CN113706094B - 一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统及方法。系统包括：多个与能流系统对应的能流仿真系统、消息总线，以及与能流系统之间耦合设备对应的耦合设备模型；将物理过程变化快的能流系统对应的能流仿真系统作为快速仿真系统，其他能流仿真系统作为慢速仿真系统；耦合设备模型放在快速仿真系统中，在实时协同仿真步长内，由快速仿真系统仿真启动所有慢速仿真系统的仿真，仿真过程中各能流仿真系统通过消息总线进行数据交互，交互的数据包括边界耦合变量值和仿真结果。本发明中耦合设备放置在快速仿真系统中建模仿真，仿真过程中各能流仿真系统通过消息总线进行数据交互，实现各能流仿真系统协同仿真。

Description

一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统及方法
技术领域
本发明属于综合能源系统自动化控制技术领域，具体涉及一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统，还涉及一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真方法。
背景技术
综合能源系统由电力网络、热力网络、天然气网络以及交通网络等构成，是一个复杂的“系统之系统”，又称为多能流系统。传统上，对各能源子系统的仿真分析都是独立进行的，但这存在两方面的问题：首先，从优化运行的角度，不能建立多能流综合优化目标，不能考虑其他能源子系统的内部约束，从而不能建立整个系统完整、准确的可行域；其次，从安全运行的角度，不能准确模拟各子系统之间的动态交互和风险传播过程。为解决上述问题，需要发展综合能源系统仿真系统。
综合能源系统仿真系统的建设路线可以分为整体仿真法和协同仿真法。前者指建立多能流系统的集成化模型并进行仿真计算，后者则通过多个仿真系统的协作实现系统在环仿真。
协同仿真的方法的优点在于：在电、热、气等领域内，已有很多成熟的仿真软件和平台且提供编程接口；现实中，各能流子系统之间耦合较弱；各能流系统在物理特征和响应时间上存在很大差异。
当前协同仿真技术主要以离线仿真为主，很少有实时仿真，仍以电力系统为主，很少涉及综合能源系统实时协同仿真。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真方法，由快速仿真系统仿真启动所有慢速仿真系统的仿真，仿真过程中各能流仿真系统通过消息总线进行数据交互，实现各能流仿真系统协同仿真。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下。
第一方面，本发明提供了一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统，包括：多个与能流系统对应的能流仿真系统、消息总线，以及与能流系统之间耦合设备对应的耦合设备模型；各所述能流仿真系统分别与所述消息总线连接；
将多个所述能流仿真系统中物理过程变化快的能流系统对应的能流仿真系统作为快速仿真系统，其他能流仿真系统作为慢速仿真系统；
所述耦合设备模型放在快速仿真系统中；
在实时协同仿真步长内，由快速仿真系统仿真启动所有慢速仿真系统的仿真，仿真过程中各能流仿真系统通过消息总线进行数据交互，交互的数据包括边界耦合变量值和仿真结果。
可选地，所述各能流仿真系统与消息总线之间通过发布订阅模式进行数据交互。
可选地，所述实时协同仿真步长为各能流仿真系统仿真步长的最小公倍数。
可选地，所述能流仿真系统包括电能仿真系统、气能仿真系统、冷能仿真系统和热能仿真系统的任意两个或多个组合。
可选地，所述热能仿真系统作为快速仿真系统，所述气能仿真系统、冷能仿真系统和热能仿真系统作为慢速仿真系统。
可选地，所述能流仿真系统通过适配器连接消息总线。
第二方面，基于上述系统，本发明还提供了一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真方法，包括以下过程：
在实时协同仿真步长时刻，快速仿真系统采用提前接收到的上一步边界耦合变量值开始仿真，并将上一步长的仿真结果发送给消息总线；
各慢速仿真系统接收到消息总线发送的此实时协同仿真步长所需的边界耦合变量值后开始仿真，并将仿真结果发送给消息总线；所述此实时协同仿真步长所需的边界耦合变量值由消息总线从快速仿真系统和慢速仿真系统的上一步长的仿真结果中提取的；
待各慢速仿真系统均仿真结束后，快速仿真系统接收消息总线发送的下一实时协同仿真步所需的边界耦合变量值，所述下一实时协同仿真步长所需的边界耦合变量值由消息总线从各慢速仿真系统的仿真结果中提取的。
可选地，所述快速仿真系统和慢速仿真系统与消息总线之间通过发布订阅模式进行数据交互。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1）耦合设备放置在快速仿真系统中建模仿真，耦合设备电端口生成的瞬时值波形数据直接就地产生，无需由慢速仿真系统传输到快速仿真系统，无需进行从热功率值到电压电流瞬时值的数据类型转换，提高快速仿真系统仿真结果的准确度；
2）利用快速仿真系统时钟准确、时序稳定，慢速仿真系统仿真计算量小、仿真速度快的特征，每个协同仿真步长内，由快速仿真系统仿真启动所有慢速仿真系统的仿真；
3）利用下一个协同仿真交换时刻到来之前，当前协同仿真步长内所有慢速仿真系统仿真提前完成的特征，根据发布订阅关系，消息总线立即发送边界耦合变量值给快速仿真系统。提高快速仿真系统仿真结果的准确度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于消息总线的综合能源系统实时协同仿真系统功能框图；
图2为本发明实施例提供的综合能源系统实时协同仿真数据交换时序示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明利用协同仿真技术，可以继续利用已有成熟能流仿真系统，且可以充分利用能流系统间的弱耦合特征，优化仿真系统的整体性能。
本发明的一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统，参见图1所示，包括：多个与能流系统对应的能流仿真系统、消息总线；
与能流系统对应的各能流仿真系统之间的数据交互基于消息总线中间件方式，采用发布/订阅模式，各能流仿真系统在协同仿真步长内交换边界耦合变量和协同仿真结果数据，实时协同仿真步长一般取为各仿真系统仿真步长的最小公倍数。
能流仿真系统包括电能仿真系统、热能仿真系统、冷能仿真系统和气能仿真系统中任意组合，例如可以是电能仿真系统、热能仿真系统的组合，也可以是热能仿真系统和气能仿真系统的组合，也可以是电能仿真系统、热能仿真系统、冷能仿真系统和气能仿真系统的组合。本发明实施例中提供的实时协同仿真系统功能框图如图1所示，能流仿真系统包括电能仿真系统、热能仿真系统和气能仿真系统，各能流仿真系统通过适配器连接消息总线，适配器相当于一个接口，是能流仿真系统和消息总线之间数据交换的接口，适配器可以是软件，也可以是硬件。
仿真接口技术是实现协同仿真的关键技术，接口技术包含耦合设备等效建模、数据交换时序、数据类型转换等内容。
综合能源系统中，热/冷、气能等能流系统，由于其惯性较大，温度、气压、流速等物理过程（仿真变量）变化速度慢，其仿真步长至少为秒级，甚至分钟级；因此将热/冷、气能等能流系统对应的仿真系统简称为慢速仿真系统；而电能系统中电压、电流瞬时值等仿真变量变化速度快，其仿真步长一般为50us左右，将电能系统对应的仿真系统简称为快速仿真系统。各系统之间，通过燃气轮发电机、电锅炉、电制冷、燃气锅炉等耦合设备将各能流系统耦合在一起，例如把电能变成热能，把气能变成热能和电能。实时协同仿真过程中须将耦合设备模型进行等效建模。
耦合设备模型跨接多能流仿真系统，耦合设备模型的两端具有能流端口，通过能流端口和能流仿真系统相连接。耦合设备模型的各能流端口上不但数据变化速度差异大，而且数据类型差异大。建模过程中，对于电能系统和热能系统之间的耦合设备来说，如果将模型建在热能仿真系统中，因系统仿真步长大，模型电能端口上的仿真数据变化慢，带来端口波形特征丢失的问题，同时会产生热功率值和电压、电流瞬时值之间数据类型转换的问题。
在本发明实施例中，采用的技术方案是：如果耦合设备跨接的能流仿真系统中存在快速仿真系统，则将耦合设备模型放在快速系统中建模；如果耦合设备跨接的能流仿真系统中没有快速仿真系统，而只是连接在慢速仿真系统之间，则放在物理过程变化快的能流系统对应的慢速仿真系统中建模。
例如将耦合设备模型建立在电能仿真系统即快速仿真系统中，耦合设备模型的电能端口上电压电流瞬时值仿真数据就地产生，波形特征不会丢失，无需在系统之间快速传输，系统之间仅传输变化缓慢的热功率值，没有从热功率到电压电流瞬时值数据类型转换的问题。同时，热能仿真系统中，通过热量计算公式，将热功率值转换成温度和流速即可。
对于连接2个以上的能流系统之间的耦合设备模型，其处理过程类似，即将模型放置在快速仿真系统中建模仿真。
以电、热、气能流仿真系统为例，来说明数据交换时序的过程。须指出的是，电能实时仿真系统都是硬实时仿真系统如RTDS、RTLAB等，其时钟准确、时序稳定，气、热能实时仿真系统一般采用服务器，实时性不高。由此，可采用电能仿真系统在实时协同仿真步长时刻准时触发慢速仿真系统仿真，进而协同整个实时协同仿真系统的推进；同时，气热等慢速仿真系统每一步计算量小所消耗的机时也小，约为10ms数量级，和系统之间网络通讯延时相当，和至少秒级的实时协同仿真步长相比，比例很小。
综合能源系统实时协同仿真数据交换时序示意图如图2所示，图中Ein、Eout分别为电能仿真系统耦合边界变量的计算输入集合、协同仿真结果输出集合。Hin、Hout分别为热能仿真系统耦合边界变量的计算输入集合、协同仿真结果输出集合。Gin、Gout分别为气能仿真系统耦合边界变量的计算输入集合、协同仿真结果输出集合。
每个仿真系统按照各自的仿真步长进行仿真，在实时协同仿真步长内进行数据交互。仿真系统都要在仿真步长开始计算之前需要一些输入数据in（来自其他系统），每个步长计算结束之后，送出一些计算结果数据out（送到其他系统）；数据流向是由消息总线的发布订阅关系确定的。对于一个仿真子系统来说，每个仿真步长开始之前，需要的数据来自不同的子系统，由此只有等到各子系统当前步长仿真结束之后，从不同子系统输出的数据集合当中，把送给某个子系统的数据抽取出来，重新组合，再作为in数据，发送给这个子系统。
基于上述系统的综合能源实时协同仿真方法，以第n+1步内协同仿真过程为例，参见图2所示，说明数据交换时序过程如下：
①第n+1步协同仿真步长开始时刻，即(n+1)*△T时刻，△T为实时协同仿真步长，快速仿真系统采用提前接收到的边界耦合变量值Ein(n)，开始第n+1步协同仿真，并将上一协同仿真步长内协同仿真结果Eout(n)发送给消息总线。
②消息总线收到仿真结果Eout(n)后，根据发布订阅关系，从上一步即第n步接收的协同仿真结果Eout(n)、Hout(n)和Gout(n)中，提取慢速仿真系统第n+1步边界耦合变量输入值Hin(n)和Gin(n)。
③各慢速仿真系统收到边界耦合变量Hin(n)和Gin(n)输入值后，开始执行本系统第n+1步协同仿真，并发送当前协同仿真结果Hout(n+1)和Gout(n+1)给消息总线。
④各慢速仿真系统均仿真结束后，消息总线根据发布订阅关系，从慢速仿真系统协同仿真结果Hout(n+1)和Gout(n+1)中提取快速仿真系统下一步即第n+2步所需的边界耦合变量值Ein(n+1)，并立即发送给快速仿真系统。
⑤快速仿真系统接收到Ein(n+1)后，并不立马启用，要等到下一个实时协同仿真步长（第n+2步）开始后才启用，即(n+2)*△T时刻启用。
注意，每个能流系统中可能不止1个耦合设备，由此Ein/Eout、Hin/Hout、Gin/Gout为各仿真系统多个边界变量值的集合。
Eout(n+1)是电能仿真系统在本协同仿真步长的协同仿真结果（只有第n+1步协同仿真步长时间到了，结果才会计算出来，所以以上描述中没有涉及），这个Eout(n+1)结果是要给第n+2步协同仿真使用的（即下一个循环使用的）。
本技术方案的优点是：
1）耦合设备放置在快速仿真系统中建模仿真，耦合设备电端口生成的瞬时值波形数据直接就地产生，无需由慢速仿真系统传输到快速仿真系统，无需进行从热功率值到电压电流瞬时值的数据类型转换。提高快速仿真系统仿真结果的准确度。
2）利用快速仿真系统时钟准确、时序稳定，慢速仿真系统仿真计算量小、仿真速度快的特征，每个协同仿真步长内，由快速仿真系统仿真启动所有慢速仿真系统的仿真。
3）利用下一个协同仿真交换时刻到来之前，当前协同仿真步长内所有慢速仿真系统仿真提前完成的特征，根据发布订阅关系，消息总线立即发送边界耦合变量值给快速仿真系统。提高快速仿真系统仿真结果的准确度。
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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统，其特征在于，包括：多个与能流系统对应的能流仿真系统、消息总线，以及与能流系统之间耦合设备对应的耦合设备模型；各所述能流仿真系统分别与所述消息总线连接；
将多个所述能流仿真系统中物理过程变化快的能流系统对应的能流仿真系统作为快速仿真系统，其他能流仿真系统作为慢速仿真系统；
所述耦合设备模型放在快速仿真系统中；
在实时协同仿真步长内，由快速仿真系统仿真启动所有慢速仿真系统的仿真，仿真过程中各能流仿真系统通过消息总线进行数据交互，交互的数据包括边界耦合变量值和仿真结果；
所述各能流仿真系统与消息总线之间通过发布订阅模式进行数据交互；
所述系统的一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真方法，包括以下过程：
在实时协同仿真步长时刻，快速仿真系统采用提前接收到的上一步边界耦合变量值开始仿真，并将上一步长的仿真结果发送给消息总线；
各慢速仿真系统接收到消息总线发送的此实时协同仿真步长所需的边界耦合变量值后开始仿真，并将仿真结果发送给消息总线；所述此实时协同仿真步长所需的边界耦合变量值由消息总线从快速仿真系统和慢速仿真系统的上一步长的仿真结果中提取的；
待各慢速仿真系统均仿真结束后，快速仿真系统接收消息总线发送的下一实时协同仿真步所需的边界耦合变量值，所述下一实时协同仿真步长所需的边界耦合变量值由消息总线从各慢速仿真系统的仿真结果中提取的。
2.根据权利要求1所述的一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统，其特征在于，所述实时协同仿真步长为各能流仿真系统仿真步长的最小公倍数。
3.根据权利要求1所述的一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统，其特征在于，所述能流仿真系统包括电能仿真系统、气能仿真系统、冷能仿真系统和热能仿真系统的任意两个或多个组合。
4.根据权利要求3所述的一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统，其特征在于，所述电能仿真系统作为快速仿真系统，所述气能仿真系统、冷能仿真系统和热能仿真系统作为慢速仿真系统。
5.根据权利要求1所述的一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统，其特征在于，所述能流仿真系统通过适配器连接消息总线。
6.根据权利要求1所述的一种基于消息总线的综合能源实时协同仿真系统，其特征在于，所述快速仿真系统和慢速仿真系统与消息总线之间通过发布订阅模式进行数据交互。
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