綜合能源系統(tǒng)混合仿真技術(shù)路線探討
馬凱琪，吳迪，鄭灝
（1．奧爾堡大學(xué)，丹麥?奧爾堡 DK-9100；2．許繼集團(tuán)有限公司，河南?許昌 461000）
摘 要：
綜合能源系統(tǒng)是在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，引入熱動系統(tǒng)、熱力網(wǎng)、燃料管網(wǎng)等非電能源載體，多種能源綜合分配、互補利用，涵蓋多種能源發(fā)/輸/儲/用的綜合性系統(tǒng)。當(dāng)前，國內(nèi)針對綜合能源系統(tǒng)重點關(guān)注其技術(shù)可行性、源–荷匹配、能量運輸路徑和經(jīng)濟性等因素；技術(shù)方面主要考慮多種能源的源與荷在多種可能的運行工況下的匹配、能源系統(tǒng)定工況計算與靜態(tài)穩(wěn)定等，尚無系統(tǒng)的開展對綜合能源系統(tǒng)設(shè)備層級和系統(tǒng)層級的動態(tài)特性研究成果。文章從綜合能源系統(tǒng)建設(shè)需求入手，分析了綜合能源動態(tài)仿真技術(shù)的必要性和迫切性，從系統(tǒng)、模型、計算3個層面梳理了擬開展研究的技術(shù)路線和技術(shù)難點，亦是開展綜合能源系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)研究先期工作的總結(jié)，對后續(xù)綜合能源動態(tài)仿真系統(tǒng)的規(guī)劃與建設(shè)有良好的指導(dǎo)意義。
0、引言
能源發(fā)展與經(jīng)濟社會發(fā)展緊密聯(lián)系、高度耦合，決定了能源供需與經(jīng)濟、社會、環(huán)境、資源等密切相關(guān)。當(dāng)前隨著經(jīng)濟發(fā)展對能源需求的變化，傳統(tǒng)能源資源的匱乏、能源結(jié)構(gòu)的不合理配置、氣候環(huán)境的惡化、能源及設(shè)備利用率低下、能源政策調(diào)控等因素，均對能源系統(tǒng)的發(fā)展有重要影響。近幾年，我國能源領(lǐng)域體制改革不斷深化，電力、油氣行業(yè)改革邁出重要步伐，競爭性環(huán)節(jié)市場更加開放，能源行業(yè)融合發(fā)展協(xié)調(diào)推進(jìn)。
伴隨我國能源結(jié)構(gòu)性調(diào)整，打破原有各能源供用，如供電、供氣、供冷、熱等系統(tǒng)單獨規(guī)劃、單獨設(shè)計和獨立運行的既有模式，在規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運行階段，對多種供用能系統(tǒng)進(jìn)行整體上的協(xié)調(diào)、配合和優(yōu)化，并最終實現(xiàn)一體化的多種能源系統(tǒng)，是實現(xiàn)社會用能效率最優(yōu)、促進(jìn)可再生能源規(guī)?；谩崿F(xiàn)人類能源可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。在當(dāng)前推行電力體制改革的背景下，綜合能源系統(tǒng)越來越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注和認(rèn)可。目前，國內(nèi)綜合能源系統(tǒng)尚在可研、規(guī)劃設(shè)計以及相關(guān)示范工程的啟動、建設(shè)階段；在國外，也少有可參考的成熟案例。
綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計階段重點關(guān)注技術(shù)可行性、源–荷匹配及能量運輸路徑和經(jīng)濟性等因素；技術(shù)方面主要考慮多種能源的源與荷在多種可能的運行工況下的匹配、定工況計算與靜態(tài)穩(wěn)定等，對綜合能源系統(tǒng)的動態(tài)特性研究只局限于非電系統(tǒng)的特定設(shè)備和電力系統(tǒng)層級。綜合能源系統(tǒng)中由多尺度序貫控制機制、低慣性和寬頻帶響應(yīng)特性引起能源系統(tǒng)設(shè)備之間及多能系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間的復(fù)雜交互作用，勢必帶來更加突出、形式更加多樣和復(fù)雜的綜合能源暫態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定問題。
出于系統(tǒng)安全運行考慮，不能通過施加各種擾動試驗來了解其動態(tài)特性，于是增加對系統(tǒng)動態(tài)特性的了解最有效的方法就是通過動態(tài)仿真?？v觀目前電網(wǎng)、微電網(wǎng)、熱電廠、熱力系統(tǒng)等能源系統(tǒng)的既有仿真技術(shù)手段，其并不能滿足綜合能源系統(tǒng)動態(tài)、暫態(tài)仿真的需求。因此，開展綜合能源系統(tǒng)混合仿真關(guān)鍵技術(shù)及平臺建設(shè)研究，將對綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)、穩(wěn)定經(jīng)濟優(yōu)化運行與動態(tài)調(diào)控、新型設(shè)備研發(fā)和測試，起到強有力的支撐作用。
1、綜合能源系統(tǒng)的基本概念
綜合能源系統(tǒng)是以電力為核心，在能源生產(chǎn)與消費革命、“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下被設(shè)計提出，是基于互聯(lián)網(wǎng)思維和理念構(gòu)建的新型信息–能源融合的復(fù)雜系統(tǒng)，其目的在于促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和大幅提高能源在傳輸、配送和終端利用中的利用效率。綜合能源系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 綜合能源系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)
由冷熱電綜合系統(tǒng)、天然氣管網(wǎng)以及儲能單元等構(gòu)成的混合多能系統(tǒng)，是綜合能源系統(tǒng)的物理核心，體現(xiàn)了綜合能源“源–網(wǎng)–荷–儲”各環(huán)節(jié)形式多樣性、“源–荷–儲”交叉共建、能量轉(zhuǎn)化機理和系統(tǒng)運行特性復(fù)雜等特征。綜合能源系統(tǒng)中的“源–網(wǎng)–荷–儲”含義進(jìn)一步深化，“源”主要包括各類一二次能源，如電力、石油、天然氣、煤炭、地?zé)?、生物質(zhì)等；“網(wǎng)”主要包括電網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)、供熱/冷管網(wǎng)、供水管網(wǎng)、氫氣管網(wǎng)等多種能源網(wǎng)絡(luò)；“荷”主要包括電力負(fù)荷、供暖負(fù)荷、供冷負(fù)荷、天然氣負(fù)荷、熱水負(fù)荷、蒸汽負(fù)荷等；“儲”主要包括各類電力儲能裝置，蓄冷蓄熱裝置。綜合能源系統(tǒng)的目標(biāo)是“源–網(wǎng)–荷–儲”縱向協(xié)調(diào)優(yōu)化，水電氣熱橫向多能協(xié)同互補。
2、綜合能源仿真的范疇和意義
綜合能源系統(tǒng)仿真平臺應(yīng)可以涵蓋電、熱、冷、氣等多個子系統(tǒng)和供應(yīng)側(cè)、傳輸側(cè)、需求側(cè)各環(huán)節(jié)，為綜合能源系統(tǒng)整體的優(yōu)化規(guī)劃、協(xié)調(diào)運行、可靠性評價等各環(huán)節(jié)提供基礎(chǔ)仿真，為綜合能源系統(tǒng)的研究及應(yīng)用提供仿真平臺支撐。
目前，綜合能源網(wǎng)工程建設(shè)得到各級政府的大力支持。然而，并沒有足夠成熟的理論和技術(shù)為工程規(guī)劃建設(shè)、系統(tǒng)運行維護(hù)提供支撐作用。綜合能源混合仿真系統(tǒng)未來可在以下領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：
1）應(yīng)用于國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)、外的科研單位及高校院校，開展綜合能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、經(jīng)濟運行優(yōu)化、調(diào)控策略等理論研究；
2）應(yīng)用于電力、能源設(shè)計單位，支撐能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計；
3）應(yīng)用于電力能源裝備制造廠家，構(gòu)建多能系統(tǒng)及裝備研發(fā)的實驗環(huán)境；
4）應(yīng)用于電力行業(yè)下屬入網(wǎng)檢測機構(gòu)，提供設(shè)備檢測和仿真測試手段；
5）應(yīng)用于電力公司、售電公司培訓(xùn)機構(gòu)，為運行維護(hù)人員提供仿真實訓(xùn)環(huán)境。
針對綜合能源系統(tǒng)動態(tài)過程覆蓋時間尺度寬廣、不同類型能源設(shè)備和系統(tǒng)耦合和交互影響，以及不同能源網(wǎng)機理差異造成建模仿真差異的特點，提出并研究綜合能源系統(tǒng)混合仿真理論及關(guān)鍵技術(shù)；基于綜合能源系統(tǒng)混合仿真理論及關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)混合仿真平臺，其意義體現(xiàn)在：
1）基于仿真系統(tǒng)提升綜合能源網(wǎng)工程的規(guī)劃設(shè)計水平，合理降低工程造價、節(jié)約建設(shè)成本；
2）應(yīng)用仿真系統(tǒng)研究綜合能源系統(tǒng)安全運行技術(shù)，提高供電及供能可靠性，全面提升系統(tǒng)可用率；
3）基于仿真系統(tǒng)研究經(jīng)濟優(yōu)化運行、系統(tǒng)動態(tài)調(diào)控策略，提升綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟運行水平，節(jié)約運行成本；
4）仿真平臺能夠為設(shè)備的研發(fā)縮短設(shè)計周期，并且能夠進(jìn)行性能預(yù)測和設(shè)計優(yōu)化。
3、綜合能源仿真的技術(shù)路線
在綜合能源系統(tǒng)仿真的模型求解中，響應(yīng)快速的設(shè)備和子系統(tǒng)需要小步長解算，以保證算法收斂性和精度。由電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和（或）化學(xué)能（化學(xué)儲能系統(tǒng)、天然氣輸送管道系統(tǒng)等）構(gòu)成的綜合能源系統(tǒng)中，相對單個組成系統(tǒng)的時間尺度進(jìn)一步被拓寬：由幾十微秒甚至更小的響應(yīng)時間延伸到數(shù)小時；另外，系統(tǒng)中引入了能源系統(tǒng)動態(tài)元件長過程狀態(tài)質(zhì)變現(xiàn)象，使得系統(tǒng)的復(fù)雜程度進(jìn)一步提升，如吸收式制冷系統(tǒng)開機過程中，發(fā)生器溶液被加熱直到飽和溫度，認(rèn)為自然對流換熱，而后蒸汽開始發(fā)生，對這種情況，用一組模型方程往往難以正確描述多個階段變化的物理過程。因此，應(yīng)采用階段化多模式混合仿真技術(shù)對綜合能源系統(tǒng)展開研究。綜合能源仿真系統(tǒng)實施方案如圖3所示。
圖3 綜合能源仿真系統(tǒng)實施方案
3.1 階段化建模和仿真
階段化混合仿真先將一個動態(tài)過程分解為若干階段，然后建立動態(tài)模型并求解。動態(tài)過程階段分解或可依據(jù)：
1）按照多能設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)時間劃分動態(tài)過程的各個階段，綜合能源系統(tǒng)中的部分環(huán)節(jié)動態(tài)響應(yīng)時間常數(shù)如圖2所示?？梢妱討B(tài)響應(yīng)時間變化范圍非常大，從幾微秒到幾天時間。
圖2 綜合能源系統(tǒng)中的部分環(huán)節(jié)動態(tài)響應(yīng)時間常數(shù)
2）按照工質(zhì)狀態(tài)相變臨界點劃分為不同階段，如工質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖夯旌蠎B(tài)過程中其狀態(tài)量和特性都發(fā)生顯著變化。
對上述動態(tài)過程階段劃分原則建立的各階段仿真模型，按照現(xiàn)有的解算算法進(jìn)行解算，存在耦合的各階段模型之間在銜接處存在數(shù)值問題。針對多時間尺度物理過程融合，可通過建模方法確保有效銜接各個階段模型的解：通過若干不同響應(yīng)速度的線性動力系統(tǒng)模型的解的疊加來近似多時間尺度物理過程。針對工質(zhì)質(zhì)變的階段化模型，工質(zhì)物性方程可用于銜接相鄰2個階段模型解。
3.2 多模式混合仿真
針對綜合能源系統(tǒng)寬時間尺度特性和不同能源系統(tǒng)機理差異帶來的建模和解算方法差異的現(xiàn)象，綜合能源系統(tǒng)在時間和空間上按照多模式混合仿真過程劃分為多個不同的子系統(tǒng)，應(yīng)用符合各自能源特點的算法求解不同的子系統(tǒng)。綜合能源系統(tǒng)空間劃分原則：
1）按照不同的能源屬性劃分：如電力系統(tǒng)和燃料管網(wǎng)建模和模型解算方法都有很大差異，應(yīng)分別建立電力和燃?xì)饽茉醋泳W(wǎng)模型，2個子系統(tǒng)在冷熱電三聯(lián)供機組處建立耦合接口，聯(lián)立進(jìn)行多模式混合仿真。
2）按照不同的仿真模式劃分：充分利用成熟的模型和求解方法，根據(jù)建模和求解方法不同劃分網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)研究需要在不同位置任意選擇接口，并按照建模方程和算法聯(lián)立融合。
3）按照不同的動態(tài)響應(yīng)時間常數(shù)劃分：如電力系統(tǒng)仿真分為電磁暫態(tài)過程仿真和機電暫態(tài)過程仿真，電磁暫態(tài)數(shù)字仿真的計算步長通常取若干微秒至200?μs，機電暫態(tài)仿真建模相對簡單，仿真步長常取5～10 ms。各子系統(tǒng)在混合仿真計算過程中，其他部分在系統(tǒng)劃分邊界等效建模，接口應(yīng)能反應(yīng)能量相互作用和轉(zhuǎn)化過程，并考充分慮模型和求解方法的差異。
3.3 模型解算并行算法
利用并行算法把原有大規(guī)模的計算問題分解成為多個子任務(wù)，并在不同的處理單元上進(jìn)行計算，減少串行計算的比重，實現(xiàn)算法整體的并行化，從而縮短系統(tǒng)計算時長?？梢岳靡韵聨追N方式進(jìn)行并行算法的設(shè)計：
1）運行常規(guī)串行代碼程序時，可根據(jù)任務(wù)間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系及控制關(guān)系，挖掘串行程序中的并行可能性，設(shè)計串行到并行的劃分模型，基于此模型提出一種新的并行算法，將串行程序按需拆分為多個部分置于不同核上，重新確定收斂條件，設(shè)計出基于串行程序的并行算法。
2）基于對整個綜合能源系統(tǒng)多層面研究的基礎(chǔ)，將不同區(qū)域按照不同交互方式進(jìn)行不同劃分，確定子網(wǎng)絡(luò)間并行交互的信息流、數(shù)據(jù)流、控制流，確定收斂條件，設(shè)計新的并行算法。
3）并行線程通信優(yōu)化，如對計算過程的消息進(jìn)行合成、對計算進(jìn)程進(jìn)行組合、應(yīng)用多線程技術(shù)降低并行中計算中的通信消耗，可有效提高系統(tǒng)利用率，增強整體并行計算性能。
4、綜合能源仿真的技術(shù)難點
綜合能源系統(tǒng)為實現(xiàn)多種能源的綜合利用、提升能源設(shè)備和新能源利用率等目標(biāo)提供了一種有效途徑。實際上，以電網(wǎng)為核心的多能系統(tǒng)的建設(shè)和運維中，仍然面臨許多難題和未詳知的特性，如多能系統(tǒng)的寬時間尺度特性、不同類型能源設(shè)備和系統(tǒng)耦合和交互影響的特點，以及不同能源網(wǎng)機理差異造成的建模仿真的差異。這使得系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)較為困難。以冷熱電綜合能源系統(tǒng)為例，應(yīng)采用怎樣的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略調(diào)節(jié)系統(tǒng)中不同品質(zhì)能源的比例，才能體現(xiàn)系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性；當(dāng)某一子系統(tǒng)中發(fā)生故障時，對其他各子系統(tǒng)的影響如何；故障發(fā)生后，系統(tǒng)需要多長時間恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)采取怎樣的控制措施才能最大限度地使系統(tǒng)保持穩(wěn)定；各種備用發(fā)電和儲能單元對電網(wǎng)或系統(tǒng)的支撐作用等，均為亟待解決的難題。就目前的現(xiàn)狀，針對綜合能源的仿真研究多以靜態(tài)模型、仿真及其應(yīng)用為主流，而針對系統(tǒng)級的動態(tài)和暫態(tài)建模、仿真只是剛起步，且面臨諸多問題，主要是以下幾類：
1）目前微電網(wǎng)、各類多能主動配網(wǎng)的仿真，僅僅是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真的延伸，它無法克服傳統(tǒng)暫態(tài)仿真的缺點。另外，常見的各種能源系統(tǒng)仿真僅針對電力或熱力系統(tǒng)等某種單一類型能源，而且仿真程序相對獨立，不能聯(lián)立仿真包含“電–氣–熱–冷”的綜合能源系統(tǒng)。
2）大規(guī)模非線性系統(tǒng)的仿真求解問題。綜合能源網(wǎng)是一個復(fù)雜的大規(guī)模非線性系統(tǒng)，含有大量不同時間常數(shù)的組分，有些組分具有快變特征而有些組分則具有慢變特征。在綜合能源系統(tǒng)中，既可能存在以燃?xì)廨啓C提供機械動力推動的同步發(fā)電機等具有較大時間常數(shù)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，又可能存在光伏組件等非旋轉(zhuǎn)設(shè)備和具有快速響應(yīng)的電力電子設(shè)備。針對綜合能源網(wǎng)中存在結(jié)構(gòu)的多樣性、時間尺度的差異性以及各部分之間耦合關(guān)系的復(fù)雜性等問題，均需展開詳細(xì)的分析研究。
3）物理機理的差異性導(dǎo)致系統(tǒng)統(tǒng)一建模表示方法難度大。由于系統(tǒng)中某些部件涉及的物理過程相對漫長，在運行演化過程中參數(shù)狀態(tài)變化比較大，用一組方程往往不能正確描述其實際變化過程。另外，在熱動力模塊或電/熱儲能環(huán)節(jié)中，如相變儲能、電化學(xué)儲能/發(fā)電部分等，由于工質(zhì)或物理/化學(xué)過程存在機理上的變化，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建模的理論和方法可能存在較大差異，因此需要進(jìn)一步研究和探索新的建模方法。
綜上所述，綜合能源仿真的技術(shù)難點可歸結(jié)為以下5點：
1）設(shè)計能夠體現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)中設(shè)備–設(shè)備、設(shè)備–系統(tǒng)、系統(tǒng)–系統(tǒng)耦合關(guān)系及能夠反映系統(tǒng)物理過程機理的動態(tài)仿真架構(gòu)；
2）建立能夠適用于系統(tǒng)級動態(tài)仿真的綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備和部件仿真模型及能體現(xiàn)跨能源接口的可變時間尺度模型；
3）建立可隨系統(tǒng)仿真精度和效率要求的可變精度系統(tǒng)設(shè)備、部件動態(tài)模型；
4）能夠?qū)崿F(xiàn)階段化模型解有效銜接的算法及接口聯(lián)立解算算法的設(shè)計；
5）提出能夠改善系統(tǒng)并行計算效率及實時數(shù)據(jù)交互效率的方法。
5、結(jié)語
我國當(dāng)前正面臨資源緊張、現(xiàn)有能源和設(shè)備利用率低、新能源消納、環(huán)境污染和氣候變化等一系列問題。綜合能源系統(tǒng)是探究不同能源內(nèi)部運行機理、推廣能源先進(jìn)技術(shù)的當(dāng)下熱點。但其突出、形式多樣和復(fù)雜的暫態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定問題，加大了對綜合能源系統(tǒng)行為特性分析研究、運行控制的難度。出于系統(tǒng)安全運行的考慮，不能通過施加各種擾動試驗來了解其動態(tài)特性，于是增加對系統(tǒng)動態(tài)特性的了解最有效的方法就是通過動態(tài)仿真。本文從綜合能源系統(tǒng)的定義入手，分析了綜合能源仿真的應(yīng)用范疇和意義，在此基礎(chǔ)上從系統(tǒng)統(tǒng)一描述、建模、模型解算及并行化計算等方面給出了擬開展的綜合能源仿真工作的技術(shù)路線，并分析了主要的技術(shù)難點，對于探究綜合能源動態(tài)仿真關(guān)鍵技術(shù)，形成可行的、系統(tǒng)的仿真技術(shù)體系有一定的借鑒意義。
作者簡介
馬凱琪，男，博士研究生，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)綜合能源微電網(wǎng)仿真。
吳迪，男，碩士，工程師，研究方向為綜合能源系統(tǒng)設(shè)計仿真，微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計。
鄭灝，男，本科，工程師，研究方向為綜合能源系統(tǒng)設(shè)計、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。
引文信息
馬凱琪，吳迪，鄭灝．綜合能源系統(tǒng)混合仿真技術(shù)路線探討［J］．供用電，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.
