的一种热网柔性分析与结构缺陷诊断及定位系统，包括：热工水力仿真计算模块，该模块包括热工水力仿真映射模型，该模型基于结构机理建模，结合运行数据辨识建立获得；热网工况测试集生成模块，用于批量生成各种工况下的测试用例集合；所述的测试用例集合用于输入映射模型进行热工水力仿真计算；热网柔性的评估模块，该模块中包括热网的柔性评估模型，结合热工水力仿真计算模块的计算结果对热网进行柔性评估；结构缺陷诊断和定位模块，该模块基于柔性评估结果对热网进行结构诊断，并定位柔性欠佳的区域。进一步的，该系统还可包括阀门解列模块，该模块可通过阀门解列功能获取不同的泵阀逻辑组合，根据不同的泵阀组合方案获取不同的热网水力分布，以便对热网的结构改造提供运行参数指导。本专利技术提出热网柔性评估的模型和结构缺陷诊断及定位方法，用来量化评估热网结构灵活输运热能的能力及热网运行过程中动态调控的能力，通过诊断获得热网柔性欠佳的区域或管路，以便运行操作人员并对这些柔性欠佳的区域提出优化改造方案。本专利技术的方法和系统能够为热网的规划设计和优化改造提供更本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城市热网的柔性分析与结构缺陷诊断及定位方法，其特征在于：步骤S1，基于结构机理建模，结合运行数据辨识，建立用于热网的热工水力仿真计算的映射模型；步骤S2，通过回溯算法生成测试用例集合，模拟供需的动态波动组合，结合步骤S1中的映射模型进行计算；步骤S3，将热网柔性定义为在供需两端组合不确定的条件下，热网在供需之间各工况下进行热能输运的满足程度，给出热网柔性的计算方法，对热网进行评估；步骤S4，针对步骤S3的评估结果，对热网进行诊断，定位柔性欠佳的区域。

【技术特征摘要】
1.一种城市热网的柔性分析与结构缺陷诊断及定位方法，其特征在于：步骤S1，基于结构机理建模，结合运行数据辨识，建立用于热网的热工水力仿真计算的映射模型；步骤S2，通过回溯算法生成测试用例集合，模拟供需的动态波动组合，结合步骤S1中的映射模型进行计算；步骤S3，将热网柔性定义为在供需两端组合不确定的条件下，热网在供需之间各工况下进行热能输运的满足程度，给出热网柔性的计算方法，对热网进行评估；步骤S4，针对步骤S3的评估结果，对热网进行诊断，定位柔性欠佳的区域。2.根据权利要求1所述的城市热网的柔性分析与结构缺陷诊断及定位方法，其特征在于，所述的步骤S1具体为：S11：建立供热管网的一维严格结构机理模型，基于图论，将供热管网结构及热能输运过程抽象为有向图G的表达，具体由包含热源供给、热用户/热力站的需求、管网分叉及汇合等节点的集合V(G)，以及连接各节点的管段的集合E(G)构成，如下：V(G)＝{V1，…，Vn，…，VN}E(G)＝{E1，......，Em，......，EM}G＝{V(G)，E(G)}其中，Vn为热网中的第n个节点，节点总个数为N，Em为热网中的第m个管段，管段总数为M；S12：建立热网输运热能的一维连续性方程、能量方程、动量方程，并运用数值计算方法联立求解结构机理模型方程组；S13：以热网的正向严格结构机理建模为基础，再结合热网运行状态监测数据，通过智能优化算法对模型特征参数进行反向辨识校准，获得热网的映射模型。3.根据权利要求1所述的城市热网的柔性分析与结构缺陷诊断及定位方法，其特征在于，所述的步骤S2通过回溯算法生成测试用例集合，模拟供需的动态波动组合，具体为：S21：确定源侧的热源种类、数目及调控范围，统计用户侧的历史用热数据，构建供需参数的测试用例集合H，并根据热网的工程约束条件构建参数的约束关系集合TS；所述的约束关系考虑了不同热用户的优先级、热网中不同泵阀组合、不同解列方案；S22：构建测试集H的空间树，并用回溯算法遍历测试集的空间树，剔除重复的测试用例；对解空间树进行遍历，同时利用约束关系对树的枝叶进行裁剪。当遍历到叶子时，把符合条件的根到叶子之间的路径组合输出；在遍历过程中，需要与TS中的约束关系进行比较；重复步骤S22直至不再有重复的测试集；获得测试集H′；S23：构建热源Hs和热用户Hd的两两组合测试用例集HSD，接着从HSD中删除超出约束TS的组合，然后检查HSD是否能被H′覆盖，如果被全部覆盖，则算法结束；否则，剔除没有被覆盖的组合；获得测试集HSD′；S24：根据上述步骤生成的测试集HSD′，输入热工水力仿真映射模型进行计算，获得热网的运行工况数据。4.根据权利要求1所述的城市热网的柔性分析与结构缺陷诊断及定位方法，其特征在于，所述的步骤S3中，将热网柔性定...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟崴，陈嘉映，林小杰，周懿，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33