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)揚州供電公司,江蘇省揚州市 225000；3. 清華大學(xué)電機工程與應(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。相對于傳統(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靈活能力,進而影響到綜合能源系統(tǒng)整體的運行效率。建立標準化信息交互模型,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,進而在時間、空間、功能等多維上發(fā)揮不同能源的互補耦合作用,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)備進行互動。文獻［8-9］從不同的角度對綜合能源系統(tǒng)相適應(yīng)的潮流計算方法進行了分析。文獻［10-11］基于電路理論中“場”到“路”的分析,推演出了氣路模型、熱路模型、水路模型。文獻［12］基于電制冷系統(tǒng)仿真平臺,完成了空調(diào)系統(tǒng)能耗仿真計算,并研究了空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能策略；文獻［13］采用可分離熱電燃氣輪機模型并計及電轉(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,并驗證了該模型的可行性。文獻［14-15］分別對儲熱、儲冷設(shè)備進行建模,詳細分析了其運行特性。關(guān)于綜合能源系統(tǒng)的計算模型研究已十分成熟,但用于信息交互的標準化模型還不夠全面。

IEC 61970 系列標準定義了公共信息模型（common information model,CIM）的基本包,在經(jīng)過一系列的檢驗與發(fā)展之后,CIM 已成為電力系統(tǒng)信息交互標準化的基礎(chǔ)［16］。文獻［17］對解決該問題的關(guān)鍵冷熱電聯(lián)產(chǎn)（combined cooling,heating and power,CCHP）系統(tǒng)的信息模型進行了研究。文獻［18-19］建立了風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)的CIM 模型,實現(xiàn)了風力發(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［20］擴展了園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的拓撲模型、量測模型、設(shè)備容器模型和典型設(shè)備模型。該文獻所做的工作對打破不同能流之間的信息孤島有一定的參考意義和實用價值,但其對園區(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。文獻［21］建立了天然氣系統(tǒng)的初步模型,對熱電氣系統(tǒng)間的信息交互問題作出了一定貢獻,但文章中缺乏對天然氣系統(tǒng)量測模型的建立,對多能流耦合設(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)標準化建模,目前學(xué)術(shù)界已開展了一系列研究,但只針對了特定運行場景,而綜合能源系統(tǒng)存在以下多種復(fù)雜運行場景:

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

2）從能源種類角度,包括:單一能源場景（如純電對象、城市熱網(wǎng)對象、氣網(wǎng)對象）和多能流綜合場景（如電氣互聯(lián)、電熱互聯(lián)、冷熱電氣綜合聯(lián)動）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,單一特定場景的建模方法往往不具有普適性。為建立多場景通用的綜合能源系統(tǒng)標準化模型,需要統(tǒng)籌考慮上述場景,既要兼顧各設(shè)備的共性和個性,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,還要有一定的可擴展性,以支持新型多能設(shè)備模型的標準化表達。

本文借鑒電力系統(tǒng)標準化的經(jīng)驗,設(shè)計了“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),以兼容當前不同規(guī)模、不同形式的運行場景；提出了類電力系統(tǒng)的異質(zhì)能流標準化建模方法,實現(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)與動態(tài)運行場景中；提出了基于聚合-派生的多能流耦合設(shè)備標準化建模方法,兼顧了不同能量耦合設(shè)備的共性和個性特征,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)的標準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,實現(xiàn)了冷熱電氣多能流系統(tǒng)模型的標準化表達與信息交互。

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）實現(xiàn)能源相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備,如電換熱機組、電制冷機組、燃氣鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power,CHP）機組等,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。

進一步分析不同多能設(shè)備的特性:

1）針對單能流傳輸設(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,對于一個熱網(wǎng)管道,所傳輸?shù)臒崮苡锌赡軄碓从谌細忮仩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,也有可能會被溴化鋰機組轉(zhuǎn)換為冷能。

2）針對多能流耦合設(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（如電制冷機組的冷端或燃氣鍋爐的熱端）；二是作為輸出端消耗某能量系統(tǒng)的能量（如電制冷機組的電端或燃氣鍋爐的氣端）。

基于上述分析,并借鑒電力系統(tǒng)電源和電負荷的建模方法,本文在單能流傳輸設(shè)備中定義兩個抽象類:冷熱氣源和冷熱氣荷,分別承擔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,每個多能流耦合設(shè)備都是容器,并不直接參與拓撲。

從以下3 個方面分析該兩層模型的適應(yīng)性:

1）如果忽略多能耦合層,兩層模型就簡化為若干相互獨立的單質(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,兩層模型就簡化為傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)標準化模型［16］。

2）可以按需靈活擴展為電-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、分布式能源站等場景,重點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,對簡化后的模型進行了具體說明。

2 類電力系統(tǒng)的異質(zhì)能流層標準化建模

針對傳統(tǒng)電力系統(tǒng),IEC 61970 已經(jīng)建立了完整的標準化模型,設(shè)計了GeneratingUnit 類來描述發(fā) 電 側(cè) 模 型 ；設(shè) 計 了 Conductor 類 、TransformerWinding 類、Switch 類 等 來 描 述 電 網(wǎng) 側(cè)模型；設(shè)計了EnergyConsumer 類來描述電負荷［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)的標準化建模經(jīng)驗,本章建立了面向冷、熱、氣的異質(zhì)能流標準化模型,通過對源、網(wǎng)、荷等各側(cè)設(shè)備的等效,實現(xiàn)單質(zhì)能流層設(shè)備的標準化建模。

2.1 單質(zhì)能流輸送層的多能特有屬性擴展

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)的運動規(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動方程,需要在Domain 包中擴展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動方程,在Domain 包中擴展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)對多能系統(tǒng)的源、網(wǎng)、荷模型進行了擴展:

1）在 Wires 包 中 擴 展 HeatSource 類 、ColdSource 類、GasSource 類來分別描述熱源、冷源、氣 源 ；HeatConsumer 類 、ColdConsumer 類 、GasConsumer 類來描述熱負荷、冷負荷及氣負荷,從而參與熱系統(tǒng)、冷系統(tǒng)、氣系統(tǒng)的連接與拓撲。源側(cè)的擴展類屬性分別見表A1—表A3；荷側(cè)的擴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 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 展HeatValve 類、ColdValve 類、GasValve 類來描述熱閥門、冷閥門、氣閥門,具體的擴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)備的標準化模型擴展圖,如圖2 所示。

圖2 單能流傳輸設(shè)備的標準化模型擴展圖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撲模型

類比于電力系統(tǒng)的端子（Terminal）-連接節(jié)點（ConnectivityNode）拓撲模型方式,本節(jié)建立了面向熱、冷、氣系統(tǒng)的拓撲模型,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）一個多能端點類屬于一個多能設(shè)備類,一個多能設(shè)備類可以擁有給定數(shù)目的多能端點,每個多能端點必須關(guān)聯(lián)于某一個多能節(jié)點上。

2）傳統(tǒng)的電源和電負荷是單端子設(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)備的多能量測模型

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)量測模型的基礎(chǔ)上,本節(jié)進一步擴展了面向多能系統(tǒng)的量測類型,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)備與該類量測相關(guān)聯(lián),“×”則表示未進行關(guān)聯(lián)。

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

多能量測可以通過兩種方式與設(shè)備關(guān)聯(lián):

1）量測可以屬于一個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準化建模

在第2 章中,通過抽象出源和荷類,實現(xiàn)了不同能流系統(tǒng)的獨立建模。進一步,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,也存在不同的型號和實現(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準化建模的可擴展性和復(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行發(fā)熱的設(shè)備,這是其共有的特性。因此,為了對有“電制熱”特性的設(shè)備進行歸類,抽象出了父類P2H 類,各個設(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)驗值、出廠參數(shù)或參數(shù)辨識等方法獲取。

3.2 儲能模型

儲能是綜合能源系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié),對提高系統(tǒng)運行靈活性、實現(xiàn)削峰填谷具有重要意義。本節(jié)歸納了各能流系統(tǒng)儲能裝置存在的共性和個性特征,并分別開展標準化建模工作。

3.2.1 特性歸納與通用儲能單元模型

針對儲能設(shè)備的共性參數(shù)（如總?cè)萘?、實時荷電狀態(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StorageUnit 類來描述儲能單元的儲能環(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)儲能的差異性角度,電力儲能一般為單端口設(shè)備,通過同一個端口可以實現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)能量的雙向交換,而冷+熱氣系統(tǒng)的儲能一般為多端口設(shè)備,每個端口所關(guān)聯(lián)的能流也不一定相同,并且每個端口的能量傳遞一般是單向的。

儲能單元與耦合設(shè)備連接緊密程度的不同使得儲能單元存在掩蓋其源荷特性、展現(xiàn)其源荷特性兩種運行形態(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,如儲熱式電采暖設(shè)備可以抽象為一個P2H 容器,并且該P2H 需要關(guān)聯(lián)一個儲熱單元（HeatStorageUnit）以承載儲能的模型參數(shù)及運行變量。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。儲能單元的源荷特性見附錄A 圖A4。

接下來,本文重點以天然氣儲氣罐和儲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 天然氣儲氣罐裝置

天然氣儲氣罐模型由進氣口、罐體和出氣口3 個部分構(gòu)成,并建立1 個容器,分別由氣負荷、儲氣單元和氣源聚合而成,如附錄A 圖A5 所示。

其中儲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)多余的氣體進行存儲。因此,它是一個典型的G2G（Gas To Gas）類設(shè)備,即儲氣罐類繼承于G2G 類。附錄A 圖A6 展示了儲氣罐類的建模方法。

儲氣罐進氣口相關(guān)的屬性參數(shù)與運行變量主要通過進氣口抽象成的氣負荷來描述,儲氣罐出氣口相關(guān)的屬性參數(shù)與運行變量主要通過氣源來描述,1 個儲氣罐可以關(guān)聯(lián)多個氣源（有多個出氣口）或多個氣負荷（有多個進氣口）,罐體相關(guān)的屬性參數(shù)或狀態(tài)變量主要通過儲能單元來描述。儲氣罐類的屬性描述如附錄A 表A13 所示。

3.2.3 儲熱式電采暖

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

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

類似于儲氣罐,通過電負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,裝置本體的儲能特性通過儲能單元來描述。

3.3 特殊耦合設(shè)備模型

水泵、壓縮機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)。水泵和壓縮機通常需要外力,如由電驅(qū)動來改變氣體或液體的壓力、流量等參數(shù),其主要功能還是進行能量的傳輸。

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

類似于電驅(qū)動水泵,電驅(qū)動壓縮機等耦合設(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準化建模,所研發(fā)的綜合能源系統(tǒng)標準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)及量測類數(shù)據(jù),最終以標準化的語言進行了輸出,實現(xiàn)了冷熱電氣多能流系統(tǒng)模型的標準化表達與信息交互,具體輸出結(jié)果見參考文獻［26］。

本章重點描述本文成果在該園區(qū)級場景的應(yīng)用情況,對于城市級場景應(yīng)用示例見附錄A 圖A8 及文獻［25］。該園區(qū)集冷、熱、電、氣等多種能源的生產(chǎn)、傳輸、消費、存儲于一體,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、燃氣鍋爐、直燃機等耗氣設(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)拓撲連接關(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 多能互補園區(qū)拓撲連接圖Fig.5 Connection diagram of topology of multi-energy complementary park

該模型通過對不同能源子網(wǎng)進行拓撲分析,對園區(qū)內(nèi)的耦合設(shè)備在相連的能源子網(wǎng)中分別建立對應(yīng)的源荷模型,源荷參與各能源子網(wǎng)的拓撲分析,但耦合設(shè)備不作為連接設(shè)備參與拓撲分析。在多能流場景下進行計算時,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)的邊界量進行迭代完成計算。

表8 闡述了園區(qū)實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)燃機為例:將內(nèi)燃機等效為“氣負荷、電源、熱源”,內(nèi)燃機作為容器,通過氣負荷、電源、熱源來參與系統(tǒng)的拓撲。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)為研究對象,以多場景通用性為目的,提出并實現(xiàn)了支撐信息交互的綜合能源系統(tǒng)標準化建模方法,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)多場景、多形式的運行需求。

2）借鑒電力系統(tǒng)標準化建模經(jīng)驗,提出了面向異質(zhì)能流標準化建模方法,從多能特有屬性、設(shè)備模型、連接關(guān)系、量測等多個方面實現(xiàn)了單質(zhì)能流層的標準化建模。

3）提出基于聚合-派生的多能耦合層標準化建模方法,充分利用標準化模型中的容器特性,兼顧了設(shè)備的共性和個性特征,并以天然氣儲氣罐和儲熱式電采暖為典型設(shè)備給出了實現(xiàn)思路,但文中擴展的多能流耦合設(shè)備有限,未來需要進一步完善。

4）所研發(fā)的綜合能源系統(tǒng)標準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,實現(xiàn)了冷熱電氣多能流系統(tǒng)模型的標準化表達與信息交互。

本文未來的工作重點如下:1）面向多主體安全評估、優(yōu)化調(diào)度等高級應(yīng)用的標準化信息互動模型；2）針對具體應(yīng)用場景、新型能量耦合設(shè)備的標準化建模。

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