多场景通用的综合能源系统标准化信息模型与应用

2022-09-19潘昭光孙宏斌

电力系统自动化 2022年17期

郭泰，刘忠，王彬，符杨，潘昭光，孙宏斌

（1. 上海电力大学电气工程学院,上海市 200090；2. 国网扬州供电公司,江苏省扬州市 225000；3. 清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 100084）

0 引言

以综合能源系统［1］为物理载体的能源互联网［2-4］是能源系统的发展趋势。相对于传统的单一能源系统,多能流、多尺度、多主体是综合能源系统的重要特征［5］,不同管理主体、不同学科的建模方法使得不同能流间存在信息孤岛,导致难以充分挖掘利用各能流间的多尺度互补灵活能力,进而影响到综合能源系统整体的运行效率。建立标准化信息交互模型,使用统一语言来描述综合能源系统,通过信息流引导能量流,进而在时间、空间、功能等多维上发挥不同能源的互补耦合作用,是综合能源管理系统（integrated energy management system,IEMS）［6-7］与其他管理控制中心模型进行数据交互的基础。

综合能源系统涵盖了冷、热、电、气4 种子系统,因不同子系统的传输特性各不相同,需要通过多能流耦合设备进行互动。文献［8-9］从不同的角度对综合能源系统相适应的潮流计算方法进行了分析。文献［10-11］基于电路理论中“场”到“路”的分析,推演出了气路模型、热路模型、水路模型。文献［12］基于电制冷系统仿真平台,完成了空调系统能耗仿真计算,并研究了空调系统的节能策略；文献［13］采用可分离热电燃气轮机模型并计及电转气技术,建立了考虑天然气管网损耗的热电气综合能源系统优化调度模型,并验证了该模型的可行性。文献［14-15］分别对储热、储冷设备进行建模,详细分析了其运行特性。关于综合能源系统的计算模型研究已十分成熟,但用于信息交互的标准化模型还不够全面。

IEC 61970 系列标准定义了公共信息模型（common information model,CIM）的基本包,在经过一系列的检验与发展之后,CIM 已成为电力系统信息交互标准化的基础［16］。文献［17］对解决该问题的关键冷热电联产（combined cooling,heating and power,CCHP）系统的信息模型进行了研究。文献［18-19］建立了风力发电系统、光伏发电系统、储能系统的CIM 模型,实现了风力发电系统与其他系统的信息交互。在综合能源系统方面,文献［20］扩展了园区蒸汽供热系统的拓扑模型、量测模型、设备容器模型和典型设备模型。该文献所做的工作对打破不同能流之间的信息孤岛有一定的参考意义和实用价值,但其对园区综合能源系统的源侧即分布式多能能源站的研究不够详细。文献［21］建立了天然气系统的初步模型,对热电气系统间的信息交互问题作出了一定贡献,但文章中缺乏对天然气系统量测模型的建立,对多能流耦合设备特性的描述也不够全面。

总体而言,围绕综合能源系统标准化建模,目前学术界已开展了一系列研究,但只针对了特定运行场景,而综合能源系统存在以下多种复杂运行场景:

1）从运行规模角度,包括:楼宇/园区级综合能源［22］、城市级冷热电气系统［23］、城际的电气互联等多种运行场景。

2）从能源种类角度,包括:单一能源场景（如纯电对象、城市热网对象、气网对象）和多能流综合场景（如电气互联、电热互联、冷热电气综合联动）等。

不同综合能源系统的建设体量、参与主体、数据形式以及能源之间的分配协调区别很大,单一特定场景的建模方法往往不具有普适性。为建立多场景通用的综合能源系统标准化模型,需要统筹考虑上述场景,既要兼顾各设备的共性和个性,以避免重复建模,又要兼顾各设备间的关联关系,还要有一定的可扩展性,以支持新型多能设备模型的标准化表达。

本文借鉴电力系统标准化的经验,设计了“单质能流层-多能耦合层”两层综合能源系统模型架构,以兼容当前不同规模、不同形式的运行场景；提出了类电力系统的异质能流标准化建模方法,实现了单质能流的源网荷结构化建模,并能够应用于稳态与动态运行场景中；提出了基于聚合-派生的多能流耦合设备标准化建模方法,兼顾了不同能量耦合设备的共性和个性特征,不同于数学模型,该信息模型主要描述元件本身的属性及关联关系；所研发的标准化模型生成模块已集成到园区综合能源管理系统,并在某北方园区在线使用,实现了冷热电气多能流系统模型的标准化表达与信息交互。

1 “单质能流层-多能耦合层”两层模型

根据多能设备在综合能源系统中的作用,可以将多能设备分解为两大类:

1）只与单一能源相关的设备,如电力系统中的开关、线路、主变压器等,冷热气系统中的管道、阀门等,这类设备只存在于单质能源系统中,实现了能量的输送,与其他能源环节无关,本文将该类设备统一定义为单能流传输设备。

2）实现能源相互转换的设备,如电换热机组、电制冷机组、燃气锅炉、热电联产（combined heat and power,CHP）机组等,这类设备与多种能流相关,并承载了异质能流间相互转换的作用,本文将该类设备统一定义为多能流耦合设备。

进一步分析不同多能设备的特性:

1）针对单能流传输设备并不关心其传输的能量是怎么来的,也不关心如何被消耗掉。例如,对于一个热网管道,所传输的热能有可能来源于燃气锅炉,也有可能来源于电换热设备,而输送的热能有可能被建筑用热消耗,也有可能会被溴化锂机组转换为冷能。

2）针对多能流耦合设备,主要有两大作用:一是作为输入端,为某能量系统提供能量（如电制冷机组的冷端或燃气锅炉的热端）；二是作为输出端消耗某能量系统的能量（如电制冷机组的电端或燃气锅炉的气端）。

基于上述分析,并借鉴电力系统电源和电负荷的建模方法,本文在单能流传输设备中定义两个抽象类:冷热气源和冷热气荷,分别承担非电类能源的供给端和能源的消耗端,并定义各抽象源荷与多能流耦合设备的关联关系,最终构建了综合能源系统“单质能流层-多能耦合层”两层模型架构,如图1所示。

图1 “单质能流层-多能耦合层”两层模型架构Fig.1 Two-layer model architecture with single-energy-flow layer and multi-energy coupling layer

其中:

1）下层是单质能流层,容纳了所有单能流传输设备,以及冷、热、电、气源（能流输入端）,冷、热、电、气荷（能流输出端）,重点描述能量的传输过程。根据能流的不同,可以分为冷、热、电、气四大类。

2）上层是多能耦合层,容纳了所有多能流耦合设备,重点描述了异质能量间的转换,上层与下层之间通过冷、热、电、气源和冷、热、电、气荷与多能流耦合设备之间建立联系,站在CIM 角度,每个多能流耦合设备都是容器,并不直接参与拓扑。

从以下3 个方面分析该两层模型的适应性:

1）如果忽略多能耦合层,两层模型就简化为若干相互独立的单质能流系统,可满足冷、热、电、气各自的控制系统和应用。如果进一步忽略冷、热、气相关的单能流传输设备,两层模型就简化为传统的电力系统标准化模型［16］。

2）可以按需灵活扩展为电-气、电-热、电-热-冷、电-热-冷-气等多种耦合形式,适用于多种场景,方便不同控制系统灵活生成各自设备的信息模型,以及交互后快速集成模型,也有利于综合能源管理系统不同应用的开发实现,方便增加新设备类型。

3）如果忽略单质能流层,只保留多能耦合层以及与之相关的源荷设备,本文所建立的两层模型就可以简化为普通的能量集线器（energy hub）模型［24］,如附录A 图A1 所示,可用于某些小型园区、楼宇、分布式能源站等场景,重点研究多能流间的相互转换关系。附录A 图A2 以某园区为例,对简化后的模型进行了具体说明。

2 类电力系统的异质能流层标准化建模

针对传统电力系统,IEC 61970 已经建立了完整的标准化模型,设计了GeneratingUnit 类来描述发电侧模型；设计了 Conductor 类、TransformerWinding 类、Switch 类等来描述电网侧模型；设计了EnergyConsumer 类来描述电负荷［25］。

冷热气系统与电力系统在结构上有相似性,也可以划分为源、网、荷等环节。因此,借鉴电力系统的标准化建模经验,本章建立了面向冷、热、气的异质能流标准化模型,通过对源、网、荷等各侧设备的等效,实现单质能流层设备的标准化建模。

2.1 单质能流输送层的多能特有属性扩展

区别于电力的能量传输模式,多能系统传输一定需要载体,其介质可能是水、蒸汽、烟气、天然气。为了描述传输介质的种类,在Domain 包中扩展了MediaType 枚举类型,如表1 所示。由于存在传输介质,其能量输送需要服从流体力学和热力学的运动规律,满足质量守恒和能量守恒。从流体力学角度,可以用压力和流量来描述其运动方程,需要在Domain 包中扩展FlowCtrlType 枚举类型来描述不同元件的流体控制类型,如表2 所示。从热力学角度,可以用温度和热量来描述其运动方程,在Domain 包中扩展ThermCtrlType 枚举类型来描述不同元件的热力控制类型,如表3 所示。

表1 介质类型描述Table 1 Description of MediaType

表2 流体控制类型描述Table 2 Description of FlowCtrlType

表3 热力控制类型描述Table 3 Description of ThermCtrlType

2.2 单质能流输送层的多能模型定义

在已有导电设备类的基础上,本节对多能系统的源、网、荷模型进行了扩展:

1）在 Wires 包中扩展 HeatSource 类、ColdSource 类、GasSource 类来分别描述热源、冷源、气源；HeatConsumer 类、ColdConsumer 类、GasConsumer 类来描述热负荷、冷负荷及气负荷,从而参与热系统、冷系统、气系统的连接与拓扑。源侧的扩展类属性分别见表A1—表A3；荷侧的扩展类属性分别见附录A 表A4—表A6。

2）参考电力输电线路（Line）的定义,本文在Wires 包中扩展HeatPipe 类、ColdPipe 类、GasPipe类来描述供热管道、供冷管道、供气管道,具体的扩展类属性分别见附录A 表A7—表A9。

3）参考电力开关（Breaker）的定义,本文在Wires 包中扩展HeatValve 类、ColdValve 类、GasValve 类来描述热阀门、冷阀门、气阀门,具体的扩展类属性分别见附录A 表A10—表A12。

最终,构成了面向单能流传输设备的标准化模型扩展图,如图2 所示。

图2 单能流传输设备的标准化模型扩展图Fig.2 Expansion diagram of standardized model for single-energy-flow transport equipment

2.3 单质能流输送层的多能拓扑模型

类比于电力系统的端子（Terminal）-连接节点（ConnectivityNode）拓扑模型方式,本节建立了面向热、冷、气系统的拓扑模型,如图3 所示。

从图3 中可知:

图3 综合能源系统模型的CIM 框图Fig.3 CIM block diagram of integrated energy system model

1）一个多能端点类属于一个多能设备类,一个多能设备类可以拥有给定数目的多能端点,每个多能端点必须关联于某一个多能节点上。

2）传统的电源和电负荷是单端子设备,而本文建立的冷热源、荷,可以是单端子设备（忽略回水网络）,也可以支持双端子设备（考虑回水网络）,气源、气荷一般为单端子设备。

2.4 单能流传输设备的多能量测模型

在传统电力系统量测模型的基础上,本节进一步扩展了面向多能系统的量测类型,包括温度、压力、流量、功率以及阀门的开合度、位置等,并阐述了各类型量测与多能设备之间的关联关系,如表4 所示。表中,“√”表示多能设备与该类量测相关联,“×”则表示未进行关联。

表4 冷热气系统中量测的关联方式Table 4 Correlation mode of measurement in coollyheat-gas system

多能量测可以通过两种方式与设备关联:

1）量测可以属于一个PowerSystemResource 类（如阀门的开度、母管的压力和温度等）。

2）通过多能端子与冷、热、天然气设备建立联系（如管道首末端的流量等）。

3 基于聚合-派生的多能耦合层标准化建模

在第2 章中,通过抽象出源和荷类,实现了不同能流系统的独立建模。进一步,各能流系统之间的关联关系需要在本章通过多能流耦合设备建立。

综合能源系统中存在着大量不同类型的耦合设备（电-热、电-气、气-热、电-冷等）,即使同一类型的耦合设备,也存在不同的型号和实现原理,如同样的电制热功能,空调与电采暖的原理和参数就不尽相同,为了确保多能耦合标准化建模的可扩展性和复用性,需要提炼各种耦合设备的“共性”特征,从“共性”中寻找“个性”上的差异。本文提出一种基于聚合-派生关系的建模方法,通过聚合来凝练共性,通过派生来体现个性。

3.1 多能流耦合设备聚合-派生通用框架

本节总结了常用的几种多能耦合与转化关系,建立了多能流耦合设备聚合-派生通用框架,如图4所示。其中:

图4 多能流耦合设备聚合-派生通用框架Fig.4 Aggregation-inheritance general framework of multi-energy coupling equipment

1）根据能流转换关系不同,可以将源、荷聚合成不同类型的多能流耦合抽象类,实线、虚线分别代表荷、源与多能流耦合设备之间的关联关系。

2）根据能流转换方式的不同,不同的多能流耦合抽象类又可以派生出不同的多能流耦合设备类。

以P2H（Power To Heat）类为例,附录A 图A3给出了P2H 类的聚合形式及其派生的设备。

其中,电锅炉、热泵、电采暖均是通过消耗电能进行发热的设备,这是其共有的特性。因此,为了对有“电制热”特性的设备进行归类,抽象出了父类P2H 类,各个设备均由P2H 类派生；P2H 类作为“电制热”设备的集合,是由EnergyConusmer 和HeatSource 聚合而成的。因此,P2H 类既有自身的属性,又集成了热源和电负荷的属性,表5 列举了P2H 类的属性。

表5 P2H 类属性描述Table 5 Description of attributes of P2H class

需要说明的是,设备中某些参数需要通过经验值、出厂参数或参数辨识等方法获取。

3.2 储能模型

储能是综合能源系统的一个重要环节,对提高系统运行灵活性、实现削峰填谷具有重要意义。本节归纳了各能流系统储能装置存在的共性和个性特征,并分别开展标准化建模工作。

3.2.1 特性归纳与通用储能单元模型

针对储能设备的共性参数（如总容量、实时荷电状态（SOC）、可用容量上限、可用容量下限、单日充放能变化次数约束等）,本文定义了一个StorageUnit 类来描述储能单元的储能环节,表6 和表7 分别列举了其属性和类型。

表6 StorageUnit 类属性描述Table 6 Description of attributes of StorageUnit class

表7 StorageUnit 类型描述Table 7 Description of StorageUnitType

站在不同能源系统储能的差异性角度,电力储能一般为单端口设备,通过同一个端口可以实现设备与系统能量的双向交换,而冷+热气系统的储能一般为多端口设备,每个端口所关联的能流也不一定相同,并且每个端口的能量传递一般是单向的。

储能单元与耦合设备连接紧密程度的不同使得储能单元存在掩盖其源荷特性、展现其源荷特性两种运行形态。前者通常关联到耦合设备上,无法展示其源荷特性,如储热式电采暖设备可以抽象为一个P2H 容器,并且该P2H 需要关联一个储热单元（HeatStorageUnit）以承载储能的模型参数及运行变量。后者既可以作为“荷”为系统消纳多余的能量,也可以作为“源”为系统供给能量。储能单元的源荷特性见附录A 图A4。

接下来,本文重点以天然气储气罐和储热式电采暖这两类较常见的多能设备来分析其建模过程。

3.2.2 天然气储气罐装置

天然气储气罐模型由进气口、罐体和出气口3 个部分构成,并建立1 个容器,分别由气负荷、储气单元和气源聚合而成,如附录A 图A5 所示。

其中储气罐既可以作为气源,在系统供气不足的情况下为系统提供天然气,也可以作为气负荷在系统供气充足的情况下,将系统内多余的气体进行存储。因此,它是一个典型的G2G（Gas To Gas）类设备,即储气罐类继承于G2G 类。附录A 图A6 展示了储气罐类的建模方法。

储气罐进气口相关的属性参数与运行变量主要通过进气口抽象成的气负荷来描述,储气罐出气口相关的属性参数与运行变量主要通过气源来描述,1 个储气罐可以关联多个气源（有多个出气口）或多个气负荷（有多个进气口）,罐体相关的属性参数或状态变量主要通过储能单元来描述。储气罐类的属性描述如附录A 表A13 所示。

3.2.3 储热式电采暖

储热式电采暖是北方冬季电取暖的一种主要设备,其一般运行模式是:利用低谷电来制热,把多余的热量存储,为全天提供供暖,通过引入储能环节可实现电-热耦合系统的解耦运行。储热式电采暖的结构示意图见附录A 图A7。

储热式电采暖由电负荷、储热单元、热源构成。特别地,由于储热单元与电采暖设备耦合紧密,电采暖产生的热量直接存入罐体中,进而进行供暖。因此,结构图中未能展现出储热单元的源荷特性。附录A 表A14 列举了储热式电采暖类的属性描述。

类似于储气罐,通过电负荷来描述该装置与电网的交互特性,通过热源来描述该装置与热网的交互特性,装置本体的储能特性通过储能单元来描述。

3.3 特殊耦合设备模型

水泵、压缩机等这类常见的耦合元件往往不是通过源荷的形式来呈现。水泵和压缩机通常需要外力,如由电驱动来改变气体或液体的压力、流量等参数,其主要功能还是进行能量的传输。

以电驱动水泵为例,电驱动水泵是以电能为原动力,将电能转化为驱动热冷气网中媒介流动的机械能。对应于本文中的建模方法而言,将电驱动水泵作为一个容器,其中包含了一个电负荷,并将其关联到源、荷、管道上。附录A 表A15 列举了电驱动水泵的属性及关联关系。

类似于电驱动水泵,电驱动压缩机等耦合设备的建模方式与此相同。

4 应用案例

基于上述分析研究与标准化建模,所研发的综合能源系统标准化模型生成模块已集成到园区综合能源管理系统,并在中国某北方园区在线使用。该模块通过读取冷热电气的源网荷类数据、耦合设备类数据及量测类数据,最终以标准化的语言进行了输出,实现了冷热电气多能流系统模型的标准化表达与信息交互,具体输出结果见参考文献［26］。

本章重点描述本文成果在该园区级场景的应用情况,对于城市级场景应用示例见附录A 图A8 及文献［25］。该园区集冷、热、电、气等多种能源的生产、传输、消费、存储于一体,其中,冷、热在园区内平衡,电能可通过园区联络线从电网购入,但不能返送；天然气通过管道输入园区,用于内燃机、燃气锅炉、直燃机等耗气设备。其输电系统、供热系统、供冷系统和天然气系统的部分实际接线图见图A9。

图5 建立了该园区的综合能源系统拓扑连接关系,其中绿色部分表示天然气系统,红色部分表示供热系统,紫色部分表示输电系统,蓝色部分表示供冷系统,黄色部分表示耦合设备。

图5 多能互补园区拓扑连接图Fig.5 Connection diagram of topology of multi-energy complementary park

该模型通过对不同能源子网进行拓扑分析,对园区内的耦合设备在相连的能源子网中分别建立对应的源荷模型,源荷参与各能源子网的拓扑分析,但耦合设备不作为连接设备参与拓扑分析。在多能流场景下进行计算时,只需满足耦合设备的外特性需求,即可通过冷、热、电、气等能源子网的边界量进行迭代完成计算。

表8 阐述了园区实际存在的多能流耦合设备与单能流传输设备的关联关系。以内燃机为例:将内燃机等效为“气负荷、电源、热源”,内燃机作为容器,通过气负荷、电源、热源来参与系统的拓扑。其余多能流耦合设备及其特性如表8 所示。表中:“√”表示该多能流耦合设备与单能流传输设备存在关联关系,“×”则表示未进行关联。