CN113536591A - 一种综合能源系统变步长动态仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综合能源系统变步长动态仿真方法，该方法包括：建立电、气、热能源网络模型与设备模型；建立综合能源系统模型，并将模型划分为不同的能源网络、设备模块，建立模块内迭代求解与模块间参数传递机制；获取系统参数、系统常规态负荷、系统故障情况，对常规态下系统采用大时间尺度仿真、故障态下小时间尺度仿真，该方法充分考虑了综合能源系统在遇到扰动前后参数变化速度与幅度的差异，扰动前的大步长仿真能够在不丧失求解精度的基础上保证求解速度，遇到扰动后系统工况迅速变化、参数变化频繁，较低的仿真步长能够满足求解的精度需求，均衡综合能源系统动态仿真在仿真精度与速度两方面的需求，减少仿真时长的同时提高仿真精度。
Description
技术领域
本发明属于能源系统仿真技术领域，具体涉及一种综合能源系统变步长动态仿真方法。
背景技术
传统能源系统多以分立运行方式为主，煤炭、石油、天然气、电力和供冷/热系统等主流能源系统大多各自为营，形成了较为封闭的行业和利益壁垒。由于这些壁垒的存在，多种能源之间无法发挥彼此互补互动特性和梯级利用潜力，从而拉低了能源综合利用效率，并在一定程度上增加了碳排放、加剧了环境污染问题。
在世界能源系统亟需转型升级的背景下，综合能源系统(Integrated EnergySystem,IES)这一概念得到了学术界和工业界的广泛支持。综合能源系统能够破除传统能源系统分立运行壁垒，充分发挥多种形式能源(包括煤炭、石油、天然气、电力、热/冷、风、光、水、氢等)之间的互补互动特性和梯级利用潜力，从而提升能源系统的综合能效，降低碳排放和污染物排放，提升供能系统的稳定系和可靠性，并促进可再生能源消纳，因此具有光明的发展前景。
综合能源系统仿真分析是系统建设方案的实验验证，通过建立符合实际情况的设备、管网工况模型，复现实际系统中发生的真实物理过程，模拟系统在各个场景下的状态，为IES提供了安全性校核与运行分析，在综合能源系统的开发与维护中起着关键作用。仿真算法的深入研究能提高系统模拟的精确度与可信度，为建设方案的有效性提供有力保证，对综合能源系统的发展影响深远。
综合能源系统的仿真分为稳态和动态两种，稳态侧重系统在某一场景下稳定后的工况，仿真过程中忽略状态随时间的变化过程，而动态仿真则强调刻画工况随时间的改变情况，后者在仿真过程中考虑的模型精细化程度更高，通过分析扰动下工况的变化可进行管段越线、过载等问题判断，进一步提高了系统的安全性和稳定性，同时，动态仿真可提高多能协同调度的精细度，增强能源子系统间在强耦合场景下的能量交互，充分发挥IES能源互补、梯级利用的优势，提高系统的新能源消纳能力与用户体验度。
综合能源系统动态仿真中的时空步长决定求解的精度与速度，若步长选择过大，会使各能源网络的工况变化描绘不够精细，仿真无法精确刻画出热网水温、气网气压的动态变化过程，热网热损、热延时计算和气网管段状态参数描绘也会出现较大误差，同时系统内参数交互时，步长过大也会影响插值精度，降低了动态仿真的精确性。若所选仿真步长过小，则会使得方程组维数大大增加，热网在迭代求解时会由于需迭代的参数维数上升导致结果收敛困难，迭代次数、迭代时间大大提高，对于气网，网络维数提高会大幅提高求解器的求解规模，导致网络参数规划求解缓慢，因此降低仿真步长会使得整个系统动态仿真计算时间过长，丧失实时性，因此，我们提出一种综合能源系统变步长动态仿真方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种综合能源系统变步长动态仿真方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种综合能源系统动态仿真的变步长方法，包括以下步骤：
步骤1.建立电、气、热能源网络模型与设备模型；
步骤2.建立综合能源系统模型，并将模型划分为不同的能源网络、设备模块；
步骤3.获取系统参数、系统常规态负荷、系统故障情况，根据动态特性差异选择不同的时间尺度对单一能源网络进行迭代求解，建立基于插值法的参数传递机制实现模块间的交互。
作为本发明进一步的方案，所述步骤3中，所述动态特性差异分为扰动和非扰动情况，基于扰动下采用小时间尺度仿真，基于非扰动下采用大时间尺度仿真。
作为本发明进一步的方案，所述在步骤3中，基于插值法的模块间参数交互方法，
在参数输入模型后，若模型仿真时间步长小于1s，通过插值的方法求出各时刻的瞬时值；
若仿真步长大于1s，对于热网等存在功率积累的模型，可取仿真时长内输入量的平均值；
对于电网等瞬态变化的模型，可直接取该时刻的瞬时值，将输入量的时间间隔从1s变为ΔT，在模型输出参数前，采用插值的方法将参数的时间步长由变ΔT为1s。
作为本发明进一步的方案，基于大步长仿真，包括以下步骤：
步骤1：建立综合能源系统模型，输入仿真时长、负荷等参数；
步骤2：记录当前仿真时间，检测到当前时刻是否存在扰动，若否则采用常规态大步长仿真；
步骤3：在单一模块内将仿真步长设为常规步长，进行计算；
步骤4：更新仿真时间，检测当前仿真时间是否达到总仿真时长，若否，
返回步骤2，重新检测是否存在扰动，若是则仿真结束。
作为本发明进一步的方案，扰动下采用小步长仿真，包括以下步骤：
步骤1：建立综合能源系统模型，输入仿真时长、负荷等参数；
步骤2：记录当前仿真时间，检测当前时刻是否存在扰动，若是则采用故障态小步长仿真；
步骤3：在单一模块内以1s为仿真步长，进行计算；
步骤4：更新仿真时间，检测扰动是否结束，若未结束，返回步骤2，若结束则检测仿真时间是否达到总仿真时长，若否，则返回步骤2，若是则仿真结束。
作为本发明进一步的方案，系统扰动前检测到故障临近时便降低仿真步长，在当前时间的一个大时间步长内存在扰动但当前还未出现扰动时，便降低仿真步长直到扰动结束。
本发明的有益效果：本发明提出了一种综合能源系统变步长动态仿真的方法，通过改变仿真中扰动前后的步长，在提高整体仿真速度，降低仿真用时的同时，提高了故障下求解精度、降低了该时间段模块参数传递的精度损失，可为综合能源系统的运行安全分析提供实时保障；
通过插值改变模块输入和输出参数的时间尺度保证了系统模块间参数交互的顺利进行，从而可以获取更加精确的管网、设备信息。
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，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为变步长仿真流程图；
图2为模块间插值法实现参数交互示意图；
图3为本发明实施例的结构图；
图4为本发明实施例中28号热源节点供回水温度变化图；
图5为本发明实施例中27号热源节点的供回水温度变化；
图6为本发明实施例中11号负荷节点的供回水温度变化；
图7为本发明实施例中发电机功率变化图；
图8为本发明实施例中故障前气网节点气压变化图；
图9为本发明实施例中故障中气网节点气压变化图；
图10为本发明实施例中故障后气网节点气压变化图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，在本实施例中，存在热网，气网和电网三种能源网络以及燃气锅炉、蒸汽轮机、电锅炉等多种能量耦合设备，各能源网络、设备参数对本发明所提出的方法不构成实质性影响，故在此不再赘述。在实施例中共仿真时长6000s，假设由于故障问题，热网某一各节点散热器故障，无法正常工作，在2000-2600s失去热负荷，此时使用综合能源系统变步长动态仿真方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤1：搭建综合能源系统；
步骤2：输入热网节点、管道参数，确定常规态的负荷与故障节点、时刻、时长；
步骤3：重置当前仿真时间为t＝0，输入总仿真时长T＝6000s；
步骤4：输入常规态仿真时空步长ΔT＝4s、Δh＝5m；
步骤5：检测当前时间的一个大步长内是否存在扰动，若存在则进行步骤6，若不存在则进行步骤9；
步骤6：以1s为仿真步长进行仿真；
步骤7：更新热网各个参数和当前仿真时间；
步骤8：检测扰动是否结束，若未结束即当前时间小于仿真结束时间，则进行步骤6；若大于仿真结束时间，则进行步骤11；
步骤9：以4s为仿真步长进行仿真；
步骤10：更新系统参数和当前仿真时间；
步骤11：检测当前仿真时间t是否小于总仿真时长T,若小于，则返回步骤5，反之则进入下一步；
步骤12：热网模块单次仿真结束，根据需求将参数由5s的时间尺度通过插值法转化至1s的时间尺度后，将热功率传递至电锅炉和汽水换热器。
步骤13：对电锅炉和汽水换热器等设备进行仿真后，将电负荷传递至电网；
步骤15：输入电网发电、负荷、管线等参数与热网故障的时刻；
步骤16：重置当前仿真时间为t＝0，输入总仿真时长T＝6000s；
步骤17：输入电网常规态仿真时间步长ΔT＝750s；
步骤18：检测当前时间的一个大步长内是否到达扰动时间，若到达则采用小步长仿真，进行步骤19，若未达到则进行步骤22；
步骤19：以1s为仿真步长进行仿真；
步骤20：更新系统参数和当前仿真时间；
步骤21：检测是否超出扰动时间，若未超出即当前时间小于仿真结束时间，则进行步骤19；若大于仿真结束时间，则进行步骤24
步骤22：以ΔT为仿真步长进行仿真；
步骤23：更新系统参数和当前仿真时间；
步骤24：检测当前仿真时间t是否小于总仿真时长T,若小于，则返回步骤18，反之则进入下一步；
步骤25：电网模块单次仿真结束，根据需求将参数由750s的时间尺度通过插值法转化至.1s.的时间尺度后，将发电功率传递至发电机。
步骤26：对发电机、蒸汽轮机进行仿真，得到蒸汽轮机的输出蒸汽量；
步骤27：对蒸汽轮机进行仿真，得到蒸汽轮机的输入燃气量；
步骤28：输入气网管道参数与热网故障的时刻；
步骤29：重置当前仿真时间为t＝0，输入总仿真时长T＝6000s；
步骤30：输入气网常规态仿真时间步长ΔT＝40s，空间步长h＝1000m；
步骤31：检测当前时间的一个大步长内是否到达扰动时间，若到达则采用小步长仿真，进行步骤32，若未达到则进行步骤35；
步骤32：以1s为仿真步长进行仿真；
步骤33：更新系统参数和当前仿真时间；
步骤34：检测扰动是否结束，若未结束即当前时间小于仿真结束时间，则进行步骤32；若大于仿真结束时间，则进行步骤37
步骤35：以ΔT为仿真步长进行仿真；
步骤36：更新系统参数和当前仿真时间；
步骤37：检测当前仿真时间t是否小于总仿真时长T,若小于，则返回步骤31，反之则仿真结束，由此可得到各管网最终的动态能流结果。
本实施例的仿真总时长为6000s，热网常规态时空步长4s/5m，电网常规时间仿真时间步长750s，气网常规时间时空步长40s/1000m，仿真结果如图4至图7所示。实施例仿真时长1141s，图4为28号热源节点的供回水温度变化，由于28号节点距离故障节点较远，回水温度不会受到影响，故障期间温度变化不明显。图5为27号热源节点的供回水温度变化，27号节点的供水温度受PI控制器控制，扰动场景下也可保持供热温度恒定，因此热源节点出水温度恒定，由于节点11出现散热器故障，短暂失去负荷回水温度上升，因此27号节点的回水温度也出现一定上升。图6为11号故障节点的供回水温度变化图，由于热源供热温度恒定，因此11号节点回水温度在故障期间大幅上升。
图7为发电机功率变化情况，由于故障中热源供热负担小，电网电负荷减小发电机发电功率在故障期间下降，故障结束后恢复正常。图8为故障前气网五个节点气压变化，图9为故障中气网五个节点气压变化，图10为故障后气网五个节点气压变化，由于故障期间发电机功率下降，需求蒸汽量降低，使得燃气锅炉负荷下降，气负荷下降，所以故障期间气压存在小幅下降，故障结束再次上升，且故障中由于仿真步长小，所以压强波动明显，刻画精确，常规态期间求解速度快，求解用时远小于故障态求解用时。
综合能源系统动态仿真的变步长方法将能源系统划分模块，特定模块迭代求解后传递参数至下一模块，遍历整个系统各个模块。在对各个模块进行求解时，由于动态特性差异巨大，采用截然不同的时间尺度，通过插值法实现模块间的交互。对于单个模块，在系统未遇到扰动时，状态参数平稳，采用常规态仿真方法保证在对精度要求不高情况下的仿真时长，遇到扰动后故障态仿真方法保证此时的仿真精度，为避免突降步长对仿真带来数值上的不利影响，采用仿真步长的过渡方法保证故障后的求解稳定。
对于本领域技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。因此，从任意一处来说，都应将实施例看作是指导性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种综合能源系统变步长动态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.建立电、气、热能源网络模型与设备模型；
步骤2.建立综合能源系统模型，并将模型划分为不同的能源网络、设备模块；
步骤3.获取系统参数、系统常规态负荷、系统故障情况，根据动态特性差异选择不同的时间尺度对单一能源网络进行迭代求解，建立基于插值法的参数传递机制实现模块间的交互。
2.根据权利1要求所述的一种综合能源系统变步长动态仿真方法，其特征在于，所述步骤3中，所述动态特性差异分为扰动和非扰动情况，基于扰动下采用小时间尺度仿真，基于非扰动下采用大时间尺度仿真。
3.根据权利2要求所述的一种综合能源系统变步长动态仿真方法，其特征在于，所述在步骤3中，基于插值法的模块间参数交互方法具体包括以下步骤：
在参数输入模型后，若模型仿真时间步长小于1s，通过插值的方法求出各时刻的瞬时值；
若仿真步长大于1s，对于热网等存在功率积累的模型，可取仿真时长内输入量的平均值；
对于电网等瞬态变化的模型，可直接取该时刻的瞬时值，将输入量的时间间隔从1s变为ΔT，在模型输出参数前，采用插值的方法将参数的时间步长由变ΔT为1s。
4.根据权利3要求所述的一种综合能源系统变步长动态仿真方法，其特征在于，基于大步长仿真，包括以下步骤：
步骤1：建立综合能源系统模型，输入仿真时长、负荷等参数；
步骤2：记录当前仿真时间，检测到当前时刻是否存在扰动，若否则采用常规态大步长仿真；
步骤3：在单一模块内将仿真步长设为常规步长，进行计算；
步骤4：更新仿真时间，检测当前仿真时间是否达到总仿真时长，若否，返回步骤2，重新检测是否存在扰动，若是则仿真结束。
5.根据权利3要求所述的一种综合能源系统变步长动态仿真方法，其特征在于，扰动下采用小步长仿真，包括以下步骤：
步骤1：建立综合能源系统模型，输入仿真时长、负荷等参数；
步骤2：记录当前仿真时间，检测当前时刻是否存在扰动，若是则采用故障态小步长仿真；
步骤3：在单一模块内以1s为仿真步长，进行计算；
步骤4：更新仿真时间，检测扰动是否结束，若未结束，返回步骤2，若结束则检测仿真时间是否达到总仿真时长，若否，则返回步骤2，若是则仿真结束。
6.根据权利3要求所述的一种综合能源系统变步长动态仿真方法，其特征在于，系统扰动前检测到故障临近时便降低仿真步长，在当前时间的一个大时间步长内存在扰动但当前还未出现扰动时，便降低仿真步长直到扰动结束。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114818274A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-07-29 | 东南大学 | 一种综合能源系统变步长动态仿真的方法 |
| CN114706326A (zh) * | 2022-06-08 | 2022-07-05 | 中国汽车技术研究中心有限公司 | 整车能量管理实时仿真方法和系统 |
| CN114706326B (zh) * | 2022-06-08 | 2022-09-16 | 中国汽车技术研究中心有限公司 | 整车能量管理实时仿真方法和系统 |
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