一种自主优化运行集中供热运行稳定性评估方法及系统与流程

1.本发明涉及一种自主优化运行集中供热运行稳定性评估方法及系统。


背景技术：

2.目前，供热自主驾驶系统主要包括设备层、通讯层和决策层。其中，设备层包括系统运行参数的监测采集设备和供热调节设备，作为集中供热自主驾驶的生产运行调度控制系统的基础，将供热系统各环节构成一个上下游衔接的供热系统。通讯层包括dcs、scada等自动化系统和iot工业物联网系统，用于测量和感知供热系统运行的负荷、温度、压力、流量等状态参数，气象环境条件、建筑物室温等，并通过电调泵、阀等设备实现远程控制。主要负责联通设备层和决策层。决策层从通讯层获得设备层状态信息，采用算法、模型或专家系统等手段，给出驾驶决策目标值，对目标策略进行动态仿真分析，给出优化策略目标值，为通讯层提供预测调控策略，并对系统进行实时评价分析和稳定性评价监测。调控通常采用人机融合的方式，在对供热自主驾驶系统进行智能控制时，系统评估不稳定时候，智能控制退出，由人来进行决策。
3.智能控制不同于传统控制，稳定性要求较高，脱离了人为操作判断过程，不可避免需要进行预先验证过程。为了保证长输供热管网运行的安全性和可靠性。将大数据技术与热网安全预警相结合，对热网调节运行效果进行科学化量化评价，在计算机系统内建立与供热系统一致的热网结构机理模型，支持对接实时状态传感器、运行历史等数据接口，实现对供热系统各状态、多尺度的仿真，建立与供热系统一一对应的映射系统；在决策方案生成过程中，以及自动化下发之前，通过在线仿真验证整体方案的运行结果，进行在线和离线的安全稳定分析和决策计算，进行风险分析，为调度员提供控制决策支持，并将运行参数返回决策算法中进行数据分析，得出策略报告。由于热网的复杂性，需要根据监测数据进行实时的评价分析，以便应对热网状态变化情况，做出及时调整。
4.现有的供热自主驾驶的系统多是考虑满足热负荷需求下的策略目标，由于系统中各环路间水力状况的变化是相互影响和制约的，站点进行不合理策略下发时，极易引发管网的内部压力波动，需要大量值班人员进行监测，加大了操作人员的工作强度和难度。且系统故障诊断、报警与排查不及时，使得系统不能稳定安全运行。一旦出现问题，极易给人民带来严重的安全隐患，影响正常供暖，给企业带来不可估量的经济损失。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种自主优化运行集中供热运行稳定性评估方法及系统，基于供热管网系统得到的热网的智能调度策略，建立供热管网系统的功能稳定性评价指标，进行系统稳定性评估。
6.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
7.本发明一方面提供一种自主优化运行集中供热管网系统的稳定性评估方法，它包括：
8.步骤s1、对供热管网系统中的运行参数进行采集、分析、判断和处理，预警实时异常数据；
9.步骤s2、根据供热管网系统得到的热网的智能调度策略，进行智能调度策略的安全性验证，建立城市集中供热管网系统包括换热站、管网、热用户的安全评价仿真模型，模拟供热管网系统在该智能调度策略下的全网水力平衡动态变化过程，针对该过程中的压力、流量运行参数，进行参数规律、系统的变化趋势以及系统稳定性的分析，得出验证结果；
10.步骤s3、根据得出的验证结果，分析智能调度策略的可用性，并根据智能调度策略执行获取供热管网系统的实时运行情况，对各换热站点运用动态评分的表现形式，将供热管网系统实测反馈数据量化成动态变化的评估指标数据，对供热管网系统进行供热的安全评估；
11.步骤s4、根据供热管网系统的实时监测数据，进行系统稳定性评估，对供热管网系统供热量达标情况及管网安全性进行诊断，得出供热管网系统的功能稳定性评价指标je，通过对稳定性评价指标je量化处理后，对系统稳定性进行等级划分。
12.进一步，所述稳定性评价指标je包括各热源的供热可靠性指标和各热源的安全性指标，所述稳定性评价指标je的表达式为：
13.je＝[j1,j2,
…
,ji,
…
,jm]
[0014]
其中，m为热网热源数量；i热源的稳定性评价指标ji的表达式为：
[0015]ji
＝w1j
ri
+w2j
si
[0016]
其中，j
ri
为热源i的可靠性指标；j
si
为热源i的安全性指标，w1,w2为满足w1+w2＝1的加权系数。
[0017]
进一步，所述步骤s2中的供热管网系统的安全评价仿真模型为：
[0018][0019]
其中，x(t0)＝x0，t∈[t0,∞)，根据李雅普诺夫稳定性理论，任意初始时刻t0，初始状态x0≠0引起的状态响应x(t)对t∈[t0,∞)有界，并满足稳定属性，即则供热管网系统稳定。
[0020]
进一步，所述步骤s4中的各热源的供热可靠性指标的建立，具体包括：
[0021]
分析用户侧舒适性随时间的变化规律，结合供热管网系统供热能力相关的特征量，如供热管网系统的供热量q、供水温度ts、回水温度tr、热用户室内温度tu，对实时供热管网系统的整个动态过程中瞬时可用度进行研究，建立各热源的供热可靠性指标集合jr，所述各热源的供热可靠性指标jr的表达式为：
[0022]
jr＝[j
r1
,j
r2
,
…
,j
ri
,
…
,j
rm
]
[0023]
其中，m为热网热源数量；i热源的可靠性指标j
ri
的表达式为：
[0024][0025]
其中，f
ri
为i热源的可靠性性指标函数；α为i热源下热力站数量；q
ζ
为ζ换热站点的供热量；t
sζ
为ζ换热站点的供水温度；t
rζ
为ζ换热站点的回水温度；为ζ换热站点的热用户室温与目标室温误差集合，表示为n表示该换热站点下热用户数量，
λ
rζ
为ζ换热站点的可靠性加权系数，满足
[0026]
进一步，所述步骤s4中的各热源的安全性指标的建立，具体包括：
[0027]
根据实时监测到的供热管网系统的压力和流量参数，利用专家算法进行理论分析，进行动态供热系统的过程稳定性研究，建立各热源的安全性指标集合js，所述各热源的安全性指标js的表达式为；
[0028]js
＝[j
s1
,j
s2
,
…
,j
si
,
…
,j
sm
]
[0029]
其中，m为热网热源数量；i热源的安全性指标j
si
的表达式为：
[0030][0031]
其中，f
si
为i热源的安全性指标函数；α为i热源下热力站数量；p
ζ
为ζ换热站点的一次网压力的阈值；x
ζ
为ζ换热站点的状态变量，包括流量、压力；x
ζ
＝[q
ζ
(t),p
ζ
(t)]
t
，t
ζth
为ζ换热站点的时间收敛阈值；q
ζ
为ζ换热站点的一次网供水流量的阈值，λ
sζ
为ζ换热站点的安全性加权系数，满足
[0032]
进一步，在上述建立稳定性评价指标量化处理后，对系统稳定性进行等级划分，各站点稳定性等级如表1所示。ji表示热源i的稳定性评价指标，如果评价值高于0.2，发出预警，提示需要人为介入；如果高于0.4，则退出调控，提示风险区域，等待人员介入再响应。
[0033]
本发明另一方面提供一种自主优化运行集中供热运行稳定性评估系统，它包括：
[0034]
设备层，所述设备层用于实时检测并采集供热管网系统运行参数，并对供热管网系统中的各个环节进行调节；
[0035]
通讯层，所述通讯层用于接收设备层上传的供热管网系统运行参数，并向设备层下发远程调控指令；
[0036]
自主决策层，所述自主决策层通过通讯层获得供热管网系统运行参数，采用算法模型或专家模式进行数据分析，给出驾驶决策目标值，对目标策略进行动态仿真分析，给出优化策略目标值，为通讯层提供预测调度策略；
[0037]
稳定性评估层，所述稳定性评估层包括策略仿真验证端和策略评估端；所述策略仿真验证端用于进行智能调度策略的安全性验证，建立城市集中供热管网系统的安全评价仿真模型，从不同的层次和角度分析调度策略下供热管网中不同类型参数的运行规律，预测供热管网系统未来的安全趋势；所述策略评估端用于根据验证结果分析策略的稳定性，并根据策略执行下系统的实时运行情况，将供热管网系统实测反馈数据量化成动态变化的评估指标数据，进行供热管网系统的稳定性评估。
[0038]
进一步，所述通讯层包括集散控制系统dcs、监视控制系统scada和iot工业物联网系统。
[0039]
进一步，所述设备层包括监测采集设备和供热调节设备，所述监测采集设备用于采集供热管网系统运行参数，所述供热调节设备用于对供热管网系统的各环节进行调节。
[0040]
进一步，所述供热管网系统运行参数包括状态参数、气象环境条件和建筑物室温，所述状态参数包括负荷、温度、压力和流量。
[0041]
采用了上述技术方案，本发明根据供热管网系统得到的热网的智能调度策略，建
立供热管网系统的功能稳定性评价指标，将大数据技术与热网安全预警相结合，直观、方便的验证基于自主驾驶系统的控制策略的有效性与安全性，精准把握整个供热管网的供热状况，提升热网管理水平。改变了传统依靠人工值守和人工现场实际经验调控的管理方式，利于管理者和现场操作人员实时监测预警，大大降低了运行成本，减轻了现场工作人员的工作强度，减轻操作人员监视疲劳。实现热网智能化运行管理的社会效益、热网运行节能经济效益，实现了供热自主驾驶的自动化和信息化，事故发生率，有效节约能源，提高供热质量及管网安全可靠性，实现智能供热，推广价值高。
附图说明
[0042]
图1为本发明的一种自主优化集中供热运行稳定性评估系统的原理框图；
[0043]
图2为本发明的一种自主优化集中供热运行稳定性评估系统的工作流程图；
[0044]
图3为本发明的一种自主优化运行集中供热系统的稳定性评估方法的方法流程图；
[0045]
图4为本发明的供热管网系统的系统组成图。
具体实施方式
[0046]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0047]
实施例一
[0048]
如图3所示，本实施例提供一种自主优化运行集中供热系统的稳定性评估方法，它包括：
[0049]
步骤s1、对供热管网系统中的运行参数进行采集、分析、判断和处理，预警实时异常数据；
[0050]
步骤s2、根据供热管网系统得到的热网的智能调度策略(即泵频率、阀门开度、流量等)，进行智能调度策略的安全性验证，建立城市集中供热系统包括换热站、管网、热用户的安全评价仿真模型，模拟供热管网系统在该智能调度策略下的全网水力平衡动态变化过程，针对该过程中的压力、流量运行参数，进行参数规律、系统的变化趋势以及系统稳定性的分析，得出验证结果，为了保证智能调度策略的安全性，因此需要进行超前仿真验证；
[0051]
步骤s3、根据得出的验证结果，分析智能调度策略的可用性，并根据智能调度策略执行获取供热管网系统的实时运行情况，对各换热站点运用动态评分的表现形式，将供热管网系统实测反馈数据量化成动态变化的评估指标数据，对供热管网系统进行供热的安全评估；
[0052]
步骤s4、根据供热管网系统的实时监测数据，进行系统稳定性评估，对供热管网系统供热量达标情况及管网安全性进行诊断，得出供热管网系统的功能稳定性评价指标je，稳定性评价指标je包含各热源的供热可靠性指标和各热源的安全性指标，稳定性评价指标je的表达式为：
[0053]
je＝[j1,j2,
…
,ji,
…
,jm]
[0054]
其中，m为热网热源数量；i热源的稳定性评价指标ji的表达式为：
[0055]ji
＝w1j
ri
+w2j
si
[0056]
其中，j
ri
为热源i的可靠性指标；j
si
为热源i的安全性指标，w1,w2为满足w1+w2＝1的加权系数。
[0057]
由于供热管网系统为非线性时变系统，本实施例的步骤s2中的供热管网系统的安全评价仿真模型为：
[0058][0059]
其中，x(t0)＝x0，t∈[t0,∞)，根据李雅普诺夫稳定性理论，任意初始时刻t0，初始状态x0≠0引起的状态响应x(t)对t∈[t0,∞)有界，并满足稳定属性，即则供热管网系统稳定。
[0060]
所以如果过程中的状态流量及压力数据满足时间趋近于无穷大时，流量与压力的变化率收敛于0且流量压力均在阈值范围内，则验证了方案的可行性。
[0061]
本实施例的步骤s4中的各换热站点的供热可靠性指标的建立，具体包括：
[0062]
分析用户侧舒适性随时间的变化规律，结合供热管网系统供热能力相关的特征量，如供热管网系统的供热量q、供水温度ts、回水温度tr、热用户室内温度tu，对实时供热管网系统的整个动态过程中瞬时可用度进行研究，建立各热源的供热可靠性指标集合jr，各热源的供热可靠性指标jr的表达式为：
[0063]
jr＝[j
r1
,j
r2
,
…
,j
ri
,
…
,j
rm
]
[0064]
其中，m为热网热源数量；i热源的可靠性指标j
ri
的表达式为：
[0065][0066]
其中，f
ri
为i热源的可靠性性指标函数；α为i热源下热力站数量；q
ζ
为ζ换热站点的供热量；t
sζ
为ζ换热站点的供水温度；t
rζ
为ζ换热站点的回水温度；为ζ换热站点的热用户室温与目标室温误差集合，表示为n表示该换热站点下热用户数量，λ
rζ
为ζ换热站点的可靠性加权系数，满足
[0067]
本实施例的步骤s4中的各热源的安全性指标的建立，具体包括：
[0068]
根据实时监测到的供热管网系统的压力和流量参数，利用专家算法进行理论分析，进行动态供热系统的过程稳定性研究，建立各热源的安全性指标集合js，各热源的安全性指标js的表达式为；
[0069]js
＝[j
s1
,j
s2
,
…
,j
si
,
…
,j
sm
]
[0070]
其中，m为热网热源数量；i热源的安全性指标j
si
的表达式为：
[0071][0072]
其中，f
si
为i热源的安全性指标函数；α为i热源下热力站数量；p
ζ
为ζ换热站点的一次网压力的阈值；x
ζ
为ζ换热站点的状态变量，包括流量、压力；x
ζ
＝[q
ζ
(t),p
ζ
(t)]
t
，t
ζth
为ζ换热站点的时间收敛阈值；q
ζ
为ζ换热站点的一次网供水流量的阈值，λ
sζ
为ζ换热站点的安全性加权系数，满足
[0073]
针对非线性系统而言，对于任意有界的输入u(t)，满足条件||u(t)||≤β1＜∞，对应的输出y(t)均有界，即||y(t)||≤β2＜∞，则称系统有界输入-有界输出稳定性，简称为bibo稳定性。如果在整个动态过程中，压力与流量数据均在有界并在阈值范围内，且系统状态变化速率ε为调节系数，在时间t
ith
阈值范围内，系统的趋近于0，则表示系统是稳定的。
[0074]
在对上述稳定性评价指标量化处理后，对系统稳定性进行等级划分，各站点稳定性等级如表1所示。ji表示热源i的稳定性指标，如果评价值高于0.2，发出预警，提示需要人为介入；如果高于0.4，则退出调控，提示风险区域，等待人员介入再响应。
[0075]
表1稳定性评价指标定义
[0076][0077]
另外，供热管网系统的策略执行端为了减少由于站点阀门短时间频繁动作引起的水流波动或水击，热网加设延时开启保护，即被选热网站点阀门已停止时间大于设定时间后方可再次开启。
[0078]
实施例二
[0079]
如图1、2所示，本实施例提供一种自主优化运行集中供热运行稳定性评估系统，它包括：设备层、通讯层、自主决策层和稳定性评估层。
[0080]
设备层，设备层用于实时检测并采集供热管网系统运行参数，并对供热管网系统中的各个环节进行调节；设备层包括监测采集设备和供热调节设备，监测采集设备用于采集供热管网系统运行参数，供热调节设备用于对供热管网系统的各环节进行调节。供热管网系统运行参数包括状态参数、气象环境条件和建筑物室温，状态参数包括负荷、温度、压力和流量。
[0081]
通讯层，通讯层用于接收设备层上传的供热管网系统运行参数，并向设备层下发远程调控指令，通讯层主要负责联通设备层和自主决策层；通讯层包括集散控制系统dcs、监视控制系统scada和iot工业物联网系统。
[0082]
自主决策层，自主决策层通过通讯层获得供热管网系统运行参数，采用算法模型或专家模式进行数据分析，给出驾驶决策目标值，对目标策略进行动态仿真分析，给出优化策略目标值，为通讯层提供预测调度策略；
[0083]
稳定性评估层，稳定性评估层包括策略仿真验证端和策略评估端；策略仿真验证端用于进行智能调度策略的安全性验证，建立城市集中供热管网系统包括换热站、管网、热用户的安全评价仿真模型，从不同的层次和角度分析调度策略下供热管网中不同类型参数的运行规律，预测供热管网系统未来的安全趋势；策略评估端用于根据验证结果分析策略
的稳定性，并根据策略执行下系统的实时运行情况，将供热管网系统实测反馈数据量化成动态变化的评估指标数据，进行供热管网系统的稳定性评估，直观的了解系统的运行情况。
[0084]
具体地，如图4所示，本实施中的供热管网系统包括热源、一次网、换热站、二次网和热用户，热源通过一次网与换热站相连，换热站通过二次网与热用户相连。
[0085]
以上的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。