基于扩展IEC 61970 CIM的园区蒸汽供热系统标准化建模

张少卿, 王 彬, 符 杨, 郭庆来, 盛同天, 孙宏斌

(1. 上海电力学院电气工程学院, 上海市 200090; 2. 清华大学电机工程与应用电子技术系, 北京市 100084)

0 引言

近年来,能源互联网成为能源领域发展的重要趋势之一,相较于传统能源系统,能源互联网有着多能互补、各类能源耦合更为紧密的特点[1-3]。在现阶段的能源系统中,仍存在多个管理主体,比如电力系统和热力系统分属不同的公司管理[4],这造成了电力系统和热力系统间的信息孤岛。为了更好地发挥能源互联网多能互补的优势,实现电力系统和热力系统联合潮流计算[5-6]、优化调度[7]、安全评估等功能[8],以及开发多能流能量管理系统(EMS),就需要打破电力系统和热力系统间的信息孤岛。本文以工业园区蒸汽供热系统为例,旨在研究工业园区综合能源控制中心和工业园区蒸汽供热系统间的信息交互问题。

在工业园区蒸汽供热系统中,供热网络遵循热力学和流体力学定律,涵盖热力和水力两大模型,主要变量有流量、压力、温度等[9-10]。文献[11-12]对热电联产机组的原理进行了描述,并建立了热电联产机组的数学模型。文献[13]详细地描述了减温减压装置的工作原理。文献[14]建立了蒸汽管道的水力模型和热力模型,并给出实际算例验证了模型的可行性。文献[15]给出了连续调节阀的水力模型,并详细分析了在流量变化的情况下,阀门流量特性对阀门控制能力的影响。在热力系统中,关于计算模型的研究已经十分成熟,但在用于信息交互的标准化信息模型方面的研究仍是空白。

国际电工委员会(IEC)组织制定的IEC 61970系列标准,在经过一系列的检验与发展后,已经成为电力系统信息交互标准化的基础[16]。文献[17]通过对公共信息模型(CIM)的扩展,增加了直流输电系统的模型,满足了直流输电系统运行控制的需要,并将交直流潮流计算嵌入EMS。文献[18]扩展了有源配电网系统的CIM,引入了配电网三相模型,设计算例并进行了CIM/可扩展标记语言(XML)的导出和导入对模型加以验证。文献[19-20]对原有的CIM进行扩展,建立了包括风电、光伏、燃料电池、储能的分布式发电系统模型,满足了微电网EMS的需要。这些研究进一步推动了电力系统信息交互标准化的发展。

由于热力系统运行管理模式较为粗放,信息化程度较低,故可借鉴电力系统信息交互标准化的成熟经验,采用面向对象的建模方法,扩展CIM实现对工业园区蒸汽供热系统的建模。本文在文献调研和多次深入的实地调研基础上,对工业园区蒸汽供热系统进行分析和研究,设计出工业园区蒸汽供热系统与工业园区综合能源控制中心信息交互所需要的类和类的属性。所扩展的类主要描述了四方面内容:①各个传热设备的连接拓扑模型;②工业园区蒸汽供热系统中的量测类型和量测量;③工业园区蒸汽供热系统中的典型设备和各个设备的运行外特性;④工业园区蒸汽供热系统的设备容器模型。

1 工业园区蒸汽供热系统总体建模方案

工业园区蒸汽供热系统是指工业供热系统中供热介质为水蒸汽,从热源处携带热量,依靠自身压力,经过蒸汽管道输送至热用户的系统。供热蒸汽能够满足多种生产工艺的用热需求,用户多为工业用户。典型的工业园区蒸汽供热系统如图1所示。

图1 典型工业园区蒸汽供热系统Fig.1 Typical steam heating system in industrial park

典型工业园区蒸汽供热系统供汽过程如下。

1)蒸汽的产生:首先热电联产机组提供蒸汽,蒸汽经过止回阀,通向供热蒸汽混合联箱进行混合,蒸汽混合后通往不同的供热支路,经过减温减压装置进行减温减压。

2)蒸汽的输送:降温降压后的蒸汽通过安全阀,正常情况下安全阀闭合,若减温减压装置故障,装置出口处蒸汽压力超过安全阀的动作设定值,则安全阀开启,部分蒸汽排空,保护了蒸汽管道。蒸汽管道中装有连续调节阀,能够通过改变阀门开合度,调节通过蒸汽管道的蒸汽流量。蒸汽经过蒸汽管道,输送到用户侧。

3)蒸汽的使用:用户侧装有止供阀,若欠费时,热力公司通过关闭止供阀停止对用户供汽,正常状态下,该阀门处于全开状态。输送到用户侧的蒸汽先进入储气罐,再经过减温减压装置,降温降压后蒸汽的温度、压力满足用户需求,可被使用。

2 工业园区蒸汽供热系统拓扑模型

在电力系统拓扑模型中,为了描述导电连接关系,设计了导电设备类、端点类和连接节点类。导电设备具有单个或多个端点,每个端点连接到一个连接节点,连接节点可以连接任意数目的端点,从而实现了导电设备的互联。连接节点可以是拓扑节点的成员,拓扑岛包含拓扑节点。拓扑节点和拓扑岛是根据拓扑处理结果建立的[21]。

类比于电力系统拓扑模型,建立了工业园区蒸汽供热系统拓扑模型,扩展的类见附录A表A1。图2是电力系统拓扑模型和工业园区蒸汽供热系统拓扑模型的CIM框图,描述了各个类之间的关系。

图2 拓扑模型CIM框图Fig.2 CIM block diagram of topology model

在电力系统中,拓扑处理是根据线路和开关的连接状态进行的;在工业园区蒸汽供热系统中,拓扑处理是根据管道和实际的阀门位置(指的是阀门开或合)进行的。

3 工业园区蒸汽供热系统量测模型

工业园区蒸汽供热系统的量测模型可以复用IEC 61970标准中的量测模型。工业园区蒸汽供热系统中主要的量测量有温度、压力、流量、阀门位置和阀门开合度。量测可以通过两种方式附着到设备上:①包含于一个PowerSystemResource类,即量测关联于具体的设备;②通过与传热设备的一个热端点关联。附录A图A1描绘了工业园区蒸汽供热系统量测模型的扩展部分。图1展示了放置传感器的典型位置和量测类型。工业园区蒸汽供热系统中量测关联方式如表1所示。

表1 工业园区蒸汽供热系统量测关联方式Table 1 Measurement correlation method of steam heating system in industrial park

在系统实际运行中,减温减压装置和蒸汽管道首端的温度、压力、流量和末端的温度、压力、流量不同,故推荐将温度、压力、流量这三种类型的量测关联到热端点上,将阀门位置关联到具体的阀门上,阀门开合度关联到连续调节阀门上。

4 工业园区蒸汽供热系统典型设备模型

4.1 热源侧典型设备

热源侧的典型设备主要有热电联产机组、供热蒸汽混合联箱和减温减压装置。

4.1.1热电联产机组

热电联产机组根据热电比是否可调可以分为两类:背压式和抽凝式。背压式热电联产机组将汽轮机中高温高压蒸汽做功后剩余的尾汽用以供热。抽凝式热电联产机组抽取部分高压缸中做功后的蒸汽用以供热,抽取蒸汽的位置灵活,可以是汽轮机高压缸出口处,也可以是汽轮机再热器出口处。抽凝式机组抽取供热蒸汽的流量可以调节,在机组燃料输入不变的情况下,机组输出供热蒸汽的流量和输出电功率呈反向一次函数关系。在Production包中扩展CogeneratingUnit类来描述热电联产机组,类属性的详细说明见附录A表A2。在Domian包中扩展FlowRate类来描述流量,流量指单位时间内传输蒸汽的质量。扩展OutputConditionCurve类来描述热电联产机组热出力和电出力的可行域,用以热电联合优化调度,详情可参考文献[22];在Domian包中扩展CogeneratingUnitType类来描述热电联产机组类型,该枚举类的属性定义见附录A表A3。

4.1.2供热蒸汽混合联箱

当供热机组多于一台时,应配备供热蒸汽混合联箱。不同热电联产机组供出的蒸汽在温度、压力上可能存在差异,所以蒸汽需要先通向供热蒸汽混合联箱进行混合,再以统一的温度、压力向减温减压装置输送。类似于电力系统中的母线。在Wires包中扩展SteamMixingBox类来描述供热蒸汽混合联箱,类属性的详细说明见附录A表A4。 属性maxPres体现了供热蒸汽混合联箱所允许的最高工作压力,当箱内蒸汽压力大于该值时,可能会对设备造成损伤,减少设备使用寿命,甚至造成安全事故。该属性可以为供热系统安全评估提供依据。

4.1.3减温减压装置

减温减压装置的简化原理见附录A图A2。减温减压装置中减温系统采用雾化喷嘴将高压减温水注入,雾化后的低温减温水与高温一次蒸汽混合,达到减温的目的。可以通过调节电动阀的阀门开合度来调节雾化减温水的流量,从而改变二次蒸汽的温度。减压系统则是通过改变电动阀的阀门开合度来达到不同的减压效果。在Wires包中扩展TemperatureAndPressureReducer类描述减温减压装置,该类属性的详细说明见附录A表A5。

一次蒸汽温度、压力过高会对设备造成损伤,为了保护减温减压装置的安全,通入的一次蒸汽温度、压力具有设计上限。在减温系统中,减温水的温度和压力都是不可调节的,不能通过改变减温水的温度改变二次蒸汽的温度。抽象出调节器的概念,可以通过调节器,改变二次蒸汽的温度、压力。在系统实际运行中,二次蒸汽的温度、压力会偏离设定值,在一定的范围内波动。扩展Regulator类描述调节器,该类属性的详细说明见附录A表A6。

4.2 热网侧典型设备

热网侧的设备主要有蒸汽管道和各式阀门。阀门从运行特性上主要可以分为两类:连续调节阀门和0-1阀门。

4.2.1蒸汽管道

蒸汽管道是传输供热蒸汽的重要设备。在对蒸汽管道建模时除了描述管道的物理特性,还要描述供热蒸汽在蒸汽管道中的传输特性。

1)蒸汽管道的水力模型

蒸汽在管道中传输的压力损失主要由两部分组成:①供热蒸汽在蒸汽管道中传输时,由于和蒸汽管道内壁摩擦,造成蒸汽压力下降,这部分损失称为沿程损失;②当蒸汽流过管道的三通、弯头、阀门等附件时,因为流动方向或流通面积的改变,也会造成压力下降,这部分损失称为局部损失[23-24]。

2)蒸汽管道的热力模型

蒸汽管道内层为工作钢管,外面包裹了多层保温层[14]。热量的传导过程如下:①首先供热蒸汽和钢管管壁对流换热;②热量在钢管和各保温层之间进行热传导;③管道外壁与外界进行对流换热。蒸汽管道实际敷设的方式不同,外界环境不同。如蒸汽管道的敷设方式为直埋时,外界环境为土壤[25]。

在Wires包中扩展SteamPipe类来描述蒸汽管道;扩展Insulation类描述蒸汽管道的保温层;扩展InsulationType类来描述蒸汽管道保温层的材料类型,各类属性的详细说明见附录A表A7。

在工业园区蒸汽供热系统实际运行中,管道内蒸汽的流量不能超过设定的限制,否则会对蒸汽管道产生损伤,甚至有可能出现安全事故,该属性用于供热系统安全评估。沿程阻力系数和局部阻力系数分别用于计算供热蒸汽在蒸汽管道中传输产生的沿程压损和局部压损;蒸汽管道的敷设方式、热传递系数和保温层的热传递系数、厚度用于计算供热蒸汽在蒸汽管道中传输产生的热量损失;上述属性提供了热力系统潮流计算所需的重要参数。在Domain包中扩展LayingType类来描述蒸汽管道的敷设方式,附录A表A8列出了该枚举类的属性定义。蒸汽管道在Wires包中的CIM框图见附录A图A3。

4.2.2连续调节阀门

连续调节阀门是指开合度可以连续调节,能够改变蒸汽管道中蒸汽流量、压力的阀门。连续调节阀门通过连接智能型电动执行器,实现开合度的连续可调(一般精度为1%)。因为在工业园区蒸汽供热系统的实际运行中,连续调节阀门不改变系统的拓扑关系,只改变蒸汽管道中传输蒸汽的流量和压力,所以连续调节阀门将作为管道的一部分进行建模。在Wires包中扩展FlowController类来描述管道中控制蒸汽流量的连续调节阀门,类属性的详细说明见附录A表A9。

在保持连续调节阀阀前后压力差不变的理想情况下,相对流量(阀门任意开合度下的流量与阀门全开时流量的比值)与相对开合度(阀门任意开合度与阀门全开时开合度的比值)有一定的函数关系[10]。在已知阀门相对开合度情况下,可以根据上述函数关系,计算出经过连续调节后供热蒸汽的流量。扩展FlowCharacterCurve类来描述连续调节阀门的理想流量特性。

4.2.30-1阀门

0-1阀门是指工作状态只有全开、全关两种情况,不能人为调整阀门开合度的阀门。0-1阀门从功能作用上主要可以分为以下四类。

1)安全阀:布置在减温减压装置末端和蒸汽管道首端之间,当蒸汽压力大于安全阀整定压力时,阀门动作,排出部分蒸汽以保护蒸汽管道,安全阀整定压力通常为二次蒸汽压力的1.1～1.2倍。

2)止回阀:当热电联产机组出现事故或紧急关闭时,止回阀能够迅速关闭,有效防止汽轮机尾部蒸汽和冷凝水倒灌,保护热电联产机组安全。

3)截止阀:用来隔断汽源,但关闭时间长。

4)止供阀:布置在热网末端,用户侧的入口处。止供阀采用预付费系统,一旦某用户断缴欠费,系统将自动发出指令将阀门关掉,停止对该用户供汽。该阀门平时运行在全开状态。

在Wires包中扩展Valve,SafetyValve,CheckValve类分别描述0-1阀门、安全阀和止回阀。各阀门类属性的详细说明见附录A表A10。在Domain包中扩展ValveType类来描述0-1阀门分类,附录A表A11 列出了该枚举类的属性定义。扩展EquivalentHeatLoad类来描述故障情况下安全阀打开时向空气中排出的蒸汽;该类继承于HeatTransferEquipment类。继承关系见附录A图A4。

4.3 热负荷侧典型设备

热负荷侧的典型设备有储汽罐、减温减压装置和热用户。由于储汽罐和减温减压装置的作用都是令供热蒸汽更好地满足热用户的生产工艺,可以将这两个设备合并建模成恒温恒压装置。

4.3.1恒温恒压装置

在工业园区蒸汽供热系统中,储气罐的主要作用有两点:①当热用户用汽量变化时,储气罐能够保证用户蒸汽压力稳定;②热用户是间歇性热负荷时,储气罐可以瞬间释放蒸汽。热负荷侧减温减压装置的作用是对蒸汽管道输送来的蒸汽进行减温减压,使减温减压后的蒸汽达到生产工艺的要求。将上述两设备合并建模成恒温恒压装置。在Wires包中扩展ConstantTemperatureAndPressureDevice来描述恒温恒压装置,该类详细属性见附录A表A12。

4.3.2热用户

蒸汽供热系统中的热用户多为工业用户,不同用户所需蒸汽的温度、压力不同。在Wires包中扩展HeatConsumer类描述热用户,HeatConsumer类的具体属性见附录A表A13。由于工业用户生产工艺的需要,终端供热蒸汽的温度和压力必须在一定范围内。

4.4 工业园区蒸汽供热系统设备容器模型

为了更好地实现对工业园区蒸汽供热系统的监测与控制,在Core包中扩展SteamPressureLevel类来描述同一蒸汽压力等级下的设备集合。该类属性的详细说明见附录A表A14。SteamPressureLevel类主要定义了蒸汽压力上、下限,可以根据限值识别部分故障设备,如减温减压装置故障导致二次蒸汽压力过高;蒸汽管道泄漏导致管道内蒸汽压力过低等。为提供可供参考的工业园区蒸汽供热系统基准压力值,在Core包中扩展BaseSteamPressure类,该类属性的详细说明见附录A表A15。一台减温减压装置可连接两个不同的蒸汽压力等级,园区中可能有多台减温减压装置,可扩展DecompressionStation类来包含多个蒸汽压力等级,工业园区蒸汽供热系统设备容器模型的CIM框图见附录A图A5。

4.5 蒸汽供热系统设备关系图

本文从热源侧、热网侧、热负荷侧三个方面描述了工业园区蒸汽供热系统的典型设备,工业园区蒸汽供热系统设备关系图如图3所示。

图3 工业园区蒸汽供热系统设备CIM框图Fig.3 CIM block diagram of equipment for steam heating system in industrial park

5 算例分析

本文以某实际热电厂改造后的工业园区蒸汽供热系统为例。工业园区蒸汽供热系统和输电系统的连接关系如图4所示。图中,红色部分代表蒸汽供热系统,蓝色部分代表输电系统。蓝色圆圈部分是Terminal类的实例,nd1至nd4是ConnectivityNode类的实例,黑色圆圈部分是HeatTerminal类的实例,hnd1至hnd13是HeatConnectivityNode类的实例,其他设备类都以中文形式在图中标出。本文扩展了图4中工业园区蒸汽供热系统的全部设备类,扩展实例的属性和关联见附录B表B1至表B23。表中的属性和关联皆在上文提及。可见,本文所扩展的CIM可以覆盖住工业园区蒸汽供热系统的典型设备。

图4 园区综合能源系统Fig.4 Integrated energy system of industrial park

6 结语

本文以工业园区蒸汽供热系统为研究对象,打破了电力系统和热力系统间的信息孤岛,实现了不同系统间的信息交互,探讨了一种面向工业园区蒸汽供热系统的标准化建模方案。主要工作如下:①类比于电力系统中的拓扑模型,扩展出工业园区蒸汽供热系统的拓扑模型;②复用了IEC 61970标准中的量测模型,详细描述了量测的关联方式;③借鉴电力系统设备容器模型,建立了工业园区蒸汽供热系统设备容器模型;④设计了工业园区蒸汽供热系统中典型设备的类和属性,扩展了工业园区蒸汽供热系统的设备模型,并给出实例加以验证。

本项工作下一步的研究重点:①在工业园区蒸汽供热系统标准化建模的研究基础上,扩展含冷/热/电/气的工业园区综合能源系统标准化模型[26];②针对含城市供暖的热电综合能源系统[27-28],进行标准化建模。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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