綜合能源系統混合仿真技術路線探討

馬凱琪，吳迪，鄭灝

（1．奧爾堡大學，丹麥 奧爾堡 DK-9100；2．許繼集團有限公司，河南 許昌  461000）

摘　要：

綜合能源系統是在智能電網的基礎上，引入熱動系統、熱力網、燃料管網等非電能源載體，多種能源綜合分配、互補利用，涵蓋多種能源發/輸/儲/用的綜合性系統。當前，國內針對綜合能源系統重點關注其技術可行性、源–荷匹配、能量運輸路徑和經濟性等因素；技術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、能源系統定工況計算與靜態穩定等，尚無系統的開展對綜合能源系統設備層級和系統層級的動態特性研究成果。文章從綜合能源系統建設需求入手，分析了綜合能源動態仿真技術的必要性和迫切性，從系統、模型、計算3個層面梳理了擬開展研究的技術路線和技術難點，亦是開展綜合能源系統動態仿真技術研究先期工作的總結，對后續綜合能源動態仿真系統的規劃與建設有良好的指導意義。

0、引言

能源發展與經濟社會發展緊密聯系、高度耦合，決定了能源供需與經濟、社會、環境、資源等密切相關。當前隨著經濟發展對能源需求的變化，傳統能源資源的匱乏、能源結構的不合理配置、氣候環境的惡化、能源及設備利用率低下、能源政策調控等因素，均對能源系統的發展有重要影響。近幾年，我國能源領域體制改革不斷深化，電力、油氣行業改革邁出重要步伐，競爭性環節市場更加開放，能源行業融合發展協調推進。

伴隨我國能源結構性調整，打破原有各能源供用，如供電、供氣、供冷、熱等系統單獨規劃、單獨設計和獨立運行的既有模式，在規劃、設計、建設和運行階段，對多種供用能系統進行整體上的協調、配合和優化，并最終實現一體化的多種能源系統，是實現社會用能效率最優、促進可再生能源規模化利用、實現人類能源可持續發展的必經之路。在當前推行電力體制改革的背景下，綜合能源系統越來越受到業內人士的關注和認可。目前，國內綜合能源系統尚在可研、規劃設計以及相關示范工程的啟動、建設階段；在國外，也少有可參考的成熟案例。

綜合能源系統規劃設計階段重點關注技術可行性、源–荷匹配及能量運輸路徑和經濟性等因素；技術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、定工況計算與靜態穩定等，對綜合能源系統的動態特性研究只局限于非電系統的特定設備和電力系統層級。綜合能源系統中由多尺度序貫控制機制、低慣性和寬頻帶響應特性引起能源系統設備之間及多能系統與外部系統之間的復雜交互作用，勢必帶來更加突出、形式更加多樣和復雜的綜合能源暫態、動態穩定問題。

出于系統安全運行考慮，不能通過施加各種擾動試驗來了解其動態特性，于是增加對系統動態特性的了解最有效的方法就是通過動態仿真。縱觀目前電網、微電網、熱電廠、熱力系統等能源系統的既有仿真技術手段，其并不能滿足綜合能源系統動態、暫態仿真的需求。因此，開展綜合能源系統混合仿真關鍵技術及平臺建設研究，將對綜合能源系統的規劃建設、穩定經濟優化運行與動態調控、新型設備研發和測試，起到強有力的支撐作用。

1、綜合能源系統的基本概念

綜合能源系統是以電力為核心，在能源生產與消費革命、“互聯網+”背景下被設計提出，是基于互聯網思維和理念構建的新型信息–能源融合的復雜系統，其目的在于促進能源結構調整和大幅提高能源在傳輸、配送和終端利用中的利用效率。綜合能源系統的典型結構如圖1所示。

圖1 綜合能源系統典型結構

由冷熱電綜合系統、天然氣管網以及儲能單元等構成的混合多能系統，是綜合能源系統的物理核心，體現了綜合能源“源–網–荷–儲”各環節形式多樣性、“源–荷–儲”交叉共建、能量轉化機理和系統運行特性復雜等特征。綜合能源系統中的“源–網–荷–儲”含義進一步深化，“源”主要包括各類一二次能源，如電力、石油、天然氣、煤炭、地熱、生物質等；“網”主要包括電網、天然氣管網、供熱/冷管網、供水管網、氫氣管網等多種能源網絡；“荷”主要包括電力負荷、供暖負荷、供冷負荷、天然氣負荷、熱水負荷、蒸汽負荷等；“儲”主要包括各類電力儲能裝置，蓄冷蓄熱裝置。綜合能源系統的目標是“源–網–荷–儲”縱向協調優化，水電氣熱橫向多能協同互補。

2、綜合能源仿真的范疇和意義

綜合能源系統仿真平臺應可以涵蓋電、熱、冷、氣等多個子系統和供應側、傳輸側、需求側各環節，為綜合能源系統整體的優化規劃、協調運行、可靠性評價等各環節提供基礎仿真，為綜合能源系統的研究及應用提供仿真平臺支撐。

目前，綜合能源網工程建設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為工程規劃建設、系統運行維護提供支撐作用。綜合能源混合仿真系統未來可在以下領域得到廣泛應用：

1）應用于國家電網公司系統內、外的科研單位及高校院校，開展綜合能源系統的穩定運行、經濟運行優化、調控策略等理論研究；

2）應用于電力、能源設計單位，支撐能源系統的規劃設計；

3）應用于電力能源裝備制造廠家，構建多能系統及裝備研發的實驗環境；

4）應用于電力行業下屬入網檢測機構，提供設備檢測和仿真測試手段；

5）應用于電力公司、售電公司培訓機構，為運行維護人員提供仿真實訓環境。

針對綜合能源系統動態過程覆蓋時間尺度寬廣、不同類型能源設備和系統耦合和交互影響，以及不同能源網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混合仿真理論及關鍵技術；基于綜合能源系統混合仿真理論及關鍵技術構建綜合能源系統混合仿真平臺，其意義體現在：

1）基于仿真系統提升綜合能源網工程的規劃設計水平，合理降低工程造價、節約建設成本；

2）應用仿真系統研究綜合能源系統安全運行技術，提高供電及供能可靠性，全面提升系統可用率；

3）基于仿真系統研究經濟優化運行、系統動態調控策略，提升綜合能源系統經濟運行水平，節約運行成本；

4）仿真平臺能夠為設備的研發縮短設計周期，并且能夠進行性能預測和設計優化。

3、綜合能源仿真的技術路線

在綜合能源系統仿真的模型求解中，響應快速的設備和子系統需要小步長解算，以保證算法收斂性和精度。由電力系統、熱力系統和（或）化學能（化學儲能系統、天然氣輸送管道系統等）構成的綜合能源系統中，相對單個組成系統的時間尺度進一步被拓寬：由幾十微秒甚至更小的響應時間延伸到數小時；另外，系統中引入了能源系統動態元件長過程狀態質變現象，使得系統的復雜程度進一步提升，如吸收式制冷系統開機過程中，發生器溶液被加熱直到飽和溫度，認為自然對流換熱，而后蒸汽開始發生，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，應采用階段化多模式混合仿真技術對綜合能源系統展開研究。綜合能源仿真系統實施方案如圖3所示。

圖3  綜合能源仿真系統實施方案

3.1  階段化建模和仿真

階段化混合仿真先將一個動態過程分解為若干階段，然后建立動態模型并求解。動態過程階段分解或可依據：

1）按照多能設備的動態響應時間劃分動態過程的各個階段，綜合能源系統中的部分環節動態響應時間常數如圖2所示。可見動態響應時間變化范圍非常大，從幾微秒到幾天時間。

圖2 綜合能源系統中的部分環節動態響應時間常數

2）按照工質狀態相變臨界點劃分為不同階段，如工質由液態轉變為氣液混合態過程中其狀態量和特性都發生顯著變化。

對上述動態過程階段劃分原則建立的各階段仿真模型，按照現有的解算算法進行解算，存在耦合的各階段模型之間在銜接處存在數值問題。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：通過若干不同響應速度的線性動力系統模型的解的疊加來近似多時間尺度物理過程。針對工質質變的階段化模型，工質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

針對綜合能源系統寬時間尺度特性和不同能源系統機理差異帶來的建模和解算方法差異的現象，綜合能源系統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，應用符合各自能源特點的算法求解不同的子系統。綜合能源系統空間劃分原則：

1）按照不同的能源屬性劃分：如電力系統和燃料管網建模和模型解算方法都有很大差異，應分別建立電力和燃氣能源子網模型，2個子系統在冷熱電三聯供機組處建立耦合接口，聯立進行多模式混合仿真。

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，根據建模和求解方法不同劃分網絡，根據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立融合。

3）按照不同的動態響應時間常數劃分：如電力系統仿真分為電磁暫態過程仿真和機電暫態過程仿真，電磁暫態數字仿真的計算步長通常取若干微秒至200?µs，機電暫態仿真建模相對簡單，仿真步長常取5～10 ms。各子系統在混合仿真計算過程中，其他部分在系統劃分邊界等效建模，接口應能反應能量相互作用和轉化過程，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模的計算問題分解成為多個子任務，并在不同的處理單元上進行計算，減少串行計算的比重，實現算法整體的并行化，從而縮短系統計算時長。可以利用以下幾種方式進行并行算法的設計：

1）運行常規串行代碼程序時，可根據任務間的數據傳遞關系及控制關系，挖掘串行程序中的并行可能性，設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多層面研究的基礎，將不同區域按照不同交互方式進行不同劃分，確定子網絡間并行交互的信息流、數據流、控制流，確定收斂條件，設計新的并行算法。

3）并行線程通信優化，如對計算過程的消息進行合成、對計算進程進行組合、應用多線程技術降低并行中計算中的通信消耗，可有效提高系統利用率，增強整體并行計算性能。

4、綜合能源仿真的技術難點

綜合能源系統為實現多種能源的綜合利用、提升能源設備和新能源利用率等目標提供了一種有效途徑。實際上，以電網為核心的多能系統的建設和運維中，仍然面臨許多難題和未詳知的特性，如多能系統的寬時間尺度特性、不同類型能源設備和系統耦合和交互影響的特點，以及不同能源網機理差異造成的建模仿真的差異。這使得系統的仿真實現較為困難。以冷熱電綜合能源系統為例，應采用怎樣的協調優化控制策略調節系統中不同品質能源的比例，才能體現系統的高效性和經濟性；當某一子系統中發生故障時，對其他各子系統的影響如何；故障發生后，系統需要多長時間恢復穩定狀態，應采取怎樣的控制措施才能最大限度地使系統保持穩定；各種備用發電和儲能單元對電網或系統的支撐作用等，均為亟待解決的難題。就目前的現狀，針對綜合能源的仿真研究多以靜態模型、仿真及其應用為主流，而針對系統級的動態和暫態建模、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、各類多能主動配網的仿真，僅僅是傳統電力系統暫態仿真的延伸，它無法克服傳統暫態仿真的缺點。另外，常見的各種能源系統仿真僅針對電力或熱力系統等某種單一類型能源，而且仿真程序相對獨立，不能聯立仿真包含“電–氣–熱–冷”的綜合能源系統。

2）大規模非線性系統的仿真求解問題。綜合能源網是一個復雜的大規模非線性系統，含有大量不同時間常數的組分，有些組分具有快變特征而有些組分則具有慢變特征。在綜合能源系統中，既可能存在以燃氣輪機提供機械動力推動的同步發電機等具有較大時間常數的旋轉設備，又可能存在光伏組件等非旋轉設備和具有快速響應的電力電子設備。針對綜合能源網中存在結構的多樣性、時間尺度的差異性以及各部分之間耦合關系的復雜性等問題，均需展開詳細的分析研究。

3）物理機理的差異性導致系統統一建模表示方法難度大。由于系統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狀態變化比較大，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/熱儲能環節中，如相變儲能、電化學儲能/發電部分等，由于工質或物理/化學過程存在機理上的變化，與傳統電力系統建模的理論和方法可能存在較大差異，因此需要進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難點可歸結為以下5點：

1）設計能夠體現綜合能源系統中設備–設備、設備–系統、系統–系統耦合關系及能夠反映系統物理過程機理的動態仿真架構；

2）建立能夠適用于系統級動態仿真的綜合能源系統關鍵設備和部件仿真模型及能體現跨能源接口的可變時間尺度模型；

3）建立可隨系統仿真精度和效率要求的可變精度系統設備、部件動態模型；

4）能夠實現階段化模型解有效銜接的算法及接口聯立解算算法的設計；

5）提出能夠改善系統并行計算效率及實時數據交互效率的方法。

5、結語

我國當前正面臨資源緊張、現有能源和設備利用率低、新能源消納、環境污染和氣候變化等一系列問題。綜合能源系統是探究不同能源內部運行機理、推廣能源先進技術的當下熱點。但其突出、形式多樣和復雜的暫態、動態穩定問題，加大了對綜合能源系統行為特性分析研究、運行控制的難度。出于系統安全運行的考慮，不能通過施加各種擾動試驗來了解其動態特性，于是增加對系統動態特性的了解最有效的方法就是通過動態仿真。本文從綜合能源系統的定義入手，分析了綜合能源仿真的應用范疇和意義，在此基礎上從系統統一描述、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路線，并分析了主要的技術難點，對于探究綜合能源動態仿真關鍵技術，形成可行的、系統的仿真技術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綜合能源微電網仿真。

吳迪，男，碩士，工程師，研究方向為綜合能源系統設計仿真，微電網系統設計。

鄭灝，男，本科，工程師，研究方向為綜合能源系統設計、電力系統繼電保護。

引文信息

馬凱琪，吳迪，鄭灝．綜合能源系統混合仿真技術路線探討［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.