CN113536565B - 一种综合能源多时空尺度协同仿真方法与系统 - Google Patents
一种综合能源多时空尺度协同仿真方法与系统 Download PDFInfo
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Abstract
本公开提出了一种综合能源多时空尺度协同仿真方法与系统，包括：构建由能源设备组成的IES仿真模型，用于单个综合能源系统内的多能流仿真计算；以IES仿真模型为节点，能源传输管道为纽带接成IEN仿真模型；将每个IES仿真模型和IEN仿真模型分别下载到安装有反射内存卡的计算机中，每个反射内存卡即为一个网络节点，设置仿真步长、仿真顺序基础参数，进行综合能源多时空尺度协同仿真。该综合能源多时空尺度协同仿真结构，同时保证了设备、系统、网络多空间维度的高精度仿真，并充分体现了多能流的多时间刻度特性。
Description
技术领域
本公开属于综合能源技术领域，尤其涉及一种综合能源多时空尺度协同仿真方法与系统。
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，不必然构成在先技术。
从城市或者区域层面统筹协调，以园区级等小型综合能源系统(Integratedenergy system，IES)为节点，以电气冷热网络为纽带，连接能源生产、输配、存储和使用等多环节而形成的多元、立体的大规模综合能源网络(Integrated energy network，IEN)，能够提升区域整体能效，是综合能源服务发展的重要方向。
仿真系统是系统分析、控制优化等研究的重要基础工具。但是，现有综合能源仿真系统多为单纯能源网络级仿真或者单个综合能源系统仿真，针对上述提到的以电气冷热异质能流共存且以小型IES为节点的大规模综合能源网络精确仿真尚且缺失。
综合能源多时空尺度(多时间空间尺度)协同仿真需要同时计算和交互设备-系统-网络多空间维度及电、气、冷热等多能流多时间刻度的能量数据，现有的仿真系统模型异常复杂，且仿真计算量巨大，难以实现。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种综合能源多时空尺度协同仿真方法，能够实现综合能源设备-系统-网络多空间维度及电、气、冷热等多能流多时间刻度协同仿真。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了一种综合能源多时空尺度协同仿真方法，包括：
构建由能源设备组成的IES仿真模型，用于单个综合能源系统内的多能流仿真计算；
以IES仿真模型为节点，能源传输管道为纽带接成IEN仿真模型；
将每个IES仿真模型和IEN仿真模型分别下载到安装有反射内存卡的计算机中，每个反射内存卡即为一个网络节点，设置仿真步长、仿真顺序基础参数，进行综合能源多时空尺度协同仿真。
进一步的技术方案，每个IES仿真模型仿真单个综合能源系统内的电气冷热设备的能源利用、转化过程，并计算缺失的需要气网、热网、电网供给的气、热、电或者多余的反哺给气网、热网、电网的气、热、电，并将该数据存储在该节点的反射内存卡的某个地址上；
IEN仿真模型通过预设的访问地址，访问该节点的反射内存卡的该地址，读取该数据，进而供给或者接受该节点IES能量，并进行管道内剩余能量或者新增后的能量传输仿真。
进一步的技术方案，所述每个反射内存卡即为一个网络节点，构成sPIDER网络内存网，每个节点的网络内存卡上的存储器中都有网络内存网上其它节点的共享数据拷贝，计算机将数据写入其本地网络内存卡后的，极短时间内，网络内所有计算机都能访问这个新数据。
进一步的技术方案，所述sPIDER网络内存网可以替换成其他通信网络，用于完成IES仿真模型与IEN仿真模型的交互能流数据。
进一步的技术方案，所述IES仿真模型预留有能量交互接口，包括电网供给接口、系统供电接口、热网供给接口、系统供热接口、系统供气接口及气网供给接口，利用上述接口接收或输出能量给能源网络，用于仿真系统内能源设备的能量转换和利用，以及异质能源间的耦合特性。
进一步的技术方案，所述电网供给接口，表示由电网流向IES的电能；系统供电接口，表示由IES流向电网的电能；热网供给接口，表示由热网流向IES的热能；系统供热接口，表示由IES流向热网的热能；气网供给接口，表示由气网流向IES的天然气；系统供气接口，表示由IES流向气网的天然气。
进一步的技术方案，所述IEN仿真模型中还包括气网、热网和电网动态模型；
气网动态模型由气源模型以及之间的输气管道模型构成，输气管道模型用于计算传输压降和传输延迟；
热网动态模型由热源模型以及之间的输热管道模型构成，输热管道模型用于计算传输延迟和热能传输损失；
电网动态模型由电网模型以及之间的传输线路。
进一步的技术方案，所述IEN仿真模型中与电网接口表示电网向IES供给的电能和IES内的风电光伏可再生能源剩余电能上网；与气网接口表示气网向IES供给的天然气；与热网接口分别表示热网向IES供给的热能和系统剩余进而补充热网的热能。
进一步的技术方案，所述IEN仿真模型主要用于仿真多能流的长距离传输过程以及与节点IES的能流交互，体现多能流传输过程的多时间刻度特性以及能量平衡关系。
第二方面，公开了一种综合能源多时空尺度协同仿真系统，包括：
IES仿真模型，由能源设备组成的IES仿真模型，用于单个综合能源系统内的多能流仿真计算；
IEN仿真模型，以IES仿真模型为节点，能源传输管道为纽带接而成；
安装有反射内存卡的计算机，下载有每个IES仿真模型和IEN仿真模型，每个反射内存卡即为一个网络节点，设置仿真步长、仿真顺序基础参数，进行综合能源多时空尺度协同仿真。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明综合能源多时空尺度协同仿真结构，搭建了精确的能源设备模型、系统模型和网络模型，同时保证了能源设备精度、系统精度和网络精度，并充分体现了多能流的多时间刻度特性。
本发明利用"sPIDER"网络内存网实时共享节点内存数据，避免了能流数据通信延迟。
本发明以IES和IEN为节点的仿真系统结构，便于分布式IES的接入，使仿真系统具有良好的扩展性，适用于大规模综合能源网络的高精度仿真。
本发明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
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不当限定。
图1为本公开实施例综合能源分布式协同仿真系统总体结构示意图；
图2为本公开实施例电网、气网、热网仿真模型通用结构图；
图3为本公开实施例IES模型结构示意图；
图4为本公开实施例基于MATLAB/simulink的3节点IEN仿真模型示例示意图。
具体实施方式
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。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种综合能源多时空尺度协同仿真方法，包括：
步骤1、搭建由能源设备组成的IES仿真模型，并预留与IEN的接口。可利用Thermolib热力学仿真软件包结合Simscope，搭建包含燃气轮机、可再生能源、吸收式制冷机、冷热电负荷等设备的IES仿真模型，用于单个系统内的多能流仿真计算，并设置IES与IEN的能量交互接口，包括电网供给接口和系统供电接口，A、B、C；热网供给接口Qh_need和系统供热接口Qh_rest；气网供给接口Qgas_need。
具体的，上述IES仿真模型为系统级仿真模型，用于精确仿真单个综合能源系统，并接受或输出能量给能源网络，能够精准仿真系统内能源设备的能量转换和利用，以及异质能源间的耦合特性等。
步骤2、搭建IEN仿真模型，并预留与系统级仿真模型的接口。举例如图4所示，为3个IES和电网、气网、热网组成的IEN仿真模型。IEN的两个重要特征是能量传输延迟和能量传输损耗。
首先，分别建立气网、热网和电网动态模型如图4所示，其中包括气源模型GasSource；输气管道模型Gas Pipe，主要用于计算传输压降和传输延迟；天然气管道阀门Value a，其in接口表示进入管道的天然气，position接口表示阀门开度，out接口表示供给IES的天然气，rest表示管道剩余天然气。
热网模型与气网模型相似，热源Heat Source表示热能供给；输热管道Heat Pipe用于计算传输延迟和热能传输损失；输热管道阀门Value b，其in接口表示进入管道的热能，position接口表示阀门开度，out接口表示供给IES的热能，rest表示管道剩余热能。
电网的搭建借助于Simulink的Simscope库，其中传输线路即为Transline模块，电网为Power Grid模块。
然后，建立能源网络与分布式IES能量交互接口，如图1中与IES能量交互所示，其中与电网接口A、B、C，可表示电网向IES供给的电能和IES内的风电光伏等可再生能源剩余电能上网；与气网接口Qgas_need,表示气网向IES供给的天然气；与热网接口Qh_need和Qh_rest，分别表示热网向IES供给的热能和系统剩余进而补充热网的热能。
上述系统级仿真模型就是IES仿真模型，IEN仿真模型即网络级仿真模型。IEN仿真模型是以IES为节点，能源传输管道为纽带，连接而成的。
在本实施例子中，气源模型可以理解为天然气站，气源模型，输气管道模型都是气网的组成部分，气网的动态主要体现在输气管道的传输过程中，即传输时间延迟特性上。
能源网络与分布式IES能量交互计算用于完成能源网络与IES(系统级)之间的协同仿真，即计算能源网络向系统输出或接受的能量。
步骤3、搭建以IES和IEN为节点的sPIDER网络内存网。将每个IES和IEN分别下载到安装有反射内存卡的计算机中，并搭建"sPIDER"网络内存网，每个反射内存卡即为一个网络节点。设置仿真步长、仿真顺序等基础参数，即可进行高精度综合能源多时空尺度协同仿真。
需要说明的是，sPIDER网络内存网主要是由网络内存卡通过光纤连接而成，网络上的每台计算机插入一块。网络内存卡形成各个节点，而每个节点的网络内存卡上的存储器中都有网络内存网上其它节点的共享数据拷贝。所以计算机将数据写入其本地网络内存卡后的，极短时间内，网络内所有计算机都可以访问这个新数据。因此它与以太网等其他传统网络相比具有更低的数据传输延迟、更快的传输速度，更简单灵活的使用操作，可以满足实时系统快速反应周期的要求，而采用其他网络就很难满足这种要求。
上述Spider网络内存网可以理解为数据通信网络，用于节点模型之间的数据通信。
利用上述网络，在仿真的过程中，每个IES模型精确仿真单个系统内的电气冷热设备的能源利用、转化等过程，并计算缺失的需要气网、热网、电网供给的气、热、电或者多余的反哺给气网、热网、电网的气、热、电，并将该数据存储在该节点的反射内存卡的某个地址上。
基于上述过程，IEN模型通过预设的访问地址，访问该节点的反射内存卡的该地址，读取该数据，进而供给或者接受该节点IES能量，并进行管道内剩余能量或者新增后的能量传输仿真。IEN模型与其他节点IES的协同仿真过程同上。
实施例二
本实施例公开了一种综合能源多时空尺度协同仿真系统，包括：
IES仿真模型，由能源设备组成的IES仿真模型，用于单个综合能源系统内的多能流仿真计算；
IEN仿真模型，以IES仿真模型为节点，能源传输管道为纽带接而成；
安装有反射内存卡的计算机，下载有每个IES仿真模型和IEN仿真模型，每个反射内存卡即为一个网络节点，设置仿真步长、仿真顺序基础参数，进行综合能源多时空尺度协同仿真。
该综合能源多时空尺度协同仿真系统总体结构如图1所示。假设一个IEN拥有i个分布式IES，且每个分布式IES由jx个能源设备组成。则该仿真系统的"sPIDER"网络内存网的1+i个网络节点，用于布置IEN和IES1～IES i，形成通信网络节点即分布式IES的仿真结构。通过"sPIDER"网络内存网，将IES与IEN的交互能流数据直接映射到IEN和IES 1～IES i所处节点计算机上，参与该节点的精确仿真计算。IEN和IES 1～IES i自身的精确仿真在所处节点的计算机上完成。其中，"sPIDER"网络内存网也可以换成其他通信网络，随着数据通信的延迟不同，仿真精度也会受到不同程度的影响。
具体的，IES 1～IEN i仿真模型结构如图3所示。能够精准描述系统内能源设备的能量转换和利用过程，以及异质能源间的耦合特性等，IES系统模型由众多能源设备模型和能量接口组成。设备模型主要包括燃气轮机，吸收式制冷机，热泵，锅炉以及电气冷热负荷等。能量接口包括电网供给接口，表示由电网流向IES的电能；热网供给接口，表示由热网流向IES的热能；气网供给接口，表示由气网流向IES的天然气；系统供热接口，表示由IES流向热网的热能；系统供电接口，表示由IES流向电网的电能；系统供气接口，表示由IES流向气网的天然气。IES模型主要用于系统级众多能源设备的能量转化和利用以及与IEN的能量交互，体现多时间刻度、强耦合、非线性等复杂系统特性。
IEN仿真模型主要由电网、气网、热网动态模型，以及IEN与IES的能量交互接口组成。
如图2所示为电网、气网、热网的通用模型结构，包括源模块，管道传输延迟与损耗模块，阀门模块，管网供给接口和系统供给接口。源模块表示电、气、热源；管道传输延迟与损耗模块，用于仿真电网、气网、热网的能源传输过程中的时间延迟和热能、压能损耗；阀门模块，表示电网、气网、热网供给和接纳该支路IES能源；管网供给接口，表示由管网流向该支路IES的能源；系统供给接口，表示由该支路IES流向电网、气网、热网的能源。IEN仿真动态模型主要用于仿真多能流的长距离传输过程以及与节点IES的能流交互，体现多能流传输过程的多时间刻度特性以及能量平衡关系等。
本发明的仿真系统，以IES和IEN为节点的仿真系统结构，便于分布式IES的接入，使仿真系统具有良好的扩展性，适用于大规模综合能源网络的高精度仿真。
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 (6)
1.一种综合能源多时空尺度协同仿真方法，其特征是，包括：
构建由能源设备组成的IES仿真模型，用于单个综合能源系统内的多能流仿真计算；
以IES仿真模型为节点，能源传输管道为纽带接成IEN仿真模型；
将每个IES仿真模型和IEN仿真模型分别下载到安装有反射内存卡的计算机中，每个反射内存卡即为一个网络节点，设置仿真步长、仿真顺序基础参数，进行综合能源多时空尺度协同仿真；
其中，每个IES仿真模型仿真单个综合能源系统内的电气冷热设备的能源利用、转化过程，并计算缺失的需要气网、热网、电网供给的气、热、电或者多余的反哺给气网、热网、电网的气、热、电，并将该数据存储在该节点的反射内存卡的某个地址上；
IEN仿真模型通过预设的访问地址，访问该节点的反射内存卡的该地址，读取该数据，进而供给或者接受该节点IES能量，并进行管道内剩余能量或者新增后的能量传输仿真；
所述每个反射内存卡即为一个网络节点，构成sPIDER网络内存网，每个节点的网络内存卡上的存储器中都有网络内存网上其它节点的共享数据拷贝，计算机将数据写入其本地网络内存卡后的，极短时间内，网络内所有计算机都能访问这个新数据；
所述IES仿真模型预留有能量交互接口，包括电网供给接口、系统供电接口、热网供给接口、系统供热接口、系统供气接口及气网供给接口，利用上述接口接收或输出能量给能源网络，用于仿真系统内能源设备的能量转换和利用，以及异质能源间的耦合特性。
2.如权利要求1所述的一种综合能源多时空尺度协同仿真方法，其特征是，所述电网供给接口，表示由电网流向IES的电能；系统供电接口，表示由IES流向电网的电能；热网供给接口，表示由热网流向IES的热能；系统供热接口，表示由IES流向热网的热能；气网供给接口，表示由气网流向IES的天然气；系统供气接口，表示由IES流向气网的天然气。
3.如权利要求1所述的一种综合能源多时空尺度协同仿真方法，其特征是，所述IEN仿真模型中还包括气网、热网和电网动态模型；
气网动态模型由气源模型以及之间的输气管道模型构成，输气管道模型用于计算传输压降和传输延迟；
热网动态模型由热源模型以及之间的输热管道模型构成，输热管道模型用于计算传输延迟和热能传输损失；
电网动态模型由电网模型以及之间的传输线路。
4.如权利要求1所述的一种综合能源多时空尺度协同仿真方法，其特征是，所述IEN仿真模型中与电网接口表示电网向IES供给的电能和IES内的风电光伏可再生能源剩余电能上网；与气网接口表示气网向IES供给的天然气；与热网接口分别表示热网向IES供给的热能和系统剩余进而补充热网的热能。
5.如权利要求1所述的一种综合能源多时空尺度协同仿真方法，其特征是，所述IEN仿真模型主要用于仿真多能流的长距离传输过程以及与节点IES的能流交互，体现多能流传输过程的多时间刻度特性以及能量平衡关系。
6.一种综合能源多时空尺度协同仿真系统，用于实现如权利要求1-5任一项权利要求所述的方法，其特征是，包括：
IES仿真模型，由能源设备组成的IES仿真模型，用于单个综合能源系统内的多能流仿真计算；
IEN仿真模型，以IES仿真模型为节点，能源传输管道为纽带接而成；
安装有反射内存卡的计算机，下载有每个IES仿真模型和IEN仿真模型，每个反射内存卡即为一个网络节点，设置仿真步长、仿真顺序基础参数，进行综合能源多时空尺度协同仿真。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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