多重異構城市能源互聯網絡實時仿真的頂層設計

葛磊蛟，李元良，劉航旭，顧志成，杜天碩

（天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津300072）

0 引言

我國城市能源消費需求逐年上升，電、氣、熱等各能源系統相互獨立的供能模式和粗放的能源利用方式極大地制約了城市能源系統的發展，面臨著能源供應結構不合理、綜合利用效率低、可再生能源消納能力不足等問題［1］。因此，為了實現多種能源互補共濟與高效利用，提高供能的可靠性和經濟性，城市能源互聯網（Urban Energy Internet，UEI）技術應運而生。2011年美國學者杰里米·里夫金率先提出了能源互聯網的概念，如今，能源互聯網已經得到了廣泛的關注。而城市作為區域的用能中心，構建UEI對于推動城市、國家乃至整個社會的能源發展都具有積極的意義。UEI示范工程已經在京津塘、長三角等經濟發達地區先行落地。

UEI的核心思想是以電為中心，構建廣泛互聯、開放共享、再電氣化、低碳環保的城市綜合能源系統。與傳統的供能網絡相比，UEI中冷、熱、電、氣等供能網絡耦合程度明顯增強。一方面，各能量網絡通過形式多樣的物理設備元件形成聯系，不同品位的能量通過生產、傳輸、轉換、消費過程相互影響，呈現出復雜、多時空尺度的動態耦合過程；另一方面，多能源網絡的運行調度、控制保護和應急恢復等調控邏輯存在依賴和耦合關系，需要協調運行和多能互補。可見，耦合動態精細化建模和協調調控是UEI成功建設所需的關鍵技術。已有研究表明，時域動態數字仿真是研究復雜能源系統所需的基礎研究工具，是測試和驗證各種調控策略的必要技術手段［2］。相對應地，建立精細的電、氣、熱網元件動態仿真模型，構建實時仿真平臺，有助于研究能源互聯網多能耦合機理、刻畫多類型能源轉換和耦合網絡復雜動態過程，可以為UEI協調控制策略提供有效驗證手段。

目前國外典型的UEI仿真系統如美國的EMCAS系統和英國的CASCADE系統等，這些仿真系統都是基于Agent的仿真將各類能源生產者、消費者以及各級各類能源中介抽象為智能行為主體，這些智能行為主體按照一定的規則在能量網絡、信息網絡以及經濟網絡中與環境相互作用。國外已出現一些分析綜合能源供需平衡的仿真軟件，如RETScreen、EnergyPlan、DER-CAM等，但這些軟件只能模擬一些簡單的場景，無法滿足UEI復雜的仿真需求。針對單種能源網絡建模方面，文獻［1］采用直流潮流模型，實現兩步優化和雙層優化的城市能源互聯經濟調度求解。文獻［2］提出利用識別參數敏感度相似性的方法來估計模型參數，在直供熱管網中，由于管網中狀態變量（溫度、壓強、流速）具有時空變化性，供熱系統模型大多是根據質量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律對管網中微元進行分析而建立的。文獻［3］提出在天然氣管網中，根據質量、動量和能量平衡方程建立天然氣管道非等溫模型，利用正交配置法對其動態方程進行求解。對于網絡架構比較復雜的UEI而言，選取適合的電網模型、天然氣網絡模型以及供熱管網絡模型是十分重要的。目前針對UEI的建模通常采用靜態建模，對各類設備及能源耦合集成后系統的動態機理和優化特性有待深入研究。

為了實現UEI中各類能源的優化利用，文獻［4］研究了基于冷/熱/電三聯供系統的多區域UEI的規劃問題；文獻［5］對電力-天然氣區域UEI進行了穩態建模和求解，研究了天然氣系統網絡狀態改變對區域UEI的影響；文獻［6］提出了一種適用于電、熱、氣的UEI擴展Newton-Raphson多能潮流計算方法，可以在系統不同運行場景下對多能潮流進行計算和分析；文獻［7］提出了一種計及風、光出力和電、熱負荷不確定性的UEI經濟調度模型，利用CVaR理論研究了不確定性因素對系統調度產生的影響；文獻［8］提出了一種考慮電熱氣耦合的UEI規劃方法，從設備類型和輸入能源形式出發建立基本架構；為了實現UEI日前優化調度應用，文獻［9］構建了面向UEI的多能流運行模型；文獻［10］提出基于復雜混合網絡的建模方法，建立起獨有的能量分布機制以及網絡位置分布機制，但該理論較為抽象，無法描述多能流各自的網絡變量特征；文獻［10］提出耗散熱阻的概念，使用能量流法實現了UEI中供熱系統和電力系統的同質化分析，但忽略熱工質的局部特性；為了解決UEI中多能源間能量傳輸問題，文獻［11］借鑒電-氣-熱網絡相似的基本建模方法，提出廣義基爾霍夫定律，建立能量等效傳遞方程和能量網絡方程，但該方法忽略了熱網水力和熱力模型可分開求解的特點，算法趨向復雜，同時也沒有考慮網絡耦合元件建模。綜上所述，目前已有的建模仿真設備少并且難以代表未來UEI的典型形態和運行特性，因此，有必要構建新型設備的UEI靜態、動態模型集合，開發適用的能源耦合UEI的運行仿真工具，以此推動UEI的理論研究及仿真應用。

近年來，對多能源系統的耦合仿真多集中于穩態建模和穩態能量流的計算，并未考慮不同能源網絡之間暫態過程的耦合。但是，考慮到熱網和氣網暫態過程的時間常數很大，實際多能源系統的暫態過程很難衰減至穩態。因此，傳統適用于電網的穩態建模和計算方法很難準確反應多能源系統的實際運行狀態，有必要研究多能源系統的暫態建模及仿真方法。多能源系統暫態模型的本質是一系列高維剛性非線性常微分和偏微分代數方程組。其中，電力網絡模型本質上是大規模非線性微分代數方程組，仿真過程通常采用很小的仿真步長（微秒至毫秒級），屬于計算密集型任務。而熱網和氣網本質上是一組大規模非線性偏微分代數方程組，仿真過程依賴有限元分析方法對時間和空間同時進行離散。計算中的每一時步都要同時完成空間中所有離散點的計算，該過程數據吞吐量大，屬于數據密集型任務。因此，上述計算密集型和數據密集型任務的計算效率很低，必須采用并行技術對仿真計算進行加速。

為解決以上問題，本文從技術層面分析了UEI的實時仿真問題。首先，提出了UEI實時仿真的頂層研究框架，從理論層面系統分析了UEI的仿真原理及依據，進一步從快速建模方法、計算異構型融合仿真技術、能源異構型動態仿真技術、實時仿真平臺4個方面構建城市多重異構能源互聯網實時仿真的關鍵技術架構，以期為后續研究工作提供借鑒。

1 UEI實時仿真的頂層設計框架

UEI中常包含有電力系統、燃氣系統與熱力系統等，這些系統的建模仿真技術研究從研究對象到仿真精度也都有各自的特點。電力系統以電力的生產、運輸、消費為主要研究對象，就研究目的的不同，仿真精度有一定差異，若對其機電暫態特性進行研究，仿真精度通常為毫秒級，若對電力系統的電磁暫態進行研究，仿真精度通常為微秒級。燃氣系統通常對燃氣的輸配與消費環節為主要研究對象，對其中的燃氣管道、閥門、壓縮機等設備進行建模仿真，典型的仿真精度是毫秒級或秒級。熱力系統以熱能從熱源到熱網到用戶過程中的熱交換為主要研究對象，通常以水或蒸汽為載體，系統的暫態過程通常較長，典型的仿真精度是秒級。由于UEI的復雜性，其規劃、設計和運行等一系列實際問題，需要強大的仿真工具運營和規劃分析，考慮不同的目標，包括技術，經濟、能源效率和環境方面等來給出解決方案，研究UEI仿真及建立UEI實時仿真平臺有重要意義。

UEI穩態過程仿真分析技術已趨于成熟，但有關多時空尺度的多能源耦合網絡動態過程建模和仿真研究仍處于起步階段，缺乏對UEI中顯著的異構特征進行針對性的研究，難以支撐能源互聯網實時仿真［12］。UEI動態仿真技術是將UEI機電暫態、中期和長期動態過程相融合的技術，具體包含超短期電磁暫態穩定分析、短期機電暫態穩定分析以及中長期動態仿真，以此來描述UEI受擾動后系統的連續變化過程。多重異構UEI動態仿真技術的研究框架如圖1所示。與傳統電力系統仿真相比，UEI動態仿真研究需要考慮以下3個方面異構特征：

圖1 多重異構城市能源互聯網動態仿真架構Fig.1 Dynamic simulation architecture of urban energy internet

1）UEI中能源形式是異構的，表現為電、熱、氣等能源形式品位不同，生產和消費過程存在差異，且存在相互轉換的方向性差異［13］；

2）多形態能源網絡結構和拓撲存在差異，其中動態過程存在時間尺度、空間傳播方式上的差異；

3）多能源網絡動態仿真的計算架構異構，針對不同分析內容、數值積分可以采用CPU、GPU和FPGA等異構計算設備進行加速。

1.1 主要挑戰

1）針對電、氣、熱等單一供能系統相關設備及網絡的建模研究已較為成熟，也有部分學者利用能源集線器、主體建模等方法建立多能流系統統一模型，但只是簡單地將各種形式的能量整合在一起，難以適應能量耦合關系越來越強的UEI，需要結合多重異構能源網絡多時間尺度的特點，從本質上揭示能量轉化機理［14-16］。

2）UEI動態模型的數學本質是一組高維剛性非線性微分和偏微分代數方程組。其不同動態過程時間尺度差異巨大，求解完整的動態特性往往依賴長時間的數值積分。這對數值積分算法的截斷誤差、累計誤差、數值穩定性和計算效率均有很高的要求。滿足UEI長時間、準確、高效的仿真需求難度大。

3）UEI含有較大規模的電網、天然氣網、熱/冷管網，其動態仿真的計算復雜度高、規模大，采用常規的串行計算無法滿足上述要求，需要設計多能源網絡動態仿真接口算法和高性能實時仿真模擬方法，以滿足UEI實時仿真需求。

4）多重異構UEI高性能實時仿真平臺中設備類型各異，對象模型參數涉及因素多，時間常數差異巨大，需要仿真的節點數眾多，同時實時仿真要求與物理時鐘保持同步，并在計算資源異構、能源形式異構條件下解決UEI實時仿真面臨仿真超時、非同步、系統崩潰、誤差過大等諸多問題。因此，如何進行平臺邏輯資源高效分配，從而實現平臺構建，挑戰大。

1.2 主要目標

1）揭示多重異構UEI的能源平衡機理，建立多重異構能源網絡多時間尺度多能流寬頻域暫態模型，解決非確定條件下多重異構UEI狀態參數辨識問題，提出基于截斷誤差控制的能源互聯網穩定運行仿真方法。

2）面向電、氣、熱、冷等多能量數據和實時控制、優化調度、故障保護等多種任務，研究針對能源互聯網仿真的自適應模型匹配方法、數值仿真方法和多速率協同仿真方法，實現UEI關鍵設備動態響應的穩定求解。

3）針對多能系統混合仿真實時性要求，提出多能流不同時間尺度控制策略的實時仿真驗證方法，以及電-氣-熱-冷跨能源接口模型及解算方法，實現多能流異構模型聯立求解。

4）開發適用于多重異構能源互聯網的分布式仿真平臺，實現能源互聯網多場景實時仿真與快速分析，為能源互聯網規劃設計、運行優化和調度控制提供重要參考依據。

2 UEI的實時仿真原理

2.1 電磁暫態建模及仿真原理

電力系統的暫態過程和中長期動態過程存在著密切耦合關系。電磁暫態（Electromagnetic Transients，EMT）仿真是針對城市電網精確度最高、計算量最大的一類建模仿真方法。在EMT模型中，全部暫態過程均可用一組微分方程組來表達。詳細EMT模型不受時間尺度的限制，可以精確模擬低至納秒級的高頻EMT過程［15，17］。

按照建模框架的不同，EMT仿真方法分為狀態空間分析（State Space Analysis，SSA）和節點分析（Nodal Analysis，NA）兩類。其中，狀態空間分析方法直接利用數值積分算法對全系統狀態方程進行離散和求解，如Matlab/Simulink中的SimPowerSystem工具箱；而節點分析方法則先利用數值積分算法將不同電氣元件的暫態方程離散化，形成各電氣元件的諾頓等值方程，進而構造節點矩陣進行求解。相比狀態空間分析法，節點分析框架可利用電網絡拓撲結構固定、矩陣稀疏的特性，從而大幅度降低仿真過程中的計算量。在EMT仿真中，受到Nyquist采樣定律的限制，最大積分步長所對應的采樣頻率應至少是系統最高頻率的兩倍［18-19］。考慮模型復雜度和積分步長的選取，詳細電磁暫態仿真的計算量大，計算效率低。特別地，處理大規模交直流電網時，全電磁暫態仿真計算量極大，仿真效率十分低下。各類能源系統仿真模型如表1所示。隨著計算機及芯片技術的發展，傳統計算設備已逐漸向GPU、FPGA等異構計算設備轉移。異構計算設備多內置海量計算核心，采用向量化的計算方式，可對計算密集型和數據密集型任務進行高效加速。利用異構設備加速多能系統仿真計算，相比傳統計算平臺，有望實現更高的計算效率。

表1 各類能源系統的仿真模型Table 1 Simulation models of various energy systems

2.2 UEI的內部耦合關系

UEI內部耦合是通過耦合單元實現的。在進行多網絡潮流計算時，往往需要對這些耦合單元與網絡參考節點之間的關系進行討論，以確定兩個網絡之間物理上的耦合關系是否會導致潮流計算中兩個網絡之間仍然保持著計算上的耦合關系。通過這樣的分類討論，可以整理出一套比較全面的多網絡潮流計算規則，以適應各種不同結構的多能源耦合網絡。一種典型的多電網和多熱網耦合的結構如圖2所示。

圖2 多電網和多熱網耦合關系示意圖Fig.2 Schematic diagram of the coupling relationship between multigrid and multi-heating network

圖2中的小圓圈表示各網絡中的熱源或者電源，藍色表示電源，橙色表示熱源，位于兩個網絡重疊部分的圓圈代表網絡之間的耦合點。耦合點通常為聯產單元，同時為兩個互相耦合的網絡提供熱能和電能，藍色的耦合點表示電網的參考節點，橙色的耦合點表示熱網的參考節點，其余為非參考節點。本部分的理論分析都是基于同一假設，即在同一能源網絡中僅選取某一臺機組承擔所有網絡損失。對于這樣的多電網和多熱網的耦合計算，需要提出一些基本原則，使得計算的結果能夠更加貼近實際情況，對實際的綜合能源系統的控制與調度更加有參考的價值。

2.3 UEI多時間尺度暫態融合建模理論依據

暫態融合建模，又稱移頻分析（Shifted Frequency Analysis，SFA）建模，是一類基于希爾伯特變換（Hilbert Transform）的暫態建模方法［24-25］。其原理是將傳統交流系統中的電壓和電流信號等效成以工頻正弦波為調制波的帶通信號（Bandpass Signal，BS），通過Hilbert變換將傳統電壓、電流實信號無損變換為只含有單邊頻譜的復數解析信號（Analytical Signal，AS），通過對解析信號的頻譜向左平移一個工頻，形成原始實信號的解析包絡信號（Analytical Envelope Signal，AES），并基于解析包絡信號構造元件的移頻分析方程。由于移頻分析過程對解析信號的頻譜進行了搬移，使得解析包絡中的最大頻率小于原始實信號。因此，在不損失建模精度的前提下，移頻分析通常可采用更大的積分步長，大大提升暫態仿真效率。

2.4 多重異構UEI的建模要素

UEI相關項目的建設、戰略推進為模型的建立提供了真實的數據基礎與驗證條件。如圖3所示，UEI中電、水、氣、熱、冷等多種能流共存與互聯，滿足用戶的差異性用能需求。UEI涉及熱動、氣動、電動和機械傳動等多時間尺度的動態過程，伴隨熱能、電能、機械能、化學能及其他形式能量的相互轉化，其熱力學特性顯著影響系統運行能效，其動力學特性決定系統整體安全水平。精準建模是分析UEI動態特性的基礎，需要結合電、氣、冷、熱等異質多能流的特點對UEI中各個設備、環節以及子系統進行數學建模。

圖3 城市能源互聯網多能流互動與建模要素Fig.3 Interaction and modeling elements of multi-energy flow of urban energy internet

3 多重異構UEI實時仿真的關鍵技術

考慮到技術的層次性，以及各級之間的相互協調關系，圍繞UEI高性能實時仿真的關鍵技術研究框架具體可分為快速建模方法、計算異構型融合仿真技術、能源異構型動態仿真技術、實時仿真平臺4個方面。關鍵技術框圖如圖4所示。

圖4 城市能源互聯網實時仿真的關鍵技術框圖Fig.4 Key technology block diagram of urban energy internetsimulation

3.1 多重異構城市能源網絡動態平衡機理及快速建模方法

針對城市能源形態各異，穩態、準穩態和暫態仿真模型多重異構，時空特性差別大等特點，考慮CPU、FPGA等不同異構仿真工具的適應性，多重異構城市能源網絡動態平衡機理及快速建模方法涉及電/氣/熱/冷等多重異構能源網絡的能源平衡機理，研究具有不同平衡機理的電、氣、熱管網的傳輸特性，以及參數非確定條件下多重異構型能源互聯網穩定運行的特性分析方法，由此實現UEI快速建模，為能源互聯網動態仿真提供理論及技術支撐。

首先，針對涵蓋電、氣、冷、熱等多重異構能源網絡，研究動態平衡機理及快速建模方法，建立多時間尺度多能流的數學模型，探索能源平衡機理，提出典型場景；其次，構建UEI各子系統等值模型，提出典型場景下多重異構能源網絡的接口耦合設備等值模型，分析典型場景下具有不同平衡機理的電、氣、熱管網之間的傳輸特性；最終，基于步長調節和誤差抑制的截斷誤差控制方法，通過模型修正及誤差控制，提出多重異構能源網絡模型效率提升方法，結合仿真模型誤差的截斷特點、求解策略和對步長調節的指導策略，考慮典型場景下仿真的速度和精度需求，提出多重異構能源系統的關鍵設備動態響應穩定求解技術，建立參數非確定性條件下多重異構能源互聯網網絡參數表征方法，構建典型場景下能源互聯網穩定運行的特性分析方法，以此來實現參數非確定條件下多重異構能源互聯網穩定運行特性分析的快速建模，完成多重異構能源互聯網聯合仿真計算，為多重異構型能源互聯網動態仿真提供理論支撐。

3.2 計算異構型城市能源互聯網融合仿真技術

為解決UEI中電、氣、冷、熱等多形式能源的融合仿真和異構并行加速難題，本技術主要研究能源互聯網多種能源形式模型/數據與實時控制、優化調度、故障、保護等不同任務形式的自適應模型匹配方法，構建針對UEI仿真中計算密集型和數據密集型任務的多速率、變步長、強剛性的數值仿真方法及其異構并行加速方法，提出能源互聯網多速率協同耦合仿真方法和多子系統的聯合求解方法，形成面向UEI的準確、高效、穩定的融合仿真技術。

首先，研究涵蓋CPU、GPU、FPGA等多重異構計算資源的UEI融合仿真技術，建立面向UEI的電、氣、冷、熱等多領域數據和實時控制、優化調度、故障、保護等多任務自適應模型匹配的優化模型，提出UEI仿真自適應模型匹配方法；其次，研究UEI中電氣、流體、熱力網絡動態中的計算密集型和數據密集型仿真數值穩定性提升方法，提出適應于UEI仿真的多速率、變步長、強剛性數值積分方法，提出基于異構并行計算設備的UEI仿真加速方法；最終，建立電-熱（冷）、電-氣、氣-熱及電-氣-熱（冷）等交互接口設備精確仿真模型，研究耦合動態的事件觸發仿真機制，提出基于分解協調計算的多子系統內部解算器聯合求解框架和邊界協調方法，實現UEI中關鍵設備動態響應穩定求解。

3.3 能源異構型多時間尺度動態仿真技術

為實現城市能源異構型互聯網絡EMT全過程仿真，本技術提出能源異構型多時間尺度動態仿真技術，主要研究含電/氣/熱等UEI協同運行策略和校驗方法，研究電-熱-冷-氣跨能源接口模型以及解算方法，實現多能流異構模型聯立求解，提出基于模型平均化等效、解耦分割的高性能模擬方法，滿足能源互聯網中多能系統耦合仿真實時性要求。

首先，基于電、氣、熱、冷管網的動態等值模型及多重異構城市能源網絡的動態平衡機理，研究冷熱電氣聯供的耦合網絡動態仿真方法，研究UEI自律協同運行策略，以及多能源網絡仿真校驗模型構建方法，提出多能流不同尺度控制策略的實時仿真驗證方法，驗證獨立能源網絡調控和多能源網絡協同運行策略的有效性；其次，計及UEI多時間尺度、寬頻域、非線性等動態特征，針對UEI數據交互時序邏輯的一致性和能量平衡的約束性，提出電-熱-冷-氣跨能源接口模型構建方法，研究多能源接口動態等值方法，以及多能源接口聯立解算求解方法，實現多能流異構模型聯立求解，提出多能源網絡步長自適應同步方法，實現仿真步長自適應調整、同步；最終，針對多重異構能源網絡模型動態仿真計算復雜度高、計算規模大等特點，研究設備級/系統級模型分解技術，提出基于解耦分割的高性能模擬方法，研究設備級/系統級模型動態等值技術，提出基于模型平均化等效的實時動態仿真方法，研究多能源網絡動態加速仿真模擬方法，滿足UEI中多能系統耦合仿真實時性要求。

3.4 多重異構城市能源互聯網高性能實時仿真平臺

該技術主要研究多重異構UEI仿真的技術架構、數據交互接口以及平臺構建方法，構建高性能實時仿真平臺。基于該仿真平臺，對UEI故障、供能恢復等典型場景開展仿真應用驗證。

面向多重異構UEI，首先，根據不同功能特性與仿真需求，設計UEI實時仿真平臺體系架構，包括仿真模式的優化選取、總體架構設計、硬件仿真機體系結構以及軟件系統配置方案等；其次，針對多能流仿真，設計考慮多子系統協同仿真的混合高速通信方案、數據接口協議、時間同步機制以及數據同步方法；再次，考慮仿真平臺的資源分配、驅動設計以及靈活加載方式，構建功能協調統一的多重異構UEI高性能仿真平臺，進而針對仿真平臺的多業務場景需求、易用性以及異常運行進行優化改進；最后，在構建的UEI仿真平臺模擬不同故障場景，并驗證不同策略下的UEI供能恢復方法以及恢復力指標的正確性。

4 結語

本文深入開展了多重異構的UEI實時仿真技術研究，解決UEI能源形式多樣、網絡拓撲復雜、時間尺度各異條件下的多場景實時仿真與快速分析問題，揭示能源互聯網運行機理和動態特性，為提升城市能源供給的安全可靠性和應急故障恢復能力提供有力支撐。通過構建多重異構UEI高性能實時仿真平臺，突破UEI運行決策中的技術瓶頸，實現多能源網絡協調控制策略的綜合分析，對UEI的運行輔助決策和區域能源系統的安全可靠運行和應急故障恢復等方面具有較高的直接和間接經濟、社會效益，為UEI規劃設計、優化運行和調度控制提供重要參考依據，以期為后續UEI網絡仿真研究提供思路。