一种计及延迟的区域蒸汽热网拓扑结构优化方法及系统与流程

本发明涉及智能供热领域，特别涉及一种计及延迟的区域蒸汽热网拓扑结构优化方法及系统。

背景技术：

蒸汽管道是用于蒸汽供热系统对蒸汽进行运输的载体。在一个复杂多源环状的蒸汽管网中，往往具有多种不同的蒸汽供应方案，而且蒸汽在输送过程中状态参数变化大，甚至伴随相变发生，所以蒸汽管道模型在热力学、传热学和流体力学等方程的求解方面存在难题。

目前,在对蒸汽管网进行设计和运行调节计算时，水力计算和热力计算是各自分开的。一般来说，这种简化方法将蒸汽处理为单相可压缩流体，认为密度只是压力的函数，这种人为地将压力和焓值分开求解的离式算法给蒸汽管网的计算带来了较大误差。此外，对蒸汽管道流动的模拟计算多是基于稳态过程的仿真模型，无法准确预测和分析蒸汽管道流动的瞬变特性，即蒸汽在管道的流动过程中温度、压力和密度随时间的变化特性。

考虑到蒸汽管网工质流动过程的蒸汽参数波动、可压缩性、状态变化、摩擦和传热等多种因素的作用，如何从机理角度出发，建立复杂多源环状蒸汽热网的数学模型，并基于该模型建立区域蒸汽热网的拓扑结构优化方法是智慧供热背景下高效利用区域现有资源禀赋的关键技术问题。本发明针对上述问题，提出了考虑末端响应的热网机理模型，建立了基于粒子群优化算法的区域蒸汽热网拓扑结构优化方法，并将二者按照统一的系统框架进行集成。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种计及延迟的区域蒸汽热网拓扑结构优化方法及系统，以基于modelica语言建模的仿真模型和基于粒子群算法的优化手段，对区域内给定热源、热用户分布约束条件下的热网规划方案进行寻优，从而以较低的人工成本获取管网输运延迟最低的热网拓扑规划。

一种计及延迟的区域蒸汽热网拓扑结构优化方法及系统，包含如下步骤：

步骤s1，建立基于modelica语言的蒸汽管道仿真模型；

步骤s2，计算管道末端蒸汽温度随源端流量、温度变化的响应特性；

步骤s3，设定管网最低延迟目标函数，建立区域源荷空间分布约束，采用粒子群优化算法进行目标函数的求解；

步骤s4：将基于modelica语言的模型搭建、管道末端温度对源端参数变化的响应特性计算与基于粒子群优化算法的热网拓扑规划分别置于三个相应模块，并建立三者间数据通信，以便优化过程调取模型计算数据。

进一步地，建立基于modelica语言的蒸汽管道仿真模型，即通过modelica语言的管道接口、流动模型和传热模型组成具有分布质量、能量和动量平衡的直管模型；所述蒸汽管道仿真模型含括的质量连续方程、能量平衡方程、管道摩擦阻力方程和动量守恒方程的偏微分方程式表示如下：

所述质量连续方程：

式中：x为管道的沿程距离(流量沿坐标x)，m；t为时间；ρ为ρ(x,t)表示蒸汽密度，kg/m³；v为v(x,t)表示蒸汽流速，m/s；a、a(x)为蒸汽流通面积，m²；

所述能量平衡方程：

式中：t为t(x,t)表示蒸汽温度，k；u为u(x,t)表示比内能，j；z为z(x)表示地面高度，m；g为重力m/s²；

所述动量守恒方程：

式中：ff为阻力，n；

所述管道摩擦阻力方程：

式中：f为摩擦系数；s为周长，m；

节点与外界环境的换热方程式：

q＝α(ts-ta)(5)

式中：q表示换热量，w/m2；ts为蒸汽温度，k；ta为蒸汽温度，k；α为传热系数，w/m²·k；

所述质量连续方程、能量平衡方程、管道摩擦阻力方程和动量守恒方程均通过有限体积法和动量平衡的交错网格方案处理计算。

进一步地，计算管道末端蒸汽温度随源端流量、温度变化的响应特性，具体流程如下：

步骤s201，向modelica源测模型输入供给蒸汽的温度和流量，向末端模型输入用户的压力需求，并对保温层、管道厚度的影响因素作相应的传热系数转换，以获取管道内部的温度、压力、和流量分布；

步骤s202，在modelica模型中保持源侧蒸汽参数不变，让管道质量流量以阶跃的方式增大，待末端蒸汽温度稳定后，又以阶跃的方式减小到原来的流量水平，从而获得该工况下温度响应特性；

步骤s203，在modelica模型中保持源侧蒸汽压力与流量不变，令源端供应蒸汽温度以阶跃的方式增大，待末端蒸汽温度稳定后，又以阶跃的方式减小到原来的供应温度水平，从而计算该工况下的温度响应完成时间。

进一步地，设定管网最低延迟的目标函数，建立区域源荷空间分布约束，采用粒子群优化算法进行目标函数的求解，求解过程中每次计算都需要获取modelica模型所求解的延迟特性数据；具体流程包括：

步骤s301，以热网内n个热用户归一化后的热力延迟时间为目标函数：

式中：dti和dqi分别为第i个用户末端温度随源端温度、流量变化的响应时间，s；dtmax和dqmax分别为所有用户中温度、流量响应的最大值，s；dtmin和dqmin分别为所有用户中温度、流量响应的最小值，s；k为流量响应相对于温度响应的重要性系数，一般取1；

步骤s302，建立源端和末端用户空间分布约束；考虑到实际中热源和用户一般位于公路旁边，而蒸汽管道也往往沿公路建设，将源荷间的蒸汽管线连接方案集定义为以公路拓扑为网格，以热源、热用户为节点的网格路径搜索集，通过递归的方式搜寻出区域内源荷所有的连接方案，并以此方案集作为优化问题的可行域；

步骤s303，采用粒子群优化算法进行目标函数的求解，其具体求解过程为：

步骤s303.1，将可行域内的具体连接方案组合为d维粒子，并初始化设置惯性因子、加速因子等参数；

步骤s303.2，初始化管网连接方案的速度向量，将每个方案的个体历史最优位置设置为当前方案的位置，并计算所有连接规划方案的最优位置；

步骤s303.3，更新每个调度方案的速度和位置，更新公式如下：

vij(t+1)＝vij(t)+c1r1(pbestij(t)-xij(t))+c2r2(gbestj(t)-xij(t))(7)

xij(t+1)＝xij(t)+vij(t+1)(8)

其中，i表示第i个粒子；j表示粒子的第j维；vij(t)表示粒子i在进化到t代时的第j维飞行速度分量；xij(t)表示粒子i在进化到t代时的第j维位置分量；pbestij(t)表示粒子i在进化到t代时的第j维个体最优位置pbesti分量；gbestj(t)表示进化到t代时整个粒子群的最优位置gbest的第j维分量；c1，c2为加速因子或称学习因子；r1，r2为[0,1]的随机数；

步骤s303.4，计算每个方案位置的目标函数值，更新每个方案的个体历史最优位置与所有调度方案的最优位置；

步骤s303.5，若达到最大迭代次数则停止计算，输出结果；否则返回步骤s303.3继续搜索计算。

进一步地，将modelica的热力水力建模、末端用户热力响应时间计算与基于粒子群优化算法的热网拓扑规划分别进行模块封装，建立数据传输通道，以便优化规划模块每次迭代都能提取经建模模块和响应计算模块处理的数据，从而解算得出区域官网最优拓扑规划方案。

进一步地，包括modelica语言的管道接口、流动模型和传热模型；其中，modelica的管道接口模型由两个接口连接器组成，用于传递流体介质的流量与温度等参数；modelica的管道流动模型描述管道中的壁面摩擦模型的详细信息和重力引起的压力损失，该部分模型定义了n个流动段之间的m(m＝n-1)个流动模型的公共接口；流动模型使用默认的逆风离散化方案提供稳态或动态动量平衡；对于给定的介质模型，在流动模型中使用thermodynamicstates[n]变量指定流体介质的热力学状态；使用pathlengths[n-1]以及crossareas[n]和roughnesses[n]指定管道几何参数。此外，流体流动的特征在于不同类型装置的特征尺寸characteristicdimensions[n]和装置区段中流体流动的平均速度vs[n]；管道传热模型默认组件使用恒定系数进行管道内流量和通过热端口暴露的分段边界之间的热量传递；通过n个流动段的边界的热流速率q_flows[n]由给定流体介质的流动段的热力学状态函数获得，包括密度ρ、雷诺数re、焓值h、运动粘度ν、努塞尔数nu，以及管道表面积surfaceareas[n]和热端口温度(边界温度)heatports[n].t。

进一步地，将modelica的热力水力建模、末端用户热力响应时间计算与基于粒子群优化算法的热网拓扑规划分别进行模块封装，建立数据传输通道，将每个模块相互连通，以便优化规划模块每次迭代都能提取经建模模块和响应计算模块处理的数据，从而解算得出区域官网最优拓扑规划方案。

本申请的有益效果：本发明提出了基于modelica建模语言的蒸汽管道传输动态仿真模型，实时计算管道内各处参数变化，从而求解蒸汽供热管道的热力动态延迟特性，并以热网整体延迟最低为目标建立求解了规划优化问题，从而节省了规划计算的人工成本，提高了供热系统的智能化水平。该方法与系统可广泛应用于区域供热管网的规划方案设计，特别是能够应用于解决需求侧响应速度需求较高场景下的热网规划问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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modelica动态管道模型；

图2为粒子群优化算法迭代过程图。

具体实施方式

本发明提供一种计及延迟的区域蒸汽热网拓扑结构优化方法及系统，以基于modelica语言建模的仿真模型和基于粒子群算法的优化手段，对区域内给定热源、热用户分布约束条件下的热网规划方案进行寻优，从而以较低的人工成本获取管网输运延迟最低的热网拓扑规划。

一种计及延迟的区域蒸汽热网拓扑结构优化方法及系统，包含如下步骤：

步骤s1，综合考虑蒸汽流动过程的蒸汽参数波动、可压缩性、状态变化、摩擦和传热等多种因素的作用，建立基于modelica语言的蒸汽管道仿真模型；

步骤s2，计算管道末端蒸汽温度随源端流量、温度变化的响应特性，即蒸汽供热管道的热力动态延迟特性；

步骤s3，设定管网最低延迟目标函数，建立区域源荷空间分布约束，采用粒子群优化算法进行目标函数的求解；

步骤s4：将基于modelica语言的模型搭建、管道末端温度对源端参数变化的响应特性计算与基于粒子群优化算法的热网拓扑规划分别置于三个相应模块，并建立三者间数据通信，以便优化过程调取模型计算数据。

进一步地，建立基于modelica语言的蒸汽管道仿真模型，即通过modelica语言的管道接口、流动模型和传热模型组成具有分布质量、能量和动量平衡的直管模型；所述蒸汽管道仿真模型含括的质量连续方程、能量平衡方程、管道摩擦阻力方程和动量守恒方程的偏微分方程式表示如下：

所述质量连续方程：

式中：x为管道的沿程距离(流量沿坐标x)，m；t为时间；ρ为ρ(x,t)表示蒸汽密度，kg/m³；v为v(x,t)表示蒸汽流速，m/s；a、a(x)为蒸汽流通面积，m²；

所述能量平衡方程：

式中：t为t(x,t)表示蒸汽温度，k；u为u(x,t)表示比内能，j；z为z(x)表示地面高度，m；g为重力m/s²；

所述动量守恒方程：

式中：ff为阻力，n；

所述管道摩擦阻力方程：

式中：f为摩擦系数；s为周长，m；

节点与外界环境的换热方程式：

q＝α(ts-ta)(5)

式中：q表示换热量，w/m2；ts为蒸汽温度，k；ta为蒸汽温度，k；α为传热系数，w/m²·k；

所述质量连续方程、能量平衡方程、管道摩擦阻力方程和动量守恒方程均通过有限体积法和动量平衡的交错网格方案处理计算，其中modelica动态管道模型的组成如图1所示。

进一步地，计算管道末端蒸汽温度随源端流量、温度变化的响应特性，具体流程如下：

步骤s201，向modelica源测模型输入供给蒸汽的温度和流量，向末端模型输入用户的压力需求，并对保温层、管道厚度的影响因素作相应的传热系数转换，以获取管道内部的温度、压力、和流量分布；

步骤s202，在modelica模型中保持源侧蒸汽参数不变，让管道质量流量以阶跃的方式增大，待末端蒸汽温度稳定后，又以阶跃的方式减小到原来的流量水平，从而获得该工况下温度响应特性；

步骤s203，在modelica模型中保持源侧蒸汽压力与流量不变，令源端供应蒸汽温度以阶跃的方式增大，待末端蒸汽温度稳定后，又以阶跃的方式减小到原来的供应温度水平，从而计算该工况下的温度响应完成时间。

进一步地，设定管网最低延迟的目标函数，建立区域源荷空间分布约束，采用粒子群优化算法进行目标函数的求解，求解过程中每次计算都需要获取modelica模型所求解的延迟特性数据；具体流程包括：

步骤s301，以热网内n个热用户归一化后的热力延迟时间为目标函数：

式中：dti和dqi分别为第i个用户末端温度随源端温度、流量变化的响应时间，s；dtmax和dqmax分别为所有用户中温度、流量响应的最大值，s；dtmin和dqmin分别为所有用户中温度、流量响应的最小值，s；k为流量响应相对于温度响应的重要性系数，一般取1；

步骤s302，建立源端和末端用户空间分布约束；考虑到实际中热源和用户一般位于公路旁边，而蒸汽管道也往往沿公路建设，将源荷间的蒸汽管线连接方案集定义为以公路拓扑为网格，以热源、热用户为节点的网格路径搜索集，通过递归的方式搜寻出区域内源荷所有的连接方案，并以此方案集作为优化问题的可行域；

步骤s303，采用粒子群优化算法进行目标函数的求解，其具体求解过程为，如图2所示：

步骤s303.1，将可行域内的具体连接方案组合为d维粒子，并初始化设置惯性因子、加速因子等参数；

步骤s303.2，初始化管网连接方案的速度向量，将每个方案的个体历史最优位置设置为当前方案的位置，并计算所有连接规划方案的最优位置；

步骤s303.3，更新每个调度方案的速度和位置，更新公式如下：

vij(t+1)＝vij(t)+c1r1(pbestij(t)-xij(t))+c2r2(gbestj(t)-xij(t))(7)

xij(t+1)＝xij(t)+vij(t+1)(8)

其中，i表示第i个粒子；j表示粒子的第j维；vij(t)表示粒子i在进化到t代时的第j维飞行速度分量；xij(t)表示粒子i在进化到t代时的第j维位置分量；pbestij(t)表示粒子i在进化到t代时的第j维个体最优位置pbesti分量；gbestj(t)表示进化到t代时整个粒子群的最优位置gbest的第j维分量；c1，c2为加速因子或称学习因子；r1，r2为[0,1]的随机数；

步骤s303.4，计算每个方案位置的目标函数值，更新每个方案的个体历史最优位置与所有调度方案的最优位置；

步骤s303.5，若达到最大迭代次数则停止计算，输出结果；否则返回步骤s303.3继续搜索计算。

进一步地，将modelica的热力水力建模、末端用户热力响应时间计算与基于粒子群优化算法的热网拓扑规划分别进行模块封装，建立数据传输通道，以便优化规划模块每次迭代都能提取经建模模块和响应计算模块处理的数据，从而解算得出区域官网最优拓扑规划方案。

进一步地，包括modelica语言的管道接口、流动模型和传热模型；其中，modelica的管道接口模型由两个接口连接器组成，用于传递流体介质的流量与温度等参数；modelica的管道流动模型描述管道中的壁面摩擦模型的详细信息和重力引起的压力损失，该部分模型定义了n个流动段之间的m(m＝n-1)个流动模型的公共接口；流动模型使用默认的逆风离散化方案提供稳态或动态动量平衡；对于给定的介质模型，在流动模型中使用thermodynamicstates[n]变量指定流体介质的热力学状态；使用pathlengths[n-1]以及crossareas[n]和roughnesses[n]指定管道几何参数。此外，流体流动的特征在于不同类型装置的特征尺寸characteristicdimensions[n]和装置区段中流体流动的平均速度vs[n]；管道传热模型默认组件使用恒定系数进行管道内流量和通过热端口暴露的分段边界之间的热量传递；通过n个流动段的边界的热流速率q_flows[n]由给定流体介质的流动段的热力学状态函数获得，包括密度ρ、雷诺数re、焓值h、运动粘度ν、努塞尔数nu，以及管道表面积surfaceareas[n]和热端口温度(边界温度)heatports[n].t。

进一步地，将modelica的热力水力建模、末端用户热力响应时间计算与基于粒子群优化算法的热网拓扑规划分别进行模块封装，建立数据传输通道，将每个模块相互连通，以便优化规划模块每次迭代都能提取经建模模块和响应计算模块处理的数据，从而解算得出区域官网最优拓扑规划方案。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。