一种基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统的制作方法

本申请涉及能源互联网仿真技术领域，特别是涉及一种基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统。

背景技术：

配电网是能源互联网的重要基础，也是影响供电服务水平的关键环节。随着分布式能源以及能源互联网技术的快速发展，配电网内源荷的多元化，网架结构的复杂化，用户供电需求的个性化以及综合能源服务的需求，配电网面临巨大的技术与服务挑战。

为了适应能源互联网技术的快速发展，实现配电网的安全稳定可靠运行，亟需开展基于中低压配电网的区域能源互联网全景仿真与分析技术研究，即以电为核心的区域能源互联网全景仿真与分析技术研究，构建含冷、热、电、气等多种能源的全方位、多场景、多角度的能源互联网综合仿真系统，开展综合能源优化运行控制与高效利用研究，对于未来区域能源互联网的综合能源交易与服务模式的制定也具有重要意义。

目前，对能源互联网进行仿真的方法或系统，通常是采用单纯的能源互联网仿真软件来实现，即：仅通过数学建模仿真的方法，来研究中低压配电网的区域能源互联网。

然而，目前的能源互联网仿真软件，由于采用纯粹的数学建模进行仿真，这种仿真方法和系统无法反映多元分布式能源的运行机理以及电力电子装置等的极快速的动态响应过程，而且无法精确反映装置的物理特性，从而导致仿真精度不够高。

技术实现要素：

本申请提供了一种基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统，以解决现有技术中的能源互联网仿真软件的仿真精度不高的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

一种基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统，所述系统包括：

物理模拟单元、可移动接口单元、数字仿真单元以及总监控单元，所述物理模拟单元和数字仿真单元之间通过可移动接口单元连接，所述总监控单元分别与物理模拟单元、可移动接口单元以及数字仿真单元连接；

所述物理模拟单元，用于动态模拟基于智能交直流混合配电网的能源互联网；

所述可移动接口单元，用于进行物理模拟单元和数字仿真单元之间的模数转换、数模转换、数据交换以及功率交换；

所述数字仿真单元，用于对能源互联网中的配电网、微电网和综合能源系统建模和仿真；

所述总监控单元，用于对物理模拟单元、可移动接口单元以及数字仿真单元进行监控和显示。

可选地，所述物理模拟单元包括：智能交直流混合配电网网架、电气能源转换传输模块以及电气与信号集中式接线屏柜，所述电气与信号集中式接线屏柜与可移动接口单元连接；

所述智能交直流混合配电网网架，用于模拟中低压等级的配电网变电站及其交直流混合配电网；

所述电气能源转换传输模块，用于利用电转气技术，进行可再生能源的分布式存储与传输；

所述电气与信号集中式接线屏柜，用于对物理模拟单元可接入的电气接口以及物理模拟单元所采集的输出接口进行集成。

可选地，所述智能交直流混合配电网网架包括：第一端模块、第二端模块、第三端模块、第四端模块以及第五端模块，所述第一端模块到第五端模块中的任意两个模块之间可进行双向能量交换；

所述第一端模块包括：依次连接的第一无穷大系统、第一交流线路参数单元以及第一全控型双向ac/dc变换器，用于构建直流配电网的直流母线；

所述第二端模块包括：依次连接的第二无穷大系统、第二交流线路参数单元、第三交流参数单元以及第二全控型双向ac/dc变换器，用于动态功率交换以及作为备用电源接口用于构建直流配电网的直流母线；

所述第三端模块包括：依次连接的微型燃气轮机和第三全控型双向ac/dc变换器，用于接入配电网的直流母线，并模拟气、电、冷、热综合利用与输出；

所述第四端模块包括：依次连接的交流微电网和第四全控型双向ac/dc变换器，和/或，依次连接的区域交流配电网和第四全控型双向ac/dc变换器，用于模拟不同区域交流配电网的柔性直流互联结构；

第五端模块包括：依次连接的电池储能电站和双向dc/dc变换器，依次连接的直流微电网和双向dc/dc变换器，和/或，依次连接的直流配电网和双向dc/dc变换器，用于模拟储能系统接入，模拟不同电压等级的直流配电网互联结构，或者模拟直流微电网互联结构。

可选地，所述第一无穷大系统和第二无穷大系统，用于模拟不同的变电站或者同一变电站的不同出线。

可选地，所述可移动接口单元包括：物理接口和数字接口；

所述物理接口，用于通过数模转换，将数字仿真单元的数据传输至物理模拟单元；

所述数字接口，用于通过模数转换，将物理模拟单元的数据传输至数字仿真单元。

可选地，所述物理接口包括：具备数模转换功能的功率放大器或四象限功率放大器，所述数字接口包括：具备模数转换功能的传感器或数据采集器。

可选地，所述数字仿真单元可进行电磁暂态仿真、机电暂态仿真以及机电-电磁暂态仿真。

可选地，所述总监控单元包括：数据采集子单元、控制器以及显示子单元；

所述数据采集子单元，用于实时监控和采集物理模拟单元、可移动接口单元以及数字仿真单元的数据，并传输至控制器；

所述控制器，用于分析物理模拟单元的实际运行数据和数字仿真单元的计算结果数据，获取分析结果，以及将所述数据采集子单元的数据传输至显示子单元；

所述显示子单元，用于统一显示物理模拟单元、可移动接口单元以及数字仿真单元的数据。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请提供一种基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统，该能源互联网仿真系统主要包括物理模拟单元、可移动接口单元、数字仿真单元以及总监控单元四部分。通过物理模拟单元能够动态模拟基于智能交直流混合配电网的能源互联网，通过远程控制开关的通断灵活改变其自身的接线方式，构造基于交直流混合配电网的区域能源互联网物理模拟系统架构。通过数字仿真单元能够对能源互联网中的配电网、微电网和综合能源系统的数字仿真模型，并设置对应的参数以及数模连接节点的接口参数，以及将数字仿真模型的接线拓扑和仿真计算结果上传至总监控单元。通过可移动接口单元，能够连接物理模拟单元和数字仿真单元，实现两者之间的数据交换和功率交换。通过总监控单元，能够根据数模连接节点的接口参数，对物理模拟单元、数字仿真单元以及可移动接口单元进行监控和显示，从而使工作人员能够及时获取整个区域能源互联网的动态。本申请通过物理模拟单元实现能源互联网的动态物理模拟，通过数字仿真单元能够对能源互联网进行数字仿真，利用数模混合仿真技术综合数字仿真和真实物理模拟，能够有效提升数字仿真模型的精确度，从而实现对区域能源互联网的全景精确仿真与分析。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统的结构框图；

图2为本申请实施例所提供的一种基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统的电路连接关系示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

为了更好地理解本申请，下面结合附图来详细解释本申请的实施方式。

参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统的结构框图。由图1可知，本实施例中基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统，主要包括：物理模拟单元、可移动接口单元、数字仿真单元以及总监控单元四部分，物理模拟单元和数字仿真单元之间通过可移动接口单元连接，总监控单元分别与物理模拟单元、可移动接口单元以及数字仿真单元连接。

其中，物理模拟单元用于动态模拟基于智能交直流混合配电网的能源互联网。本实施例中物理模拟单元主要包括：智能交直流混合配电网网架、电气能源转换传输模块以及电气与信号集中式接线屏柜，且电气与信号集中式接线屏柜与可移动接口单元连接。

智能交直流混合配电网网架用于模拟中低压等级的配电网变电站及其交直流混合配电网，电压等级主要包括10kv、400v或者380v等。例如：主网架采用“多分段、多联络”网架，可模拟10kv的变电站及其配电网系统，亦可模拟380v低压配电网或400v低压配电网等。

进一步地，本实施例中智能交直流混合配电网网架至少包括五端：第一端模块、第二端模块、第三端模块、第四端模块以及第五端模块，其中，第一端模块到第五端模块均可进行双向能量交换，即：第一端模块到第五端模块中的任意两个模块之间可进行双向能量交换。

第一端模块包括：依次连接的第一无穷大系统、第一交流线路参数单元以及第一全控型双向ac/dc变换器，用于构建直流配电网的直流母线。第二端模块包括：依次连接的第二无穷大系统、第二交流线路参数单元、第三交流参数单元以及第二全控型双向ac/dc变换器，第二端模块采用有功或无功功率独立解耦，用于动态功率交换以及作为备用电源接口用于构建直流配电网的直流母线。其中，第一无穷大系统和第二无穷大系统，均为取自主电网的电源，两者用于模拟不同的变电站或者同一变电站的不同出线，在本实施例中相当于一端，用于进行能量交换。第三端模块包括：依次连接的微型燃气轮机和第三全控型双向ac/dc变换器，用于接入配电网的直流母线，并模拟气、电、冷、热综合利用与输出。第四端模块包括：依次连接的交流微电网和第四全控型双向ac/dc变换器，和/或，依次连接的区域交流配电网和第四全控型双向ac/dc变换器，用于模拟不同区域交流配电网的柔性直流互联结构。即：第四端模块有三种情形：第一种为依次连接的交流微电网和第四全控型双向ac/dc变换器构成第四端模块；第二种为依次连接的区域交流配电网和第四全控型双向ac/dc变换器构成第四端模块，第三种为：交流微电网和区域交流配电网并联后，和第四全控型双向ac/dc变换器串联，构成第四端模块。第五端模块包括：依次连接的电池储能电站和双向dc/dc变换器，依次连接的直流微电网和双向dc/dc变换器，和/或，依次连接的直流配电网和双向dc/dc变换器，用于模拟储能系统接入，模拟不同电压等级的直流配电网互联结构，或者模拟直流微电网互联结构。即：第五端模块包括六种情形：第一种为依次连接的电池储能电站和双向dc/dc变换器；第二种为依次连接的直流微电网和双向dc/dc变换器；第三种为依次连接的直流配电网和双向dc/dc变换器，第四种为电池储能电站和直流微电网并联后，再和双向dc/dc变换器串联；第五种为直流微电网和直流配电网并联后，再与双向dc/dc变换器串联；第六种为电池储能电站和直流配电网并联后，再与双向dc/dc变换器串联；第七种为电池储能电站、直流微电网和直流配电网并联后，再和双向dc/dc变换器串联。

本实施例采用智能交直流混合配电网网架，通过物理模拟单元自身的监控平台远程控制开关的通断，从而灵活改变物理模拟单元的接线方式，构建出所需要区域能源互联网物理模拟系统架构，并输出实际运行结果，最后通过物理模拟单元自身的监控平台传输至总监控单元。因此，本实施例采用智能交直流混合配电网网架，这种结构灵活性高，采用多分段、多联络的网架，能够大大提高整个能源互联网仿真系统的灵活性，由于能够模拟多种装置的运行机理和物理特性，有利于提高仿真精度。

电气能源转换传输模块用于利用电转气技术，进行可再生能源的分布式存储与传输。电气与信号集中式接线屏柜，用于对物理模拟单元可接入的电气接口以及物理模拟单元所采集的输出接口进行集成。电气与信号集中式接线屏柜能够将关键电气节点的接入位置以及物理模拟单元所采集的二次信号进行分块分区模块化配置，易于区分且便于接线，有利于提高装置的可操作性。

由以上物理模拟单元的结构可知，本实施例通过设置物理模拟单元，使得能源互联网仿真系统所包括的元件更加丰富多元化，而且网架灵活、控制方便。

可移动接口单元用于进行物理模拟单元和数字仿真单元之间的模数转换、数模转换、数据交换以及功率交换。

本实施例中可移动接口单元主要包括物理接口和数字接口。其中，物理接口用于通过数模转换，将数字仿真单元的数据传输至物理模拟单元；数字接口用于通过模数转换，将物理模拟单元的数据传输至数字仿真单元。

进一步地，物理接口包括具备数模转换功能的功率放大器或四象限功率放大器，数字接口包括：具备模数转换功能的传感器或数据采集器。

本实施例中的可移动接口单元，能够灵活移动，可以灵活地在电气与信号集中式接线屏柜前移动，从而可以接入物理模拟单元的不同节点，方便及时地获取物理模拟单元的数据。而且，可移动接口单元的设置，由于其能够灵活移动，能够避免接线过长所导致的复杂接线操作，使得整个能源互联网仿真系统操作简便，易于推广。

继续参见图1可知，本实施例的能源互联网仿真系统中还包括数字仿真单元，用于对能源互联网中的配电网、微电网和综合能源系统建模和仿真。该数字仿真单元可以进行电磁暂态仿真、机电暂态仿真以及机电-电磁暂态仿真。本实施例中数字仿真单元可以采用一商用数字仿真软件来实现，例如：adpss仿真软件或者rt-lab仿真软件。

本实施例中数字仿真单元的设置，能够实现功率在环实时仿真，能够满足配电网多时间尺度内的精确仿真，有利于提高能源互联网仿真系统仿真的准确性。而且，数字仿真单元通过可移动接口单元与物理模拟单元连接，能够通过可移动接口单元中的物理接口为物理模拟单元提供支撑，从而提高能源互联网仿真系统的可扩展性和灵活性，进而提高能源互联网仿真系统的最大仿真规模和经济性。

总监控单元用于对物理模拟单元、可移动接口单元以及数字仿真单元进行监控和显示。

本实施例中总监控单元主要包括：数据采集子单元、控制器以及显示子单元三部分。其中，数据采集子单元用于实时监控和采集物理模拟单元、可移动接口单元以及数字仿真单元的数据，并传输至控制器；控制器用于分析物理模拟单元的实际运行数据和数字仿真单元的计算结果数据，获取分析结果，以及将数据采集子单元的数据传输至显示子单元；显示子单元，用于统一显示物理模拟单元、可移动接口单元以及数字仿真单元的数据。

下面从电路连接关系的角度，详细描述本申请实施例中基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统的工作原理。

参见图2，图2为本申请实施例所提供的一种基于数模混合仿真技术的能源互联网仿真系统的电路连接关系示意图。图2中，1为物理模拟单元，2为电气与信号集中式接线屏柜，3为可移动接口单元，4为数字仿真单元，5为总监控单元。

其中物理模拟单元1中包括：标号6-25的所有部件。6为第一无穷大系统，7为第二无穷大系统，8为柴油发电机，也作为配电网的交流电源之一，是能源利用与交流电力输出的一种形式，可以用于配电网黑启动研究以及孤网运行模式的研究。9为微型燃气轮机，具备cchp(combinedcoolingheatingandpower，冷热电三联供系统，又称热电冷联产系统)的功能，也是能源综合利用与电力输出的一种形式，是体现气、电、冷、热综合利用与输出的重要设备。10为直流配电网或直流微电网或集中式电池储能电站，需要通过直流变换器接入，用于模拟配电网中直流源特性的设备、直流配电网或微电网，可用于模拟不同类型、不同电压等级的直流电网或设备之间的双向能量流动。11为交流微电网或区域交流配电网，用于模拟不同区域交流配电网的柔性直流互联。12-1至12-4为可调变压器，可以灵活调节电压变比，根据相似原理，能够模拟不同电压等级配电网。13为智能台区模拟系统，具备基于物联网技术的智能配变终端等，能够模拟智能台区的多种运行特性，包括三相不平衡、谐波以及台区能效监测等。14为交流并网式光伏发电系统，15为交流并网式垂直轴直驱风力发电系统，能够用于研究分析交流并网式分布式光伏与风电的运行特性，从而更好地接纳分布式能源。

16为接入直流母线的#1直流微电网系统，包括超级电容、电池等不同类型、不同特性的储能设备，以及分布式光伏、电动汽车充电和直流负荷等。17为接入直流母线的#2直流微电网系统，包括除分布式光伏、直流负荷、燃料电池以外的水电解池堆，用于电解制氢，所需能量来源于分布式光伏等多余的能量或者并网质量不高的能量，具体反应式为：2h2o→2h2↑+o2↑，通过该化学反应所生成的氢气，既可以提供给燃料电池发电，还可以供给给甲烷化系统，用于甲烷的生产。18为二氧化碳捕获装置与甲烷化系统。主要利用甲烷化反应，即在催化剂和一定的条件下，用氢气还原二氧化碳生成甲烷和水，具体反应式为：co2+4h2→ch4↑+2h2o，生成的甲烷用于为微型燃气轮机提供燃料，实现冷热电三联供的功能。以上两个化学式为本实施例中电转气、气转电或者气转电冷热的基础与核心原理，通过直流微电网系统以及二氧化碳捕获装置与甲烷化系统，能够实现电、气、冷、热的综合高效利用，提高对能源的利用效率。

19-1为第一全控型双向ac/dc变换器，19-2为第二全控型双向ac/dc变换器，19-3为第三全控型双向ac/dc变换器，19-4为第四全控型双向ac/dc变换器，20为双向dc/dc变换器，21为可移动式接地短路故障发生单元，可灵活移动，接入不同的电气节点，模拟不同位置的单相短路故障或者三相短路故障以及不同程度的电压跌落特性。22-1到22-14为交流线路参数单元，其中，22-1为第一交流线路参数单元，22-2为第二交流线路参数单元，22-3为第三交流线路参数单元。交流线路参数单元可进行灵活的组合，模拟不同长度、不同类型的交流线路，如架空线路、电缆线路或者架空-电缆混合线路。23-1到23-5为直流线路参数单元，也可进行灵活的组合，模拟不同长度、不同类型的直流线路。24-1到24-11为直流断路器，用于控制、保护和切换直流线路的运行状态。25-1到25-17为交流断路器开关，25-18到25-29为交流负荷开关，用于控制、保护和切换交流线路的运行状态，通过不同类型开关的远程控制还可以模拟配电线路的断线故障等。26-1到26-8为可调负载单元，可灵活模拟不同容量的阻性负载、感性负载、容性负载、阻感性负载、阻容性负载及三相不平衡负载等，满足模拟不同负荷运行情况的需求。

由图2可知，本实施例中，物理模拟单元包括交直流混合配电网拓扑、直流微电网、分布式光伏与风力发电系统、微型燃气轮机、cchp冷热电三联供系统、电解水制氢系统、二氧化碳捕获与甲烷化系统等，能够为模拟基于配电网的能源互联网提供丰富的元件基础。

继续参见图2可知，第一无穷大系统6的一条出线，经第一交流线路参数单元22-1，与第一全控型双向ac/dc变换器19-1连接，构建直流配电网的直流母线，此为第一端模块。第二无穷大系统7的一条出线，依次经第二交流线路参数单元22-2、第三交流线路参数单元22-3，与第二全控型双向ac/dc变换器19-2连接，构成第二端模块。其中，全控型双向ac/dc变换器19-1和全控型双向ac/dc变换器19-2可作为多端交直流混合配电网中的两端，可进行双向的能量交换。微型燃气轮机9通过第三全控型双向ac/dc变换器19-3接入配电网直流母线，构成第三端模块，也作为多端交直流混合配电网的其中一端。交流微电网或区域交流配电网11，通过第四全控型双向ac/dc变换器19-4接入配电网直流母线，构成第四端模块，也作为多端交直流混合配电网的其中一端，既可实现不同区域交流配电网的交流互联，也可以实现不同区域交流配电网的直流互联，同时也是微电网灵活接入配电网的一种灵活有效的方式。直流配电网或直流微电网或集中式电池储能电站10，通过双向dc/dc变换器20接入配电网直流母线，构成第五端模块，也作为多端交直流混合配电网的其中一端，用于模拟储能系统接入或者不同电压等级的直流配电网或直流微电网互联。

综上所述，第一全控型双向ac/dc变换器19-1、第二全控型双向ac/dc变换器19-2、第三全控型双向ac/dc变换器19-3、第四全控型双向ac/dc变换器19-4与双向dc/dc变换器20构成了交直流混合配电网的五端，是能量灵活流动的重要接口，从而可以模拟五端交直流混合配电网，形成能源互联网仿真系统的网架基础，便于后续开展区域能源互联网运行模式探究、交直流混联系统边界特性及其数学描述方法、直流系统与交流系统间的界面功率交换机理、交直流混联系统故障的交互影响动态特征、微电网以及微网群灵活接入配电网等研究。

综上所述，通过物理模拟单元能够构建基于交直流混合配电网的区域能源互联网物理模拟系统架构，并输出真实的运行结果，还能够将物理模拟单元的实际接线拓扑和实际运行结果上传至总监控单元；通过数字仿真单元能够建立所需要的数字仿真模型，设置对应的参数以及数模连接节点的接口参数，并将数字仿真模型的接线拓扑及仿真计算结果上传至总监控单元。通过可移动接口单元在物理模拟单元与数字仿真单元之间建立连接，可进行动态数据和功率交换。总监控单元能够根据节点连接信息，灵活融合物理模拟单元和数字仿真单元的接线拓扑，显示出整个能源互联网仿真系统的仿真模型，且能通过网络划分区分出物理模拟单元部分和数字仿真单元部分，并能够对物理模拟单元和数字仿真单元的结果进行展示。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。