一种基于数字孪生的多源协同互补供暖系统实时控制方法

本发明属于供暖系统，具体涉及一种基于数字孪生的多源协同互补供暖系统实时控制方法。

背景技术：

1、数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据、以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段，数字孪生技术在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机和医疗等众多领域都具有巨大的应用潜力。

2、在供暖领域，相比于传统的燃煤锅炉供暖和燃气供暖等方式，以太阳能、空气能和地热能等可再生能源为热源、以太阳能集热器(solarthermal collector，stc)、空气源热泵(air source heat pump，ashp)和水源热泵(water source heat pump，wshp)等为供暖设备的供暖方式具有环保高效节能的优势。但是依靠太阳能资源的太阳能集热器具有出力间歇性和波动性且能量密度低等问题，空气源热泵和水源热泵的性能系数(coefficientofperformance，cop)会随室外温度和水源温度的降低而降低。因此为了充分利用可再生能源，建立包含热储能的多源协同互补供暖系统成为一种切实可行的解决方案，构建经济高效且安全可靠的多源协同互补供暖系统运行策略成为需要重点关注的问题。

3、现有技术中，供暖系统运行优化的一般思路为将运行模式选择和实时运行控制分离，即先通过温差控制、温度阈值控制等方法确定运行模式，再在既定的运行模式下优化系统的运行，其缺点在于运行模式选择策略具有一定的主观性，未考虑供暖系统运行于其他可行的运行模式的运行情况，缺乏对供暖系统运行的总体认识，从而导致系统未运行于最佳的运行模式，进而影响供暖系统经济、环保、可靠运行。

技术实现思路

1、针对目前供暖策略将运行模式选择和实时运行控制分离，因未考虑供暖系统运行于其他可行的运行模式的运行情况，从而导致系统未运行于最佳的运行模式的问题，本发明提供了一种基于数字孪生的多源协同互补供暖系统实时控制方法。

2、本发明要解决的问题为：如何在考虑未来np个控制周期供暖系统外界条件和运行情况的前提下，在每个控制周期开始时给出最优的运行模式切换策略和最优设备运行功率，其中最优运行模式切换策略是指在未来np个控制周期内供暖系统是否在某个时刻切换到其他运行模式，最优设备运行功率是指综合经济性、环保性、可靠性三方面目标优化得到的当前周期设备运行功率。

3、为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

4、首先介绍一个实际的多源协同互补供暖系统，以方便叙述本发明的实现步骤。但需要说明的是，本发明不仅适用于此供暖系统，其它具体供暖系统可根据具体的系统结构(系统设备、换热回路、运行模式)构建相应的供暖系统模型，以适用本发明。

5、对于如图2所示的包含太阳能集热器、空气源热泵、水源热泵、低温水箱、高温水箱、用户和换热回路的多源协同互补供暖系统有3种运行模式，分别为：

6、m1：空气源热泵通过回路l2向高温水箱供热，高温水箱通过回路l6向用户供热，同时若工作条件合适，太阳能集热器通过回路l3向低温水箱供热；

7、m2：水源热泵通过回路l4从低温水箱取热，并通过回路l5向高温水箱供热，高温水箱通过回路l6向用户供热，同时若工作条件合适，太阳能集热器通过回路l3向低温水箱供热；

8、m3：水源热泵通过回路l4从低温水箱取热，并通过回路l5向高温水箱供热，高温水箱通过回路l6向用户供热，同时空气源热泵通过回路l1向低温水箱供热。

9、一种基于数字孪生的多源协同互补供暖系统实时控制方法，包括以下步骤：

10、步骤1，建立多源协同互补供暖系统的状态空间模型；

11、进一步，所述步骤1中，多源协同互补供暖系统的状态空间模型如下所示：

12、xt+1＝atxt+buut+bd,tdt

13、式中，t时刻状态变量其中表示t时刻空气源热泵的电功率，表示t时刻水源热泵的电功率，表示t时刻低温水箱的储热量，表示t时刻高温水箱储热量，t表示转置，t时刻控制变量其中表示t时刻空气源热泵电功率增量，表示t时刻水源热泵电功率增量；t时刻干扰变量dt＝[ptstc,ptload]t，其中ptstc表示t时刻太阳能集热器功率，ptload表示t时刻热用户负荷功率；t时刻系统矩阵控制输入矩阵t时刻干扰输入矩阵其中和均为0-1变量，分别表示t时刻5个换热回路l1、l2、l3、l4和l5的开闭，0表示关闭，1表示开启，ηl1、ηl2、ηl3、ηl4、ηl5和ηl6为各换热回路的换热效率，ηltwt和ηhtwt分别为低温水箱和高温水箱热损耗系数，coptashp和coptwshp分别为t时刻空气源热泵和水源热泵的性能系数；

14、通过改变和的值，使得供暖系统模型适用于不同的运行模式，和和运行模式的对应关系如下：

15、

16、步骤2，每一个控制周期根据设备运行状态选出所有可行的运行模式切换策略；

17、步骤2.1，引入0-1变量和βiwshp分别表示太阳能集热器和水源热泵i时刻是否可以工作运行，其中i＝t,t+1,…,t+np-1，和βiwshp为1表示可以工作，为0表示不能工作；

18、的判断逻辑为：其中tistc为i时刻太阳能集热器温度，可根据室外温度、太阳辐照度以及设备具体参数等数据预测得到；

19、βiwshp的判断逻辑为：if ttltwt≥20℃thenβiwshp＝1elseβiwshp＝0，其中ttltwt为t时刻低温水箱温度，可通过温度传感器检测得到；

20、步骤2.2，引入0-1变量mn,i，其中n＝1,2,3，i＝t,t+1,…,t+np-1，mn,i为1表示运行模式mn在i时刻可行，mn,i为0表示运行模式mn在i时刻不可行，mn,i根据和βiwshp的值进行判断，判断逻辑如下表所示；

21、

22、步骤2.3，采用向量(mpresent,tswitch,mlater)表示运行模式切换策略，其意义为：当前的运行模式mpresent在tswitch时刻切换为运行模式mlater，即在t到tswitch-1时刻供暖系统采用运行模式mpresent，tswitch到t+np-1时刻供暖系统采用运行模式mlater，运行模式切换策略的可行性(1表示可行，0表示不可行)的计算方法如下所示：

23、

24、特殊的，不切换当前运行模式(也视为一种运行模式切换策略)的可行性的计算方法如下所示：

25、

26、式中，mpresent,i表示当前运行模式在i时刻的可行性；mlater,i表示切换后的运行模式在i时刻的可行性；

27、步骤2.4，遍历所有的运行模式切换策略(mpresent,tswitch,mlater)，其中mpresent为当前采用的运行模式，mlater∈{m1，m2，m3}，tswitch∈{t+1,t+2,…,t+np-2}，分别依照步骤2.3计算其可行性，得出所有可行的运行模式切换策略；

28、步骤3，每一个控制周期根据选出的可行的运行模式切换策略的数量，生成相同数量的虚拟实体，分别更新供暖系统模型；

29、步骤3.1，根据选出的可行的运行模式切换策略个数，生成相等数量的虚拟实体，每个虚拟实体对应一种运行模式切换策略；

30、步骤3.2，每个虚拟实体根据其对应的运行模式切换策略确定i时刻供暖系统的运行模式，更新i时刻系统矩阵ai和干扰输入矩阵bd,i中的参数和

31、步骤3.3，每个虚拟实体根据当前室外环境温度更新空气源热泵的性能系数coptashp，根据当前低温水箱温度更新水源热泵的性能系数coptwshp；

32、步骤3.4，每个虚拟实体根据系统实际运行状态更新t时刻状态变量

33、

34、步骤4，每个虚拟实体分别进行虚拟运行优化，优化未来np个控制周期的空气源热泵和水源热泵设备运行功率增量，计算并比较各虚拟实体的综合优化目标值，得出当前最优的运行模式切换策略和最优控制变量；

35、步骤4.1，每个虚拟实体通过t到t+np-1时刻控制变量和干扰变量预测t到t+np时刻的系统状态变量如下所示：

36、xt＝mxt+cuut+cddt

37、式中，i表示单位矩阵。

38、步骤4.2，每个虚拟实体以t到t+np-1时刻的控制变量为决策变量，求解如下所示的优化问题，得到综合优化目标值j；

39、

40、式中，w1、w2和w3分别为经济性目标f1、环保性目标f2和可靠性目标f3的权重；f1,i表示i时刻的经济性目标；f2,i表示i时刻的环保性目标；f3,i表示i时刻的可靠性目标；pi表示i时刻的电价；和分别表示i时刻低温水箱和高温水箱的最佳储热量；xmin和xmax为状态变量的上限和下限；umin和umax为控制变量的上限和下限；δt表示一个控制周期的时长；pe,iashp表示i时刻空气源热泵的电功率；pe,iwshp表示i时刻水源热泵的电功率；pistc表示i时刻太阳能集热器功率；copiashp表示i时刻空气源热泵的性能系数；qiltwt表示i时刻低温水箱的储热量；qihtwt表示i时刻高温水箱储热量；

41、步骤4.3，比较每个虚拟实体经虚拟运行优化得到的综合优化目标值j,选出综合优化目标值j最小的虚拟实体，其对应的运行模式切换策略作为最优的运行模式切换策略，记作(mpresent,tswitch,mlater)best，其对应的t时刻控制变量ut作为t时刻最优控制变量；

42、步骤5，每一个控制周期将步骤4得出的最优的运行模式切换策略和最优控制变量应用于供暖系统，进行换热回路阀门和循环泵的启停控制、空气源热泵和水源热泵的功率调节。

43、步骤5.1，根据步骤4选出的最优的运行模式切换策略(mpresent,tswitch,mlater)best的情况执行不同操作：

44、(1)当选出的最优运行模式切换策略为在t时刻，即当前时刻，切换到其他运行模式，即mpresent≠mlater且tswitch＝t，则根据运行模式mlater的运行要求进行换热回路阀门和循环泵的启停控制；

45、(2)当选出的最优运行模式切换策略为在t+1,t+2,…,t+np-2时刻切换到其他运行模式，即mpresent≠mlater且tswitch∈{t+1,t+2,…,t+np-2}，则保持换热回路阀门和循环泵的工作状态，且下一个控制周期跳过步骤2，直接指定可行的运行模式切换策略为(mpresent,tswitch-1,mlater)；

46、(3)当选出的最优运行模式切换策略为不切换运行模式，即mpresent＝mlater，则保持换热回路阀门和循环泵的工作状态；

47、步骤5.2，根据t时刻最优控制变量进行空气源热泵和水源热泵的功率调节。

48、进一步地，所述步骤2每一个控制周期根据设备运行状态选出所有可行的运行模式切换策略，通过太阳能集热器温度和低温水箱温度判断未来一段时间各时刻可行的供暖方式，进而确定可行的供暖方式切换策略，削减了待优化的供暖方式切换策略个数。

49、进一步地，所述步骤3每一个控制周期根据选出的可行的运行模式切换策略的数量，生成相同数量的虚拟实体，分别更新供暖系统模型；更新的内容包括各时刻系统运行模式、空气源热泵和水源热泵性能系数、系统状态变量；其中系统状态变量包括空气源热泵功率、水源热泵功率、低温水箱储热量和高温水箱储热量。

50、与现有技术相比本发明具有以下优点：

51、(1)本发明在制定当前周期设备运行功率时，考虑到了未来np个控制周期供暖系统外界条件和运行情况，减小了未来一段时间可能存在的干扰以及运行模式的切换对系统稳定运行影响。

52、(2)本发明的运行模式切换策略考虑到了每个控制周期供暖系统切换到其他可行的运行模式的运行情况，再综合考虑经济性、环保性和可靠性三方面的目标进行虚拟运行优化，进而选出每个控制周期最优的运行模式，提高了系统的运行性能。