CN106773792B - 一种能源互联网实时仿真器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能源互联网实时仿真器，包括桌子和控制柜，所述桌子的顶部设置有上位机，所述控制柜的内部分别设置有第一工控机、第二工控机和交换机，所述上位机通过以太网模块分别与第一工控机、第二工控机和交换机连接，所述上位机的内部分别构建有天然气管网模型、电网模型和微燃机模型。本发明涉及多能流共同运行的能源信息技术领域，该能源互联网实时仿真器，实现了天然气管网模型、微燃机模型、电网模型耦合系统的实时仿真，天然气管网模型、微燃机模型、电网模型的状态能够被实时监测，是实现能源互联网中多能流系统的重要组成部分，实时仿真器的仿真效果好，仿真结果贴近实际，具有可观的实用价值。

Description

一种能源互联网实时仿真器
技术领域
本发明涉及多能流共同运行的能源信息技术领域，具体为一种能源互联网实时仿真器。
背景技术
随着化石燃料的消耗过度，以及气候变暖、空气污染越来越严重，能源危机和环境污染亟待解决；为了解决以上问题，提出了能源互联网的概念；能源互联网是指各种一次、二次能源的生产、传输、使用、存储和转换装置以及信息传递、控制和保护装置直接或间接链接而成的网络化物理结构；横跨电力、天然气、热力以及交通四大能量传输网络，通过能源互联，打破了不同形式能源的界限，实现了能源的互联，提高了能源的利用率，且不同形式的能源之间可以互相转化，可以大大的削弱间歇式能源对电力系统的影响。
目前，天然气管网模型与电网模型之间不能实现交互作用的实时仿真，不能开展能源互联中多能流系统中天然气网模型与电网模型交互作用的实时仿真，以及不能达到研究天然气网模型与电网模型交互作用时微然机模型实时工况的目的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种能源互联网实时仿真器，解决了不能开展能源互联中多能流系统中天然气网模型与电网模型交互作用的实时仿真，以及不能达到研究天然气网模型与电网模型交互作用时微然机模型实时工况目的的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种能源互联网实时仿真器，包括桌子和控制柜，所述桌子的顶部设置有上位机，所述控制柜的内部分别设置有第一工控机、第二工控机和交换机，所述上位机通过以太网模块分别与第一工控机、第二工控机和交换机连接，所述上位机的内部分别构建有天然气管网模型、电网模型和微然机模型。
所述天然气管网模型包括恒压气源，所述恒压气源通过第一管道连通第一分流器，所述第一管道上且位于恒压气源与第一分流器之间通过第一传输管道输出负荷一，所述第一分流器一侧的顶部通过第二管道连通有第二分流器，所述第二分流器通过第二传输管道输出负荷二且第二分流器通过第二传输管道与第二管道连通，所述第二分流器一侧的顶部通过第三管道输出负荷三，所述第二分流器一侧的底部通过第四管道输出负荷四，所述第一分流器一侧的底部通过第三传输管道连通有第三分流器，所述第三分流器一侧的顶部通过第五管道输出负荷五，所述第三分流器一侧的底部通过第六管道输出负荷六且第三分流器通过第六管道连通调压阀，所述调压阀通过第四传输管道连通有燃气轮机。
所述电网模型包括发电机，所述发电机的输入端与燃气轮机的输出端连接，所述发电机的输出端电性连接有逆变器，所述逆变器的输出端电性连接有整流器，所述整流器的输出端通过三相电网模型与用户电性连接，所述三相电网模型分别与锁相环和工厂电性连接，所述锁相环的输出端分别通过转换器、功率外环、电流内环和PWM器与整流器电性连接。
所述微然机模型包括压气机、燃烧室、透平、速度控制器、转子和容积器，所述压气机的输出端分别与燃烧室、容积器和转子的输入端连接，并且容积器的输出端与燃烧室的输入端连接，所述燃烧室的输出端分别与透平和容积器的输入端连接，所述透平的输出端分别与燃烧室、转子和速度控制器的输入端连接，所述转子的输出端分别与压力机、透平和速度控制器的输入端连接，并且速度控制器的输出端与燃烧室的输入端连接。
优选的，所述第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道和第六管道上均设置有节点。
优选的，所述第一工控机和第二工控机的规格尺寸均为U。
优选的，所述上位机构建的天然气管网模型、电网模型和微然机模型均利用Matlab/Simulink进行构建处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过实时仿真器模拟含微然机模型的多能流系统中天然气管网模型与电网模型的交互影响，实现了天然气管网模型、微然机模型、电网模型耦合系统的实时仿真，天然气管网模型、微然机模型、电网模型的状态能够被实时监测，打破了原有的对天然气管网模型的静态分析的方法，同时也打破了传统的不同形式能源之间相互分离的局限，将两个不同形式的能源互联在一起，实现了不同形式的能源之间的相互转换，是实现能源互联网中多能流系统的重要组成部分，实时仿真器的仿真效果好，仿真结果贴近实际，具有可观的实用价值。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明拓扑的结构示意图；
图3为本发明微然机模型的结构示意图。
图中：1-桌子、2-控制柜、3-上位机、4-第一工控机、5-第二工控机、6-交换机、7-以太网模块、8-天然气管网模型、81-恒压气源、82-第一管道、83-第一分流器、84-第一传输管道、85-第二管道、86-第二传输管道、87-第二分流器、88-第三管道、89-第四管道、810-第三传输管道、811-第三分流器、812-第五管道、813-第六管道、814-调压阀、815-第四传输管道、816-燃气轮机、9-电网模型、91-发电机、92-逆变器、93-整流器、94-三相电网模型、95-锁相环、96-转换器、97-功率外环、98-电流内环、99-PWM器、10-微然机模型、101-压气机、102-燃烧室、103-透平、104-速度控制器、105-转子、106-容积器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的实施例：请参阅图1-3，能源互联网实时仿真器包括桌子1和控制柜2，桌子1的顶部设置有上位机3，上位机3构建的天然气管网模型8、电网模型9和微然机模型10均利用Matlab/Simulink进行构建处理，控制柜2的内部分别设置有第一工控机4、第二工控机5和交换机6，第一工控机4和第二工控机5的规格尺寸均为4U，4U为服务器的尺寸，4U为4.45厘米，上位机3通过以太网模块7分别与第一工控机4、第二工控机5和交换机6连接，上位机3的内部分别构建有天然气管网模型8、电网模型9和微然机模型10，仿真装置使用两台基于xPCtarget技术的PC机，第一工控机4运行天然气管网模型8以及微然机模型10的Simulink模型且使用大步长仿真，第二工控机5运行电网模型9Simulink模型且使用较小步长仿真。
天然气管网模型8包括恒压气源81，恒压气源81通过第一管道82连通第一分流器83，第一管道82上且位于恒压气源81与第一分流器83之间通过第一传输管道84输出负荷一，第一分流器83一侧的顶部通过第二管道85连通有第二分流器87，第二分流器87通过第二传输管道86输出负荷二且第二分流器87通过第二传输管道86与第二管道85连通，第二分流器87一侧的顶部通过第三管道88输出负荷三，第二分流器87一侧的底部通过第四管道89输出负荷四，第一分流器83一侧的底部通过第三传输管道810连通有第三分流器811，第三分流器811一侧的顶部通过第五管道812输出负荷五，第三分流器811一侧的底部通过第六管道813输出负荷六且第三分流器811通过第六管道813连通调压阀814，调压阀814通过第四传输管道815连通有燃气轮机816，第一管道82、第二管道85、第三管道88、第四管道89、第五管道812和第六管道813上均设置有节点。
电网模型9包括发电机91，发电机91的输入端与燃气轮机816的输出端连接，发电机91的输出端电性连接有逆变器92，逆变器92的输出端电性连接有整流器93，整流器93的输出端通过三相电网模型94与用户电性连接，三相电网模型94分别与锁相环95和工厂电性连接，锁相环95的输出端分别通过转换器96、功率外环97、电流内环98和PWM器99与整流器93电性连接。
微然机模型10包括压气机101、燃烧室102、透平103、速度控制器104、转子105和容积器106，压气机101的输出端分别与燃烧室102、容积器106和转子105的输入端连接，并且容积器106的输出端与燃烧室102的输入端连接，燃烧室102的输出端分别与透平103和容积器106的输入端连接，透平103的输出端分别与燃烧室102、转子105和速度控制器104的输入端连接，转子105的输出端分别与压力机101、透平103和速度控制器104的输入端连接，并且速度控制器104的输出端与燃烧室102的输入端连接。
天然气管网模型8通过调压阀24与微然机模型10耦合，向微然机模型10提供恒定的压力，微然机模型10燃烧需要的天然气流量反馈到调压阀24，进而反馈到天然气管网模型8，作为管网的输入，微然机模型10通过发电机901与电网模型9连接，将输出的机械功率通过发电机901转化为电能。电网模型9负荷的投切影响燃气轮机816输出的机械功率，进而影响天然气管网模型8输入燃气轮机816的天然气流量，实现天然气管网模型8与电网模型9的交互作用。
通过实时仿真器模拟含微然机模型10的多能流系统中天然气管网模型8与电网模型9的交互影响，实现了天然气管网模型8、微然机模型10、电网模型9耦合系统的实时仿真，天然气管网模型8、微然机模型10、电网模型9的状态能够被实时监测，打破了原有的对天然气管网模型8的静态分析的方法，同时也打破了传统的不同形式能源之间相互分离的局限，将两个不同形式的能源互联在一起，实现了不同形式的能源之间的相互转换，是实现能源互联网中多能流系统的重要组成部分，实时仿真器的仿真效果好，仿真结果贴近实际，具有可观的实用价值。
主要用于研究含微然机模型10的多能流系统中电网模型9与天然气管网模型8的交互影响，实现了天然气管网模型8与微然机模型10的耦合以及微然机模型10与电网模型9的耦合，并完成了天然气管网模型8、微然机模型10、电网模型9耦合系统的实时仿真，在该仿真模型下，天然气管网模型8通过调压阀814与微然机模型10进行耦合，燃气轮机816通过发电机91与电网模型9进行连接，天然气管网模型8、微然机模型10、电网模型9耦合系统能够分析在天然气负荷扰动的情况下，微然机模型10的运行工况和电网模型9功率变化情况，以及电网模型9扰动对微然机模型10工况和天然气管道变化的影响。
工作原理：首先在上位机3中利用Matlab/Simulink构建天然气管网模型8、微然机模型10以及电网模型9的模型，通过以太网模块7和交换机6将上位机3与仿真装置进行连接，仿真装置分为第一工控机4和第二工控机5，且第一工控机4和第二工控机5是使用两台基于xPCtarget技术的工控机，第一工控机4运行天然气管网模型8和微然机模型10系统的Simulink模型且使用大步长仿真，第二工控机5运行电网模型9Simulink模型且使用较小步长仿真，第一工控机4和第二工控机5分别通过以太网模块7和交换机6交换实时仿真变量，进而可以对两个不同形式的能流系统进行实时监测，也可以对微然机模型10运行时的工况进行实时监测，通过在上位机3中调节电网模型9部分负荷，即可在上位机3显示器上观察天然气管网模型8的实时变化以及微然机模型10转速的实时变化，也可以通过调节天然气负荷的变化来实时观察微然机模型10工况和电网模型9各参数的变化。

Claims (4)

1.一种能源互联网实时仿真器，包括桌子(1)和控制柜(2)，其特征在于：所述桌子(1)的顶部设置有上位机(3)，所述控制柜(2)的内部分别设置有第一工控机(4)、第二工控机(5)和交换机(6)，所述上位机(3)通过以太网模块(7)分别与第一工控机(4)、第二工控机(5)和交换机(6)连接，所述上位机(3)的内部分别构建有天然气管网模型(8)、电网模型(9)和微然机模型(10)；
所述天然气管网模型(8)包括恒压气源(81)，所述恒压气源(81)通过第一管道(82)连通第一分流器(83)，所述第一管道(82)上且位于恒压气源(81)与第一分流器(83)之间通过第一传输管道(84)输出负荷一，所述第一分流器(83)一侧的顶部通过第二管道(85)连通有第二分流器(87)，所述第二分流器(87)通过第二传输管道(86)输出负荷二且第二分流器(87)通过第二传输管道(86)与第二管道(85)连通，所述第二分流器(87)一侧的顶部通过第三管道(88)输出负荷三，所述第二分流器(87)一侧的底部通过第四管道(89)输出负荷四，所述第一分流器(83)一侧的底部通过第三传输管道(810)连通有第三分流器(811)，所述第三分流器(811)一侧的顶部通过第五管道(812)输出负荷五，所述第三分流器(811)一侧的底部通过第六管道(813)输出负荷六且第三分流器(811)通过第六管道(813)连通调压阀(814)，所述调压阀(814)通过第四传输管道(815)连通有燃气轮机(816)；
所述电网模型(9)包括发电机(91)，所述发电机(91)的输入端与燃气轮机(816)的输出端连接，所述发电机(91)的输出端电性连接有逆变器(92)，所述逆变器(92)的输出端电性连接有整流器(93)，所述整流器(93)的输出端通过三相电网模型(94)与用户电性连接，所述三相电网模型(94)分别与锁相环(95)和工厂电性连接，所述锁相环(95)的输出端分别通过转换器(96)、功率外环(97)、电流内环(98)和PWM器(99)与整流器(93)电性连接；
所述微然机模型(10)包括压气机(101)、燃烧室(102)、透平(103)、速度控制器(104)、转子(105)和容积器(106)，所述压气机(101)的输出端分别与燃烧室(102)、容积器(106)和转子(105)的输入端连接，并且容积器(106)的输出端与燃烧室(102)的输入端连接，所述燃烧室(102)的输出端分别与透平(103)和容积器(106)的输入端连接，所述透平(103)的输出端分别与燃烧室(102)、转子(105)和速度控制器(104)的输入端连接，所述转子(105)的输出端分别与压力机(101)、透平(103)和速度控制器(104)的输入端连接，并且速度控制器(104)的输出端与燃烧室(102)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的能源互联网实时仿真器，其特征在于：所述第一管道(82)、第二管道(85)、第三管道(88)、第四管道(89)、第五管道(812)和第六管道(813)上均设置有节点。
3.根据权利要求1所述的能源互联网实时仿真器，其特征在于：所述第一工控机(4)和第二工控机(5)的规格尺寸均为4U。
4.根据权利要求1所述的能源互联网实时仿真器，其特征在于：所述上位机(3)构建的天然气管网模型(8)、电网模型(9)和微然机模型(10)均利用Matlab/Simulink进行构建处理。
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