[发明专利]一种区域管网拓扑优化方法

说明书

本发明公开了一种区域管网拓扑优化方法，以得到更优的管网拓扑类型，为区域管网设计优化提供理论指导。本发明以年度总费用作为目标函数，提出了新的管网连接类型（斯坦纳树型），增加了能量损失，即运行费用，采用不同的图论算法对不同管网类型算法分别进行求解并对比分析，以得到更优的管网拓扑类型，为区域系统管网设计优化提供理论指导。因此，本发明所涉及的方法，不仅可以使管网项目年度总运营费用最小，而且可以达到节能的目的。本发明为区域管网的规划和优化提供了一种有效的方法建议。

技术领域

本发明涉及区域管网拓扑优化方法，以得到更优的管网拓扑类型，为区域管网设计优化提供理论指导。

背景技术

以天然气及生物质能、太阳能、氢能等可再生的清洁能源为一次能源，在用户端的小型或微型独立输出电、热(冷)能的系统，以实现能源梯级利用，并通过中央能源供应系统提供支持和补充的综合能源生产系统，输配管网是分布式能源系统中重要的组成部分，其管道的布置、管径优化、保温层厚度的选择、输送距离的确定以及水力平衡计算等对系统的效率和经济性均有较大的影响。

针对管径优化、保温层厚度的选择、输送距离的确定等，有学者考虑了供冷、热负荷的变化以及全年不同时段的运行调整，采用遗传算法求解离散直径的最优组合。也有学者通过改进重组等遗传算子，用整数编码遗传算法确定管径。夏博基于寿命周期费用分析方法建立了区域供冷面积及最远输送距离的优化模型，提出了优化模型限定条件及求解方法。还有学者研究了基站作用半径以及二级泵位置等对系统的影响关系，构建管网能耗损失和投资函数，采用内点算法求解。也有学者建立了区域供冷系统管网优化模型，并应用正交优化法对管网的设计参数进行计算与分析。

而对于管网布置的优化，有学者结合城市综合体冷热源系统负荷特点及其特性的影响因素，建立城市综合体冷热源系统管路优化的模型，对于枝状管网和环状管网采用遗传算法求解。陈娟等学者对于分布式能源系统的建模与优化，提出了针对其规划阶段的基于决策和系统的区域分布式能源系统(RDES)双层优化结构，对系统优化曾采用NSGA-II多目标遗传算法进行多目标问题的帕累托最优求解；对于站网的布局与优化，提出了供需能源结点之间管网建设费用年值的“能距”概念，基于此构建求解RDES站网图P中位的布局模型，采用基于能距概念的RDES定址布网算法，在遍历解集空间中所有可行解基础上，最终得到确定的最优解。冯小平等学者建立了区域供冷系统全局优化设计的模型，选用遗传算法求解，并针对其研究问题对遗传算法设计和运行提出了整数编码、采取最优个体保存策略、交叉率和变异率自适应等改进策略，同时使用试探回朔法或双通路法选择回路以提高管网解算速度，应用改进单亲遗传算法进行枝状管网的优化布置，设计了相应的适应度函数、单亲换位算子和逆转算子。王中华等学者将管网布置遗传优化算法与管径逐次逼近优化算法结合构造新的算法求解复杂枝状管网全局优化设计中巨量维解空间的寻优问题，提高了管网优化设计效率。

对于分布式能源系统管网的优化，学者大多以成本最低为目标，以用户需求、流速、管径等为约束条件，通常将布局优化问题转化为图论中的最小树(MST)问题，把管网默认视为枝状管网，运用遗传算法或者改进后的遗传算法进行求解。本发明在此基础上提出了新的管网连接类型(斯坦纳树型)，以年度总费用作为目标函数，增加考虑能量损失，即运行费用，采用不同的图论算法对不同管网类型算法分别进行求解并对比分析，以得到更优的管网拓扑类型，为区域管网系统的管网设计优化提供理论指导。

Kruskal算法是一种求解加权连通图最小生成树的经典算法，基于贪心思想，其计算过程以边为主导，与之对应的还有Prim算法，其计算过程以顶点为主导。由于前者可以避免多次排序，其效率优于后者，因此，本文选取Kruskal算法进行计算，流程如下：

(1)已知加权连通图G＝(V,E,W)，其中V、E和W分别是连通图中的顶点集、边集以及边的权重的集合，最初最小生成树中的边集为空集；

(2)根据权重从小到大对连通图中的每条边进行排序；