多重异构城市能源互联网络实时仿真的顶层设计

葛磊蛟，李元良，刘航旭，顾志成，杜天硕

（天津大学电气自动化与信息工程学院，天津300072）

0 引言

我国城市能源消费需求逐年上升，电、气、热等各能源系统相互独立的供能模式和粗放的能源利用方式极大地制约了城市能源系统的发展，面临着能源供应结构不合理、综合利用效率低、可再生能源消纳能力不足等问题［1］。因此，为了实现多种能源互补共济与高效利用，提高供能的可靠性和经济性，城市能源互联网（Urban Energy Internet，UEI）技术应运而生。2011年美国学者杰里米·里夫金率先提出了能源互联网的概念，如今，能源互联网已经得到了广泛的关注。而城市作为区域的用能中心，构建UEI对于推动城市、国家乃至整个社会的能源发展都具有积极的意义。UEI示范工程已经在京津塘、长三角等经济发达地区先行落地。

UEI的核心思想是以电为中心，构建广泛互联、开放共享、再电气化、低碳环保的城市综合能源系统。与传统的供能网络相比，UEI中冷、热、电、气等供能网络耦合程度明显增强。一方面，各能量网络通过形式多样的物理设备元件形成联系，不同品位的能量通过生产、传输、转换、消费过程相互影响，呈现出复杂、多时空尺度的动态耦合过程；另一方面，多能源网络的运行调度、控制保护和应急恢复等调控逻辑存在依赖和耦合关系，需要协调运行和多能互补。可见，耦合动态精细化建模和协调调控是UEI成功建设所需的关键技术。已有研究表明，时域动态数字仿真是研究复杂能源系统所需的基础研究工具，是测试和验证各种调控策略的必要技术手段［2］。相对应地，建立精细的电、气、热网元件动态仿真模型，构建实时仿真平台，有助于研究能源互联网多能耦合机理、刻画多类型能源转换和耦合网络复杂动态过程，可以为UEI协调控制策略提供有效验证手段。

目前国外典型的UEI仿真系统如美国的EMCAS系统和英国的CASCADE系统等，这些仿真系统都是基于Agent的仿真将各类能源生产者、消费者以及各级各类能源中介抽象为智能行为主体，这些智能行为主体按照一定的规则在能量网络、信息网络以及经济网络中与环境相互作用。国外已出现一些分析综合能源供需平衡的仿真软件，如RETScreen、EnergyPlan、DER-CAM等，但这些软件只能模拟一些简单的场景，无法满足UEI复杂的仿真需求。针对单种能源网络建模方面，文献［1］采用直流潮流模型，实现两步优化和双层优化的城市能源互联经济调度求解。文献［2］提出利用识别参数敏感度相似性的方法来估计模型参数，在直供热管网中，由于管网中状态变量（温度、压强、流速）具有时空变化性，供热系统模型大多是根据质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律对管网中微元进行分析而建立的。文献［3］提出在天然气管网中，根据质量、动量和能量平衡方程建立天然气管道非等温模型，利用正交配置法对其动态方程进行求解。对于网络架构比较复杂的UEI而言，选取适合的电网模型、天然气网络模型以及供热管网络模型是十分重要的。目前针对UEI的建模通常采用静态建模，对各类设备及能源耦合集成后系统的动态机理和优化特性有待深入研究。

为了实现UEI中各类能源的优化利用，文献［4］研究了基于冷/热/电三联供系统的多区域UEI的规划问题；文献［5］对电力-天然气区域UEI进行了稳态建模和求解，研究了天然气系统网络状态改变对区域UEI的影响；文献［6］提出了一种适用于电、热、气的UEI扩展Newton-Raphson多能潮流计算方法，可以在系统不同运行场景下对多能潮流进行计算和分析；文献［7］提出了一种计及风、光出力和电、热负荷不确定性的UEI经济调度模型，利用CVaR理论研究了不确定性因素对系统调度产生的影响；文献［8］提出了一种考虑电热气耦合的UEI规划方法，从设备类型和输入能源形式出发建立基本架构；为了实现UEI日前优化调度应用，文献［9］构建了面向UEI的多能流运行模型；文献［10］提出基于复杂混合网络的建模方法，建立起独有的能量分布机制以及网络位置分布机制，但该理论较为抽象，无法描述多能流各自的网络变量特征；文献［10］提出耗散热阻的概念，使用能量流法实现了UEI中供热系统和电力系统的同质化分析，但忽略热工质的局部特性；为了解决UEI中多能源间能量传输问题，文献［11］借鉴电-气-热网络相似的基本建模方法，提出广义基尔霍夫定律，建立能量等效传递方程和能量网络方程，但该方法忽略了热网水力和热力模型可分开求解的特点，算法趋向复杂，同时也没有考虑网络耦合元件建模。综上所述，目前已有的建模仿真设备少并且难以代表未来UEI的典型形态和运行特性，因此，有必要构建新型设备的UEI静态、动态模型集合，开发适用的能源耦合UEI的运行仿真工具，以此推动UEI的理论研究及仿真应用。

近年来，对多能源系统的耦合仿真多集中于稳态建模和稳态能量流的计算，并未考虑不同能源网络之间暂态过程的耦合。但是，考虑到热网和气网暂态过程的时间常数很大，实际多能源系统的暂态过程很难衰减至稳态。因此，传统适用于电网的稳态建模和计算方法很难准确反应多能源系统的实际运行状态，有必要研究多能源系统的暂态建模及仿真方法。多能源系统暂态模型的本质是一系列高维刚性非线性常微分和偏微分代数方程组。其中，电力网络模型本质上是大规模非线性微分代数方程组，仿真过程通常采用很小的仿真步长（微秒至毫秒级），属于计算密集型任务。而热网和气网本质上是一组大规模非线性偏微分代数方程组，仿真过程依赖有限元分析方法对时间和空间同时进行离散。计算中的每一时步都要同时完成空间中所有离散点的计算，该过程数据吞吐量大，属于数据密集型任务。因此，上述计算密集型和数据密集型任务的计算效率很低，必须采用并行技术对仿真计算进行加速。

为解决以上问题，本文从技术层面分析了UEI的实时仿真问题。首先，提出了UEI实时仿真的顶层研究框架，从理论层面系统分析了UEI的仿真原理及依据，进一步从快速建模方法、计算异构型融合仿真技术、能源异构型动态仿真技术、实时仿真平台4个方面构建城市多重异构能源互联网实时仿真的关键技术架构，以期为后续研究工作提供借鉴。

1 UEI实时仿真的顶层设计框架

UEI中常包含有电力系统、燃气系统与热力系统等，这些系统的建模仿真技术研究从研究对象到仿真精度也都有各自的特点。电力系统以电力的生产、运输、消费为主要研究对象，就研究目的的不同，仿真精度有一定差异，若对其机电暂态特性进行研究，仿真精度通常为毫秒级，若对电力系统的电磁暂态进行研究，仿真精度通常为微秒级。燃气系统通常对燃气的输配与消费环节为主要研究对象，对其中的燃气管道、阀门、压缩机等设备进行建模仿真，典型的仿真精度是毫秒级或秒级。热力系统以热能从热源到热网到用户过程中的热交换为主要研究对象，通常以水或蒸汽为载体，系统的暂态过程通常较长，典型的仿真精度是秒级。由于UEI的复杂性，其规划、设计和运行等一系列实际问题，需要强大的仿真工具运营和规划分析，考虑不同的目标，包括技术，经济、能源效率和环境方面等来给出解决方案，研究UEI仿真及建立UEI实时仿真平台有重要意义。

UEI稳态过程仿真分析技术已趋于成熟，但有关多时空尺度的多能源耦合网络动态过程建模和仿真研究仍处于起步阶段，缺乏对UEI中显著的异构特征进行针对性的研究，难以支撑能源互联网实时仿真［12］。UEI动态仿真技术是将UEI机电暂态、中期和长期动态过程相融合的技术，具体包含超短期电磁暂态稳定分析、短期机电暂态稳定分析以及中长期动态仿真，以此来描述UEI受扰动后系统的连续变化过程。多重异构UEI动态仿真技术的研究框架如图1所示。与传统电力系统仿真相比，UEI动态仿真研究需要考虑以下3个方面异构特征：

图1 多重异构城市能源互联网动态仿真架构Fig.1 Dynamic simulation architecture of urban energy internet

1）UEI中能源形式是异构的，表现为电、热、气等能源形式品位不同，生产和消费过程存在差异，且存在相互转换的方向性差异［13］；

2）多形态能源网络结构和拓扑存在差异，其中动态过程存在时间尺度、空间传播方式上的差异；

3）多能源网络动态仿真的计算架构异构，针对不同分析内容、数值积分可以采用CPU、GPU和FPGA等异构计算设备进行加速。

1.1 主要挑战

1）针对电、气、热等单一供能系统相关设备及网络的建模研究已较为成熟，也有部分学者利用能源集线器、主体建模等方法建立多能流系统统一模型，但只是简单地将各种形式的能量整合在一起，难以适应能量耦合关系越来越强的UEI，需要结合多重异构能源网络多时间尺度的特点，从本质上揭示能量转化机理［14-16］。

2）UEI动态模型的数学本质是一组高维刚性非线性微分和偏微分代数方程组。其不同动态过程时间尺度差异巨大，求解完整的动态特性往往依赖长时间的数值积分。这对数值积分算法的截断误差、累计误差、数值稳定性和计算效率均有很高的要求。满足UEI长时间、准确、高效的仿真需求难度大。

3）UEI含有较大规模的电网、天然气网、热/冷管网，其动态仿真的计算复杂度高、规模大，采用常规的串行计算无法满足上述要求，需要设计多能源网络动态仿真接口算法和高性能实时仿真模拟方法，以满足UEI实时仿真需求。

4）多重异构UEI高性能实时仿真平台中设备类型各异，对象模型参数涉及因素多，时间常数差异巨大，需要仿真的节点数众多，同时实时仿真要求与物理时钟保持同步，并在计算资源异构、能源形式异构条件下解决UEI实时仿真面临仿真超时、非同步、系统崩溃、误差过大等诸多问题。因此，如何进行平台逻辑资源高效分配，从而实现平台构建，挑战大。

1.2 主要目标

1）揭示多重异构UEI的能源平衡机理，建立多重异构能源网络多时间尺度多能流宽频域暂态模型，解决非确定条件下多重异构UEI状态参数辨识问题，提出基于截断误差控制的能源互联网稳定运行仿真方法。

2）面向电、气、热、冷等多能量数据和实时控制、优化调度、故障保护等多种任务，研究针对能源互联网仿真的自适应模型匹配方法、数值仿真方法和多速率协同仿真方法，实现UEI关键设备动态响应的稳定求解。

3）针对多能系统混合仿真实时性要求，提出多能流不同时间尺度控制策略的实时仿真验证方法，以及电-气-热-冷跨能源接口模型及解算方法，实现多能流异构模型联立求解。

4）开发适用于多重异构能源互联网的分布式仿真平台，实现能源互联网多场景实时仿真与快速分析，为能源互联网规划设计、运行优化和调度控制提供重要参考依据。

2 UEI的实时仿真原理

2.1 电磁暂态建模及仿真原理

电力系统的暂态过程和中长期动态过程存在着密切耦合关系。电磁暂态（Electromagnetic Transients，EMT）仿真是针对城市电网精确度最高、计算量最大的一类建模仿真方法。在EMT模型中，全部暂态过程均可用一组微分方程组来表达。详细EMT模型不受时间尺度的限制，可以精确模拟低至纳秒级的高频EMT过程［15，17］。

按照建模框架的不同，EMT仿真方法分为状态空间分析（State Space Analysis，SSA）和节点分析（Nodal Analysis，NA）两类。其中，状态空间分析方法直接利用数值积分算法对全系统状态方程进行离散和求解，如Matlab/Simulink中的SimPowerSystem工具箱；而节点分析方法则先利用数值积分算法将不同电气元件的暂态方程离散化，形成各电气元件的诺顿等值方程，进而构造节点矩阵进行求解。相比状态空间分析法，节点分析框架可利用电网络拓扑结构固定、矩阵稀疏的特性，从而大幅度降低仿真过程中的计算量。在EMT仿真中，受到Nyquist采样定律的限制，最大积分步长所对应的采样频率应至少是系统最高频率的两倍［18-19］。考虑模型复杂度和积分步长的选取，详细电磁暂态仿真的计算量大，计算效率低。特别地，处理大规模交直流电网时，全电磁暂态仿真计算量极大，仿真效率十分低下。各类能源系统仿真模型如表1所示。随着计算机及芯片技术的发展，传统计算设备已逐渐向GPU、FPGA等异构计算设备转移。异构计算设备多内置海量计算核心，采用向量化的计算方式，可对计算密集型和数据密集型任务进行高效加速。利用异构设备加速多能系统仿真计算，相比传统计算平台，有望实现更高的计算效率。

表1 各类能源系统的仿真模型Table 1 Simulation models of various energy systems

2.2 UEI的内部耦合关系

UEI内部耦合是通过耦合单元实现的。在进行多网络潮流计算时，往往需要对这些耦合单元与网络参考节点之间的关系进行讨论，以确定两个网络之间物理上的耦合关系是否会导致潮流计算中两个网络之间仍然保持着计算上的耦合关系。通过这样的分类讨论，可以整理出一套比较全面的多网络潮流计算规则，以适应各种不同结构的多能源耦合网络。一种典型的多电网和多热网耦合的结构如图2所示。

图2 多电网和多热网耦合关系示意图Fig.2 Schematic diagram of the coupling relationship between multigrid and multi-heating network

图2中的小圆圈表示各网络中的热源或者电源，蓝色表示电源，橙色表示热源，位于两个网络重叠部分的圆圈代表网络之间的耦合点。耦合点通常为联产单元，同时为两个互相耦合的网络提供热能和电能，蓝色的耦合点表示电网的参考节点，橙色的耦合点表示热网的参考节点，其余为非参考节点。本部分的理论分析都是基于同一假设，即在同一能源网络中仅选取某一台机组承担所有网络损失。对于这样的多电网和多热网的耦合计算，需要提出一些基本原则，使得计算的结果能够更加贴近实际情况，对实际的综合能源系统的控制与调度更加有参考的价值。

2.3 UEI多时间尺度暂态融合建模理论依据

暂态融合建模，又称移频分析（Shifted Frequency Analysis，SFA）建模，是一类基于希尔伯特变换（Hilbert Transform）的暂态建模方法［24-25］。其原理是将传统交流系统中的电压和电流信号等效成以工频正弦波为调制波的带通信号（Bandpass Signal，BS），通过Hilbert变换将传统电压、电流实信号无损变换为只含有单边频谱的复数解析信号（Analytical Signal，AS），通过对解析信号的频谱向左平移一个工频，形成原始实信号的解析包络信号（Analytical Envelope Signal，AES），并基于解析包络信号构造元件的移频分析方程。由于移频分析过程对解析信号的频谱进行了搬移，使得解析包络中的最大频率小于原始实信号。因此，在不损失建模精度的前提下，移频分析通常可采用更大的积分步长，大大提升暂态仿真效率。

2.4 多重异构UEI的建模要素

UEI相关项目的建设、战略推进为模型的建立提供了真实的数据基础与验证条件。如图3所示，UEI中电、水、气、热、冷等多种能流共存与互联，满足用户的差异性用能需求。UEI涉及热动、气动、电动和机械传动等多时间尺度的动态过程，伴随热能、电能、机械能、化学能及其他形式能量的相互转化，其热力学特性显著影响系统运行能效，其动力学特性决定系统整体安全水平。精准建模是分析UEI动态特性的基础，需要结合电、气、冷、热等异质多能流的特点对UEI中各个设备、环节以及子系统进行数学建模。

图3 城市能源互联网多能流互动与建模要素Fig.3 Interaction and modeling elements of multi-energy flow of urban energy internet

3 多重异构UEI实时仿真的关键技术

考虑到技术的层次性，以及各级之间的相互协调关系，围绕UEI高性能实时仿真的关键技术研究框架具体可分为快速建模方法、计算异构型融合仿真技术、能源异构型动态仿真技术、实时仿真平台4个方面。关键技术框图如图4所示。

图4 城市能源互联网实时仿真的关键技术框图Fig.4 Key technology block diagram of urban energy internetsimulation

3.1 多重异构城市能源网络动态平衡机理及快速建模方法

针对城市能源形态各异，稳态、准稳态和暂态仿真模型多重异构，时空特性差别大等特点，考虑CPU、FPGA等不同异构仿真工具的适应性，多重异构城市能源网络动态平衡机理及快速建模方法涉及电/气/热/冷等多重异构能源网络的能源平衡机理，研究具有不同平衡机理的电、气、热管网的传输特性，以及参数非确定条件下多重异构型能源互联网稳定运行的特性分析方法，由此实现UEI快速建模，为能源互联网动态仿真提供理论及技术支撑。

首先，针对涵盖电、气、冷、热等多重异构能源网络，研究动态平衡机理及快速建模方法，建立多时间尺度多能流的数学模型，探索能源平衡机理，提出典型场景；其次，构建UEI各子系统等值模型，提出典型场景下多重异构能源网络的接口耦合设备等值模型，分析典型场景下具有不同平衡机理的电、气、热管网之间的传输特性；最终，基于步长调节和误差抑制的截断误差控制方法，通过模型修正及误差控制，提出多重异构能源网络模型效率提升方法，结合仿真模型误差的截断特点、求解策略和对步长调节的指导策略，考虑典型场景下仿真的速度和精度需求，提出多重异构能源系统的关键设备动态响应稳定求解技术，建立参数非确定性条件下多重异构能源互联网网络参数表征方法，构建典型场景下能源互联网稳定运行的特性分析方法，以此来实现参数非确定条件下多重异构能源互联网稳定运行特性分析的快速建模，完成多重异构能源互联网联合仿真计算，为多重异构型能源互联网动态仿真提供理论支撑。

3.2 计算异构型城市能源互联网融合仿真技术

为解决UEI中电、气、冷、热等多形式能源的融合仿真和异构并行加速难题，本技术主要研究能源互联网多种能源形式模型/数据与实时控制、优化调度、故障、保护等不同任务形式的自适应模型匹配方法，构建针对UEI仿真中计算密集型和数据密集型任务的多速率、变步长、强刚性的数值仿真方法及其异构并行加速方法，提出能源互联网多速率协同耦合仿真方法和多子系统的联合求解方法，形成面向UEI的准确、高效、稳定的融合仿真技术。

首先，研究涵盖CPU、GPU、FPGA等多重异构计算资源的UEI融合仿真技术，建立面向UEI的电、气、冷、热等多领域数据和实时控制、优化调度、故障、保护等多任务自适应模型匹配的优化模型，提出UEI仿真自适应模型匹配方法；其次，研究UEI中电气、流体、热力网络动态中的计算密集型和数据密集型仿真数值稳定性提升方法，提出适应于UEI仿真的多速率、变步长、强刚性数值积分方法，提出基于异构并行计算设备的UEI仿真加速方法；最终，建立电-热（冷）、电-气、气-热及电-气-热（冷）等交互接口设备精确仿真模型，研究耦合动态的事件触发仿真机制，提出基于分解协调计算的多子系统内部解算器联合求解框架和边界协调方法，实现UEI中关键设备动态响应稳定求解。

3.3 能源异构型多时间尺度动态仿真技术

为实现城市能源异构型互联网络EMT全过程仿真，本技术提出能源异构型多时间尺度动态仿真技术，主要研究含电/气/热等UEI协同运行策略和校验方法，研究电-热-冷-气跨能源接口模型以及解算方法，实现多能流异构模型联立求解，提出基于模型平均化等效、解耦分割的高性能模拟方法，满足能源互联网中多能系统耦合仿真实时性要求。

首先，基于电、气、热、冷管网的动态等值模型及多重异构城市能源网络的动态平衡机理，研究冷热电气联供的耦合网络动态仿真方法，研究UEI自律协同运行策略，以及多能源网络仿真校验模型构建方法，提出多能流不同尺度控制策略的实时仿真验证方法，验证独立能源网络调控和多能源网络协同运行策略的有效性；其次，计及UEI多时间尺度、宽频域、非线性等动态特征，针对UEI数据交互时序逻辑的一致性和能量平衡的约束性，提出电-热-冷-气跨能源接口模型构建方法，研究多能源接口动态等值方法，以及多能源接口联立解算求解方法，实现多能流异构模型联立求解，提出多能源网络步长自适应同步方法，实现仿真步长自适应调整、同步；最终，针对多重异构能源网络模型动态仿真计算复杂度高、计算规模大等特点，研究设备级/系统级模型分解技术，提出基于解耦分割的高性能模拟方法，研究设备级/系统级模型动态等值技术，提出基于模型平均化等效的实时动态仿真方法，研究多能源网络动态加速仿真模拟方法，满足UEI中多能系统耦合仿真实时性要求。

3.4 多重异构城市能源互联网高性能实时仿真平台

该技术主要研究多重异构UEI仿真的技术架构、数据交互接口以及平台构建方法，构建高性能实时仿真平台。基于该仿真平台，对UEI故障、供能恢复等典型场景开展仿真应用验证。

面向多重异构UEI，首先，根据不同功能特性与仿真需求，设计UEI实时仿真平台体系架构，包括仿真模式的优化选取、总体架构设计、硬件仿真机体系结构以及软件系统配置方案等；其次，针对多能流仿真，设计考虑多子系统协同仿真的混合高速通信方案、数据接口协议、时间同步机制以及数据同步方法；再次，考虑仿真平台的资源分配、驱动设计以及灵活加载方式，构建功能协调统一的多重异构UEI高性能仿真平台，进而针对仿真平台的多业务场景需求、易用性以及异常运行进行优化改进；最后，在构建的UEI仿真平台模拟不同故障场景，并验证不同策略下的UEI供能恢复方法以及恢复力指标的正确性。

4 结语

本文深入开展了多重异构的UEI实时仿真技术研究，解决UEI能源形式多样、网络拓扑复杂、时间尺度各异条件下的多场景实时仿真与快速分析问题，揭示能源互联网运行机理和动态特性，为提升城市能源供给的安全可靠性和应急故障恢复能力提供有力支撑。通过构建多重异构UEI高性能实时仿真平台，突破UEI运行决策中的技术瓶颈，实现多能源网络协调控制策略的综合分析，对UEI的运行辅助决策和区域能源系统的安全可靠运行和应急故障恢复等方面具有较高的直接和间接经济、社会效益，为UEI规划设计、优化运行和调度控制提供重要参考依据，以期为后续UEI网络仿真研究提供思路。