CN115234961B - 基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的方法和系统，涉及能源系统的运行和控制技术领域，基于气象信息，构建热负载预测模型；基于位置信息，构建供热管拓扑网图及其完全关联矩阵；比较预测的供暖期内的热负载预测值与计划的供热量，计算供暖期内的总供热量的实际调节值；按照供暖期内的总供热量的实际调节值，控制各换热设备配合热网动态调节供暖期实际总供热量。实现热网侧供热的精准运行调节，有效满足热用户的采暖需求。
Description
技术领域
本发明涉及能源系统的运行和控制技术领域，具体涉及基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的方法及系统。
背景技术
随着经济的发展，人们对室内舒适度的要求不断提高，集中供热得到了广泛的应用，成为采暖的主要形式。近年来我国的供热运行管理水平不断进步，但与发达国家相比仍有较大差距。热网的总体效益仍然偏低，用户无法自主调节室温以及冷热不均的现象普遍存在。受这些因素的影响，不仅导致供热质量不均衡，还使能源浪费比较严重，供热系统的经济性降低。因此对供热系统的运行调节方式及节能性研究有重要的意义。
近年来随着集中供热系统管网规模不断扩大及结构趋向复杂，如何进行调节来提高热网的经济性是供热行业所面临的问题。从整体上看，我国热网的调节方式与热用户的用热规律发展不相协调，使集中供热的优越性大打折扣。随着我国供热收费体制改革的不断深入，定流量应用的局限性越来越突出。特别是目前我国二次网系统依然以质调节或分阶段改变流量的质调节为主，虽然热网的水力工况稳定，但可调节性能差，尤其在供热的初、末期，系统在“大流量、小温差”方式下运行，能源浪费非常严重，故实行热计量收费制度成为供热发展的必然趋势。实行按热收费以后，用户自行调节室温来决定需热量，提高了用户节能的积极性。当用户调节流量后，整个热网的流量和供热量随之改变，通过改变水泵的转速调节管网的流量，降低运行成本。但是用户的生活调节习惯的不同增加了热网负荷变化的不规律性，热源及热网该如何调控来适应这种动态变化成为迫切需要解决的问题，同时对计算机的监控和自动控制技术也提出了更高的要求。
冬季供暖既要达到用户的供暖舒适性标准，又要降低运行成本实现节能。因此对供热系统在运行过程中寻求最优的供热运行调节方式十分重要。在采暖系统运行过程中，除了应对热水锅炉的运行参数、燃烧工况控制之外，还应根据热负载的变化对供热量进行调节。运行调节的目的，一方面使供暖用户的散热量和热负载的变化规律相适应，保证室内供暖温度，另一方面实现节能运行，避免能量的浪费。
现有技术中，例如专利文献CN113339879A公开了一种热电联产机组的热网循环水系统及调节方法，热网循环水系统包括给水泵汽轮机以及同轴布置的锅炉给水泵与热网循环水泵，锅炉给水泵连接在锅炉上水管路中，热网循环水泵连接在热网循环水给水管路中；所述的锅炉给水泵与热网循环水泵共同由给水泵汽轮机进行驱动，同时实现锅炉上水和热网循环水给水。调节方法包括当热网循环水泵的出口流量小于热网循环水总流量时，启动备用热网循环水泵、开启备用热网循环水泵出口阀门，通过调节液力耦合器的勺管开度，使热网循环水泵出口流量和备用热网循环水泵的出口流量相加满足热网循环水总流量的要求。但是技术方案没有考虑天气、环境以及地理位置等因素，没有实现动态调节。
专利文献CN113339879A公开了一种热网循环泵的变流量调节方法，基于由设计工况下热网循环泵的运行曲线、最低允许转速下热网循环泵的运行曲线、设计工况下的上限管网特性曲线、设计工况下的下限管网特性曲线、压差下限，压差上限围成的表示热网循环泵在供热管网系统中工作状态点的范围来进行的，所述调节方法是将供热管网系统的运行工况点调节到热网循环泵在供热管网系统中工作状态点的范围内。但是该技术方案仍然无法实现在保证热网系统平衡的基础上对热网循环泵进行连续的变流量调节等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于气象信息，构建热负载预测模型；
S2、基于位置信息，构建供热管拓扑网图及其完全关联矩阵；
S3、预测供热管拓扑网图中每一条管段供暖期内的热负载预测值，并与该条管段的计划的供热量比较，计算供暖期内的该条管段的实际调节值△Q；
S4、按照每一条管段供暖期内的总供热量的实际调节值△Q，控制每一条管段的各换热设备实际调节值△Q配合热网动态调节供暖期内的实际总供热量。
进一步地，所述步骤S1包括如下步骤：
S11、提取气象信息的风速参数，按照式（1）计算降温等价温度：
ΔTw =0.02（lg（7.2Ww））3- 0.45（lg（7.2Ww））2+ 3.24lg（7.2 Ww） （1）；
其中，Ww为外界环境风速值；ΔTw为风速降温等价温度；
S12、将换算后的风速降温等价温度ΔTw加入到日平均室外温度T0上，根据式（2）计算加入了风速影响的室外温度T0-w：
T0-w＝T0－ΔTw （2）；
S13、提取气象信息的日辐射参数，按照式（3）计算日辐射升温等价温度：
ΔTs＝Ss/Sk（3）；
其中，Ss为外界环境日辐射值；Sk为日辐射换算系数；ΔTs为日辐射升温等价温度；
S14、将换算后的日辐射升温等价温度ΔTs加入到日平均室外温度T0上，按照式（4）计算加入了日辐射影响的室外温度T0-s：
T0-s＝T0+ΔTs（4）；
S15、按照式（5）构建热负载预测模型，
Q = A + B×T0 + C×Ww + D×Ss + E×Q1（5）；
其中，该热负载预测模型输出值Q为当日平均热负载预测值，A、B、C、D与E分别是热负载预测模型的回归系数，Q1为前一日的平均热负载值。
进一步地，所述步骤S2中，设有向图G有n个节点，m条支路，令:
当支路j与节点i关联，且节点i是支路j的起点时, aij=1；
当支路j与节点i关联，且节点i是支路j的终点时, aij=-1；
当支路j与节点i不关联，aij=0；
由元素aij(i=1,2,3,…,n；j=1,2,3,…,m)构成n×m阶有向图G的完全关联矩阵Ae。
进一步地，步骤S3中，
比较预测的供暖期内的热负载分布规律与计划的供热量，利用下式（6）计算供暖期内的总供热量的实际调节值△Q：
式中
为计划的每日供热量，Q为步骤S1中输出的当日平均热负载预测值，N为供暖期延续天数，β为日温度修正系数用式（7）计算：
本发明还提出了基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的系统，用于实现前述的热网动态调节方法，包括：热负载预测模型构建单元、供热管拓扑网图生成单元、比较单元和控制系统；
所述热负载预测模型构建单元，用于基于气象信息，构建热负载预测模型；
所述供热管拓扑网图生成单元，用于基于位置信息，生成供热管拓扑网图及其完全关联矩阵；
所述比较单元，用于比较预测的供暖期内的热负载预测值与计划的供热量，计算供暖期内的总供热量的实际调节值；
所述控制系统，用于按照供暖期内的总供热量的实际调节值，控制各换热设备配合热网动态调节供暖期的实际供热量。
进一步地，还包括气象信息获取单元、位置信息获取单元和存储单元：
所述气象信息获取单元，用于获取气象信息的风速参数、日辐射参数和实测室外温度；
所述存储单元用于存储所述气象信息获取单元获取的气象信息以及位置信息获取单元获取的位置信息。
进一步地，所述气象信息获取单元通过收集过去的与天气相对应的多个温度变化，计算每种云量的多个温度变化平均值，预先存储与预计的天气种类相对应的标准室外空气温度变化值。
相比于现有技术，本发明实现了如下有益技术效果：
基于气象信息，构建热负载预测模型；基于位置信息，构建供热管拓扑网图及其完全关联矩阵；比较预测的供暖期内的热负载预测值与计划的供热量，计算供暖期内的总供热量的实际调节值△Q；按照供暖期内的总供热量的实际调节值△Q，控制各换热设备配合热网动态调节供暖期实际总供热量，实现了热网侧供热的精准运行调节，有效满足了热用户的采暖需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明的基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的方法的流程图；
图2为本发明的供热管拓扑网图；
图3为本发明的基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的系统。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
如图1所示，为本发明的基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的方法的流程图，包括如下步骤：
S1、基于气象信息，构建热负载预测模型，具体包括如下步骤：
S11、提取气象信息的风速参数，按照式（1）计算降温等价温度：
ΔTw =0.02（lg（7.2Ww））3- 0.45（lg（7.2Ww））2+ 3.24lg（7.2Ww） （1）；
其中：Ww为外界环境风速值（m/s）；ΔTw为风速降温等价温度（℃）。
S12、将换算后的风速降温等价温度ΔTw加入到日平均室外温度T0上，根据式（2）计算加入了风速影响的室外温度T0-w：
T0-w＝T0－ΔTw （2）；
S13、提取气象信息的日辐射参数，计算升温等价温度。
当日辐射增加时，对应于室外温度，可以换算为一个日辐射升温等价温度，按照式（3）计算日辐射升温等价温度：
ΔTs＝Ss/Sk（3）；
其中：Ss为外界环境日辐射值（W／m2）；Sk为日辐射换算系数（W／m2℃）；ΔTs为日辐射升温等价温度（℃）。在优选实施例中，Sk取100W／m2℃。
S14、将换算后的日辐射升温等价温度ΔTs加入到日平均室外温度T0上，按照式（4）计算加入了日辐射影响的室外温度T0-s。
T0-s＝T0+ΔTs（4）；
S15、通过多元回归法构建热负载预测模型，该热负载预测模型的多元回归函数方程如式（5）所示：
Q = A + B×T0 + C×Ww + D×Ss + E×Q1（5）；
其中：该热负载预测模型输出值Q为当日热负载预测值，A、B、C、D与E分别是热负载预测模型的回归系数。其中，选择当日日平均室外温度T0（℃）、当日实测的平均风速Ww（m/s）、当日实测的平均日辐射Ss（W/ｍ2）与昨日热负载Q1（MV）作为热负载预测模型的４个输入变量。
S2、基于位置信息，构建供热管拓扑网图及其完全关联矩阵。
由于供热管网管道内存在热媒的流动而具有一定的方向性，所以供热管网的简化图形，即供热管拓扑网图是一种有向图，并用矩阵表达图形信息。
供热管拓扑网图中，线段的端点或者孤立的点称为节点，节点集合用V表示；连接两个节点的线段称为支路，支路集合用E表示；一条支路与该支路上的两个节点相关联，反之，一条支路上的节点与该支路相关联。
节点与支路的集合称为图，其中各支路只能相交于节点，即除了节点外，支路上没有任何公共节点。
若图Gi的节点集合Vi和支路集合Ei，分别是图G的节点集合V和支路集合E的子集合，则图Gi是图G的子图。如果图中的每条支路都是有方向的，则该图就叫做有向图。反之，如果图中每条支路都没有方向，则称该图为无向图。
图中某节点的度，就是与该节点相关联的支路数，度为0的节点称为孤立点，度为1的节点称为悬挂点。
由n+1个不同的节点与n条不同的支路依次交替连接而成的一条路径称为通路。始端节点与终端节点重合的一条通路为回路，又称为环。若图G中的每一对节点之间至少存在一条通路，则该图是连通的。
对具有v个节点，e条支路的图G的一个子图而言，如果具有下列性质中的任意两个：
a)包含图G的所有节点；b)具有v-1条支路；c)不包含任何回路；则该子图就是图G的一个树，可用T表示。树中的支路称为树枝；属于图G，但是不属于树T的支路称为连枝。
如果图G中的一个树T加上一条连枝后，形成了一个包含唯一的一条连枝，其余均为树枝的回路，该回路就叫做基本回路。
设有向图G有n个节点，m条支路，令:
当支路j与节点i关联，且节点i是支路j的起点时, aij=1；
当支路j与节点i关联，且节点i是支路j的终点时, aij=-1；
当支路j与节点i不关联，aij=0。
则称由元素aij(i=1,2,3,…,n；j=1,2,3,…,m)构成的n×m阶矩阵Ae为图G的完全关联矩阵，它能唯一确定图G的拓扑结构。
如图2所示为供热管拓扑网图。
由于每一条管段[1]、[2]、……、[11]只与其连接的节点（1）、（2）、……、（11）相关联，且一个节点必为该管段的起点另一个节点必为终点。所以在完全关联矩阵中每列只含有一个1和一个-l其余元索全部为零。
S3、预测供热管拓扑网图中每一条管段供暖期内的热负载预测值，并与该条管段的计划的供热量比较，计算供暖期内的该条管段的实际调节值△Q。
比较预测的供暖期内的热负载分布规律与计划的供热量，利用下式（6）计算供暖期内的总供热量的实际调节值△Q。
式中
为计划的每日供热量，Q为步骤S1中输出的当日平均热负载预测值，N为供暖期延续天数，β为日温度修正系数，可用式（7）计算：
S4、按照每一条管段供暖期内的总供热量的实际调节值△Q，控制每一条管段的各换热设备实际调节值△Q配合热网动态供暖期内的实际总供热量。
如图3所示，本发明还提出了一种基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的系统，用于实现热网动态调节方法，包括：热负载预测模型构建单元、供热管拓扑网图生成单元、比较单元和控制系统；
所述热负载预测模型构建单元，用于基于气象信息，构建热负载预测模型；
所述供热管拓扑网图生成单元，用于基于位置信息，生成供热管拓扑网图及其完全关联矩阵；
所述比较单元，用于比较预测的供暖期内的热负载预测值与计划的供热量，计算供暖期内的总供热量的实际调节值；
所述控制系统，用于按照供暖期内的总供热量的实际调节值，控制各换热设备配合热网动态调节供暖期的实际供热量。
进一步地，还包括气象信息获取单元、位置信息获取单元和存储单元：
所述气象信息获取单元，用于获取气象信息的风速参数、日辐射参数和实测室外温度；
所述存储单元用于存储所述气象信息获取单元获取的气象信息以及位置信息获取单元获取的位置信息。
在优选实施例中，气象信息获取单元预先存储与预计的天气种类相对应的由多种云量所决定的一天的标准室外空气温度变化值。预计的天气种类是例如每个季节的晴朗、晴、阴间晴、全阴、雨等等。对于过去的每个与预计的天气种类相对应的各云量即例如0.0、1.0、2.0、3.0～9.0、10.0，收集过去的与天气相对应的多个温度变化，计算每种云量的多个温度变化平均值即一天的标准室外空气温度变化值，存入气象信息获取单元。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等价的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于气象信息，构建热负载预测模型；
S2、基于位置信息，构建供热管拓扑网图及其完全关联矩阵；
若图Gi的节点集合Vi和支路集合Ei，分别是有向图G的节点集合V和支路集合E的子集合，则图Gi是图G的子图,有向图G的一个子图如果具有下列性质中的任意两个：
a)包含图G的所有节点；b)具有n-1条支路；c)不包含任何回路；
则该子图就是有向图G的一个树T,如果一个树T加上一条连枝后，形成基本回路；
设有向图G有n个节点，m条支路，令:
当支路j与节点i关联，且节点i是支路j的起点时, aij=1；
当支路j与节点i关联，且节点i是支路j的终点时, aij=-1；
当支路j与节点i不关联，aij=0；
由元素aij(i=1,2,3,…,n；j=1,2,3,…,m)构成
阶有向图G的完全关联矩阵Ae，在完全关联矩阵Ae中每列只含有一个1和一个-l,其余元索全部为零；
S3、预测供热管拓扑网图中每一条管段供暖期内的热负载预测值，并与该条管段的计划的供热量比较，计算供暖期内的该条管段的实际调节值
；
比较预测的供暖期内的热负载分布规律与计划的供热量，利用下式（6）计算供暖期内的总供热量的实际调节值
：
式中
为计划的每日供热量，Q为步骤S1中输出的当日平均热负载预测值，N为供暖期延续天数，
为日温度修正系数；
S4、按照每一条管段供暖期内的总供热量的实际调节值
，控制每一条管段的各换热设备实际调节值
配合热网动态调节供暖期内的实际总供热量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括如下步骤：
S11、提取气象信息的风速参数，按照式（1）计算降温等价温度：
ΔTw =0.02（lg（7.2Ww））3- 0.45（lg（7.2Ww））2+ 3.24lg（7.2Ww）（1）；
其中，Ww为外界环境风速值；ΔTw为风速降温等价温度；
S12、将换算后的风速降温等价温度ΔTw加入到日平均室外温度T0上，根据式（2）计算加入了风速影响的室外温度T0-w：
T0-w＝T0－ΔTw （2）；
S13、提取气象信息的日辐射参数，按照式（3）计算日辐射升温等价温度：
ΔTs＝Ss/Sk（3）；
其中，Ss为外界环境日辐射值；Sk为日辐射换算系数；ΔTs为日辐射升温等价温度；
S14、将换算后的日辐射升温等价温度ΔTs加入到日平均室外温度T0上，按照式（4）计算加入了日辐射影响的室外温度T0-s：
T0-s＝T0+ΔTs（4）；
S15、按照式（5）构建热负载预测模型，
Q = A + B×T0 + C×Ww + D×Ss + E×Q1（5）；
其中，该热负载预测模型输出值Q为当日平均热负载预测值，A、B、C、D与E分别是热负载预测模型的回归系数，Q1为前一日的平均热负载值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3中，
4.基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的系统，用于实现如权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，包括：热负载预测模型构建单元、供热管拓扑网图生成单元、比较单元和控制系统；
所述热负载预测模型构建单元，用于基于气象信息，构建热负载预测模型；
所述供热管拓扑网图生成单元，用于基于位置信息，生成供热管拓扑网图及其完全关联矩阵；
所述比较单元，用于比较预测的供暖期内的热负载预测值与计划的供热量，计算供暖期内的总供热量的实际调节值；
所述控制系统，用于按照供暖期内的总供热量的实际调节值，控制各换热设备配合热网动态调节供暖期的实际供热量。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括气象信息获取单元、位置信息获取单元和存储单元：
所述气象信息获取单元，用于获取气象信息的风速参数、日辐射参数和实测室外温度；
所述存储单元用于存储所述气象信息获取单元获取的气象信息以及位置信息获取单元获取的位置信息。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述气象信息获取单元通过收集过去的与天气相对应的多个温度变化，计算每种云量的多个温度变化平均值，预先存储与预计的天气种类相对应的标准室外空气温度变化值。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202211147107.XA CN115234961B (zh) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的方法及系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202211147107.XA CN115234961B (zh) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 基于气象参数和位置信息进行热网动态调节的方法及系统 |
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| CN115234961A CN115234961A (zh) | 2022-10-25 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN103383706A (zh) * | 2012-05-29 | 2013-11-06 | 广东工业大学 | 一种暖通空调冷热水管网空间拓扑结构的构建方法 |
| CN109934386A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-06-25 | 山西河坡发电有限责任公司 | 热电联供系统热负荷预测方法 |
| CN110135013A (zh) * | 2019-04-24 | 2019-08-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种构建供热管网动态热力模型的整合方法 |
-
2022
- 2022-09-21 CN CN202211147107.XA patent/CN115234961B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103383706A (zh) * | 2012-05-29 | 2013-11-06 | 广东工业大学 | 一种暖通空调冷热水管网空间拓扑结构的构建方法 |
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| Title |
|---|
| 基于图论的直接连接热水供热系统热力工况计算模型;王思莹等;《暖通空调》;20110815;第106-109页 * |
| 基于气象因素的供热机组热负荷预测方法的改进;周振起等;《东北电力大学学报》;20181031;第64-68页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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