CN111832161B - 一种综合能源系统实时仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综合能源系统实时仿真方法及系统，包括：搭建耦合仿真模型，包括：热网和天然气网的仿真模型以及电网模型；对于涉及多能流转化的耦合设备，以热网和天然气网的仿真模型与电网模型之间相互耦合的能量作为两部分之间的交互信息；获取实时气象数据，通过多能流负荷计算，得到建筑物用能数据，并将所述数据传递给耦合仿真模型，进行综合能源系统的实时仿真。本发明基于OPC实现仿真平台和气象站之间的数据通信，实现基于某地气象数据建立综合能源实时虚拟能厂的功能，为研究当地综合能源的开发和利用提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及综合能源系统技术领域，尤其涉及一种综合能源系统实时仿真方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
作为人类生存和发展的基础，能源对国际政治和经济格局有着重要的影响。传统的能源利用方式以使用化石能源为主，该方式存在使用过程粗放，能源利用率低，环境污染严重等问题。综合能源系统作为新一代的能源利用方式，将电气热等多种异质能流统筹规划，能充分发挥不同能流之间优势互补的特性，实现能量在源-网-荷-储不同环节之间的协同高效利用，减少温室气体的排放，实现较高的经济效益和环境效益。
作为新兴的能源利用方式，综合能源系统相关的研究工作目前仍处于起步阶段。发明人发现，很多已建成的综合能源系统项目，由于在前期的配置和后期的运行中缺乏相关的理论指导，实用性较差，不能在实际生产中得取得预期的效益；而在理论研究层面，现有的研究成果大多仅在离线仿真中得到了验证，并不能直接应用在实际生产中。同时随着后续研究的深入，人们对优化和控制等问题的精确性提出了更高的要求，在此情况下普通的离线仿真更加难以满足人们的需求。同时，综合能源系统中的负荷和新能源等部分的表现和当地天气气候等有很强的依赖性，现有技术在进行仿真时并未考虑到上述因素，导致仿真结果不准确。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种综合能源系统实时仿真方法及系统，基于Simulink环境实现异质能流的统一仿真，基于TRNSYS和Labview等多软件联合实现各种辅助功能；在保证模型高效便捷开发的同时，又能整合各个软件的优势，功能上具有很大的拓展性。同时将天气气候等因素考虑在内，较一般的仿真方法具有更好的效果。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种综合能源系统实时仿真方法，包括：
获取实时气象数据，通过多能流负荷计算，得到建筑物用能数据，并将所述数据传递给搭建的耦合仿真模型，进行综合能源系统的实时仿真；
所述搭建的耦合仿真模型，包括：热网和天然气网的仿真模型以及电网模型；对于涉及多能流转化的耦合设备，以热网和天然气网的仿真模型与电网模型之间相互耦合的能量作为两部分之间的交互信息。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种综合能源系统实时仿真系统，包括：
耦合仿真模型，所述耦合仿真模型包括热网和天然气网的仿真模型以及电网模型；
RT-LAB，用于实现耦合仿真模型的实时仿真；
TRNSYS，用于基于获取到的气象数据得到建筑物用能数据；
运行监控界面，基于Labview开发，与耦合仿真模型进行数据交互；
气象站，与耦合仿真模型实时通信，用于提供实时气象数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明基于OPC实现仿真平台和气象站之间的数据通信。将气象站所采集的光照信息用于计算光伏实时出力，将气象站所采集的风速信息用于计算风电实时出力，将温湿度等信息用于计算实时负荷。在此基础上，实现基于某地气象数据建立综合能源实时虚拟能厂的功能，为研究当地综合能源的开发和利用提供参考。
(2)本发明考虑气象数据，可实现对当地综合能源系统更加真实的仿真，为当地综合能源的开发利用提供更有针对性和说服力的仿真支撑。
(3)综合能源系统作为新兴的能源系统，许多研究工作需要以系统真实的动态特性为依据。然而综合能源系统中存在多种时间尺度的异质能流，动态特性复杂，普通离线仿真无法准确反映系统的动态特性，故而需要采用实时仿真来更加真实地还原系统的动态特性。且实时仿真是实现硬件在环仿真的必要条件，可在此实时仿真功能基础上开展更多的硬件在环的研究工作。
本发明的附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中多软件联合的综合能源系统实时仿真方法示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种多软件联合的综合能源系统实时仿真方法，包括以下过程：
搭建耦合仿真模型，包括：热网和天然气网的仿真模型以及电网模型；对于涉及多能流转化的耦合设备，以热网和天然气网的仿真模型与电网模型之间相互耦合的能量作为两部分之间的交互信息；
获取实时气象数据，通过多能流负荷计算，得到建筑物用能数据，并将所述数据传递给耦合仿真模型，进行综合能源系统的实时仿真。
本实施例中，建筑物用能数据包括该建筑物在某时段内的冷、热、电负荷需求情况。
具体地，基于Simulink软件搭建耦合仿真模型；基于该仿真环境下的Thermolib工具包开发热网和天然气网的仿真模型，主要包括CCHP机组模型、发电厂模型、空调模型、制冷机模型、热泵模型、锅炉模型和管道模型。基于SimPowerSystems工具包开发电网模型，主要包括输电线模型、风电模型、光伏模型和负荷模型。
涉及多能流耦合的模型，通过Thermolib和SimPowerSystems中的基本模型联合开发，两者之间通过能量关系耦合。
多能流耦合模型指综合能源系统中存在的耦合设备的模型，如燃气发电机、燃气锅炉、热泵等。
本发明实施例基于Thermolib完成热网和天然气网模型的开发，基于Simulink中经典的电力系统仿真工具包完成电网模型的开发。对于涉及多能流转化的耦合设备，通过两个软件包中的模型联合开发。在模型开发中，热网和天然气网模型与电网模型开发所用到的基本模型分别属于不同的工具包，两部分模型在仿真中不能直接连接，故而以热网和天然气网的模型与电网的模型之间相互耦合的能量作为两部分之间的交互信息。
在以上基础上，将各个模型封装，形成能够直接应用于搭建综合能源系统模型的仿真元件。
综合能源系统的异质能量负荷之间存在相互耦合的特性，且综合能源系统的负荷与天气气候等因素密切相关。为提高综合能源负荷仿真的精确性，本发明实施例结合TRNSYS和气象站中的天气信息，基于TRNSYS中的TYPE56模块仿真建筑物用能行为。
TRNSYS的全称为Transient System SimulationProgram，是一个主要用于仿真新能源出力和建筑物用能情况的软件。应用该软件可实现对建筑物能耗情况更精确的分析。
对于离线仿真，基于TRNSYS中的TYPE155模块开发与TRNSYS与MATLAB间的交互接口，将建筑物用能情况直接传递给Simulink中的仿真模型；
对于实时仿真时，基于TRNSYS中的TYPE155模块开发与TRNSYS与MATLAB间的交互接口，基于Labview的脚本节点开发Labview和MATLAB的交互接口，实现TRNSYS和Labview之间的数据交互。
离线仿真与实时仿真的仿真步长不同。离线仿真时长不需要与真实时间同步，而实时仿真需要。同时实时仿真由于与仿真步长与真实世界相同，故而可以实现硬件在环仿真功能。综合能源系统模型结构复杂，仿真所需的计算量庞大。离线仿真由于不需要与现实时间同步，可以在普通计算机上实现，而实时仿真却难以在普通计算机上实现与现实同步，故而实时仿真采用RT-LAB平台实现。
本发明基于RT-LAB实现模型的实时仿真功能。RT-LAB是由加拿大Opal-RTTechnologies推出的一套工业级的系统实时仿真平台。通过RT-LAB，可以直接将利用MATLAB/Simulink建立的系统数学模型应用于实时仿真、控制、测试以及其它相关领域。
首先依据仿真步长的不同将仿真模型划分为小步长的电力子系统和大步长的热力和天然气子系统。将小步长子系统放到RT-LAB的SM_子系统(主运算子系统)，将热力和天然气子系统放到RT-LAB的SS_子系统(从运算子系统)。将搭建的离线的仿真模型通过RT-LAB软件下载到RT-LAB上实时仿真。
基于Labview开发的能量管理系统需要与TRNSYS中的负荷仿真模型交换数据。同时Labview作为上层能量管理软件，进一步实现将TRNSYS中的信息与底层仿真模型的实时数据交换。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种多软件联合的综合能源系统实时仿真系统，参照图1，包括：
耦合仿真模型，所述耦合仿真模型包括热网和天然气网的仿真模型以及电网模型；
RT-LAB，用于实现耦合仿真模型的实时仿真；
TRNSYS，用于基于获取到的气象数据得到建筑物用能数据；
运行监控界面，基于Labview开发，与耦合仿真模型进行数据交互；
气象站，与耦合仿真模型实时通信，用于提供实时气象数据。
本发明基于OPC实现仿真平台和气象站之间的数据通信。将气象站所采集的光照信息用于计算光伏实时出力，将气象站所采集的风速信息用于计算风电实时出力，将温湿度等信息用于计算实时负荷。
在此基础上，实现基于某地气象数据建立综合能源实时虚拟能厂的功能，为研究当地综合能源的开发和利用提供参考。
本发明实施例的实时仿真系统可以用于与综合能源系统相关的各项科研生产工作。在规划设计方面，可结合该仿真平台检验设计方案，推动综合能源服务落地；在优化运行方面，可用于检验各种优化控制算法，实现最优控制；在运维检修方面，可通过该平台检验各种运维检修方案的安全性，辅助运维方案的制定。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种综合能源系统实时仿真方法，其特征在于，包括：
获取实时气象数据，通过多能流负荷计算，得到建筑物用能数据，并将所述数据传递给搭建的耦合仿真模型，进行综合能源系统的实时仿真；
基于OPC实现仿真平台和气象站之间的数据通信；将气象站所采集的光照信息用于计算光伏实时出力，将气象站所采集的风速信息用于计算风电实时出力，将温湿度信息用于计算实时负荷；
所述搭建的耦合仿真模型，包括：热网和天然气网的仿真模型以及电网模型；对于涉及多能流转化的耦合设备，以热网和天然气网的仿真模型与电网模型之间相互耦合的能量作为两部分之间的交互信息；
Simulink软件搭建耦合仿真模型；其中，热网和天然气网的仿真模型基于Thermolib工具包开发；电网模型基于SimPowerSystems工具包开发；
依据仿真步长的不同，将耦合仿真模型划分为小步长的电力子系统和大步长的热力和天然气子系统；将电力子系统作为主运算子系统，将热力和天然气子系统作为从运算子系统；将搭建的离线耦合仿真模型通过RT-LAB软件下载到RT-LAB上实时仿真；
对于离线仿真，基于TRNSYS中的TYPE155模块开发与TRNSYS与MATLAB间的交互接口，将建筑物用能情况直接传递给Simulink中的耦合仿真模型；
对于实时仿真时，基于TRNSYS中的TYPE155模块开发与TRNSYS与MATLAB间的交互接口，基于Labview的脚本节点开发Labview和MATLAB的交互接口，实现TRNSYS和Labview之间的数据交互。
2.如权利要求1所述的一种综合能源系统实时仿真方法，其特征在于，所述热网和天然气网的仿真模型包括：CCHP机组模型、发电厂模型、空调模型、制冷机模型、热泵模型、锅炉模型和管道模型。
3.如权利要求1所述的一种综合能源系统实时仿真方法，其特征在于，所述电网模型包括输电线模型、风电模型、光伏模型和负荷模型。
4.如权利要求1所述的一种综合能源系统实时仿真方法，其特征在于，获取实时气象数据，包括：光照信息、风速信息和温湿度信息。
5.如权利要求1所述的一种综合能源系统实时仿真方法，其特征在于，基于TRNSYS中的TYPE56模块仿真建筑物用能数据。
6.一种综合能源系统实时仿真系统，执行如权利要求1所述的一种综合能源系统实时仿真方法，其特征在于，包括：
耦合仿真模型，所述耦合仿真模型包括热网和天然气网的仿真模型以及电网模型；
RT-LAB，用于实现耦合仿真模型的实时仿真；
TRNSYS，用于基于获取到的气象数据得到建筑物用能数据；
运行监控界面，基于Labview开发，与耦合仿真模型进行数据交互；
气象站，与耦合仿真模型实时通信，用于提供实时气象数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Chenghui Inventor after: Hou Yongchao Inventor after: Sun Bo Inventor after: Chen Jing Inventor after: Li Fan Inventor before: Zhang Chenghui Inventor before: Sun Bo Inventor before: Hou Yongchao Inventor before: Chen Jing Inventor before: Li Fan |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |