区域综合能源深度融合一体化模型研究

唐文蒋晔王卉

1.上海方融科技有限责任公司

2.烟台市地理信息中心

0 引言

在能源危机和环境问题引发全球性能源革命的大背景下，如何在确保人类社会能源可持续供应的同时减少用能过程中的环境污染，是当今世界各国共同关心的问题。习近平总书记提出能源革命和供给侧改革发展理念，要求建设清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系，国家能源局发布的《能源发展“十三五”规划》指出，我国的能源转型发展要突出能源的清洁性、高效性、安全性和可持续性，着力推动现代能源体系建设。同时，随着新电改的不断深入，电网企业也将逐步向综合能源服务商转型。在此背景下，基于多能融合的综合能源系统应运而生。

综合能源系统（Integrated Energy System，IES）是指一定区域内的能源系统利用先进的物理信息技术和创新管理模式，整合区域内清洁能源、天然气、电能、热能等多种能源资源，实现多异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济，在满足系统内多元化用能需求的同时，有效提升能源利用效率、促进能源可持续发展的新型一体化区域型能源系统[1]。

区域综合能源系统是能源工业发展的全新形态，其关键技术、业态及模式等正处于起步和探索发展阶段，技术体系的形成以及各种技术的应用和实践，不仅取决于技术本身的成熟度，还与技术的依赖性和技术应用的经济性及社会效益，以及国家战略、复杂的外部环境密切相关。考虑到这些因素，对综合能源深度融合一体化模型技术研究，有助于政策制定者合理地利用政策资源，为区域综合能源系统的发展提供良好的政策环境。

1 研究背景及意义

为贯彻落实“四个革命、一个合作”的国家能源安全战略，实现力争2030年前“碳达峰”、2060年前“碳中和”目标，“十四五”期间“风光储”等可再生能源将成为能源消费的主体。园区作为企业和人口相对集中的工作场所，在我国能源革命的产业政策助推下，也逐步开展“虚拟电厂”“风光储”“光储充”“冷热电三联供”等能源利用创新模式研究及试点示范项目建设，在能源安全利用、绿色低碳节能方面，收到很好效果。

利用先进的信息技术，加强区域综合能源顶层设计和系统集成架构设计，开展综合能源关键技术研究，进行综合能源深度融合一体化模型设计，实现区域多能深度融合的一体化平台解决方案，通过平台资源的系统性调优，探讨区域能源互联互通互济互保的安全利用、经济低碳优化应用模式，满足国家“创新、协调、绿色、开放、共享”的能源发展理念和“碳达峰、碳中和”既定目标，这是本文研究的背景和意义。

对区域能源开展综合能源深度融合一体化模型设计研究，分析“风光储水电气”等能源特征，以及各能源系统的“能源流、业务流、信息流、数据流”系统集成特征，进行演绎、归纳、总结，形成以IEC 61970 CIM〔CIM(Common Information Model）〔公共信息模型〕的电力模型为基础的多能互联互补e-CIM能源标准模型，对下能源数据采集层提供标准化数据处理和汇聚，对上应用层提供符合国际标准的统一数据访问标准，有利于从信息化角度真正满足不断延展、无限接入的多能深度融合和互联、互通、互济、互保应用，促进我国能源利用的能源生产方、能源服务商、能源利用方、能源集成商、政府监管部门等相关方参与的生态圈健康发展。

2 模型研究

本文研究根据IEC 61970 CIM电网模型标准，结合果蝇优化算法，开展综合能源深度融合模型研究，利用统一建模语言（Unified Modeling Language,UML）和Enterprise Architect建模工具设计，建立一套区域综合能源一体化信息模型，解决区域各能源系统之间的松耦合孤岛问题，实现区域“风光储冷热水电气”的“源输配用储”协同优化的能源互联、互通、互济、互保，支撑横向数据融合和纵向数据贯通，对外统一数据标准。

2.1 CIM建模

CIM是一个抽象模型，描述电力系统元件的开放性标准。此标准提供了一套面向对象的电力系统公共信息的模型。由于模型的抽象性，使得它与实现语言无关。CIM用对象类和属性及它们之间的关系来表示电力系统资源和描述电力企业的所有主要对象，特别是那些与电力运行有关的对象。CIM方便了实现不同集成商独立开发EMS应用，多个独立开发EMS系统之间的集成，以及EMS系统和其他涉及电力系统运行的不同方面的系统，例如发电或配电管理系统之间的集成。这是通过定义一种基于CIM的公共语言（即语法和语义），使得这些应用或系统能够不依赖于信息的内部表示而访问公共数据和交换信息来实现的。

2.2 e-CIM模型建立

以IEC 61970 CIM模型设计方法为基础，开展对“风光储水气”等e-CIM模型设计，扩展CIM的11个模型包[2]，分别是：Core（核心包）、Topology（拓扑包）、Wires（管线包）、Meas（量测包）、Load-Model（负荷模型包）、Domain（空间域包）、Assets（资产包）、Customers（用户包）、Outage（停用包）、Protection（保护包）、SCADA（监视控制及数据采集包）。各包之间的关系如图1所示。

图1 各包之间的关系图

在遵循IEC 61970标准的基础上，结合能源实际情况，对CIM模型进行能源扩展，添加了许多新的类。

2.2.1 Core（核心包）

核心包包含IdentifiedObject（标识对象）、PowerSystemResource（能源系统资源）、EquipmentContainer（设备容器）、ConductingEquipment（导通设备）等对象类型。同时，核心包还定义了Substation（能源站)、VoltageLevel(电压等级)、BaseVoltage(基准电压)、BasePower(基准功率)等许多应用公用的模型类。

核心包被所有应用系统共享，它不依赖于其他任何包，但是绝大多数包都有依赖于核心包的关联（Association）和泛化（Generalization）关系。核心包的主框架图如图2所示。

图2 核心包的主框架图

2.2.2 HydroEnergy(水能)包

水对象包以核心包为基础，通过能源系统资源、水泵、输送系统等，实现水e-CIM模型的构建（见图3）。

图3 水能扩展包图

2.2.3 GasEnergy（气能）包

气能对象包以核心包为基础，通过能源系统资源、气站、输送设备等，实现气e-CIM模型的构建（见图4）。

图4 气能扩展包图

2.2.4 其他能源模型

为适应多能互联互通，针对新能源（光伏、风电等）作了相关模型扩充（见图5、图6），比如：

图5 光伏扩展包图

图6 风电扩展包图

光伏模型中扩充了实体类：EXT_PVArray（光伏组串）、EXT_PVCombing（汇流箱）、EXT_PVGeneratingUnit（光伏发电单元）、EXT_INVERTER（逆变器）、EXT_MINIINVERIER（微逆）等。

风电模型中扩充了实体类：EXT_WindHeatExchanger（风电散热器）、EXT_WindTurbine（风机）、EXT_WindSyncGenerator（风力同步发电机）、EXT_WindAsynGenerator（风力异步发电机）、EXT_WindAsynchronousMachine（异步电机）等。

3 区域综合能源深度融合一体化模型e-CIM实践

3.1 园区综合能源现状分析

江苏某医院园区规划总面积12.36 km2，专变容量52.17 MVA，最大负荷40.46 MW，其年用电量为1.03亿kWh，公变容量16.41 MVA，年用电量为0.19亿kWh；1-7月合计使用蒸汽13 696 t，全年蒸汽量约23 500 t；每日用水量约为93.3 m3；在冷热负荷方面，共有各类建筑空调冷负荷总计13.477 MW，空调热负荷总计5.015 MW；日内车辆停放次数将达到500辆，最大充电功率达到480 kW；园区还有部分光伏、风电和储能。

3.2 园区综合能源e-CIM模型一体化设计[3]

对园区综合能源涉及的能源体系进行图文一体化建模设计(见图7），对参与能源利用的各种设备设施进行空间拓扑关系关联，实现能源网架的互联互通，设备实时数据挂接，便于实时监管展示，以及拓扑能效分析、碳排放分析预警。

图7 综合能源图文一体化建模设计

3.3 园区综合能源e-CIM模型一体化展示效果

通过统一e-CIM模型全景可视展示（见图8），构建覆盖电/水/气/热 全能源、配电/空调/照明/动力全对象的能源与设备模型，全过程、全景化、全时段的能源数据采集、分析与诊断。

图8 综合能源图文一体化展示

多场景科学用能调控，通过用能场景（中央空调、多联机、照明、排风）的实时感知与智能算法，实现用能设备的场景化协同智能控制，设备综合能效提升15%。

4 总结

本文主要讲述了综合能源一体化e-CIM模型建模方法、过程以及成果，为e-CIM模型多能深度融合的建设创造了条件，也是综合能源服务平台建设的一部分，同时实现了EMS（能源管理系统）的应用软件组件化和开放化，能即插即用和互联互通，使系统之间的集成更加容易。这不仅大大节约了能源系统的开发和系统之间的集成时间，使设计和生产更简单、更清晰、更可靠，同时也节约了经济成本，具有非常重要的意义。一体化综合能源e-CIM模型的建立和运用，为全国建立一体化综合能源e-CIM模型和深度融合体系提供了基础，为建立全国综合能源服务平台创造了条件。

区域综合能源深度融合一体化模型研究，将对我国能源行业各种业务的应用和标准化产生根本的影响。首先，可以强力支撑规划、生产、营销等各项业务的开展，在能源基础建设和能源行业数字化转型赋能创新发展中将发挥战略性作用；其次，将推动各类能源应用系统的集成和信息共享，融合当前的管理大区和控制大区，促进智能电网、水网、气网的深度融合；再次，为基于全景能源数字孪生网络拓扑平台的应用，如调度管理、规划管理、生产管理、营销管理等的完善改造，提供已经过验证的技术标准、原则和平台。

本文研究成果将极大推动区域能源集团化、集约化、精益化、标准化建设，对新能源利用、能源双控、“双碳”预警等方面深度应用提供参考价值。