郭 泰，劉 忠，王 彬，符 楊，潘昭光，孫宏斌

（1. 上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,上海市 200090；2. 國網(wǎng)揚(yáng)州供電公司,江蘇省揚(yáng)州市 225000；3. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京市 100084）

0 引言

以綜合能源系統(tǒng)［1］為物理載體的能源互聯(lián)網(wǎng)［2-4］是能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的單一能源系統(tǒng),多能流、多尺度、多主體是綜合能源系統(tǒng)的重要特征［5］,不同管理主體、不同學(xué)科的建模方法使得不同能流間存在信息孤島,導(dǎo)致難以充分挖掘利用各能流間的多尺度互補(bǔ)靈活能力,進(jìn)而影響到綜合能源系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率。建立標(biāo)準(zhǔn)化信息交互模型,使用統(tǒng)一語言來描述綜合能源系統(tǒng),通過信息流引導(dǎo)能量流,進(jìn)而在時(shí)間、空間、功能等多維上發(fā)揮不同能源的互補(bǔ)耦合作用,是綜合能源管理系統(tǒng)（integrated energy management system,IEMS）［6-7］與其他管理控制中心模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)。

綜合能源系統(tǒng)涵蓋了冷、熱、電、氣4 種子系統(tǒng),因不同子系統(tǒng)的傳輸特性各不相同,需要通過多能流耦合設(shè)備進(jìn)行互動(dòng)。文獻(xiàn)［8-9］從不同的角度對(duì)綜合能源系統(tǒng)相適應(yīng)的潮流計(jì)算方法進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［10-11］基于電路理論中“場(chǎng)”到“路”的分析,推演出了氣路模型、熱路模型、水路模型。文獻(xiàn)［12］基于電制冷系統(tǒng)仿真平臺(tái),完成了空調(diào)系統(tǒng)能耗仿真計(jì)算,并研究了空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能策略；文獻(xiàn)［13］采用可分離熱電燃?xì)廨啓C(jī)模型并計(jì)及電轉(zhuǎn)氣技術(shù),建立了考慮天然氣管網(wǎng)損耗的熱電氣綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,并驗(yàn)證了該模型的可行性。文獻(xiàn)［14-15］分別對(duì)儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷設(shè)備進(jìn)行建模,詳細(xì)分析了其運(yùn)行特性。關(guān)于綜合能源系統(tǒng)的計(jì)算模型研究已十分成熟,但用于信息交互的標(biāo)準(zhǔn)化模型還不夠全面。

IEC 61970 系列標(biāo)準(zhǔn)定義了公共信息模型（common information model,CIM）的基本包,在經(jīng)過一系列的檢驗(yàn)與發(fā)展之后,CIM 已成為電力系統(tǒng)信息交互標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)［16］。文獻(xiàn)［17］對(duì)解決該問題的關(guān)鍵冷熱電聯(lián)產(chǎn)（combined cooling,heating and power,CCHP）系統(tǒng)的信息模型進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［18-19］建立了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的CIM 模型,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息交互。在綜合能源系統(tǒng)方面,文獻(xiàn)［20］擴(kuò)展了園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的拓?fù)淠Ｐ?、量測(cè)模型、設(shè)備容器模型和典型設(shè)備模型。該文獻(xiàn)所做的工作對(duì)打破不同能流之間的信息孤島有一定的參考意義和實(shí)用價(jià)值,但其對(duì)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的源側(cè)即分布式多能能源站的研究不夠詳細(xì)。文獻(xiàn)［21］建立了天然氣系統(tǒng)的初步模型,對(duì)熱電氣系統(tǒng)間的信息交互問題作出了一定貢獻(xiàn),但文章中缺乏對(duì)天然氣系統(tǒng)量測(cè)模型的建立,對(duì)多能流耦合設(shè)備特性的描述也不夠全面。

總體而言,圍繞綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建模,目前學(xué)術(shù)界已開展了一系列研究,但只針對(duì)了特定運(yùn)行場(chǎng)景,而綜合能源系統(tǒng)存在以下多種復(fù)雜運(yùn)行場(chǎng)景:

1）從運(yùn)行規(guī)模角度,包括:樓宇/園區(qū)級(jí)綜合能源［22］、城市級(jí)冷熱電氣系統(tǒng)［23］、城際的電氣互聯(lián)等多種運(yùn)行場(chǎng)景。

2）從能源種類角度,包括:單一能源場(chǎng)景（如純電對(duì)象、城市熱網(wǎng)對(duì)象、氣網(wǎng)對(duì)象）和多能流綜合場(chǎng)景（如電氣互聯(lián)、電熱互聯(lián)、冷熱電氣綜合聯(lián)動(dòng)）等。

不同綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)體量、參與主體、數(shù)據(jù)形式以及能源之間的分配協(xié)調(diào)區(qū)別很大,單一特定場(chǎng)景的建模方法往往不具有普適性。為建立多場(chǎng)景通用的綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化模型,需要統(tǒng)籌考慮上述場(chǎng)景,既要兼顧各設(shè)備的共性和個(gè)性,以避免重復(fù)建模,又要兼顧各設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,還要有一定的可擴(kuò)展性,以支持新型多能設(shè)備模型的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)。

本文借鑒電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了“單質(zhì)能流層-多能耦合層”兩層綜合能源系統(tǒng)模型架構(gòu),以兼容當(dāng)前不同規(guī)模、不同形式的運(yùn)行場(chǎng)景；提出了類電力系統(tǒng)的異質(zhì)能流標(biāo)準(zhǔn)化建模方法,實(shí)現(xiàn)了單質(zhì)能流的源網(wǎng)荷結(jié)構(gòu)化建模,并能夠應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)運(yùn)行場(chǎng)景中；提出了基于聚合-派生的多能流耦合設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化建模方法,兼顧了不同能量耦合設(shè)備的共性和個(gè)性特征,不同于數(shù)學(xué)模型,該信息模型主要描述元件本身的屬性及關(guān)聯(lián)關(guān)系；所研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化模型生成模塊已集成到園區(qū)綜合能源管理系統(tǒng),并在某北方園區(qū)在線使用,實(shí)現(xiàn)了冷熱電氣多能流系統(tǒng)模型的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)與信息交互。

1 “單質(zhì)能流層-多能耦合層”兩層模型

根據(jù)多能設(shè)備在綜合能源系統(tǒng)中的作用,可以將多能設(shè)備分解為兩大類:

1）只與單一能源相關(guān)的設(shè)備,如電力系統(tǒng)中的開關(guān)、線路、主變壓器等,冷熱氣系統(tǒng)中的管道、閥門等,這類設(shè)備只存在于單質(zhì)能源系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了能量的輸送,與其他能源環(huán)節(jié)無關(guān),本文將該類設(shè)備統(tǒng)一定義為單能流傳輸設(shè)備。

2）實(shí)現(xiàn)能源相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備,如電換熱機(jī)組、電制冷機(jī)組、燃?xì)忮仩t、熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power,CHP）機(jī)組等,這類設(shè)備與多種能流相關(guān),并承載了異質(zhì)能流間相互轉(zhuǎn)換的作用,本文將該類設(shè)備統(tǒng)一定義為多能流耦合設(shè)備。

進(jìn)一步分析不同多能設(shè)備的特性:

1）針對(duì)單能流傳輸設(shè)備并不關(guān)心其傳輸?shù)哪芰渴窃趺磥淼?也不關(guān)心如何被消耗掉。例如,對(duì)于一個(gè)熱網(wǎng)管道,所傳輸?shù)臒崮苡锌赡軄碓从谌細(xì)忮仩t,也有可能來源于電換熱設(shè)備,而輸送的熱能有可能被建筑用熱消耗,也有可能會(huì)被溴化鋰機(jī)組轉(zhuǎn)換為冷能。

2）針對(duì)多能流耦合設(shè)備,主要有兩大作用:一是作為輸入端,為某能量系統(tǒng)提供能量（如電制冷機(jī)組的冷端或燃?xì)忮仩t的熱端）；二是作為輸出端消耗某能量系統(tǒng)的能量（如電制冷機(jī)組的電端或燃?xì)忮仩t的氣端）。

基于上述分析,并借鑒電力系統(tǒng)電源和電負(fù)荷的建模方法,本文在單能流傳輸設(shè)備中定義兩個(gè)抽象類:冷熱氣源和冷熱氣荷,分別承擔(dān)非電類能源的供給端和能源的消耗端,并定義各抽象源荷與多能流耦合設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系,最終構(gòu)建了綜合能源系統(tǒng)“單質(zhì)能流層-多能耦合層”兩層模型架構(gòu),如圖1所示。

圖1 “單質(zhì)能流層-多能耦合層”兩層模型架構(gòu)Fig.1 Two-layer model architecture with single-energy-flow layer and multi-energy coupling layer

其中:

1）下層是單質(zhì)能流層,容納了所有單能流傳輸設(shè)備,以及冷、熱、電、氣源（能流輸入端）,冷、熱、電、氣荷（能流輸出端）,重點(diǎn)描述能量的傳輸過程。根據(jù)能流的不同,可以分為冷、熱、電、氣四大類。

2）上層是多能耦合層,容納了所有多能流耦合設(shè)備,重點(diǎn)描述了異質(zhì)能量間的轉(zhuǎn)換,上層與下層之間通過冷、熱、電、氣源和冷、熱、電、氣荷與多能流耦合設(shè)備之間建立聯(lián)系,站在CIM 角度,每個(gè)多能流耦合設(shè)備都是容器,并不直接參與拓?fù)洹?/p>

從以下3 個(gè)方面分析該兩層模型的適應(yīng)性:

1）如果忽略多能耦合層,兩層模型就簡(jiǎn)化為若干相互獨(dú)立的單質(zhì)能流系統(tǒng),可滿足冷、熱、電、氣各自的控制系統(tǒng)和應(yīng)用。如果進(jìn)一步忽略冷、熱、氣相關(guān)的單能流傳輸設(shè)備,兩層模型就簡(jiǎn)化為傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化模型［16］。

2）可以按需靈活擴(kuò)展為電-氣、電-熱、電-熱-冷、電-熱-冷-氣等多種耦合形式,適用于多種場(chǎng)景,方便不同控制系統(tǒng)靈活生成各自設(shè)備的信息模型,以及交互后快速集成模型,也有利于綜合能源管理系統(tǒng)不同應(yīng)用的開發(fā)實(shí)現(xiàn),方便增加新設(shè)備類型。

3）如果忽略單質(zhì)能流層,只保留多能耦合層以及與之相關(guān)的源荷設(shè)備,本文所建立的兩層模型就可以簡(jiǎn)化為普通的能量集線器（energy hub）模型［24］,如附錄A 圖A1 所示,可用于某些小型園區(qū)、樓宇、分布式能源站等場(chǎng)景,重點(diǎn)研究多能流間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。附錄A 圖A2 以某園區(qū)為例,對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行了具體說明。

2 類電力系統(tǒng)的異質(zhì)能流層標(biāo)準(zhǔn)化建模

針對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng),IEC 61970 已經(jīng)建立了完整的標(biāo)準(zhǔn)化模型,設(shè)計(jì)了GeneratingUnit 類來描述發(fā) 電 側(cè) 模 型 ；設(shè) 計(jì) 了 Conductor 類 、TransformerWinding 類、Switch 類 等 來 描 述 電 網(wǎng) 側(cè)模型；設(shè)計(jì)了EnergyConsumer 類來描述電負(fù)荷［25］。

冷熱氣系統(tǒng)與電力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有相似性,也可以劃分為源、網(wǎng)、荷等環(huán)節(jié)。因此,借鑒電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化建模經(jīng)驗(yàn),本章建立了面向冷、熱、氣的異質(zhì)能流標(biāo)準(zhǔn)化模型,通過對(duì)源、網(wǎng)、荷等各側(cè)設(shè)備的等效,實(shí)現(xiàn)單質(zhì)能流層設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化建模。

2.1 單質(zhì)能流輸送層的多能特有屬性擴(kuò)展

區(qū)別于電力的能量傳輸模式,多能系統(tǒng)傳輸一定需要載體,其介質(zhì)可能是水、蒸汽、煙氣、天然氣。為了描述傳輸介質(zhì)的種類,在Domain 包中擴(kuò)展了MediaType 枚舉類型,如表1 所示。由于存在傳輸介質(zhì),其能量輸送需要服從流體力學(xué)和熱力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,滿足質(zhì)量守恒和能量守恒。從流體力學(xué)角度,可以用壓力和流量來描述其運(yùn)動(dòng)方程,需要在Domain 包中擴(kuò)展FlowCtrlType 枚舉類型來描述不同元件的流體控制類型,如表2 所示。從熱力學(xué)角度,可以用溫度和熱量來描述其運(yùn)動(dòng)方程,在Domain 包中擴(kuò)展ThermCtrlType 枚舉類型來描述不同元件的熱力控制類型,如表3 所示。

表1 介質(zhì)類型描述Table 1 Description of MediaType

表2 流體控制類型描述Table 2 Description of FlowCtrlType

表3 熱力控制類型描述Table 3 Description of ThermCtrlType

2.2 單質(zhì)能流輸送層的多能模型定義

在已有導(dǎo)電設(shè)備類的基礎(chǔ)上,本節(jié)對(duì)多能系統(tǒng)的源、網(wǎng)、荷模型進(jìn)行了擴(kuò)展:

1）在 Wires 包 中 擴(kuò) 展 HeatSource 類 、ColdSource 類、GasSource 類來分別描述熱源、冷源、氣 源 ；HeatConsumer 類 、ColdConsumer 類 、GasConsumer 類來描述熱負(fù)荷、冷負(fù)荷及氣負(fù)荷,從而參與熱系統(tǒng)、冷系統(tǒng)、氣系統(tǒng)的連接與拓?fù)?。源?cè)的擴(kuò)展類屬性分別見表A1—表A3；荷側(cè)的擴(kuò)展類屬性分別見附錄A 表A4—表A6。

2）參考電力輸電線路（Line）的定義,本文在Wires 包 中 擴(kuò) 展HeatPipe 類、ColdPipe 類、GasPipe類來描述供熱管道、供冷管道、供氣管道,具體的擴(kuò)展類屬性分別見附錄A 表A7—表A9。

3）參 考 電 力 開 關(guān)（Breaker）的 定 義,本 文 在Wires 包 中 擴(kuò) 展HeatValve 類、ColdValve 類、GasValve 類來描述熱閥門、冷閥門、氣閥門,具體的擴(kuò)展類屬性分別見附錄A 表A10—表A12。

最終,構(gòu)成了面向單能流傳輸設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化模型擴(kuò)展圖,如圖2 所示。

圖2 單能流傳輸設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化模型擴(kuò)展圖Fig.2 Expansion diagram of standardized model for single-energy-flow transport equipment

2.3 單質(zhì)能流輸送層的多能拓?fù)淠Ｐ?/h3>

類比于電力系統(tǒng)的端子（Terminal）-連接節(jié)點(diǎn)（ConnectivityNode）拓?fù)淠Ｐ头绞?本節(jié)建立了面向熱、冷、氣系統(tǒng)的拓?fù)淠Ｐ?如圖3 所示。

從圖3 中可知:

圖3 綜合能源系統(tǒng)模型的CIM 框圖Fig.3 CIM block diagram of integrated energy system model

1）一個(gè)多能端點(diǎn)類屬于一個(gè)多能設(shè)備類,一個(gè)多能設(shè)備類可以擁有給定數(shù)目的多能端點(diǎn),每個(gè)多能端點(diǎn)必須關(guān)聯(lián)于某一個(gè)多能節(jié)點(diǎn)上。

2）傳統(tǒng)的電源和電負(fù)荷是單端子設(shè)備,而本文建立的冷熱源、荷,可以是單端子設(shè)備（忽略回水網(wǎng)絡(luò)）,也可以支持雙端子設(shè)備（考慮回水網(wǎng)絡(luò)）,氣源、氣荷一般為單端子設(shè)備。

2.4 單能流傳輸設(shè)備的多能量測(cè)模型

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)量測(cè)模型的基礎(chǔ)上,本節(jié)進(jìn)一步擴(kuò)展了面向多能系統(tǒng)的量測(cè)類型,包括溫度、壓力、流量、功率以及閥門的開合度、位置等,并闡述了各類型量測(cè)與多能設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,如表4 所示。表中,“√”表示多能設(shè)備與該類量測(cè)相關(guān)聯(lián),“×”則表示未進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

表4 冷熱氣系統(tǒng)中量測(cè)的關(guān)聯(lián)方式Table 4 Correlation mode of measurement in coollyheat-gas system

多能量測(cè)可以通過兩種方式與設(shè)備關(guān)聯(lián):

1）量測(cè)可以屬于一個(gè)PowerSystemResource 類（如閥門的開度、母管的壓力和溫度等）。

2）通過多能端子與冷、熱、天然氣設(shè)備建立聯(lián)系（如管道首末端的流量等）。

3 基于聚合-派生的多能耦合層標(biāo)準(zhǔn)化建模

在第2 章中,通過抽象出源和荷類,實(shí)現(xiàn)了不同能流系統(tǒng)的獨(dú)立建模。進(jìn)一步,各能流系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系需要在本章通過多能流耦合設(shè)備建立。

綜合能源系統(tǒng)中存在著大量不同類型的耦合設(shè)備（電-熱、電-氣、氣-熱、電-冷等）,即使同一類型的耦合設(shè)備,也存在不同的型號(hào)和實(shí)現(xiàn)原理,如同樣的電制熱功能,空調(diào)與電采暖的原理和參數(shù)就不盡相同,為了確保多能耦合標(biāo)準(zhǔn)化建模的可擴(kuò)展性和復(fù)用性,需要提煉各種耦合設(shè)備的“共性”特征,從“共性”中尋找“個(gè)性”上的差異。本文提出一種基于聚合-派生關(guān)系的建模方法,通過聚合來凝練共性,通過派生來體現(xiàn)個(gè)性。

3.1 多能流耦合設(shè)備聚合-派生通用框架

本節(jié)總結(jié)了常用的幾種多能耦合與轉(zhuǎn)化關(guān)系,建立了多能流耦合設(shè)備聚合-派生通用框架,如圖4所示。其中:

圖4 多能流耦合設(shè)備聚合-派生通用框架Fig.4 Aggregation-inheritance general framework of multi-energy coupling equipment

1）根據(jù)能流轉(zhuǎn)換關(guān)系不同,可以將源、荷聚合成不同類型的多能流耦合抽象類,實(shí)線、虛線分別代表荷、源與多能流耦合設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2）根據(jù)能流轉(zhuǎn)換方式的不同,不同的多能流耦合抽象類又可以派生出不同的多能流耦合設(shè)備類。

以P2H（Power To Heat）類為例,附錄A 圖A3給出了P2H 類的聚合形式及其派生的設(shè)備。

其中,電鍋爐、熱泵、電采暖均是通過消耗電能進(jìn)行發(fā)熱的設(shè)備,這是其共有的特性。因此,為了對(duì)有“電制熱”特性的設(shè)備進(jìn)行歸類,抽象出了父類P2H 類,各個(gè)設(shè)備均由P2H 類派生；P2H 類作為“電制熱”設(shè)備的集合,是由EnergyConusmer 和HeatSource 聚合而成的。因此,P2H 類既有自身的屬性,又集成了熱源和電負(fù)荷的屬性,表5 列舉了P2H 類的屬性。

表5 P2H 類屬性描述Table 5 Description of attributes of P2H class

需要說明的是,設(shè)備中某些參數(shù)需要通過經(jīng)驗(yàn)值、出廠參數(shù)或參數(shù)辨識(shí)等方法獲取。

3.2 儲(chǔ)能模型

儲(chǔ)能是綜合能源系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性、實(shí)現(xiàn)削峰填谷具有重要意義。本節(jié)歸納了各能流系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置存在的共性和個(gè)性特征,并分別開展標(biāo)準(zhǔn)化建模工作。

3.2.1 特性歸納與通用儲(chǔ)能單元模型

針對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的共性參數(shù)（如總?cè)萘?、?shí)時(shí)荷電狀態(tài)（SOC）、可用容量上限、可用容量下限、單日充放能變化次數(shù)約束等）,本文定義了一個(gè)StorageUnit 類來描述儲(chǔ)能單元的儲(chǔ)能環(huán)節(jié),表6 和表7 分別列舉了其屬性和類型。

表6 StorageUnit 類屬性描述Table 6 Description of attributes of StorageUnit class

表7 StorageUnit 類型描述Table 7 Description of StorageUnitType

站在不同能源系統(tǒng)儲(chǔ)能的差異性角度,電力儲(chǔ)能一般為單端口設(shè)備,通過同一個(gè)端口可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)能量的雙向交換,而冷+熱氣系統(tǒng)的儲(chǔ)能一般為多端口設(shè)備,每個(gè)端口所關(guān)聯(lián)的能流也不一定相同,并且每個(gè)端口的能量傳遞一般是單向的。

儲(chǔ)能單元與耦合設(shè)備連接緊密程度的不同使得儲(chǔ)能單元存在掩蓋其源荷特性、展現(xiàn)其源荷特性兩種運(yùn)行形態(tài)。前者通常關(guān)聯(lián)到耦合設(shè)備上,無法展示其源荷特性,如儲(chǔ)熱式電采暖設(shè)備可以抽象為一個(gè)P2H 容器,并且該P(yáng)2H 需要關(guān)聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)熱單元（HeatStorageUnit）以承載儲(chǔ)能的模型參數(shù)及運(yùn)行變量。后者既可以作為“荷”為系統(tǒng)消納多余的能量,也可以作為“源”為系統(tǒng)供給能量。儲(chǔ)能單元的源荷特性見附錄A 圖A4。

接下來,本文重點(diǎn)以天然氣儲(chǔ)氣罐和儲(chǔ)熱式電采暖這兩類較常見的多能設(shè)備來分析其建模過程。

3.2.2 天然氣儲(chǔ)氣罐裝置

天然氣儲(chǔ)氣罐模型由進(jìn)氣口、罐體和出氣口3 個(gè)部分構(gòu)成,并建立1 個(gè)容器,分別由氣負(fù)荷、儲(chǔ)氣單元和氣源聚合而成,如附錄A 圖A5 所示。

其中儲(chǔ)氣罐既可以作為氣源,在系統(tǒng)供氣不足的情況下為系統(tǒng)提供天然氣,也可以作為氣負(fù)荷在系統(tǒng)供氣充足的情況下,將系統(tǒng)內(nèi)多余的氣體進(jìn)行存儲(chǔ)。因此,它是一個(gè)典型的G2G（Gas To Gas）類設(shè)備,即儲(chǔ)氣罐類繼承于G2G 類。附錄A 圖A6 展示了儲(chǔ)氣罐類的建模方法。

儲(chǔ)氣罐進(jìn)氣口相關(guān)的屬性參數(shù)與運(yùn)行變量主要通過進(jìn)氣口抽象成的氣負(fù)荷來描述,儲(chǔ)氣罐出氣口相關(guān)的屬性參數(shù)與運(yùn)行變量主要通過氣源來描述,1 個(gè)儲(chǔ)氣罐可以關(guān)聯(lián)多個(gè)氣源（有多個(gè)出氣口）或多個(gè)氣負(fù)荷（有多個(gè)進(jìn)氣口）,罐體相關(guān)的屬性參數(shù)或狀態(tài)變量主要通過儲(chǔ)能單元來描述。儲(chǔ)氣罐類的屬性描述如附錄A 表A13 所示。

3.2.3 儲(chǔ)熱式電采暖

儲(chǔ)熱式電采暖是北方冬季電取暖的一種主要設(shè)備,其一般運(yùn)行模式是:利用低谷電來制熱,把多余的熱量存儲(chǔ),為全天提供供暖,通過引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)電-熱耦合系統(tǒng)的解耦運(yùn)行。儲(chǔ)熱式電采暖的結(jié)構(gòu)示意圖見附錄A 圖A7。

儲(chǔ)熱式電采暖由電負(fù)荷、儲(chǔ)熱單元、熱源構(gòu)成。特別地,由于儲(chǔ)熱單元與電采暖設(shè)備耦合緊密,電采暖產(chǎn)生的熱量直接存入罐體中,進(jìn)而進(jìn)行供暖。因此,結(jié)構(gòu)圖中未能展現(xiàn)出儲(chǔ)熱單元的源荷特性。附錄A 表A14 列舉了儲(chǔ)熱式電采暖類的屬性描述。

類似于儲(chǔ)氣罐,通過電負(fù)荷來描述該裝置與電網(wǎng)的交互特性,通過熱源來描述該裝置與熱網(wǎng)的交互特性,裝置本體的儲(chǔ)能特性通過儲(chǔ)能單元來描述。

3.3 特殊耦合設(shè)備模型

水泵、壓縮機(jī)等這類常見的耦合元件往往不是通過源荷的形式來呈現(xiàn)。水泵和壓縮機(jī)通常需要外力,如由電驅(qū)動(dòng)來改變氣體或液體的壓力、流量等參數(shù),其主要功能還是進(jìn)行能量的傳輸。

以電驅(qū)動(dòng)水泵為例,電驅(qū)動(dòng)水泵是以電能為原動(dòng)力,將電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)熱冷氣網(wǎng)中媒介流動(dòng)的機(jī)械能。對(duì)應(yīng)于本文中的建模方法而言,將電驅(qū)動(dòng)水泵作為一個(gè)容器,其中包含了一個(gè)電負(fù)荷,并將其關(guān)聯(lián)到源、荷、管道上。附錄A 表A15 列舉了電驅(qū)動(dòng)水泵的屬性及關(guān)聯(lián)關(guān)系。

類似于電驅(qū)動(dòng)水泵,電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)等耦合設(shè)備的建模方式與此相同。

4 應(yīng)用案例

基于上述分析研究與標(biāo)準(zhǔn)化建模,所研發(fā)的綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化模型生成模塊已集成到園區(qū)綜合能源管理系統(tǒng),并在中國某北方園區(qū)在線使用。該模塊通過讀取冷熱電氣的源網(wǎng)荷類數(shù)據(jù)、耦合設(shè)備類數(shù)據(jù)及量測(cè)類數(shù)據(jù),最終以標(biāo)準(zhǔn)化的語言進(jìn)行了輸出,實(shí)現(xiàn)了冷熱電氣多能流系統(tǒng)模型的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)與信息交互,具體輸出結(jié)果見參考文獻(xiàn)［26］。

本章重點(diǎn)描述本文成果在該園區(qū)級(jí)場(chǎng)景的應(yīng)用情況,對(duì)于城市級(jí)場(chǎng)景應(yīng)用示例見附錄A 圖A8 及文獻(xiàn)［25］。該園區(qū)集冷、熱、電、氣等多種能源的生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)、存儲(chǔ)于一體,其中,冷、熱在園區(qū)內(nèi)平衡,電能可通過園區(qū)聯(lián)絡(luò)線從電網(wǎng)購入,但不能返送；天然氣通過管道輸入園區(qū),用于內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)忮仩t、直燃機(jī)等耗氣設(shè)備。其輸電系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)的部分實(shí)際接線圖見圖A9。

圖5 建立了該園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)拓?fù)溥B接關(guān)系,其中綠色部分表示天然氣系統(tǒng),紅色部分表示供熱系統(tǒng),紫色部分表示輸電系統(tǒng),藍(lán)色部分表示供冷系統(tǒng),黃色部分表示耦合設(shè)備。

圖5 多能互補(bǔ)園區(qū)拓?fù)溥B接圖Fig.5 Connection diagram of topology of multi-energy complementary park

該模型通過對(duì)不同能源子網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浞治?對(duì)園區(qū)內(nèi)的耦合設(shè)備在相連的能源子網(wǎng)中分別建立對(duì)應(yīng)的源荷模型,源荷參與各能源子網(wǎng)的拓?fù)浞治?但耦合設(shè)備不作為連接設(shè)備參與拓?fù)浞治觥Ｔ诙嗄芰鲌?chǎng)景下進(jìn)行計(jì)算時(shí),只需滿足耦合設(shè)備的外特性需求,即可通過冷、熱、電、氣等能源子網(wǎng)的邊界量進(jìn)行迭代完成計(jì)算。

表8 闡述了園區(qū)實(shí)際存在的多能流耦合設(shè)備與單能流傳輸設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系。以內(nèi)燃機(jī)為例:將內(nèi)燃機(jī)等效為“氣負(fù)荷、電源、熱源”,內(nèi)燃機(jī)作為容器,通過氣負(fù)荷、電源、熱源來參與系統(tǒng)的拓?fù)?。其余多能流耦合設(shè)備及其特性如表8 所示。表中:“√”表示該多能流耦合設(shè)備與單能流傳輸設(shè)備存在關(guān)聯(lián)關(guān)系,“×”則表示未進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

表8 多能流耦合設(shè)備及其特性Table 8 Multi-energy coupling devices and their characteristics

5 結(jié)語

本文以綜合能源系統(tǒng)為研究對(duì)象,以多場(chǎng)景通用性為目的,提出并實(shí)現(xiàn)了支撐信息交互的綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建模方法,主要工作如下:

1）定義了抽象的多能源類和多能荷類,建立了“單質(zhì)能流層-多能耦合層”兩層模型框架,以適應(yīng)綜合能源系統(tǒng)多場(chǎng)景、多形式的運(yùn)行需求。

2）借鑒電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建模經(jīng)驗(yàn),提出了面向異質(zhì)能流標(biāo)準(zhǔn)化建模方法,從多能特有屬性、設(shè)備模型、連接關(guān)系、量測(cè)等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了單質(zhì)能流層的標(biāo)準(zhǔn)化建模。

3）提出基于聚合-派生的多能耦合層標(biāo)準(zhǔn)化建模方法,充分利用標(biāo)準(zhǔn)化模型中的容器特性,兼顧了設(shè)備的共性和個(gè)性特征,并以天然氣儲(chǔ)氣罐和儲(chǔ)熱式電采暖為典型設(shè)備給出了實(shí)現(xiàn)思路,但文中擴(kuò)展的多能流耦合設(shè)備有限,未來需要進(jìn)一步完善。

4）所研發(fā)的綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化模型生成模塊已集成到園區(qū)綜合能源管理系統(tǒng),并在某北方園區(qū)在線使用,實(shí)現(xiàn)了冷熱電氣多能流系統(tǒng)模型的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)與信息交互。

本文未來的工作重點(diǎn)如下:1）面向多主體安全評(píng)估、優(yōu)化調(diào)度等高級(jí)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化信息互動(dòng)模型；2）針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景、新型能量耦合設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化建模。

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