CN113158405B - 一种电热系统的耦合方法、可视化平台及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种电热系统的耦合方法、可视化平台及仿真方法，包括：将热路系统与电路系统设置在不同的Simulink框架下运行；设置用于进行数据的存储和调用基础工作区和函数工作区；获取用于电路系统和热路系统仿真的设置数据，通过函数工作区识别后导入至基础工作区；按照热路系统仿真的设置数据，获取热路系统工作设备的功率值，通过函数工作区识别后导入至基础工作区；按照电路系统仿真的设置数据，将基础工作区的热路系统工作设备的功率值传输至电路系统。本公开可以用于实现综合能源的建模仿真，设置热路系统与电路系统在不同Simulink框架下运行，实现各个热路系统与电路系统在基于各自的计算步长下进行仿真，提高仿真的计算速度，提高仿真效率。

Description

一种电热系统的耦合方法、可视化平台及仿真方法

技术领域

本公开涉及综合能源相关技术领域，具体的说，是涉及一种电热系统的耦合方法及其可视化平台。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

在研究综合能源的建模仿真中，现有的方式是搭建Energy Hub系统模型，EnergyHub指允许多种能源载体在其中转换、调节和存储的单元。在Energy Hub中，主要分为电路系统和热路系统两块，其中，电力由屋顶光伏和热电联产系统提供，热量由热电联产、电热泵和储热模块提供；通过压缩式制冷、吸收式制冷和蓄冷模块满足制冷需求。另外，电路系统由Simulink模型库里的基本模块进行搭建，热路系统由第三方的Thermolib热力学工具包提供的热力学模块进行搭建。在仿真计算中电路系统需要以20微秒的小步长进行计算，热路系统需要以0.1秒的大步长进行计算；并且在Simulink的仿真设置中采样时间必须为步长(基础采样时间)的整数倍。基于以上原因，当电路系统和热路系统在同一Simulink的仿真框架下时，热路系统需要与电路系统采用同样的小步长进行仿真，这样会使得热路的计算量增大5000倍左右，从而拖慢仿真的计算速度，降低仿真效率。

对于处理不同速率模块之间数据的传输，Simulink本身提供了很多的方法,例如，通过Rate Transition模型块将数据从按某速率运行的模块的输出端口传输到另一个按不同速率运行的模块的输入端口、基于多核并行运算加速Simulink仿真、FMI联合仿真等方法。以上这些方法对于处理常规问题比较合适，但对于包含封装的S函数和连续系统模块并且不支持代码复用的Thermolib热力学模型就不适用了。因此目前还没有一种有效的方法来解决电路系统和由Thermolib热力学模型搭建的热力系统之间耦合的问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种电热系统的耦合方法、可视化平台及仿真方法，可以用于实现综合能源的建模仿真，设置热路系统与电路系统在不同Simulink框架下运行，实现各个热路系统与电路系统在基于各自的计算步长下进行仿真，提高仿真的计算速度，提高仿真效率。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种电热系统的耦合方法，包括如下步骤：

将热路系统与电路系统设置在不同的Simulink框架下运行；

设置用于进行数据的存储和调用的缓存区，包括基础工作区和函数工作区；

获取用于电路系统和热路系统仿真的设置数据，通过函数工作区识别后导入至基础工作区；

按照热路系统仿真的设置数据，获取热路系统工作设备的功率值，通过函数工作区识别后导入至基础工作区；

按照电路系统仿真的设置数据，将基础工作区的热路系统工作设备的功率值传输至电路系统，实现电路系统和热路系统之间的数据传递。

一个或多个实施例提供了一种电热系统的耦合可视化平台，包括GUI控制界面、缓存区、热路系统以及电路系统，GUI控制界面通过缓存区分别与热路系统以及电路系统连接，设置热路系统与电路系统在不同的Simulink框架下，热路系统与电路系统通过缓存区进行数据交换，其中缓存区包括相互连接的基础工作区和函数工作区，所述热路系统与电路系统执行上述的耦合方法进行数据传递。

一个或多个实施例提供了一种电热系统的仿真方法，包括如下步骤：

获取热路系统和电路系统各自的仿真步长设置数据；

将获取的设置数据转换为浮点数据存入基本工作区；

读取基本工作区的设置数据发送至热路系统，以使热路系统执行仿真命令，读取热路系统运行的工作设备的功率数据通过函数工作区存储至基本工作区；

设置电路系统读取基本工作区的热路系统运行功率数据的采样时间与电路系统仿真的仿真步长相同，将功率数据传输至电路系统的同步电机；

对电路系统和热路系统的计算结果进行输出并在GUI界面上绘制计算结果的图形。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

由于Thermolib热力学系统与电路系统原理和计算方式上的差异性，导致电路系统与热路系统之间的仿真步长达到10³数量级上的差距，这导致了系统之间耦合的困难。在本发明之前并没有一种有效的方法来解决电路系统和由Thermolib热力学模型搭建的热力系统之间耦合的问题。通过设置热路系统与电路系统在不同Simulink框架下运行，实现各个热路系统与电路系统在基于各自的计算步长下进行仿真，提高仿真的计算速度，提高仿真效率。

与传统单纯的将两个系统直接相连进行仿真的方式相比本发明具有很大的计算优势。经过对比，150s的仿真时间，在传统仿真方法下需要运行168个小时才能达到系统的稳定，而通过该发明只需要20分钟即可得到稳定的结果，该发明在保证仿真的准确性上极大的提高了仿真的速度与效率。

本公开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，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1的电热系统耦合仿真原理图；

图2是本公开实施例2的热路系统模型结构图；

图3是本公开实施例2的电路系统的模型结构图；

图4是本公开实施例2的GUI控制界面的初始界面；

图5是本公开实施例2的GUI控制界面的操作界面；

图6是本公开实施例2的GUI操作界面中用于设置参数的工作空间；

图7是本公开实施例2的GUI操作界面中用于操作仿真运行的控制面板。

其中：1-压缩式制冷系统；2-热电联产系统；3-电热泵系统；4-吸收式制冷系统(a)；5-储热罐；6-蓄冷罐；7-吸收式制冷系统(b)；8(a)-制冷系统中制冷压缩机功率输出端；8(b)-热电联产系统中压气机功率输出端；8(c)-电热泵系统中压缩机功率输出端；9-屋顶光伏模块；10(a)-制冷系统中制冷压缩机功率输入端；10(b)-热电联产系统中压气机功率输入端；10(c)-电热泵系统中压缩机功率输入端；11(a)-同步电机a；11(b)-同步电机b；11(c)-同步电机c。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

要解决电路系统与热路系统耦合的问题就是解决电路系统和热路系统数据传输的问题。通常情况下可以将一个系统的输出端连接到另一个系统的输入端来实现，如背景技术中所述，电路系统和热路系统仿真步长差异过大，通过常规方式会导致运行速度极慢。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种电热系统的耦合方法，包括如下步骤：

步骤1、将热路系统与电路系统设置在不同的Simulink框架下运行；

步骤2、设置用于进行数据的存储和调用的缓存区，包括基础工作区和函数工作区；

步骤3、获取用于电路系统和热路系统仿真的设置数据，通过函数工作区识别后导入至基础工作区；

步骤4、按照热路系统仿真的设置数据，获取热路系统工作设备的功率值，通过函数工作区识别后导入至基础工作区；

步骤5、按照电路系统仿真的设置数据，将基础工作区的热路系统工作设备的功率值传输至电路系统，实现电路系统和热路系统之间的数据传递。

可选的，电路系统和热路系统仿真的设置数据可以通过控制界面接收录取设置。可选的，可以采用handles结构体来读取控制界面如GUI界面的设置参数。

可选的，函数工作区识别方法，可以通过assigin函数将读取的数据导入至基础工作区。

步骤3中，具体的通过handles结构体来读取GUI界面中所输入的设置参数，将其存放到函数工作区内，然后通过assigin函数将读到的参数导入基础工作区用于电路和热路系统仿真的设置；

可选的，热路系统工作设备包括制冷系统中制冷压缩机、热电联产系统中压气机以及电热泵系统中压缩机。

获取热路系统工作设备的功率值，通过函数工作区识别后导入至基础工作区的方法，具体为：将这三组功率值，通过sim动态仿真命令保存在simout结构体中存放在函数工作区，然后通过assignin函数命令将其导入到基础工作区中被电路系统调用。

可选的，用于电路系统和热路系统仿真的设置数据包括：解算器、计算步长、仿真时间等参数；

具体的，通过From Workspace模块读取基础工作区中功率值的数组矩阵传输至电路系统，将包含时间序列的数组导入到电路系统的同步电机中，从而实现了热路系统数据向电路系统的传递。

本实施例中，将电路系统和热路系统分别放在不同的Simulink框架下分别对其解算器和求解步长进行设置，确保各系统的仿真基于各自的计算步长进行仿真，提高综合能源系统的仿真的计算速度，提高仿真效率。

实施例2

基于实施例1的电热系统的耦合方法，如图1所示，本实施例提供一种电热系统的耦合可视化平台，包括GUI控制界面、缓存区、热路系统以及电路系统，GUI控制界面通过缓存区分别与热路系统以及电路系统连接，设置热路系统与电路系统在不同的Simulink框架下，热路系统与电路系统通过缓存区进行数据交换，其中缓存区包括相互连接的基础工作区和函数工作区，所述热路系统与电路系统执行实施例1所述的耦合方法进行数据传递。

可选的，本实施例电路系统可以采用Simulink库里的基本模块进行搭建，热路系统可以采用Thermolib热力学工具包提供的热力学模块进行搭建；

可选的，如图2-3所示，电路系统可以包括电网电路、屋顶光伏模块9、同步电机11、变压器等模块；热路系统可以包括压缩式制冷系统1、热电联产系统2、电热泵系统3、吸收式制冷系统4和7、储热罐5、蓄冷罐6等系统模块。

Thermolib具备多种热力学仿真模型，具备丰富的模型库，方便热力学系统级别的建模。Thermolib所包含的热力学模型多由S函数封装，且内部包含连续系统模块。

热路系统与电路系统的数据传递包括：热路系统输出功率数据导入电路系统中。

可选的，热路系统的输出功率可以包括制冷系统中制冷压缩机、热电联产系统中压气机以及电热泵系统中压缩机的功率数组矩阵，将这三组功率值输入电路系统的同步电机中，实现电路系统和热路系统之间的数据传递。

在一些实施例中，GUI控制界面可以包括参数设置、开始仿真、结束仿真、计算结果图形的绘制等操作接口，实现多系统仿真操作的便捷性和可视化。

可选的，可以在MATLAB中构建GUI界面，电路系统和热路系统之间的数据传递通过将数据以数据结构体的形式实现。

具体的，热路系统的输出功率数组矩阵通过sim动态系统仿真命令存入simout结构体中，将simout结构体中的数据赋值给新的变量，通过assignin函数将新的变量从函数区导出至MATLAB基础工作区

具体的，电路系统通过From Workspace模块读取基础工作区中功率的数组矩阵，将包含时间序列的数组导入到同步电机中。

具体的，通过handles结构体来读取GUI控制界面中所输入的设置参数，将其存放到函数工作区内，通过assigin函数将读到的参数导入基础工作区用于电路和热路系统仿真的设置。可通过GUI操作界面对电、热两个系统的仿真时间和计算步长进行设置。

本实施例可以通过MATLAB m语言完成，包含系统仿真和数据传输的底层命令，命令程序具有可扩展性，当参与仿真和数据传输的系统增多时，可通过增加simout结构体并利用assigin、evalin等函数来实现多系统之间的数据耦合。

本实施例构建的GUI控制界面，可以如图4-7所示，包括初始界面和操作界面，所述初始界面中设置进入系统按钮和退出系统命令按钮，点击退出系统则会直接关闭界面，结束运行；点击进入系统按钮，则会关闭初始界面进入GUI操作界面。

GUI操作界面可以包括工作空间、控制面板和绘图区。

工作空间可对系统的仿真时间和不同系统的仿真步长进行设置；控制面板包含了仿真的操作按钮，各按钮的功能如下：

开始仿真按钮：用于启动仿真命令；

绘制图形按钮：用于将仿真结果在绘图区显示；

清除按钮：用于清除绘图区图形；

退出系统按钮：用于退出GUI平台系统；

返回按钮：用于关闭GUI操作界面回到初始界面；

Hub1和Hub2按钮：用于后期拓展系统使用。

为实现可视化平台的仿真及可视化，下面以具体的示例说明本实施例的可视化平台的仿真过程，本实施例提供一种电热系统的仿真方法，包括如下步骤：

(1)获取热路系统和电路系统各自的仿真步长设置数据；

启动GUI控制界面的初始界面，然后通过进入系统按钮启动操作界面。在操作界面的工作空间处可设置系统的仿真时间，另外也可分别设置热路系统和电路系统各自的仿真步长；设置完成后，通过开始仿真按钮启动仿真程序。

(2)将获取的设置数据转换为浮点数据存入基本工作区；

设置参数并不能立刻赋值给电路和热路系统，需要由get函数读取handles结构体中输入的字符串，将字符串转换为浮点数再由函数工作区导入基本工作区后才可由电路和热路系统读入。

(3)读取基本工作区的设置数据发送至热路系统，以使热路系统执行仿真命令，读取热路系统运行的工作设备的功率数据通过函数工作区存储至基本工作区；

热路系统进行仿真命令，压缩式制冷系统1、热电联产系统2和电热泵系统3中的制冷压缩机、燃气轮机和热泵压缩机的输出功率通过To Workspace模块8(a)、To Workspace模块8(b)和To Workspace模块8(c)进行导出，在导出时数据格式应是带有时间序列的数组。由于仿真的操作是通过GUI控制界面进行控制的，所以此时的功率数组并没有直接的进入基础工作区而是存放在了函数工作区。这时的功率数据并不能被电路系统所调用，还需要通过assignin函数将数据从simout结构体中导出到基础工作区，来完成数据传输的准备工作。

(4)设置电路系统读取基本工作区的热路系统运行功率数据的采样时间与电路系统仿真的仿真步长相同，将功率数据传输至电路系统的同步电机。

将基本工作区存储的热路系统运行功率数据传输至电路系统的同步电机。

带有时间序列的功率数组被导入到基础工作区后，在电路系统中采用FromWorkspace模块10(a)、From Workspace模块10(b)和From Workspace模块10(c)将功率值分别导入同步电机11(a)、同步电机11(b)和同步电机11(c)。

由于电路和热路的采样时间不同，如图6所示，在读入工作区的数据的时候将FromWorkspace模块的采样时间设为20e^-6，与电路系统的仿真步长相同，这样以小采样时间去读取大采样时间采集的数据，一方面与电路相匹配，另一方面可以确保数据的准确性，通过以上方式来完成数据的接收。完成了数据的导出和输入后即实现了电路系统和热路系统的耦合。

(5)对两系统的计算结果进行输出并在GUI界面上绘制计算结果的图形。

热路的仿真结果包括：压缩式制冷系统1的制冷功率变化、热电联产系统2发电功率变化、电热泵系统3的制热功率变化、吸收式制冷系统(a)4的制冷功率变化、储热罐5的出口流量变化、蓄冷罐6的出口流量变化和吸收式制冷系统(b)7的制冷功率变化；

电路的仿真结果包括：屋顶光伏系统9的光伏功率和电网线电压的变化。

可选的，上述仿真结果可存入函数工作区利用plot函数在GUI界面上的坐标轴区域进行图形绘制。

本实施例提供了整个仿真的操作执行过程、数据传输过程和结果绘制方法。

与现有的仿真方式相比本实施例在处理不同时间尺度的复杂多系统仿真上具有较大的优势和灵活性，尤其在面对由Thermolib热力学工具包所搭建的系统上具有较强的适用性和拓展性。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims (12)

1.一种电热系统的耦合方法，其特征是，包括如下步骤：

将热路系统与电路系统设置在不同的Simulink框架下运行；

设置用于进行数据的存储和调用的缓存区，包括基础工作区和函数工作区；

获取用于电路系统和热路系统仿真的设置数据，通过函数工作区识别后导入至基础工作区；

按照热路系统仿真的设置数据，获取热路系统工作设备的功率值，通过函数工作区识别后导入至基础工作区；

按照电路系统仿真的设置数据，将基础工作区的热路系统工作设备的功率值传输至电路系统，实现电路系统和热路系统之间的数据传递。

2.如权利要求1所述的一种电热系统的耦合方法，其特征是：电路系统和热路系统仿真的设置数据通过控制界面接收录取信息来设置。

3.如权利要求1所述的一种电热系统的耦合方法，其特征是：电路系统和热路系统仿真的设置数据采用handles结构体来读取录取信息设置。

4.如权利要求1所述的一种电热系统的耦合方法，其特征是：函数工作区识别方法，通过assigin函数将读取的数据导入至基础工作区。

5.如权利要求1所述的一种电热系统的耦合方法，其特征是：热路系统工作设备包括制冷系统中制冷压缩机、热电联产系统中压气机以及电热泵系统中压缩机。

6.如权利要求1所述的一种电热系统的耦合方法，其特征是：用于电路系统和热路系统仿真的设置数据包括：解算器、计算步长、仿真时间参数。

7.一种电热系统的耦合可视化平台，其特征是：包括GUI控制界面、缓存区、热路系统以及电路系统，GUI控制界面通过缓存区分别与热路系统以及电路系统连接，设置热路系统与电路系统在不同的Simulink框架下，热路系统与电路系统通过缓存区进行数据交换，其中缓存区包括相互连接的基础工作区和函数工作区，所述热路系统与电路系统执行权利要求1-6任一项所述的耦合方法进行数据传递。

8.如权利要求7所述的一种电热系统的耦合可视化平台，其特征是：电路系统采用Simulink库里的基本模块进行搭建；或/和，热路系统采用Thermolib热力学工具包提供的热力学模块进行搭建。

9.如权利要求7所述的一种电热系统的耦合可视化平台，其特征是：电路系统包括电网电路模块、屋顶光伏模块、同步电机模块和变压器模块，热路系统包括压缩式制冷系统模块、热电联产系统模块、电热泵系统模块、吸收式制冷系统模块、储热罐模块和蓄冷罐模块。

10.如权利要求7所述的一种电热系统的耦合可视化平台，其特征是：GUI控制界面包括参数设置、开始仿真、结束仿真、计算结果图形的绘制操作接口，实现多系统仿真操作的便捷性和可视化。

11.如权利要求7所述的一种电热系统的耦合可视化平台，其特征是：MATLAB中构建GUI界面，电路系统和热路系统之间的数据传递通过将数据以数据结构体的形式实现。

12.一种电热系统的仿真方法，其特征是，包括如下步骤：

获取热路系统和电路系统各自的仿真步长设置数据；

将获取的设置数据转换为浮点数据存入基本工作区；

读取基本工作区的设置数据发送至热路系统，以使热路系统执行仿真命令，读取热路系统运行的工作设备的功率数据通过函数工作区存储至基本工作区；

设置电路系统读取基本工作区的热路系统运行功率数据的采样时间与电路系统仿真的仿真步长相同，将功率数据传输至电路系统的同步电机；

对电路系统和热路系统的计算结果进行输出并在GUI界面上绘制计算结果的图形。

Images