CN113757788A - 一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法及系统 - Google Patents

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CN113757788A CN202111082009.8A CN202111082009A CN113757788A CN 113757788 A CN113757788 A CN 113757788A CN 202111082009 A CN202111082009 A CN 202111082009A CN 113757788 A CN113757788 A CN 113757788A
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Abstract

本发明提供了一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，其包括以下步骤，S1：对各供暖热用户的室内温度、供水温度、回水温度和室外温度的数据进行收集和处理；S2：对各供暖热用户进行房间综合物性系数BC值的计算；S3:对BC值进行聚类分析；S4：对各供暖热用户进行物理位置分类；S5：通过多元线性回归对分类后的各类型供暖热用户房间进行动态周期回水温度目标值预测，通过多元线性回归建立周期回水温度目标值预测模型；S6：计算不同类型用户回水温度修正系数，对回水温度预测目标值进行修正；S7：热力站循环泵根据二级管网的平衡压差进行联动调控。本发明可有效改善热用户热力与水力失调问题，满足不同位置各用户供暖需求。

Description

一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法及系统
技术领域
本发明属于供热调节领域，具体涉及一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法及系统。
背景技术
集中供热系统的供热网络在运行过程中经常出现水力或热力失衡的现象，特别是二级管网系统普遍存在水力、热力失调现象，使处于不同位置的热用户室温差别很大。为实现节约能源及满足不同位置供暖热用户的供暖需求，需要对供热系统进行动态调控。随着智慧供热的发展，一级管网的智能调控已经能够解决各热力站之间的失调，而二级管网存在水力热力失调则限制了热力站的进一步节能运行。当前对于二次网的调控，经常采用“大流量，小温差”的调节来解决水力及热力失调，但这种调控方法有很大的局限性，首先大流量需要相应的大功率水泵，增加了初投资和电耗；其次大流量会使总供热量增大，但热用户获得的热量大小不一，无法满足不同位置热用户的供暖需求。中国专利201810445773.9公开了一种供热管网调控方法，中国专利201710978069.5公开了一种热网平衡调控系统，都无法满足不同位置热用户的供暖需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法及系统，可有效改善热用户热力与水力失调问题，满足不同位置各用户供暖需求。
本发明采用的技术方案是：本发明提供了一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，具体调控包括以下步骤,
S1.对各供暖热用户数据处理后进行房间综合物性系数BC值的计算；
S2.对各供暖热用户的BC值聚类后进行物理位置分类；
S3.通过多元线性回归对分类后的各类型供暖热用户房间进行动态周期回水温度目标值预测。
S4.计算各类型回水温度修正系数，对回水温度预测目标值进行修正；
S5.热力站循环泵根据二级管网的平衡压差进行联动调控。
进一步地，S1中，为了准确求解所述房间综合物性系数BC值，用下式(a)进行计算，可得出各供暖热用户的房间综合物性系数值；
Figure BDA0003264327330000021
进一步地，S2中，按照各供暖热用户其所在建筑物内的位置分为三类，分别是边角户、边户和中间用户；所述边角户为位于建筑物顶边两端和底边两端的用户，所述边户为位于建筑物顶边、底边和侧边且除去边角户的用户，所述中间用户为除去边角户和边户剩余的用户。
进一步地，S2中，结合各热用户供暖情况分类后，物理位置分类结果包括以下14类：边角户左右不供、边角户上不供、边角户下不供、边角户上下不供、边户左右不供、边户上不供、边户下不供、边户上下不供、中间用户全供、中间用户左右不供、中间用户上不供、中间用户下不供、中间用户上下不供、孤岛用户。进一步地，S3中，对回水温度影响因素
Figure BDA0003264327330000022
做相关性分析，采用皮尔逊相关系数法获取与回水温度相关性最强的因素作为预测回水温度的影响因素，具体预测回水温度模型表达式如下：
Figure BDA0003264327330000023
其中，α为室内温度系数；β为室外温度系数；t0为未供暖时回水温度；
Figure BDA0003264327330000024
为第j周期室内温度值；
Figure BDA0003264327330000025
为第j周期室外温度值。
进一步地，S4中，各供暖热用户修正后的回水温度值为：
Figure BDA0003264327330000026
其中，
Figure BDA0003264327330000027
为第k类热用户第j调控周期的回水温度修正值；
Figure BDA0003264327330000028
为k类热用户第j调控周期的回水温度预测值的平均值；λkj为第k类热用户的第j调控周期的修正系数值；
进一步地，，S5中，具体的调控方法为，调控过程中智能调节阀采集实际的周期回水温度
Figure BDA0003264327330000031
与修正后的预测周期回水温度
Figure BDA0003264327330000032
进行比较，如未达到修正预测周期回水温度
Figure BDA0003264327330000033
调整用于进行回水温度调控的智能调节阀以修正预测周期回水温度
Figure BDA0003264327330000034
为目标值进行调控，再根据设定的二次管网循环泵的压差，采用定压差变频控制，阀门开度变化时，智能阀会将变化后的压差传送至上位机平台，上位机平台中的控制原件会将上传的压差与预设定的压差进行比较，从而向热力站发出指令来控制电动机频率及水泵的转速，使循环水泵变频运行。当实际压差大于设定压差时，降低水泵频率，当小于设定压差时，提高水泵频率，使压差始终稳定至设定值附近，实现水力调控；根据目标室内温度与实际室内温度的比较反馈至上位机平台，以此来指挥热力站一次侧电调阀工作保证二次网供水温度，实现按需调节，从而实现联动调控。
本发明还提供了一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控系统，其包括设置在各供暖热用户室内的室温采集装置，用于采集各供暖热用户室温；回水温度传感器，用于采集各用户回水温度；进行回水温度调控的智能调节阀；与所述智能调节阀通讯连接的数据采集集中器；与所述数据采集集中器数据通讯连接的上位机平台；所述室温采集装置和智能调节阀将采集和收集的数据传送到数据采集集中器，数据采集集中器经无线网络把数据传送到上位机平台，结合采集的热力站二级管网的供水温度，上位机平台通过内部处理器计算各房间综合物性系数及修正的周期回水温度，将周期回水温度信号发送给数据采集集中器，采集集中器会传递信号给智能调节阀，指挥智能调节阀增大或减小阀门开度来达到调控回水温度的目的。
本发明的有益效果是：
本发明通过计算各典型热用户房间综合物性系数BC值，精准辨识分类出各供暖热用户所属类型，建立各类型用户的回水温度预测模型，对各类型供暖热用户预测回水温度修正后进行二网在线动态智能平衡调节，同时与热力站的水力热力进行联动调控，可实现站荷精细化调控。
采用本发明方法调控后可有效改善热用户热力与水力失调问题，满足不同位置各用户供暖需求。
附图说明
图1本发明实施例供暖热用户物理位置分布示意图；
图2本发明调控系统原理图。
具体实施方式
为了能更清楚地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例
本实施例提供了一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，其包括以下步骤，
对各供暖热用户的室内温度、供水温度、回水温度和室外温度的数据进行收集和处理。
所述处理过程为通过拉伊达准则、箱型图和三次样条插值对所述数据进行异常数据的处理和数据补充。
S1：对各供暖热用户进行房间综合物性系数BC值的计算。
具体过程如下：当房间供暖方式不同，房间位置不同，周期供暖状态不同，则该房间综合物性系数应不同。具体计算公式与方法如下：
在房间供暖系统连续稳定运行时，第i调控周期内存在式(1)关系：
Figure BDA0003264327330000041
其中，
Figure BDA0003264327330000042
为第i调控周期内室内温度，℃；Kw为围护结构传热系数，W/(m2·℃)；Fw为围护结构的散热面积，m2；Ks为散热设备传热系数，W/(m2·℃)；Fs为散热设备散热面积，m2；
Figure BDA0003264327330000043
为建筑供热系统第i调控周期供水温度，℃；
Figure BDA0003264327330000044
为建筑供热系统第i调控周期回水温度，℃；
Figure BDA0003264327330000045
为第i调控周期室外空气温度，℃；
当第i周期供热量不变时则式(2)可积分简化为：
Figure BDA0003264327330000046
公式中参数参见公式(1)。
已经运行的供暖建筑各用户
Figure BDA0003264327330000051
可看做常数，可称之为房间综合物性系数(BC值)，为了准确求解该值，用式(a)进行计算。可得出各热用户的房间综合物性系数值。
Figure BDA0003264327330000052
S2：对各供暖热用户的BC值聚类后进行物理位置分类。
对BC值进行聚类分析。
采用K-Means聚类算法进行聚类分析，具体说明如下：
根据BC值计算方法可知，相似的供暖热用户其BC值应接近。因此，对BC值进行聚类分析，把BC值相似的热用户辨识为一类，采用K-Means聚类算法，具体方法为，通过计算确定最佳聚类数K＝n，从m个供暖数据对象任意选择n个对象作为初始聚类中心，根据每个聚类对象的均值(中心对象)，计算每个对象与这些中心对象的距离；并根据最小距离重新对相应对象进行划分分类，重新计算每聚类的均值直到每个聚类不再发生变化为止。
根据热用户的不同物理位置、周围用户供暖情况对各供暖热用户进行物理位置分类，按照各供暖热用户在其所在建筑物内的位置分为三类，分别是边角户、边户和中间用户；所述边角户为位于建筑物顶边两端和底边两端的用户，所述边户为位于建筑物顶边、底边和侧边且除去边角户的用户，所述中间用户为除去边角户和边户剩余的用户。
结合图1对供暖热用户物理位置分类进行说明。
图中有9个用户，按顺序1-9表示，按物理位置分为3类：1、3、7和9定义为边角户；2、4、6和8定义为边户，5定义为中间用户。再根据用户具体供暖情况分类：边角户类型中可分为边角户左不供(2、8用户不供暖，其余该位置周围用户正常供暖，3、9用户即为边角户左不供)、边角户右不供(2、8用户不供暖，其余该位置周围用户正常供暖，1、7用户即为边角户右不供)、边角户上不供(4、6用户不供暖，其余该位置周围用户正常供暖，7、9用户即为边角户上不供)、边角户下不供(4、6用户不供暖，其余该位置周围用户正常供暖，1、3用户即为边角户下不供)、边角户全不供(2、4、5用户不供暖，1用户即为边角户全不供)，共计5类。边户类型中，除拥有上述边角户5种供暖情况外，多出一种分类，为边户上下不供(1、7不供，4用户即为边户上下不供)，共计6类。中间用户除拥有上述6类外，多出一种左右不供类型(4、6不供，5即为左右不供)，共计7类。
在此基础上进行整理划分，由于热用户左和右不供效果相近，把左不供及右不供统归为左右不供一类，上和下不供造成的影响不同，不能归为同一类。由于建筑材料的保温性能较好，边角户与边户的左右外围护结构边界可视作正常供暖边界，而上下围护结构边界视作上或下不供。再有，某一热用户其周围用户全不供的情况，把这类热用户统称为孤岛用户。按照以上划分，最终可把边角户分为5类：边角户左右不供、边角户上不供、边角户下不供、边角户上下不供、孤岛用户；边户分为6类：边户全供、边户左右不供、边户上不供、边户下不供、边户上下不供、孤岛用户；中间用户6类：中间用户全供、中间用户左右不供、中间用户上不供、中间用户下不供、中间用户上下不供、孤岛用户。其中，边户全供情况与中间用户全供情况相同，归为中间用户全供一类。
根据热用户物理位置及周围用户供暖情况最终分为：边角户左右不供、边角户上不供、边角户下不供、边角户上下不供、边户左右不供、边户上不供、边户下不供、边户上下不供、中间用户全供、中间用户左右不供、中间用户上不供、中间用户下不供、中间用户上下不供、孤岛用户，共计14类。
结合K-Means聚类辨识后的BC值分类计算各BC类型中各个热用户物理位置及供暖情况分类的占比情况，把其中占比最大的物理位置及周围用户供暖情况类型作为此类BC值热用户的类型。把BC值和物理位置不能对应的用户进一步定义为补充类型。为更好理解本发明中所述物理位置的分类辩识，假定，本发明中，聚类结果为6类，第一类中共有21个热用户，其中，中间用户全供的热用户有12个，边角户上不供的2个，边户上不供的3个，边角户下不供的1个，中间用户上下供的1个，边角户上下不供的1个，中间用户左右不供的1个，计算各物理位置占比分别为0.56、0.14、0.10、0.05、0.05、0.05、0.05，物理位置占比最大的为中间用户全供类型，将这一类型作为第一类的类型。
S3.通过多元线性回归对分类后的步骤S2分类出的各类型供暖热用户房间进行动态周期回水温度目标值预测，通过多元线性回归建立周期回水温度目标值预测模型，其回归模型表达式如下式：
Figure BDA0003264327330000071
其中，
Figure BDA0003264327330000072
为第i-1调控周期室内温度，
Figure BDA0003264327330000073
为第i-1调控周期内室外温度；
Figure BDA0003264327330000074
为第i调控个周期回水温度预测目标值。
对回水温度影响因素
Figure BDA0003264327330000075
做相关性分析，采用皮尔逊相关系数法来找出与回水温度相关性最强的因素作为预测回水温度的影响因素，具体预测回水温度模型表达式如下：
Figure BDA0003264327330000076
其中，α为室内温度系数；β为室外温度系数；t0为未供暖时回水温度；
Figure BDA0003264327330000077
为第j周期室内温度值；
Figure BDA0003264327330000078
为第j周期室外温度值。
S4：计算各类型回水温度修正系数，对各类型供暖热用户进行周期回水温度目标值的动态修正。计算修正系数，对回水温度预测目标值进行修正。
修正系数具体计算公式为：
当二网智能平衡上位机系统没有对接热力站回水温度时，采用热用户平均回水温度对各不同类型热用户回水温度修正系数进行计算，具体见公式(4)所示：
Figure BDA0003264327330000079
当二网智能平衡上位机系统对接热力站回水温度时，采用热力站采集的总回水温度对各不同类型热用户回水温度修正系数进行计算，具体见公式(5)所示：
Figure BDA00032643273300000710
其中，
Figure BDA00032643273300000711
为第k类热用户第j周期的回水温度预测值；λkj为第k类热用户的第j调控周期的修正系数值；
Figure BDA0003264327330000081
为k类热用户第j调控周期的回水温度预测值的平均值；Sk为第k类热用户房间面积，n为房间的总类型数。
得到各热用户修正后的回水温度值为：
Figure BDA0003264327330000082
S5：结合热力站进行水力热力联动调控，热力站循环泵根据二级管网的平衡压差进行联动调控。
具体方法为：调控过程中按照修正的预测回水温度
Figure BDA0003264327330000083
进行调控，调控过程中智能调节阀采集实际的周期回水温度
Figure BDA0003264327330000084
与修正后的预测周期回水温度
Figure BDA0003264327330000085
进行比较，如未达到修正预测周期回水温度
Figure BDA0003264327330000086
调整智能调节阀以修正预测周期回水温度
Figure BDA0003264327330000087
为目标值进行调控。
具体的调控方法为，得出各用户周期的预测回水温度
Figure BDA0003264327330000088
后，考虑到热用户实际供暖面积及供暖需求，对得出的k类热用户周期预测回水温度进行修正，得到修正后的各类型周期的预测回水温度
Figure BDA0003264327330000089
调控过程中智能调节阀采集实际的周期回水温度
Figure BDA00032643273300000810
与修正后的预测周期回水温度
Figure BDA00032643273300000811
进行比较，如未达到修正预测周期回水温度
Figure BDA00032643273300000812
上位机平台发送相应指令指导智能调节阀以修正预测周期回水温度
Figure BDA00032643273300000813
为目标值进行调控。每个周期进行如上步骤计算和调控，实现二级管网在线动态智能调控。以小区末端用户的阀门开度(阀权度)作为重要参考依据，设定二次管网循环泵的压差，采用定压差控制。阀门开度变化时，热力站控制器将二级管网的压差传送至上位机平台，上位机平台中的控制原件会将上传的压差与预设定的压差进行比较，从而向热力站发出指令来控制电动机频率及水泵的转速，使循环水泵变频运行。当实际压差大于设定压差时，降低水泵频率，当小于设定压差时，提高水泵频率，使压差始终稳定至设定值附近，实现水力调控；根据目标室内温度与实际室内温度的比较反馈至上位机平台，以此来指挥热力站一级管网电调阀工作保证二次网供水温度，实现按需调节。
本发明提供了一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，其包括基于数据驱动计算出各典型房间综合物性系数(BC值)，采用K-Means对BC值进行了辨识，结合供暖热用户不同的位置及辨识出BC值类型进行供暖热用户类型的分类，对各类型热用户进行周期回水温度目标值的预测及修正，同时热力站循环泵根据二级管网平衡压差进行联动调控。
如图2所示，本发明还提供了一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控系统，其包括设置在各供暖热用户室内的室温采集装置，用于采集各供暖热用户室温；回水温度传感器，用于采集各用户回水温度；进行回水温度调控的智能调节阀；与所述智能调节阀通讯连接的数据采集集中器；与所述数据采集集中器数据通讯连接的上位机平台。所述智能调节阀安装在各热用户的回水管出口处，同时智能阀带回水温度传感器探头。所述室温采集装置安装位置为客厅或卧室的内墙处。
用户侧的室温采集装置和智能调节阀收集供暖热用户的周期室温
Figure BDA0003264327330000091
及周期回水温度
Figure BDA0003264327330000092
数据以及智能阀的状态参数，并将数据传送到数据采集集中器，数据采集集中器经无线网络把数据传送到上位机平台，结合热力站采集的二级管网的供水温度，上位机平台通过内部处理器计算各房间综合物性系数及修正的周期回水温度，将周期回水温度信号发送给数据采集集中器，采集集中器会传递信号给智能调节阀，指挥智能调节阀增大或减小阀门开度，以此来调整热用户的周期回水温度，使之达到周期回水温度的修正目标值，智能调节阀的具体调节方法为，实际回水温度t2h大于设定的修正回水温度预测值，内置程序发出减小阀位的指令传送至阀位控制器，阀位控制器减小智能阀一个阀位来降低智能调节阀开度，使流量变小，回水温度逐渐降至目标值时，停止操作；若实际回水温度小于设定值，内置程序发出增大阀位的指令传送至阀位控制器，阀位控制器增大智能阀一个阀位来增加智能阀开度，使流量变大，回水温度逐渐降至指定值时，停止操作；热力站根据二级管网的平衡压差改变循环水泵的运行频率以及室内温度的反馈指挥热力站一级管网的电调阀进行水力热力联动调控。
综上，本发明提供了一种基于物联网技术形成二网智能平衡系统，并将热用户数据实时上传至上位机平台；利用热用户供暖数据计算典型热用户的房间综合物性系数BC值，采用K-Means对BC值进行辨识，进一步地结合供暖热用户不同位置及辨识出的BC值进行供暖热用户类型的分类，对分类出的各类型热用户进行周期回水温度目标值的预测，对每个类型热用户的周期目标回水温度进行动态修正，实现二网系统定周期定步长动态智能调控，同时热力站根据二级管网的平衡压差及室温的反馈进行水力热力联动调控，最终形成一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控系统及方法。本发明可以对供暖热用户进行精细化动态调控。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (8)

1.一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，其特征在于，具体调控包括以下步骤，
S1.对各供暖热用户数据处理后进行房间综合物性系数BC值的计算；
S2.对各供暖热用户的BC值聚类后进行物理位置分类；
S3.通过多元线性回归对分类后的各类型供暖热用户房间进行动态周期回水温度目标值预测；
S4.计算各类型回水温度修正系数，对回水温度预测目标值进行修正；
S5.热力站循环泵根据二级管网的平衡压差进行联动调控。
2.根据权利要求1所述的一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，其特征在于，S1中，为了准确求解所述房间综合物性系数BC值，用下式(a)进行计算，可得出各供暖热用户的房间综合物性系数值；
Figure FDA0003264327320000011
3.根据权利要求1所述的一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，其特征在于，S2中，按照各供暖热用户其所在建筑物内的位置分为三类，分别是边角户、边户和中间用户；所述边角户为位于建筑物顶边两端和底边两端的用户，所述边户为位于建筑物顶边、底边和侧边且除去边角户的用户，所述中间用户为除去边角户和边户剩余的用户。
4.根据权利要求5所述的一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，其特征在于，S2中，结合各热用户供暖情况分类后，物理位置分类结果包括以下14类：边角户左右不供、边角户上不供、边角户下不供、边角户上下不供、边户左右不供、边户上不供、边户下不供、边户上下不供、中间用户全供、中间用户左右不供、中间用户上不供、中间用户下不供、中间用户上下不供、孤岛用户。
5.根据权利要求1所述的一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，其特征在于，S3中，对回水温度影响因素
Figure FDA0003264327320000012
做相关性分析，采用皮尔逊相关系数法获取与回水温度相关性最强的因素作为预测回水温度的影响因素，具体预测回水温度模型表达式如下：
Figure FDA0003264327320000021
其中，α为室内温度系数；β为室外温度系数；t0为未供暖时回水温度；
Figure FDA0003264327320000022
为第j周期室内温度值；
Figure FDA0003264327320000023
为第j周期室外温度值。
6.根据权利要求1所述的一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，其特征在于，S4中，各供暖热用户修正后的回水温度值为：
Figure FDA0003264327320000024
其中，
Figure FDA0003264327320000025
为第k类热用户第j调控周期的回水温度修正值；
Figure FDA0003264327320000026
为k类热用户第j调控周期的回水温度预测值的平均值；λkj为第k类热用户的第j调控周期的修正系数值。
7.根据权利要求6所述的一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控方法，其特征在于，S5中，具体的调控方法为，调控过程中智能调节阀采集实际的周期回水温度
Figure FDA0003264327320000027
与修正后的预测周期回水温度
Figure FDA0003264327320000028
进行比较，如未达到修正预测周期回水温度
Figure FDA0003264327320000029
调整用于进行回水温度调控的智能调节阀，以修正预测周期回水温度
Figure FDA00032643273200000210
为目标值进行调控，再根据设定的二次管网循环泵的压差，采用定压差变频控制，阀门开度变化时，智能阀会将变化后的压差传送至上位机平台，上位机平台中的控制原件会将上传的压差与预设定的压差进行比较，从而向热力站发出指令来控制电动机频率及水泵的转速，使循环水泵变频运行；当实际压差大于设定压差时，降低水泵频率，当小于设定压差时，提高水泵频率，使压差始终稳定至设定值附近，实现水力调控；根据目标室内温度与实际室内温度的比较反馈至上位机平台，以此来指挥热力站一次侧电调阀工作保证二次网供水温度，实现按需调节，从而实现联动调控。
8.一种站荷联动的二网平衡在线动态智能调控系统，其特征在于，其包括设置在各供暖热用户室内的室温采集装置，用于采集各供暖热用户室温；回水温度传感器，用于采集各用户回水温度；进行回水温度调控的智能调节阀；与所述智能调节阀通讯连接的数据采集集中器；与所述数据采集集中器数据通讯连接的上位机平台；所述室温采集装置和智能调节阀将采集和收集的数据传送到数据采集集中器，数据采集集中器经无线网络把数据传送到上位机平台，结合采集的热力站二级管网的供水温度，上位机平台通过内部处理器计算各房间综合物性系数及修正的周期回水温度，将周期回水温度信号发送给数据采集集中器，采集集中器会传递信号给智能调节阀，指挥智能调节阀增大或减小阀门开度来达到调控回水温度的目的。
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