基于多能流聯合解算與分析的綜合能源在線仿真系統開發

韓華春，吳盛軍，汪成根

（國網江蘇省電力有限公司 電力科學研究院，南京 211103）

0 引言

近年來，能源與環境問題逐步成為遏制社會發展的主要問題，同時，我國能源消費供給、能源結構轉型形態呈現新的發展趨勢［1］。電動汽車、冷熱電聯供系統、光伏、光熱等新型能源生產與利用形式已逐步融入社會日常生活，不僅促進了我國能源轉型進程，也給能源生產與供給帶來了新挑戰。在此背景下，綜合能源系統（integrated energy system，IES）作為一種新型能源運用方式被提出。

目前，國際上對于綜合能源系統尚無統一定義，國內對區域內部綜合能源系統的研究大部分局限于供電、供氣、供熱、供冷、供氫等各類能源聯供的能源微網型多能互補系統（multi?energy comple?mentary system，MCS）［2—3］。綜合能源系統主要由冷熱 電 聯 供（combined cooling heating and power，CCHP）系統和微電網系統構成，可滿足區域內多種負荷需求，提高多能利用效率，實現分布式電能、冷熱能、天然氣能源統一調度，提升區域環境與經濟效益，具有巨大發展潛力［4—6］。然而，由于IES 的復雜性，CCHP 存在IES 規劃、設計和運行等一系列實際問題，需要通過仿真研究來給出解決方案，因此研究與開發IES仿真具有較高的實際意義與工程應用價值［7］。

目前，國內外研究人員針對綜合能源系統的仿真專注于電-氣、電-熱、電-氣-熱等多種能源耦合互聯的多能流穩/動態仿真。文獻［8］基于區域綜合能源系統（integrated community energy system，ICES）的概念和能源集線器（energy hub，EH）模型構建熱電聯產系統模型，分析完全解耦、部分耦合以及完全耦合3種運行模式下電力網絡和燃氣管網的相關約束，提出適用的混合潮流算法。文獻［9］至文獻［11］研究電-氣混合潮流的暫態與穩態建模，提出包括暫態差分法、暫態牛頓拉夫遜法、穩態迭代法、穩態雅可比矩陣法在內的求解算法。在電熱耦合運行的場景下，文獻［12］提出了2種同時分析電熱耦合網絡狀態的穩態仿真方法:基于電熱潮流的分立求解方法和電-水力-熱力聯合求解方法。文獻［13］采用了準穩態熱網模型，并提出了一種分解-迭代求解算法來仿真電熱耦合網絡狀態，該方法能夠適用于多熱源、變流量和任意拓撲的熱網，但不足之處在于進行迭代求解時，需要已知各熱負荷處的回水溫度，或假設它們為已知量，這與實際運行情況有所偏差。文獻［14］開發了適用于變流量運行熱網的動態仿真，且無需已知負荷處回水溫度分布，可通過水力與熱力方程的交叉迭代獲得更為精確的熱網動態信息。文獻［15］針對電-氣-熱耦合互聯系統進行動態仿真研究。以上的研究均處于理論階段，應用于工程實際的較少，且實際工程中存在的大規模系統仿真等應用問題尚未得到有效解決。

近年來，單獨的電力、燃氣、熱力仿真軟件已經快速發展，成熟的商業軟件包括可進行熱網仿真的TRNSYS、Modelica、TERMIS、Apros 和IDA?ICE 等，可進行電力仿真的pandapower、BPA、PSASP、PSSE、EMTP、PSACD、DGRSS 等，可進行燃氣系統仿真的Pipeline Studio、Synergi Gas 等，然而，支持IES 聯合仿真的商業軟件尚未得到有效開發。2020年，清華大學發布了可應用于多能流仿真的CloudPSS?IESLab 2.0 云端軟件平臺，但是該平臺可仿真的綜合能源設備較少，且多數綜合能源耦合設備僅支持固定選型，未能實現用戶自定義，不具備應用的一般性與廣泛性。

基于此，本文開發一種基于多能流聯合解算與分析的綜合能源在線仿真系統。設備建模部分，建立51 種設備模型，涵蓋市面上常見的設備類型，具備典型參數選擇與用戶自定義模板生成；管網部分，支持電力、燃氣、熱力、冷水、蒸汽網共5 種網絡仿真計算，其中蒸汽管網仿真算法為自主研發。該系統支持多能源子系統/耦合系統的單時間斷面仿真、連續多斷面仿真、故障模擬、運行優化等功能，可針對所規劃的綜合能源系統提供包括全網運行狀態模擬、故障恢復分析等運行可行性驗證，具備工程應用價值。

1 綜合能源在線仿真系統設備/網絡建模

1.1 綜合能源設備

平臺嵌入51種綜合能源設備模型，不僅配置有市場上較為典型的綜合能源設備運行參數，而且支持用戶自定義設備參數與模板，更具操作的靈活性。按照用能與傳輸特性，將設備分為用能設備與傳輸/控制設備。對于用能設備，按照終端用能種類又可分為電、氣、熱、冷、蒸汽等5種設備。具體設備分類見表1，設備模型見文獻［3］、文獻［10］、文獻［16］、文獻［17］。

表1 綜合能源設備庫Table 1 Integrated energy equipment base

1.2 綜合能源網絡

針對電-氣-冷-熱-熱蒸汽多能流網絡進行聯合穩/動態仿真，支持單能源/多能源并行解算。多能流仿真算法見表2，算法模型見文獻［15］、文獻［17］至文獻［22］。

表2 多能流仿真算法Table 2 Multi?energy flow simulation algorithm

2 綜合能源在線仿真系統軟件開發

基于上述理論，采用B/S架構開發了綜合能源系統在線仿真平臺。前端采用JavaScript，后端采用基于Java語言的Spring框架，仿真計算采用Python編寫。

2.1 系統軟件模型

面向對象是一種編程范式，把相關數據和方法作為一個整體來看待，從更高層次來進行系統建模，更貼近事物的自然運行模式。采用該范式，在建模過程中，拓撲中每個設備和線路/管道都被定義為一個類的對象，由前端封裝到一個json 文件中傳給后端。后端將數據進行存儲，根據前端傳遞的拓撲圖的連接信息，進行綜合能源系統子網分配，將錯綜復雜的耦合網絡分解為一個個單獨計算的子網絡。

網絡分解流程如圖1 所示，首先為5 種能源子網分別構建一個并查集，遍歷拓撲中所有設備和線路/管道，將設備按照含有的網絡參數分配到并查集中；根據設備間的對應關系，由并查集對隸屬于同種子網的設備進行分組，最后將只有一個設備的分組過濾，即完成綜合能源系統子網分配。

圖1 網絡分解流程Fig.1 Network decomposition flow

為防止用戶構建的拓撲及錄入的數據出錯，平臺還具備拓撲和數據的校驗功能。拓撲校驗主要校驗是否存在不同屬性的設備連接到一起、是否存在拓撲構建不完全、在采用節點法的節點中是否有兩個源連接在同一總線上等；數據校驗主要校驗所需數據是否填寫完全、質調節網絡中流量填寫是否對應，并且對于用戶填寫的無效數據會有提示。如果存在上述錯誤，前端頁面會提示用戶進行修改并將錯誤定位，直到所有錯誤全部修改完畢才可進行計算。

將校驗通過的子網數據依次傳入Python代碼進行仿真計算，計算完成后，將計算結果分配到對應的設備和線路/管道，后端將計算結果進行存儲并封裝到json文件傳給前端進行數據展示。

2.2 系統模型搭建

在線平臺采用圖形化建模方式，用戶只需按照規則將需仿真的綜合能源系統各設備拖入畫布中，并用線路/管道連成拓撲結構，最后將計算所需的所有參數填寫到軟件系統中，系統即可自動進行解算。

用戶連接拓撲圖后，可依次點擊設備圖標進行數據錄入，仿真平臺還支持多時間斷面的時序仿真，用戶可選擇在web頁面依次輸入時序數據，也可選擇下載excel模板進行數據的批量錄入。

數據輸入完成后，用戶可點擊單斷面仿真按鈕或者時序仿真按鈕進行仿真，仿真完成后會分別彈出結果頁面，用戶可自由查看所有設備和線路/管道的仿真結果以及結果分析。

2.3 在線計算功能

為實現對綜合能源系統的實時監測，仿真平臺配備實時計算功能，可以從數據庫中實時獲取綜合能源系統的運行數據，將計算結果實時寫回數據庫并在前端界面進行展示，主要顯示信息為各設備及線路/管道的主要參數，方便用戶對綜合能源系統進行管理。在線計算過程如圖2所示。

圖2 在線計算流程Fig.2 Online calculation flow

3 算例分析

該綜合能源仿真平臺已經被國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院運用于綜合能源系統實驗和設計中。電力科學研究院內部有配電樓、食堂、生產值班樓、特高壓大廳和中心實驗樓等建筑，需要供電、供冷、供熱。其內部有一能源站，主要包括地源熱泵、溴化鋰機組、一體化集熱光伏、燃氣鍋爐、儲熱罐和冰蓄冷進行冷熱能源供給，電力則由外部學景變和高橋變提供，電科院綜合能源系統如圖3所示。

圖3 綜合能源系統架構Fig.3 IES stucture

仿真平臺通過可視化的參數輸入方式為后端計算代碼提供計算信息，系統可將最終計算結果在前端以圖表的形式展示，也可通過excel表格的方式輸出。

電-冷-熱網絡連續多時間斷面仿真界面如圖4所示。

圖4 仿真結果展示界面Fig.4 Display interface of simulation results

選取含有2種負荷的配電樓和食堂的仿真結果進行分析。常規態下配電樓和食堂的各項參數如圖5所示。故障態下，7:00—8:00能源站制熱設備由于運行故障退出運行，9:00能源站制熱能力恢復。

圖5 常規態配電樓和食堂仿真結果Fig.5 Simulation results of conventional distribution building and canteen

常規態和故障態的仿真結果對比如圖6 所示，在常規態下，配電樓和食堂的所有負荷均得以滿足，而在故障態下，由于能源站供熱出現問題，配電樓和食堂的供熱溫度均有嚴重下降，在故障時間段內分別平均下降了18.555 ℃和18.715 ℃。當制熱設備出現故障，回水管道回流的介質沒有經過加熱又流入供水管道，導致供給到配電樓和食堂的介質溫度逐漸降低，并且因為能源站的額定功率有限，供熱溫度在故障修復后一段時間內仍較低。

圖6 常規態、故障態供熱溫度對比Fig.6 Comparison of heating temperature between normal state and fault state

常規態和故障態的熱網運行曲線如圖7 所示，在故障時間7:00 和8:00，能源站制熱功率為0，當9:00 能源站制熱能力修復后，能源站熱出力連續5 h 為最大功率，以提升管網中的介質溫度，至15:00 熱網運行恢復正常。

圖7 熱網運行曲線Fig.7 Operation curves of heat supply network

從圖7 可以看出，本文研發的在線仿真平臺可以對綜合能源系統中包含設備、網絡等的運行狀態進行聯合仿真并支持故障模擬，符合設備與網絡運行的理論原理，可為用戶提供綜合能源系統仿真層面的數據分析。

4 結束語

針對國內對于綜合能源系統仿真軟件稀缺的現狀，本文開發了一個可以對綜合能源系統進行聯合仿真模擬的在線平臺，嵌入完備的設備與網絡模型庫，實現了算法理論的實踐應用。采用動態圖形化建模的方式構建拓撲，能快速地對綜合能源系統進行仿真分析。

仿真系統針對國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院的綜合能源系統進行常規態和故障態仿真。常規態下所有區域的負荷均得到滿足。故障態考慮能源站供熱故障，導致配電樓和食堂的供熱溫度均嚴重下降；介質沒有經過加熱又流入供水管道，導致供給溫度逐漸降低；能源站的額定功率限制導致供熱溫度在故障恢復后一段時間內仍較低。仿真結果符合設備與網絡運行的理論分析，實現了電、冷、熱等多能源系統聯合仿真。通過常規態與故障態的仿真模擬，對綜合能源系統建設方案進行包括全網運行狀態模擬、故障恢復分析等的運行可行性驗證，為綜合能源系統規劃提供仿真層面的數據支撐。

實際運用表明，本文所介紹的軟件平臺可有效實現多能流多運行狀態仿真，功能強大，能夠支持綜合能源系統的運行分析和優化，具備工程應用價值。