《Energy》：Component-level fault diagnosis in district heating networks by using a physics-based approach
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摘要区域供热网络由多个可能出故障的组件构成，因此需要诊断工具来识别那些会降低系统效率的故障。本研究提出了一种基于物理原理的诊断工具，用于检测和识别区域供热网络中关键组件的故障，这些组件包括泵、管道、阀门和热交换器。故障检测旨在定位出现故障的组件，而故障识别则可用于确定故障特征及其
摘要
区域供热网络由多个可能出故障的组件构成，因此需要诊断工具来识别那些会降低系统效率的故障。本研究提出了一种基于物理原理的诊断工具，用于检测和识别区域供热网络中关键组件的故障，这些组件包括泵、管道、阀门和热交换器。故障检测旨在定位出现故障的组件，而故障识别则可用于确定故障特征及其严重程度。该诊断工具依赖于区域供热网络的物理模型，其控制方程包含了有助于评估各组件状态（即正常或故障状态以及故障严重程度）的变量，如健康指数和阀门开度。这些变量的数值是通过优化算法确定的。以意大利帕尔马大学校园的区域供热网络为案例进行研究，通过可靠的数据模拟器在正常和故障状态下重现其运行情况。研究结果表明，该诊断工具能够准确评估所有区域供热网络组件的状态，无论是故障检测还是故障特征识别都十分准确。此外，在大多数情况下，实际故障严重程度与计算结果之间的差异可以忽略不计，这证明了该工具能够始终可靠地评估各组件的状态。由于其可靠性、计算效率以及对噪声的强适应性，该诊断工具非常适合用于实际应用。
章节节选
文献综述
区域供热网络在实现脱碳目标的过程中发挥着重要作用，因为可以通过废热（如Garcia Pabon等人[1]的研究）或可再生能源技术，如热泵（如Capone等人[2]的研究）或太阳能集热器（如Dino等人[3]的研究）来满足人们的供暖需求。
区域供热网络主要由四部分组成：(i) 由一个或多个生产单元构成的热力厂，这些单元负责加热水介质；(ii) 负责将热介质从热力厂输送到
方法论
所提出的诊断工具能够系统地评估区域供热网络中关键组件的状态，这些组件包括泵、管道、阀门和热交换器。该诊断工具基于一个区域供热网络模型，该模型整合了三个基于物理原理的子模型，分别是：(i) 模拟泵功能的“泵站模型”；(ii) 模拟管道功能的“分配网络模型”；以及(iii) 模拟阀门和热交换器功能的“变电站模型”。所有组件均在稳态条件下进行建模
区域供热网络
该诊断工具是通过分析服务于意大利帕尔马大学校园的区域供热网络的一个分支来验证其有效性的，该网络结构如图6所示。热力厂将水加热到80摄氏度，随后通过两台并联安装的相同泵将其加压至约5巴。供水管道分为16个段落，将热水输送到9个变电站；回水管道的建模方式与供水管道相同。整个
结果
在用含有故障的数据集测试该诊断工具之前，先使用正常数据集对其进行了验证。验证结果非常理想，没有出现任何误报：实际上，所有区域供热网络组件都被正确标记为正常状态，其健康指数均为1，阀门开度也等于设定值。
表3中所列故障的检测和识别结果如图7所示。
需要指出的是，此次诊断
结论
本文提出了一种诊断工具，用于评估区域供热网络中主要组件的状态，即这些组件是处于正常状态还是出现故障。该工具基于物理模型，可计算管道中的质量流量以及网络节点处的温度和压力。通过优化算法可估算出健康指数和阀门开度，从而对每个组件的实际状态进行定量评估
CRediT作者贡献说明
Lucrezia Manservigi：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，数据整理，概念设计。Carlo Antonio Caputo：撰写——审阅与编辑，验证。Mirko Morini：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。Agostino Gambarotta：撰写——审阅与编辑。Pier Ruggero Spina：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督，项目管理，方法论，资金获取，
未引用参考文献
[24]；[25]；[48]；[49]。
利益冲突声明
? 作者声明他们不存在任何可能影响本文所述工作的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了以下项目的资助：(i) 国家恢复与韧性计划（NRRP），第4任务组第2组成部分投资1.5——招标编号3277，日期为2021年12月30日，授予编号为0001052，日期为2022年6月23日；(ii) 欧盟——下一代欧盟，第4任务组第1组成部分，CUP D53D23004440006，项目名称为“2050年的城市与社区智能能源”（项目编号2022ZM87LR）；以及(iii) “PR-FESR EMILIA ROMAGNA 2021-2027”项目，属于“PIAC(ER)2”项目的一部分——CUP E37G22000560007。
Lucrezia Manservigi|Carlo Antonio Caputo|Pier Ruggero Spina|Mauro Venturini|Costanza Saletti|Samuel Sordi|Mirko Morini|Agostino Gambarotta
费拉拉大学
