基于改进雅可比矩阵的热网潮流计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进雅可比矩阵的热网潮流计算方法，步骤为：获取热网系统的网络数据；进行热网系统的水力模型建模和热力模型建模；分析水力模型、供水网络和回水网络三者之间的交互影响，获取热网系统的改进雅可比矩阵；根据所获得的改进雅可比矩阵，采用基于牛顿‑拉夫逊方法进行迭代计算，直到系统节点误差达到最大收敛容忍度或收敛次数达到最大，并输出热网系统的潮流分布结果。本发明专利技术方法在保证计算精度的同时大大提高了计算的速度和效率，具有实用的工程价值和具备广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于改进雅可比矩阵的热网潮流计算方法
本专利技术涉及热网系统及能量流计算的
，尤其是指一种基于改进雅可比矩阵的热网潮流计算方法。
技术介绍
综合能源系统是近年来的一大研究热点，能量流计算在综合能源系统中起着举足轻重的作用。而热网是综合能源系统的子系统之一，热网系统的建模准确性以及能量流计算效率是一个重点研究问题。热网系统分为供水网络和回水网络，热网系统以水流作为媒介将热量通过管道输送到用户端，与用户端的板换进行充分的热交换后，通过回水管道回到热源，进行新一轮的热交换与热传递。在2013年，卡迪夫大学的LiuXuezhi博士提出了一种基于节点法的类似于电网潮流解法的热网潮流计算方法，此后，该方法被广泛应用于综合能源系统的相关研究中，如综合能源系统能量流分析、综合能源系统概率潮流分析以及综合能源系统优化分析等领域。但是，在该方法中，存在计算效率不高的不足之处。原因在于，在该模型中，作者推导的热网系统的雅克布矩阵，忽略了管道流量和回水网络对供水网络部分的影响，以及忽略了管道流量和供水网络对回水网络的影响，在该部分，作者的处理是将该部分的雅可比矩阵中的非对角线置零，这将导致计算效率的缓慢。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供了一种基于改进雅可比矩阵的热网潮流计算方法，该方法对雅可比矩阵进行重新推导和修正，重新考虑了管道流量和回水网络对供水网络部分的影响，以及管道流量和供水网络对回水网络的影响，在保证计算精度的同时大大提高了计算的速度和效率，具有实用的工程价值和具备广泛的应用前景。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案为：基于改进雅可比矩阵的热网潮流计算方法，包括以下步骤：S1、获取热网系统的网络数据；S2、根据所获得的热网系统的网络数据进行热网系统的水力模型建模和热力模型建模；S3、根据水力模型与热力模型之间的交互关系，推导并获取热网系统的改进雅可比矩阵；S4、根据所获得的改进雅可比矩阵，采用牛顿-拉夫逊方法进行迭代计算，直到热网系统节点误差函数值达到最大收敛容忍度或收敛次数达到最大，并输出热网系统的潮流分布结果。进一步，在步骤S1中，获取热网系统的网络数据，包括：热网总节点数、每根管道长度L、管道单位长度的热传导系数λ、热源i处的额定供水温度Ti,source、负荷节点i处的额定出水口温度Ti,o、负荷节点i处的热负荷需求Φi,LD、在多热源供应网络中非平衡节点i处提供的热功率Φi,source、管道的阻力系数f、热网系统的节点-支路关联矩阵Ah、支路-节点关联矩阵Bh、送端节点-支路关联矩阵Ah,1、受端节点-支路关联矩阵Ah,2、支路-送端节点关联矩阵、支路-受端节点关联矩阵Bh,2和热网系统的回路-支路关联矩阵Bh,loop；在步骤S2中，基于步骤S1所获得的热网系统的网络数据，进行热网系统的水力模型建模和热力模型建模，具体如下：水力模型建模：各管道的流量在各节点处满足流量连续性方程，即节点处注入流量等于流出的流量；在一个由管道组成的闭合回路中，水在各管道中流动的压头损失之和为0：Ahm＝mqBh,loopKhm|m|＝0式中，m为管道流量向量，mq为各节点流出的流量或者流入节点的流量向量，式中Kh为管道的阻力系数矩阵；热力模型建模：用于描述热网系统的节点热功率和温度、管道流量之间的关系，其中描述每个节点的温度状态有三种，分别为供水温度Ts、回水温度Tr和出水口温度To；每个节点消耗或输出的热功率：Φi＝Cpmq,i(Ts,i-To,i)式中，Φi表示节点i的消耗或输出的热功率，Cp表示水的比热容，mq,i为流出或流入节点i处的水流量，Ts,i为节点i处的供水温度，To,i为节点i处的出水温度；热网系统的管道温度损耗模型：式中，Tstart和Tend分别是流进管道的温度和流出管道时的温度，Ta表示环境温度；在流体汇入节点，除节点质量守恒外，不同管道注入流体在混合前后，满足能量守恒定律：(∑mout)Tout＝∑(minTin)式中，Tout为该节点的混合温度，mout为从节点流出的各管道的流量，Tin为流向该节点的各管道末端温度，min为流向该节点的各管道的流量。进一步，在步骤S3中，基于步骤S2所获得的热网系统的水力模型和热力模型，考虑水力模型、供水网络和回水网络之间的交互影响，获取热网系统的改进雅可比矩阵，包括以下步骤：S301、以管道流量m、供水温度Ts和回水温度Tr作为热网系统的状态变量，即热网系统状态变量X＝[m；Ts；Tr]，建立热网系统节点误差函数F(X)：Δmis1＝Ah,noloadmΔmis2＝CpAh,loadm(Ts,load-To,load)-ΦLDΔmis3＝CpAh,source,nonslackm(Ts,source,nonslack-Tr,source,nonslack)-Φsource,nonslackΔmis4＝Bh,loopKhm|m|式中，F(X)＝[Δmis1；Δmis2；Δmis3；Δmis4；Δmis5；Δmis6]，Δmis1表示非负荷节点流量的误差函数，Δmis2表示负荷节点热功率的误差函数，Δmis3表示非平衡热源节点功率的误差函数，Δmis4表示回路水力压降的误差函数，Δmis5表示供水网络的误差函数；Δmis6表示回水网络的误差函数，Ah,noload表示仅包含热网系统中的非负荷节点的非负荷节点-支路关联矩阵，Ah,load表示仅包含负荷节点的负荷节点-支路关联矩阵，Ts,load和To,load分别为仅包含负荷节点的供水温度向量和回水温度向量，ΦLD表示热负荷节点的热功率向量，Φsource,nonslack表示仅包含热源非平衡节点提供的热功率向量，Ah,source,nonslack表示仅包含热源非平衡节点的非平衡节点-支路关联矩阵，Ts,source,nonslack和Tr,source,nonslack分别为仅包含热源非平衡节点处的供水温度向量和回水温度向量，Ts表示热网系统所有节点的供水温度向量，Tr表示热网系统所有节点的回水温度向量，To表示热网系统所有节点的出水口温度向量，δr1表示特殊特性符号向量，在供水网络中节点i既是混合节点也是负荷节点，则δr1,i＝1，否则δr1,i＝0；S302、改进雅可比矩阵J：S303、改进雅可比矩阵中非负荷节点处的子雅可比矩阵J11、J12和J13计算如下：式中，子雅可比矩阵J11、J12和J13分别是非负荷节点流量的误差函数Δmis1对管道流量m、供水温度Ts和回水温度Tr的一阶求导；S304、改进雅可比矩阵中负荷节点处的子雅可比矩阵J21、J22和J23计算如下：式中，子雅可比矩阵J21、J22和J23分别是负荷节点热功率的误差函数Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于改进雅可比矩阵的热网潮流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、获取热网系统的网络数据；/nS2、根据所获得的热网系统的网络数据进行热网系统的水力模型建模和热力模型建模；/nS3、根据水力模型与热力模型之间的交互关系，推导并获取热网系统的改进雅可比矩阵；/nS4、根据所获得的改进雅可比矩阵，采用牛顿-拉夫逊方法进行迭代计算，直到热网系统节点误差函数值达到最大收敛容忍度或收敛次数达到最大，并输出热网系统的潮流分布结果。/n

【技术特征摘要】
1.基于改进雅可比矩阵的热网潮流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取热网系统的网络数据；
S2、根据所获得的热网系统的网络数据进行热网系统的水力模型建模和热力模型建模；
S3、根据水力模型与热力模型之间的交互关系，推导并获取热网系统的改进雅可比矩阵；
S4、根据所获得的改进雅可比矩阵，采用牛顿-拉夫逊方法进行迭代计算，直到热网系统节点误差函数值达到最大收敛容忍度或收敛次数达到最大，并输出热网系统的潮流分布结果。


2.根据权利要求1所述的基于改进雅可比矩阵的热网潮流计算方法，其特征在于，在步骤S1中，获取热网系统的网络数据，包括：热网总节点数、每根管道长度L、管道单位长度的热传导系数λ、热源i处的额定供水温度Ti,source、负荷节点i处的额定出水口温度Ti,o、负荷节点i处的热负荷需求Φi,LD、在多热源供应网络中非平衡节点i处提供的热功率Φi,source、管道的阻力系数f、热网系统的节点-支路关联矩阵Ah、支路-节点关联矩阵Bh、送端节点-支路关联矩阵Ah,1、受端节点-支路关联矩阵Ah,2、支路-送端节点关联矩阵、支路-受端节点关联矩阵Bh,2和热网系统的回路-支路关联矩阵Bh,loop；
在步骤S2中，基于步骤S1所获得的热网系统的网络数据，进行热网系统的水力模型建模和热力模型建模，具体如下：
水力模型建模：各管道的流量在各节点处满足流量连续性方程，即节点处注入流量等于流出的流量；在一个由管道组成的闭合回路中，水在各管道中流动的压头损失之和为0：
Ahm＝mq
Bh,loopKhm|m|＝0
式中，m为管道流量向量，mq为各节点流出的流量或者流入节点的流量向量，式中Kh为管道的阻力系数矩阵；
热力模型建模：用于描述热网系统的节点热功率和温度、管道流量之间的关系，其中描述每个节点的温度状态有三种，分别为供水温度Ts、回水温度Tr和出水口温度To；
每个节点消耗或输出的热功率：
Φi＝Cpmq,i(Ts,i-To,i)
式中，Φi表示节点i的消耗或输出的热功率，Cp表示水的比热容，mq,i为流出或流入节点i处的水流量，Ts,i为节点i处的供水温度，To,i为节点i处的出水温度；
热网系统的管道温度损耗模型：



式中，Tstart和Tend分别是流进管道的温度和流出管道时的温度，Ta表示环境温度；
在流体汇入节点，除节点质量守恒外，不同管道注入流体在混合前后，满足能量守恒定律：
(∑mout)Tout＝∑(minTin)
式中，Tout为该节点的混合温度，mout为从节点流出的各管道的流量，Tin为流向该节点的各管道末端温度，min为流向该节点的各管道的流量。


3.根据权利要求1所述的基于改进雅可比矩阵的热网潮流计算方法，其特征在于，在步骤S3中，基于步骤S2所获得的热网系统的水力模型和热力模型，考虑水力模型、供水网络和回水网络之间的交互影响，获取热网系统的改进雅可比矩阵，包括以下步骤：
S301、以管道流量m、供水温度Ts和回水温度Tr作为热网系统的状态变量，即热网系统状态变量X＝[m；Ts；Tr]，建立热网系统节点误差函数F(X)：
Δmis1＝Ah,noloadm
Δmis2＝CpAh,loadm(Ts,load-To,load)-ΦLD
Δmis3＝CpAh,source,nonslackm(Ts,source,nonslack-Tr,source,nonslack)-Φsource,nonslack
Δmis4＝Bh,loopKhm|m|






式中，F(X)＝[Δmis1；Δmis2；Δmis3；Δmis4；Δmis5；Δmis6]，Δmis1表示非负荷节点流量的误差函数，Δmis2表示负荷节点热功率的误差函数，Δmis3表示非平衡热源节点功率的误差函数，Δmis4表示回路水力压降的误差函数，Δmis5表示供水网络的误差函数；Δmis6表示回水网络的误差函数，Ah,noload表示仅包含热网系统中的非负荷节点的非负荷节点-支路关联矩阵，Ah,load表示仅包含负荷节点的负荷节点-支路关联矩阵，Ts,load和To,load分别为仅包含负荷节点的供水温度向量和回水温度向量，ΦLD表示热负荷节点的热功率向量，Φsource,nonslack表示仅包含热源非平衡节点提供的热功率向量，Ah,source,nonslack表示仅包含热源非平衡节点的非平衡节点-支路关联矩阵，Ts,source,nonslack和Tr,source,nonslack分别为仅包含热源非平衡节点处的供水温度向量和回水温度向量，Ts表示热网系统所有节点的供水温度向量，Tr表示热网系统所有节点的回水温度向量，To表示热网系统所有节点的出水口温度向量，δr1表示特殊特性符号向量，在供水网络中节点i既是混合节点也是负荷节点，则δr1,i＝1，否则δr1,i＝0；
S302、改进雅可比矩阵J：



S303、改进雅可比矩阵中非负荷节点处的子雅可比矩阵J11、J12和J13计算如下：









式中，子雅可比矩阵J11、J12和J13分别是非负荷节点流量的误差函数Δmis1对管道流量m、供水温度Ts和回水温度Tr的一阶求导；
S304、改进雅可比矩阵中负荷节点处的子雅可比矩阵J21、J22和J23计算如下：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑杰辉，吴翠清，李志刚，王丽晓，吴青华，孙谊媊，王衡，
申请(专利权)人：华南理工大学，国网新疆电力有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44