基于实时数字孪生的供热系统规划改造和调度一体化方法与流程

本发明属于供热系统，具体涉及一种基于实时数字孪生的供热系统规划改造和调度一体化方法。

背景技术：

1、随着科技的进步，城市供热系统将越来越依赖智能化和自动化技术。通过引入智能传感器、云计算、大数据等技术，实现对供热系统的实时监控、预测和优化，提高供热效率和服务质量。另外，在环保和减排压力下，城市供热系统将逐渐转向清洁化和低碳化。通过采用可再生能源和清洁能源，降低对煤炭等传统能源的依赖，减少污染物排放。以及，随着人们生活水平的提高，对城市供热系统的服务质量要求也越来越高。城市供热系统将更加注重用户需求和体验，提高供热质量和服务水平，满足用户多样化的需求。

2、然而，目前的城市供热系统在规划时往往缺乏前瞻性，没有充分考虑未来城市发展和人口增长对供热的需求，这导致供热系统在短时间内就需要进行扩建或改造，增加了成本和时间压力。另外，许多城市供热系统的设施已经运行多年，存在设备老化、技术落后的问题，这不仅影响了供热效率，还增加了故障率和维修成本。以及，调度运行不合理是城市供热系统常见的问题之一，由于缺乏有效的调度策略和手段，供热系统往往无法根据实际需求进行灵活调整，导致能源浪费或供热不足。针对以上问题，城市供热系统需要综合考虑未来城市发展、技术更新、能源结构调整等多方面因素，制定合理的规划改造和调度运行方案，以实现高效、环保、可持续的供热服务。因此，如何对当前供热系统在供暖季调度运行时存在的问题进行分析，并结合城市发展、技术更新、能源结构调整等多方面因素进行供热系统的规划改造和下一供暖季的调度优化运行是目前急需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于实时数字孪生的供热系统规划改造和调度一体化方法，借助实时数字孪生技术，围绕供热系统的实时数字孪生体开展规划、设计、建造、调度运行、更新的全生命周期管理，将供热系统全生命周期的数据集成于实时数字孪生体，从而实现复杂开放供热系统的定量化、精细化、科学化管理；以及，通过对上一供暖季的供热问题和瓶颈进行分析评估，在非供暖季提供改进措施和规划改造优化，在下一供暖季基于规划改造制定新的调度预案，实现在非供暖季进行规划改造和调度预案的拟定仿真，在供暖季进行调度预案的执行和滚动优化更新，实现规划改造和调度运行的全生命周期一体化增效。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

3、本发明提供了一种基于实时数字孪生的供热系统规划改造和调度一体化方法，包括：

4、s1、基于供热系统源网荷储的供需平衡和管网运行规律特征，对供热系统的动静态指标和运行机理进行多维多层数据分析和融合感知，建立可计算的供热系统实时数字孪生模型；

5、s2、在上一年度供暖季结束后，获取供热系统供暖季运行数据，对包括热源负荷能力、管网供热输送能力和运行能耗数据进行分析评估；

6、s3、在当前年度非供暖季，基于分析评估结果对供热系统能耗过高和成因进行定位，提出热源和管网改进措施、节能措施；

7、基于当前年度供暖季的节能减排目标、经济成本目标和供热负荷目标，利用供热系统实时数字孪生模型对供热系统热源、管网和相关基础设施及软硬件设备进行规划改造，建立供热系统规划改造优化模型；

8、s4、依据供热系统规划改造优化模型获得的最优规划改造方案，更新供热系统实时数字孪生模型，并结合当前年度供暖季的调度指标、源荷供给情况和系统全网运行监测数据，制定当前年度新供暖季初期、中期和末期的供热调度预案，以及对供热系统调度策略进行滚动优化更新。

9、进一步，所述s1具体包括：

10、数据接入与收集：

11、建立与供热系统传感器、监控设备和数据流服务的数据接口；利用数据接口使用api、消息队列和数据流处理平台技术，收集来自供热系统物理实体的历史数据和实时数据，包括供热系统源网荷储全过程的热源供热参数、管网运行数据、用户侧负荷数据、储能装置运行数据和环境数据；

12、数据处理：

13、使用流式数据处理工具对实时数据进行处理；进行数据清洗、去噪和格式转换预处理；使用实时数据库或内存数据库存储处理后的数据；

14、模型构建：

15、基于供热系统源网荷储的热量供给和热量需求平衡策略、管网水力平衡规律特征和供热运行机理，结合供热系统物理实体的设备结构、热用户建筑物外貌结构、建筑位置、管线布局静态设施指标，同时添加光照、温度、风速、风向、雨雪天气环境场景实时参数；接入实时数据进行静态设施响应的秒级计算，并利用多元设备获取的感知信息进行时空融合，对供热系统外围的工作人员和其他参与者实时轨迹、行为动作进行刻画；将供热系统物理实体的结构、功能和行为进行映射，构建可计算的供热系统实时数字孪生模型。

16、进一步，所述建立可计算的供热系统实时数字孪生模型之后，还包括：

17、模型更新：

18、对实时数据女性实时聚合、过滤和转换，获取最新数据；设计模型更新机制，并使用在线学习或增量学习方法，对模型发生变化的部分进行实时调整和优化；

19、可视化与交互：

20、利用可视化工具和技术，进行供热系统实时数字孪生模型的三维可视化，实时反映供热系统物理实体的状态和行为；提供包括参数调整、工况切换和模拟操作的交互功能，将行为操作与模型状态进行实时同步，实时明确和和控制供热系统物理实体。

21、进一步，所述s2具体包括：

22、数据获取与处理：

23、从供热系统获取上一年度供暖季期间的运行数据，包括热源、管网、热力站和热用户的运行数据；对获取的运行数据进行数据清洗、去除异常值和错误数据，并将数据整理成易分析的格式；

24、热源负荷能力分析评估：

25、分析热源供给热量的相关数据，获知热源设备的运行状况、负荷率和出力稳定性参数；评估热源在不同时段的出力情况，分析是否达到设计负荷，以及是否存在负荷波动过大问题；评估热源设备的容量是否满足供热负荷需求，是否存在负荷不足或过剩情况；

26、管网供热输送能力分析评估：

27、分析管网供热输送相关数据，获知管网的流量、温度、压力参数分布情况；评估管网的输送能力是否满足供热负荷需求，是否存在输送瓶颈或过度设计情况，以及评估管网输送效率，是否存在管网堵塞或泄露问题；分析管网不同管路的热损失，是否存在热损失过大情况；

28、运行能耗数据分析评估：

29、分析系统运行能耗数据，获知供热系统在整个供暖季的总能耗、能源利用效率情况；分析能耗的分布和变化趋势，识别能耗较高的环节、时段和原因。

30、进一步，所述s3中，所述热源改进措施包括：热源设备升级与替换、能源结构调整；其中，所述热源设备升级与替换包括：对于效率较低的热源设备，考虑进行设备升级或替换为更高效、更环保的设备，以及采用先进的燃烧技术、智能控制系统，提高热源设备的能效；所述能源结构调整包括：利用包括生物质能和太阳能的清洁能源，替换部分传统热源；

31、所述管网改进措施包括：保温与防漏、管径改造与管网布局重构；其中，所述保温与防漏包括：采用保温材料对管网进行保温处理，减少热量在输送过程中的热损失，以及对管网进行检漏，定位及修复泄漏点；所述管径改造包括：对于流量过大而管径过小的情况，增加管径减少流体阻力和能量损失，以及对于流量过小而管径过大的情况，减小管径；所述管网布局重构包括：依据新的供热小区负荷需求和地形条件，重新规划布局，优化管网走向和分支设计，减少迂回和冗余管道；

32、所述节能措施包括：需求侧管理和热能回收；其中，所述需求侧管理包括：通过热用户用热行为习惯和节能奖励机制，进行分时供暖、按需供暖，合理调整供暖量；所述热能回收包括：利用热能回收技术，进行余热利用和热量回收再利用。

33、进一步，所述s3中，基于当前年度供暖季的节能减排目标、经济成本目标和供热负荷目标，利用供热系统实时数字孪生模型对供热系统热源、管网和相关基础设施及软硬件设备进行规划改造，建立供热系统规划改造优化模型，具体包括：

34、设置当前年度供暖季的节能减排目标，包括：能源消耗减少量和碳排放降低量；

35、设置当前年度供暖季的经济成本目标，包括：最小化规划改造成本和最大化投资回报率；

36、设置当前年度供暖季的供热负荷目标，包括：规划改造后的供热系统最大化满足供给平衡；

37、利用供热系统实时数字孪生模型仿真模拟和计算各个热源和管网改进措施、节能措施下的节能减排目标函数、经济成本目标函数和供热负荷目标函数，进行定量分析对比，指导热源选址、热源设备选型、管网保温与防漏措施、管径改造与管网布局重构，并设置成本预算限制、技术可行性约束、热源燃料类型限制、热源排放限制、热源设备的性能限制、管网输送能力限制、管网安全性约束、管网水力平衡约束、热用户热量需求约束和舒适性约束条件，建立供热系统规划改造优化模型。

38、进一步，所述能源消耗减少量最大化表示为：

39、maxe＝ebefore-eafter；

40、e为能源消耗减少量；ebefore为规划改造前的能源消耗量；eafter为规划改造后的能源消耗量；

41、所述碳排放降低量最大化表示为：

42、maxc＝cbefore-cafter；

43、c为碳排放降低量；cbefore为规划改造前的碳排放量；cafter为规划改造后的碳排放量

44、所述最小化规划改造成本表示为：

45、minc1＝ci+cm+ce；

46、c1为热源规划改造成本；ci为热源升级或替换的初始投资成本；cm为热源设备的日常运行和维护成本；ce为清洁能源使用成本，与不同能源的单价和使用量有关；

47、minc2＝cs+cl+cd+cn；

48、c2为管网规划改造成本；cs为管网保温措施成本，根据使用的保温材料类型、管道长度和所需的劳动力时间进行计算；cl为防漏措施成本，根据使用的检测设备、维修频率和泄漏修复的成本进行计算；cd为管径改造成本，根据新管径的选择、管道长度和安装难度进行计算；cn为管网布局重构成本，根据规划和设计费用，以及新管线的铺设和旧管线的拆除成本进行计算；

49、所述最大化投资回报率表示为：

50、

51、roi为投资回报率；fy为预期收益，根据规划改造后热源和管网所能够带来的总收益进行计算，包括节省的能源成本、减少的维护成本、增加的供热效率所带来的额外收入；ct为投资成本，包括热源和管网规划改造所需的总成本；

52、所述供给平衡表示为：

53、

54、tlbdr为供给平衡率；ademand为实际满足的用户热负荷需求；tdemand为供给的热负荷值。

55、进一步，所述s4，具体包括：

56、基于供热系统规划改造模型获得热源、管网和节能的最优规划改造方案，并进行技术经济评估后，在非供暖季实施规划改造方案；

57、获取规划改造后的供热系统实际运行数据和系统规划改造物理实体结构属性，对供热系统实时数字孪生模型进行更新和验证；

58、获知当前年度新供暖季的调度节能经济指标、源荷供给情况和系统全网运行监测数据，按不同工况计算热源、管网运行参数，制定供暖季初期、中期和末期不同工况下的运行调度预案；

59、通过供热系统实时数字孪生模型对调度预案进行仿真模拟，监测系统实时运行状态和评估供热指标，同时分析全网多站点水压图、热源到各站点沿图水压分布进行安全评估，并根据评估结果进行调度预案滚动优化更新。

60、进一步，所述按不同工况计算热源、管网运行参数，制定供暖季初期、中期和末期不同工况下的运行调度预案，具体包括：

61、根据供热系统历史运行数据和经验，定义系统正常工况、低温工况、高负荷工况，并对每个工况进行特征描述和分析，确定不同工况下的系统运行特征；

62、根据不同工况下的热负荷需求变化规律、热源和管网的性能特点，建立不同工况不同时期的供热系统调度模型，计算供热系统供暖季初期、中期和末期的热源启动数量、热源运行参数、管网各管段的流量、温度和压力关键参数，以及不同时期不同工况下供热系统多热源、管网调节设备调度策略和热用户负荷调整策略。

63、进一步，所述供热系统规划改造优化模型和供热调度预案的求解计算采用强化学习算法。

64、本发明的有益效果是：

65、(1)本发明通过基于供热系统源网荷储的供需平衡和管网运行规律特征，对供热系统的动静态指标和运行机理进行多维多层数据分析和融合感知，建立可计算的供热系统实时数字孪生模型；能够通过将实时数据接入使得模型能够动态地反映物理实体的状态和行为，进而构建出一个满足实时性要求、能够处理流式数据的供热系统实时数字孪生模型，实现复杂的实时系统，跟踪物理系统或设备的动作状态，注重供热系统中实时数据的处理和分析，便于后续通过实时数字孪生模型进行供热系统规划改造优化和调度策略制定，为规划改造和调度决策提供及时、准确的信息支持，同时模型的灵活性和可扩展性也使得其能够适应供热系统不同工况场景和需求的变化；借助实时数字孪生技术，围绕供热系统的实时数字孪生体开展规划、设计、建造、调度运行、更新的全生命周期管理，将供热系统全生命周期的数据集成于实时数字孪生体，从而实现复杂开放供热系统的定量化、精细化、科学化管理。

66、(2)本发明通过在上一年度供暖季结束后，获取供热系统供暖季运行数据，对包括热源负荷能力、管网供热输送能力和运行能耗数据进行分析评估；能够通过分析评估上一年度供暖季运行数据，获知存在的问题和瓶颈，对供热系统的各方面性能进行全面了解，发现潜在问题，为后续提出改进措施和规划改造优化建立基础，进而避免在下一年度供暖季出现同样的问题，提高供热系统运行效率、稳定性和节能性；

67、(3)本发明通过在当前年度非供暖季，基于分析评估结果对供热系统能耗过高和成因进行定位，提出热源和管网改进措施、节能措施；基于当前年度供暖季的节能减排目标、经济成本目标和供热负荷目标，利用供热系统实时数字孪生模型对供热系统热源、管网和相关基础设施及软硬件设备进行规划改造，建立供热系统规划改造优化模型；热源和管网的改进措施以及节能措施的实施是提高供热系统效率和降低能耗的关键措施，通过合理的规划、设计和技术应用，可以显著提升供热系统的性能，提升供热系统的效率和稳定性，降低能耗，为用户提供更加可靠、高效的供热服务。同时，利用实时数字孪生模型建立供热系统规划改造优化模型，为供热系统的节能减排、经济成本优化和供热负荷满足提供决策支持，通过对热源、管网和节能全方面进行规划改造，有助于推动供热系统的可持续发展和绿色转型；

68、(4)本发明通过依据供热系统规划改造优化模型获得的最优规划改造方案，更新供热系统实时数字孪生模型，并结合当前年度供暖季的调度指标、源荷供给情况和系统全网运行监测数据，制定当前年度新供暖季初期、中期和末期的供热调度预案，以及对供热系统调度策略进行滚动优化更新；确保供热系统根据最优规划改造方案进行实时数字孪生模型的更新，同时结合实时的运行数据和监测数据制定和调整供热调度预案，以及进行供热系统调度策略的滚动优化更新，可以确保供热系统在整个供暖季中都能够高效、稳定地运行，满足用户的热负荷需求，并实现能源的有效利用和节约；

69、(5)本发明通过对上一供暖季的供热问题和瓶颈进行分析评估，在非供暖季提供改进措施和规划改造优化，在下一供暖季基于规划改造制定新的调度预案，实现在非供暖季进行规划改造和调度预案的拟定仿真，在供暖季进行调度预案的执行和滚动优化更新，实现规划改造和调度运行的全生命周期一体化增效；通过不断的分析和优化，实现供热系统的规划设计、建设施工、生产运行、运行维护和工艺仿真的全生命周期管理，提高供热效率，降低供热过程中的能源消耗，实现节能减排和降低运行成本。

70、其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

71、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。