CN112100778A - 一种综合能源***的调度方法和*** - Google Patents

一种综合能源***的调度方法和*** Download PDF

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CN112100778A CN202010771017.2A CN202010771017A CN112100778A CN 112100778 A CN112100778 A CN 112100778A CN 202010771017 A CN202010771017 A CN 202010771017A CN 112100778 A CN112100778 A CN 112100778A
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Abstract

本发明提供了一种综合能源***的调度方法和***，包括：获取热网管道参数和热负荷热量需求，计算热网管道稳态的出入口水温；将所述热网管道参数、热网管道稳态的出入口水温与热负荷热量需求输入热网管道传输模型，得到热网管道动态的出口水温；基于所述热网管道动态的出口水温，进行综合能源***的调度，本发明中热网管道传输模型基于对热网管道的热能一维流动能量守恒方程进行差分处理得到，该模型即可以准确反映热网延时和虚拟储能特性，同时由于通过差分算法将难以直接求解的热能一维流动能量守恒偏微分方程方程转化为常微分方程，有效减少计算量，简化了热网管道动态的出口水温的求解难度，进而提高了综合能源***调度的准确性和调度效率。

Description

一种综合能源***的调度方法和***
技术领域
本发明属于综合能源调度技术领域，具体涉及一种综合能源***的调度方法和***。
背景技术
集中供热***一般由热源、供热管网和热用户三部分组成。热网在供热***中起着承前启后的作用，一端连接热量的生产者热源，另一端连接热量的消费者热用户，承担着将热源产生的热量输送和分配到各个热用户的任务。
与电网不同之处在于，电能传输的动态过程以纳秒到毫秒时间尺度描述，而热能传输动态以秒、分钟甚至小时级的时间尺度描述，热能易储存、难传输，从热源到用户的延时使得热网具有天然储热特性。在综合能源***中，热网储热特性可以转移产热峰值，达到削峰填谷的作用，还能有效削减风电弃风量，因此，对热能运输动态过程建模，准确反映热网延时和虚拟储能特性是优化综合能源***调度的重要环节。
热网中热能的运输动态过程是带有一定温度的水流的传递过程，因此它的模型是热网水力模型与热网热力模型的有机结合。目前，采用热网水力模型与热网热力模型的耦合关系对热能传输动态进行建模，存在以下问题：在研究中要么忽略了水力模型的动态过程，要么忽略了热力模型的动态过程，综合考虑两者动态的研究较少，如果在热网建模过程中采用稳态传热公式来表达，则当热网管道的传输时延大于综合能源***调度策略的时间尺度时，稳态传热公式就无法准确地描述热网的延时特性和储能特性，影响综合能源***调度的准确性；采用流体的一维运动传递方程同时考虑了温度损失和传输延时对热能传输动态进行建模，能够准确反映热网延时和虚拟储能特性，但直接求解比较困难。因此，如何准确简单的对热网传输特性进行建模，准确反映热网延时和虚拟储能特性，提高综合能源***调度的效率是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种综合能源***的调度方法，包括：
获取热网管道参数和热负荷热量需求，并计算热网管道稳态的入口水温和出口水温；
将所述热网管道参数、热网管道稳态的入口水温和出口水温与热负荷热量需求输入预先构建的热网管道传输模型，得到热网管道动态的出口水温；
基于所述热网管道动态的出口水温，进行综合能源***的调度；
所述热能传输模型基于对热网管道的热能一维流动能量守恒方程进行差分处理得到。
优选的，热网管道参数，包括：
管道流量、管道长度、管道截面积和管道热损系数。
优选的，热网管道传输模型的构建，包括：
对热网管道中热能一维流动能量守恒方程进行差分化，得到热网管道传输差分模型；
构建所述热网管道传输差分模型的约束条件，构建热网管道传输模型；
所述约束条件包括：管网节点的流量平衡约束、管网节点的热能-流量平衡约束、换热站的热量约束和热源热量约束。
优选的，热网管道传输差分模型如下式所示：
Figure BDA0002616606530000021
式中，mi为增加虚拟节点后第i根管道中水流的质量流量，Ai为增加虚拟节点后第i根管道的横截面积，Li为增加虚拟节点后的第i根管道的长度，Ti,in为增加虚拟节点后的第i根管道的入口温度，Ti,out为增加虚拟节点后的第i根管道的出口温度，Ti,intst为稳态运行点的入口水温，Ti,outst为稳态运行点的出口水温，ΔTi,in为t时刻增加虚拟节点后第i段管道的入口温度Ti,in与稳态运行点Ti,inst的偏差，ΔTi,out为t时刻增加虚拟节点后第i段管道的出口温度Ti,out与稳态运行点Ti,outst的偏差，
Figure BDA0002616606530000025
和
Figure BDA0002616606530000026
为与管道参数相关的常量，c为管道中传输介质的比热容，ρ为传输介质的密度，λ为管道的热损系数。
优选的，管网节点的流量平衡约束如下式所示：
Figure BDA0002616606530000022
式中，mj为与节点n相连并从节点n起始的增加虚拟节点后第j根管道中水流的质量流量，
Figure BDA0002616606530000023
为与节点n相连并从节点n结束的管道的集合，
Figure BDA0002616606530000024
为与节点n相连并从节点n起始的管道的集合，n为热网管道中的第n个节点。
优选的，管网节点的热能-流量平衡约束如下式所示：
Figure BDA0002616606530000031
式中，mj为增加虚拟节点后第j根管道中水流的质量流量，
Figure BDA0002616606530000032
为与节点n相连并从节点n结束的管道的集合，
Figure BDA0002616606530000033
为与节点n相连并从节点n起始的管道的集合，n为热网管道中的第n个节点，Tj,in为增加虚拟节点后的第j根管道的入口温度。
优选的，换热站的热量约束如下式所示：
Figure BDA0002616606530000034
式中，Qk为负荷k处换热站所需热量，c为管道中传输介质的比热容，mk为流经负荷k处换热站的热水质量，
Figure BDA0002616606530000035
为流经换热站的供水管道的出口温度，
Figure BDA0002616606530000036
为流经换热站的回水管道的入口温度。
优选的，热源热量约束如下式所示：
Figure BDA0002616606530000037
式中，Qw为热源w提供的热量，mw为第w个热源流出的热水质量，
Figure BDA0002616606530000038
为流经热源的供水管道入口温度，
Figure BDA0002616606530000039
为流经热源的回水管道的出口温度，c为管道中传输介质的比热容。
基于同一构思，本发明还提供了一种综合能源***的调度***，包括：
数据采集模块，用于获取热网管道参数和热负荷热量需求，并计算热网管道稳态的入口水温和出口水温；
热网管道计算模块，用于将所述热网管道参数、热网管道稳态的入口水温和出口水温与热负荷热量需求输入预先构建的热网管道传输模型，得到热网管道动态的出口水温；
综合调度模块，用于基于所述热网管道动态的出口水温，进行综合能源***的调度；
所述热能传输模型基于对热网管道的热能一维流动能量守恒方程进行差分处理得到。
优选的，热网管道参数，包括：
管道流量、管道长度、管道截面积和管道热损系数。
优选的，该***还包括热网管道传输模型构建模块，所述热网管道传输模型构建模块，包括：
差分模型构建单元，用于对热网管道中热能一维流动能量守恒方程进行差分化，得到热网管道传输差分模型；
约束构建单元，用于构建所述热网管道传输差分模型的约束条件，构建热网管道传输模型；
所述约束条件包括：管网节点的流量平衡约束、管网节点的热能-流量平衡约束、换热站的热量约束和热源热量约束。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明提供了一种综合能源***的调度方法和***，包括：获取热网管道参数和热负荷热量需求，并计算热网管道稳态的入口水温和出口水温；将所述热网管道参数、热网管道稳态的入口水温和出口水温与热负荷热量需求输入预先构建的热网管道传输模型，得到热网管道动态的出口水温；基于所述热网管道动态的出口水温，进行综合能源***的调度，本发明中热网管道传输模型基于对热网管道的热能一维流动能量守恒方程进行差分处理得到，该模型即可以准确反映热网延时和虚拟储能特性，同时由于通过差分算法将难以直接求解的热能一维流动能量守恒偏微分方程方程转化为常微分方程，有效减少计算量，简化了热网管道动态的出口水温的求解难度，进而提高了综合能源***调度的准确性和调度效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种综合能源***的调度方法示意图；
图2为本发明提供的一种综合能源***的调度***示意图；
图3为本发明实施例中提供的热网管道传输模型的构建及应用流程的框图；
图4为本发明实施例中提供的根据热网管道传输差分模型搭建的单根管道SIMULINK仿真模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
本发明实施例提供的一种综合能源***的调度方法如图1所示，包括：
S1获取热网管道参数和热负荷热量需求，并计算热网管道稳态的入口水温和出口水温；
S2将所述热网管道参数、热网管道稳态的入口水温和出口水温与热负荷热量需求输入预先构建的热网管道传输模型，得到热网管道动态的出口水温；
S3基于所述热网管道动态的出口水温，进行综合能源***的调度；
所述热能传输模型基于对热网管道的热能一维流动能量守恒方程进行差分处理得到。
热力管网包括供水管道和回水管道，未经特殊说明的管道模型对供水网络和回水网路中的管道均适用。
在进行综合能源***的调度前，需要构建热网管道传输模型，其中，热网管道传输模型的构建及应用流程的框图如图3所示，包括：根据管道一维传递特性，建立一次热力管网管道的数学传输模型；在一个长度较短的小段管道内,可假设管道温度是线性变化的，从而对管道模型进行差分化；构建管道传输差分模型的约束，该模型充分考虑了管道的传输时延与温度损耗，通过该模型可以计算得到管道供水管道和回水管道的出入口水温；对建好的模型进行验证；基于验证后的模型，进行综合能源***的调度。
具体的，热网管道传输模型的构建，包括：
步骤1：热网管道模型的建立与差分化：
步骤1.1：热网管道模型的建立：
根据管道传输特性，由于热的轴向扩散是一个可以忽略不计的因素，尤其是在慢速非湍流中，忽略轴向扩散意味着沿管道流动的每一点质量的水不干扰其他相邻质量的水，因此，忽略管道中热的轴向扩散，得到一次管网管道的数学传输模型如下式所示：
Figure BDA0002616606530000051
式中：
c——管道中传输介质的比热容,单位为J/Kg·℃；
ρ——传输介质的密度，单位为Kg/m3；
Ai——第i根管道的横截面积，单位为m2；
Ti——第i根管道中的水温与环境温度的差值，单位为℃；
mi——第i根管道中水流的质流量，单位为Kg/s；
λ——管道的热损系数，单位为W/m·℃；
t——时间，
Figure BDA0002616606530000052
代表管道温度对时间进行微分；
x——长度，
Figure BDA0002616606530000053
代表管道温度对长度进行微分。
根据网络的对称性，该模型既适用于供水网络，也适用于回水网络。
步骤1.2：热网管道模型的差分化：
在一个长度较短的小段管道内,可做如下假设，如果管道过长，可以增加虚拟节点，将一根长管道分割为多段管道进行考虑：
Figure BDA0002616606530000061
式中：
Ti,out——增加虚拟节点后的第i根管道的出口温度，单位为℃；
Ti,in——增加虚拟节点后的第i根管道的入口温度，单位为℃；
Li——增加虚拟节点后的第i根管道的长度。
将上式代入管道数学模型方程，令Ti＝Ti,out，并且在稳态运行点Ti,outst处进行小偏差线性化，得到如下等式：
Figure BDA0002616606530000062
式中：
ΔTi,in——t时刻第i段管道的入口温度Ti,in与稳态运行点Ti,inst的偏差，单位为℃；
ΔTi,out——t时刻第i段管道的出口温度Ti,out与稳态运行点Ti,outst的偏差，单位为℃；
Figure BDA0002616606530000064
——均为与管道参数相关的常量。
如附图4所示是根据该差分结果得到的单根管道模型搭建的SIMULINK仿真模型，其中，对应差分后的管道方程，输入管道相关参数mi、Ai、Li，常数c、λ、ρ以及管道的稳态出口温度Ti,outst和管道的稳态入口温度Ti,intst，管道入口温度Ti,in由与它相连的管道计算得到，从而可以得到输出端口的出口温度Ti,out。
步骤2：热网模型的约束建立：
热网模型的约束包括管网节点的流量平衡约束、管网节点的热能-流量约束以及换热站约束与热源约束。
管网节点的流量平衡约束如下式所示：
Figure BDA0002616606530000063
式中：
Figure BDA0002616606530000071
——与节点n相连并从节点n结束的管道的集合；
Figure BDA0002616606530000072
——与节点n相连并从节点n起始的管道的集合；
mi——管道i中的质量流量，单位为Kg/s；
mj——管道j中的质量流量，单位为Kg/s。
不同管道的热水流入相同节点后进行温度混合，混合后从该节点流出的热水温度相同，管网节点的热能-流量约束如下式所示：
Figure BDA0002616606530000073
式中：
Ti,out——管道i的出口温度，单位为℃；
Tj,in——管道j中的入口温度，单位为℃。
在热网的一次管网中，换热站就相当于负荷，因此，对一次热网中的换热站，换热站的数学模型如下式所示：
Figure BDA0002616606530000074
式中：
Qk——负荷k处换热站所需热量，单位为W；
mk——流经负荷处第k个换热站的热水质量，单位为Kg；
Figure BDA0002616606530000075
——流经换热站的供水管道的出口温度，单位为℃；
Figure BDA0002616606530000076
——流经换热站的回水管道的入口温度，单位为℃。
热源与换热站类似，其数学模型如下式所示：
Figure BDA0002616606530000077
式中：
Qw——热源w提供的热量，单位为W；
mw——第w个热源流出的热水质量，单位为Kg；
Figure BDA0002616606530000078
——流经热源的供水管道入口温度，单位为℃；
Figure BDA0002616606530000081
——流经热源的回水管道的出口温度，单位为℃。
步骤3：数据获取：
本模型的应用场景为采用质调节的热力管网，因此，所述模型的提前应测数据与计算数据包括：管道流量mi、管道长度Li、管道截面积Ai、管道热损系数λ、负荷所需热量Qk以及管道稳态出入口温度Ti,inst、Ti,outst。
步骤4：模型验证：
基于上述所提出的一次热力管网的***数学模型，用测得的管道出入口温度与实测水温相比较，验证模型的有效性。
以上步骤就是对考虑网络动态特性的热网管道的差分建模过程。
实施例2：
本发明实施例公开了一种综合能源***的调度***，如图2所示，包括：
数据采集模块，用于获取热网管道参数和热负荷热量需求，并计算热网管道稳态的入口水温和出口水温；
热网管道计算模块，用于将所述热网管道参数、热网管道稳态的入口水温和出口水温与热负荷热量需求输入预先构建的热网管道传输模型，得到热网管道动态的出口水温；
综合调度模块，用于基于所述热网管道动态的出口水温，进行综合能源***的调度；
所述热能传输模型基于对热网管道的热能一维流动能量守恒方程进行差分处理得到。
其中，热网管道参数，包括：
管道流量、管道长度、管道截面积和管道热损系数。
进一步的，该***还包括热网管道传输模型构建模块，所述热网管道传输模型构建模块，包括：
差分模型构建单元，用于对热网管道中热能一维流动能量守恒方程进行差分化，得到热网管道传输差分模型；
约束构建单元，用于构建所述热网管道传输差分模型的约束条件，构建热网管道传输模型；
所述约束条件包括：管网节点的流量平衡约束、管网节点的热能-流量平衡约束、换热站的热量约束和热源热量约束。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种综合能源***的调度方法，其特征在于，包括：
获取热网管道参数和热负荷热量需求，并计算热网管道稳态的入口水温和出口水温；
将所述热网管道参数、热网管道稳态的入口水温和出口水温与热负荷热量需求输入预先构建的热网管道传输模型，得到热网管道动态的出口水温；
基于所述热网管道动态的出口水温，进行综合能源***的调度；
所述热能传输模型基于对热网管道的热能一维流动能量守恒方程进行差分处理得到。
2.如利要求1所述的方法，其特征在于，所述热网管道参数，包括：
管道流量、管道长度、管道截面积和管道热损系数。
3.如利要求1所述的方法，其特征在于，所述热网管道传输模型的构建，包括：
对热网管道中热能一维流动能量守恒方程进行差分化，得到热网管道传输差分模型；
构建所述热网管道传输差分模型的约束条件，构建热网管道传输模型；
所述约束条件包括：管网节点的流量平衡约束、管网节点的热能-流量平衡约束、换热站的热量约束和热源热量约束。
4.如利要求3所述的方法，其特征在于，所述热网管道传输差分模型如下式所示：
Figure FDA0002616606520000011
式中，mi为增加虚拟节点后第i根管道中水流的质量流量，Ai为增加虚拟节点后第i根管道的横截面积，Li为增加虚拟节点后的第i根管道的长度，Ti,in为增加虚拟节点后的第i根管道的入口温度，Ti,out为增加虚拟节点后的第i根管道的出口温度，Ti,intst为稳态运行点的入口水温，Ti,outst为稳态运行点的出口水温，ΔTi,in为t时刻增加虚拟节点后第i段管道的入口温度Ti,in与稳态运行点Ti,inst的偏差，ΔTi,out为t时刻增加虚拟节点后第i段管道的出口温度Ti,out与稳态运行点Ti,outst的偏差，
Figure FDA0002616606520000012
和
Figure FDA0002616606520000013
为与管道参数相关的常量，c为管道中传输介质的比热容，ρ为传输介质的密度，λ为管道的热损系数。
5.如利要求4所述的方法，其特征在于，所述管网节点的流量平衡约束如下式所示：
Figure FDA0002616606520000021
式中，mj增加虚拟节点后第j根管道中水流的质量流量，
Figure FDA0002616606520000022
为与节点n相连并从节点n结束的管道的集合，
Figure FDA0002616606520000023
为与节点n相连并从节点n起始的管道的集合，n为热网管道中的第n个节点。
6.如利要求4所述的方法，其特征在于，所述管网节点的热能-流量平衡约束如下式所示：
Figure FDA0002616606520000024
式中，mj为增加虚拟节点后第j根管道中水流的质量流量，
Figure FDA0002616606520000025
为与节点n相连并从节点n结束的管道的集合，
Figure FDA0002616606520000026
为与节点n相连并从节点n起始的管道的集合，n为热网管道中的第n个节点，Tj,in为增加虚拟节点后的第j根管道的入口温度。
7.如利要求3所述的方法，其特征在于，所述换热站的热量约束如下式所示：
Figure FDA0002616606520000027
式中，Qk为负荷k处换热站所需热量，c为管道中传输介质的比热容，mk为流经负荷k处换热站的热水质量，
Figure FDA0002616606520000028
为流经换热站的供水管道的出口温度，
Figure FDA0002616606520000029
为流经换热站的回水管道的入口温度。
8.如利要求3所述的方法，其特征在于，所述热源热量约束如下式所示：
Figure FDA00026166065200000210
式中，Qw为热源w提供的热量，mw为第w个热源流出的热水质量，
Figure FDA00026166065200000211
为流经热源的供水管道入口温度，
Figure FDA00026166065200000212
为流经热源的回水管道的出口温度，c为管道中传输介质的比热容。
9.一种综合能源***的调度***，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于获取热网管道参数和热负荷热量需求，并计算热网管道稳态的入口水温和出口水温；
热网管道计算模块，用于将所述热网管道参数、热网管道稳态的入口水温和出口水温与热负荷热量需求输入预先构建的热网管道传输模型，得到热网管道动态的出口水温；
综合调度模块，用于基于所述热网管道动态的出口水温，进行综合能源***的调度；
所述热能传输模型基于对热网管道的热能一维流动能量守恒方程进行差分处理得到。
10.如利要求8所述的***，其特征在于，所述热网管道参数，包括：
管道流量、管道长度、管道截面积和管道热损系数。
11.如利要求8所述的***，其特征在于，还包括热网管道传输模型构建模块，所述热网管道传输模型构建模块，包括：
差分模型构建单元，用于对热网管道中热能一维流动能量守恒方程进行差分化，得到热网管道传输差分模型；
约束构建单元，用于构建所述热网管道传输差分模型的约束条件，构建热网管道传输模型；
所述约束条件包括：管网节点的流量平衡约束、管网节点的热能-流量平衡约束、换热站的热量约束和热源热量约束。
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