基于多能流联合解算与分析的综合能源在线仿真系统开发

韩华春，吴盛军，汪成根

（国网江苏省电力有限公司 电力科学研究院，南京 211103）

0 引言

近年来，能源与环境问题逐步成为遏制社会发展的主要问题，同时，我国能源消费供给、能源结构转型形态呈现新的发展趋势［1］。电动汽车、冷热电联供系统、光伏、光热等新型能源生产与利用形式已逐步融入社会日常生活，不仅促进了我国能源转型进程，也给能源生产与供给带来了新挑战。在此背景下，综合能源系统（integrated energy system，IES）作为一种新型能源运用方式被提出。

目前，国际上对于综合能源系统尚无统一定义，国内对区域内部综合能源系统的研究大部分局限于供电、供气、供热、供冷、供氢等各类能源联供的能源微网型多能互补系统（multi⁃energy comple⁃mentary system，MCS）［2—3］。综合能源系统主要由冷热 电 联 供（combined cooling heating and power，CCHP）系统和微电网系统构成，可满足区域内多种负荷需求，提高多能利用效率，实现分布式电能、冷热能、天然气能源统一调度，提升区域环境与经济效益，具有巨大发展潜力［4—6］。然而，由于IES 的复杂性，CCHP 存在IES 规划、设计和运行等一系列实际问题，需要通过仿真研究来给出解决方案，因此研究与开发IES仿真具有较高的实际意义与工程应用价值［7］。

目前，国内外研究人员针对综合能源系统的仿真专注于电-气、电-热、电-气-热等多种能源耦合互联的多能流稳/动态仿真。文献［8］基于区域综合能源系统（integrated community energy system，ICES）的概念和能源集线器（energy hub，EH）模型构建热电联产系统模型，分析完全解耦、部分耦合以及完全耦合3种运行模式下电力网络和燃气管网的相关约束，提出适用的混合潮流算法。文献［9］至文献［11］研究电-气混合潮流的暂态与稳态建模，提出包括暂态差分法、暂态牛顿拉夫逊法、稳态迭代法、稳态雅可比矩阵法在内的求解算法。在电热耦合运行的场景下，文献［12］提出了2种同时分析电热耦合网络状态的稳态仿真方法:基于电热潮流的分立求解方法和电-水力-热力联合求解方法。文献［13］采用了准稳态热网模型，并提出了一种分解-迭代求解算法来仿真电热耦合网络状态，该方法能够适用于多热源、变流量和任意拓扑的热网，但不足之处在于进行迭代求解时，需要已知各热负荷处的回水温度，或假设它们为已知量，这与实际运行情况有所偏差。文献［14］开发了适用于变流量运行热网的动态仿真，且无需已知负荷处回水温度分布，可通过水力与热力方程的交叉迭代获得更为精确的热网动态信息。文献［15］针对电-气-热耦合互联系统进行动态仿真研究。以上的研究均处于理论阶段，应用于工程实际的较少，且实际工程中存在的大规模系统仿真等应用问题尚未得到有效解决。

近年来，单独的电力、燃气、热力仿真软件已经快速发展，成熟的商业软件包括可进行热网仿真的TRNSYS、Modelica、TERMIS、Apros 和IDA⁃ICE 等，可进行电力仿真的pandapower、BPA、PSASP、PSSE、EMTP、PSACD、DGRSS 等，可进行燃气系统仿真的Pipeline Studio、Synergi Gas 等，然而，支持IES 联合仿真的商业软件尚未得到有效开发。2020年，清华大学发布了可应用于多能流仿真的CloudPSS⁃IESLab 2.0 云端软件平台，但是该平台可仿真的综合能源设备较少，且多数综合能源耦合设备仅支持固定选型，未能实现用户自定义，不具备应用的一般性与广泛性。

基于此，本文开发一种基于多能流联合解算与分析的综合能源在线仿真系统。设备建模部分，建立51 种设备模型，涵盖市面上常见的设备类型，具备典型参数选择与用户自定义模板生成；管网部分，支持电力、燃气、热力、冷水、蒸汽网共5 种网络仿真计算，其中蒸汽管网仿真算法为自主研发。该系统支持多能源子系统/耦合系统的单时间断面仿真、连续多断面仿真、故障模拟、运行优化等功能，可针对所规划的综合能源系统提供包括全网运行状态模拟、故障恢复分析等运行可行性验证，具备工程应用价值。

1 综合能源在线仿真系统设备/网络建模

1.1 综合能源设备

平台嵌入51种综合能源设备模型，不仅配置有市场上较为典型的综合能源设备运行参数，而且支持用户自定义设备参数与模板，更具操作的灵活性。按照用能与传输特性，将设备分为用能设备与传输/控制设备。对于用能设备，按照终端用能种类又可分为电、气、热、冷、蒸汽等5种设备。具体设备分类见表1，设备模型见文献［3］、文献［10］、文献［16］、文献［17］。

表1 综合能源设备库Table 1 Integrated energy equipment base

1.2 综合能源网络

针对电-气-冷-热-热蒸汽多能流网络进行联合稳/动态仿真，支持单能源/多能源并行解算。多能流仿真算法见表2，算法模型见文献［15］、文献［17］至文献［22］。

表2 多能流仿真算法Table 2 Multi⁃energy flow simulation algorithm

2 综合能源在线仿真系统软件开发

基于上述理论，采用B/S架构开发了综合能源系统在线仿真平台。前端采用JavaScript，后端采用基于Java语言的Spring框架，仿真计算采用Python编写。

2.1 系统软件模型

面向对象是一种编程范式，把相关数据和方法作为一个整体来看待，从更高层次来进行系统建模，更贴近事物的自然运行模式。采用该范式，在建模过程中，拓扑中每个设备和线路/管道都被定义为一个类的对象，由前端封装到一个json 文件中传给后端。后端将数据进行存储，根据前端传递的拓扑图的连接信息，进行综合能源系统子网分配，将错综复杂的耦合网络分解为一个个单独计算的子网络。

网络分解流程如图1 所示，首先为5 种能源子网分别构建一个并查集，遍历拓扑中所有设备和线路/管道，将设备按照含有的网络参数分配到并查集中；根据设备间的对应关系，由并查集对隶属于同种子网的设备进行分组，最后将只有一个设备的分组过滤，即完成综合能源系统子网分配。

图1 网络分解流程Fig.1 Network decomposition flow

为防止用户构建的拓扑及录入的数据出错，平台还具备拓扑和数据的校验功能。拓扑校验主要校验是否存在不同属性的设备连接到一起、是否存在拓扑构建不完全、在采用节点法的节点中是否有两个源连接在同一总线上等；数据校验主要校验所需数据是否填写完全、质调节网络中流量填写是否对应，并且对于用户填写的无效数据会有提示。如果存在上述错误，前端页面会提示用户进行修改并将错误定位，直到所有错误全部修改完毕才可进行计算。

将校验通过的子网数据依次传入Python代码进行仿真计算，计算完成后，将计算结果分配到对应的设备和线路/管道，后端将计算结果进行存储并封装到json文件传给前端进行数据展示。

2.2 系统模型搭建

在线平台采用图形化建模方式，用户只需按照规则将需仿真的综合能源系统各设备拖入画布中，并用线路/管道连成拓扑结构，最后将计算所需的所有参数填写到软件系统中，系统即可自动进行解算。

用户连接拓扑图后，可依次点击设备图标进行数据录入，仿真平台还支持多时间断面的时序仿真，用户可选择在web页面依次输入时序数据，也可选择下载excel模板进行数据的批量录入。

数据输入完成后，用户可点击单断面仿真按钮或者时序仿真按钮进行仿真，仿真完成后会分别弹出结果页面，用户可自由查看所有设备和线路/管道的仿真结果以及结果分析。

2.3 在线计算功能

为实现对综合能源系统的实时监测，仿真平台配备实时计算功能，可以从数据库中实时获取综合能源系统的运行数据，将计算结果实时写回数据库并在前端界面进行展示，主要显示信息为各设备及线路/管道的主要参数，方便用户对综合能源系统进行管理。在线计算过程如图2所示。

图2 在线计算流程Fig.2 Online calculation flow

3 算例分析

该综合能源仿真平台已经被国网江苏省电力有限公司电力科学研究院运用于综合能源系统实验和设计中。电力科学研究院内部有配电楼、食堂、生产值班楼、特高压大厅和中心实验楼等建筑，需要供电、供冷、供热。其内部有一能源站，主要包括地源热泵、溴化锂机组、一体化集热光伏、燃气锅炉、储热罐和冰蓄冷进行冷热能源供给，电力则由外部学景变和高桥变提供，电科院综合能源系统如图3所示。

图3 综合能源系统架构Fig.3 IES stucture

仿真平台通过可视化的参数输入方式为后端计算代码提供计算信息，系统可将最终计算结果在前端以图表的形式展示，也可通过excel表格的方式输出。

电-冷-热网络连续多时间断面仿真界面如图4所示。

图4 仿真结果展示界面Fig.4 Display interface of simulation results

选取含有2种负荷的配电楼和食堂的仿真结果进行分析。常规态下配电楼和食堂的各项参数如图5所示。故障态下，7:00—8:00能源站制热设备由于运行故障退出运行，9:00能源站制热能力恢复。

图5 常规态配电楼和食堂仿真结果Fig.5 Simulation results of conventional distribution building and canteen

常规态和故障态的仿真结果对比如图6 所示，在常规态下，配电楼和食堂的所有负荷均得以满足，而在故障态下，由于能源站供热出现问题，配电楼和食堂的供热温度均有严重下降，在故障时间段内分别平均下降了18.555 ℃和18.715 ℃。当制热设备出现故障，回水管道回流的介质没有经过加热又流入供水管道，导致供给到配电楼和食堂的介质温度逐渐降低，并且因为能源站的额定功率有限，供热温度在故障修复后一段时间内仍较低。

图6 常规态、故障态供热温度对比Fig.6 Comparison of heating temperature between normal state and fault state

常规态和故障态的热网运行曲线如图7 所示，在故障时间7:00 和8:00，能源站制热功率为0，当9:00 能源站制热能力修复后，能源站热出力连续5 h 为最大功率，以提升管网中的介质温度，至15:00 热网运行恢复正常。

图7 热网运行曲线Fig.7 Operation curves of heat supply network

从图7 可以看出，本文研发的在线仿真平台可以对综合能源系统中包含设备、网络等的运行状态进行联合仿真并支持故障模拟，符合设备与网络运行的理论原理，可为用户提供综合能源系统仿真层面的数据分析。

4 结束语

针对国内对于综合能源系统仿真软件稀缺的现状，本文开发了一个可以对综合能源系统进行联合仿真模拟的在线平台，嵌入完备的设备与网络模型库，实现了算法理论的实践应用。采用动态图形化建模的方式构建拓扑，能快速地对综合能源系统进行仿真分析。

仿真系统针对国网江苏省电力有限公司电力科学研究院的综合能源系统进行常规态和故障态仿真。常规态下所有区域的负荷均得到满足。故障态考虑能源站供热故障，导致配电楼和食堂的供热温度均严重下降；介质没有经过加热又流入供水管道，导致供给温度逐渐降低；能源站的额定功率限制导致供热温度在故障恢复后一段时间内仍较低。仿真结果符合设备与网络运行的理论分析，实现了电、冷、热等多能源系统联合仿真。通过常规态与故障态的仿真模拟，对综合能源系统建设方案进行包括全网运行状态模拟、故障恢复分析等的运行可行性验证，为综合能源系统规划提供仿真层面的数据支撑。

实际运用表明，本文所介绍的软件平台可有效实现多能流多运行状态仿真，功能强大，能够支持综合能源系统的运行分析和优化，具备工程应用价值。