遗传算法在集中供热网流量调节中的应用

戴谦九，张 莉

（太原市热力公司，山西 太原 030001）

1 引言

集中供热管网是一个复杂的分布式大系统，整个运行过程具有大滞后性、大惯性。供热站之间存在较强的耦合特性，对象具有时变特性，同时还存在着地理位置的分散性、过程负荷变化的不确定性等特点[1]。当系统稳定性差、气候变化快时，各热力站之间的水力、热力工况相互影响，难以同时满足供热指标，甚至会引发振荡。综上所述，较好的方法是综合考虑全网整体供热效果的调节方案[2]，达到均匀供热。

2 遗传算法概述

遗传算法来源于达尔文的进化论，是建立在自然选择和群体遗传学机理基础上随机、迭代、进化，具有广泛的适用性的搜索方法。遗传算法的主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息交换，搜索不依赖于梯度信息，它尤其适用于处理传统方法难于解决的复杂非线性问题[3]。在集中供热中，当热网环境达不到供需平衡时，计算机采用遗传算法得出对整个热网平衡调节最优解而不是针对个别热力站的最优解，通过控制电动调节阀进行调节，从而达到均匀供热。

3 基于遗传算法的流量控制策略

遗传算法作为一种新的优化搜索算法被广泛应用于许多优化问题中，这种算法不是盲目穷举或完全随机的测试，而是不断产生最优解，最大可能性地达到整个热网系统以及各热力站的供热要求指标，有效地防止针对个别热力站得出的最优解。本论文试图应用遗传算法根据热源的总热量合理分配一次网侧各热力子站的流量，并最终实现均匀供热。为了实现热网的动态控制，需要了解各热力站用户及站内设备的热工特性参数，在此基础上给出调节目标设定值。在应用计算机系统对供热管网进行监控时，有可能从实测数据中辨识出实际的用户热工特性参数，及时对数据进行计算得出新的最优解，从而更好地指导热网的调节与运行，达到令人满意的供热效果。

4 遗传算法在集中供热网流量调节中的应用

4.1 系统控制策略

热电联产供热工程通常是由一个热源及几十个间接连接热力站所构成的复杂系统，负荷的变化对热源运行方式的调整，以及热用户之间或内部的变化都要求对主网内的阀门进行自动控制。对于各个工程的实际情况，这种控制方法可能会出现以下问题:

第一，由于热源、热网分属两个不同的管理部门，热源总供热量与用户需求热量有时会产生不匹配问题。当供热量大于实际需求热量时即产生过盈量，各个热力子站将竞相关小站内调节阀门；而当供热量小于实际需求热量时，则会产生各热力子站都将阀门开到最大而争流量的现象，这样做的严重后果是造成系统不稳定并将引起更大的水平热力失调。

第二，当系统稳定性较差时，将会引起各热力站之间的水力工况和热力工况的相互影响，并形成振荡。

由于上述原因，本文所采用的控制策略是将整个供热系统的控制分为热源及热网两个相对独立的系统。下面对遗传算法调节方法与传统调节方法进行比较：

传统调节方法：从各用户出发独立调节，以满足用户的绝对室温要求；调节时按照设计工况调节热源，热网子站各自决定自己的调节目标；热源的调整及室外温度变化都会导致各子站的不断调整，子站独立控制也会对热源运行产生影响，热源热网相互牵制；热源总供热量及室外温度的频繁变化都将导致子站阀门的频繁动作，控制设备维修量大，并可能出现阀门关死或过力矩事故；总供热量不足时，只有部分子站能够达到供热要求，子站间水平失调严重，整体供热效果差；当子站流量供需不平衡时，子站独立调节将产生水平热力失调，过热用户浪费了多余热量，过冷用户则需要辅助采暖措施，能量浪费大，经济效果差。

遗传算法调节方法：将整个系统分为热源和热网两个互为独立的调节子系统，热网以实现均匀供热为目标，热源通过动态预测的总需求热量调节总供热量；按照在线辨识的供热特性参数进行调节；热源根据动态预测的热网负荷调节供热参数，热网子站调节目标统一给定，由于各子站之间水力耦合性强，采用基于遗传算法的控制策略进行调节；热源热网调节回路基本独立，相互牵制小；供暖期间，仅热源根据室外温度经常调节，热网调匀后，子站阀门动作频率和幅度都很小；在供热量不足时，均匀降低热网所有用户的供热标准，热网整体水平失调度小；热网调匀后可避免过热、过冷引起的能量损失，热源可以在满足一定的用户室温要求范围内寻求总体上的最佳效益。

综上所述，一次网运行应采取分阶段质量——流量并调的方法，根据室外温度和供暖负荷的变化来决定主循环泵的运行台数。二次网运行应采用质调节的方式。一般情况下，只需要改变二次网供回水温度，而保持二次网循环流量不变，从而保证网路内水力工况稳定，避免了用户间的垂直热力失调。

4.2 基于遗传算法的优化控制策略

当某些热力站支路水流量变化或调整阀门开度时，必然会引起全网压力分布的变化，进而对其他热力站的流量产生影响。在这种情况下，可以利用遗传算法按照多变量对象进行整体控制[4]。

为达到供热管网均匀供热的调节目标，对供热管网换热器间接连接系统而言，则是将各热力站二次网供回水平均温度调匀。在实际运行过程中，采用的调节方法是:中央管理计算机根据全网实测二次网平均温度分布以及辨识出的各热力站热工特性参数，如暖气片供热和地暖供热要区分开，供热面积大的要和供热面积小的热力站区分开。统一给定各热力站的调节目标，各热力站现场控制计算机按照给定目标调整各自阀门开度，并防止阀门振荡及关死等事故的发生。

[1]李德英，刘政满等.锅炉供暖量化管理与节能技术[M].北京:中国建筑工业出版社.1992.

[2]贺平，孙刚等.供热工程（第三版）[M].北京:中国建筑工业出版社.1993.

[3]陈国良，王煦法等.遗传算法及其应用[M].北京;人民邮电出版社，1996，6.

[4]王荣和，姚仁忠.潘建华遗传算法在给水管网现状分析中的应用[J].给水排水2000,26(9):31-36.