CN112100870B - 一种综合能源系统的动态仿真系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种综合能源系统的动态仿真系统和方法，系统包括依次连接的建模模块、仿真模块和应用模块；建模模块用于构建综合能源场景仿真模型；仿真模块用于对综合能源系统进行仿真，得到仿真结果；应用模块用于基于仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块，本发明只需要构建综合能源场景仿真模型，建模过程方便快捷，通过应用模块和仿真模块能够实现动态实时仿真，为仿真模块对综合能源系统的仿真提供基础，保证了仿真结果的准确性；实现综合能源系统各子系统的联合仿真，反映综合能源系统工况变化时的动态过程，能够满足故障诊断等精细化分析时的数据要求。

Description

一种综合能源系统的动态仿真系统和方法

技术领域

本发明涉及综合能源运行仿真技术领域，具体涉及一种综合能源系统的动态仿真系统和方法。

背景技术

综合能源打破了传统电力、热力和燃气等能源系统各自独立运行的状态，实现电、热\冷、气等各类能量的生产、传输、转化、存储和分配等各环节的协同互动，在满足不同场景下用户各类负荷需求的前提下，对能量进行梯级、高效、清洁利用，效提升能源供应灵活度及能源综合利用率，提高可再生能源的消纳能力并有效降低碳排放，实现经济效益和社会效益双丰收。

综合能源系统中电、冷/热、气等各类能源形式相互耦合转换，与单一形式的能量系统相比，其物理设备构成和运行调节方式的复杂度显著提高，进而为综合能源系统的设计、运行、评价、优化等工作带来挑战。基于多能流的混合能源仿真技术能够对综合能源系统运行状态、控制响应过程等进行精细模拟，进而为综合能源系统规划设计、优化运行、状态诊断和能效提升等提供数据和技术支撑，是开展综合能源服务的关键基础支撑技术。由于电、冷/热、气等不同形式能量在建模、分析等方面差异大，现在技术中综合能源仿真主要有两种方式：

（1）使用电力、热力和燃气领域专业仿真技术对各自子系统进行分立建模，并通过接口进行通讯，同步仿真数据。仿真时，电力、热力和燃气三类子系统各自迭代计算，然后通过能量耦合元件进行信息传递，以完成整个能源系统的仿真计算。这种方式能够借助各自领域成熟技术进行仿真，但业务人员需要操作不同的软件，对业务人员的专业知识和相互协同建模要求高，建模过程复杂、灵活度不高，同时受不同软件限值，未考虑仿真过程中数学模型与实际物理设备的通讯，不能实现动态实时仿真。

（2）在现有电力系统仿真工具的基础建立固定效率热力和燃气设备模型，使用高斯-赛德尔交替迭代等方法对包含电力、天然气和热力网络、耦合元件方程的代数方程组进行求解，获得综合能源系统的稳态能量流。这种方式能够实现综合能源系统的快速建模仿真，但对于热力和燃气系统的设备模型往往采用固定效率线性模型，模型和仿真结果的精细化不够，主要反映了设备能量平衡的外特性，不考虑设备内部具体参数的变化，得到的计算结果主要为设备的能量（功率）值，如温度/压力等精细化数据无法得到。其次受限于动态模型的计算复杂度高，以及热力系统和燃气系统固定效率模型的特点，只能实现系统的稳态仿真，不能反映工况变化时的动态过程，难以满足故障诊断等精细化分析时的数据要求。

发明内容

为了克服上述现有技术中建模过程复杂高且难以实现动态实时仿真的不足，本发明提供一种综合能源系统的动态仿真系统，包括依次连接的建模模块、仿真模块和应用模块；

所述建模模块用于基于被仿真的综合能源系统从预先构建的模型库中选择相应的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型；

所述仿真模块用于基于所述综合能源场景仿真模型以及应用模块下发的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，得到的仿真结果；

所述应用模块用于基于所述仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块。

所述模型库用于存储设备仿真模型；

所述第二建模单元用于基于各子系统的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型。

建模模块包括确定单元、设置单元和构建单元；所述确定单元和设置单元均与构建单元连接：

所述确定单元用于基于被仿真的综合能源系统中各子系统对应设备从模型库中选择相应的设备仿真模型，并确定各设备仿真模型的连接关系；

设置单元，用于设置设备参数和网络参数；

构建单元，用于基于设备参数、网络参数、设备仿真模型以及各设备仿真模型的连接关系构建综合能源场景仿真模型。

所述仿真模块包括控制单元和仿真计算单元；

所述控制单元与建模模块和仿真计算单元连接，用于将所述综合能源场景仿真模型中的各子系统进行解耦，并将解耦后的子系统进行编译，之后将得到的各个子系统对应的任务文件传输给仿真计算单元；

所述仿真计算单元用于基于各个子系统对应的任务文件、应用模块下发的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，并将得到的仿真结果传输给应用模块。

所述应用模块包括管理单元和应用单元：

所述管理单元与建模模块、控制单元和仿真计算单元分别连接，用于对建模模块、控制单元和仿真计算单元的工作过程进行监控，还用于下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果修正仿真控制指令；

应用单元与仿真计算单元连接，用于下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果对综合能源场景仿真模型的运行情况进行评价、优化和诊断。

所述仿真控制指令包括仿真启停指令和模型参数设定指令；

所述仿真参数数据包括仿真初始条件数据、边界条件数据和参与仿真计算数据。

另一方面，本发明还提供了一种综合能源系统的动态仿真方法，包括：

建模模块基于被仿真的综合能源系统从预先构建的模型库中选择相应的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型；

应用模块下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真模块；

仿真模块基于综合能源场景仿真模型、仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，得到仿真结果；

所述应用模块基于所述仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块。

建模模块基于被仿真的综合能源系统从预先构建的模型库中选择相应的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型，包括：

确定单元基于被仿真的综合能源系统中各子系统对应设备从模型库中选择相应的设备仿真模型，并确定各设备仿真模型的连接关系；

设置单元设置设备参数和网络参数；

构建单元基于设备参数、网络参数、设备仿真模型以及各设备仿真模型的连接关系构建综合能源场景仿真模型。

所述仿真模块基于所述综合能源场景仿真模型、仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，并将得到的仿真结果传输给应用模块，包括：

控制单元将所述综合能源场景仿真模型中的各子系统进行解耦，并将解耦后的子系统进行编译，之后将得到的各个子系统对应的任务文件传输给仿真计算单元；

所述仿真计算单元基于各个子系统对应的任务文件、应用模块下发的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，并将得到的仿真结果传输给应用模块。

所述应用模块基于所述仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块，包括：

管理单元对建模模块、控制单元和仿真计算单元的工作过程进行监控，下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果修正仿真控制指令；

应用单元下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果对综合能源场景仿真模型的运行情况进行评价、优化和诊断。

所述仿真控制指令包括仿真启停指令和模型参数设定指令；

所述仿真参数数据包括仿真初始条件数据、边界条件数据和参与仿真计算数据。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的综合能源系统的动态仿真系统包括依次连接的建模模块、仿真模块和应用模块；建模模块用于基于被仿真的综合能源系统从预先构建的模型库中选择相应的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型；仿真模块用于基于所述综合能源场景仿真模型以及应用模块下发的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，得到的仿真结果；应用模块用于基于所述仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块，本发明只需要构建综合能源场景仿真模型，建模过程方便快捷，通过应用模块和仿真模块能够实现动态实时仿真；

本发明中的建模模块中的设置单元用于设置设备参数和网络参数；确定单元用于基于被仿真的综合能源系统中各子系统对应设备从模型库中选择相应的设备仿真模型，并确定各设备仿真模型的连接关系；构建单元用于基于设备参数、网络参数、设备仿真模型以及各设备仿真模型的连接关系构建综合能源场景仿真模型，为仿真结果的准确性提供基础；

本发明提供的技术方案中，控制单元将综合能源场景仿真模型中的各子系统进行解耦，并将解耦后的子系统进行编译，得到各个子系统对应的任务文件，仿真计算单元基于各个子系统对应的任务文件、仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，实现综合能源系统各子系统的联合仿真，反映综合能源系统工况变化时的动态过程，能够满足故障诊断等精细化分析时的数据要求；

本发明中的应用单元下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果实现综合能源场景仿真模型的运行情况的评价、优化和诊断。

附图说明

图1 是本发明实施例中综合能源系统的动态仿真系统结构图；

图2 是本发明实施例中综合能源系统的动态仿真方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供了一种综合能源系统的动态仿真系统，综合能源系统包括多个子系统，具体为电力子系统、热力子系统和燃气子系统。本发明实施例1提供的动态仿真系统具体结构如图1所示，其包括依次连接的建模模块、仿真模块和应用模块；

建模模块用于基于被仿真的综合能源系统从预先构建的模型库中选择相应的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型；

仿真模块用于基于综合能源场景仿真模型以及应用模块下发的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，得到的仿真结果；

应用模块用于基于仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块。

当应用模块对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正后，仿真模块则基于综合能源场景仿真模型以及应用模块下发的修正后的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，得到新的仿真结果。

其中，仿真控制指令包括仿真启停指令和模型参数设定指令；

仿真参数数据包括仿真初始条件数据、边界条件数据和参与仿真计算数据。

模型库用于存储设备仿真模型；

建模模块包括确定单元、设置单元和构建单元；确定单元和设置单元均与构建单元连接；

确定单元，用于基于被仿真的综合能源系统中各子系统对应设备从模型库中选择相应的设备仿真模型，并确定各设备仿真模型的连接关系；

设置单元，用于设置设备参数和网络参数；

构建单元，用于基于设备参数、网络参数、设备仿真模型以及各设备仿真模型的连接关系构建综合能源场景仿真模型。

仿真模块包括控制单元和仿真计算单元；

控制单元与建模模块和仿真计算单元连接，用于将综合能源场景仿真模型中的各子系统进行解耦，并将解耦后的子系统进行编译，之后将得到的各个子系统对应的任务文件传输给仿真计算单元；

仿真计算单元用于基于各个子系统对应的任务文件、应用模块下发的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，并将得到的仿真结果传输给应用模块。

应用模块包括管理单元和应用单元：

管理单元与建模模块、控制单元和仿真计算单元分别连接，用于对建模模块、控制单元和仿真计算单元的工作过程进行监控，还用于下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果修正仿真控制指令；

应用单元与仿真计算单元连接，用于下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果对综合能源场景仿真模型的运行情况进行评价、优化和诊断。

本发明实施例1还可以设置通信模块，具体可以为I/O接口模块，通过通信模块实现实际的各个能源设备与仿真计算单元的交互，若某个能源设备与通过通信模块与仿真计算单元连接，建模模块构建综合能源场景仿真模型时，则无需从存储单元中获取该能源设备对应的设备仿真模型，而是基于其他的各子系统的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型，并将综合能源场景仿真模型传输给仿真模块。相应的，建模模块中需要设置映射单元，映射单元实现设备模型中的相关参数与通信模块数据通讯地址进行映射，实现半实物仿真。相应的，应用模块中还可以设有测试单元，测试单元基于仿真模块模拟受控对象的运行状态，通过通信模块与被测的各类能源设备、控制器、能源管理系统进行连接，对被测对象进行全方面、系统测试，实现硬件和软件的在环测试等功能。

实施例2

本发明实施例2提供了一种综合能源系统的动态仿真方法，具体流程图如图2所示，具体过程如下：

S101：建模模块基于被仿真的综合能源系统从预先构建的模型库中选择相应的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型；

S102：应用模块下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真模块；

S103：仿真模块基于综合能源场景仿真模型、仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，得到仿真结果；

S104：应用模块基于仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块。

仿真控制指令包括仿真启停指令和模型参数设定指令；

仿真参数数据包括仿真初始条件数据、边界条件数据和参与仿真计算数据。

建模模块基于被仿真的综合能源系统从预先构建的模型库中选择相应的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型，包括：

确定单元基于被仿真的综合能源系统中各子系统对应设备从模型库中选择相应的设备仿真模型，并确定各设备仿真模型的连接关系；

设置单元设置设备参数和网络参数；

构建单元基于设备参数、网络参数、设备仿真模型以及各设备仿真模型的连接关系构建综合能源场景仿真模型。

仿真模块基于综合能源场景仿真模型、仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，并将得到的仿真结果传输给应用模块，包括：

控制单元将综合能源场景仿真模型中的各子系统进行解耦，并将解耦后的子系统进行编译，之后将得到的各个子系统对应的任务文件传输给仿真计算单元；

仿真计算单元基于各个子系统对应的任务文件、应用模块下发的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，并将得到的仿真结果传输给应用模块。

应用模块基于仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块，包括：

管理单元对建模模块、控制单元和仿真计算单元的工作过程进行监控，下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果修正仿真控制指令；

应用单元下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果对综合能源场景仿真模型的运行情况进行评价、优化和诊断。

为了描述的方便，以上装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种综合能源系统的动态仿真系统，其特征在于，包括依次连接的建模模块、仿真模块和应用模块；

所述建模模块用于基于被仿真的综合能源系统从预先构建的模型库中选择相应的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型；

所述仿真模块用于基于所述综合能源场景仿真模型以及应用模块下发的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，得到的仿真结果；

所述应用模块用于基于所述仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块；

所述模型库用于存储设备仿真模型；

所述建模模块包括确定单元、设置单元和构建单元；所述确定单元和设置单元均与构建单元连接；

所述确定单元用于基于被仿真的综合能源系统中各子系统对应设备从模型库中选择相应的设备仿真模型，并确定各设备仿真模型的连接关系；

所述设置单元用于设置设备参数和网络参数；

所述构建单元用于基于设备参数、网络参数、设备仿真模型以及各设备仿真模型的连接关系构建综合能源场景仿真模型；

所述仿真模块包括控制单元和仿真计算单元；所述控制单元与建模模块和仿真计算单元连接；

所述控制单元用于将所述综合能源场景仿真模型中的各子系统同步进行解耦及编译，之后将得到的各个子系统对应的任务文件传输给仿真计算单元；

所述仿真计算单元用于基于各个子系统对应的任务文件、应用模块下发的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，并将得到的仿真结果传输给应用模块；

所述应用模块包括管理单元和应用单元：

所述管理单元与建模模块、控制单元和仿真计算单元分别连接，所述应用单元与仿真计算单元连接；

所述管理单元用于对建模模块、控制单元和仿真计算单元的工作过程进行监控，还用于下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果修正仿真控制指令；

所述应用单元用于下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果对综合能源场景仿真模型的运行情况进行评价、优化和诊断；

所述仿真控制指令包括仿真启停指令和模型参数设定指令；

所述仿真参数数据包括仿真初始条件数据、边界条件数据和参与仿真计算数据。

2.一种综合能源系统的动态仿真方法，其特征在于，包括：

建模模块基于被仿真的综合能源系统从预先构建的模型库中选择相应的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型；

应用模块下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真模块；

仿真模块基于综合能源场景仿真模型、仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，得到仿真结果；

所述应用模块基于所述仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块；

所述建模模块基于被仿真的综合能源系统从预先构建的模型库中选择相应的设备仿真模型构建综合能源场景仿真模型，包括：

确定单元基于被仿真的综合能源系统中各子系统对应设备从模型库中选择相应的设备仿真模型，并确定各设备仿真模型的连接关系；

设置单元设置设备参数和网络参数；

构建单元基于设备参数、网络参数、设备仿真模型以及各设备仿真模型的连接关系构建综合能源场景仿真模型；

所述仿真模块基于所述综合能源场景仿真模型、仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，并将得到的仿真结果传输给应用模块，包括：

控制单元将所述综合能源场景仿真模型中的各子系统同步进行解耦及编译，并将得到的各个子系统对应的任务文件传输给仿真计算单元；

所述仿真计算单元基于各个子系统对应的任务文件、应用模块下发的仿真控制指令和仿真参数数据对综合能源系统进行仿真，并将得到的仿真结果传输给应用模块；

所述应用模块基于所述仿真结果对仿真控制指令和仿真参数数据进行修正，并将修正后的仿真控制指令和仿真参数数据传输给仿真模块，包括：

管理单元对建模模块、控制单元和仿真计算单元的工作过程进行监控，下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果修正仿真控制指令；

应用单元下发仿真控制指令和仿真参数数据给仿真计算单元，并基于仿真结果对综合能源场景仿真模型的运行情况进行评价、优化和诊断；

所述仿真控制指令包括仿真启停指令和模型参数设定指令；

所述仿真参数数据包括仿真初始条件数据、边界条件数据和参与仿真计算数据。

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