CN111461439A - 基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法和系统 - Google Patents

基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于城市大气扩散过程模拟预测的多热源供热系统负荷调度分配方法和系统，该方法包括如下步骤：步骤S1，建立各热源污染物排放模型；步骤S2，建立供热网络模型及热源侧负荷约束、热网输配能力约束和热网解列模型，确定多热源负荷分配可行域；步骤S3，以多层地域模拟气象数据和污染物清单作为边界条件导入大气质量预估模型系统，生成污染物浓度时空分布，对模型进行验证；步骤S4，建立大气质量评价体系；步骤S5，构建最低大气污染的目标函数，通过在线执行多方案比较，实现在特定时期内保障重点区域大气质量达到标准，获得最佳多热源供热系统负荷调度分配方案。本发明的方法和系统可有效解决重大活动期间空气质量保障问题。

Description

基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分 配方法和系统
技术领域
本发明涉及一种基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度 分配方法和系统，属于多热源供热负荷调度领域。
背景技术
我国部分城市一直承担着举办各类大型体育赛事、纪念活动、论坛峰会的重 要职责。重大活动期间的空气质量保障措施一直受到多领域研究人员的关注，这 类措施具有阶段性、临时性、全面性和力度大的特点。通过高强度的污染减排措 施能明显、有效改善环境空气质量，保障活动、会议的顺利开展和进行。
同时，随着城市环境压力不断增加，高能源利用率的集中供热系统已经成为 我国北方城市供热的重要支撑。而多热源的城市供热系统具有能源利用率高，供 热质量高，运行安全性、可靠性、灵活性高的特征，正日益受到大家的关注。目 前城市供热系统的环境影响评价仅考虑设备特征、热网约束等条件，结合气象特 征、热网输配能力的研究欠缺，未涉及负荷调度及区域微气象模拟。事实上，多 热源城市供热系统对环境的影响与热源污染物形式和其扩散有很大关联，而污染 物的扩散又与气象因素，如风速、风向等相关性较强。结合区域微气象模拟对多 热源城市供热系统进行运行调度优化，能够实现重大活动期间空气质量保障问题， 使得管控措施合理有效。但是，目前对重大活动期间空气质量保障措施仅通过气 象预测分析污染特征污染规律，“一刀切”式关闭重点保障区域内所有产生污染的供热源。未考虑在气象作用下其他区域的热源污染存在扩散至重点保障区域的 可能及热网解列、输配能力约束，易导致重点保障区域内热源关闭后供热不足现 象。
为了解决重大活动期间空气质量保障和供热保障问题，本发明提出了基于城 市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法和系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统 负荷调度分配方法和系统，通过微气象的数据和模拟，结合热网输配能力和热网 解列方法的约束，优化多热能供热负荷调度分配方案，减少重点城市重点区域大 气污染物浓度，保障重大活动期间的空气质量，满足供热需求。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于城市大气扩散过程模拟预测 的多热源供热系统负荷调度分配方法，包括如下步骤：
步骤S1，选取合适的污染物指标体系，针对多热源供热系统建立各热源的污 染物排放模型；多热源的城市供热系统相比于单热源具有能源利用率高，供热质 量高，运行安全性、可靠性、灵活性高的特征，因此正日益受到大家的关注。
步骤S2，建立供热网络模型及热源侧负荷约束、热网输配能力约束和热网解 列模型，并确定多热源间的负荷分配可行域或组合关系范围；
步骤S3，以多层地域模拟气象数据和污染源清单(包括人为源和自然源)作 为边界条件导入大气质量预估模型系统(如光化学模型CMAQ、扩散模型 Amermod等)，形成污染物浓度时空分布，对模型进行验证；
步骤S4，建立城市范围内大气质量评价体系；
步骤S5，构建重点保障区域内空气质量保障目标函数，对目标函数求解以获 得最优多热源供热系统负荷调度分配方案。
上述技术方案中，进一步地，步骤S1中建立各热源污染物排放模型具体为：
步骤S11，选取气象观测站监测数据中的常规污染物二氧化氮(NO2)、二氧化 硫(SO2)、细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)作为污染物指标；
步骤S12，建立热源污染物排放模型，根据不同热源的能源消耗量及能源对 应污染物排放因子计算污染物排放量
Q＝R×δi
上式中，
R：能源消耗量，t；
δi：第i种污染物的排放因子，kg/t。
进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21，根据图论将热网结构图中的各个部件抽象成节点和区段两种元素， 分别对节点、区段和环路进行描述。
步骤S22，用关联矩阵A、B分别表示任意节点与区段间连接关系和任意区段 与基本环路间的从属关系；流量分布、节点净质量流量和区段压降分布分别由向 量G、g、ΔP表示，压降主要由流体流动产生的流动阻力(包括沿程阻力和局部 阻力)引起。根据民用热水的特征，这里忽略高度差产生的重力压降和工质相变 动量变化产生的动力压降。
步骤S23，根据基尔霍夫定律求解热网流动状态，用节点流量守恒方程和基 本环路动量守恒方程描述
AGT＝g,BΔPT＝0
步骤S24，建立热负荷平衡约束、热负荷变化范围约束(包括热电联产机组 抽汽供热能力范围约束)、机组升降负荷速率约束，以保障能源供应的安全性和 稳定性。
步骤S25，建立热网输配能力约束，维持全网各处热水流速在一定范围内， 以保证热网内热水流动满足技术要求，用户端供热参数满足用户要求。首先定义 管网流速偏差系数
Δef＝ΣΔfj
上式中，
Δfj：各区段内热水流速和正常流速的偏差，用下式描述
Figure BDA0002437202860000021
上式中，
kf：流速偏差在供热品质计算中的惩罚系数。
热网输配能力约束描述为热网各处流速偏差不超过规定偏差范围
Δef≤Δef,max
Δfj≤δfi
步骤S26，建立热网解列方案约束，即阀门解列方案的拓扑连通性判断和供 热负荷平衡性判断。阀门解列方案的拓扑连通性判断意为排除热源或用户有流量 但进口阀关闭的方案以及节点流量不守恒的方案，即排除某一独立区未实现供热 时，其他热源处连接的支线干线阀门已被关闭的情况；供热负荷平衡性判断意为 排除热网区域内供给负荷小于用热负荷的方案，同时排出网损率过大的方案，具 体表现为关闭部分阀门后使热负荷超过热源供应能力的情况；
步骤S27，根据上述步骤S24～S26中的五种约束，基于供热模型确定多热源 间的负荷分配可行域。
进一步地，步骤S3具体为：
步骤S31，利用气象模拟应用WRF模型获取多层地域模拟气象数据，所述 的多层地域模拟气象数据包括气温、相对湿度和风速风向等；多层地域模拟气象 数据具有6h时间分辨率和1°×1°空间分辨率。多层地域模拟气象数据通过四维 同化插值到WRF模式网格结点上，模拟本地气象场，并转化为所需网格化气象 资料。
步骤S32，污染源清单中自然源排放数据利用自然源气体及气溶胶排放模型MEGAN估算，土地覆盖数据区域分辨率可达300m；大气质量预估模型的人为 污染源清单采用热源排放模型作为排放信息输入，以量化分析在微气象条件下各 个热源排放对重点区域空气质量的影响；
步骤S33，将污染源清单中的污染源格栅化纳入0.5°×0.5°分辨率的数据库， 将多层地域模拟气象数据和污染源清单作为边界条件输入大气质量预估模型系 统，结合朗伯投影坐标系对重点保障区域内各污染物扩散情况进行时空模拟。大 气质量预估模型采用3层嵌套网格技术：第1层覆盖全中国；第2层覆盖重点保 障区域所属地域，分为东北、华北、西北、华中、华东、华南；第3层覆盖重点 保障区域。
最终形成的污染物浓度分布结果涉及时间、空间两个变量，即可模拟规定时 间段内网格点的平均浓度，并用下式表示
Figure BDA0002437202860000031
上式中，
Sm：模拟区域面积，即重点保障区域面积；
ρt,i(x,y)：点(x,y)处大气污染物i的质量浓度；
步骤S34，利用气象观测站数据验证模型计算结果，评价指标为分数偏差均 值B和分数误差均值E，当模拟结果B≤±30％，E≤±50％时，认为该大气模型 精确度较高。
Figure BDA0002437202860000032
上式中，
N：模拟次数；
ZS：模拟值；
ZR：观测值。
更进一步地，步骤S4，依据模糊矩阵理论，结合环境空气质量标准建立城市 范围内大气质量评价体系，具体包括以下步骤：
步骤S41，分别用集合C和S描述大气污染物质量和大气环境质量的评价标 准集合，区域地理信息分为不保障区域，一般保障区域和空气质量重点保障区域， 分别用权重系数m1、m2、m3描述其保障的重要程度，m1+m2+3＝1，其中 m1＝0，m2、m3均大于0；重点保障区域为第3层网格，一般保障区域为第2 层网格除去第3层网格区域，不保障区域为第1层网格除去第2层和第3层网格 区域；
步骤S42，依据环境空气质量标准中对大气环境质量的分类，用隶属度函数U 描述环境因素和评价标准之间的模糊关系
Figure BDA0002437202860000041
Figure BDA0002437202860000042
Figure BDA0002437202860000043
上式中，
U1、U2、U3分别代表污染物程度为基本无污染、一般污染和严重污染的概率 值；
S1～S3：大气质量不同等级的限值，为集合S中的元素；
步骤S43，确定评价指标的权重，权重系数用各污染物模拟平均值相对于大 气质量标准限值均值表示；由大气质量预估模型系统得到的污染物扩散模拟结果 具有时空特性，区域污染物浓度模拟值为其所在区域内各网格点模拟值的平均； 则第i个污染物的归一化权重系数pi为
Figure BDA0002437202860000044
上式中，
Pi：第i个污染物的权重值，
Figure BDA0002437202860000045
si：第i个污染物的大气质量标准限值均值，
Figure BDA0002437202860000051
Si,1、Si,2、Si,3分 别为国家大气质量三级标准：基本无污染、一般污染和严重污染的标准限值；
步骤S44，构建区域对象大气污染程度描述函数
Figure BDA0002437202860000052
上式中，
Dj,k：k区域处于三个污染等级的概率值，j取1，2，3，D1,k～D3,k中的最大 值对应研究对象的大气质量污染程度；k取1，2，3，分别代表不保障区域、一 般保障区域和重点保障区域；
Si,j：第i个污染物在第j级标准下的限值；
mk为权重系数。
进一步地，步骤S5中构建重点保障区域内空气质量保障目标函数具体为：
根据大气污染物程度描述函数，D1,3越大表明重点保障区域越可能处于基本 无污染状态，同时考虑污染程度对应的持续时间δxj(δxj为最大可能处于的污染 程度等级所持续的时间)，污染程度越低，持续时间越长，该区域的空气质量越 高；
由此构建最低大气污染的目标函数，优化变量为各热源负荷
maxF＝max{D1,3×δx1+D1,2×δx1}。
在多热源负荷分配可行域中形成多个可行方案，并通过目标函数计算研究区 域空气质量状况，实现在特定时期内保障重点区域大气质量达到标准，最终获得 最优多热源供热系统负荷调度分配方法。当需要在短时间内完成多个方案评估比 较，即在15分钟内完成60个以上的方案生成和比较时，简单的在线执行已无法 满足，可引入启发式算法进行优化求解。启发式算法的应用可实现全可行域搜索， 使最终优化方案为最佳方案。
又一方面，本发明还提供了一种基于城市大气扩散过程模拟预测的多热源供 热负荷调度系统，包括热源污染物排放模型模块、供热网络模型模块、热源模型 约束条件模块、大气质量预估模型模块、预测模型边界条件模块、大气质量评价 模型模块、多方案分析对比模块；
将上述模块分别进行模块封装，建立数据传输通道，以便大气质量评价模型 模块和多方案分析对比模块及时提取处理热源污染物排放模型模块、供热网络模 型模块、热源模型约束条件模块、大气质量预估模型模块及预测模型边界条件模 块的数据，从而解算决策得到多热源供热负荷调度方案；
热源污染物排放模型模块，这一模块选取了二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、 细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)作为污染物指标，并基于排放因子建立了 热源污染物排放模型。
供热网络模型模块，这一模块基于图论和基尔霍夫定律，考虑管道内部压降 (包括流动压降、重力压降和动力压降)，建立和求解了描述热网拓扑结构的数 学模型。
热源模型约束条件模块，这一模块建立了热源侧负荷约束(包括热负荷平衡 约束、热负荷变化范围约束、机组升降负荷速率约束)、热网输配能力约束和热 网解列方案条件约束。
大气质量预估模型模块，这一模块以气象模拟和污染源清单为边界条件输入 大气质量预估模型系统，形成污染物浓度时空分布结果，并利用气象站数据验证 模型。
预测模型边界条件模块，这一模块中气象模拟数据利用WRF模型获取包括 气温、相对湿度和风速风向等；污染物清单中人为源排放信息为热源排放模型， 自然源排放数据利用自然源气体及气溶胶排放模型MEGAN估算。
大气质量评价模型模块，这一模块依据模糊矩阵理论，结合环境空气质量标 准等级划分为基本无污染、一般污染和重度污染，建立城市范围内空气质量评价 模型。
多方案分析对比模块，这一模块考虑大气污染程度及持续时间，兼顾时空二 元因素，建立优化大气质量目标函数，通过计算各个方案的目标函数，获得多热 源供热系统负荷调度分配方案，实现重点区域特定时期空气质量的保障。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的基于城市大气扩散过程模拟预测模型和热网输配能力约束、热 网解列条件约束的多热源城市供热负荷调度分配方法和系统，通过建立热源污染 物排放模型、供热网络模型、大气质量预估模型和大气质量评价模型，确定优化 大气质量目标函数及约束条件，通过多个可行方案分析比较或启发式算法，决策 选择最优的多热源供热负荷调度分配方案。本发明的方法和系统可有效解决重大 活动期间空气质量保障和供热保障问题。
附图说明
下面结合附图和具体实例对本发明进一步说明。
图1为某城市供热热网拓扑结构图；
图2为某城市基于多热源城市供热系统负荷分配的重大活动期间空气质量保 障方案流程。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明讨论了重大活动期间空气质量保障问题，属于多热源供热系统负荷调 度领域。许多城市一直致力于保障重大活动期间的空气质量以保证活动的顺利开 展，如北京、杭州。本发明基于此提出了基于城市大气扩散过程模拟预测模型和 热网输配能力约束、热网解列条件约束的多热源城市供热负荷调度分配方法和系 统，通过建立热源污染物排放模型、供热网络模型、大气质量预估模型和大气质 量评价模型，确定优化重点保障区域内空气质量保障目标函数及约束条件，通过 在线执行多个可行方案分析比较或启发式算法，决策选择最优多热源供热负荷调 度分配方案。这里以某城市作为重点保障区域，对其展开供热模型建立和微气象 模拟，建立保障该城市市内空气质量的目标函数，利用粒子群算法寻优求解，获 得最优多热源供热系统负荷调度分配方案。
一种基于城市大气扩散过程模拟预测的多热源供热系统负荷调度分配方法， 包括以下步骤：
步骤S1：选取合适的污染物指标体系，建立某城市多热源城市供热系统各热 源的污染物排放模型；
步骤S2：建立某城市供热热网拓扑结构图(见图1)和供热网络模型及热源 侧负荷约束、热网输配能力约束和热网解列模型，并确定多热源间的负荷分配可 行域或组合关系范围；
步骤S3：以多层地域模拟气象数据和污染源清单(包括人为源和自然源)作 为边界条件导入大气质量预估模型系统(这里以美国国家环境保护局研发的第3 代大气质量预估模型(CMAQ)系统为例)，形成污染物浓度时空分布结果，对 模型进行验证；
步骤S4：建立某城市市内大气质量评价体系；
步骤S5：构建该城市市内空气质量保障目标函数，在多热源负荷分配可行域 中，利用启发式算法(这里选择粒子群算法)对目标函数进行优化求解，最终获 得最优多热源供热系统负荷调度分配方案。具体流程见图2。
本发明中，所述步骤S1通过下述方式实现：
步骤S1，建立多热源城市供热系统各热源污染物排放模型。
步骤S11，选取气象观测站监测数据中的常规污染物二氧化氮(NO2)、二氧化 硫(SO2)、细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)作为污染物指标；
步骤S12，对该城市的多热源供热系统建立各热源污染物排放模型，热源包 括燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、生物质锅炉、热泵、热电联产机组等。根据 不同热源的能源消耗量及能源对应污染物排放因子计算污染物排放量
Q＝R×δi
上式中，
R：能源消耗量，t；
δi：第i种污染物的排放因子，kg/t。
本发明中，所述步骤S2是通过下述方式实现的：
步骤S2，针对图1中的热网拓扑结构，建立供热网络模型及热源侧负荷约束、 热网输配能力约束和热网解列方程，并确定多热源间的负荷分配可行域或组合关 系范围。
步骤S21，根据图论将图1热网结构图中的各个部件抽象成节点和区段两种 元素，分别对节点、区段和环路进行描述。
步骤S22，用关联矩阵A、B分别表示任意节点与区段间连接关系和任意区段 与基本环路间的从属关系；流量分布、节点净质量流量和区段压降分布分别由向 量G、g、ΔP表示，压降主要由流体流动产生的流动阻力(包括沿程阻力和局部 阻力)引起。根据民用热水的特征，这里忽略高度差产生的重力压降和工质相变 动量变化产生的动力压降。
步骤S23，根据基尔霍夫定律求解热网流动状态，用节点流量守恒方程和基 本环路动量守恒方程描述
AGT＝g，BΔPT＝0
步骤S24，建立热负荷平衡约束、热负荷变化范围约束(包括热电联产机组 抽汽供热能力范围约束)、机组升降负荷速率约束，以保障能源供应的安全性和 稳定性。
步骤S25，建立热网输配能力约束，维持全网各处热水流速在一定范围内， 以保证热网内热水流动满足技术要求，用户端供热参数满足用户要求。首先定义 管网流速偏差系数
Δef＝ΣΔfj
上式中，
Δfj：各区段内热水流速和正常流速的偏差，用下式描述
Figure BDA0002437202860000081
上式中，
kf：流速偏差在供热品质计算中的惩罚系数。
热网输配能力约束描述为热网各处流速偏差不超过规定偏差范围
Δef≤Δef,max
Δfj≤δfi
步骤S26，建立热网解列方案约束，即阀门解列方案的拓扑连通性判断和供 热负荷平衡性判断。如图1的热网结构中，热网的解列通过热源侧和用户侧阀门 的开关调控实现。阀门解列方案的拓扑连通性判断意为排除热源或用户有流量但 进口阀关闭的方案以及节点流量不守恒的方案，即排除某一独立区未实现供热时， 其他热源处连接的支线干线阀门已被关闭的情况；供热负荷平衡性判断意为排除 热网区域内供给负荷小于用热负荷的方案，同时排出网损率过大的方案，具体表 现为关闭部分阀门后使热负荷超过热源供应能力的情况。
步骤S27，根据上述步骤S24～S26中的五种约束，基于供热模型确定多热源 间的负荷分配可行域。
本发明中，所述步骤S3是通过下述方式实现的：
步骤S3，将热源排放模型作为污染物清单中人为源的排放信息输入，以多层 地域模拟气象数据和污染物清单作为边界条件导入CMAQ系统，形成污染物浓 度时空分布结果，对模型进行验证，并分析各热源污染源对研究区域污染物贡献 率。
步骤S31，利用气象模拟应用WRF模型获取多层地域模拟气象数据，所述 的多层地域模拟气象数据包括气温、相对湿度和风速风向等；多层地域模拟气象 数据具有6h时间分辨率和1°×1°空间分辨率。多层地域模拟气象数据通过四维 同化插值到WRF模式网格结点上，模拟本地气象场，并转化为所需网格化气象 资料。
步骤S32，污染源清单中自然源排放数据利用自然源气体及气溶胶排放模型MEGAN估算，土地覆盖数据区域分辨率可达300m；大气质量预估模型的人为 污染源清单采用热源排放模型作为排放信息输入，以量化分析在微气象条件下各 个热源排放对重点区域空气质量的影响；排放源清单采用编写的程序处理转化成 CMAQ模型所需格式。
步骤S33，将污染源清单中的污染源格栅化纳入0.5°×0.5°分辨率的数据库， 将多层地域模拟气象数据和污染源清单作为边界条件输入大气质量预估模型系 统，结合朗伯投影坐标系对重点保障区域内各污染物扩散情况进行时空模拟。大 气质量预估模型采用3层嵌套网格技术：第1层覆盖全中国，坐标系原点北纬 34°,东经116°，网格分辨率36km，网格数173×136；第2层覆盖长江三角洲区 域，坐标系原点北纬30°,东经120°，网格分辨率4km，网格数150×174；第3 层覆盖该城市区域，坐标系原点北纬30°,东经120°，网格分辨率1.6km，网格 数140×95。垂直方向分为14层，模拟高度为100hPa。CMAQ模型采用CB05 和AER06作化学反应和气溶胶机制的模型参数化方案。
最终形成的污染物浓度分布结果涉及时间、空间两个变量，即可模拟规定时 间段内网格点的平均浓度，并用下式表示
Figure BDA0002437202860000091
上式中，
Sm：该城市区域面积；
ρt,i(x,y)：点(x,y)处大气污染物i的质量浓度；
步骤S34，利用气象观测站数据验证模型计算结果，评价指标为分数偏差均 值B和分数误差均值E，当模拟结果B≤±30％，E≤±50％时，认为该大气模型 精确度较高。
Figure BDA0002437202860000092
上式中，
N：模拟次数；
ZS：模拟值；
ZR：观测值。
本发明中，所述步骤(4)是通过下述方式实现的：
步骤S4，依据模糊矩阵理论，结合环境空气质量标准建立空气质量评价模型。
步骤S41，分别用集合C和S描述大气污染物质量和大气环境质量的评价标 准集合，区域地理信息分为不保障区域，一般保障区域和空气质量重点保障区域， 分别用权重系数m1、m2、m3描述其保障的重要程度，m1+m2+3＝1，其中 m1＝0，m2、m3均大于0。重点保障区域为第3层网格，为该城市区域；一般 保障区域为第2层网格除去第3层网格区域，为长江三角洲区域除去该城市区域； 不保障区域为第1层网格除去第2层和第3层网格区域，为全中国区域除去长江 三角洲区域；
步骤S42，依据环境空气质量标准中对大气环境质量的分类，用隶属度函数U 描述环境因素和评价标准之间的模糊关系
Figure BDA0002437202860000101
Figure BDA0002437202860000102
Figure BDA0002437202860000103
上式中，
U1、U2、U3分别代表污染物程度为基本无污染、一般污染和严重污染的概率 值；
S1～S3：大气质量不同等级的限值，为集合S中的元素；
步骤S43，确定评价指标的权重，权重系数用各污染物模拟平均值相对于大 气质量标准限值均值表示；由大气质量预估模型系统得到的污染物扩散模拟结果 具有时空特性，区域污染物浓度模拟值为其所在区域内各网格点模拟值的平均； 则第i个污染物的归一化权重系数pi为
Figure BDA0002437202860000104
上式中，
Pi：第i个污染物的权重值，
Figure BDA0002437202860000105
si：第i个污染物的大气质量标准限值均值，
Figure BDA0002437202860000106
Si,1、Si,2、Si,3分 别为国家大气质量三级标准：基本无污染、一般污染和严重污染的标准限值；
步骤S44，构建区域对象大气污染程度描述函数
Figure BDA0002437202860000107
上式中，
Dj,k：k区域处于三个污染等级的概率值，j取1，2，3，1,k～D3,k中的最大 值对应研究对象的大气质量污染程度；k取1，2，3，分别代表不保障区域、一 般保障区域和重点保障区域；
Si,j：第i个污染物在第j级标准下的限值。
进一步，步骤S5，构建该城市区域内空气质量保障目标函数，在多热源负荷 分配可行域中，采用粒子群优化算法对目标函数求解，获得最优的多热源供热系 统负荷调度分配方案。
步骤S51，根据大气污染物程度描述函数，D1,越大表明重点保障区域越可 能处于基本无污染状态，同时考虑污染程度对应的持续时间δxj(δxj为最大可能 处于的污染程度等级所持续的时间)，污染程度越低，持续时间越长，该区域的 空气质量越高；
由此构建重点保障区域内空气质量保障目标函数，优化变量为各热源负荷
maxF＝max{D1,3×δx1+D1,2×δx1}。
步骤S52，采用粒子群算法对目标函数进行求解，获得最优的多热源供热系 统负荷调度分配方案。首先将可行域内的负荷调度方案组合为d维粒子，初始化 惯性因子、加速因子参数和调度方案的速度向量，设置迭代次数。将每个方案的 个体历史最优位置设置为当前方案的位置，计算所有调度方案的最优位置。
步骤S53，将本次全局最优与历史全局最优比较，完成更新。速度vid和位置 xid更新公式为 vid＝wvid+c1r1(Pid-xid)+c2r2(Pgd-xid)
xid＝xid+vid
上式中，
w：惯性因子；
c1、c2：加速因子；
r1、r2：0～1上的随机数；
Pid：第i个变量的个体极值的第d维；
Pgd：全局最优解的第d维。
步骤S54，达到设定迭代次数时计算终止，输出结果；否则返回步骤S53继 续搜索。由输出结果获得最优的多热源供热系统负荷调度分配方案。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，选取合适的污染物指标体系，建立多热源城市供热系统各热源污染物排放模型；
步骤S2，建立供热网络模型及热源侧负荷约束、热网输配能力约束和热网解列模型，并确定多热源间的负荷分配可行域或组合关系范围；
步骤S3，以多层地域模拟气象数据和污染源清单作为边界条件导入大气质量预估模型系统，生成污染物浓度时空分布，对模型进行验证；所述的污染源清单包括人为源和自然源；
步骤S4，建立城市范围内大气质量评价体系；
步骤S5，构建重点保障区域内空气质量保障目标函数，对目标函数求解以获得最优多热源供热系统负荷调度分配方案。
2.根据权利要求1所述的基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11，选取气象观测站监测数据中的常规污染物二氧化氮、二氧化硫、细颗粒物PM2.5和可吸入颗粒物PM10作为污染物指标；
步骤S12，建立热源污染物排放模型，根据不同热源的能源消耗量及能源对应污染物排放因子计算污染物排放量
Q＝R×δi
上式中，
R：能源消耗量，t；
δi：第i种污染物的排放因子，kg/t。
3.根据权利要求1所述的基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21，将热网结构图中的各个部件抽象成节点和区段两种元素，分别对节点、区段和环路进行描述；
步骤S22，用关联矩阵A、B分别表示任意节点与区段间连接关系和任意区段与基本环路间的从属关系；流量分布、节点净质量流量和区段压降分布分别由向量G、g、ΔP表示，压降由流体流动产生的流动阻力引起，所述的流动阻力包括沿程阻力和局部阻力；
步骤S23，根据基尔霍夫定律求解热网流动状态，用节点流量守恒方程和基本环路动量守恒方程描述
AGT＝g,BΔPT＝0
步骤S24，建立热负荷平衡约束、热负荷变化范围约束、机组升降负荷速率约束，以保障能源供应的安全性和稳定性；
步骤S25，建立热网输配能力约束，以保证热网内热水流动满足技术要求，用户端供热参数满足用户要求；首先定义管网流速偏差系数
Δef＝ΣΔfj
上式中，
Δfj：各区段内热水流速和正常流速的偏差，用下式描述
Figure FDA0002437202850000021
上式中，
kf：流速偏差在供热品质计算中的惩罚系数；
热网输配能力约束描述为热网各处流速偏差不超过规定偏差范围
Δef≤Δef,max
Δfj≤δfi
步骤S26，建立热网解列方案约束，即阀门解列方案的拓扑连通性判断和供热负荷平衡性判断；所述的阀门解列方案的拓扑连通性判断为排除热源或用户有流量但进口阀关闭的方案以及节点流量不守恒的方案；所述的阀门解列方案的供热负荷平衡性判断为排除热网区域内供给负荷小于用热负荷的方案，同时排除网损率过大的方案；
步骤S27，根据上述步骤S24～S26中的五种约束，基于供热模型确定多热源间的负荷分配可行域。
4.根据权利要求1所述的基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31，利用气象模拟应用WRF模型获取多层地域模拟气象数据，所述的多层地域模拟气象数据具有6h时间分辨率和1°×1°空间分辨率，数据通过四维同化插值到WRF模式网格结点上，模拟本地气象场，并转化为所需网格化气象资料；
步骤S32，利用自然源气体及气溶胶排放模型MEGAN估算污染源清单中自然源排放数据；将热源排放模型作为污染源清单中人为源的排放信息输入，以量化分析在微气象条件下各个热源排放对重点区域空气质量的影响；
步骤S33，将污染物清单中的污染源格栅化纳入0.5°×0.5°分辨率的数据库，将多层地域模拟气象数据和污染物清单作为边界条件输入大气质量预估模型，结合朗伯投影坐标系对重点保障区域内各污染物扩散情况进行时空模拟；所述的大气质量预估模型采用3层嵌套网格技术：第1层覆盖全中国；第2层覆盖重点保障区域所属地域，分为东北、华北、西北、华中、华东、华南；第3层覆盖重点保障区域；
最终形成的污染物浓度分布结果涉及时间、空间两个变量，即可模拟规定时间段内网格点的平均浓度，并用下式表示
Figure FDA0002437202850000022
上式中，
Sm：模拟区域面积，即重点保障区域面积；
ρt,i(x,y)：点(x,y)处大气污染物i的质量浓度；
步骤S34，利用气象观测站数据验证模型计算结果，评价指标为分数偏差均值B和分数误差均值E，当模拟结果B≤±30％，E≤±50％时，认为该大气模型精确度较高；
Figure FDA0002437202850000031
上式中，
N：模拟次数；
ZS：模拟值；
ZR：观测值。
5.根据权利要求4所述的基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S41，分别用集合C和S描述大气污染物质量和大气环境质量的评价标准集合，区域地理信息分为不保障区域，一般保障区域和空气质量重点保障区域，分别用权重系数m1、m2、m3描述其保障的重要程度，m1+m2+m3＝1，其中m1＝0，m2、m3均大于0；重点保障区域为第3层网格，一般保障区域为第2层网格除去第3层网格区域，不保障区域为第1层网格除去第2层和第3层网格区域；
步骤S42，依据环境空气质量标准中对大气环境质量的分类，用隶属度函数U描述环境因素和评价标准之间的模糊关系
Figure FDA0002437202850000032
Figure FDA0002437202850000033
Figure FDA0002437202850000034
上式中，
U1、U2、U3分别代表污染物程度为基本无污染、一般污染和严重污染的概率值；
S1～S3：大气质量不同等级的限值，为集合S中的元素；
步骤S43，确定评价指标的权重，权重系数用各污染物模拟平均值相对于大气质量标准限值均值表示；由大气质量预估模型系统得到的污染物扩散模拟结果具有时空特性，区域污染物浓度模拟值为其所在区域内各网格点模拟值的平均；则第i个污染物的归一化权重系数pi为
Figure FDA0002437202850000041
上式中，
Pi：第i个污染物的权重值，
Figure FDA0002437202850000042
si：第i个污染物的大气质量标准限值均值，
Figure FDA0002437202850000043
Si,1、Si,2、Si,3分别为国家大气质量三级标准：基本无污染、一般污染和严重污染的标准限值；
步骤S44，构建区域对象大气污染程度描述函数
Figure FDA0002437202850000044
上式中，
Dj,k：k区域处于三个污染等级的概率值，j取1，2，3，D1,k～D3,k中的最大值对应研究对象的大气质量污染程度；k取1，2，3，分别代表不保障区域、一般保障区域和重点保障区域；
Si,j：第i个污染物在第j级标准下的限值；
mk为权重系数。
6.根据权利要求1所述的基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于：
步骤S5中构建重点保障区域内空气质量保障目标函数为
根据大气污染物程度描述函数，D1,3越大表明重点保障区域越可能处于基本无污染状态，同时考虑污染程度对应的持续时间δxj，污染程度越低，持续时间越长，该区域的空气质量越高；
由此构建重点保障区域内空气质量保障目标函数，优化变量为各热源负荷
maxF＝max{D1,3×δx1+D1,2×δx1}
对上述目标函数求解，通过在线执行多方案比较，实现在特定时期内保障重点区域大气质量达到标准，获得最优多热源供热系统负荷调度分配方案。
7.一种基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热负荷调度系统，其特征在于：包括热源污染物排放模型模块、供热网络模型模块、热源模型约束条件模块、大气质量预估模型模块、预测模型边界条件模块、大气质量评价模型模块、多方案分析对比模块；
将上述模块分别进行模块封装，建立数据传输通道，以便大气质量评价模型模块和多方案分析对比模块及时提取处理热源污染物排放模型模块、供热网络模型模块、热源模型约束条件模块、大气质量预估模型模块及预测模型边界条件模块的数据，从而解算决策得到多热源供热负荷调度方案；
所述的热源污染物排放模型模块选取二氧化氮、二氧化硫、细颗粒物和可吸入颗粒物作为污染物指标，并基于排放因子建立热源污染物排放模型；
所述的供热网络模型模块基于图论和基尔霍夫定律，考虑管道内部压降，建立和求解描述热网拓扑结构的数学模型；所述的管道内部压降包括流动压降、重力压降和动力压降；
所述的热源模型约束条件模块建立热源侧负荷约束，热网输配能力约束和热网解列方案条件约束；所述的热源侧负荷约束包括热负荷平衡约束、热负荷变化范围约束、机组升降负荷速率约束；
所述的大气质量预估模型模块以气象模拟和污染源清单为边界条件输入大气质量预估模型系统，形成污染物浓度时空分布结果，并利用气象站数据验证模型；
所述的预测模型边界条件模块中气象模拟数据利用WRF模型获取包括气温、相对湿度和风速风向；污染物清单中人为源排放信息为热源排放模型，自然源排放数据利用自然源气体及气溶胶排放模型MEGAN估算；
所述的大气质量评价模型模块依据模糊矩阵理论，结合环境空气质量标准等级划分为基本无污染、一般污染和重度污染，建立城市范围内空气质量评价模型；
所述的多方案分析对比模块考虑大气污染程度及持续时间，兼顾时空二元因素，建立优化大气质量目标函数，通过计算各个方案的目标函数，获得多热源供热系统负荷调度分配方案，实现重点区域特定时期空气质量的保障。
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