综合能源系统混合仿真技术路线探讨

综合能源系统混合仿真技术路线探讨

马凯琪，吴迪，郑灏

（1．奥尔堡大学，丹麦 奥尔堡 DK-9100；2．许继集团有限公司，河南 许昌  461000）

摘　要：

综合能源系统是在智能电网的基础上，引入热动系统、热力网、燃料管网等非电能源载体，多种能源综合分配、互补利用，涵盖多种能源发/输/储/用的综合性系统。当前，国内针对综合能源系统重点关注其技术可行性、源–荷匹配、能量运输路径和经济性等因素；技术方面主要考虑多种能源的源与荷在多种可能的运行工况下的匹配、能源系统定工况计算与静态稳定等，尚无系统的开展对综合能源系统设备层级和系统层级的动态特性研究成果。文章从综合能源系统建设需求入手，分析了综合能源动态仿真技术的必要性和迫切性，从系统、模型、计算3个层面梳理了拟开展研究的技术路线和技术难点，亦是开展综合能源系统动态仿真技术研究先期工作的总结，对后续综合能源动态仿真系统的规划与建设有良好的指导意义。

0、引言

能源发展与经济社会发展紧密联系、高度耦合，决定了能源供需与经济、社会、环境、资源等密切相关。当前随着经济发展对能源需求的变化，传统能源资源的匮乏、能源结构的不合理配置、气候环境的恶化、能源及设备利用率低下、能源政策调控等因素，均对能源系统的发展有重要影响。近几年，我国能源领域体制改革不断深化，电力、油气行业改革迈出重要步伐，竞争性环节市场更加开放，能源行业融合发展协调推进。

伴随我国能源结构性调整，打破原有各能源供用，如供电、供气、供冷、热等系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，在规划、设计、建设和运行阶段，对多种供用能系统进行整体上的协调、配合和优化，并最终实现一体化的多种能源系统，是实现社会用能效率最优、促进可再生能源规模化利用、实现人类能源可持续发展的必经之路。在当前推行电力体制改革的背景下，综合能源系统越来越受到业内人士的关注和认可。目前，国内综合能源系统尚在可研、规划设计以及相关示范工程的启动、建设阶段；在国外，也少有可参考的成熟案例。

综合能源系统规划设计阶段重点关注技术可行性、源–荷匹配及能量运输路径和经济性等因素；技术方面主要考虑多种能源的源与荷在多种可能的运行工况下的匹配、定工况计算与静态稳定等，对综合能源系统的动态特性研究只局限于非电系统的特定设备和电力系统层级。综合能源系统中由多尺度序贯控制机制、低惯性和宽频带响应特性引起能源系统设备之间及多能系统与外部系统之间的复杂交互作用，势必带来更加突出、形式更加多样和复杂的综合能源暂态、动态稳定问题。

出于系统安全运行考虑，不能通过施加各种扰动试验来了解其动态特性，于是增加对系统动态特性的了解最有效的方法就是通过动态仿真。纵观目前电网、微电网、热电厂、热力系统等能源系统的既有仿真技术手段，其并不能满足综合能源系统动态、暂态仿真的需求。因此，开展综合能源系统混合仿真关键技术及平台建设研究，将对综合能源系统的规划建设、稳定经济优化运行与动态调控、新型设备研发和测试，起到强有力的支撑作用。

1、综合能源系统的基本概念

综合能源系统是以电力为核心，在能源生产与消费革命、“互联网+”背景下被设计提出，是基于互联网思维和理念构建的新型信息–能源融合的复杂系统，其目的在于促进能源结构调整和大幅提高能源在传输、配送和终端利用中的利用效率。综合能源系统的典型结构如图1所示。

图1 综合能源系统典型结构

由冷热电综合系统、天然气管网以及储能单元等构成的混合多能系统，是综合能源系统的物理核心，体现了综合能源“源–网–荷–储”各环节形式多样性、“源–荷–储”交叉共建、能量转化机理和系统运行特性复杂等特征。综合能源系统中的“源–网–荷–储”含义进一步深化，“源”主要包括各类一二次能源，如电力、石油、天然气、煤炭、地热、生物质等；“网”主要包括电网、天然气管网、供热/冷管网、供水管网、氢气管网等多种能源网络；“荷”主要包括电力负荷、供暖负荷、供冷负荷、天然气负荷、热水负荷、蒸汽负荷等；“储”主要包括各类电力储能装置，蓄冷蓄热装置。综合能源系统的目标是“源–网–荷–储”纵向协调优化，水电气热横向多能协同互补。

2、综合能源仿真的范畴和意义

综合能源系统仿真平台应可以涵盖电、热、冷、气等多个子系统和供应侧、传输侧、需求侧各环节，为综合能源系统整体的优化规划、协调运行、可靠性评价等各环节提供基础仿真，为综合能源系统的研究及应用提供仿真平台支撑。

目前，综合能源网工程建设得到各级政府的大力支持。然而，并没有足够成熟的理论和技术为工程规划建设、系统运行维护提供支撑作用。综合能源混合仿真系统未来可在以下领域得到广泛应用：

1）应用于国家电网公司系统内、外的科研单位及高校院校，开展综合能源系统的稳定运行、经济运行优化、调控策略等理论研究；

2）应用于电力、能源设计单位，支撑能源系统的规划设计；

3）应用于电力能源装备制造厂家，构建多能系统及装备研发的实验环境；

4）应用于电力行业下属入网检测机构，提供设备检测和仿真测试手段；

5）应用于电力公司、售电公司培训机构，为运行维护人员提供仿真实训环境。

针对综合能源系统动态过程覆盖时间尺度宽广、不同类型能源设备和系统耦合和交互影响，以及不同能源网机理差异造成建模仿真差异的特点，提出并研究综合能源系统混合仿真理论及关键技术；基于综合能源系统混合仿真理论及关键技术构建综合能源系统混合仿真平台，其意义体现在：

1）基于仿真系统提升综合能源网工程的规划设计水平，合理降低工程造价、节约建设成本；

2）应用仿真系统研究综合能源系统安全运行技术，提高供电及供能可靠性，全面提升系统可用率；

3）基于仿真系统研究经济优化运行、系统动态调控策略，提升综合能源系统经济运行水平，节约运行成本；

4）仿真平台能够为设备的研发缩短设计周期，并且能够进行性能预测和设计优化。

3、综合能源仿真的技术路线

在综合能源系统仿真的模型求解中，响应快速的设备和子系统需要小步长解算，以保证算法收敛性和精度。由电力系统、热力系统和（或）化学能（化学储能系统、天然气输送管道系统等）构成的综合能源系统中，相对单个组成系统的时间尺度进一步被拓宽：由几十微秒甚至更小的响应时间延伸到数小时；另外，系统中引入了能源系统动态元件长过程状态质变现象，使得系统的复杂程度进一步提升，如吸收式制冷系统开机过程中，发生器溶液被加热直到饱和温度，认为自然对流换热，而后蒸汽开始发生，对这种情况，用一组模型方程往往难以正确描述多个阶段变化的物理过程。因此，应采用阶段化多模式混合仿真技术对综合能源系统展开研究。综合能源仿真系统实施方案如图3所示。

图3  综合能源仿真系统实施方案

3.1  阶段化建模和仿真

阶段化混合仿真先将一个动态过程分解为若干阶段，然后建立动态模型并求解。动态过程阶段分解或可依据：

1）按照多能设备的动态响应时间划分动态过程的各个阶段，综合能源系统中的部分环节动态响应时间常数如图2所示。可见动态响应时间变化范围非常大，从几微秒到几天时间。

图2 综合能源系统中的部分环节动态响应时间常数

2）按照工质状态相变临界点划分为不同阶段，如工质由液态转变为气液混合态过程中其状态量和特性都发生显著变化。

对上述动态过程阶段划分原则建立的各阶段仿真模型，按照现有的解算算法进行解算，存在耦合的各阶段模型之间在衔接处存在数值问题。针对多时间尺度物理过程融合，可通过建模方法确保有效衔接各个阶段模型的解：通过若干不同响应速度的线性动力系统模型的解的叠加来近似多时间尺度物理过程。针对工质质变的阶段化模型，工质物性方程可用于衔接相邻2个阶段模型解。

3.2 多模式混合仿真

针对综合能源系统宽时间尺度特性和不同能源系统机理差异带来的建模和解算方法差异的现象，综合能源系统在时间和空间上按照多模式混合仿真过程划分为多个不同的子系统，应用符合各自能源特点的算法求解不同的子系统。综合能源系统空间划分原则：

1）按照不同的能源属性划分：如电力系统和燃料管网建模和模型解算方法都有很大差异，应分别建立电力和燃气能源子网模型，2个子系统在冷热电三联供机组处建立耦合接口，联立进行多模式混合仿真。

2）按照不同的仿真模式划分：充分利用成熟的模型和求解方法，根据建模和求解方法不同划分网络，根据研究需要在不同位置任意选择接口，并按照建模方程和算法联立融合。

3）按照不同的动态响应时间常数划分：如电力系统仿真分为电磁暂态过程仿真和机电暂态过程仿真，电磁暂态数字仿真的计算步长通常取若干微秒至200 µs，机电暂态仿真建模相对简单，仿真步长常取5～10 ms。各子系统在混合仿真计算过程中，其他部分在系统划分边界等效建模，接口应能反应能量相互作用和转化过程，并考充分虑模型和求解方法的差异。

3.3 模型解算并行算法

利用并行算法把原有大规模的计算问题分解成为多个子任务，并在不同的处理单元上进行计算，减少串行计算的比重，实现算法整体的并行化，从而缩短系统计算时长。可以利用以下几种方式进行并行算法的设计：

1）运行常规串行代码程序时，可根据任务间的数据传递关系及控制关系，挖掘串行程序中的并行可能性，设计串行到并行的划分模型，基于此模型提出一种新的并行算法，将串行程序按需拆分为多个部分置于不同核上，重新确定收敛条件，设计出基于串行程序的并行算法。

2）基于对整个综合能源系统多层面研究的基础，将不同区域按照不同交互方式进行不同划分，确定子网络间并行交互的信息流、数据流、控制流，确定收敛条件，设计新的并行算法。

3）并行线程通信优化，如对计算过程的消息进行合成、对计算进程进行组合、应用多线程技术降低并行中计算中的通信消耗，可有效提高系统利用率，增强整体并行计算性能。

4、综合能源仿真的技术难点

综合能源系统为实现多种能源的综合利用、提升能源设备和新能源利用率等目标提供了一种有效途径。实际上，以电网为核心的多能系统的建设和运维中，仍然面临许多难题和未详知的特性，如多能系统的宽时间尺度特性、不同类型能源设备和系统耦合和交互影响的特点，以及不同能源网机理差异造成的建模仿真的差异。这使得系统的仿真实现较为困难。以冷热电综合能源系统为例，应采用怎样的协调优化控制策略调节系统中不同品质能源的比例，才能体现系统的高效性和经济性；当某一子系统中发生故障时，对其他各子系统的影响如何；故障发生后，系统需要多长时间恢复稳定状态，应采取怎样的控制措施才能最大限度地使系统保持稳定；各种备用发电和储能单元对电网或系统的支撑作用等，均为亟待解决的难题。就目前的现状，针对综合能源的仿真研究多以静态模型、仿真及其应用为主流，而针对系统级的动态和暂态建模、仿真只是刚起步，且面临诸多问题，主要是以下几类：

1）目前微电网、各类多能主动配网的仿真，仅仅是传统电力系统暂态仿真的延伸，它无法克服传统暂态仿真的缺点。另外，常见的各种能源系统仿真仅针对电力或热力系统等某种单一类型能源，而且仿真程序相对独立，不能联立仿真包含“电–气–热–冷”的综合能源系统。

2）大规模非线性系统的仿真求解问题。综合能源网是一个复杂的大规模非线性系统，含有大量不同时间常数的组分，有些组分具有快变特征而有些组分则具有慢变特征。在综合能源系统中，既可能存在以燃气轮机提供机械动力推动的同步发电机等具有较大时间常数的旋转设备，又可能存在光伏组件等非旋转设备和具有快速响应的电力电子设备。针对综合能源网中存在结构的多样性、时间尺度的差异性以及各部分之间耦合关系的复杂性等问题，均需展开详细的分析研究。

3）物理机理的差异性导致系统统一建模表示方法难度大。由于系统中某些部件涉及的物理过程相对漫长，在运行演化过程中参数状态变化比较大，用一组方程往往不能正确描述其实际变化过程。另外，在热动力模块或电/热储能环节中，如相变储能、电化学储能/发电部分等，由于工质或物理/化学过程存在机理上的变化，与传统电力系统建模的理论和方法可能存在较大差异，因此需要进一步研究和探索新的建模方法。

综上所述，综合能源仿真的技术难点可归结为以下5点：

1）设计能够体现综合能源系统中设备–设备、设备–系统、系统–系统耦合关系及能够反映系统物理过程机理的动态仿真架构；

2）建立能够适用于系统级动态仿真的综合能源系统关键设备和部件仿真模型及能体现跨能源接口的可变时间尺度模型；

3）建立可随系统仿真精度和效率要求的可变精度系统设备、部件动态模型；

4）能够实现阶段化模型解有效衔接的算法及接口联立解算算法的设计；

5）提出能够改善系统并行计算效率及实时数据交互效率的方法。

5、结语

我国当前正面临资源紧张、现有能源和设备利用率低、新能源消纳、环境污染和气候变化等一系列问题。综合能源系统是探究不同能源内部运行机理、推广能源先进技术的当下热点。但其突出、形式多样和复杂的暂态、动态稳定问题，加大了对综合能源系统行为特性分析研究、运行控制的难度。出于系统安全运行的考虑，不能通过施加各种扰动试验来了解其动态特性，于是增加对系统动态特性的了解最有效的方法就是通过动态仿真。本文从综合能源系统的定义入手，分析了综合能源仿真的应用范畴和意义，在此基础上从系统统一描述、建模、模型解算及并行化计算等方面给出了拟开展的综合能源仿真工作的技术路线，并分析了主要的技术难点，对于探究综合能源动态仿真关键技术，形成可行的、系统的仿真技术体系有一定的借鉴意义。    

作者简介

马凯琪，男，博士研究生，工程师，研究方向为电力系统综合能源微电网仿真。

吴迪，男，硕士，工程师，研究方向为综合能源系统设计仿真，微电网系统设计。

郑灏，男，本科，工程师，研究方向为综合能源系统设计、电力系统继电保护。

引文信息

马凯琪，吴迪，郑灏．综合能源系统混合仿真技术路线探讨［J］．供用电，2018，35（7）：28-33.

MA Kaiqi，WU Di，ZHENG Hao.A look at hybrid simulation technology for integrated energy system ［J］．Distribution & Utilization，2018，35（7）：28-33.