CN108920866A - 基于滚动时域估计理论的热网动态调节运行参数估计方法 - Google Patents

基于滚动时域估计理论的热网动态调节运行参数估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于滚动时域估计理论的热网动态调节网络参数估计方法，属于综合能源系统的运行和控制技术领域。该方法包括：建立热网管道内部温度状态量离散差分格式、基于滚动时域估计理论对质调节运行的热网进行参数估计、建立参数估计的目标函数、建立热网动态运行的约束条件、利用MATLAB优化工具箱求解参数估计结果。本发明同时考虑了供回水网络中的水力工况和热力工况，适应了电‑热耦合网络能量管理系统及调度管理系统中对热力系统可控性、活动性的要求，很好地解决热网在动态运行时的参数估计问题，得到真实网络参数较为准确的估计值。

Description

基于滚动时域估计理论的热网动态调节运行参数估计方法
技术领域
本发明涉及一种基于滚动时域估计理论的热网动态调节参数估计方法，属于综合能源系统的运行和控制技术领域。
技术背景
热网根据供热介质不同可以分为热水供热管网和蒸汽供热管网两类。目前，我国的工业供热多为中高压蒸汽供热管网，民用供热多为热水供热管网。在本发明中我们以热水供热管网进行分析。
热网中的参数具有很强的不确定性。水力工况中，管段的流通能力会因各种内因、外因发生变化，一般用阻力系数描述流体在管道中受阻碍的程度。管段的阻力系数一般采用经验公式计算，真实值与厂家所给数值往往存在一定差异。管道运行时间、直径、材质、热媒种类和内壁腐蚀等多种因素的变化，会使管道中参数的实际值也随之改变，这种不确定性向集中供热系统的网络分析提出了挑战。热力工况中，建模中的散热系数常使用经验参数值，与实际值存在偏差，且散热系数受环境的影响同样存在波动，成为不确定性的重要来源，同样不利于集中供热系统的运行规划。
因此，估计出接近真实值的模型参数，可以更准确的求解、分析热网的运行状态，这对进一步实现热电联产系统状态估计、安全分析与安全控制、优化调度，提高系统管理水平、增加社会总福利都具有非常重要的意义。然而，随着电-热耦合技术的发展，实时调度使得热力系统变为活动可控的，因此用稳态模型描述热力系统是不准确的，因此有必要基于热网的动态调节过程建立新的参数估计方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于滚动时域估计理论的热网质调节运行参数估计方法，充分考虑管道的动态特性，通过对一段连续的动态调节过程进行滚动时域估计，得到网络参数的估计值。
本发明提出的基于滚动时域估计理论的热网质调节运行参数估计方法，包括以下步骤：
(1)从热网的数据采集与监视控制系统中获取从t1到tn时刻、间隔时间为Δt的热网运行数据，包括热网中各节点压力H，任意两个节点间支路的流量m，两个节点间支路的首端温度Tf和末端温度Tt，热源和热负荷等效成的连接支路，热功率φq，其中上标q表示连接支路，Δt为设定的间隔时间，为采样间隔时间的整数倍，上述运行数据构成n个时刻的测量值列向量zh；
(2)建立热网管道内部温度状态量离散差分形式的描述：
对于热网中编号为b＝1,2,3,…,Y的管道，将管道按长度Δx的体积分为Zb段，管道内部状态点编号依次为i＝0,1,2,3,…,Zb，为保证差分格式的稳定性，Δx的取值需满足Courant-Friedrichs-Lewy条件，即
其中，r称为离散差分格式的网格比，m为t时刻流经支路的流量，ρ为供热介质的密度，由流体的物性参数表获得，S为热网中支路的管道横截面积，从相应数据手册中获取；
(3)利用滚动时域估计方法，对质调节运行进行参数估计：
(3-1)将t1到tn时刻的状态量划分为s个时间窗，每个时间窗内包含I个时刻的状态信息，I＝n/s；
(3-2)对于任意一个时间窗，将热网所有待估计的估计量构成一个列向量xh(t)，列向量xh(t)中包括状态列向量xstate(t)和参数列向量xpara，列向量xstate(t)包括热网中各支路流量m(t)、各节点压力H(t)以及任两个节点间支路管道首末端及内部的全部温度状态量Ti b(t)，i＝1,2,…,Zb，列向量xpara包括任两个节点间支路的管道阻力系数K以及普通支路的散热系数λp，上标p表示供水支路和回水支路组成的普通支路；
(3-3)建立一个描述热网状态量、参数量与测量值之间关系的量测函数f1(x)，f1(x)＝f1(xh(t))，f1(xh(t))为热力系统潮流方程组，热力系统潮流方程组包括支路压力损失方程和支路热功率方程，
ATH(t)＝ΔH(t)-Hp(t)
其中，AT为节点-支路关联矩阵A的转置，Hp为支路上泵扬程组成的列向量，a、b、c为泵参数，从泵的产品铭牌上获取，mp(t)为泵所在支路的流量，ΔH为热网中每条支路压力损失组成的列向量，支路压力损失ΔH(t)＝K(t)·m(t)·|m(t)|，上标q表示连接支路，φq(t)为连接支路的用热功率，热负荷处的用热功率为正，热源处的用热功率为负，Cp为供热介质的比热容，由流体的物性参数表获取，mq(t)为连接支路流量，为连接支路首端温度，为连接支路末端温度；
(4)根据上述步骤(1)的测量值，建立一个基于多工况的热网稳态运行参数估计的目标函数如下：
其中W为测量值的协方差矩阵，上标T表示矩阵转置，J(xh(t))表示目标函数表达式；
(5)建立热网质调节运行的约束条件c(xh(t))，包括：
(5-1)对所有节点建立流量连续性约束，流量连续性约束表示为如下矩阵形式：
AM(t)＝0
其中，M(t)为热网每条支路流量构成的列向量，将供水支路和回水支路统一等效为普通支路，用上标p表示，连接支路等效为特殊支路，用上标q表示，则M(t)表示为：
其中，Mp(t)表示供水支路和回水支路即普通支路流量组成的子向量，Mq(t)表示连接支路流量组成的子向量；
(5-2)对热网中的所有节点建立温度混合约束：
(∑mout(t))Tn(t)＝∑(min(t)Tin(t))
其中，mout(t)为供热介质流出节点的支路流量，min(t)为供热介质流入节点的支路流量，Tn(t)为节点处供热介质混合后的温度，Tin(t)为不同支路供热介质在节点处混合前的温度；
用不同支路末端温度Tout(t)代替支路供热介质在节点处混合前的温度Tin(t)，则节点温度混合约束表示为如下矩阵形式：
diag(AfM(t))Tn(t)＝Atdiag(M(t))Tout(t)
其中，Af、At分别为正节点-支路关联矩阵和负节点-支路关联矩阵，diag(·)表示对角阵，即
(5-3)对于管道内部的温度状态量建立温度转移关系约束：
(i＝1，2，3，···，zb；b＝1，2，3，···，Y)
其中，为编号为b的管道在i状态点处t时刻的温度，表示管道b在t时刻的首端温度，表示管道b在t时刻的末端温度，Ta为环境温度，l为热网中支路的管道长度，λ为热网中普通支路的散热系数，为待估计量，Cp为供热介质的比热容，从相应数据手册中获取；
同时，对于第一个时间窗,t的取值时刻分别为t2,t3,…,tI，对于后续的第n个时间窗，t的取值为t1+nI,t2+nI,t3+nI,…,tnI；
(6)利用信赖域反射算法(Trust region reflective)、有效集算法(Activeset)、内点法(Interior point)或序列二次规划算法(SQP)中的任何一种，在给定的迭代精度和最大迭代次数下，对由上述步骤(4)的目标函数和上述步骤(5)的约束条件构成的优化问题进行求解，fmincon函数可选择四种优化算法进行求解，最后得到的xpara即为每个时间窗热网网络参数的估计结果；
(7)遍历s个时间窗，重复步骤(4)-(6)，则对于一段连续的质调节运行过程，得到s组网络参数估计结果xpara,1,xpara,2,…,xpara,s，取平均值，得到最后的估计结果，即
本发明提出的基于滚动时域估计理论的热网质调节参数估计方法，其优点是：
本方法基于滚动时域估计原理，建立了热网动态运行参数估计方法，综合考虑了水力工况中的阻力系数(管道内壁粗糙度)和热力工况中的散热系数，同时对管道内部温度的动态转移过程进行了建模，考虑了热网中调节时存在的延迟效应。该方法除了可以得到更为准确的网络参数，还可以对于热网管道的温度分布进行准确的描述，这是稳态参数估计、稳态状态估计所无法做到的。
具体实施方式
本发明提出的基于滚动时域估计理论的热网质调节运行参数估计方法，包括以下步骤：
(1)从热网的数据采集与监视控制系统中获取从t1到tn时刻、间隔时间为Δt的热网运行数据，包括热网中各节点压力H，任意两个节点间支路的流量m，两个节点间支路的首端温度Tf和末端温度Tt，热源和热负荷等效成的连接支路，热功率φq，其中上标q表示连接支路，Δt为设定的间隔时间，为采样间隔时间的整数倍，上述运行数据构成n个时刻的测量值列向量zh；
(2)建立热网管道内部温度状态量离散差分形式的描述：
对于热网中编号为b＝1,2,3,…,Y的管道，将管道按长度Δx的体积分为Zb段，管道内部状态点编号依次为i＝0,1,2,3,…,Zb，为保证差分格式的稳定性，Δx的取值需满足Courant-Friedrichs-Lewy条件，即
其中，r称为离散差分格式的网格比，m为t时刻流经支路的流量，ρ为供热介质的密度，由流体的物性参数表获得，S为热网中支路的管道横截面积，从相应数据手册中获取；
(3)利用滚动时域估计方法，对质调节运行进行参数估计：
(3-1)将t1到tn时刻的状态量划分为s个时间窗，每个时间窗内包含I个时刻的状态信息，I＝n/s；
(3-2)对于任意一个时间窗，将热网所有待估计的估计量构成一个列向量xh(t)，列向量xh(t)中包括状态列向量xstate(t)和参数列向量xpara，列向量xstate(t)包括热网中各支路流量m(t)、各节点压力H(t)以及任两个节点间支路管道首末端及内部的全部温度状态量i＝1,2,…,Zb，列向量xpara包括任两个节点间支路的管道阻力系数K以及普通支路的散热系数λp，上标p表示供水支路和回水支路组成的普通支路；
(3-3)建立一个描述热网状态量、参数量与测量值之间关系的量测函数f1(x)，f1(x)＝f1(xh(t))，f1(xh(t))为热力系统潮流方程组，热力系统潮流方程组包括支路压力损失方程和支路热功率方程，
ATH(t)＝ΔH(t)-Hp(t)
其中，AT为节点-支路关联矩阵A的转置，Hp为支路上泵扬程组成的列向量，a、b、c为泵参数，从泵的产品铭牌上获取，mp(t)为泵所在支路的流量，ΔH为热网中每条支路压力损失组成的列向量，支路压力损失ΔH(t)＝K(t)·m(t)·|m(t)|，上标q表示连接支路，φq(t)为连接支路的用热功率，热负荷处的用热功率为正，热源处的用热功率为负，Cp为供热介质的比热容，由流体的物性参数表获取，mq(t)为连接支路流量，为连接支路首端温度，为连接支路末端温度；
(4)根据上述步骤(1)的测量值，建立一个基于多工况的热网稳态运行参数估计的目标函数如下：
其中W为测量值的协方差矩阵，上标T表示矩阵转置，J(xh(t))表示目标函数表达式；
(5)建立热网质调节运行的约束条件c(xh(t))，包括：
(5-1)对所有节点建立流量连续性约束，流量连续性约束表示为如下矩阵形式：
AM(t)＝o
其中，M(t)为热网每条支路流量构成的列向量，将供水支路和回水支路统一等效为普通支路，用上标p表示，连接支路等效为特殊支路，用上标q表示，则M(t)表示为：
其中，Mp(t)表示供水支路和回水支路即普通支路流量组成的子向量，Mq(t)表示连接支路流量组成的子向量；
(5-2)对热网中的所有节点建立温度混合约束：
(∑mout(t))Tn(t)＝∑(min(t)Tin(t))
其中，mout(t)为供热介质流出节点的支路流量，min(t)为供热介质流入节点的支路流量，Tn(t)为节点处供热介质混合后的温度，Tin(t)为不同支路供热介质在节点处混合前的温度；
用不同支路末端温度Tout(t)代替支路供热介质在节点处混合前的温度Tin(t)，则节点温度混合约束表示为如下矩阵形式：
diag(AfM(t))Tn(t)＝Atdiag(M(t))Tout(t)
其中，Af、At分别为正节点-支路关联矩阵和负节点-支路关联矩阵，diag(·)表示对角阵，即
(5-3)对于管道内部的温度状态量建立温度转移关系约束：
(i＝1，2，3，···，zb；b＝1，2，3，···，Y)
其中，为编号为b的管道在i状态点处t时刻的温度，表示管道b在t时刻的首端温度，表示管道b在t时刻的末端温度，Ta为环境温度，l为热网中支路的管道长度，λ为热网中普通支路的散热系数，为待估计量，Cp为供热介质的比热容，从相应数据手册中获取；
同时，对于第一个时间窗,t的取值时刻分别为t2,t3,…,tI，对于后续的第n个时间窗，t的取值为t1+nI,t2+nI,t3+nI,…,tnI；
(6)利用信赖域反射算法(Trust region reflective)、有效集算法(Activeset)、内点法(Interior point)或序列二次规划算法(SQP)中的任何一种，在给定的迭代精度和最大迭代次数下，对由上述步骤(4)的目标函数和上述步骤(5)的约束条件构成的优化问题进行求解，fmincon函数可选择四种优化算法进行求解，最后得到的xpara即为每个时间窗热网网络参数的估计结果；
(7)遍历s个时间窗，重复步骤(4)-(6)，则对于一段连续的质调节运行过程，得到s组网络参数估计结果xpara,1,xpara,2,…,xpara,s，取平均值，得到最后的估计结果，即

Claims (1)

1.一种基于滚动时域估计理论的热网质调节运行参数估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)从热网的数据采集与监视控制系统中获取从t1到tn时刻、间隔时间为Δt的热网运行数据，包括热网中各节点压力H，任意两个节点间支路的流量m，两个节点间支路的首端温度Tf和末端温度Tt，热源和热负荷等效成的连接支路，热功率φq，其中上标q表示连接支路，Δt为设定的间隔时间，为采样间隔时间的整数倍，上述运行数据构成n个时刻的测量值列向量zh；
(2)建立热网管道内部温度状态量离散差分形式的描述：
对于热网中编号为b＝1，2，3，...，Y的管道，将管道按长度Δx的体积分为Zb段，管道内部状态点编号依次为i＝0，1，2，3，...，Zb，为保证差分格式的稳定性，Δx的取值需满足Courant-Friedrichs-Lewy条件，即
其中，r称为离散差分格式的网格比，m为t时刻流经支路的流量，ρ为供热介质的密度，由流体的物性参数表获得，S为热网中支路的管道横截面积，从相应数据手册中获取；
(3)利用滚动时域估计方法，对质调节运行进行参数估计：
(3-1)将t1到tn时刻的状态量划分为s个时间窗，每个时间窗内包含I个时刻的状态信息，I＝n/s；
(3-2)对于任意一个时间窗，将热网所有待估计的估计量构成一个列向量xh(t)，列向量xh(t)中包括状态列向量xstate(t)和参数列向量xpara，列向量xstate(t)包括热网中各支路流量m(t)、各节点压力H(t)以及任两个节点间支路管道首末端及内部的全部温度状态量列向量xpara包括任两个节点间支路的管道阻力系数K以及普通支路的散热系数λp，上标p表示供水支路和回水支路组成的普通支路；
(3-3)建立一个描述热网状态量、参数量与测量值之间关系的量测函数f1(x)，f1(x)＝f1(xh(t))，f1(xh(t))为热力系统潮流方程组，热力系统潮流方程组包括支路压力损失方程和支路热功率方程，
ATH(t)＝ΔH(t)-Hp(t)
其中，AT为节点-支路关联矩阵A的转置，Hp为支路上泵扬程组成的列向量，a、b、c为泵参数，从泵的产品铭牌上获取，mp(t)为泵所在支路的流量，ΔH为热网中每条支路压力损失组成的列向量，支路压力损失ΔH(t)＝K(t)·m(t)·|m(t)|，上标q表示连接支路，φq(t)为连接支路的用热功率，热负荷处的用热功率为正，热源处的用热功率为负，Cp为供热介质的比热容，由流体的物性参数表获取，mq(t)为连接支路流量，为连接支路首端温度，为连接支路末端温度；
(4)根据上述步骤(1)的测量值，建立一个基于多工况的热网稳态运行参数估计的目标函数如下：
其中W为测量值的协方差矩阵，上标T表示矩阵转置，J(xh(t))表示目标函数表达式；
(5)建立热网质调节运行的约束条件c(xh(t))，包括：
(5-1)对所有节点建立流量连续性约束，流量连续性约束表示为如下矩阵形式：
AM(t)＝0
其中，M(t)为热网每条支路流量构成的列向量，将供水支路和回水支路统一等效为普通支路，用上标p表示，连接支路等效为特殊支路，用上标g表示，则M(t)表示为：
其中，Mp(t)表示供水支路和回水支路即普通支路流量组成的子向量，Mq(t)表示连接支路流量组成的子向量；
(5-2)对热网中的所有节点建立温度混合约束：
(∑mout(t))Tn(t)∑(min(t)Tin(t))
其中，mout(t)为供热介质流出节点的支路流量，min(t)为供热介质流入节点的支路流量，Tn(t)为节点处供热介质混合后的温度，Tin(t)为不同支路供热介质在节点处混合前的温度；
用不同支路末端温度Tout(t)代替支路供热介质在节点处混合前的温度Tin(t)，则节点温度混合约束表示为如下矩阵形式：
diag(AfM(t))Tn(t)＝Atdiag(M(t))Tout(t)
其中，Af、At分别为正节点-支路关联矩阵和负节点-支路关联矩阵，diag(·)表示对角阵，即
(5-3)对于管道内部的温度状态量建立温度转移关系约束：
其中，为编号为b的管道在i状态点处t时刻的温度，表示管道b在t时刻的首端温度，表示管道b在t时刻的末端温度，Ta为环境温度，l为热网中支路的管道长度，λ为热网中普通支路的散热系数，为待估计量，Cp为供热介质的比热容，从相应数据手册中获取；
同时，对于第一个时间窗，t的取值时刻分别为t2，t3，...，tI，对于后续的第n个时间窗，t的取值为t1+nI，t2+nI，t3+nI，...，tnI；
(6)利用信赖域反射算法(Trust region reflective)、有效集算法(Active set)、内点法(Interior point)或序列二次规划算法(SQP)，在给定的迭代精度和最大迭代次数下，对由上述步骤(4)的目标函数和上述步骤(5)的约束条件构成的优化问题进行求解，最后得到的xpara即为每个时间窗热网网络参数的估计结果；
(7)遍历s个时间窗，重复步骤(4)-(6)，则对于一段连续的质调节运行过程，得到s组网络参数估计结果xpara，1，xpara，2，...，xpara，s，取平均值，得到最后的估计结果，即
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