[发明专利]一种实现集中供热管网系统动态水力优化的方法

权利要求书

1.一种实现集中供热管网系统动态水力优化的方法，基于非线性规划算法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对集中供热管网系统的管网阻力、热用户阻力、电动阀特性曲线及水泵特性曲线进行标定；其中，管网及热用户阻力通过结合管网设计图、压力表和热量表实测参数进行标定；电动阀特性曲线通过在某一供水压力下，测量若干个流量和阀门开度对应值来获得拟合特性曲线；水泵特性曲线通过闭合电动阀调节管网阻力，测量若干个总供回水流量和压差来获得拟合特性曲线；

2)建立水力平衡方程；水力平衡方程需同时满足流量守恒和回路压降和为零；将集中供热管网系统中的供热管网类比电路结构，基于基尔霍夫电流定律，供热管网的支路流量等于该支路所有热力入口流量之和，写成矩阵的形式为：

G＝AQ

G：支路流量；A：系数矩阵；Q：热力入口流量；

基于基尔霍夫电压定律，在供热管网中应满足闭合回路压降的代数和为0，在供热管网中，经过总供回水管的管路压降方程的矩阵形式为：

P-S(G*G)-(R+R_v)(Q*Q)＝0

P：总供回水压差；S：沿程阻力系数；R：热力入口阻力系数；R_v：电动阀阻力系数；*：矩阵对应元素乘积运算；

3)以水泵输送能耗最小为目标，以电动阀阻力、热力入口流量、总供回水压差为约束变量，建立非线性规划求解模型如下：

上式中，目标函数除了满足水力平衡方程外，电动阀阻力、热力入口流量和总供回水压差分别满足最小阀阻R_v0、最小流量Q₀和最小压差0约束；由于线性规划求解模型中含有流量约束变量，对于未安装电动阀进行控制的热力入口，线性规划求解模型同样能够进行求解；

4)优化求得水泵的频率及电动阀的开度，并通过监控平台对各水泵和电动阀门发送指令执行。

2.根据权利要求1所述一种实现集中供热管网系统动态水力优化的方法，其特征在于，步骤(3)中非线性规划求解模型通过迭代法进行求解，迭代法的基本求解方法为：首先给定一个初始点x⁰∈Rⁿ，按照迭代规则生成一个点列{x^k}，当{x^k}是有限点列时，最后一个点便是这个非线性规划的最优解；设x^k∈Rⁿ是第k轮迭代点，x^k+1∈Rⁿ是第k+1轮迭代点，则x^k和x^k+1的关系为：

x^k+1＝x^k+t_kp^k

上式中，p^k是x^k沿x^k+1方向的单位向量，|p^k|＝1；t_k是p^k沿方向的步长因子，该式表明了x^k的下一轮迭代点x^k+1是沿p^k方向的t_k长度，即确定了下一轮迭代点的位置；

使用迭代法求解非线性规划的关键在于如何确定每一轮搜索的步长和方向，在求解非线性规划之前引入下降方向和可行方向两个概念，下降方向指函数在一点处的下降方向是使函数值减少或下降的方向；可行方向指函数在一点处关于某区域的可行方向是使这个方向上存在可行点的方向；

由此可知，使用基本迭代格式求解非线性规划问题的步骤如下：

(301)选取初始数据；选择初始迭代点x⁰，令迭代次数k＝0；

(302)构造搜索方向；对于待求解的非线性规划问题，构造目标函数在点x^k处的可行下降方向作为搜索方向p^k；

(303)寻求搜索步长；以x^k为起点沿搜索方向p^k寻求合适的步长t_k，使规划问题的目标函数有意义的下降；

(304)求解下一个迭代点；下一个迭代点x^k+1由x^k+1和x^k的关系式(x^k+1＝x^k+t_kp^k)求出，并令k＝k+1再次从第(302)步开始执行；直到x^k+1满足给定的终止条件后停止迭代，输出近似最优解x^k+1。