一种基于质调节的动态两端口热力系统模型技术方案

本发明专利技术公开了一种基于质调节的动态两端口热力系统模型，包括：10)基于差分格式的热力系统动态模型，建立矩阵统一格式；20)确定供水网中动态热力系统端口类型，建立供水网中动态两端口热力系统模型；30)确定回水网中动态热力系统端口类型，建立回水网中动态两端口热力系统模型。该模型建立了边界条件和初始条件与热力系统状态演变的直接联系，定量地描述了边界条件和初始条件对于热力系统内状态分布的影响程度，有利于直观的分析热力系统的运行灵活性和安全性，并可以刻画系统对于外部扰动的响应。响应。响应。

【技术实现步骤摘要】
一种基于质调节的动态两端口热力系统模型


[0001]本专利技术属于能源系统建模与运行分析领域，具体来说，涉及一种基于质调节的动态两端口热力系统模型。

技术介绍

[0002]日益增长的能源消耗与环境压力推动了低碳绿色能源网络技术的变革，城市作为能源消费和变革的主体，其正向多能流、多动态的复杂能源网络转变。集中供热力系统络作为城市能源网络的重要组成部分，通过其与电力系统、天然气系统的互联互通及能量优化管理，可以显著提高能源系统的综合利用效率以及可再生能源的消纳能力。不同能源网络之间的运行和管理的时间尺度存在较大差异，需要基于精准的仿真模型与技术获取实时、可靠、一致的网络信息，然而由于多能源网络属于不同公司管理和运营，其交互的信息十分有限，在联合仿真与运行优化的过程中还需要关注信息保护。
[0003]供热管网的仿真计算实质上是首先定义一组状态变量描述系统的关键特性，然后通过分析系统机理以获取给定激励下所有状态变量的变化过程。由于供热管网模型是一组非线性的偏微分方程组，现有的一种主流方法是通过时空分段将管道模型差分化处理，根据边界条件和初始条件对系统内的状态分布进行递推计算。然而，为保证计算效率，在各管道上所需的分段数一般较大，使得整个递推过程计算效率较低，且难以直观、定量刻画热力系统内状态量对于外部激励的响应程度。
[0004]考虑到上述不足，有必要从建模的角度出发，研究一种兼顾系统物理特性和网络拓扑特征的动态两端口热力系统模型，建立将外部激励与系统内状态量的直接联系，从而快速、准确的描述系统的动态过程，使其更有利于多主体的仿真计算与优化运行，符合实际工程中的应用条件。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：针对现有的模型分析依赖于递推关系，计算效率低，且难以直观、定量刻画热力系统内状态量对于外部激励的响应程度等问题，提出一种基于质调节的动态两端口热力系统模型，该方法根据现有的差分式动态热力系统模型特征，首先确定计算过程中的输入、输出量。接着通过引入部分常数向量和常系数矩阵，将传统的递推式管道温度分布计算过程转化为矩阵式统一格式。在此基础上，建立描述系统内拓扑连接关系的相关矩阵，并根据精度要求将相关矩阵与管道流量进行分段。最后将分段的相关矩阵、分段的管道流量和统一的矩阵式管道温度分布方程与节点温度方程结合，形成只包含输入、输出端口的两端口模型。
[0006]为解决上述技术问题，本技术方案采用一种基于质调节的动态两端口热力系统模型，该方法包括以下步骤：
[0007]步骤10)基于差分格式的热力系统动态模型，建立矩阵统一格式；
[0008]步骤20)确定供水网中动态热力系统端口类型，建立供水网中动态两端口热力系
统模型；
[0009]步骤30)确定回水网中动态热力系统端口类型，建立回水网中动态两端口热力系统模型。
[0010]作为本专利技术的进一步说明，所述的步骤10)具体包括：
[0011]步骤101)建立热力系统动态模型，包括偏微分格式的管道温度分布方程和线性的节点温度混合方程：
[0012][0013](∑m
out
)T
out
＝(∑m
in
T
in
) \*MERGEFORMAT(2)
[0014]式中，T为管道温度；m为管道质量流量，v为管道流速，λ为管道导热系数；T
a
为环境温度；C
ρ
为工质比热容；m
out
为流入节点的管道流量，m
in
为节点的流出流量；x表示空间尺度，t表示时间尺度；T
out
为节点流出温度，T
in
为节点流入管道的末端温度，利用隐式差分格式将所述式(1)线性化，可表示为
[0015][0016][0017]式中，μ
1-4
表示不同温度分量的系数项；α和β为便于描述构建的系数项；τ和h分别为差分的时空步长；k代表差分的时间步，i表示差分的空间步；
[0018]步骤102)基于差分化的热力系统动态模型，建立描述管道温度分布的矩阵统一格式：
[0019][0020]式中，和分别表示k+1时刻和k时刻分段的管道温度向量；M表示管道的空间分段数；表示k时刻管道上各个分段点对应的温度；U和V为由所述式(3)中的系数构成的常数矩阵，分别表示为：
[0021][0022][0023]χ和γ分别表示用于刻画管道温度的边界条件的向量。χ用于刻画已知的边界条件集，其中χ
i
＝μ4T
a
(1≤i≤M)，对于已知边界条件的管道，χ0等于该管道的边界条件，否则χ0等于0；γ用于刻画未知的边界条件集，可表示为
[0024][0025]式中，为供水网中修正后的分段的管道首端温度—节点温度关联矩阵，由基于分段的管道首端温度—节点供水温度关联矩阵获取。中对应于已知边界条件的管道集的行为0，对应的维度为(M+1)N
p
×
N
h
，其中N
p
表示热力系统管道段数，N
h
表示热力系统节点数；
[0026]热力系统中的管道起始温度T
ps
即为节点混合供水温度T
s,n
，通过管道起始温度—节点供水温度关联矩阵A
s
关联，可表示为
[0027]T
ps
＝A
s
T
s,n \*MERGEFORMAT(9)
[0028]其中，A
s
中的第i行第j个元素a
s,ij
＝1代表管道i的起始温度等于节点j的供水温度，否则a
s,ij
＝0。相应的，中元素的取值可表示为：
[0029][0030]步骤103)推导回水网中描述管道温度分布的矩阵统一格式，由于回水网的拓扑结构与供水网相同，所述式(5)-(7)对于回水网仍然适用，其差异在于边界条件的刻画，式所述(8)-(10)在回水网中分别变换为：
[0031]T
ps
＝A
r
T
r,n \*MERGEFORMAT(11)
[0032][0033]其中，T
r,n
表示节点混合回水温度，A
r
表示管道起始温度—节点回水温度关联矩阵，A
r
中的第i行第j个元素a
r,ij
＝1代表管道i的起始温度等于节点j的回水温度，否则a
r,ij
＝0，为回水网中修正后的分段的管道首端温度—节点温度关联矩阵，由基于分段的管道首端温度—节点回水温度关联矩阵获取，中对应于已知边界条件的管道集的行为0，的维度为(M+1)N
p
×
N
h
。相应的，中元素的取值可表示为：
[0034][0035]作为本专利技术的进一步说明，所述步骤20)确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于质调节的动态两端口热力系统模型，其特征在于，该模型构建包括以下步骤：步骤10)基于差分格式的热力系统动态模型，建立矩阵统一格式；步骤20)确定供水网中动态热力系统端口类型，建立供水网中动态两端口热力系统模型；步骤30)确定回水网中动态热力系统端口类型，建立回水网中动态两端口热力系统模型。2.根据权利要求1所述的一种基于质调节的动态两端口热力系统模型，其特征在于，所述步骤10)基于差分格式的热力系统动态模型，建立矩阵统一格式，具体步骤如下：步骤101)建立热力系统动态模型，包括偏微分格式的管道温度分布方程和线性的节点温度混合方程：(∑m
out
)T
out
＝(∑m
in
T
in
) \*MERGEFORMAT
ꢀꢀ
(2)式中，T为管道温度；m为管道质量流量，v为管道流速，λ为管道导热系数；T
a
为环境温度；C
ρ
为工质比热容；m
out
为流入节点的管道流量，m
in
为节点的流出流量；x表示空间尺度，t表示时间尺度；T
out
为节点流出温度，T
in
为节点流入管道的末端温度，利用隐式差分格式将所述式(1)线性化，可表示为可表示为式中，μ
1-4
表示不同温度分量的系数项；α和β为便于描述构建的系数项；τ和h分别为差分的时空步长；k代表差分的时间步，i表示差分的空间步；步骤102)基于差分化的热力系统动态模型，建立描述管道温度分布的矩阵统一格式：式中，和分别表示k+1时刻和k时刻分段的管道温度向量；M表示管道的空间分段数；表示k时刻管道上各个分段点对应的温度；U和V为由所述式(3)中的系数构成的常数矩阵，分别表示为：
χ和γ分别表示用于刻画管道温度的边界条件的向量。χ用于刻画已知的边界条件集，其中χ
i
＝μ4T
a
(1≤i≤M)，对于已知边界条件的管道，χ0等于该管道的边界条件，否则χ0等于0；γ用于刻画未知的边界条件集，可表示为式中，为供水网中修正后的分段的管道首端温度—节点温度关联矩阵，由基于分段的管道首端温度—节点供水温度关联矩阵获取。中对应于已知边界条件的管道集的行为0，对应的维度为(M+1)N
p
×
N
h
，其中N
p
表示热力系统管道段数，N
h
表示热力系统节点数；热力系统中的管道起始温度T
ps
即为节点混合供水温度T
s,n
，通过管道起始温度—节点供水温度关联矩阵A
s
关联，可表示为T
ps
＝A
s
T
s,n \*MERGEFORMAT
ꢀꢀ
(9)其中，A
s
中的第i行第j个元素a
s,ij
＝1代表管道i的起始温度等于节点j的供水温度，否则a
s,ij
＝0。相应的，中元素的取值可表示为：步骤103)推导回水网中描述管道温度分布的矩阵统一格式，由于回水网的拓扑结构与供水网相同，所述式(5)-(7)对于回水网仍然适用，其差异在于边界条件的刻画，式所述(8)-(10)在回水网中分别变换为：T
ps
＝A
r
T
r,n \*MERGEFORMAT
ꢀꢀ
(11)其中，T
r,n
表示节点混合回水温度，A
r
表示管道起始温度—节点回水温度关联矩阵，A
r
中的第i行第j个元素a
r,ij
＝1代表管道i的起始温度等于节点j的回水温度，否则a
r,ij
＝0，为回水网中修正后的分段的管道首端温度—节点温度关联矩阵，由基于分段的管道首端温度—节点回水温度关联矩阵度—节点回水温度关联矩阵获取，中对应于已知边界条件的管道集的行为0，的维度为(M+1)N
p
×
N
h
。相应的，中元素的取值可表示为：3.根据权利要求2所述的一种基于质调节的动态两端口热力系统模型，其特征在于，所述步骤20)确定供水网中动态热力系统端口类型，建立供水网中动态两端口热力系统模型，具体如下：步骤201)在动态热力模型中，供水网中的节点状态的分布主要由边界条件和初始条件
决定，因此，在供水网中动态两端口模型中，输入端口为给定的k时刻管道温度边界条件和初始条件，输出端口为k+1...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾伟，张苏涵，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：