本发明属于燃气仿真，尤其是一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法。
背景技术：
1、随着人们对能源效率和能源清洁重视的不断加深，基于多种能源耦合的综合能源系统受到越来越多的关注。其中，燃气系统作为综合能源系统中的关键一环，在当前的能源结构中发挥着重要作用。然而，随着智能控制装置的接入，燃气系统具有越来越多的离散特性和不确定性，这给综合能源的动态仿真带来了困难和挑战。为了能够准确描述具有离散特性的燃气系统的动态过程，需要一种新型的仿真方法。
2、量子化状态系统方法(quantized state system，qss)基于状态离散的思想，通过引入“量子值”这一状态步长概念，替代了传统时域方法中的时间步长，实现了对离散特性的高效处理。然而，目前经典的qss方法的量子值通常在仿真开始前被人为规定，无法根据系统的仿真过程进行动态调整，导致仿真效率较低。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，能够准确、高效获取燃气系统的动态过程，为实现综合能源系统的运行优化调度提供准确的计算结果，对于综合能源的运行控制具有重要意义。
2、本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
3、一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，包括以下步骤：
4、步骤1、根据选定的燃气系统进行仿真初始化；
5、步骤2、根据步骤1燃气系统的仿真初始化，建立燃气系统动态仿真模型；
6、步骤3、根据步骤2燃气系统动态仿真模型，计算燃气系统状态变量xn在仿真时刻t的1阶、2阶和3阶导数：和
7、步骤4、根据步骤3中得到的燃气系统状态变量xn在当前仿真时刻t的3阶导数，计算积分步长h；
8、步骤5、根据步骤3中得到的燃气系统状态变量xn在当前仿真时刻t的2阶导数与步骤4中得到的积分步长h，计算预估积分步长h'与积分步长估计偏差err；
9、步骤6、根据步骤5中得到积分步长估计偏差err，自适应调整量子值；
10、步骤7、判断燃气系统离散控制变量在区间(t,t+h]内是否存在更新，若存在则更新积分步长；否则进行步骤8；
11、步骤8、根据求得的积分步长h更新燃气系统状态变量xn，并推进仿真时刻t＝t+h；
12、步骤9、判断仿真时间是否达到仿真结束时间，若达到则结束仿真；否则返回步骤4。
13、而且，所述步骤1仿真初始化的具体实现方法为：确定选定的燃气系统的网络参数、燃气负荷设备参数、燃气负荷控制参数和仿真控制参数，网络参数包括燃气系统的管道长度、管道直径、管道摩阻系数、管道与水平方向的夹角、气体中声速、压缩机工作参数、管道微元段长度；燃气负荷设备参数包括热工质质量、热工质比热容、燃气锅炉效率、燃气锅炉燃气流量、燃气热值、散热器面积、散热器散热系数、空气密度、空气比热容、房间体积、房间散热系数、室外温度；燃气负荷控制参数包括热工质温度上限、热工质温度下限、房间室内温度上限、房间室内温度下限；仿真控制参数包括仿真开始时间，仿真结束时间，量子值初值，量子值变化率，最大容许误差，最小容许误差。
14、而且，所述步骤2燃气系统动态仿真模型包括：燃气系统管道传输方程、燃气系统压缩机工作方程、燃气负荷工作方程，将其联立作为燃气系统整体模型标准形式。
15、而且，所述燃气系统管道传输方程为：
16、将管道进行空间上的离散化，管道微元段长度为δx；对于管道长度为lp的燃气管道，得到段管道微元；对于第i段管道微元(i＝1,…,np)，其燃气系统管道传输方程表示为：
17、
18、式中，pi为燃气管道第i段管道微元的燃气压强，qi为燃气管道第i段管道微元的燃气流量，c为气体中声速，dp为管道直径，为管道横截面积，fp为管道摩阻系数，αp为管道与水平方向的夹角，g为重力加速度；和为不同方向的差分函数，如下所示：
19、
20、燃气系统压缩机工作方程为：
21、
22、式中，为压缩机入口压强，为压缩机出口压强，qc为压缩机流量，ac、bc、cc和dc为压缩机工作参数；
23、燃气负荷工作方程为：
24、燃气负荷包含燃气锅炉和散热器两部分，散热器为房屋供热，其工作方程表示为：
25、
26、式中，为热工质质量，为热工质比热容，为热工质温度，为燃气锅炉效率，为燃气锅炉燃气流量，hg为燃气热值，为燃气锅炉离散控制变量，为散热器面积，为散热器散热系数，为房间室内温度，为散热器离散控制变量，ρa为空气密度，ca为空气比热容，为房间体积，为房间散热系数，为室外温度；
27、燃气锅炉离散控制变量和散热器离散控制变量为：
28、
29、式中，为热工质温度下限，为热工质温度上限，为房间室内温度下限,为房间室内温度上限；
30、燃气系统整体模型的标准形式为：
31、联立燃气系统管道传输方程、燃气系统压缩机工作方程、燃气负荷工作方程，整理成燃气系统整体模型标准形式：
32、
33、式中，xn为燃气系统状态变量，包含燃气压强、燃气流量、热工质温度、房间室内温度；un为燃气系统离散控制变量，包含燃气锅炉离散控制变量和散热器离散控制变量；fn为燃气系统微分方程组；gn为燃气系统代数方程组。
34、而且，所述步骤3的具体实现方法为：
35、
36、式中，xn(t)、un(t)分别为仿真时刻t的燃气系统状态变量和燃气系统离散控制变量，分别为燃气系统微分方程组的1阶、2阶导数表达式。
37、而且，所述步骤4计算积分步长h的具体实现方法为：
38、
39、式中，δq为当前时刻t的量子值，表示对每个燃气系统状态变量的3阶导数取绝对值后，其中最大的那一个。
40、而且，所述步骤5计算预估积分步长h'与积分步长估计偏差err的具体实现方法为：
41、
42、err＝|h-h'|
43、式中，δq为当前时刻t的量子值，表示对每个燃气系统状态变量的2阶导数取绝对值后，其中最大的那一个。
44、而且，所述步骤6的自适应调整量子值的具体实现方法为：
45、根据积分步长估计偏差err、最大容许误差errmax、最小容许误差errmin的大小关系，自适应调整量子值公式如下：
46、
47、式中，k为量子值变化率，δq'为下一时刻t+h的量子值。
48、而且，所述步骤7的具体实现方法为：判断燃气系统离散控制变量在区间(t,t+h]内是否存在更新，检测方法表示为：
49、(xn,i(t)-lmin)>0∧(xn,i(t+hi)-lmin)≤0∧(t<t+hi≤t+h)
50、(xn,i(t)-lmax)<0∧(xn,i(t+hi)-lmax)≥0∧(t<t+hi≤t+h)
51、式中，xn,i(t)为燃气系统状态变量xn的第i个分量在仿真时刻t的取值，hi为燃气系统状态变量xn的第i个分量的积分步长，lmin为热工质温度下限或房间室内温度下限，lmax为热工质温度上限与房间室内温度上限；
52、若区间内存在更新，则根据燃气负荷工作方程更新天然气网络离散控制变量，并采用下式对积分步长进行更新：
53、
54、更新积分步长
55、式中，分别为燃气系统状态变量xn的第i个分量在仿真时刻t的1阶、2阶、3阶导数。
56、而且，所述步骤1更新燃气系统状态变量xn的具体实现方法为：
57、
58、式中，xn(t+h)为仿真时刻t+h的燃气系统状态变量，xn(t)为仿真时刻t的燃气系统状态变量，和为燃气系统状态变量在仿真时刻t的1阶、2阶和3阶导数。
59、本发明的优点和积极效果是：
60、本发明考虑了燃气系统的离散特性，立足于解决燃气系统的动态仿真问题，依据量子化状态系统方法的基本原理，通过计算积分步长估计偏差实现对量子值进行自适应调整，在尽可能不损失精度的前提下完成问题的快速求解，还能保证所求解的收敛性和准确性，实现了一种高效、准确模拟燃气系统系统状态变量的动态仿真方法。本发明能够准确、高效获取燃气系统的动态过程，为实现综合能源系统的运行优化调度提供准确的计算结果，对于综合能源的运行控制具有重要意义。
1.一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，其特征在于：所述步骤1仿真初始化的具体实现方法为：确定选定的燃气系统的网络参数、燃气负荷设备参数、燃气负荷控制参数和仿真控制参数，网络参数包括燃气系统的管道长度、管道直径、管道摩阻系数、管道与水平方向的夹角、气体中声速、压缩机工作参数、管道微元段长度；燃气负荷设备参数包括热工质质量、热工质比热容、燃气锅炉效率、燃气锅炉燃气流量、燃气热值、散热器面积、散热器散热系数、空气密度、空气比热容、房间体积、房间散热系数、室外温度；燃气负荷控制参数包括热工质温度上限、热工质温度下限、房间室内温度上限、房间室内温度下限；仿真控制参数包括仿真开始时间，仿真结束时间，量子值初值，量子值变化率，最大容许误差，最小容许误差。
3.根据权利要求1所述的一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，其特征在于：所述步骤2燃气系统动态仿真模型包括：燃气系统管道传输方程、燃气系统压缩机工作方程、燃气负荷工作方程，将其联立作为燃气系统整体模型标准形式。
4.根据权利要求3所述的一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，其特征在于：所述燃气系统管道传输方程为：
5.根据权利要求1所述的一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：
6.根据权利要求1所述的一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，其特征在于：所述步骤4计算积分步长h的具体实现方法为：
7.根据权利要求1所述的一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，其特征在于：所述步骤5计算预估积分步长h'与积分步长估计偏差err的具体实现方法为：
8.根据权利要求1所述的一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，其特征在于：所述步骤6的自适应调整量子值的具体实现方法为：
9.根据权利要求1所述的一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，其特征在于：所述步骤7的具体实现方法为：判断燃气系统离散控制变量在区间(t,t+h]内是否存在更新，检测方法表示为：
10.根据权利要求1所述的一种面向燃气系统的状态离散自适应变步长仿真方法，其特征在于：所述步骤1更新燃气系统状态变量xn的具体实现方法为：
