葛磊蛟，李元良，劉航旭，顧志成，杜天碩

（天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津300072）

0 引言

我國城市能源消費需求逐年上升，電、氣、熱等各能源系統(tǒng)相互獨立的供能模式和粗放的能源利用方式極大地制約了城市能源系統(tǒng)的發(fā)展，面臨著能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)不合理、綜合利用效率低、可再生能源消納能力不足等問題［1］。因此，為了實現(xiàn)多種能源互補共濟與高效利用，提高供能的可靠性和經(jīng)濟性，城市能源互聯(lián)網(wǎng)（Urban Energy Internet，UEI）技術(shù)應(yīng)運而生。2011年美國學者杰里米·里夫金率先提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念，如今，能源互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。而城市作為區(qū)域的用能中心，構(gòu)建UEI對于推動城市、國家乃至整個社會的能源發(fā)展都具有積極的意義。UEI示范工程已經(jīng)在京津塘、長三角等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)先行落地。

UEI的核心思想是以電為中心，構(gòu)建廣泛互聯(lián)、開放共享、再電氣化、低碳環(huán)保的城市綜合能源系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的供能網(wǎng)絡(luò)相比，UEI中冷、熱、電、氣等供能網(wǎng)絡(luò)耦合程度明顯增強。一方面，各能量網(wǎng)絡(luò)通過形式多樣的物理設(shè)備元件形成聯(lián)系，不同品位的能量通過生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、消費過程相互影響，呈現(xiàn)出復雜、多時空尺度的動態(tài)耦合過程；另一方面，多能源網(wǎng)絡(luò)的運行調(diào)度、控制保護和應(yīng)急恢復等調(diào)控邏輯存在依賴和耦合關(guān)系，需要協(xié)調(diào)運行和多能互補。可見，耦合動態(tài)精細化建模和協(xié)調(diào)調(diào)控是UEI成功建設(shè)所需的關(guān)鍵技術(shù)。已有研究表明，時域動態(tài)數(shù)字仿真是研究復雜能源系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)研究工具，是測試和驗證各種調(diào)控策略的必要技術(shù)手段［2］。相對應(yīng)地，建立精細的電、氣、熱網(wǎng)元件動態(tài)仿真模型，構(gòu)建實時仿真平臺，有助于研究能源互聯(lián)網(wǎng)多能耦合機理、刻畫多類型能源轉(zhuǎn)換和耦合網(wǎng)絡(luò)復雜動態(tài)過程，可以為UEI協(xié)調(diào)控制策略提供有效驗證手段。

目前國外典型的UEI仿真系統(tǒng)如美國的EMCAS系統(tǒng)和英國的CASCADE系統(tǒng)等，這些仿真系統(tǒng)都是基于Agent的仿真將各類能源生產(chǎn)者、消費者以及各級各類能源中介抽象為智能行為主體，這些智能行為主體按照一定的規(guī)則在能量網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)以及經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)中與環(huán)境相互作用。國外已出現(xiàn)一些分析綜合能源供需平衡的仿真軟件，如RETScreen、EnergyPlan、DER-CAM等，但這些軟件只能模擬一些簡單的場景，無法滿足UEI復雜的仿真需求。針對單種能源網(wǎng)絡(luò)建模方面，文獻［1］采用直流潮流模型，實現(xiàn)兩步優(yōu)化和雙層優(yōu)化的城市能源互聯(lián)經(jīng)濟調(diào)度求解。文獻［2］提出利用識別參數(shù)敏感度相似性的方法來估計模型參數(shù)，在直供熱管網(wǎng)中，由于管網(wǎng)中狀態(tài)變量（溫度、壓強、流速）具有時空變化性，供熱系統(tǒng)模型大多是根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律對管網(wǎng)中微元進行分析而建立的。文獻［3］提出在天然氣管網(wǎng)中，根據(jù)質(zhì)量、動量和能量平衡方程建立天然氣管道非等溫模型，利用正交配置法對其動態(tài)方程進行求解。對于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較復雜的UEI而言，選取適合的電網(wǎng)模型、天然氣網(wǎng)絡(luò)模型以及供熱管網(wǎng)絡(luò)模型是十分重要的。目前針對UEI的建模通常采用靜態(tài)建模，對各類設(shè)備及能源耦合集成后系統(tǒng)的動態(tài)機理和優(yōu)化特性有待深入研究。

為了實現(xiàn)UEI中各類能源的優(yōu)化利用，文獻［4］研究了基于冷/熱/電三聯(lián)供系統(tǒng)的多區(qū)域UEI的規(guī)劃問題；文獻［5］對電力-天然氣區(qū)域UEI進行了穩(wěn)態(tài)建模和求解，研究了天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變對區(qū)域UEI的影響；文獻［6］提出了一種適用于電、熱、氣的UEI擴展Newton-Raphson多能潮流計算方法，可以在系統(tǒng)不同運行場景下對多能潮流進行計算和分析；文獻［7］提出了一種計及風、光出力和電、熱負荷不確定性的UEI經(jīng)濟調(diào)度模型，利用CVaR理論研究了不確定性因素對系統(tǒng)調(diào)度產(chǎn)生的影響；文獻［8］提出了一種考慮電熱氣耦合的UEI規(guī)劃方法，從設(shè)備類型和輸入能源形式出發(fā)建立基本架構(gòu)；為了實現(xiàn)UEI日前優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用，文獻［9］構(gòu)建了面向UEI的多能流運行模型；文獻［10］提出基于復雜混合網(wǎng)絡(luò)的建模方法，建立起獨有的能量分布機制以及網(wǎng)絡(luò)位置分布機制，但該理論較為抽象，無法描述多能流各自的網(wǎng)絡(luò)變量特征；文獻［10］提出耗散熱阻的概念，使用能量流法實現(xiàn)了UEI中供熱系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的同質(zhì)化分析，但忽略熱工質(zhì)的局部特性；為了解決UEI中多能源間能量傳輸問題，文獻［11］借鑒電-氣-熱網(wǎng)絡(luò)相似的基本建模方法，提出廣義基爾霍夫定律，建立能量等效傳遞方程和能量網(wǎng)絡(luò)方程，但該方法忽略了熱網(wǎng)水力和熱力模型可分開求解的特點，算法趨向復雜，同時也沒有考慮網(wǎng)絡(luò)耦合元件建模。綜上所述，目前已有的建模仿真設(shè)備少并且難以代表未來UEI的典型形態(tài)和運行特性，因此，有必要構(gòu)建新型設(shè)備的UEI靜態(tài)、動態(tài)模型集合，開發(fā)適用的能源耦合UEI的運行仿真工具，以此推動UEI的理論研究及仿真應(yīng)用。

近年來，對多能源系統(tǒng)的耦合仿真多集中于穩(wěn)態(tài)建模和穩(wěn)態(tài)能量流的計算，并未考慮不同能源網(wǎng)絡(luò)之間暫態(tài)過程的耦合。但是，考慮到熱網(wǎng)和氣網(wǎng)暫態(tài)過程的時間常數(shù)很大，實際多能源系統(tǒng)的暫態(tài)過程很難衰減至穩(wěn)態(tài)。因此，傳統(tǒng)適用于電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)建模和計算方法很難準確反應(yīng)多能源系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，有必要研究多能源系統(tǒng)的暫態(tài)建模及仿真方法。多能源系統(tǒng)暫態(tài)模型的本質(zhì)是一系列高維剛性非線性常微分和偏微分代數(shù)方程組。其中，電力網(wǎng)絡(luò)模型本質(zhì)上是大規(guī)模非線性微分代數(shù)方程組，仿真過程通常采用很小的仿真步長（微秒至毫秒級），屬于計算密集型任務(wù)。而熱網(wǎng)和氣網(wǎng)本質(zhì)上是一組大規(guī)模非線性偏微分代數(shù)方程組，仿真過程依賴有限元分析方法對時間和空間同時進行離散。計算中的每一時步都要同時完成空間中所有離散點的計算，該過程數(shù)據(jù)吞吐量大，屬于數(shù)據(jù)密集型任務(wù)。因此，上述計算密集型和數(shù)據(jù)密集型任務(wù)的計算效率很低，必須采用并行技術(shù)對仿真計算進行加速。

為解決以上問題，本文從技術(shù)層面分析了UEI的實時仿真問題。首先，提出了UEI實時仿真的頂層研究框架，從理論層面系統(tǒng)分析了UEI的仿真原理及依據(jù)，進一步從快速建模方法、計算異構(gòu)型融合仿真技術(shù)、能源異構(gòu)型動態(tài)仿真技術(shù)、實時仿真平臺4個方面構(gòu)建城市多重異構(gòu)能源互聯(lián)網(wǎng)實時仿真的關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)，以期為后續(xù)研究工作提供借鑒。

1 UEI實時仿真的頂層設(shè)計框架

UEI中常包含有電力系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的建模仿真技術(shù)研究從研究對象到仿真精度也都有各自的特點。電力系統(tǒng)以電力的生產(chǎn)、運輸、消費為主要研究對象，就研究目的的不同，仿真精度有一定差異，若對其機電暫態(tài)特性進行研究，仿真精度通常為毫秒級，若對電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)進行研究，仿真精度通常為微秒級。燃氣系統(tǒng)通常對燃氣的輸配與消費環(huán)節(jié)為主要研究對象，對其中的燃氣管道、閥門、壓縮機等設(shè)備進行建模仿真，典型的仿真精度是毫秒級或秒級。熱力系統(tǒng)以熱能從熱源到熱網(wǎng)到用戶過程中的熱交換為主要研究對象，通常以水或蒸汽為載體，系統(tǒng)的暫態(tài)過程通常較長，典型的仿真精度是秒級。由于UEI的復雜性，其規(guī)劃、設(shè)計和運行等一系列實際問題，需要強大的仿真工具運營和規(guī)劃分析，考慮不同的目標，包括技術(shù)，經(jīng)濟、能源效率和環(huán)境方面等來給出解決方案，研究UEI仿真及建立UEI實時仿真平臺有重要意義。

UEI穩(wěn)態(tài)過程仿真分析技術(shù)已趨于成熟，但有關(guān)多時空尺度的多能源耦合網(wǎng)絡(luò)動態(tài)過程建模和仿真研究仍處于起步階段，缺乏對UEI中顯著的異構(gòu)特征進行針對性的研究，難以支撐能源互聯(lián)網(wǎng)實時仿真［12］。UEI動態(tài)仿真技術(shù)是將UEI機電暫態(tài)、中期和長期動態(tài)過程相融合的技術(shù)，具體包含超短期電磁暫態(tài)穩(wěn)定分析、短期機電暫態(tài)穩(wěn)定分析以及中長期動態(tài)仿真，以此來描述UEI受擾動后系統(tǒng)的連續(xù)變化過程。多重異構(gòu)UEI動態(tài)仿真技術(shù)的研究框架如圖1所示。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真相比，UEI動態(tài)仿真研究需要考慮以下3個方面異構(gòu)特征：

圖1 多重異構(gòu)城市能源互聯(lián)網(wǎng)動態(tài)仿真架構(gòu)Fig.1 Dynamic simulation architecture of urban energy internet

1）UEI中能源形式是異構(gòu)的，表現(xiàn)為電、熱、氣等能源形式品位不同，生產(chǎn)和消費過程存在差異，且存在相互轉(zhuǎn)換的方向性差異［13］；

2）多形態(tài)能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和拓撲存在差異，其中動態(tài)過程存在時間尺度、空間傳播方式上的差異；

3）多能源網(wǎng)絡(luò)動態(tài)仿真的計算架構(gòu)異構(gòu)，針對不同分析內(nèi)容、數(shù)值積分可以采用CPU、GPU和FPGA等異構(gòu)計算設(shè)備進行加速。

1.1 主要挑戰(zhàn)

1）針對電、氣、熱等單一供能系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的建模研究已較為成熟，也有部分學者利用能源集線器、主體建模等方法建立多能流系統(tǒng)統(tǒng)一模型，但只是簡單地將各種形式的能量整合在一起，難以適應(yīng)能量耦合關(guān)系越來越強的UEI，需要結(jié)合多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)多時間尺度的特點，從本質(zhì)上揭示能量轉(zhuǎn)化機理［14-16］。

2）UEI動態(tài)模型的數(shù)學本質(zhì)是一組高維剛性非線性微分和偏微分代數(shù)方程組。其不同動態(tài)過程時間尺度差異巨大，求解完整的動態(tài)特性往往依賴長時間的數(shù)值積分。這對數(shù)值積分算法的截斷誤差、累計誤差、數(shù)值穩(wěn)定性和計算效率均有很高的要求。滿足UEI長時間、準確、高效的仿真需求難度大。

3）UEI含有較大規(guī)模的電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、熱/冷管網(wǎng)，其動態(tài)仿真的計算復雜度高、規(guī)模大，采用常規(guī)的串行計算無法滿足上述要求，需要設(shè)計多能源網(wǎng)絡(luò)動態(tài)仿真接口算法和高性能實時仿真模擬方法，以滿足UEI實時仿真需求。

4）多重異構(gòu)UEI高性能實時仿真平臺中設(shè)備類型各異，對象模型參數(shù)涉及因素多，時間常數(shù)差異巨大，需要仿真的節(jié)點數(shù)眾多，同時實時仿真要求與物理時鐘保持同步，并在計算資源異構(gòu)、能源形式異構(gòu)條件下解決UEI實時仿真面臨仿真超時、非同步、系統(tǒng)崩潰、誤差過大等諸多問題。因此，如何進行平臺邏輯資源高效分配，從而實現(xiàn)平臺構(gòu)建，挑戰(zhàn)大。

1.2 主要目標

1）揭示多重異構(gòu)UEI的能源平衡機理，建立多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)多時間尺度多能流寬頻域暫態(tài)模型，解決非確定條件下多重異構(gòu)UEI狀態(tài)參數(shù)辨識問題，提出基于截斷誤差控制的能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運行仿真方法。

2）面向電、氣、熱、冷等多能量數(shù)據(jù)和實時控制、優(yōu)化調(diào)度、故障保護等多種任務(wù)，研究針對能源互聯(lián)網(wǎng)仿真的自適應(yīng)模型匹配方法、數(shù)值仿真方法和多速率協(xié)同仿真方法，實現(xiàn)UEI關(guān)鍵設(shè)備動態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定求解。

3）針對多能系統(tǒng)混合仿真實時性要求，提出多能流不同時間尺度控制策略的實時仿真驗證方法，以及電-氣-熱-冷跨能源接口模型及解算方法，實現(xiàn)多能流異構(gòu)模型聯(lián)立求解。

4）開發(fā)適用于多重異構(gòu)能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式仿真平臺，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)多場景實時仿真與快速分析，為能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、運行優(yōu)化和調(diào)度控制提供重要參考依據(jù)。

2 UEI的實時仿真原理

2.1 電磁暫態(tài)建模及仿真原理

電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程和中長期動態(tài)過程存在著密切耦合關(guān)系。電磁暫態(tài)（Electromagnetic Transients，EMT）仿真是針對城市電網(wǎng)精確度最高、計算量最大的一類建模仿真方法。在EMT模型中，全部暫態(tài)過程均可用一組微分方程組來表達。詳細EMT模型不受時間尺度的限制，可以精確模擬低至納秒級的高頻EMT過程［15，17］。

按照建?？蚣艿牟煌?，EMT仿真方法分為狀態(tài)空間分析（State Space Analysis，SSA）和節(jié)點分析（Nodal Analysis，NA）兩類。其中，狀態(tài)空間分析方法直接利用數(shù)值積分算法對全系統(tǒng)狀態(tài)方程進行離散和求解，如Matlab/Simulink中的SimPowerSystem工具箱；而節(jié)點分析方法則先利用數(shù)值積分算法將不同電氣元件的暫態(tài)方程離散化，形成各電氣元件的諾頓等值方程，進而構(gòu)造節(jié)點矩陣進行求解。相比狀態(tài)空間分析法，節(jié)點分析框架可利用電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)固定、矩陣稀疏的特性，從而大幅度降低仿真過程中的計算量。在EMT仿真中，受到Nyquist采樣定律的限制，最大積分步長所對應(yīng)的采樣頻率應(yīng)至少是系統(tǒng)最高頻率的兩倍［18-19］?？紤]模型復雜度和積分步長的選取，詳細電磁暫態(tài)仿真的計算量大，計算效率低。特別地，處理大規(guī)模交直流電網(wǎng)時，全電磁暫態(tài)仿真計算量極大，仿真效率十分低下。各類能源系統(tǒng)仿真模型如表1所示。隨著計算機及芯片技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)計算設(shè)備已逐漸向GPU、FPGA等異構(gòu)計算設(shè)備轉(zhuǎn)移。異構(gòu)計算設(shè)備多內(nèi)置海量計算核心，采用向量化的計算方式，可對計算密集型和數(shù)據(jù)密集型任務(wù)進行高效加速。利用異構(gòu)設(shè)備加速多能系統(tǒng)仿真計算，相比傳統(tǒng)計算平臺，有望實現(xiàn)更高的計算效率。

表1 各類能源系統(tǒng)的仿真模型Table 1 Simulation models of various energy systems

2.2 UEI的內(nèi)部耦合關(guān)系

UEI內(nèi)部耦合是通過耦合單元實現(xiàn)的。在進行多網(wǎng)絡(luò)潮流計算時，往往需要對這些耦合單元與網(wǎng)絡(luò)參考節(jié)點之間的關(guān)系進行討論，以確定兩個網(wǎng)絡(luò)之間物理上的耦合關(guān)系是否會導致潮流計算中兩個網(wǎng)絡(luò)之間仍然保持著計算上的耦合關(guān)系。通過這樣的分類討論，可以整理出一套比較全面的多網(wǎng)絡(luò)潮流計算規(guī)則，以適應(yīng)各種不同結(jié)構(gòu)的多能源耦合網(wǎng)絡(luò)。一種典型的多電網(wǎng)和多熱網(wǎng)耦合的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多電網(wǎng)和多熱網(wǎng)耦合關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of the coupling relationship between multigrid and multi-heating network

圖2中的小圓圈表示各網(wǎng)絡(luò)中的熱源或者電源，藍色表示電源，橙色表示熱源，位于兩個網(wǎng)絡(luò)重疊部分的圓圈代表網(wǎng)絡(luò)之間的耦合點。耦合點通常為聯(lián)產(chǎn)單元，同時為兩個互相耦合的網(wǎng)絡(luò)提供熱能和電能，藍色的耦合點表示電網(wǎng)的參考節(jié)點，橙色的耦合點表示熱網(wǎng)的參考節(jié)點，其余為非參考節(jié)點。本部分的理論分析都是基于同一假設(shè)，即在同一能源網(wǎng)絡(luò)中僅選取某一臺機組承擔所有網(wǎng)絡(luò)損失。對于這樣的多電網(wǎng)和多熱網(wǎng)的耦合計算，需要提出一些基本原則，使得計算的結(jié)果能夠更加貼近實際情況，對實際的綜合能源系統(tǒng)的控制與調(diào)度更加有參考的價值。

2.3 UEI多時間尺度暫態(tài)融合建模理論依據(jù)

暫態(tài)融合建模，又稱移頻分析（Shifted Frequency Analysis，SFA）建模，是一類基于希爾伯特變換（Hilbert Transform）的暫態(tài)建模方法［24-25］。其原理是將傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中的電壓和電流信號等效成以工頻正弦波為調(diào)制波的帶通信號（Bandpass Signal，BS），通過Hilbert變換將傳統(tǒng)電壓、電流實信號無損變換為只含有單邊頻譜的復數(shù)解析信號（Analytical Signal，AS），通過對解析信號的頻譜向左平移一個工頻，形成原始實信號的解析包絡(luò)信號（Analytical Envelope Signal，AES），并基于解析包絡(luò)信號構(gòu)造元件的移頻分析方程。由于移頻分析過程對解析信號的頻譜進行了搬移，使得解析包絡(luò)中的最大頻率小于原始實信號。因此，在不損失建模精度的前提下，移頻分析通常可采用更大的積分步長，大大提升暫態(tài)仿真效率。

2.4 多重異構(gòu)UEI的建模要素

UEI相關(guān)項目的建設(shè)、戰(zhàn)略推進為模型的建立提供了真實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與驗證條件。如圖3所示，UEI中電、水、氣、熱、冷等多種能流共存與互聯(lián)，滿足用戶的差異性用能需求。UEI涉及熱動、氣動、電動和機械傳動等多時間尺度的動態(tài)過程，伴隨熱能、電能、機械能、化學能及其他形式能量的相互轉(zhuǎn)化，其熱力學特性顯著影響系統(tǒng)運行能效，其動力學特性決定系統(tǒng)整體安全水平。精準建模是分析UEI動態(tài)特性的基礎(chǔ)，需要結(jié)合電、氣、冷、熱等異質(zhì)多能流的特點對UEI中各個設(shè)備、環(huán)節(jié)以及子系統(tǒng)進行數(shù)學建模。

圖3 城市能源互聯(lián)網(wǎng)多能流互動與建模要素Fig.3 Interaction and modeling elements of multi-energy flow of urban energy internet

3 多重異構(gòu)UEI實時仿真的關(guān)鍵技術(shù)

考慮到技術(shù)的層次性，以及各級之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，圍繞UEI高性能實時仿真的關(guān)鍵技術(shù)研究框架具體可分為快速建模方法、計算異構(gòu)型融合仿真技術(shù)、能源異構(gòu)型動態(tài)仿真技術(shù)、實時仿真平臺4個方面。關(guān)鍵技術(shù)框圖如圖4所示。

圖4 城市能源互聯(lián)網(wǎng)實時仿真的關(guān)鍵技術(shù)框圖Fig.4 Key technology block diagram of urban energy internetsimulation

3.1 多重異構(gòu)城市能源網(wǎng)絡(luò)動態(tài)平衡機理及快速建模方法

針對城市能源形態(tài)各異，穩(wěn)態(tài)、準穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)仿真模型多重異構(gòu)，時空特性差別大等特點，考慮CPU、FPGA等不同異構(gòu)仿真工具的適應(yīng)性，多重異構(gòu)城市能源網(wǎng)絡(luò)動態(tài)平衡機理及快速建模方法涉及電/氣/熱/冷等多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)的能源平衡機理，研究具有不同平衡機理的電、氣、熱管網(wǎng)的傳輸特性，以及參數(shù)非確定條件下多重異構(gòu)型能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運行的特性分析方法，由此實現(xiàn)UEI快速建模，為能源互聯(lián)網(wǎng)動態(tài)仿真提供理論及技術(shù)支撐。

首先，針對涵蓋電、氣、冷、熱等多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)，研究動態(tài)平衡機理及快速建模方法，建立多時間尺度多能流的數(shù)學模型，探索能源平衡機理，提出典型場景；其次，構(gòu)建UEI各子系統(tǒng)等值模型，提出典型場景下多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)的接口耦合設(shè)備等值模型，分析典型場景下具有不同平衡機理的電、氣、熱管網(wǎng)之間的傳輸特性；最終，基于步長調(diào)節(jié)和誤差抑制的截斷誤差控制方法，通過模型修正及誤差控制，提出多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)模型效率提升方法，結(jié)合仿真模型誤差的截斷特點、求解策略和對步長調(diào)節(jié)的指導策略，考慮典型場景下仿真的速度和精度需求，提出多重異構(gòu)能源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備動態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定求解技術(shù)，建立參數(shù)非確定性條件下多重異構(gòu)能源互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表征方法，構(gòu)建典型場景下能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運行的特性分析方法，以此來實現(xiàn)參數(shù)非確定條件下多重異構(gòu)能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運行特性分析的快速建模，完成多重異構(gòu)能源互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合仿真計算，為多重異構(gòu)型能源互聯(lián)網(wǎng)動態(tài)仿真提供理論支撐。

3.2 計算異構(gòu)型城市能源互聯(lián)網(wǎng)融合仿真技術(shù)

為解決UEI中電、氣、冷、熱等多形式能源的融合仿真和異構(gòu)并行加速難題，本技術(shù)主要研究能源互聯(lián)網(wǎng)多種能源形式模型/數(shù)據(jù)與實時控制、優(yōu)化調(diào)度、故障、保護等不同任務(wù)形式的自適應(yīng)模型匹配方法，構(gòu)建針對UEI仿真中計算密集型和數(shù)據(jù)密集型任務(wù)的多速率、變步長、強剛性的數(shù)值仿真方法及其異構(gòu)并行加速方法，提出能源互聯(lián)網(wǎng)多速率協(xié)同耦合仿真方法和多子系統(tǒng)的聯(lián)合求解方法，形成面向UEI的準確、高效、穩(wěn)定的融合仿真技術(shù)。

首先，研究涵蓋CPU、GPU、FPGA等多重異構(gòu)計算資源的UEI融合仿真技術(shù)，建立面向UEI的電、氣、冷、熱等多領(lǐng)域數(shù)據(jù)和實時控制、優(yōu)化調(diào)度、故障、保護等多任務(wù)自適應(yīng)模型匹配的優(yōu)化模型，提出UEI仿真自適應(yīng)模型匹配方法；其次，研究UEI中電氣、流體、熱力網(wǎng)絡(luò)動態(tài)中的計算密集型和數(shù)據(jù)密集型仿真數(shù)值穩(wěn)定性提升方法，提出適應(yīng)于UEI仿真的多速率、變步長、強剛性數(shù)值積分方法，提出基于異構(gòu)并行計算設(shè)備的UEI仿真加速方法；最終，建立電-熱（冷）、電-氣、氣-熱及電-氣-熱（冷）等交互接口設(shè)備精確仿真模型，研究耦合動態(tài)的事件觸發(fā)仿真機制，提出基于分解協(xié)調(diào)計算的多子系統(tǒng)內(nèi)部解算器聯(lián)合求解框架和邊界協(xié)調(diào)方法，實現(xiàn)UEI中關(guān)鍵設(shè)備動態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定求解。

3.3 能源異構(gòu)型多時間尺度動態(tài)仿真技術(shù)

為實現(xiàn)城市能源異構(gòu)型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)EMT全過程仿真，本技術(shù)提出能源異構(gòu)型多時間尺度動態(tài)仿真技術(shù)，主要研究含電/氣/熱等UEI協(xié)同運行策略和校驗方法，研究電-熱-冷-氣跨能源接口模型以及解算方法，實現(xiàn)多能流異構(gòu)模型聯(lián)立求解，提出基于模型平均化等效、解耦分割的高性能模擬方法，滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中多能系統(tǒng)耦合仿真實時性要求。

首先，基于電、氣、熱、冷管網(wǎng)的動態(tài)等值模型及多重異構(gòu)城市能源網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)平衡機理，研究冷熱電氣聯(lián)供的耦合網(wǎng)絡(luò)動態(tài)仿真方法，研究UEI自律協(xié)同運行策略，以及多能源網(wǎng)絡(luò)仿真校驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建方法，提出多能流不同尺度控制策略的實時仿真驗證方法，驗證獨立能源網(wǎng)絡(luò)調(diào)控和多能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運行策略的有效性；其次，計及UEI多時間尺度、寬頻域、非線性等動態(tài)特征，針對UEI數(shù)據(jù)交互時序邏輯的一致性和能量平衡的約束性，提出電-熱-冷-氣跨能源接口模型構(gòu)建方法，研究多能源接口動態(tài)等值方法，以及多能源接口聯(lián)立解算求解方法，實現(xiàn)多能流異構(gòu)模型聯(lián)立求解，提出多能源網(wǎng)絡(luò)步長自適應(yīng)同步方法，實現(xiàn)仿真步長自適應(yīng)調(diào)整、同步；最終，針對多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)模型動態(tài)仿真計算復雜度高、計算規(guī)模大等特點，研究設(shè)備級/系統(tǒng)級模型分解技術(shù)，提出基于解耦分割的高性能模擬方法，研究設(shè)備級/系統(tǒng)級模型動態(tài)等值技術(shù)，提出基于模型平均化等效的實時動態(tài)仿真方法，研究多能源網(wǎng)絡(luò)動態(tài)加速仿真模擬方法，滿足UEI中多能系統(tǒng)耦合仿真實時性要求。

3.4 多重異構(gòu)城市能源互聯(lián)網(wǎng)高性能實時仿真平臺

該技術(shù)主要研究多重異構(gòu)UEI仿真的技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)交互接口以及平臺構(gòu)建方法，構(gòu)建高性能實時仿真平臺?；谠摲抡嫫脚_，對UEI故障、供能恢復等典型場景開展仿真應(yīng)用驗證。

面向多重異構(gòu)UEI，首先，根據(jù)不同功能特性與仿真需求，設(shè)計UEI實時仿真平臺體系架構(gòu)，包括仿真模式的優(yōu)化選取、總體架構(gòu)設(shè)計、硬件仿真機體系結(jié)構(gòu)以及軟件系統(tǒng)配置方案等；其次，針對多能流仿真，設(shè)計考慮多子系統(tǒng)協(xié)同仿真的混合高速通信方案、數(shù)據(jù)接口協(xié)議、時間同步機制以及數(shù)據(jù)同步方法；再次，考慮仿真平臺的資源分配、驅(qū)動設(shè)計以及靈活加載方式，構(gòu)建功能協(xié)調(diào)統(tǒng)一的多重異構(gòu)UEI高性能仿真平臺，進而針對仿真平臺的多業(yè)務(wù)場景需求、易用性以及異常運行進行優(yōu)化改進；最后，在構(gòu)建的UEI仿真平臺模擬不同故障場景，并驗證不同策略下的UEI供能恢復方法以及恢復力指標的正確性。

4 結(jié)語

本文深入開展了多重異構(gòu)的UEI實時仿真技術(shù)研究，解決UEI能源形式多樣、網(wǎng)絡(luò)拓撲復雜、時間尺度各異條件下的多場景實時仿真與快速分析問題，揭示能源互聯(lián)網(wǎng)運行機理和動態(tài)特性，為提升城市能源供給的安全可靠性和應(yīng)急故障恢復能力提供有力支撐。通過構(gòu)建多重異構(gòu)UEI高性能實時仿真平臺，突破UEI運行決策中的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)多能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制策略的綜合分析，對UEI的運行輔助決策和區(qū)域能源系統(tǒng)的安全可靠運行和應(yīng)急故障恢復等方面具有較高的直接和間接經(jīng)濟、社會效益，為UEI規(guī)劃設(shè)計、優(yōu)化運行和調(diào)度控制提供重要參考依據(jù)，以期為后續(xù)UEI網(wǎng)絡(luò)仿真研究提供思路。