本發(fā)明屬于區(qū)域供熱系統(tǒng)(dh)在線規(guī)劃與優(yōu)化、復雜供熱網(wǎng)絡模型開發(fā)與仿真等，特別涉及一種采用離散事件仿真(des)方法的多功能動態(tài)水力熱力模型開發(fā)，該模型能夠模擬具有復雜網(wǎng)狀拓撲和多樣化運行策略的區(qū)域供熱網(wǎng)絡，并實現(xiàn)準確且高效的變步長時空仿真。

背景技術：

1、現(xiàn)代區(qū)域供熱(dh)系統(tǒng)由于其復雜的拓撲結(jié)構(gòu)和運行策略，為網(wǎng)絡建模帶來了新的挑戰(zhàn)。在樹形和環(huán)形拓撲網(wǎng)絡中，中央集中的熱能生產(chǎn)使得每條管道中的流動方向是單向的。然而，在具有循環(huán)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡以及具有多個生產(chǎn)站點的網(wǎng)絡中，管道中的流動方向可能會根據(jù)水力條件發(fā)生變化。針對這種網(wǎng)絡的模型不僅需要支持雙向流動和分散式生產(chǎn)，還需要在計算速度和內(nèi)存消耗方面具備可擴展性。dénarié等人在matlab中開發(fā)了一個熱力-水力模型，采用固定時間步長。該拉格朗日模型應用于一個具有485條邊的樹形網(wǎng)絡，完成了一個24小時的仿真，時間約為4秒，速度比相應的有限體積法(fvm)模型快了100倍以上。然而，這種拉格朗日方法尚未擴展到網(wǎng)格狀網(wǎng)絡，這限制了其在更復雜網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中的應用。boghetti等人開發(fā)了一個開源的網(wǎng)格狀網(wǎng)絡模型，并使用python進行了更高效的水力仿真。但作者指出計算速度仍然是一個限制因素，計算效率依然是一個瓶頸。此外，在能源系統(tǒng)仿真中，選擇合適的時間分辨率以平衡計算開銷和精度是一個關鍵問題。在區(qū)域供熱系統(tǒng)中，不同的組件，如循環(huán)泵和鍋爐，需要不同的時間分辨率來準確捕捉溫度波動。因此，采用變步長仿真來模擬連接不同組件的網(wǎng)絡，確保系統(tǒng)仿真既準確又高效，顯得尤為重要。

2、鑒于上述問題，提出一種基于des的環(huán)狀管網(wǎng)和網(wǎng)狀管網(wǎng)動態(tài)仿真方法。該方法適用于具有多個熱源和循環(huán)的網(wǎng)格化供熱網(wǎng)絡。它能夠高效模擬供熱系統(tǒng)在復雜控制策略下的運行，涵蓋了從供熱廠到熱力站的供水溫度和流量的動態(tài)變化，提高了仿真精度和效率。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種基于des的環(huán)狀管網(wǎng)和網(wǎng)狀管網(wǎng)動態(tài)仿真方法。

2、本發(fā)明的技術方案：

3、一種基于des的環(huán)狀管網(wǎng)和網(wǎng)狀管網(wǎng)動態(tài)仿真方法，包括以下步驟；

4、步驟s1、開發(fā)一種能夠模擬復雜環(huán)狀和網(wǎng)狀供熱網(wǎng)絡中水流流動的水力模型；

5、s1.1數(shù)學描述。從樹形網(wǎng)絡擴展到具有一個或多個循環(huán)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，在該網(wǎng)狀網(wǎng)絡仿真中，水力仿真與熱力仿真是解耦的，這種解耦使得在進行熱力分析之前，能獨立地確定網(wǎng)絡中各個部分的質(zhì)量流量；

6、網(wǎng)狀網(wǎng)絡中循環(huán)數(shù)m、頂點數(shù)v和邊數(shù)e之間的關系為：

7、e＝m+v-1?(1)求解網(wǎng)狀網(wǎng)絡的質(zhì)量流量至少需要e個獨立方程。

8、對于無環(huán)路的枝狀管網(wǎng)，m＝0，需要求解枝狀管網(wǎng)的質(zhì)量流量至少需要v-1個方程。設不漏水，則各節(jié)點保持質(zhì)量平衡，表示為：

9、

10、其中，dj為用戶和生產(chǎn)現(xiàn)場節(jié)點的水需求量或供給量，內(nèi)部節(jié)點為0。ej是連接到節(jié)點j的一組管道。mi是管道i中的質(zhì)量流量，流向正常方向時為正，反方向時為負。對于正常的流入，符號為正；對于正常的流出，符號為負。由于網(wǎng)絡中的總質(zhì)量輸入必須與總需求相匹配∑dj＝0，因此形成了v-1個線性獨立的節(jié)點平衡方程，從而構(gòu)成了一個確定的方程系統(tǒng)，用于計算樹形網(wǎng)絡中各個管道的質(zhì)量流量。

11、包含環(huán)路的網(wǎng)狀網(wǎng)絡需要額外的方程來求解質(zhì)量流量，因為每個環(huán)路都會引入一條額外的邊(變量)。為了解決這個問題，需要m個額外的獨立方程，這些方程超出了節(jié)點質(zhì)量平衡方程的范圍。基于基爾霍夫第二定律，該定律指出任何閉合環(huán)路中，沿環(huán)路的壓差方向總和必須為零，因此推導出每個環(huán)路c的壓力方程：

12、

13、其中，△pi(mi)表示在流量mi下管道i的壓力下降，流向正常方向時為正，反方向時為負。每個壓力項的符號取決于管道的正常方向與環(huán)路方向是否一致。管道中的壓力損失源于摩擦損失和局部壓力損失。由于網(wǎng)絡中不需要增壓泵，因此，摩擦損失通過達西-韋斯巴赫方程進行量化，其中變量包括了管道長度l、管道直徑d、水的密度ρ、流速v和摩擦系數(shù)f：

14、

15、其中，m表示流量，a表管道截面積；

16、摩擦系數(shù)f取決于流動條件：

17、

18、ε為管壁的絕對粗糙度：

19、re＝|v|dρ/μ????????????(6)

20、其中，μ是水的動力粘滯系數(shù)。為了簡化計算，選擇經(jīng)過驗證的顯式近似公式來代替隱式的colebrook-white方程，用于湍流流動(re≥4000)的摩擦因子。在過渡流動(2000<re<4000)范圍內(nèi)，使用線性插值法進行處理。

21、s1.2求解樹形網(wǎng)絡中的質(zhì)量流量。對于一個樹形網(wǎng)絡，其中只有一個生產(chǎn)節(jié)點，設管道的正常方向與流動的唯一方向一致，即在供水網(wǎng)絡中，從生產(chǎn)節(jié)點流向用戶節(jié)點，在回水網(wǎng)絡中，從用戶節(jié)點流回生產(chǎn)節(jié)點。所有管道的質(zhì)量流量通過自下而上的方式進行計算，從用戶節(jié)點開始，在匯合點匯總流量，直到到達生產(chǎn)節(jié)點。拓撲排序能夠用來預先確定計算管道流量的順序。由于樹形拓撲在整個模擬過程中保持靜態(tài)，這一順序在初始化后將始終保持不變。

22、s1.3求解網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的質(zhì)量流量。在建立初始水分布之后，邊界節(jié)點的質(zhì)量流量是根據(jù)連接的非環(huán)路邊緣的流量來確定的，其中正值表示流入該區(qū)域，負值則表示流出該區(qū)域。具體來說，邊界節(jié)點的質(zhì)量流量是通過計算與這些節(jié)點相連的非環(huán)路邊緣的流量來得出的。對于每個邊界節(jié)點，如果相連的非環(huán)路邊緣流量為正，表示水流進入該節(jié)點所在的區(qū)塊；而若流量為負，則表示水流從該節(jié)點流出。通過這種方式，邊界節(jié)點的流量能夠準確反映出系統(tǒng)的輸入和輸出，確保了整個網(wǎng)絡的質(zhì)量守恒與平衡。

23、為了處理每個循環(huán)塊中的非線性子問題，采用newton-raphson算法，并使用以下迭代步驟：

24、(1)計算每根管道的壓降△pi(mi)及其導數(shù)d△pi(mi)/dmi。

25、(2)按照上述方法，累積每個循環(huán)中的壓降，并以相同的方式累積其導數(shù)。

26、(3)評估各循環(huán)中的壓差不平衡。如果塊內(nèi)所有循環(huán)的壓差誤差pj在容差范圍內(nèi)為零，則系統(tǒng)認為已經(jīng)收斂。如果沒有，則使用下述方法計算更新的質(zhì)量流量步長△m(k)。

27、δm(k)＝m(k+1)-m(k)＝-j-1p?(7)

28、其中，m(k)表示第k次迭代的質(zhì)量流量步長，j表示雅可比矩陣，p表示壓力誤差；

29、(4)根據(jù)截斷邊的更新流量和邊界節(jié)點初始設定的流量，更新塊內(nèi)所有邊的質(zhì)量流量。

30、△m(k)表示第k次迭代中的更新步長。正值的步長表示沿著默認循環(huán)方向質(zhì)量流量的增加。雅可比矩陣(j)為：

31、

32、其中，pn表示壓力誤差；mn表示質(zhì)量流量；

33、步驟s2、將動態(tài)熱力模型從單向流擴展到支持雙向流動；

34、s2.1計算管道內(nèi)雙向流動。管道中的水粒子由于向周圍導熱，其溫度隨行程時間τ呈指數(shù)下降：

35、

36、其中，tin是水進入管道時的溫度，tout是水流出管道時的溫度。k1和k2是單管、并聯(lián)管和雙管的系數(shù)。拉格朗日des方法涉及跟蹤水前沿的運動，水前沿是在管道內(nèi)移動的無限薄的水段。水前沿作為一個動態(tài)的采樣點，記錄了各種入口參數(shù)，如創(chuàng)建時間、溫度、速度和與相鄰前沿的距離。在溫度剖面的斷點處定義水前沿。數(shù)值分析表明，通過識別這些斷點并假設相鄰點之間溫度的線性過渡，可以高精度地預測水溫。雙向流動模型遵循相同的原理，但在計算行程時間時，考慮了流動方向。

37、每個粒子的行程時間通過到達時間tout和進入時間tin之間的差值來計算。設：在t1時，當前入口(左端)溫度發(fā)生變化，生成第一個也是唯一的水前沿f1，并根據(jù)流速|(zhì)v1|調(diào)度其到達事件；在t2時，當流動停止時，水前沿(f2和f3)在入口和出口處被生成，并取消了到達事件；在t3時，當流向反轉(zhuǎn)時，水前沿f2到達當前目標節(jié)點(左端)，并根據(jù)流速|(zhì)v3|調(diào)度f1的到達事件。同時，在當前入口(右端)生成水前沿f4。前沿f3和f4極其接近，表示溫度的階躍變化；在t4時，前沿f1到達當前出口，f3成為下一個到達的前沿，其到達時間根據(jù)|v3|調(diào)度。粒子f1在t1到t2時間段內(nèi)的行程距離與在t3(逆流—流速從0變?yōu)関3)到t4(粒子f1到達管道末端)時間段內(nèi)的行程距離相等。f1的進入時間和行程時間可由該原理推導出來并進一步描述：

38、

39、其中，表示粒子f2的進入時間；表示粒子f1的進入時間；表示粒子f1的到達時間；表示粒子f2的到達時間；δt表示時間間隔；v1表示進入時的流速；v3表示到達時的流蘇；表示粒子f1的行程時間；表示粒子f2的行程時間；

40、同樣，任何任意水前沿的行程時間和進入時間，也可以根據(jù)先前的到達時間、相應的進入時間、當前速度和相應的入口速度來計算。

41、考慮到速度的符號，計算粒子在雙向流動中的運動時間和進入時間的方程與用于單向流動的方程一致，統(tǒng)一公式為：

42、

43、

44、其中，表示第k次迭代后的進入時間；表示第k次迭代后的到達時間；v(k)表示第k次迭代后的流速；表示第k次迭代后的進入時的流速；τ(k)表示第k次迭代后的行程時間；t(k)表示第k次迭代后的時間；

45、水流有四種狀態(tài)：正流、+0、-0和負流。正流和負流分別指水流沿著管道的正常方向和相反方向流動。+0和-0則指水流在正流或負流后停止流動的狀態(tài)。水粒子通過管道的行程時間函數(shù)是分段線性的，并且在兩種情況下會重置：當流向發(fā)生反轉(zhuǎn)或流動暫時停止時。具體包括以下情形：當流向發(fā)生變化時，行程時間會重置為零。在流動停止期間，行程時間是未定義的。當流動恢復時，重置的行程時間值將取決于停止前后流動的相對方向。如果流向發(fā)生反轉(zhuǎn)，則行程時間設置為停止的持續(xù)時間。如果流動恢復到原來的方向，則行程時間會延長停止流動的持續(xù)時間。

46、s2.2分析流向變化對相鄰管道的影響。管道內(nèi)流向的變化能顯著影響相鄰管道的進口溫度，因此需要引入額外的水前沿來監(jiān)控這些不連續(xù)性。節(jié)點j的混合溫度是通過各管道出口溫度的加權(quán)平均來計算的：

47、

48、其中表示流入節(jié)點j的管道集合。

49、步驟s3、將水力和動態(tài)熱力計算在離散事件仿真des框架中集成；

50、des模型將并行過程表示為一系列按時間順序排列的事件，這些事件表示系統(tǒng)狀態(tài)的變化。在仿真過程中，事件可以被調(diào)度、重新調(diào)度或取消。這些事件被統(tǒng)一管理在一個事件隊列中，隊列根據(jù)事件的預定激活時間進行組織。離散事件仿真過程包括迭代地從隊列中移除最早的事件，并執(zhí)行與之關聯(lián)的事件例程，直到事件隊列為空。離散事件仿真的動態(tài)調(diào)度能力使其特別適用于需要可變時間步長的仿真。

51、具體流程如下：

52、在開始時刻用質(zhì)量流量變化事件和進口變化事件初始化事件隊列。若事件隊列為空則流程結(jié)束。若不為空則從事件隊列中移除并處理第一個事件。

53、若第一個事件為質(zhì)量流量變化事件，則通過水力模型求解質(zhì)量流量，并基于先前質(zhì)量流量更新節(jié)點溫度，遍歷每一根管道更新流向，維護前沿雙端隊列，插入新的水流前沿，并更新到達事件的時間。根據(jù)更新后的質(zhì)量流量更新節(jié)點溫度，如果節(jié)點溫度發(fā)生變化，插入額外的水流前沿。如果存在下一個變化，重新調(diào)度質(zhì)量流量變化事件。通過重新最小堆來維護事件隊列，最后再次判斷事件隊列是否為空，循環(huán)往復。

54、若第一個事件為水前沿到達事件，則更新出口溫度，從雙端隊列中移除到達的水前沿。若雙端隊列為空，則觸發(fā)所有下游對象的進口溫度變化事件。若雙端隊列不為空，則需重新調(diào)度到達時間后再觸發(fā)所有下游對象的進口溫度變化事件。最后再次判斷事件隊列是否為空，循環(huán)往復。

55、若第一個事件是進口溫度變化事件，則在管道中創(chuàng)建新水前沿，當雙端隊列不為空時，直接進行事件隊列是否為空的判斷。若雙端隊列為空時，則需調(diào)度到達事件，而后再判斷事件隊列是否為空，循環(huán)往復。

56、本發(fā)明的有益效果：一種基于des的環(huán)狀管網(wǎng)和網(wǎng)狀管網(wǎng)動態(tài)仿真方法，將復雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為易于處理的樹形結(jié)構(gòu)，使得非線性子問題可以獨立求解，有效解決了水力系統(tǒng)的分布問題。將動態(tài)熱力模型從單向流擴展到支持雙向流動，采用雙端隊列允許從兩端插入和刪除元素，有效地適應了雙向流動模擬中水前沿管理的動態(tài)特性。這種用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡的精確且高效的可變時間步長模型采用了des方法，能夠動態(tài)定義時間和空間離散化，對于提升溫度仿真的準確性和效率至關重要。