一种含水源热泵的集中供热系统复杂多工况运行调度方法与流程

本发明属于供热系统，具体涉及一种含水源热泵的集中供热系统复杂多工况运行调度方法。

背景技术：

1、供热系统中局部末端用户往往由于地理位置偏远、管路长度过长、管径不合适、循环泵动力不足等原因，导致热媒流量分配不均，远端或高层住户的采暖效果差，出现冷热不均的现象，造成局部末端用户的室内温度偏低，因此针对二级网局部不利末端有必要进行设备改造和管网供热效果的提升。

2、另外，电转热技术逐渐应用于家庭、工业生产和商业场所的供暖，能够将供暖系统与电力系统进行有效结合，消纳绿电或低价电来转热，弥补部分热量缺口。目前，热泵技术应用广泛，通过消耗一部分电能驱动制冷剂循环，吸收低位热能并转移到高位热能，实现电能到热能的高效转化。

3、然而，热泵机组的应用和性能受到环境条件、动态电价、不利末端的热负荷等变化因素的影响，导致热泵机组在实际运行过程中会面临多种复杂工况，不同工况下的运行调度均有显著差异，这对系统的运行调度提出了挑战。因此，如何应用热泵机组对原有供热系统进行改造，利用热泵改善二级网局部不利末端用户的供热效果，并能够适用于不同运行工况，实现多工况的低碳、经济、节能优化调度是目前急需解决的问题。

4、基于上述技术问题，需要设计一种新的含水源热泵的集中供热系统复杂多工况运行调度方法。

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，提供一种含水源热泵的集中供热系统复杂多工况运行调度方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

3、本发明提供了一种含水源热泵的集中供热系统复杂多工况运行调度方法，它包括：

4、识别与分析二级网局部不利末端：获取包括供热二级管网及末端建筑的基本属性数据、供热运行数据的多维数据，并计算管网阻力损失和进行热力平衡计算、水力平衡测试，识别出水力失衡严重、流量分配不均、热力不足的局部不利末端；

5、集中供热系统管网改造：为改善二级网局部不利末端的供热效果，在相应的一级网回水管线上设计引出点，将一级网回水管线通过阀门、管件与增设的水源热泵机组相连接，吸收部分回水热量，降低一级网回水温度；以及，在二级网局部不利末端节点增设热交换设备、增设或改造一条支路、以及增设阀门和流量控制设备，将水源热泵机组产生的高温热水与二网循环水进行热交换和调节控制后，将回收的热量输送给末端用户，增加供热效果；

6、设置水源热泵机组的电量输入驱动机制：获取外部可再生能源产生的绿电驱动水源热泵机组，以及与电力市场进行实时互动，对未来时间段内的电价趋势进行感知和实时获取电网的电价信息，根据电价信号制定水源热泵机组动态运行机制；

7、多工况运行分析：基于水源热泵机组的电量输入驱动机制，结合绿电和电网动态电价，以及室外气候条件变化、水源热泵机组的运行特性变化和不利末端热负荷变化，对水源热泵机组运行工况进行分析，识别运行日前和日内的工况类型；

8、系统优化运行调度：在日前运行调度阶段，以日前各时段工况下的系统运行参数短期预测值为输入，以降低一级网回水温度和改善二级网局部不利末端供热效果为期望，设置以系统运行成本、碳排放和水源热泵机组cop最优为目标函数的日前优化调度模型，制定日前各时段工况下的调度计划；在日内运行调度阶段，以日内各时段工况下的系统运行超短期预测值为输入，采用mpc滚动时域控制方法，设置以日内滚动调度值与日前调度计划偏差最小为目标函数的日内滚动优化调度模型，制定日内滚动调度计划。

9、进一步，所述识别与分析二级网局部不利末端具体包括：

10、获取供热二级管网的结构布局、管径、长度、各支路阀门设置信息，以及末端建筑物的保温性能、房屋朝向、层数和供暖季期间供回水温度、流量、室内外温度、用户投诉记录信息，进行初步分析获知出现不利末端的时间段和条件；

11、计算沿程和局部阻力损失，判断是否因为管道过长、管径过小、阀门未完全打开导致的热量衰减过大；

12、利用供热系统热力平衡计算软件，根据实际二级管网参数和末端用户热负荷需求，计算各分支管路的热负荷分配情况，识别出流量分配不均、热力不足的末端区域；

13、对各二级网末端进行水力平衡测试，利用实际流量和压降参数分析出水力平衡严重的部位。

14、进一步，所述集中供热系统管网改造具体包括：

15、为改善二级网局部不利末端的供热效果，依据二级网中的局部不利末端用户，确定一级网回水管线引出的最佳位置，并增设引出点，安装管道阀门和旁通管路，确保在不需要运行水源热泵时不影响一级网的正常回水；

16、安装管件、水源热泵机组和温度、压力、流量传感器，将一级网回水管线与水源热泵机组的进水管路相连接，并实施监测一级网回水温度、二级网供回水温度和流量，以及水源热泵的运行状态，利用水源热泵机组吸收一级网回水的热量，降低一级网回水温度；

17、以及，在二级网的局部不利末端节点附近选择位置，增设热交换设备，用于实现水源热泵机组产生的高温热水与二网循环水之间的热量交换；

18、连接水源热泵机组的热水出口管道至热交换设备的高温热水进口，同时将二级网的循环水管道引至热交换器的低温水进口；

19、若现有二级网没有直达不利末端用户的支路，则新建一条支路，使从热交换器出来的经加热后的循环水能够直接供应至不利末端用户；

20、若已有支路但不符合热量输送需求，则对现有支路进行改造，包括扩大管径、优化走向；

21、在热交换设备前后、新增支路的关键位置安装用于调节和控制水流的阀门、水泵，以及安装用于实时监测热交换设备两侧的水温、流量传感器；

22、逐步调节控制水源热泵机组和热交换设备，将回收的热量输送给末端不利用户，直到二级网局部末端不利用户获得需要的热量供应，增加供热效果。

23、进一步，所述设置水源热泵机组的电量输入驱动机制具体包括：

24、确定绿电供应源，并完成与水源热泵机组所在场地的电气连接，进行绿电接入与转换，以及通过电网获取常规电量；

25、利用电价预测模型，结合历史电价数据、电网负荷曲线以及市场供求信息，预测未来一段时间内的电价趋势；

26、通过与电力市场进行实时互动，上报自身的用电需求和实时获取电价信息，根据电价趋势、绿电供应情况和当前电价信息，制定水源热泵机组动态运行机制，包括：以最大化利用绿电和最小化运行成本为原则，在绿电或常规电价低时增大水源热泵机组运行负荷，将多余的热量进行存储；在电价高时减少水源热泵机组运行负荷，释放储存的热量；

27、其中，绿电的动态价格表示为：

28、pt＝f(qt,st,pf,dt,ct)；

29、pt为在时刻t的绿电价格；qt为在时刻t可再生能源的发电量；st为在时刻t的电力市场需求；pf为与非绿色能源相关的市场基准价格，当绿色能源供应过剩时，绿电价格可能会低于此基准价格；反之，则可能接近或略高于此价格；dt为政府对绿色能源的政策补贴或税费减免，如果存在补贴，会降低绿电价格；反之，税费增加则会导致价格上涨；ct为其他市场因素，包括交易成本、电网传输成本、市场流动性；

30、常规电的动态价格表示为：

31、pt′＝f(det,sut,ref,fut,rt,mt)；

32、pt′为在时刻t的电网常规电的实时电价或短期合约电价；det为在时刻t的电力市场需求，包括实时负荷和预期负荷；sut为在时刻t的电力市场供给，包括各种非可再生能源的发电量；ref为在时刻t电力系统的备用容量需求，反映了电力系统安全运行所需的额外成本；fut为在时刻t发电燃料的成本；rt为政府或监管机构制定的电价政策、补贴政策、税费政策；mt为包括电力市场的竞争状况、市场参与者行为、交易机制、电网传输成本、季节性因素、突发事件的其他因素。

33、进一步，所述多工况运行分析，具体包括：

34、基于水源热泵机组的电量输入驱动机制，获取历史和实时的绿电供应量、动态电价数据、当地的室外温度、湿度、日照变化数据；

35、获取水源热泵机组的运行参数和特性变化，包括热效率、功耗、温度变化；

36、获取局部不利末端用户的热负荷随着室外气候条件的变化，包括每日、每周、每月的热负荷变化规律；

37、基于建立的含水源热泵的集中供热系统数字孪生模型对获取的数据进行系统仿真模拟运行，结合定义的工况标准和边界条件，输出日前和日内不同时段水源热泵机组的不同运行工况，包括：基础供热工况、高峰供热工况、低峰供热工况和过渡季工况，以及并采用机器学习算法辨识获取不同工况下的动态变化信息，获得不同工况下对应的绿电量供应充足或不足、电价高低峰、气温高低、水源热泵机组运行特性变化特征；

38、其中，不同运行工况是融合绿电量、电价、气温、水源热泵机组运行特性、热负荷变化的复杂运行工况，表示为：

39、pi,t＝f(gei,t,pi,t,tei,t,hpi,t,li,t)；

40、pi,t为时段t的运行工况；get为在时段t内第i个运行工况下对应的绿电量特征；pt为时段t内第i个运行工况下对应的动态电价特征；tet为时段t内第i个运行工况下对应的室外气温特征；hpt为时段t内第i个运行工况下对应的水源热泵机组运行特性参数特征；lt为时段t内第i个运行工况下对应的不利末端用户热负荷需求特征。

41、进一步，所述以降低一级网回水温度和改善二级网局部不利末端供热效果为期望，包括：

42、设置一级网回水温度期望值，包括：

43、设置一级网回水温度安全阈值；根据水源热泵机组的性能曲线，确定一个既能保证水源热泵机组高效运行又能充分回收回水热量的目标温度范围；综合考虑一级网整体供热效果和二级网需求，结合一级网回水温度安全阈值和水源热泵机组性能目标温度范围，辨识制定一个既满足一级网整体热平衡又利于二级网热量补充的不同工况下的一级网回水温度期望值；

44、设置二级网温度期望值，包括：

45、依据局部不利末端用户的当前供热数据，设置改善不利末端用户不同工况下的二级网供回水温度安全范围；根据水源热泵机组的性能和热交换设备性能，结合热网损耗情况和二级网供回水温度安全范围，辨识制定不同工况下的二级网温度期望值。

46、进一步，所述设置以系统运行成本、碳排放和水源热泵机组cop最优为目标函数的日前优化调度模型，具体包括：

47、设置以系统运行成本、碳排放和水源热泵机组cop最优为目标函数的日前优化调度模型，分别表示为：

48、

49、

50、

51、wt,k、w′t,k分别为t时段k工况下的绿电量、常规电量；ct,k为t时段k工况下原供热系统的常规热源价格；et,k为t时段k工况下的常规热源消耗量；zt,k为t时段k工况下的设备运行维护成本；λe,k为k工况下单位常规电能的碳排放系数；λg,k为k工况下单位常规热源的碳排放系数；ht,k为t时段k工况下水源热泵机组提供的有效热量；

52、设置日前优化调度模型的约束条件，包括：供热需求约束、水源热泵机组运行约束、电量消耗约束和热网水力平衡约束。

53、进一步，所述依据日前优化调度模型，制定日前各时段工况下的调度计划时，对系统运行成本、碳排放和水源热泵机组cop最优的三种目标函数进行计算，包括：对各优化目标的相对重要性进行排序，并计算相邻两目标函数的重要程度，将各个目标函数进行加权组合，然后将加权后的目标函数值映射到雷达图上，明确不同方案在各个目标上的相对优劣，获得最终的目标函数；以及，在对日前优化调度模型的目标函数进行求解时，采用深度强化学习算法。

54、进一步，所述采用mpc滚动时域控制方法，设置以日内滚动调度值与日前调度计划偏差最小为目标函数的日内滚动优化调度模型，具体包括：

55、选取绿电量、电价、气温、水源热泵机组运行特性、热负荷为状态变量xt；

56、选取水源热泵机组的运行功率增量、常规热源出力增量，以及热交换设备和阀门、水泵的调控增量构成的向量为控制变量ut；

57、选取热负荷、电价、绿电量、水源热泵机组cop的超短期预测功率误差构成的向量为扰动输入rt；

58、选取一级网回水温度、二级网温度为输出变量yt；

59、依据状态变量、控制变量、扰动输入和输出变量，构建滚动预测模型，表示为：

60、xt+δt＝axt+but+crt；

61、yt＝dxt；

62、a、b、c、d为各变量的系数定常矩阵；δt为时间间隔；

63、设置以日内滚动调度值与日前调度计划偏差最小为目标函数，表示为：

64、min f4＝||y-yref||2+||δu||2；

65、y、yref分别为输出变量预测值和计划值；δu为控制变量的日内与日前调度计划的变化量；

66、设置日内滚动优化调度模型的约束条件，包括：输出变量约束、控制变量约束和控制变量增量约束；

67、引入反馈校正环节：将每个预测时域内的各控制变量的实际值作为下一预测时域的初始值，将日内滚动优化从开环优化的策略转变为闭环优化策略。

68、进一步，所述mpc滚动时域控制方法还包括：将仿射算法嵌入到mpc方法中，形成基于mpc的仿射优化策略。

69、本发明的有益效果是：

70、(1)本发明通过识别与分析二级网局部不利末端：获取包括供热二级管网及末端建筑的基本属性数据、供热运行数据的多维数据，并计算管网阻力损失和进行热力平衡计算、水力平衡测试，识别出水力失衡严重、流量分配不均、热力不足的局部不利末端；能够识别出局部不利末端，便于后续针对性地解决供热质量问题，显著提高供热系统的整体效能，确保每个二级网末端用户都能获得稳定和舒适的室内温度，提高供热满意度；

71、(2)本发明通过集中供热系统管网改造：为改善二级网局部不利末端的供热效果，在相应的一级网回水管线上设计引出点，将一级网回水管线通过阀门、管件与增设的水源热泵机组相连接，吸收部分回水热量，降低一级网回水温度；以及，在二级网局部不利末端节点增设热交换设备、增设或改造一条支路、以及增设阀门和流量控制设备，将水源热泵机组产生的高温热水与二网循环水进行热交换和调节控制后，将回收的热量输送给末端用户，增加供热效果；能够通过水源热泵机组和相关设备的协同，有效吸收并回收部分原本会流失的回水热量，降低一级网回水温度，提升了热能利用率，使得更多的热量可以被传输至二级网中，同时改善水力失衡和供热分配不均的问题，提升末端用户的供热效果；

72、(3)本发明通过设置水源热泵机组的电量输入驱动机制：获取外部可再生能源产生的绿电驱动水源热泵机组，以及与电力市场进行实时互动，对未来时间段内的电价趋势进行感知和实时获取电网的电价信息，根据电价信号制定水源热泵机组动态运行机制；利用绿电有利于减少对化石能源的依赖，降低碳排放，以及根据电价的实时波动调整水泵运行机制，节约用电成本，提高经济效益；

73、(4)本发明通过多工况运行分析：基于水源热泵机组的电量输入驱动机制，结合绿电和电网动态电价，以及室外气候条件变化、水源热泵机组的运行特性变化和不利末端热负荷变化，对水源热泵机组运行工况进行分析，识别运行日前和日内的工况类型；能够实现对运行工况的精细化分析和识别，有利于在不同工况下采取最适合的运行策略，有效降低能耗，提高系统运行效率；

74、(5)本发明通过系统优化运行调度：在日前运行调度阶段，以日前各时段工况下的系统运行参数短期预测值为输入，以降低一级网回水温度和改善二级网局部不利末端供热效果为期望，设置以系统运行成本、碳排放和水源热泵机组cop最优为目标函数的日前优化调度模型，制定日前各时段工况下的调度计划；在日内运行调度阶段，以日内各时段工况下的系统运行超短期预测值为输入，采用mpc滚动时域控制方法，设置以日内滚动调度值与日前调度计划偏差最小为目标函数的日内滚动优化调度模型，制定日内滚动调度计划；能够实现资源的高效配置，减少运行成本，同时降低碳排放，提升机组的性能系数，实现经济效益和环境效益的双重优化，以及实时根据工况变化调整运行策略，确保系统始终处于最优运行状态，降低一级网回水温度，改善二级网局部不利末端的供热效果，提高用户供热品质。

75、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。

76、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。