多重異構(gòu)城市能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)仿真的頂層設(shè)計(jì)

葛磊蛟，李元良，劉航旭，顧志成，杜天碩

（天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津300072）

0 引言

我國(guó)城市能源消費(fèi)需求逐年上升，電、氣、熱等各能源系統(tǒng)相互獨(dú)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(shí)現(xiàn)多種能源互補(bǔ)共濟(jì)與高效利用，提高供能的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，城市能源互聯(lián)網(wǎng)（Urban Energy Internet，UEI）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。2011年美國(guó)學(xué)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(duì)于推動(dòng)城市、國(guó)家乃至整個(gè)社會(huì)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(zhǎng)三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(qiáng)。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(fèi)過程相互影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜、多時(shí)空尺度的動(dòng)態(tài)耦合過程；另一方面，多能源網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行調(diào)度、控制保護(hù)和應(yīng)急恢復(fù)等調(diào)控邏輯存在依賴和耦合關(guān)系，需要協(xié)調(diào)運(yùn)行和多能互補(bǔ)?？梢?，耦合動(dòng)態(tài)精細(xì)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(shí)域動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真是研究復(fù)雜能源系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)研究工具，是測(cè)試和驗(yàn)證各種調(diào)控策略的必要技術(shù)手段［2］。相對(duì)應(yīng)地，建立精細(xì)的電、氣、熱網(wǎng)元件動(dòng)態(tài)仿真模型，構(gòu)建實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，有助于研究能源互聯(lián)網(wǎng)多能耦合機(jī)理、刻畫多類型能源轉(zhuǎn)換和耦合網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程，可以為UEI協(xié)調(diào)控制策略提供有效驗(yàn)證手段。

目前國(guó)外典型的UEI仿真系統(tǒng)如美國(guó)的EMCAS系統(tǒng)和英國(guó)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(fèi)者以及各級(jí)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(jì)網(wǎng)絡(luò)中與環(huán)境相互作用。國(guó)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(jiǎn)單的場(chǎng)景，無(wú)法滿足UEI復(fù)雜的仿真需求。針對(duì)單種能源網(wǎng)絡(luò)建模方面，文獻(xiàn)［1］采用直流潮流模型，實(shí)現(xiàn)兩步優(yōu)化和雙層優(yōu)化的城市能源互聯(lián)經(jīng)濟(jì)調(diào)度求解。文獻(xiàn)［2］提出利用識(shí)別參數(shù)敏感度相似性的方法來(lái)估計(jì)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(qiáng)、流速）具有時(shí)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(dòng)量守恒定律及能量守恒定律對(duì)管網(wǎng)中微元進(jìn)行分析而建立的。文獻(xiàn)［3］提出在天然氣管網(wǎng)中，根據(jù)質(zhì)量、動(dòng)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(duì)其動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行求解。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較復(fù)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(duì)UEI的建模通常采用靜態(tài)建模，對(duì)各類設(shè)備及能源耦合集成后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)機(jī)理和優(yōu)化特性有待深入研究。

為了實(shí)現(xiàn)UEI中各類能源的優(yōu)化利用，文獻(xiàn)［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(xiàn)［5］對(duì)電力-天然氣區(qū)域UEI進(jìn)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(duì)區(qū)域UEI的影響；文獻(xiàn)［6］提出了一種適用于電、熱、氣的UEI擴(kuò)展Newton-Raphson多能潮流計(jì)算方法，可以在系統(tǒng)不同運(yùn)行場(chǎng)景下對(duì)多能潮流進(jìn)行計(jì)算和分析；文獻(xiàn)［7］提出了一種計(jì)及風(fēng)、光出力和電、熱負(fù)荷不確定性的UEI經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，利用CVaR理論研究了不確定性因素對(duì)系統(tǒng)調(diào)度產(chǎn)生的影響；文獻(xiàn)［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(shí)現(xiàn)UEI日前優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用，文獻(xiàn)［9］構(gòu)建了面向UEI的多能流運(yùn)行模型；文獻(xiàn)［10］提出基于復(fù)雜混合網(wǎng)絡(luò)的建模方法，建立起獨(dú)有的能量分布機(jī)制以及網(wǎng)絡(luò)位置分布機(jī)制，但該理論較為抽象，無(wú)法描述多能流各自的網(wǎng)絡(luò)變量特征；文獻(xiàn)［10］提出耗散熱阻的概念，使用能量流法實(shí)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(xiàn)［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(diǎn)，算法趨向復(fù)雜，同時(shí)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(lái)UEI的典型形態(tài)和運(yùn)行特性，因此，有必要構(gòu)建新型設(shè)備的UEI靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模型集合，開發(fā)適用的能源耦合UEI的運(yùn)行仿真工具，以此推動(dòng)UEI的理論研究及仿真應(yīng)用。

近年來(lái)，對(duì)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(jì)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(shí)間常數(shù)很大，實(shí)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(jì)算方法很難準(zhǔn)確反應(yīng)多能源系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)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(zhǎng)（微秒至毫秒級(jí)），屬于計(jì)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(duì)時(shí)間和空間同時(shí)進(jìn)行離散。計(jì)算中的每一時(shí)步都要同時(shí)完成空間中所有離散點(diǎn)的計(jì)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(jì)算密集型和數(shù)據(jù)密集型任務(wù)的計(jì)算效率很低，必須采用并行技術(shù)對(duì)仿真計(jì)算進(jìn)行加速。

為解決以上問題，本文從技術(shù)層面分析了UEI的實(shí)時(shí)仿真問題。首先，提出了UEI實(shí)時(shí)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(jìn)一步從快速建模方法、計(jì)算異構(gòu)型融合仿真技術(shù)、能源異構(gòu)型動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)、實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)4個(gè)方面構(gòu)建城市多重異構(gòu)能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)仿真的頂層設(shè)計(jì)框架

UEI中常包含有電力系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(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(duì)象到仿真精度也都有各自的特點(diǎn)。電力系統(tǒng)以電力的生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)為主要研究對(duì)象，就研究目的的不同，仿真精度有一定差異，若對(duì)其機(jī)電暫態(tài)特性進(jìn)行研究，仿真精度通常為毫秒級(jí)，若對(duì)電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)進(jìn)行研究，仿真精度通常為微秒級(jí)。燃?xì)庀到y(tǒng)通常對(duì)燃?xì)獾妮斉渑c消費(fèi)環(huán)節(jié)為主要研究對(duì)象，對(duì)其中的燃?xì)夤艿?、閥門、壓縮機(jī)等設(shè)備進(jìn)行建模仿真，典型的仿真精度是毫秒級(jí)或秒級(jí)。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(duì)象，通常以水或蒸汽為載體，系統(tǒng)的暫態(tài)過程通常較長(zhǎng)，典型的仿真精度是秒級(jí)。由于UEI的復(fù)雜性，其規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行等一系列實(shí)際問題，需要強(qiáng)大的仿真工具運(yùn)營(yíng)和規(guī)劃分析，考慮不同的目標(biāo)，包括技術(shù)，經(jīng)濟(jì)、能源效率和環(huán)境方面等來(lái)給出解決方案，研究UEI仿真及建立UEI實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)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(shí)空尺度的多能源耦合網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)過程建模和仿真研究仍處于起步階段，缺乏對(duì)UEI中顯著的異構(gòu)特征進(jìn)行針對(duì)性的研究，難以支撐能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真［12］。UEI動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)是將UEI機(jī)電暫態(tài)、中期和長(zhǎng)期動(dòng)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(jī)電暫態(tài)穩(wěn)定分析以及中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真，以此來(lái)描述UEI受擾動(dòng)后系統(tǒng)的連續(xù)變化過程。多重異構(gòu)UEI動(dòng)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(dòng)態(tài)仿真研究需要考慮以下3個(gè)方面異構(gòu)特征：

圖1 多重異構(gòu)城市能源互聯(lián)網(wǎng)動(dòng)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(fèi)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?fù)浯嬖诓町?，其中?dòng)態(tài)過程存在時(shí)間尺度、空間傳播方式上的差異；

3）多能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)仿真的計(jì)算架構(gòu)異構(gòu)，針對(duì)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(jì)算設(shè)備進(jìn)行加速。

1.1 主要挑戰(zhàn)

1）針對(duì)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(xué)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(jiǎn)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(lái)越強(qiáng)的UEI，需要結(jié)合多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)多時(shí)間尺度的特點(diǎn)，從本質(zhì)上揭示能量轉(zhuǎn)化機(jī)理［14-16］。

2）UEI動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)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(dòng)態(tài)過程時(shí)間尺度差異巨大，求解完整的動(dòng)態(tài)特性往往依賴長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)值積分。這對(duì)數(shù)值積分算法的截?cái)嗾`差、累計(jì)誤差、數(shù)值穩(wěn)定性和計(jì)算效率均有很高的要求。滿足UEI長(zhǎng)時(shí)間、準(zhǔn)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(dòng)態(tài)仿真的計(jì)算復(fù)雜度高、規(guī)模大，采用常規(guī)的串行計(jì)算無(wú)法滿足上述要求，需要設(shè)計(jì)多能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)仿真接口算法和高性能實(shí)時(shí)仿真模擬方法，以滿足UEI實(shí)時(shí)仿真需求。

4）多重異構(gòu)UEI高性能實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)中設(shè)備類型各異，對(duì)象模型參數(shù)涉及因素多，時(shí)間常數(shù)差異巨大，需要仿真的節(jié)點(diǎn)數(shù)眾多，同時(shí)實(shí)時(shí)仿真要求與物理時(shí)鐘保持同步，并在計(jì)算資源異構(gòu)、能源形式異構(gòu)條件下解決UEI實(shí)時(shí)仿真面臨仿真超時(shí)、非同步、系統(tǒng)崩潰、誤差過大等諸多問題。因此，如何進(jìn)行平臺(tái)邏輯資源高效分配，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)構(gòu)建，挑戰(zhàn)大。

1.2 主要目標(biāo)

1）揭示多重異構(gòu)UEI的能源平衡機(jī)理，建立多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)多時(shí)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(shí)問題，提出基于截?cái)嗾`差控制的能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行仿真方法。

2）面向電、氣、熱、冷等多能量數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)控制、優(yōu)化調(diào)度、故障保護(hù)等多種任務(wù)，研究針對(duì)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(shí)現(xiàn)UEI關(guān)鍵設(shè)備動(dòng)態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定求解。

3）針對(duì)多能系統(tǒng)混合仿真實(shí)時(shí)性要求，提出多能流不同時(shí)間尺度控制策略的實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證方法，以及電-氣-熱-冷跨能源接口模型及解算方法，實(shí)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(tái)，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)多場(chǎng)景實(shí)時(shí)仿真與快速分析，為能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化和調(diào)度控制提供重要參考依據(jù)。

2 UEI的實(shí)時(shí)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(zhǎng)期動(dòng)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(duì)城市電網(wǎng)精確度最高、計(jì)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(lái)表達(dá)。詳細(xì)EMT模型不受時(shí)間尺度的限制，可以精確模擬低至納秒級(jí)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(diǎn)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(duì)全系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行離散和求解，如Matlab/Simulink中的SimPowerSystem工具箱；而節(jié)點(diǎn)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(jìn)而構(gòu)造節(jié)點(diǎn)矩陣進(jìn)行求解。相比狀態(tài)空間分析法，節(jié)點(diǎn)分析框架可利用電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(jì)算量。在EMT仿真中，受到Nyquist采樣定律的限制，最大積分步長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的采樣頻率應(yīng)至少是系統(tǒng)最高頻率的兩倍［18-19］。考慮模型復(fù)雜度和積分步長(zhǎng)的選取，詳細(xì)電磁暫態(tài)仿真的計(jì)算量大，計(jì)算效率低。特別地，處理大規(guī)模交直流電網(wǎng)時(shí)，全電磁暫態(tài)仿真計(jì)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(jì)算機(jī)及芯片技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)備已逐漸向GPU、FPGA等異構(gòu)計(jì)算設(shè)備轉(zhuǎn)移。異構(gòu)計(jì)算設(shè)備多內(nèi)置海量計(jì)算核心，采用向量化的計(jì)算方式，可對(duì)計(jì)算密集型和數(shù)據(jù)密集型任務(wù)進(jìn)行高效加速。利用異構(gòu)設(shè)備加速多能系統(tǒng)仿真計(jì)算，相比傳統(tǒng)計(jì)算平臺(tái)，有望實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)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(shí)現(xiàn)的。在進(jìn)行多網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算時(shí)，往往需要對(duì)這些耦合單元與網(wǎng)絡(luò)參考節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行討論，以確定兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間物理上的耦合關(guān)系是否會(huì)導(dǎo)致潮流計(jì)算中兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間仍然保持著計(jì)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(jì)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(lán)色表示電源，橙色表示熱源，位于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)重疊部分的圓圈代表網(wǎng)絡(luò)之間的耦合點(diǎn)。耦合點(diǎn)通常為聯(lián)產(chǎn)單元，同時(shí)為兩個(gè)互相耦合的網(wǎng)絡(luò)提供熱能和電能，藍(lán)色的耦合點(diǎn)表示電網(wǎng)的參考節(jié)點(diǎn)，橙色的耦合點(diǎn)表示熱網(wǎng)的參考節(jié)點(diǎn)，其余為非參考節(jié)點(diǎn)。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(tái)機(jī)組承擔(dān)所有網(wǎng)絡(luò)損失。對(duì)于這樣的多電網(wǎng)和多熱網(wǎng)的耦合計(jì)算，需要提出一些基本原則，使得計(jì)算的結(jié)果能夠更加貼近實(shí)際情況，對(duì)實(shí)際的綜合能源系統(tǒng)的控制與調(diào)度更加有參考的價(jià)值。

2.3 UEI多時(shí)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(hào)等效成以工頻正弦波為調(diào)制波的帶通信號(hào)（Bandpass Signal，BS），通過Hilbert變換將傳統(tǒng)電壓、電流實(shí)信號(hào)無(wú)損變換為只含有單邊頻譜的復(fù)數(shù)解析信號(hào)（Analytical Signal，AS），通過對(duì)解析信號(hào)的頻譜向左平移一個(gè)工頻，形成原始實(shí)信號(hào)的解析包絡(luò)信號(hào)（Analytical Envelope Signal，AES），并基于解析包絡(luò)信號(hào)構(gòu)造元件的移頻分析方程。由于移頻分析過程對(duì)解析信號(hào)的頻譜進(jìn)行了搬移，使得解析包絡(luò)中的最大頻率小于原始實(shí)信號(hào)。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(zhǎng)，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(xiàng)目的建設(shè)、戰(zhàn)略推進(jìn)為模型的建立提供了真實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與驗(yàn)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(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等多時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)過程，伴隨熱能、電能、機(jī)械能、化學(xué)能及其他形式能量的相互轉(zhuǎn)化，其熱力學(xué)特性顯著影響系統(tǒng)運(yùn)行能效，其動(dòng)力學(xué)特性決定系統(tǒng)整體安全水平。精準(zhǔn)建模是分析UEI動(dòng)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(diǎn)對(duì)UEI中各個(gè)設(shè)備、環(huán)節(jié)以及子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

圖3 城市能源互聯(lián)網(wǎng)多能流互動(dòng)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(shí)時(shí)仿真的關(guān)鍵技術(shù)

考慮到技術(shù)的層次性，以及各級(jí)之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，圍繞UEI高性能實(shí)時(shí)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(jì)算異構(gòu)型融合仿真技術(shù)、能源異構(gòu)型動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)、實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)4個(gè)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(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)平衡機(jī)理及快速建模方法

針對(duì)城市能源形態(tài)各異，穩(wěn)態(tài)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)仿真模型多重異構(gòu)，時(shí)空特性差別大等特點(diǎn)，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(dòng)態(tài)平衡機(jī)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(jī)理，研究具有不同平衡機(jī)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(yùn)行的特性分析方法，由此實(shí)現(xiàn)UEI快速建模，為能源互聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真提供理論及技術(shù)支撐。

首先，針對(duì)涵蓋電、氣、冷、熱等多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)，研究動(dòng)態(tài)平衡機(jī)理及快速建模方法，建立多時(shí)間尺度多能流的數(shù)學(xué)模型，探索能源平衡機(jī)理，提出典型場(chǎng)景；其次，構(gòu)建UEI各子系統(tǒng)等值模型，提出典型場(chǎng)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(chǎng)景下具有不同平衡機(jī)理的電、氣、熱管網(wǎng)之間的傳輸特性；最終，基于步長(zhǎng)調(diào)節(jié)和誤差抑制的截?cái)嗾`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?cái)嗵攸c(diǎn)、求解策略和對(duì)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)的指導(dǎo)策略，考慮典型場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)景下能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的特性分析方法，以此來(lái)實(shí)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(yùn)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(jì)算，為多重異構(gòu)型能源互聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真提供理論支撐。

3.2 計(jì)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(shí)時(shí)控制、優(yōu)化調(diào)度、故障、保護(hù)等不同任務(wù)形式的自適應(yīng)模型匹配方法，構(gòu)建針對(duì)UEI仿真中計(jì)算密集型和數(shù)據(jù)密集型任務(wù)的多速率、變步長(zhǎng)、強(qiáng)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(zhǔn)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(jì)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(shí)時(shí)控制、優(yōu)化調(diào)度、故障、保護(hù)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(dòng)態(tài)中的計(jì)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(zhǎng)、強(qiáng)剛性數(shù)值積分方法，提出基于異構(gòu)并行計(jì)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(dòng)態(tài)的事件觸發(fā)仿真機(jī)制，提出基于分解協(xié)調(diào)計(jì)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(shí)現(xiàn)UEI中關(guān)鍵設(shè)備動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定求解。

3.3 能源異構(gòu)型多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)

為實(shí)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(shí)間尺度動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，主要研究含電/氣/熱等UEI協(xié)同運(yùn)行策略和校驗(yàn)方法，研究電-熱-冷-氣跨能源接口模型以及解算方法，實(shí)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(shí)時(shí)性要求。

首先，基于電、氣、熱、冷管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)等值模型及多重異構(gòu)城市能源網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)平衡機(jī)理，研究冷熱電氣聯(lián)供的耦合網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)仿真方法，研究UEI自律協(xié)同運(yùn)行策略，以及多能源網(wǎng)絡(luò)仿真校驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建方法，提出多能流不同尺度控制策略的實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證方法，驗(yàn)證獨(dú)立能源網(wǎng)絡(luò)調(diào)控和多能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運(yùn)行策略的有效性；其次，計(jì)及UEI多時(shí)間尺度、寬頻域、非線性等動(dòng)態(tài)特征，針對(duì)UEI數(shù)據(jù)交互時(shí)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(dòng)態(tài)等值方法，以及多能源接口聯(lián)立解算求解方法，實(shí)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(zhǎng)自適應(yīng)同步方法，實(shí)現(xiàn)仿真步長(zhǎng)自適應(yīng)調(diào)整、同步；最終，針對(duì)多重異構(gòu)能源網(wǎng)絡(luò)模型動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算復(fù)雜度高、計(jì)算規(guī)模大等特點(diǎn)，研究設(shè)備級(jí)/系統(tǒng)級(jí)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(jí)/系統(tǒng)級(jí)模型動(dòng)態(tài)等值技術(shù)，提出基于模型平均化等效的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真方法，研究多能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)加速仿真模擬方法，滿足UEI中多能系統(tǒng)耦合仿真實(shí)時(shí)性要求。

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

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(tái)構(gòu)建方法，構(gòu)建高性能實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)?；谠摲抡嫫脚_(tái)，對(duì)UEI故障、供能恢復(fù)等典型場(chǎng)景開展仿真應(yīng)用驗(yàn)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(jì)UEI實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)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(jì)、硬件仿真機(jī)體系結(jié)構(gòu)以及軟件系統(tǒng)配置方案等；其次，針對(duì)多能流仿真，設(shè)計(jì)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(shí)間同步機(jī)制以及數(shù)據(jù)同步方法；再次，考慮仿真平臺(tái)的資源分配、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(tái)，進(jìn)而針對(duì)仿真平臺(tái)的多業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求、易用性以及異常運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；最后，在構(gòu)建的UEI仿真平臺(tái)模擬不同故障場(chǎng)景，并驗(yàn)證不同策略下的UEI供能恢復(fù)方法以及恢復(fù)力指標(biāo)的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文深入開展了多重異構(gòu)的UEI實(shí)時(shí)仿真技術(shù)研究，解決UEI能源形式多樣、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜、時(shí)間尺度各異條件下的多場(chǎng)景實(shí)時(shí)仿真與快速分析問題，揭示能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行機(jī)理和動(dòng)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(fù)能力提供有力支撐。通過構(gòu)建多重異構(gòu)UEI高性能實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，突破UEI運(yùn)行決策中的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)多能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制策略的綜合分析，對(duì)UEI的運(yùn)行輔助決策和區(qū)域能源系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行和應(yīng)急故障恢復(fù)等方面具有較高的直接和間接經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，為UEI規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)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。