CN109886523A - 一种综合能源网动态模型多速率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合能源网动态模型多速率计算方法，所述方法包括，首先，基于各能源子系统属性，建立综合能源系统的动态模型；然后，基于所述动态模型，根据各能源子系统的时间尺度，对所述各能源子系统进行仿真计算。采用该计算方法避免了传统混合仿真中当某一子系统不收敛时，因以最大仿真步长进行接口交互而造成已收敛子系统继续迭代计算的情况，提高了计算效率。

Description

一种综合能源网动态模型多速率计算方法

技术领域

本发明属于能源仿真技术领域，特别涉及一种综合能源网动态模型多速率计算方法。

背景技术

在综合能源系统中，由于多种能源系统设备的动态响应时间跨度大、动态响应特性差异明显，使得系统动态特性更加复杂，用同一步长对综合能源系统进行仿真不能满足收敛性和精度的要求。

现有的由电力系统、热力系统以及燃料管网等构成的综合能源系统，其中，电力系统较详细的设备动态模型和成熟的系统动态仿真手段；热力系统、燃料管网等非电能源系统，动态仿真有一定的模型和算法研究基础，从而对综合能源系统仿真奠定了基础。对于综合能源系统仿真的研究，目前主要是综合能源系统稳态仿真分析，但动态仿真研究刚刚起步，现有的综合能源动态仿真中对部分模型进行了较大简化，计算结果存在较大误差。为了准确地研究综合能源系统的动态特性，促进能源互联网的发展，需要一种有效的综合能源系统动态仿真方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种能源网动态模型多速率计算方法，所述计算方法易于实现、准确度高，且实用性强。

一种综合能源网动态模型多速率计算方法，所述方法包括，

基于各能源子系统属性，建立综合能源系统的动态模型；

基于所述动态模型，根据各能源子系统的时间尺度，对所述各能源子系统进行仿真计算。

进一步，所述根据各能源子系统的时间尺度，对所述各能源子系统进行仿真计算之前还包括设置以下一种或多种初始参数：

综合能源系统仿真步长、各能源子系统的仿真步长、各能源子系统的最大迭代次数。

进一步，所述根据各能源子系统的时间尺度，对所述各能源子系统进行仿真计算包括，

所述各能源子系统分别读入各自的模型数据，并分别将所述各能源子系统的仿真时刻设置为0。

进一步，所述各能源子系统包括第一能源子系统、第二能源子系统、第三能源子系统。

进一步，所述根据各能源子系统的时间尺度，对所述各能源子系统进行仿真计算还包括，

对所述各能源子系统进行并行解算，具体包括以下步骤：

A1、基于并行交互时序，对所述各能源子系统之间的接口进行接口交互；

A2、将所述各能源子系统的迭代次数均设置为0；

A3、所述各能源子系统中的各个能源子系统读入其余能源子系统发送的接口变量数据；

基于所述接口变量数据，得到所述能源子系统在该仿真时刻计算所需的边界条件；

A4、判断所述各能源子系统是否存在故障和/或扰动；

A5、对所述各能源子系统进行模型解算，得出解算结果；

A6、分别判断所述各能源子系统的解算结果是否收敛：

若存在所述能源子系统的解算结果收敛，则对所述能源子系统执行步骤A7；

若存在所述能源子系统的解算结果不收敛，则将所述能源子系统的迭代次数加1，当所述能源子系统迭代次数大于最大迭代次数，则对所述能源子系统执行步骤A7；

A7、对所述能源子系统进行仿真时刻加步，并将累加得到的仿真时刻与所述综合能源系统仿真时长进行比较，若所述能源子系统累加得到的仿真时刻等于所述综合能源系统仿真时长，则所述能源子系统解算结束。

进一步，所述步骤A4中还包括，

所述第一能源子系统若存在故障，则根据故障修改导纳矩阵；和/或所述第一能源子系统若存在扰动，则根据扰动修改对应变量；

所述第二能源子系统或第三能源子系统若存在扰动，则根据扰动修改对应变量。

进一步，所述步骤A5中还包括，

所述第一能源子系统首先解算控制模型，其次解算一次动态元件，然后通过机网接口，将动态元件与网络联立求解整个系统；

所述第二能源子系统首先解算控制模型，其次解算第二能源子系统部件模型，然后将部件模型联立解算整个系统；

所述第三能源子系统首先解算控制模型，其次解算第三能源子系统管线、源、荷模型，然后将所述第三能源子系统联立解算整个系统。

进一步，所述步骤A6中还包括，

若所述第一能源子系统迭代次数小于或等于所述第一能源子系统的最大迭代次数时，执行步骤A4；

若所述第二能源子系统迭代次数小于或等于所述第二能源子系统的最大迭代次数时，执行步骤A3，重新读入第一能源子系统的接口变量进行计算；

若所述第三能源子系统迭代次数小于或等于所述第三能源子系统的最大迭代次数时，执行步骤A3，重新读入第一能源子系统与第二能源子系统的接口变量进行计算。

进一步，所述步骤A7还包括，

若所述第一能源子系统累加得到的仿真时刻小于所述综合能源系统仿真时长，则判断所述第一能源子系统的仿真时刻是否大于所述第二能源子系统的累加得到的仿真时刻：

若所述第一能源子系统的仿真时刻大于所述第二能源子系统的累加得到的仿真时刻，则继续重复执行判断，直至所述第一能源子系统的仿真时刻小于或等于所述第二能源子系统的累加得到的仿真时刻；

若所述第一能源子系统的仿真时刻小于或等于所述第二能源子系统的累加得到的仿真时刻，则所述第一能源子系统更新发送的接口变量，并执行步骤A1；或，

若所述第二能源子系统累加得到的仿真时刻小于所述综合能源系统仿真时长，则判断所述第二能源子系统的仿真时刻是否大于所述第三能源子系统的累加得到的仿真时刻：

若所述第二能源子系统的大于所述第三能源子系统的累加得到的仿真时刻，则继续重复执行判断，直至所述第二能源子系统的仿真时刻小于或等于所述第三能源子系统的累加得到的仿真时刻；

若所述第二能源子系统的仿真时刻小于或等于所述第三能源子系统的累加得到的仿真时刻，则所述第一能源子系统更新发送的接口变量，并执行步骤A1。

进一步，所述综合能源系统、第一能源子系统、第二能源子系统、第三能源子系统的仿真步长满足：

所述综合能源系统仿真步长等于所述第一能源子系统、第二能源子系统、第三能源子系统中仿真步长的最大值；

所述第一能源子系统的仿真步长小于第二能源子系统的仿真步长，所述第二能源子系统的仿真步长小于所述第三能源子系统的仿真步长，且所述第一能源子系统、第二能源子系统、第三能源子系统的仿真步长存在正整数倍关系。

本发明所述的计算方法避免了传统混合仿真中当某一子系统不收敛时，因以最大仿真步长进行接口交互而造成已收敛子系统继续迭代计算的情况，提高了解算效率；进一步，利用所述第一能源子系统、第二能源子系统以及第三能源子系统的不同步长进行解算有利于解算收敛、提高仿真准确度，同时，所述电力系统故障/扰动信息能充分反映到其它能源系统，从而所述计算方法易于实现、准确度高，且实用性强。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例中一种综合能源网动态模型多速率计算方法流程示意图；

图2示出了本发明实施例中一种综合能源网动态模型中各能源子系统仿真过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例中介绍了一种综合能源网动态模型多速率计算方法，所述方法包括，首先，基于各能源子系统属性，建立综合能源系统的动态模型；然后，基于所述动态模型，根据各能源子系统的时间尺度，对所述各能源子系统进行仿真计算。所述时间尺度为各个能源子系统的动态响应时间常数。采用该计算方法避免了传统混合仿真中当某一子系统不收敛时因以最大仿真步长进行接口交互而造成已收敛子系统继续迭代计算的情况，提高了解算效率。

本发明实施例中以电力系统、热力系统以及燃料管网构成的综合能源系统进行示例性说明，但所述综合能源系统不限于只有这三个能源子系统。

本实施例中，所述计算方法包括以下步骤：

步骤一：将所述综合能源系统按照能源属性建立动态模型。其中，所述动态模型包括各能源子系统，且在建模的过程中还包括确定各能源子系统间边界，在边界处进行接口等值建模，并确定接口交互变量；进一步，所述各能源子系统包括电力系统、热力系统以及燃料管网。

步骤二：基于所述动态模型，设置所述综合能源系统的初始参数。其中，所述初始参数包括综合能源系统仿真时长T、电力系统仿真步长△t_e、电力系统最大迭代次数m_max、热力系统仿真步长△t_t、热力系统最大迭代次数n_max、燃料管网仿真步长△t_f、燃料管网最大迭代次数p_max，进一步，所述各能源子系统的仿真步长满足：△t_e<△t_t<△t_f，且存在正整数倍关系。

步骤三：执行仿真。具体的，如图2所示，所述电力系统、热力系统、燃料管网仿真程序读入各自的模型数据，即，根据综合能源系统潮流计算结果给定各能源子系统设备模型的初始量数据，并设置所述电力系统仿真时刻te_i、热力系统仿真时刻tt_j、燃料管网仿真时刻tf_k为0，其中，i＝0,1,2,……，T/△t_e；j＝0,1,2,……，T/△t_t；k＝0,1,2,……，T/△t_f。

步骤四：如图2所示，所述电力系统、热力系统、燃料管网仿真程序并行解算，具体步骤如下：

A41：所述电力系统、热力系统、以及燃料管网仿真程序分别对相应的所述电力系统、热力系统、燃料管网之间的接口进行接口交互，优选的，所述交互采用并行交互时序。具体的，所述各能源子系统进行接口交互时，互相传输对应的变量数据。

所述电力系统仿真程序将热泵电压U_hp、空调的电压U_ac、发电机电磁转矩T_em发送给所述热力系统仿真程序，并将电转气(P2G)装置、燃料电池的端电压U_p2g、U_fc发送给所述燃料管网仿真程序；所述热力系统仿真程序将热泵功率S_hp、空调功率S_ac、燃气轮机和/或冷热电三联供系统的轴旋转角速度w以及热力系统当前的仿真时刻tt_j发送给电力系统仿真程序，并将燃气锅炉、冷热电三联供系统进口燃料流量Q_gfb、Q_cchp发送给燃料管网仿真程序；所述燃料管网仿真程序将燃料电池、电转气(P2G)装置的电流i_fc、i_p2g发送给电力系统仿真程序，并将燃气锅炉、冷热电三联供系统的进气口燃料气压P_gfb、P_cchp和燃料管网当前的仿真时刻tf_k发送给热力系统仿真程序。

A42：将所述电力系统迭代次数m、热力系统迭代次数n、燃料管网迭代次数p设置为0。

A43：所述电力系统仿真程序读入所述热力系统、燃料管网仿真程序发送的接口变量数据，并对接口变量数据采用线性插值算法得到电力系统在该仿真时刻计算所需的边界条件；所述热力系统仿真程序读入所述电力系统、燃料管网仿真程序发送的接口变量数据，并对燃料管网仿真程序发送的接口变量采用线性插值算法得到热力系统在该仿真时刻计算所需的边界条件；所述燃料管网读入最新的电力系统和热力系统仿真程序发送的接口变量数据作为燃料管网计算所需的边界条件。进一步，所述边界条件是指在方程求解过程中，所述各能源子系统边界处(即与其他子系统的接口)的值是已经给定的计算所需的限定条件。其中，以所述热力系统为例，所述热力系统在接收到所述电力系统、燃料管网发送过来的接口变量，将接收的接口变量作为已知条件，根据系统模型，连同其他已知输入量，求解所述热力系统的其他变量。

A44：判断所述电力系统是否存在故障和/或扰动，若所述电力系统存在故障，根据故障信息形成新的伴随导纳矩阵，若所述电力系统存在扰动，根据扰动修改对应的变量数据；同时，并分别判断热力系统、燃料管网是否存在扰动，若所述热力系统、燃料管网存在扰动，根据扰动修改对应的变量数据。具体的，所述各能源子系统的变量数据根据扰动点的不同，对应的变量数据不同。示例性的，所述燃料管网某处管道突然存在一定的泄露，则该处泄露造成压力和流量均变化，对应的压力变化量为ΔP，流量变化量为ΔQ，则该处的压力变为P+ΔP，流量变为Q+ΔQ。

A45：所述电力系统、热力系统、燃料管网仿真程序进行模型解算。具体的，所述电力系统先解算控制模型，再解算一次动态元件，再通过机网接口，将动态元件与网络联立求解整个电力系统。热力系统先解算控制模型，再解算热力系统部件模型，再将所述热力系统各部件联立解算整个热力系统。燃料管网先解算控制模型，再解算燃料管网管线、源、荷模型，再将燃料管网联立解算整个燃料管网系统。具体的，所述各能源子系统进行模型解算为了求出各系统中的变量数据。例如，所述电力系统中已知的是系统电源的电压，负荷功率或负荷阻抗，将所述电源，负荷通过网络连接在一起，通过求解，求出所述负荷的端电压和所述电源的功率等其他变量。进一步具体的，所述电力系统的控制模型包括发电机调速系统，根据机组转速调节阀门开度维持机组转速恒定；励磁系统，根据发电机机端电压调节发电机励磁电流，维持机端电压恒定；所述热力系统的控制模型包括二次回水温度控制，根据二次回水温度调节循环泵流量，维持二次回水温度恒定。所述燃料管网系统的控制模型包括压力控制系统，保证管道压力在规定范围内。所述电力系统动态元件包括同步发电机暂态模型，电动机负荷等。所述热力系统部件模型包括热泵、三联供系统中的压气机、燃烧室、透平等。

A46：所述电力系统、热力系统、燃料管网仿真程序分别判断对应的所述电力系统、热力系统、燃料管网的解算结果是否收敛，若存在所述能源子系统的解算结果收敛，则所述能源子系统的仿真程序执行步骤A47；若存在所述能源子系统的解算结果未收敛，则所述能源子系统的仿真程序将该能源子系统对应的迭代次数加1，并分别判断所述能源子系统的迭代次数是否大于其最大迭代次数，其中，所述电力系统、热力系统、燃料管网的迭代次数加1满足：m＝m+1、n＝n+1、p＝p+1；所述电力系统、热力系统、燃料管网的迭代次数是否大于其对应的最大迭代次数满足：m>m_max、n>n_max、p>p_max；若存在所述能源子系统的迭代次数大于其最大迭代次数，则所述能源子系统执行步骤A47，若存在所述能源子系统的迭代次数小于或等于其最大迭代次数，若所述能源子系统为电力系统，则执行步骤A44；若所述能源子系统为热力系统，则执行步骤A43，并采用最新的电力系统接口变量迭代计算；若所述能源子系统为燃料管网，则执行步骤A43，并采用最新的电力系统、热力系统接口变量迭代计算。由于综合能源系统中电力系统动态响应时间尺度小，热力系统和燃料管网动态响应时间尺度相对大，利用不同步长进行解算有利于解算收敛、提高仿真准确度。

A47：所述电力系统、热力系统或燃料管网仿真程序分别对相应的所述电力系统、热力系统或燃料管网进行仿真时刻加步，其中，所述各能源子系统累加得到的仿真时刻等于所述各能源子系统仿真时刻与仿真步长的和，即，所述电力系统、热力系统、燃料管网的仿真时刻满足：te_i+1＝te_i+△t_e、tt_j+1＝tt_j+△t_t、tf_k+1＝tf_k+△t_f，然后判断所述各能源子系统是否达到所述综合能源系统的仿真步长，即所述电力系统、热力系统、燃料管网的仿真时刻是否对应满足：te_i+1<T、tt_j+1<T、tf_k+1<T，若存在所述能源子系统的仿真时刻达到所述综合能源系统的仿真时长，则所述能源子系统解算结束；若存在所述能源子系统的仿真时刻小于所述综合能源系统的仿真时长，则若所述能源子系统为电力系统或热力系统，则执行步骤A48，若所述能源子系统为燃料管网，则所述燃料管网更新发送的接口变量，并执行步骤A41。其中，i＝0,1,2,……，T/△t_e；j＝0,1,2,……，T/△t_t；k＝0,1,2,……，T/△t_f。

A48：所述电力系统仿真程序判断所述电力系统的仿真时刻是否满足：te_i+1>tt_j+△t_t，若是，所述电力系统重复本步骤，直到满足te_i+1≤tt_j+△t_t；若否，所述电力系统更新发送的接口变量，并执行步骤A41，所述电力系统进行下一个仿真时刻计算。所述热力系统仿真程序判断所述电力系统的仿真时刻是否满足：tt_j+1>tf_k+△t_f，若是，所述热力系统重复本步骤，直到满足tt_j+1≤tf_k+△t_f，若否，所述热力系统更新发送的接口变量，并执行步骤A41，所述热力系统进行下一仿真时刻计算。

根据各能源系统时间尺度采用不同仿真步长，以最小仿真步长进行接口交互并在热力系统和燃料管网迭代计算中采用最新的接口量数据，避免了传统混合仿真中当某一子系统不收敛时因以最大仿真步长进行接口交互而造成已收敛子系统继续迭代计算的情况，加速了系统解算收敛，在保证精度的前提下提高了计算效率，同时，由于所述电力系统仿真步长最小，所述各能源子系统间是以所述仿真步长进行接口交互，从而电力系统故障后在进行接口交互时就将电力系统故障反映到了其他子系统。因此上述方法充分利用各能源系统已有的成熟仿真手段，易于实现且准确度高，实用性强。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种综合能源网动态模型多速率计算方法，其特征在于，所述方法包括，

基于各能源子系统属性，建立综合能源系统的动态模型；

基于所述动态模型，根据各能源子系统的时间尺度，对所述各能源子系统进行仿真计算。

2.根据权利要求1所述的综合能源网动态模型多速率计算方法，其特征在于，所述根据各能源子系统的时间尺度，对所述各能源子系统进行仿真计算之前还包括设置以下一种或多种初始参数：

综合能源系统仿真步长、各能源子系统的仿真步长、各能源子系统的最大迭代次数。

3.根据权利要求2所述的综合能源网动态模型多速率计算方法，其特征在于，所述根据各能源子系统的时间尺度，对所述各能源子系统进行仿真计算包括，

所述各能源子系统分别读入各自的模型数据，并分别将所述各能源子系统的仿真时刻设置为0。

4.根据权利要求3所述的综合能源网动态模型多速率计算方法，其特征在于，所述各能源子系统包括第一能源子系统、第二能源子系统、第三能源子系统。

5.根据权利要求1-4任一所述的综合能源网动态模型多速率计算方法，其特征在于，所述根据各能源子系统的时间尺度，对所述各能源子系统进行仿真计算还包括，

对所述各能源子系统进行并行解算，具体包括以下步骤：

A1、基于并行交互时序，对所述各能源子系统之间的接口进行接口交互；

A2、将所述各能源子系统的迭代次数均设置为0；

A3、所述各能源子系统中的各个能源子系统读入其余能源子系统发送的接口变量数据；基于所述接口变量数据，得到所述能源子系统在该仿真时刻计算所需的边界条件；

A4、判断所述各能源子系统是否存在故障和/或扰动；

A5、对所述各能源子系统进行模型解算，得出解算结果；

A6、分别判断所述各能源子系统的解算结果是否收敛：

若存在所述能源子系统的解算结果收敛，则对所述能源子系统执行步骤A7；

若存在所述能源子系统的解算结果不收敛，则将所述能源子系统的迭代次数加1，当所述能源子系统迭代次数大于最大迭代次数，则对所述能源子系统执行步骤A7；

A7、对所述能源子系统进行仿真时刻加步，并将累加得到的仿真时刻与所述综合能源系统仿真时长进行比较，若所述能源子系统累加得到的仿真时刻等于所述综合能源系统仿真时长，则所述能源子系统解算结束。

6.根据权利要求5所述的综合能源网动态模型多速率计算方法，其特征在于，所述步骤A4中还包括，

所述第一能源子系统若存在故障，则根据故障修改导纳矩阵；和/或所述第一能源子系统若存在扰动，则根据扰动修改对应变量；

所述第二能源子系统或第三能源子系统若存在扰动，则根据扰动修改对应变量。

7.根据权利要求5所述的综合能源网动态模型多速率计算方法，其特征在于，所述步骤A5中还包括，

所述第一能源子系统首先解算控制模型，其次解算一次动态元件，然后通过机网接口，将动态元件与网络联立求解整个系统；

所述第二能源子系统首先解算控制模型，其次解算第二能源子系统部件模型，然后将部件模型联立解算整个系统；

所述第三能源子系统首先解算控制模型，其次解算第三能源子系统管线、源、荷模型，然后将所述第三能源子系统联立解算整个系统。

8.根据权利要求5所述的综合能源网动态模型多速率计算方法，其特征在于，所述步骤A6中还包括，

若所述第一能源子系统迭代次数小于或等于所述第一能源子系统的最大迭代次数时，执行步骤A4；

若所述第二能源子系统迭代次数小于或等于所述第二能源子系统的最大迭代次数时，执行步骤A3，重新读入第一能源子系统的接口变量进行计算；

若所述第三能源子系统迭代次数小于或等于所述第三能源子系统的最大迭代次数时，执行步骤A3，重新读入第一能源子系统与第二能源子系统的接口变量进行计算。

9.根据权利要求5所述的综合能源网动态模型多速率计算方法，其特征在于，所述步骤A7还包括，

若所述第一能源子系统累加得到的仿真时刻小于所述综合能源系统仿真时长，则判断所述第一能源子系统的仿真时刻是否大于所述第二能源子系统的累加得到的仿真时刻：

若所述第一能源子系统的仿真时刻大于所述第二能源子系统的累加得到的仿真时刻，则继续重复执行判断，直至所述第一能源子系统的仿真时刻小于或等于所述第二能源子系统的累加得到的仿真时刻；

若所述第一能源子系统的仿真时刻小于或等于所述第二能源子系统的累加得到的仿真时刻，则所述第一能源子系统更新发送的接口变量，并执行步骤A1；或，

若所述第二能源子系统累加得到的仿真时刻小于所述综合能源系统仿真时长，则判断所述第二能源子系统的仿真时刻是否大于所述第三能源子系统的累加得到的仿真时刻：

若所述第二能源子系统的大于所述第三能源子系统的累加得到的仿真时刻，则继续重复执行判断，直至所述第二能源子系统的仿真时刻小于或等于所述第三能源子系统的累加得到的仿真时刻；

若所述第二能源子系统的仿真时刻小于或等于所述第三能源子系统的累加得到的仿真时刻，则所述第一能源子系统更新发送的接口变量，并执行步骤A1。

10.根据权利要求2-3、6-9任一所述的综合能源网动态模型多速率计算方法，其特征在于，所述综合能源系统、第一能源子系统、第二能源子系统、第三能源子系统的仿真步长满足：

所述综合能源系统仿真步长等于所述第一能源子系统、第二能源子系统、第三能源子系统中仿真步长的最大值；

所述第一能源子系统的仿真步长小于第二能源子系统的仿真步长，所述第二能源子系统的仿真步长小于所述第三能源子系统的仿真步长，且所述第一能源子系统、第二能源子系统、第三能源子系统的仿真步长存在正整数倍关系。