CN114893822A - 多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法，包括：绘制管网图，管段流量初始分配，计算管段阻抗；输入初始数据，包括管网的基本关联矩阵和回路矩阵，管道阻抗，节点流量，管段流量；计算管网中各个管段的流量，计算管网供回水节点压力；计算种群中每个个体对应的换热站压力和流量，确定换热站变频泵的最小扬程，计算每个个体的适应度函数管网总泵功；对个体选择操作、确定交叉概率、变异概率并进行种群的交叉变异操作，产生新一代群体，对管网中热源流量分配组合迭代更新；当管网总泵功满足精度要求或迭代数达到最大迭代步数，输出最优值。本发明可在多热源环状分布式变频泵供热系统运行过程中实现最佳热源流量分配。

Description

多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法

技术领域

本发明涉及供热系统水力优化技术领域，特别是涉及一种基于遗传算法的多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法。

背景技术

传统集中供热系统中，通常仅在热源处设有一组循环水泵，根据管网流量、最不利热用户所需的资用压头来确定循环水泵的流量及扬程等参数。传统系统形式通常造成近端用户的资用压头大于其需用压头，各个用户处设置的电动调节阀以节流方式消耗掉了剩余压头，导致供热系统近端热用户压差过大，引起循环泵能耗较大。各用户通过调节阀门消耗多余的资用压头的水力平衡、流量调节的方法，必然会在运行中产生过多无效电耗，带来能量无谓浪费。由于传统供热输配系统中这种调节方式的弊端，使得如何降低供热系统运行能耗与研究系统循环水泵的设置方式及合理的运行调节方式，在提高供热输配系统的运行效率中的作用就显得尤为重要。

分布式变频泵供热系统就是在热力站或用户处用变频调速水泵来代替阀门调节，热源循环水泵仅用以克服热源及部分主干管的阻力损失，各个用户处的变频循环泵通过变频装置实现变流量调节，既可以完成热网中热媒输送分配，又可为热用户提供必要的资用压头，根据不同供热系统的实际情况选择合适的分布式变频泵系统。

多热源环状供热管网相对于单热源供热管网有更高的供热稳定性和可靠性，但管网结构复杂，使其流量和流向发生变化，因此多热源环状供热管网的水力特性分析更为复杂。将多热源环状管网的输配形式由传统一个热源循环泵变为末端热力站设置分布式变频泵，将大幅节省热网的输配能耗。

为了充分发挥多热源环状分布式变频泵供热系统的节能潜力，需设计合理的运行调节策略，在各个末端换热站负荷变化时，对各热力站的分布式变频泵进行精准、快速的变频调节。然而，由于供热管网水力优化是一个复杂的非线性问题，因此，如何进行环状分布式变频泵供热系统的运行有效调节，成为要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于遗传算法的多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法，包括：

S1.绘制管网图，统计各个管段长度，初步拟定各个管段的流向，进行管段流量初始分配，初定管径，计算管段阻抗；

S2.输入初始数据，包括管网的基本关联矩阵和回路矩阵，管道阻抗，节点流量，管段流量；

S3.根据管网的节点流量平衡方程和回路压力平衡方程并通过基本回路分析法求解管网水力模型，计算管网中各个管段的流量，计算管网供回水节点压力；

S4.随机构造初始群体，计算种群中每个个体对应的换热站压力和流量，满足最低节点压力的情况下，确定换热站变频泵的最小扬程，计算每个个体的适应度函数管网总泵功；

S5.根据每个个体适应度函数管网总泵功优选，对个体进行选择操作、确定交叉概率、变异概率并进行种群的交叉变异操作，产生新一代群体，对管网中热源流量分配组合进行迭代更新；

S6.判断管网总泵功的计算结果是否满足精度要求或者优化迭代数是否达到最大迭代步数，若满足算法停止准则，则结束计算并输出最优值和\或最优解；否则返回S3。

本发明可以在多热源环状分布式变频泵供热系统运行过程中实现最佳热源流量分配，多热源环状管网有成百上千个管段和热力站，在满足整个热网每个换热站热量流量需求的条件下，进行多热源环状管网的量调节时，通过对多个热源流量的合理分配，同时在运行调节时，对各个换热站的循环泵频率进行优化计算，使管网所有水泵的总功耗达到最小，最大限度地降低管网运行费用。

附图说明

图1是本发明的城市多热源环状管网示意图的示意图。

图2为多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

生物的进化过程是“物竞天择，适者生存”的自然选择过程，遵循基因遗传机制，即通过染色体之间的交叉和染色体的变异来完成的。遗传算法是在此基础上提出的并行随机优化算法，遗传算法中最优解的搜索过程也是模仿生物的进化过程，因此，遗传算法适合依托计算机技术求解多热源环状供热管网水力优化这类复杂的非线性问题。

本发明借助图论的有关概念和方法，将管网的管段和节点之间的关系用矩阵来表示，使供热管网的水力特性和流动规律的描述更加直观和方便，特别是便于利用计算机进行管网的计算分析。

基于图论知识，求得管网的基本关联矩阵和回路矩阵，根据基尔霍夫第一定律和第二定律建立管网的节点流量平衡方程和回路压力平衡方程。

对于双热源的多环路管网，求解过程是大型非线性方程组的求解，基本回路分析法是适合求解管网水力工况数学模型的方法。依托MATLAB，采用遗传算法求解建立的双热源环状供热管网稳态水力工况的数学模型。

如图1所示，本发明实施例的多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法，包括以下步骤：

步骤一：绘制管网图，统计各个管段的长度，分别进行节点和管段的编号，初步拟定各个管段的流向，进行管段流量初始分配，利用管网的管道阻力计算公式或水利计算图表初定管径，计算管段阻抗S。

步骤二：根据绘制的管网图，基于图论得到管段流量向量G，节点流量向量Q，基本关联矩阵A_k和独立回路矩阵B_f。

其中，对于一个含有J个节点，N条分支的管网图，各分支和节点之间的关联关系可以用一个J×N阶的矩阵A＝(b_ij)_J×N表达，A就是管网图的关联矩阵。在关联矩阵A中，每一行代表一个节点，行号是节点号；每一列代表一个分支，列号为分支号。对于关联矩阵A中的各个元素aij的值定义如下：

根据上述定义可知A中每一列不为零的元素有两个(1和-1)，它们所在的行号分别表示与该列对应的分支相关联的节点号。可以证明，管网的关联矩阵A的秩等于J-1，(J-1)×N阶矩阵A_k可以表达个节点和分支之间的关联关系，从关联矩阵A中除去节点k所对应的一行，得到(J-1)×N阶矩阵A_k＝(a_ij)_(J-1)×N称为管网的基本关联矩阵，节点k称为参考节点。

当集中供热管网为环状管网时，管网图中存在环路，为了更好地表示各个环路与各个管段之间的关系，引入基本回路矩阵(B＝(b_ij)_L×N)，其中矩阵B的行号表示基本回路序号，列表示管段序号，与关联矩阵列号一致。在含有L个环路的管网图中，对管网图中的基本回路设定一个方向，若环路上的某分支在基本回路上且该分支的方向与回路设定的方向一致，则称该分支在回路中顺向的，否则称为是逆向的。对于含有J个节点，N条分支的有向连通赋权图，基本回路矩阵B＝(b_ij)_L×N中各个元素取值如下：

根据矩阵相关知识，基本回路矩阵B是线性相关的，矩阵的秩为N-J+1，即在矩阵B中有N-J+1个相互独立的基本回路。定义管网的独立回路矩阵为B_f＝(b_ij)_(N-J+1)×N。

根据基尔霍夫第一定律，建立管网的节点流量平衡方程：

A_kG＝Q (1)

根据基尔霍夫第二定律，建立管网的回路压力平衡方程：

B_f(ΔP-H_P)＝0 (2)

ΔP是各个管段压力损失列向量，H_P是水泵扬程，管段无水泵时为0。

将基本关联矩阵A_k按照树枝在前，余枝在后分块，将管段的流量列向量G也按照树枝流量向量在前，余枝流量在后进行分块(将管网看作一个复杂的有向连通赋权图，连通有向连通赋权图中有回路，将每个回路中任意选取一个分支从有向连通赋权图中分离出来，、分支称为余枝，其他分支为树枝)；可得到：

上式中，G₁是树枝管段的流量列向量，G₂是余枝管段的流量列向量；

由于A_k1是可逆的，于是上式可以变形为：

A_k1G₁+A_k2G₂＝Q (4)

于是，G₁可以由G₂和Q唯一表示，即，

在第k次迭代时热网管网的流量列向量为G^k，第k次改进的流量为ΔG^k，于是第k+1次的流量G^k+1可表示为：

G^k+1＝G^k+ΔG^k (6)

由式(5)和(6)可以得出：

ΔG^k可以用下式表示：

双热源环状变频泵供热系统中管段上没有泵，故回路压力平衡方程可以简化为B_fΔP＝0。对于第k+1次迭代的流量，可得：

略去式(9)的无穷小量，可得下式_：

引入以下两个变量M^k和Δh^k，表达式如下：

式(10)可用M^k和Δh^k表示为：

开始迭代计算，计算M^k、Δh^k、

ΔG^k，更新所有管段流量，当ΔG^k满足精度要求，结束计算可得到相应的管段流量。

忽略管段的位能差向量，以热源2为参考节点，管网的各个节点相对于参考节点的压力可表示为：

式中，S₁表示树枝管段的阻抗列向量。

步骤三：基于基本回路分析法，运用遗传算法工具箱，进行遗传算法计算。

参见图1至图2所示，以热源2为参考节点，对热源1的流量进行二进制编码操作，给定种群规模及搜索空间维度，个体初始交叉概率和变异概率，确定热源1的种群规模和染色体长度并产生初始群体q。

通过上述基本回路分析法进行水力计算，得到种群q中每个个体(即热源1对应节点的流量分配)对应的换热站压力Pi(即利用式14计算出的换热站所对应节点的压力向量，是管网各个节点相对于参考节点的相对压力)和流量Q_i(利用式13计算出换热站对应节点的管段流量向量即换热站流量向量后计算获得)，满足最低节点压力的情况下，确定换热站变频泵的最小扬程H_i，通过换热站的最小扬程H_i以及流量Q_i可获得适应度函数管网总泵功W_Z，由下式求得：

根据适应度函数管网总泵功(适应度值)进行选择操作，确定交叉概率和变异概率并进行种群的交叉变异操作，产生新的种群，进入下一代计算，对管网中热源流量分配组合进行迭代更新；优化迭代代数达到最大迭代步数，或是管网总泵功W_Z的计算结果满足精度要求，输出热源1的流量最优值q₁，管网最小泵功W₁，根据管网管段流量G得到热源2的流量q₂。

传统供热系统通过调节阀门消耗多余的资用压头来进行流量分配，会在运行是存在过多的无效电耗，产生冷热不均的现象，进而形成大流量小温差的管网运行方式，分布式变频泵供热系统相较于传统供热系统有更好的稳定性和可靠性。对多热源环状分布式变频泵供热系统建立水力计算数学模型，并按照上述遗传算法计算流程进行求解，根据得到的热源流量最佳分配组合，选择合适的换热站变频泵，能够使得管网总泵功达到最小，运行费用大幅降低。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；

因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.绘制管网图，统计各个管段长度，初步拟定各个管段的流向，进行管段流量初始分配，初定管径，计算管段阻抗；

S2.输入初始数据，包括管网的基本关联矩阵和回路矩阵，管道阻抗，节点流量，管段流量；

S3.根据管网的节点流量平衡方程和回路压力平衡方程并通过基本回路分析法求解管网水力模型，计算管网中各个管段的流量，计算管网供回水节点压力；

S4.随机构造初始群体，计算种群中每个个体对应的换热站压力和流量，满足最低节点压力的情况下，确定换热站变频泵的最小扬程，计算每个个体的适应度函数管网总泵功；

S5.根据每个个体适应度函数管网总泵功优选，对个体进行选择操作、确定交叉概率、变异概率并进行种群的交叉变异操作，产生新一代群体，对管网中热源流量分配组合进行迭代更新；

S6.判断管网总泵功的计算结果是否满足精度要求或者优化迭代数是否达到最大迭代步数，若满足算法停止准则，则结束计算并输出最优值和\或最优解；否则返回S3。

2.根据权利要求1所述多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法，其特征在于，管网的节点流量平衡方程如下：

A_kG＝Q，

管网的回路压力平衡方程如下：

B_f(ΔP-H_P)＝0

式中，G表示管段流量向量，Q表示节点流量向量，A_k表示基本关联矩阵，B_f表示独立回路矩阵，ΔP是各个管段压力损失列向量，H_P是水泵扬程，管段无水泵时为0。

3.根据权利要求2所述多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法，其特征在于，通过基本回路分析法求解管网水力模型，计算管网中各个管段的流量，计算管网供回水节点压力的方法如下：

将管网看作一个有向连通赋权图，将连通有向连通赋权图中的每个回路中任意选取一个分支从有向连通赋权图中分离出来，分支称为余枝，其他分支为树枝；

将基本关联矩阵A_k按照树枝在前、余枝在后进行分块，将管段的流量列向量G按照树枝流量向量在前、余枝流量在后进行分块，得到：

G₁是树枝管段的流量列向量，G₂是余枝管段的流量列向量；

由于A_k1是可逆的，于是A_k1G₁+A_k2G₂＝Q

第k次迭代时热网管网的流量列向量为G^k，第k次迭代时热网管网改进的流量为ΔG^k，则第k+1次迭代时热网管网的流量列向量G^k+1表示为：

G^k+1＝G^k+ΔG^k

则有：

双热源环状变频泵供热系统中管段上没有泵，回路压力平衡方程简化为B_fΔP＝0，对于第k+1次迭代的流量，可得：

略去上式的无穷小量，得下式：

引入两个变量M^k和Δh^k，表达式如下：

Δh^k＝B_fS|G^k|G^k

进行迭代计算，计算M^k、Δh^k、

ΔG^k，更新所有管段流量，当ΔG^k满足精度要求，结束计算得到管段流量；

忽略管段位能差向量，管网各个节点相对于参考节点的压力表示为：

式中，S₁表示树枝管段的阻抗列向量。

4.根据权利要求3所述多热源环状分布式变频泵供热系统水力优化调度方法，其特征在于，适应度函数管网总泵功由下式求得：

W_Z表示适应度函数管网总泵功。

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