CN113887051A - 基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法、装置、综合能源系统和计算机可读存储介质 - Google Patents

基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法、装置、综合能源系统和计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供了一种基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法、装置、综合能源系统和计算机可读存储介质，涉及能源系统技术领域。基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法包括：构建层次解耦模型；利用层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统；系统层次计算收敛。该方法基于层次解耦模型，顺序求解各个能源子系统，单次计算的矩阵规模减小，避免将整个系统联立求解，仿真效率和稳定性更好。

Description

基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法、装置、综合能源 系统和计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及能源系统技术领域，具体而言，涉及一种基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法、装置、综合能源系统和计算机可读存储介质。
背景技术
在该综合能源系统中，包含锅炉、离心泵、水罐、阀门、换热器等设备，负荷包括采暖负荷和热水负荷，同时系统与外部电网连接，负责向离心泵提供电能。热源包括两个燃气锅炉，水力管网采用常见的“质调节”模式，管网中水的流量主要由泵的转速和阀门开度决定，蓄热水罐在源荷不平衡或价差较大时具备调峰作用。
目前综合能源能量流的仿真计算主要有两类：统一求解法和顺序求解法。统一求解法的主要不足有：由于不同能源系统物理特性、参数量级差异大，在算法求解方面要求较高，整体仿真效率不高，仿真计算鲁棒性不高；并且各能源系统之间实际上仅存在弱耦合，大多数统一能量流计算主要考虑不同系统的能量功率平衡，而忽视了热力系统中的动量平衡，难以反映系统真实特点；目前大多数统一求解方法针对特定场景，缺乏整体架构设计，方法的可扩展性与通用性较差。顺序求解法则采用解耦的思想，直到耦合状态给定值的变化小于给定阈值后达到整体收敛。
发明内容
本发明的目的包括提供一种基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法、装置、综合能源系统和计算机可读存储介质，其能够在系统解耦后先判定各个能源子系统的求解顺序，按照层次化结构顺序判定求解顺序，避免将整个系统联立求解，仿真效率和稳定性更好。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法，基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法包括：
构建层次解耦模型；
利用层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统；
系统层次计算收敛。
在可选的实施方式中，构建层次解耦模型的步骤包括：
对综合能源系统进行建模，能量耦合元件将综合能源系统拆分成不同的子系统，子系统间相互连接构成一个具有层次结构的模型。
在可选的实施方式中，利用层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统的步骤包括：
利用拓扑排序算法，判定各能源子系统的求解顺序。
在可选的实施方式中，利用层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统的步骤包括：
进行水热力子系统计算；
进行直流电力子系统计算；
进行交流电力子系统计算。
在可选的实施方式中，进行水热力子系统计算的步骤包括：
初始化水力系统的水力参数；
将水力参数代入热力方程实现线性化，并进行热力求解，直至水热力收敛。
在可选的实施方式中，将水力参数代入热力方程实现线性化，直至水热力收敛的步骤包括：
对于不可压缩流体，进行热力求解后，则判定水热力收敛；
对于可压缩流体，联合气体状体方程和水力方程进行求解，热力计算得到的温度与水热力子系统计算中预设的温度一致，则判定水热力收敛。
在可选的实施方式中，水热力子系统包括处于第四层次的吸收式制冷机下游的第二冷子系统、处于第四层次的吸收式制冷机上游的第二热子系统、处于第三层次的第一热子系统和第一冷子系统，进行水热力子系统计算的步骤包括：
进行第二冷子系统的计算；
进行第二热子系统的计算；
对第一热子系统和第一冷子系统采用串行计算或并行计算。
第二方面，本发明提供一种基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置，基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置包括：
建模模块，用于构建层次解耦模型；
求解模块，利用层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统，直到系统层次计算收敛，计算结束。
第三方面，本发明提供一种综合能源系统，综合能源系统包括前述实施方式的基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机可读存储介质被处理器执行时实现如前述实施方式任一项的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法。
本发明实施例提供的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法、装置、综合能源系统和计算机可读存储介质的有益效果包括：
1.该方法基于层次解耦模型，顺序求解各个能源子系统，单次计算的矩阵规模减小，避免将整个系统联立求解，仿真效率和稳定性更好；
2.层次解耦后，计算稳定性提升，收敛性更好；
3.相同层次的子系统天然具备并行条件，可进行加速求解，提升效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的综合能源系统的组成框图；
图2为本发明实施例提供的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法的流程框图；
图3为图2中S2的具体流程图；
图4为综合能源系统的层次示意图；
图5为本发明实施例提供的基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置的组成框图。
图标：1-综合能源系统；2-第一热子系统；3-第二热子系统；4-第一冷子系统；5-第二冷子系统；6-直流电力子系统；7-交流电力子系统；8-基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置；81-建模模块；82-求解模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
一般综合能源系统的解耦求解中，解耦后在各自的求解器中求解迭代，较少关注求解顺序。本发明实施例中，在系统解耦后，先判定各个能源子系统的求解顺序，按照层次化结构顺序判定求解顺序，避免将整个系统联立求解，仿真效率和稳定性更好。具体技术方案，见下文。
请参考图1，本实施例提供了一种综合能源系统1，综合能源系统1包括水热力子系统、直流电力子系统6、交流电力子系统7和基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置8。其中，水热力子系统包括第一热子系统2、第二热子系统3、第一冷子系统4和第二冷子系统5。
直流电力子系统6与交流电力子系统7、第一热子系统2、第二热子系统3、第一冷子系统4连接，第二热子系统3与第二冷子系统5连接，综合能源系统仿真计算装置8与直流电力子系统6、交流电力子系统7、第一热子系统2、第二热子系统3、第一冷子系统4、第二冷子系统5连接。综合能源系统仿真计算装置8用于对各个子系统进行仿真计算。
请参阅图2，本实施例还提供一种基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法，该方法包括以下步骤：
S1：构建层次解耦模型。
具体的，对综合能源系统进行建模，能量耦合元件将综合能源系统1拆分成不同的子系统，子系统间相互连接构成一个具有层次结构的模型。
S2：利用层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统。
具体的，利用层次解耦模型，顺序求解各个能源子系统。对水热力子系统则从“质调节”的思路出发，先计算水力系统，假设水力参数保持不变，此时热力系统模型则是线性化的，再计算热力系统，并泛化至通用的综合能源系统中，扩展性与适应性好。
具体的，利用拓扑排序算法，判定各能源子系统的求解顺序。请参阅图3，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统，逐层计算步骤如下：
S21：进行水力系统计算，初始化水力系统的水力参数。其中，水力参数包括阀门开度和泵的转速。水力系统的计算完成后，将质量等水力参数带入热力方程中将实现线性化，并进行热力求解，直至水热力收敛。
S22：对不可压缩流体进行热力求解。
具体的，对于不可压缩流体，例如水，其密度变化很小，可认为在管网中密度不变，在对不可压缩流体进行热力求解后，则执行S25：进行直流电力子系统计算。
S23：对可压缩流体进行热力求解。
具体的，对于密度受温度影响较大的可压缩流体，例如烟气、蒸汽等，需要预设一个温度，联合气体状体方程和水力方程进行求解。
在S23之后，则执行S24：判断水热力是否收敛。
具体的，在S23的求解结果中，在热力计算得到的温度与水热力子系统计算中预设的温度一致的情况下，则判定水热力收敛，接着执行S25：进行直流电力子系统计算。
在热力计算得到的温度与水热力子系统计算中预设的温度不一致的情况下，则判定水热力未收敛，接着返回执行S21。
S26：进行交流电力子系统计算。
这样，直到系统层次计算收敛，计算结束。
以图1提供的综合能源系统为例，由于系统中有模块化多电平换流器MMC、热泵、离心泵和溴化锂吸收式制冷机等能量耦合元件，将系统划分成不同的能源子系统，建立层次化模型来描述该综合能源系统，如图4所示。
根据图4所示的层次结果，水热力子系统包括处于第四层次的吸收式制冷机下游的第二冷子系统5、处于第四层次的吸收式制冷机上游的第二热子系统3、处于第三层次的第一热子系统2和第一冷子系统4。
首先判定各子系统的求解顺序，先计算最低第四层次的吸收式制冷机下游的第二冷子系统5；再计算第三层次的吸收式制冷机上游的第二热子系统3；对于同样处于第三层次的第一热子系统2和第一冷子系统4，可以采用串行求解，也可以采用并行加速计算；最后逐层计算直流电力子系统6和交流电力子系统7。其中，在冷热系统的计算中，采用了水热力解耦的求解方法，其稳定性更好。
请参阅图5，本实施例还提供一种基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置8，包括：
建模模块81，用于执行S1：构建层次解耦模型；
求解模块82，用于执行S2：利用层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统。并且，直到系统层次计算收敛，计算结束。
具体的，本实施例提供的基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置8主要用于执行上述基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法，其各个模块的功能可参照上述实施例。
另外，在本实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机可读存储介质被处理器执行时实现上述基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法。
计算机可读存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本实施例提供的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法、装置、综合能源系统和计算机可读存储介质的有益效果包括：
1.将综合能源系统拆分成子系统后，构建层次化结构模型，容易判定求解顺序，单次计算的矩阵规模减小，方法通用普适，仿真效率和稳定性更好；
2.层次解耦后，计算稳定性提升，收敛性更好；
3.相同层次的子系统天然具备并行条件，可进行加速求解；
4.将流体水热力计算解耦，先计算水力再计算热力，热力计算对水力计算的影响较小，与物理实际相符，且计算效率和稳定性更好；
5.针对不同类型流体，提出了包含可压缩流体的水热力通用解耦方法，方法具有通用性与普适性；
6.阀门、泵等实际控制流量的设备可进行精细化建模，且可以十分方便地接入控制系统以及运行优化等，符合物理实际。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法，其特征在于，所述基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法包括：
构建层次解耦模型；
利用所述层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统；
系统层次计算收敛。
2.根据权利要求1所述的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法，其特征在于，所述构建层次解耦模型的步骤包括：
对综合能源系统进行建模，能量耦合元件将所述综合能源系统拆分成不同的子系统，所述子系统间相互连接构成一个具有层次结构的模型。
3.根据权利要求1所述的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法，其特征在于，所述利用所述层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统的步骤包括：
利用拓扑排序算法，判定各能源子系统的求解顺序。
4.根据权利要求1所述的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法，其特征在于，所述利用所述层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统的步骤包括：
进行水热力子系统计算；
进行直流电力子系统计算；
进行交流电力子系统计算。
5.根据权利要求4所述的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法，其特征在于，所述进行水热力子系统计算的步骤包括：
初始化水力系统的水力参数；
将所述水力参数代入热力方程实现线性化，并进行热力求解，直至水热力收敛。
6.根据权利要求5所述的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法，其特征在于，所述将所述水力参数代入热力方程实现线性化，直至水热力收敛的步骤包括：
对于不可压缩流体，进行热力求解后，则判定水热力收敛；
对于可压缩流体，联合气体状体方程和水力方程进行求解，热力计算得到的温度与所述水热力子系统计算中预设的温度一致，则判定水热力收敛。
7.根据权利要求4所述的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法，其特征在于，所述水热力子系统包括处于第四层次的吸收式制冷机下游的第二冷子系统、处于第四层次的吸收式制冷机上游的第二热子系统、处于第三层次的第一热子系统和第一冷子系统，所述进行水热力子系统计算的步骤包括：
进行所述第二冷子系统的计算；
进行所述第二热子系统的计算；
对所述第一热子系统和所述第一冷子系统采用串行计算或并行计算。
8.一种基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置，其特征在于，所述基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置包括：
建模模块(81)，用于构建层次解耦模型；
求解模块(82)，利用所述层次解耦模型，先求解低层次的能源子系统，再求解高层次的能源子系统，直到系统层次计算收敛，计算结束。
9.一种综合能源系统，其特征在于，所述综合能源系统包括权利要求8所述的基于层次模型的综合能源系统仿真计算装置。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机可读存储介质被处理器执行时实现如权利要求1～7任一项所述的基于层次模型的综合能源系统仿真计算方法。
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