综合能源系统仿真平台及其使用方法与流程

1.本发明实施例涉及综合能源系统技术领域，特别涉及一种综合能源系统仿真平台及其使用方法。


背景技术：

2.综合能源系统是指一定区域内利用先进的物理信息技术和创新管理模式，整合区域内煤炭、石油、天然气、电能、热能等多种能源，实现多种异质能源子系统之间的协调规划、优化运行，协同管理、交互响应和互补互济，在满足系统内多元化用能需求的同时，要有效地提升能源利用效率，促进能源可持续发展的新型一体化的能源系统。综合能源系统是未来人类社会能源的主要承载形式，是实现社会用能效率最优、促进可再生能源规模化利用、实现人类能源可持续发展的必经之路。综合能源能量管理系统通过信息流调控能量流，对综合能源系统内能源设备进行优化控制，降低系统的总体运行成本，提升系统的能源利用效率，保障系统运行的安全可靠，是综合能源系统稳定高效运行的重要保障和灵活运行的核心。
3.发明人发现相关技术中至少存在如下问题：我国针对综合能源系统的研究仍处于起步阶段，相关的综合能源系统的仿真平台多以综合能源系统的规划运行和市场交易为主，缺乏对综合能源系统能量管理和优化调度策略的研究，导致用户将从仿真平台中获取的能量管理和优化调度策略在应用于实际的综合能源系统时，存在一定的风险和不确定性，制定的能量管理和优化调度策略的精确度较低，稳定性不高，不能满足用户的实际需求。


技术实现要素：

4.本发明实施方式的目的在于提供一种综合能源系统仿真平台及其使用方法，可以节约综合能源系统的开发时间，大大增强能量管理和优化调度策略的可移植性、可靠性和安全性，友好地满足用户的实际需要。
5.为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种综合能源系统仿真平台，包括建模机、仿真机和上位机；所述建模机用于搭建综合能源系统的物理模型；所述仿真机用于从所述建模机下载所述物理模型，并获取所述物理模型中各设备模型的供用能信息；所述上位机用于从所述仿真机获取所述各设备模型的供用能信息，根据所述各设备模型的供用能信息，获取用于调整所述各设备模型的供用能信息的程序，并将所述程序发送至所述仿真机；所述仿真机还用于接收所述上位机发送的所述程序，并将所述程序下发至所述各设备模型，以供所述各设备模型运行所述程序。
6.本发明的实施方式还提供了一种综合能源系统仿真平台的使用方法，包括：搭建综合能源系统的物理模型；获取所述物理模型中各设备模型的供用能信息；根据所述各设备模型的供用能信息，获取用于调整所述各设备模型的供用能信息的程序；下发所述程序给所述各设备模型运行。
7.本发明的实施方式提供了一种综合能源系统仿真平台，包括：建模机、仿真机和上位机，建模机用于搭建综合能源系统的物理模型，建模机提供有专业的建模环境，用户可以自行搭建需要的综合能源系统，贴近用户的实际需要。仿真机用于从建模机下载物理模型，并获取物理模型中各设备模型的供用能信息；上位机用于获取各设备模型的供用能信息，根据各设备模型的供用能信息，获取用于调整各设备模型的供用能信息的程序，并将程序发送至仿真机，用于调整所述各设备模型的供用能信息的程序即能量管理和优化调度策略，本发明的实施方式可以实时制定适应仿真情况的能量管理和优化调度策略，提高了策略制定的灵活性。仿真机还用于接收上位机发送的程序，并下发至各设备模型，以供各设备模型运行程序。考虑到相关的综合能源系统的仿真平台多以综合能源系统的规划运行和市场交易为主，缺乏对综合能源系统能量管理和优化调度策略的研究，本发明的实施方式，根据各设备模型的供用能信息，获取用于调整各设备模型的供用能信息的程序并下发给各设备模型运行，能够及时进行对制定的能量管理和优化调度策略的验证，可以节约综合能源系统的开发时间，大大增强能量管理和优化调度策略的可移植性、可靠性和安全性，友好地满足用户的实际需要。
8.另外，上位机包括监控模块和获取模块；监控模块用于监控从仿真机获取的各设备模型的供用能信息，当确定满足预设条件时，将各设备模型的供用能信息发送给所述获取模块，满足预设条件，即综合能源系统需要进行能量管理和调度优化，此时将各设备模型的供用能信息发送给获取模块，可以及时对综合能源系统进行调控；获取模块用于接收各设备模型的供用能信息，根据各设备模型的供用能信息，获取程序，可以进一步提高综合能源系统能量管理和优化调度策略制定的灵活性和可操作性。
9.另外，监控模块包括调用接口；监控模块还用于通过调用接口，调用程序，根据程序生成控制指令，并将控制指令发送至仿真机；其中，控制指令用于指示各设备模型的调整各设备模型的供用能信息；仿真机还用于将控制指令发送至各设备模型，供各设备模型执行控制指令。即上位机可以根据程序生成相应的控制指令，程序不同，控制指令也就不同，不同的控制指令可以对综合能源系统进行全面的测试与调控。
10.另外，建模机安装有simulink、电力工具包和热力工具包；建模机用于基于simulink、电力工具包和热力工具包，搭建综合能源系统的物理模型，simulink、电力工具包和热力工具包功能强大，提供了便捷的图形化建模环境，基于simulink、电力工具包和热力工具包，搭建综合能源系统的物理模型，可以使建模过程更加简单方便，节约时间。
11.另外，simulink的元件库中包括若干用于搭建综合能源系统的物理模型的设备模型；若干用于搭建综合能源系统的物理模型的设备模型基于simulink、电力工具包和热力工具包预先搭建并封装；建模机用于基于预先搭建并封装的若干用于搭建综合能源系统的物理模型的设备模型，搭建综合能源系统的物理模型。建模机中预先搭建封装有设备模型，用户在搭建物理模型时可以直接拖用，无需进行大量的代码和算法实现，进一步节约了建模时间。
12.另外，综合能源系统仿真平台还包括数据服务器；数据服务器用于存储各设备模型的供用能信息，供上位机从数据服务器中获取各设备模型的供用能信息；数据服务器还用于预先存储控制指令；仿真机还用于从数据服务器中调用控制指令，并将控制指令下发至各设备模型，以供各设备模型执行，数据服务器预先存储好控制指令，仿真机直接从数据
服务器中调用，进一步提升能量管理和优化调度策略的验证速度。
13.另外，综合能源系统仿真平台还包括交换机；交换机用于将建模机、仿真机、上位机和数据服务器组成局域网。构建局域网能够提升各组件之间的通信速度，同时也可以提升通信的安全性。
附图说明
14.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定。
15.图1是根据本发明第一实施方式的综合能源系统仿真平台的结构示意图；
16.图2是根据本发明第一实施方式提供的一种仿真机的结构示意图；
17.图3是根据本发明第一实施方式提供的又一种仿真机的结构示意图；
18.图4是根据本发明第二实施方式的综合能源系统仿真平台的结构示意图；
19.图5是根据本发明第三实施方式的综合能源系统仿真平台的结构示意图；
20.图6是根据本发明第四实施方式的综合能源系统仿真平台的使用方法的流程图。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
22.本发明的第一实施方式涉及一种综合能源系统仿真平台，如图1所示，具体包括：建模机11，仿真机12和上位机13。
23.本实施方式中的建模机11、仿真机12和上位机13可以为互相独立的三个设备，也可以以任意组合的方式设置于两个设备中，还可以都设置于同一设备中。
24.建模机11用于搭建综合能源系统的物理模型。
25.具体而言，建模机11提供综合能源系统的建模环境，供用户根据实际需要自行搭建综合能源系统的物理模型。
26.在具体实现中，建模机11安装有simulink、simpowersystem、pscad或digsilent等专业建模软件，即建模机11提供基于simulink、simpowersystem、pscad或digsilent等专业建模软件的建模环境。搭建的综合能源系统的物理模型由各分布式能源供能设备、储能单元、多能负荷以及线路和管网组成。
27.在一个例子中，建模机11安装有如图2所示的simulink111、电力工具包112和热力工具包113。建模机11可以基于simulink111、电力工具包112和热力工具包113，搭建综合能源系统的物理模型。其中，电力工具包112中提供若干种用于搭建电力设备和/或电力系统的元器件，热力工具包113中提供若干种用于搭建热力设备和/或热力系统的元器件，simulink111中提供线路、开关等其他连接器件。simulink111、电力工具包112和热力工具包113功能强大，提供了便捷的图形化建模环境，基于simulink111、电力工具包112和热力
工具包113，搭建综合能源系统的物理模型，可以使建模过程更加简单方便，节约时间。
28.在一个例子中，simulink111的元件库中包括若干用于搭建综合能源系统的物理模型的设备模型。若干用于搭建综合能源系统的物理模型的设备模型可以基于simulink111、电力工具包112和热力工具包113预先搭建并封装，建模机11可以基于预先搭建并封装的若干用于搭建综合能源系统的物理模型的设备模型，搭建综合能源系统的物理模型。建模机中预先搭建封装有设备模型，用户在搭建物理模型时可以直接拖用，无需进行大量的代码和算法实现，进一步节约了建模时间。
29.在一个例子中，若干用于搭建综合能源系统的物理模型可以组成综合能源仿真模型库，作为独立的工具包，安装在建模机11中，如图3所示，建模机11安装有simulink111、电力工具包112、热力工具包113和综合能源仿真模型库114。综合能源仿真模型库114可分为电力子系统仿真模型库和热力子系统仿真模型库。电力子系统仿真模型包括：光伏、风机、电储能、电动汽车、充电桩、负荷模型等；热力子系统仿真模型包括：燃气轮机、内燃机、吸收式制冷机、余热锅炉、电锅炉、热泵、电制冷机组、蓄冷机、蓄热机以及水泵、阀门、管道等。考虑到综合能源系统比较复杂，尤其是热力子系统是高度动态和非线性的，基于simulink图形化建模界面，通过简单拖拽、连线与基本参数设置，即可快速便捷地完成整个综合能源系统的物理模型的搭建，可大大缩减建模时间。
30.在一个例子中，建模机11内部还可以预存若干已搭建好的综合能源系统的物理模型，供用户直接调用。
31.仿真机12用于从建模机11下载物理模型，并获取物理模型中各设备模型的供用能信息。
32.具体而言，建模机11搭建好综合能源系统的物理模型后，仿真机12可以从建模机11处下载搭建好的综合能源系统的物理模型，并根据仿真机12内部安装的编译软件编译并运行该综合能源系统的物理模型，获取物理模型中各设备模型的供用能信息。其中，各设备模型的供用能信息包括分布式能源供能设备、储能单元、多能负荷以及线路和管网等的供用能信息。供用能信息的具体形式包括但不限于电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、谐波含量等电力学数据，流量、压力、温度等热力学数据，风速、光照强度等环境数据，以及能源价格数据等。
33.在具体实现中，能源系统的物理模型中的各设备模型均设置有初始参数，仿真机12编译并运行综合能源系统的物理模型，即模拟综合能源系统的运行情况，仿真机12根据综合能源系统的拓扑结构对各设备模型的初始参数进行解算，使综合能源系统达到动态平衡。
34.上位机13用于从仿真机12获取各设备模型的供用能信息，根据各设备模型的供用能信息，获取用于调整各设备模型的供用能信息的程序，并将程序发送至仿真机12。
35.具体而言，仿真机12获取到物理模型中各设备模型的供用能信息后，上位机13可以从仿真机12处获取物理模型中各设备模型的供用能信息，根据各设备模型的供用能信息，获取用于调整各设备模型的供用能信息的程序，并将程序发送至仿真机12。
36.在具体实现中，用于调整各设备模型的供用能信息的程序，即针对当前运行的综合能源系统的物理模型的能量管理和优化调度策略，比如调节燃气供给速率、风力大小、光照强度、电池充放电电流、负荷大小等各类能源的供应及传输效率，从而调整各设备模型的
供用能信息，以达到综合能源系统用能成本最低、能源利用率最高、系统运行最安全可靠的目标。
37.在一个例子中，上位机13可以根据各设备模型的供用能信息，实时接收用于调整各设备模型的供用能信息的程序，即实时接收由本领域的技术人员上传烧录的用于调整各设备模型的供用能信息的程序。
38.仿真机12还用于接收上位机发送的程序，并将程序下发至各设备模型，以供各设备模型运行程序。
39.在具体实现中，在上位机13获取用于调整各设备模型的供用能信息的程序，并将程序发送至仿真机12后，仿真机12可以接收上位机13发送的程序，并下发至各设备模型运行，从而调整各设备模型的供用能信息，使综合能源系统继续运行，达到新的动态平衡。
40.本发明的第一实施方式提供的综合能源系统仿真平台，包括：建模机、仿真机和上位机，建模机用于搭建综合能源系统的物理模型，建模机提供有专业的建模环境，用户可以自行搭建需要的综合能源系统，贴近用户的实际需要。仿真机用于从建模机下载物理模型，并获取物理模型中各设备模型的供用能信息；上位机用于获取各设备模型的供用能信息，根据各设备模型的供用能信息，获取用于调整各设备模型的供用能信息的程序，并将程序发送至仿真机，用于调整所述各设备模型的供用能信息的程序即能量管理和优化调度策略，本发明的实施方式可以实时制定适应仿真情况的能量管理和优化调度策略，提高了策略制定的灵活性。仿真机还用于接收上位机发送的程序，并下发至各设备模型，以供各设备模型运行程序。考虑到相关的综合能源系统的仿真平台多以综合能源系统的规划运行和市场交易为主，缺乏对综合能源系统能量管理和优化调度策略的研究，本发明的实施方式，根据各设备模型的供用能信息，获取用于调整各设备模型的供用能信息的程序并下发给各设备模型运行，能够及时进行对制定的能量管理和优化调度策略的验证，可以节约综合能源系统的开发时间，大大增强能量管理和优化调度策略的可移植性、可靠性和安全性，友好地满足用户的实际需要。
41.本申请的第二实施方式涉及一种综合能源系统仿真平台，如图4所示，具体包括：建模机11，仿真机22和上位机23；其中，仿真机22包括综合能源系统的物理模型221，数据采集接口222和指令接口223，上位机23包括监控模块231和获取模块232，监控模块231包括调用接口2311。
42.建模机11在第一实施方式中已有说明，此处不再赘述。
43.仿真机22用于通过数据采集接口222采集综合能源系统的物理模型221中各设备模型的供用能信息。
44.具体而言，仿真机22编译并运行综合能源系统的物理模型221后，可以通过数据采集接口222采集综合能源系统的物理模型221中各设备模型的供用能信息。仿真机22在综合能源系统的物理模型221正常运行后直接采集各设备模型的供用能信息并储存，可以有效提升采集速度，从而节约能量管理和优化调度策略的制定时间。
45.监控模块231用于监控从仿真机22获取的各设备模型的供用能信息，当确定满足预设条件时，将各设备模型的供用能信息发送给获取模块232。
46.在具体实现中，监控模块231可以实时监控从仿真机22获取的各设备模型的供用能信息，在确定满足预设条件时，将从数据采集接口222获取的各设备模型的供用能信息，
发送给获取模块232，可以有效提升上位机获取各设备模型的供用能信息的获取速度。
47.在一个例子中，预设条件为供用能信息异常，比如设备模型供能量降为0，设备模型用能量激增，设备模型用能量降为0等。
48.在另一个例子中，预设条件为监控模块231接收到调整指令，调整指令可由本领域的技术人员触发。
49.在一个例子中，供用能信息有多种类型，当类型a的供用能信息满足预设条件时，监控模块231将类型a的供用能信息发送给获取模块232，获取模块232只针对类型a的供用能信息获取调整类型a的供用能信息的程序。
50.获取模块232用于接收各设备模型的供用能信息，根据各设备模型的供用能信息，获取程序。
51.具体而言，获取模块232接收到监控模块231发送来的各设备模型的供用能信息后，可以根据各设备模型的供用能信息，获取程序。
52.在具体实现中，获取模块搭建有编程环境，可供用户基于c++、java、python等高级语言实时开发用于调整所述各设备模型的供用能信息的程序，可以进一步提高综合能源系统能量管理和优化调度策略制定的灵活性和可操作性。
53.在一个例子中，获取模块232接收的各设备模型的供用能信息显示内燃机故障，用户可以根据内燃机故障信息在获取模块232中使用java语言编写用于关闭内燃机的程序，生成相应的程序文件。
54.监控模块231还包括调用接口2311，监控模块231还用于通过调用接口2311，调用程序，根据程序生成控制指令，并将控制指令发送至仿真机22。
55.具体而言，监控模块231在获取模块232获取程序后，通过调用接口调用该程序，即在上位机23处执行该程序，并生成与该程序对应的控制指令，监控模块231将生成的控制指令发送给仿真机22。其中，控制指令用于指示各设备模型调整各设备模型的供用能信息；
56.在具体实现中，获取模块232获取的程序不同，监控模块231生成的控制指令也就不同，使用不同的控制指令可以对综合能源系统进行全面的测试与调控。
57.比如：用于调整各设备模型的供用能信息的程序为经济优化调度算法，相应地监控模块231就生成经济优化调度控制指令。用于调整各设备模型的供用能信息的程序还可以包括多能协同互补控制算法、能量最大化梯级利用算法、系统电压优化算法、系统功率优化算法、系统稳定性优化算法、系统态势感知和安全性控制算法、故障诊断及系统自愈算法、并离网切换算法等。
58.仿真机22还用于通过指令接口223接收控制指令，并下发控制指令给各设备模型运行，以调整各设备模型的供用能信息。
59.具体而言，监控模块231生成控制指令后，仿真机22可以通过指令接口223接收控制指令，并下发控制指令给综合能源系统的物理模型221中的各设备模型运行，以调整各设备模型的供用能信息，可以进一步提升程序运行的准确性和速度。
60.在一个例子中，监控模块231生成的控制指令为关闭内燃机，仿真机22可以通过指令接口223接收该控制指令，并下发该控制指令给综合能源系统的物理模型221中的内燃机，使内燃机供用能更改为0，即关闭内燃机。
61.本发明的第二实施方式，上位机包括监控模块和获取模块；监控模块用于监控从
仿真机获取的各设备模型的供用能信息，当确定满足预设条件时，将各设备模型的供用能信息发送给所述获取模块，满足预设条件，即综合能源系统需要进行能量管理和调度优化，此时将各设备模型的供用能信息发送给获取模块，可以及时对综合能源系统进行调控；获取模块用于接收各设备模型的供用能信息，根据各设备模型的供用能信息，获取程序，可以进一步提高综合能源系统能量管理和优化调度策略制定的灵活性和可操作性。监控模块包括调用接口；监控模块还用于通过调用接口，调用程序，根据程序生成控制指令，并将控制指令发送至仿真机；其中，控制指令用于指示各设备模型的调整各设备模型的供用能信息；仿真机还用于将控制指令发送至各设备模型，供各设备模型执行控制指令。即上位机可以根据程序生成相应的控制指令，程序不同，控制指令也就不同，不同的控制指令可以对综合能源系统进行全面的测试与调控。
62.本发明的第三实施方式涉及一种综合能源系统仿真平台，如图5所示，具体包括：建模机11，仿真机22，上位机23，数据服务器34和交换机35；其中，仿真机22包括综合能源系统的物理模型221，数据采集接口222和指令接口223，上位机23包括监控模块231和获取模块232，监控模块231包括调用接口2311。
63.建模机11，上位机23在第二实施例中已有说明，此处不再赘述。
64.交换机35用于将建模机11、仿真机22、上位机23和数据服务器34组成局域网。
65.具体而言，交换机35在建模机11进行建模前，可以将建模机11、仿真机22、上位机23和数据服务器34组成局域网。
66.数据服务器34用于存储各设备模型的供用能信息，供上位机从数据服务器中获取各设备模型的供用能信息。
67.具体而言，仿真机22在通过数据采集接口222采集到综合能源系统的物理模型221中各设备模型的供用能信息后，可以将各设备模型的供用能信息通过局域网上传至数据服务器34中，上位机23的监控模块231可以从数据服务器34获取各设备模型的供用能信息。
68.数据服务器34还用于预先存储控制指令。
69.具体而言，监控模块231在生成控制指令后，可以将控制指令发送给交换机35，交换机35再将控制指令上传至数据服务器34，即数据服务器34可以预存控制指令。
70.仿真机22还用于从数据服务器34中调用控制指令，并将控制指令下发至各设备模型，以供各设备模型执行。
71.在具体实现中，仿真机22可以通过指令接口223从数据服务器34中调用预先存储的控制指令，并将控制指令下发至各设备模型，以供各设备模型执行，从而调整各设备模型的供用能信息。仿真机直接从数据服务器中调用，进一步提升能量管理和优化调度策略的验证速度。
72.本发明的第三实施方式，综合能源系统仿真平台还包括数据服务器；数据服务器用于存储各设备模型的供用能信息，供上位机从数据服务器中获取各设备模型的供用能信息；数据服务器还用于预先存储控制指令；仿真机还用于从数据服务器中调用控制指令，并将控制指令下发至各设备模型，以供各设备模型执行，数据服务器预先存储好控制指令，仿真机直接从数据服务器中调用，进一步提升能量管理和优化调度策略的验证速度。综合能源系统仿真平台还包括交换机；交换机用于将建模机、仿真机、上位机和数据服务器组成局域网。构建局域网能够提升各组件之间的通信速度，同时也可以提升通信的安全性。
73.与相关技术相比，本实施方式的综合能源系统仿真平台，具有以下优势：
74.(1)、提供了便捷的图形化建模环境，能够对复杂的(高度动态和非线性的)综合能源系统进行建模和仿真，特别是具有能够准确反映热力、燃气等非电网络系统动态过程的设备模型库，开发人员无需编写大量的代码和算法，即可完成精细化程度极高的综合能源系统建模，大大节约了开发时间。
75.(2)、打破电力系统与热力系统之间时间尺度不同、多能转化复杂等多道屏障。可对任意复杂的综合能源系统的物理模型进行稳态、暂态等实时仿真，可以提供真实可靠的控制对象和运行环境，同时也大大提高了能量管理和调度优化策略测试和验证的可靠性和安全性。
76.(3)、本平台可快速的开展多场景多用户类型综合能源系统的建模和研究，针对性的开发对应场景的能量管理和调度优化策略，提高了能量管理和调度优化策略的可移植性。
77.本发明的第四实施方式涉及一种综合能源系统仿真平台的使用方法，如图6所示，具体包括：
78.步骤401，搭建综合能源系统的物理模型；
79.步骤402，获取物理模型中各设备模型的供用能信息；
80.步骤403，根据各设备模型的供用能信息，获取用于调整各设备模型的供用能信息的程序；
81.步骤404，下发程序给各设备模型运行。
82.在一个例子中，服务器在下发程序给各设备模型运行后，还可以获取物理模型中各设备模型调整后的供用能信息，并根据各设备模型调整后的供用能信息，更新用于调整各设备模型的供用能信息的程序，并再次下发程序给各设备模型运行。
83.不难发现，本实施方式为与第一至第三实施方式相对应的使用方法实施方式，本实施方式可与第一至第三实施方式互相配合实施。第一至第三实施方式中提到的相关技术细节和技术效果在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一至第三实施方式中。
84.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施方式，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。