一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法技术方案

一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法：针对待仿真的供热系统，输入拓扑连接关系、元件参数、控制参数、仿真计算参数，进行仿真初始化；建立供热系统状态空间模型，包括热力环节微分方程组t控制环节离散代数方程组；针对热力环节微分方程组，计算热力环节状态变量在当前仿真时刻的1阶、2阶、3阶导数；计算积分步长；检测是否有控制器离散动作事件发生；使用量子化积分公式将热力环节状态变量积分至仿真时刻，置控制环节离散代数变量的历史量，计算仿真时刻的控制环节离散代数变量；当仿真结束，输出仿真结果。本发明专利技术为考虑源荷温度控制特性的供热系统的高效率仿真计算提供了必要工具。提供了必要工具。提供了必要工具。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法


[0001]本专利技术涉及一种供热系统状态离散仿真方法。特别是涉及一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法。

技术介绍

[0002]综合能源系统通过能量的梯级利用提高一次能源利用率，在节能减排方面表现出较大的优势。随着源荷侧控制器、智能代理等装置的快速发展，具有可控热负荷和灵活响应能力的供热系统成为未来智慧综合能源系统的重要组成部分。为了开展能源系统规划设计与运行控制，有必要研究发展高效的建模仿真分析方法。供热系统源荷侧的用户行为和控制器被建模为离散变量，并和状态变量频繁交互，极大地增加了能源系统仿真问题的复杂性，需要一种建模仿真方法高效处理供热系统中的连续
‑
离散混合特性。
[0003]传统的仿真方法包括龙格库塔法等时域积分方法，但是难以仿真包含大量离散控制环节的系统。量子化状态系统(quantized state system，QSS)方法是用于求解以离散变量主导的系统的积分算法，QSS方法通过状态变量的量子化来代替经典数值积分的时间离散化，系统的状态变量以“量子”为单位变化，依次计算每次状态变量变化所需要的时间，从而推进积分。在包含大量紧密耦合的连续变量和离散变量的供热系统中，QSS方法的仿真效率受限。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够准确、高效地刻画连续
‑
离散变量的耦合特性的考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法，包括如下步骤：
[0006]1)针对待仿真的供热系统，输入拓扑连接关系、元件参数、控制参数、仿真计算参数，进行仿真初始化；
[0007]2)建立供热系统状态空间模型，其中包括管道、热源、用户建筑供热负荷在系统拓扑约束下构成的热力环节微分方程组，以及热源温度控制器和用户室内温度控制器构成的控制环节离散代数方程组；
[0008]3)针对供热系统状态空间模型中的热力环节微分方程组，计算热力环节状态变量xd在当前仿真时刻t的1阶、2阶、3阶导数
[0009]4)根据步骤3)中得到的热力环节状态变量x
d
在当前仿真时刻t的1阶、2阶、3阶导数，计算积分步长h；
[0010]5)检测是否有控制器离散动作事件发生在区间(t，t+h]，若有则进行事件定位并更新积分步长h，否则直接进入步骤6)；
[0011]6)使用量子化积分公式将热力环节状态变量x
d
积分至仿真时刻t+h，置控制环节
离散代数变量的历史量将x
d
(t+h)和代入控制环节离散代数方程组，计算仿真时刻t+h的控制环节离散代数变量u
d
(t+h)，令当前仿真时刻t＝t+h；
[0012]7)判断仿真时刻t是否达到仿真终止时间T；若t≥T，则仿真结束，输出仿真结果；否则返回步骤3)。
[0013]本专利技术的一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法，适用于考虑源荷温度控制特性的供热系统的动态仿真，能够考虑离散变量和连续变量的耦合特性，结合状态变量的量子化和时域积分的时间离散，为连续
‑
离散混合模型提供了一种高效的仿真方法。即本专利技术将QSS方法的状态变量量子化和时域离散相结合，准确、高效地刻画了连续
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离散变量的耦合特性，适用于求解包含大量离散控制器的供热系统。因此，本专利技术的方法为考虑源荷温度控制特性的供热系统的高效率仿真计算提供了必要工具。
附图说明
[0014]图1是本专利技术一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法的流程图；
[0015]图2是热力系统实例拓扑图；
[0016]图3本专利技术实例中1号热源出口温度和控制器输出状态随时间变化图；
[0017]图4是本专利技术实例中热源热功率时间变化图；
[0018]图5是本专利技术实例中用户室内温度平均温度随时间变化图；
[0019]图6是本专利技术实例中室内温度和控制器输出状态随时间变化图；
[0020]图7是本专利技术实例中连续状态变量平均相对误差随时间变化图。
具体实施方式
[0021]下面结合实施例和附图对本专利技术的一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法做出详细说明。
[0022]如图1所示，本专利技术的一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法，包括如下步骤：
[0023]1)针对待仿真的供热系统，输入拓扑连接关系、元件参数、控制参数、仿真计算参数，进行仿真初始化；
[0024]所述的元件参数包括热网各管道截面积、长度、热阻、微元段长度、热工质流量，各热源的加热单元功率、数量、热工质质量和流量，各用户散热器的散热系数、散热面积、热工质质量和流量，各用户建筑的散热系数和体积，热工质密度、热工质比热容、空气密度、空气比热容、环境温度；所述的控制参数包括热源出口温度控制区间、用户室内温度控制区间；所述的仿真计算参数包括仿真终止时间、量子化积分阈值、各仿真变量及其历史量初值；置当前仿真时刻t＝0。
[0025]2)建立供热系统状态空间模型，其中包括管道、热源、用户建筑供热负荷在系统拓扑约束下构成的热力环节微分方程组，以及热源温度控制器和用户室内温度控制器构成的控制环节离散代数方程组；其中，
[0026](1)所述的热力环节微分方程组包括：
[0027](1.1)系统中管道热力方程
[0028]根据管道热力偏微分方程：
[0029][0030]式中，为管道的温度变量，ρ
p
为热工质密度，c
p
为热工质比热容，为管道截面积，为管道热阻，T
a
为环境温度，为热工质流量，α为管道编号；
[0031]将管道支路划分为长度为Δx微元段，根据单个微元段长度Δx和管道长度l
α
得到微元段数量微元段数量符号表示向上取整；管道支路α的第n个微元段的热力微分方程形式为：
[0032][0033]边界条件为：
[0034][0035]式中，为管道支路α的第n个微元段的温度；为管道支路α的第n
‑
1个微元段的温度，当n取1时，为为管道支路α的入口温度，为管道支路α的出口温度；
[0036](1.2)热源热力微分方程：
[0037][0038]式中，为热源中热工质的质量，和为热源的入口和出口温度，为热源热工质流量，为一个加热单元的功率，为接入热源的加热单元数量，β为热源编号；
[0039](1.3)用户建筑供热负荷热力微分方程：
[0040][0041][0042][0043]式中，为散热器中热工质的质量，和为散热器的入口和出口温度，为散热器散热量，为散热器的开关变量，为散热器的散热系数，为散热器的散热面积，为散热器热工质流量，为建筑的室本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：1)针对待仿真的供热系统，输入拓扑连接关系、元件参数、控制参数、仿真计算参数，进行仿真初始化；2)建立供热系统状态空间模型，其中包括管道、热源、用户建筑供热负荷在系统拓扑约束下构成的热力环节微分方程组，以及热源温度控制器和用户室内温度控制器构成的控制环节离散代数方程组；3)针对供热系统状态空间模型中的热力环节微分方程组，计算热力环节状态变量x
d
在当前仿真时刻t的1阶、2阶、3阶导数4)根据步骤3)中得到的热力环节状态变量x
d
在当前仿真时刻t的1阶、2阶、3阶导数，计算积分步长h；5)检测是否有控制器离散动作事件发生在区间(t,t+h]，若有则进行事件定位并更新积分步长h，否则直接进入步骤6)；6)使用量子化积分公式将热力环节状态变量x
d
积分至仿真时刻t+h，置控制环节离散代数变量的历史量将x
d
(t+h)和代入控制环节离散代数方程组，计算仿真时刻t+h的控制环节离散代数变量u
d
(t+h)，令当前仿真时刻t＝t+h；7)判断仿真时刻t是否达到仿真终止时间T；若t≥T，则仿真结束，输出仿真结果；否则返回步骤3)。2.根据权利要求1所述的一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法，其特征在于，步骤1)所述的元件参数包括热网各管道截面积、长度、热阻、微元段长度、热工质流量，各热源的加热单元功率、数量、热工质质量和流量，各用户散热器的散热系数、散热面积、热工质质量和流量，各用户建筑的散热系数和体积，热工质密度、热工质比热容、空气密度、空气比热容、环境温度；所述的控制参数包括热源出口温度控制区间、用户室内温度控制区间；所述的仿真计算参数包括仿真终止时间、量子化积分阈值、各仿真变量及其历史量初值；置当前仿真时刻t＝0。3.根据权利要求1所述的一种考虑源荷温度控制特性的供热系统状态离散仿真方法，其特征在于，步骤2)中(1)所述的热力环节微分方程组包括：(1.1)系统中管道热力方程将管道支路划分为长度为Δx微元段，根据单个微元段长度Δx和管道长度l
α
得到微元段数量段数量符号表示向上取整；管道支路α的第n个微元段的热力微分方程形式为：边界条件为：
式中，ρ
p
为热工质密度，c
p
为热工质比热容，为管道截面积，为管道热阻，T
a
为环境温度，为热工质流量，α为管道编号；为管道支路α的第n个微元段的温度；为管道支路α的第n
‑
1个微元段的温度，当n取1时，为为管道支路α的入口温度，为管道支路α的出口温度；(1.2)热源热力微分方程：式中，为热源中热工质的质量，和为热源的入口和出口温度，为热源热工质流量，为一个加热单元的功率，为接入热源的加热单元数量，β为热源编号；(1.3)用户建筑供热负荷热力微分方程：(1.3)用户建筑供热负荷热力微分方程：(1.3)用户建筑供热负荷热力微分方程：式中，为散热器中热工质的质量，和为散热器的入口和出口温度，为散热器散热量，为散热器的开关变量，为散热器的散热系数，为散热器的散热面积，为散热器热工质流量，为建筑的室内温度，ρ
a
为空气的密度，c
a
为空气的比热容，和为建筑的散热系数和体积，γ为散热器编号，ε为建筑的编号；(1.4)热力拓扑约束方程：每条支路两端各连接着一个节点，根据输入的拓扑连接关系，得到节点i的热力拓扑约束方程为：式中，为节点i的温度，g

【专利技术属性】
技术研发人员：于浩，李双，李鹏，冀浩然，赵金利，宋关羽，王成山，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：