CN108916986B - 信息物理融合的二级管网变流量水力平衡调控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市集中供热系统的先进控制领域，具体为一种信息物理融合的二级管网变流量水力平衡调控方法及系统，水力平衡调控方法，包括如下步骤：步骤S100，采集各用户对应供热二级管网的管网数据以及代表性室温数据；步骤S200，建立供热二级管网的水力学仿真模型，以在线得出二级管网水力平衡关系特性；步骤S300，基于管网数据和室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量；步骤S400，通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性；步骤S500，确定与单元阻力特性对应的各用户阀门的控制策略。实现了对需求工况进行仿真分析计算，预测需求工况下水力平衡的调控策略。

Description

信息物理融合的二级管网变流量水力平衡调控方法及系统

技术领域

本发明涉及城市集中供热系统的先进控制领域，具体为一种信息物理融合的二级管网变流量水力平衡调控方法及系统。

背景技术

当前，供热系统二级网运行方式较为粗放，目前较多采用的是在整个采暖季当中定流量运行，在采暖季的不同阶段，建筑物负荷需求不同，大多没有在不同阶段采用所需的经济流量，针对混有公共建筑的热力站，减少夜间负荷带来的流量波动，会引起二级网水力失调，原有的手动阀门控制方式，难以在采暖季运行过程中变流量调节，造成能源的大量浪费，是二级网能耗水平居高不下的两大关键因素。

在供热系统智慧化转型升级的背景下，精细化调节是行业发展的必然趋势，随着负荷波动按需进行二级网变流量调节，能大大降低二级网运行的电耗与热耗，提升热网的能效水平。然而，按需进行二级网变流量调节时，容易引起整体二级网的水力失调，现有二级网水力工况调节方法，多为定流量运行或反馈控制的方法，典型方式有水泵变频跟踪建筑物或楼宇供回水温度的方式，或通过安装自力式平衡阀(差压阀)等设备，跟踪入楼流量(或压差)的设定值，来实施二级网的工况调节。然而，该方法主要缺点表现为：一是工况波动时基于局部调节策略的反馈控制方法容易引起系统的振荡；二是自力式平衡阀等设备为单一工况条件下的固定流量，无法根据建筑物负荷波动按需调节，多个平衡阀之间缺少协同与协调，工况波动大时容易发生水力失调。

基于上述问题需要设计一种新的信息物理融合的二级管网变流量水力平衡调控方法及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种信息物理融合的二级管网变流量水力平衡调控方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种供热二级管网变流量水力平衡调控方法，包括如下步骤：

步骤S100，采集各用户对应供热二级管网的管网数据以及代表性室温数据；

步骤S200，建立供热二级管网的水力学仿真模型，以在线得出二级管网水力平衡关系特性；

步骤S300，基于管网数据和室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量；

步骤S400，通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性；

步骤S500，确定与单元阻力特性对应的各用户阀门的控制策略。

进一步，所述管网数据包括：进出流量、温度和压力数据。

进一步，建立供热二级管网的水力学仿真模型的方法包括：

基于图论对供热二级管网结构进行建模，将用户、管路分支的连接处抽象成连接相应节点，将两个节点之间供水管段、回水管段均抽象成边，即供水边、回水边，设供热二级管网对应n个用户，m条管段，获得所述水力学仿真模型如下：

上式(I)中，P_s0、P_r0、Q_s0、Q_r0：分别表示热力站二级网侧的供水压力、回水压力、供水流量、回水流量；

s、r：表示供水、回水；

Q：供热二级管网主管道的边流量，Q＝[Q₀，Q₁，...，Q_i，...，Q_m]^T，单位kg/s；Q_sj、Q_rj分别表示第j条供水边、回水边的流量；

P：供热二级管网节点压力，P＝[P₀，P₁，...，P_i，...，P_n]^T，单位Pa；P_si、P_ri分别表示第i个节点的供、回压力；

q：供热二级管网中各用户的流量，q＝[q₁，...，q_i，...，q_n]^T，用户供水的流量q_s＝[q_s1，...，q_si，...，q_sn]^T，用户回水的流量q_r＝[q_r1，...，q_ri，...，q_rn]^T单位kg/s；q_si、q_ri分别表示第i个用户的供水、回水的流量；

d：管段内径，单位m；d_sj、d_rj分别表示第j条管段的供水、回水管径；

ΔP_i：第i个用户的进出口压降，单位Pa；

λ、ξ：分别为管段的沿程阻力系数与局部阻力系数；

ρ：液体的密度，单位kg/m³。

进一步，所述在线得出二级管网水力平衡关系特性的方法包括如下步骤：

通过所述水力学仿真模型计算出供热二级管网中的最不利环路用户；

确定所述水力学仿真模型计算条件；

利用所述水力学仿真模型在线计算水力平衡时各用户的阻力特性。

进一步，通过所述水力学仿真模型计算出供热二级管网中的最不利环路用户，即

对于水力学仿真模型的输入计算条件包括：供热二级管网中各用户的流量q，热力站的供水压力P_s0、回水压力P_r0，利用水力学仿真模型计算出二级管网中各用户的站内压降ΔP_i，即

ΔP_i＝P_si-P_rii＝1，2，...i...n

其中，设第k个用户压降最小，即为系统中的最不利环路用户，则有

ΔP_min＝ΔP_k

该第k个用户即为最不利环路用户。

进一步，确定所述水力学仿真模型计算条件，即

将实际运行期望达到的条件作为输入条件进行供热二级管网的水力工况的仿真计算，则供热二级管网达到水力平衡时，取计算输入条件为：

供热二级管网最不利环路的压差值，即第k个用户的压差，设为50kPa；

热力站二级管网侧的回水压力P_r0；

供热二级管网中各用户的流量q，该流量为当前工况条件下的期望流量，即该期望流量适于满足用户侧的负荷需求；

利用所述水力学仿真模型在线计算水力平衡时各用户的阻力特性，即

根据水力学仿真模型的上述输入计算条件求解获得热力站供水压力P_s0；

各用户的进出口压降ΔP_i；

i＝0，1，2..n-1，j＝0，1，2，...m；

各用户进出口压降为：ΔP_i＝P_si-P_ri；

热力站的供水压力为：

进一步，所述步骤S300中基于管网数据和室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量的方法包括：

根据各用户的供热二级管网运行数据，训练各用户的储散热负荷模型，联合该储散热负荷模型与供热一级管网供水温度、流量、供热二级管网供水温度、回水温度，获取在不同工况条件时，预测各用户所需的负荷；

根据历史天气工况与各用户的历史工况数据，生成供热二级管网用的负荷模型：

上式中，天气工况数据记为U，供热二级管网供水温度

供热二级管网回水温度

供热二级管网流量数据

由各用户的负荷，结合供热一级管网历史工况的运行数据，转化为供热二级管网在不同工况下的需求流量，即供热一级管网供水温度

供水流量

数据，与所述负荷模型Φ、供热二级管网回水温度

代表性室内温度

以及

生成供热二级管网中各用户的流量q对应预测模型得

进而计算在不同工况条件U_x下各用户的需求流量，即

上式中，Φ：各用户的用热负荷，单位J；

天气、供温、回温与用户的用热负荷的数据模型；

供热二级管网历史工况的供水温度，单位℃；回水温度，单位℃；流量，单位kg/s；代表性室内温度，单位℃；

各用户用热负荷、供热一级管网供水温度、流量、供热二级管网的目标回水温度、目标室内温度与各用户需求流量的机器学习的数据模型，单元kg/s；

热力站历史工况的供热一级管网供水温度，单位℃；流量数据，单位kg/s；

q_x：任意工况x时，各用户的需求流量，q_x＝[q_x1，...q_xi，...q_xn]，单位kg/s；

Φ_x：任意工况x时，各用户的需求负荷，单位J；

任意工况x时，各用户或热力站一次侧的供水温度及流量，单位分别为℃和kg/s；

任意工况x时，二次侧目标回水温度、目标室内温度，单位℃；

带下标x是指该数据为工况x下的取值；

即通过上述方式，计算得到在运行工况x条件下，供热二级管网对于各用户的需求流量。

进一步，所述步骤S400通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性的方法包括：

输入热网实际运行参数、期望流量，作为水力学仿真模型的计算条件，令当前工况x条件下，水力学仿真模型计算输入条件为：

供热二级管网最不利环路的压差值，即第k个用户的压差ΔP_k；

热力站二级网侧的回水压力

供热二级管网中各用户的需求流量q_x，且设q_xs＝q_xr；

若在用户因负荷变动带来的流量改变，则可描述为各用户的期望流量由q_x变为q′_x且作为需求流量值，用作水力学仿真模型的计算参数；

若用于在夜间负荷变化量为ΔΦ_x，则

可得到各用户的阻力特性为：

以及各用户的进出口压降ΔP_xi＝P_xsi-P_xri；

并且得知各用户流量与阻力特性对应关系为：[q_x1，ΔP_x1]、…、[q_xi，ΔP_xi]…[q_xn，ΔP_xn]。

进一步，所述步骤S500中确定与单元阻力特性对应的各用户阀门的控制策略的方法包括：

根据所述各用户流量与阻力特性关系为[q_xi，ΔP_xi]，对各用户阀门进行调节，以改变其阻力特性，且在调节过程中，实时对比各用户的实际流量与压差测量值；

对比计算计算获得的用户流量q_xi与实际测量的用户流量q_mi，对供热二级管网各用户阀门操作顺序及调节策略如下：

1)当q_xi＜q_mi，ΔP_xi＞ΔP_mi时，则Δk_xi＜0，关小第i个用户阀门；

2)当q_xi＞q_mi，ΔP_xi＜ΔP_mi时，则Δk_xi＞0，开大第i个用户阀门；

3)当q_xi＞q_mi，ΔP_xi＞ΔP_mi或q_xi＜q_mi，ΔP_xi＜ΔP_mi时，则Δk_xi＝0，阀门不作调整；

基于以上规模，形成各用户阀门的控制策略[Δk_x1，Δk_x2，...Δk_xi，...，Δk_xn]，对阀门执行开大或关小操作。

进一步，所述供热二级管网变流量水力平衡调控方法还包括：

步骤S600，基于所述控制策略，实现在线式二级网调控操作，其方法包括：

接入t时刻实时工况数据后，由水力学仿真模型计算得到各阀门开度调节策略，并存储到运行数据库中，由SCADA系统获取控制策略后，通过组态软件将策略发送给远程站内PLC设备，实现对现场阀门开度进行开大或调小操作；

若在一次调节后，依然未达到目标值，可基于控制策略持续进行，直至满足需求工况的流量，视为达到当前工况下的水力平衡，停止调节；并在接收t+1时刻的工况数据后，重新生成控制策略后，重复该步骤，实现在线式二级网调控操作。

另一方面，本发明还提供一种二级网变流量水力平衡调控，包括：

数据集中器，用于采集各用户对应供热二级管网的管网数据以及代表性室温数据；

服务器集群，建立供热二级管网的水力学仿真模型，并且接收数据集中器发送的管网数据和室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量，以及通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性，在确定与单元阻力特性对应的阀门动作策略；

调节阀，根据阀门动作策略对各用户阀门进行调节。

本发明的有益效果是，本发明通过步骤S100，采集各用户对应供热二级管网的管网数据以及代表性室温数据；步骤S200，建立供热二级管网的水力学仿真模型，以在线得出二级管网水力平衡关系特性；步骤S300，基于管网数据和室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量；步骤S400，通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性；步骤S500，确定与单元阻力特性对应的阀门动作策略；实现了对需求工况进行仿真分析计算，预测需求工况下水力平衡的调控策略，对供热系统二级网水力平衡状态的在线分析与精准调控。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明所涉及的供热二级管网变流量水力平衡调控方法的流程图；

图2是本发明所涉及的供热二级管网变流量水力平衡调控方法中改造后二级网管网结构图；

图3是本发明所涉及的供热二级管网变流量水力平衡调控方法中二级网管网结构图；

图4是本发明所涉及的供热二级管网变流量水力平衡调控方法中二级网系统水压图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

图1是本发明所涉及的供热二级管网变流量水力平衡调控方法的流程图。

如图1所示，本实施例提供了一种供热二级管网变流量水力平衡调控方法，包括如下步骤：步骤S100，采集各用户(用户可以是具体到每户人家，也可以是一个单元或是一栋楼等，可以根据具体的实际需求进行选择)对应供热二级管网的管网数据以及代表性室温数据，即以现有二级网自动化条件为基础，可以在用户处加装可远传数据流量、温度和压力(压差)的测量装置，增加代表性室温测点，增设可电动调节的阀门；步骤S200，建立供热二级管网的水力学仿真模型，以在线得出二级管网水力平衡关系特性；步骤S300，基于管网数据和室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量；步骤S400，通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性；步骤S500，确定与单元阻力特性对应的各用户阀门的控制策略，即基于阀门动作和远传的测量数据，并给出各调控设备的控制策略；步骤S600，基于所述控制策略，实现在线式二级网调控操作；实现了对需求工况进行仿真分析计算，预测需求工况下水力平衡的调控策略，对供热系统二级网水力平衡状态的在线分析与精准调控。

在本实施例中，所述管网数据包括：进出流量、温度和压力数据；所述流量、温度和压力数据可以分别由流量、温度和压力(压差)的测量装置测量；所述流量测量装置可以采用流量传感器，所述温度测量装置可以采用温度传感器，所述压力测量装置可以采用压力传感器；利用测量装置可以测量所需的数据。

图2是本发明所涉及的供热二级管网变流量水力平衡调控方法中改造后二级网管网结构图；

如图2所示，在本实施例中，所述精确调控方法是在现有二级网系统实施精确调控，其自动化系统需要满足相应的条件，其供热二级网的自动化条件应满足：各用户处设有调节阀门、各用户进出口侧设有压力或压差测量设备、热力站二级网循环泵前后设有压差测量设备，以及各用处户设有流量测量设备；如现有用户设有热计量装置，可以直接借用现有的温度、流量的测量数据。如自动化条件还未完善，需要根据要求进行改造。同理，如各用户的自动化条件满足，则可以进行水力平衡精确调节。增加代表性室温测量设备，指能有效体现出用户室内平均温度；包括但不限于通过人工室内温度进行分布式测量，既而选择与平均温度相差最小的测点作为代表性室温测点。对用户阀门，电动阀门应采集并远传阀门开度，如为手动阀门，应记录手动阀门的调节开度；所述增加的测量装置均可以利用有线或无线网络，执行远传数据功能，可根据需要设置采集数据间隔，支持数据进行存储并上传至运程数据库；将现有的二级网稍加改造可以采用本实施例中的供热二级管网变流量水力平衡调控方法。

在本实施例中，所述步骤S200，建立供热二级管网的水力学仿真模型，以在线得出二级管网水力平衡关系特性，包括：步骤S210，建立供热二级管网的水力学仿真模型，以及步骤S220，在线得出二级管网水力平衡关系特性。

图3是本发明所涉及的供热二级管网变流量水力平衡调控方法中二级网管网结构图；

图4是本发明所涉及的供热二级管网变流量水力平衡调控方法中二级网系统水压图。

如图3和图4所示，在本实施例中，所述步骤S210，建立供热二级管网的水力学仿真模型的方法包括：基于图论对供热二级管网结构进行建模，将用户、管路分支的连接处抽象成连接相应节点，将两个节点之间供水管段、回水管段均抽象成边，即供水边、回水边，设供热二级管网对应n个用户，m条管段，获得所述水力学仿真模型如下：

上式(I)中，P_s0、P_r0、Q_s0、Q_r0：分别表示热力站二级网侧的供水压力、回水压力、供水流量、回水流量；s、r：表示供水、回水；Q：供热二级管网主管道的边流量，Q＝[Q₀，Q₁，...，Q_i，...，Q_m]^T，单位kg/s；Q_sj、Q_rj分别表示第j条供水边、回水边的流量；P：供热二级管网节点压力，P＝[P₀，P₁，...，P_i，...，P_n]^T，单位Pa；P_si、P_ri分别表示第i个节点的供、回压力；q：供热二级管网中各用户的流量，q＝[q₁，...，q_i，...，q_n]^T，用户供水的流量；q_s＝[q_s1，...，q_si，...，q_sn]^T，用户回水的流量q_r＝[q_r1，...，q_ri，...，q_rn]^T单位kg/s；q_si、q_ri分别表示第i个用户的供水、回水的流量；d：管段内径，单位m；d_sj、d_rj分别表示第j条管段的供水、回水管径；ΔP_i：第i个用户的进出口压降，单位Pa；λ、ξ：分别为管段的沿程阻力系数与局部阻力系数；ρ：液体的密度，单位kg/m³；所述水力学仿真模型，即在规定的条件下，输入一部分数据作为模型计算条件，即可获取系统中其他各处的温度、压力、流量数据。

在本实施例中，所述步骤S220，在线得出二级管网水力平衡关系特性的方法包括如下步骤：步骤S221，通过所述水力学仿真模型计算出供热二级管网中的最不利环路用户；步骤S222，确定所述水力学仿真模型计算条件；步骤S223利用所述水力学仿真模型在线计算水力平衡时各用户的阻力特性。

在本实施例中，通过所述水力学仿真模型计算出供热二级管网中的最不利环路用户，即对于水力学仿真模型的输入计算条件包括：供热二级管网中各用户的流量q，热力站的供水压力P_s0、回水压力P_r0，利用水力学仿真模型计算出二级管网中各用户的站内压降ΔP_i，即

ΔP_i＝P_si-P_ri i＝1，2，...i...n

其中，设第k个用户压降最小，即为系统中的最不利环路用户，则有

ΔP_min＝ΔP_k

该第k个用户即为最不利环路用户。

在本实施例中，确定所述水力学仿真模型计算条件，基于水力学仿真模型，在不同的输入条件时，可到不同的计算结果，从而可获取不同的计算信息；则应该根据运行调控的需求，来确定计算条件；即将实际运行期望达到的条件作为输入条件进行供热二级管网的水力工况的仿真计算，则供热二级管网达到水力平衡时，取计算输入条件为：供热二级管网最不利环路的压差值，即第k个用户的压差，设为50kPa；热力站二级管网侧的回水压力P_r0，可以将该压力作为系统运行的定压点，具体值由运行人员根据不同系统而定；供热二级管网中各用户的流量q，该流量为当前工况条件下的期望流量，即该期望流量适于满足用户侧的负荷需求，由不同工况条件下，通过室温监测和单元大数据分析得到；利用所述水力学仿真模型在线计算水力平衡时各用户的阻力特性，即根据水力学仿真模型的上述输入计算条件(最不利热力站侧回水压力、用户流量、最不利环路压降以及管网结构作)求解获得热力站供水压力P_s0；

各用户的进出口压降ΔP_i；

i＝0，1，2..n-1，j＝0，1，2，...m；

各用户进出口压降为：ΔP_i＝P_si-P_ri；

热力站的供水压力为：

在本实施例中，所述步骤S300中基于管网数据和室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量的方法包括：

根据各用户的供热二级管网运行数据，可以采用机器学习算法训练各用户的储散热负荷模型，联合该储散热负荷模型与供热一级管网供水温度、流量、供热二级管网供水温度、回水温度，获取在不同工况条件时，预测各用户所需的负荷；

根据历史天气工况(天气工况数据记为U，包括室外温度T_f、湿度W_f、风速V_f等参数)与各用户的历史工况数据，生成供热二级管网用的负荷模型：

上式中，天气工况数据记为U，供热二级管网供水温度

供热二级管网回水温度

供热二级管网流量数据

由各用户的负荷，结合供热一级管网历史工况的运行数据，转化为供热二级管网在不同工况下的需求流量，即供热一级管网供水温度

供水流量

数据，与所述负荷模型Φ、供热二级管网回水温度

代表性室内温度

以及

生成供热二级管网中各用户的流量q对应预测模型得

进而计算在不同工况条件U_x下各用户的需求流量，即

上式中，Φ：各用户的用热负荷，单位J；

天气、供温、回温与用户的用热负荷的数据模型；

供热二级管网历史工况的供水温度，单位℃；回水温度，单位℃；流量，单位kg/s；代表性室内温度，单位℃；

各用户用热负荷、供热一级管网供水温度、流量、供热二级管网的目标回水温度、目标室内温度与各用户需求流量的机器学习的数据模型，单元kg/s；

热力站历史工况的供热一级管网供水温度，单位℃；流量数据，单位kg/s；q_x：任意工况x时，各用户的需求流量，q_x＝[q_x1，...q_xi，...q_xn]，单位kg/s；Φ_x：任意工况x时，各用户的需求负荷，单位J；

任意工况x时，各用户或热力站一次侧的供水温度及流量，单位分别为℃和kg/s；

上述各变量中带下标x是指该数据为工况x下的取值。任意工况x时，二次侧目标回水温度、目标室内温度，单位℃；即通过上述方式，计算得到在运行工况x条件下，供热二级管网对于各用户的需求流量。

在本实施例中，所述步骤S400通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性的方法包括：输入热网实际运行参数、期望流量，作为水力学仿真模型的计算条件，令当前工况x条件下，水力学仿真模型计算输入条件为：供热二级管网最不利环路的压差值，即第k个用户的压差ΔP_k，由人为根据需要取值；热力站二级网侧的回水压力

由运行人员根据具体系统补水定压情况而定；供热二级管网中各用户的需求流量q_x，且设q_xs＝q_xr；

若在用户因负荷变动带来的流量改变(负荷变动在公共建筑与居民混合的二级网系统中，因夜间公共建筑的负荷较低，则需要进行各公共建筑的流量调节)，则可描述为各用户的期望流量由q_x变为q′_x且作为需求流量值，用作水力学仿真模型的计算参数；

若用于在夜间负荷变化量为ΔΦ_x，则

作为信息系统的流量，进行仿真计算；

可得到各用户的阻力特性为：

以及各用户的进出口压降ΔP_xi＝P_xsi-P_xri；

并且得知各用户流量与阻力特性对应关系为：[q_x1，ΔP_x1]、…、[q_xi，ΔP_xi]…[q_xn，ΔP_xn]。在本实施例中，所述步骤S500中确定与单元阻力特性对应的各用户阀门的控制策略的方法，包括：根据所述各用户流量与阻力特性关系为[q_xi，ΔP_xi]，代表二级网水力平衡状态下对应关系，对各用户阀门进行调节，以改变其阻力特性，且在调节过程中，实时对比各用户的实际流量与压差测量值；对比计算计算获得的用户流量q_xi与实际测量的用户流量q_mi，对供热二级管网各用户阀门操作顺序及调节策略如下：

1)当q_xi＜q_mi，ΔP_xi＞ΔP_mi时，则Δk_xi＜0，关小第i个用户阀门；

2)当q_xi＞q_mi，ΔP_xi＜ΔP_mi时，则Δk_xi＞0，开大第i个用户阀门；

3)当q_xi＞q_mi，ΔP_xi＞ΔP_mi或q_xi＜q_mi，ΔP_xi＜ΔP_mi时，则Δk_xi＝0，阀门不作调整；

基于以上规模，形成各用户阀门的控制策略[Δk_x1，Δk_x2，...Δk_xi，...，Δk_xn]，对阀门执行开大或关小操作；相对于热计量到户控制流量的技术路线，本实施例推荐采用在楼口或单元口增设可电动调节的阀门来进行调节，弱化处理楼内用户的垂直平衡及其他复杂因素，无电动阀门的条件时，通过人工根据以上策略进行调节。

在本实施例中，所述供热二级管网变流量水力平衡调控方法还包括：步骤S600，基于所述控制策略，实现在线式二级网调控操作，其方法包括：接入t时刻实时工况数据后，由水力学仿真模型计算得到各阀门开度调节策略，并存储到运行数据库中，由SCADA系统获取控制策略后，通过组态软件将策略发送给远程站内PLC设备，实现对现场阀门开度进行开大或调小操作；若在一次调节后，依然未达到目标值，可基于控制策略持续进行，直至满足需求工况的流量，视为达到当前工况下的水力平衡，停止调节；并在接收t+1时刻的工况数据后，重新生成控制策略后，重复该步骤，实现在线式二级网调控操作；可以快捷方便精确的实现在线式二级网调控操作。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例2还提供一种二级网变流量水力平衡调控，包括：数据集中器，用于采集各用户对应供热二级管网的管网数据以及代表性室温数据；服务器集群，建立供热二级管网的水力学仿真模型，并且接收数据集中器发送的管网数据和室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量，以及通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性，在确定与单元阻力特性对应的阀门动作策略；调节阀，根据阀门动作策略对各用户阀门进行调节。

综上所述，本发明通过步骤S100，采集各用户对应供热二级管网的管网数据以及代表性室温数据；步骤S200，建立供热二级管网的水力学仿真模型，以在线得出二级管网水力平衡关系特性；步骤S300，基于管网数据和室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量；步骤S400，通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性；步骤S500，确定与单元阻力特性对应的阀门动作策略；实现了对需求工况进行仿真分析计算，预测需求工况下水力平衡的调控策略，对供热系统二级网水力平衡状态的在线分析与精准调控，避免了因阀门之间、阀门与水泵之间的耦合而进行反复调节带来的水力失调问题，提升供热系统的控制水平，保障供热系统节能稳定运行。

本发明提出一种信息物理融合的二级管网变流量水力平衡调控方法及系统，即基于采用建模仿真手段，物联网感知技术，运行大数据辨识技术，预测并控制各工况下热力站的阀门开度或分布式供能水泵的运行频率与站内阻力特性的关系，实现物理供热系统二级网变流量水力平衡调控。

本发明的主要技术路线是物理信息系统，具体是应用建模仿真技术建立供热系统二级网结构机理仿真模型；应用物联网远传测量技术，对用户进行在线测量，获取用户的流量、压力、温度参数，实时观测系统的运行状态；应用运行数据辨识技术，获取水泵或阀门等设备的调节特性与单元压降之间的关系，从热网结构、热网运行与热网调控三个层次，形成与物理供热系统一致的供热信息系统，从而，于信息系统内接入实际工况条件，在不同的采暖季阶段，计算用户所需不同的负荷需求，给出调控参数，与物理供热系统同步对接，动态给出二级网各用户手动阀或电动阀门的控制参数，解决供热系统二级网在工况或流量波动条件下，构建热网平衡过程中因阀门或水泵的耦合关系带来的需反复调节与水力失调问题。

本发明以二次侧物联感知测量为数据基础，提出用户进出口加装流量、温度、压力(压差)测量装置，可调节的电动阀门，获取二级网运行数据，以分析二级网信息模型系统与调节设备的运行规律。可借用现有的热计量采集数据，虽然当前大量二级网用户没有实现数据采集与自动化调节，但是二级网自动化是不可避免的发展趋势，而且，近年来物联网技术的成熟，近距离窄带高速通讯技术的应用，为二级网用户测量提供了有力的技术保证，对不满足条件的二级网用户，实施本发明需要补充以上提及的物联网远传测量设备。

本发明能根据用户随天气的负荷波动或用户的分时分区控制的需求，实施对应工况的变流量调节，相比传统的二级网的所采用的定流量或基于自力式平衡阀的反馈控制方法，能避免系统调节产生的振荡，保证供热系统稳定运行，并且提升二级网的调控水平，显著改善二级网运行能效。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种供热二级管网变流量水力平衡调控方法，包括如下步骤：

步骤S100，采集各用户对应供热二级管网的管网数据以及代表性室温数据；

步骤S200，建立供热二级管网的水力学仿真模型，以在线得出二级管网水力平衡关系特性；

步骤S300，基于管网数据和代表性室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量；

步骤S400，通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性；

步骤S500，确定与单元阻力特性对应的各用户阀门的控制策略；

所述代表性室温数据为用户室内平均温度；

所述管网数据包括：进出流量、温度和压力数据；

建立供热二级管网的水力学仿真模型的方法包括：

基于图论对供热二级管网结构进行建模，将用户、管路分支的连接处抽象成连接相应节点，将两个节点之间供水管段、回水管段均抽象成边，即供水边、回水边，设供热二级管网对应n个用户，m条管段，获得所述水力学仿真模型如下：

上式(I)中，P_s0、P_r0、Q_s0、Q_r0：分别表示热力站二级网侧的供水压力、回水压力、供水流量、回水流量；

s、r：表示供水、回水；

Q：供热二级管网主管道的边流量，Q＝[Q₀,Q₁,…,Q_i,…,Q_m]^T，单位kg/s；Q_sj、Q_rj分别表示第j条供水边、回水边的流量；

P：供热二级管网节点压力，P＝[P₀,P₁,…,P_i,…,P_n]^T，单位Pa；P_si、P_ri分别表示第i个节点的供、回压力；

q：供热二级管网中各用户的流量，q＝[q₁,…,q_i,…,q_n]^T,用户供水的流量q_s＝[q_s1,…,q_si,…,q_sn]^T，用户回水的流量q_r＝[q_r1,…,q_ri,…,q_rn]^T单位kg/s；q_si、q_ri分别表示第i个用户的供水、回水的流量；

d：管段内径，单位m；d_sj、d_rj分别表示第j条管段的供水、回水管径；

ΔP_i：第i个用户的进出口压降，单位Pa；

λ、ξ：分别为管段的沿程阻力系数与局部阻力系数；

ρ：液体的密度，单位kg/m³；

所述在线得出二级管网水力平衡关系特性的方法包括如下步骤：

通过所述水力学仿真模型计算出供热二级管网中的最不利环路用户；

确定所述水力学仿真模型计算条件；

利用所述水力学仿真模型在线计算水力平衡时各用户的阻力特性；

通过所述水力学仿真模型计算出供热二级管网中的最不利环路用户，即

对于水力学仿真模型的输入计算条件包括：供热二级管网中各用户的流量q，热力站的供水压力P_s0、回水压力P_r0，利用水力学仿真模型计算出二级管网中各用户的站内压降ΔP_i，即

ΔP_i＝P_si-P_ri i＝1,2,…i…n

其中，设第k个用户压降最小，即为系统中的最不利环路用户，则有

ΔP_min＝ΔP_k

该第k个用户即为最不利环路用户；

确定所述水力学仿真模型计算条件，即

将实际运行期望达到的条件作为输入条件进行供热二级管网的水力工况的仿真计算，则供热二级管网达到水力平衡时，取计算输入条件为：

供热二级管网最不利环路的压差值，即第k个用户的压差，设为50kPa；

热力站二级管网侧的回水压力P_r0；

供热二级管网中各用户的流量q，该流量为当前工况条件下的期望流量，即该期望流量适于满足用户侧的负荷需求；

利用所述水力学仿真模型在线计算水力平衡时各用户的阻力特性，即

根据水力学仿真模型的上述输入计算条件求解获得热力站供水压力P_s0；

各用户的进出口压降ΔP_i；

各用户进出口压降为：ΔP_i＝P_si-P_ri；

热力站的供水压力为：

所述步骤S300中基于管网数据和室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量的方法包括：

根据各用户的供热二级管网运行数据，训练各用户的储散热负荷模型，联合该储散热负荷模型与供热一级管网供水温度、流量、供热二级管网供水温度、回水温度，获取在不同工况条件时，预测各用户所需的负荷；

根据历史天气工况与各用户的历史工况数据，生成供热二级管网用的负荷模型：

上式中，天气工况数据记为U，供热二级管网供水温度

供热二级管网回水温度

供热二级管网流量数据

由各用户的负荷，结合供热一级管网历史工况的运行数据，转化为供热二级管网在不同工况下的需求流量，即供热一级管网供水温度

供水流量

数据，与所述负荷模型Φ、供热二级管网回水温度

代表性室内温度

以及

生成供热二级管网中各用户的流量q对应预测模型得

进而计算在不同工况条件U_x下各用户的需求流量，即

上式中，Φ：各用户的用热负荷，单位J；

天气、供温、回温与用户的用热负荷的数据模型；

供热二级管网历史工况的供水温度，单位℃；回水温度，单位℃；流量，单位kg/s；代表性室内温度，单位℃；

各用户用热负荷、供热一级管网供水温度、流量、供热二级管网的目标回水温度、目标室内温度与各用户需求流量的机器学习的数据模型，单元kg/s；

热力站历史工况的供热一级管网供水温度，单位℃；流量数据，单位kg/s；

q_x：任意工况x时，各用户的需求流量，q_x＝[q_x1,…q_xi,…q_xn]，单位kg/s；

Φ_x：任意工况x时，各用户的需求负荷，单位J；

任意工况x时，各用户或热力站一次侧的供水温度及流量，单位分别为℃和kg/s；

任意工况x时，二次侧目标回水温度、目标室内温度，单位℃；

带下标x是指该数据为工况x下的取值；

通过上述方式，计算得到在运行工况x条件下，供热二级管网对于各用户的需求流量。

2.根据权利要求1所述的供热二级管网变流量水力平衡调控方法，其特征在于，

所述步骤S400通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性的方法包括：

输入热网实际运行参数、期望流量，作为水力学仿真模型的计算条件，令当前工况x条件下，水力学仿真模型计算输入条件为：

供热二级管网最不利环路的压差值，即第k个用户的压差ΔP_k；

热力站二级网侧的回水压力

供热二级管网中各用户的需求流量q_x，且设q_xs＝q_xr；

若在用户因负荷变动带来的流量改变，则可描述为各用户的期望流量由q_x变为q′_x且作为需求流量值，用作水力学仿真模型的计算参数；

若用于在夜间负荷变化量为ΔΦ_x，则

可得到各用户的阻力特性为：

以及各用户的进出口压降ΔP_xi＝P_xsi-P_xri；

并且得知各用户流量与阻力特性对应关系为：[q_x1,ΔP_x1]、…、[q_xi,ΔP_xi]…[q_xn,ΔP_xn]。

3.根据权利要求2所述的供热二级管网变流量水力平衡调控方法，其特征在于，

所述步骤S500中确定与单元阻力特性对应的各用户阀门的控制策略的方法包括：

根据所述各用户流量与阻力特性关系为[q_xi,ΔP_xi]，对各用户阀门进行调节，以改变其阻力特性，且在调节过程中，实时对比各用户的实际流量与压差测量值；

对比计算计算获得的用户流量q_xi与实际测量的用户流量q_mi，对供热二级管网各用户阀门操作顺序及调节策略如下：

当q_xi<q_mi，ΔP_xi>ΔP_mi时，则Δk_xi<0，关小第i个用户阀门；

当q_xi>q_mi，ΔP_xi<ΔP_mi时，则Δk_xi>0，开大第i个用户阀门；

当q_xi>q_mi，ΔP_xi>ΔP_mi或q_xi<q_mi，ΔP_xi<ΔP_mi时，则Δk_xi＝0，阀门不作调整；

基于以上规模，形成各用户阀门的控制策略[Δk_x1,Δk_x2,…Δk_xi,…,Δk_xn]，对阀门执行开大或关小操作。

4.根据权利要求3所述的供热二级管网变流量水力平衡调控方法，其特征在于，

所述供热二级管网变流量水力平衡调控方法还包括：

步骤S600，基于所述控制策略，实现在线式二级网调控操作，其方法包括：

接入t时刻实时工况数据后，由水力学仿真模型计算得到各阀门开度调节策略，并存储到运行数据库中，由SCADA系统获取控制策略后，通过组态软件将策略发送给远程站内PLC设备，实现对现场阀门开度进行开大或调小操作；

若在一次调节后，依然未达到目标值，可基于控制策略持续进行，直至满足需求工况的流量，视为达到当前工况下的水力平衡，停止调节；并在接收t+1时刻的工况数据后，重新生成控制策略后，重复该步骤，实现在线式二级网调控操作。

5.一种采用如权利要求1-4任一项所述的供热二级管网变流量水力平衡调控方法的供热二级管网变流量水力平衡调控系统，其特征在于，包括：

数据集中器，用于采集各用户对应供热二级管网的管网数据以及代表性室温数据，所述代表性室温数据为用户室内平均温度；

服务器集群，建立供热二级管网的水力学仿真模型，并且接收数据集中器发送的管网数据和代表性室温数据，确定各工况条件下各用户所需的流量，以及通过所述水力学仿真模型计算与各用户的需求流量对应的单元阻力特性，在确定与单元阻力特性对应的阀门动作策略；

调节阀，根据阀门动作策略对各用户阀门进行调节。

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