一种综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法及装置与流程

1.本发明涉及综合能源系统分析技术领域，具体涉及一种综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法及装置。


背景技术：

2.为实现低碳发展，具有多能互补、能源梯级利用等优势的综合能源系统是能源行业低碳转型的重要解决方案。综合能源系统由供暖系统、制冷系统、天然气系统、配电网等能量网络构成，具有能源输送、分配、转化和平衡等功能，构建多能流耦合的高精度模型是研究综合能源系统的重点和难点。
3.目前多能流耦合模型以能量枢纽模型为主流，将能量的供给和负荷需求抽象为多输入
‑ꢀ
多输出端口网络模型，降低计算分析的复杂性。但是，目前能量枢纽模型未考虑季节差异对负荷特性的影响，均采用相同的运行控制策略，从而导致能量分配不合理，用能成本较高的问题。另一方面，储能并网、电动汽车v2g、需求侧响应等快速发展并且高度耦合参与到系统运行之中，考虑其对综合能源系统运行特性的影响显得尤为重要。因此，建立计及可控负荷的综合能源系统拓展能量枢纽模型，并考虑季节负荷差异对模型的影响开展仿真分析具有重要意义。


技术实现要素：

4.为了克服上述缺陷，本发明提出了一种综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法及装置。
5.第一方面，提供一种综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法，所述综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法包括：
6.获取待分析综合能源系统中的设备参数；
7.将所述设备参数代入预先构建的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型，并基于所述综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型对所述待分析综合能源系统进行仿真分析，得到仿真结果。
8.优选的，所述设备参数包括下述中的至少一种：供能-负荷耦合矩阵、储能-负荷的耦合矩阵、能源参与需求响应时对能源输出的影响系数矩阵、综合能源系统的能量输入矩阵、新能源能量输入量、储能存储量、用户的用电响应行为矩阵、辅助状态变量矩阵、电动汽车的供能耦合矩阵、电动汽车的储能耦合矩阵、电动汽车的能量输入量、电动汽车的能量存储量。
9.优选的，所述对所述待分析综合能源系统进行仿真分析，得到仿真结果的过程中，仿真结果包括下述中的至少一种：购电功率变化曲线、售电功率变化曲线、用能成本变化曲线。
10.优选的，所述预先构建的综合能源系统的能量枢纽仿真模型的数学模型如下：
[0011][0012]
上式中，l为综合能源系统的输出负荷矩阵，l
t
为新能源并网输出能量，δl为需求侧响应引起的负荷变化量，l
ev
为电动汽车的能量输出量，c为供能-负荷耦合矩阵，s为储能负荷的耦合矩阵，d为能源参与需求响应时对能源输出的影响系数矩阵，p为综合能源系统的能量输入矩阵，pr为新能源能量输入量，e为储能形式的存储量向量，h为用户的用电响应行为矩阵，ε为辅助状态变量矩阵，c
ev
为电动汽车的供能耦合矩阵，s
ev
为电动汽车的储能耦合矩阵，p
ev
为电动汽车的能量输入量，e
ev
为电动汽车的能量存储量。
[0013]
进一步的，若当前季节为冬季，则所述供能-负荷耦合矩阵的数学模型为：否则，所述供能-负荷耦合矩阵的数学模型为：其中，η
t
、分别为变压器燃气锅炉的转换效率，为天然气转换为热能的转换效率，为空调制冷效率，为天然气转换为电能的转换效率，λ、β、v为电能、制冷和天然气的分配比例，为空调制热效率，η
ar
为制冷机的转换效率。
[0014]
进一步的，所述综合能源系统的能量输入矩阵的数学模型如下：
[0015]
p＝[p
e,eh p
g,eh
]
t
[0016]
上式中，p
e,eh
为输入的电功率，p
g,eh
为输入的天然气。
[0017]
进一步的，当电动汽车的运行状态为行驶状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为： (1 0 0 0)
t
；当电动汽车的运行状态为加油状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为：(0 1 0 0)
t
；当电动汽车的运行状态为充电负荷状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为： (0 0 1 0)
t
；当电动汽车的运行状态为并网服务状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为： (0 0 0 1)
t
。
[0018]
进一步的，所述需求侧响应引起的负荷变化量的数学模型如下：
[0019][0020]
上式中，d
nn
为能源n参与需求响应时对能源n输出的影响系数。
[0021]
第二方面，提供一种综合能源系统的扩展能量枢纽仿真装置，所述综合能源系统的扩展能量枢纽仿真装置包括：
[0022]
获取模块，用于获取待分析综合能源系统中的设备参数；
[0023]
分析模块，用于将所述设备参数代入预先构建的综合能源系统的扩展能量枢纽仿
1)
t
。
[0034]
进一步的，所述需求侧响应引起的负荷变化量的数学模型如下：
[0035][0036]
上式中，d
nn
为能源n参与需求响应时对能源n输出的影响系数。
[0037]
第三方面，提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；
[0038]
所述处理器，用于存储一个或多个程序；
[0039]
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现所述的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法。
[0040]
第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现所述的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法。
[0041]
本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
[0042]
本发明提供了一种综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法及装置，包括：获取待分析综合能源系统中的设备参数；将所述设备参数代入预先构建的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型，并基于所述综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型对所述待分析综合能源系统进行仿真分析，得到仿真结果。本发明提供的技术方案，提高了模型的精确度，丰富了仿真方法的应用场景，具体的：
[0043]
本发明的技术方案，分析负荷在不同季节的特性差异，提出考虑季节差异的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型，为综合能源系统的能量合理分配提供了新的方案，实现用能成本的优化减少。
[0044]
本发明的技术方案，在考虑季节差异的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型研究的基础上，分析电动汽车、储能、新能源并网和需求响应等对综合能源系统运行的影响，提出能量枢纽的拓展数学模型，提高了模型的适用范围，丰富了模型的使用场景。
附图说明
[0045]
图1是本发明实施例的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法的主要步骤流程示意图；
[0046]
图2是本发明实施例的考虑季节差异的能量枢纽结构图；
[0047]
图3是本发明实施例的某工厂典型用能架构图；
[0048]
图4是本发明实施例的夏季典型用能架构图；
[0049]
图5是本发明实施例的冬季典型用能架构图；
[0050]
图6是本发明实施例的夏季工厂用能成本曲线图；
[0051]
图7是本发明实施例的冬季工厂用能成本曲线图；
[0052]
图8是本发明实施例的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真装置的主要结构框图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0054]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0055]
如背景技术中所公开的，为实现低碳发展，具有多能互补、能源梯级利用等优势的综合能源系统是能源行业低碳转型的重要解决方案。综合能源系统由供暖系统、制冷系统、天然气系统、配电网等能量网络构成，具有能源输送、分配、转化和平衡等功能，构建多能流耦合的高精度模型是研究综合能源系统的重点和难点。
[0056]
目前多能流耦合模型以能量枢纽模型为主流，将能量的供给和负荷需求抽象为多输入
‑ꢀ
多输出端口网络模型，降低计算分析的复杂性。但是，目前能量枢纽模型未考虑季节差异对负荷特性的影响，均采用相同的运行控制策略，从而导致能量分配不合理，用能成本较高的问题。另一方面，储能并网、电动汽车v2g、需求侧响应等快速发展并且高度耦合参与到系统运行之中，考虑其对综合能源系统运行特性的影响显得尤为重要。因此，建立计及可控负荷的综合能源系统拓展能量枢纽模型，并考虑季节负荷差异对模型的影响开展仿真分析具有重要意义。
[0057]
为了改善上述问题，本发明提供了一种综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法及装置，包括：获取待分析综合能源系统中的设备参数；将所述设备参数代入预先构建的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型，并基于所述综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型对所述待分析综合能源系统进行仿真分析，得到仿真结果。本发明提供的技术方案，提高了模型的精确度，丰富了仿真方法的应用场景，具体的：
[0058]
本发明的技术方案，分析负荷在不同季节的特性差异，提出考虑季节差异的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型，为综合能源系统的能量合理分配提供了新的方案，实现用能成本的优化减少。
[0059]
本发明的技术方案，在考虑季节差异的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型研究的基础上，分析电动汽车、储能、新能源并网和需求响应等对综合能源系统运行的影响，提出能量枢纽的拓展数学模型，提高了模型的适用范围，丰富了模型的使用场景。下面对上述方案进行详细阐述。
[0060]
实施例1
[0061]
参阅附图1，图1是本发明的一个实施例的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法的主要步骤流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法主要包括以下步骤：
[0062]
步骤s101：获取待分析综合能源系统中的设备参数；
[0063]
步骤s102：将所述设备参数代入预先构建的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型，并基于所述综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型对所述待分析综合能源系统进行仿真分析，得到仿真结果。
[0064]
本实施例中，考虑负荷在不同季节的特性差异，进而分析不同季节综合能源系统设备运行情况，基于输入的设备参数包括：供能-负荷耦合矩阵、储能-负荷的耦合矩阵、能源参与需求响应时对能源输出的影响系数矩阵、综合能源系统的能量输入矩阵、新能源能量输入量、储能存储量、用户的用电响应行为矩阵、辅助状态变量矩阵、电动汽车的供能耦
合矩阵、电动汽车的储能耦合矩阵、电动汽车的能量输入量和电动汽车的能量存储量，实现计及多元负荷的综合能源系统扩展能量枢纽模型仿真。仿真分析的内容主要包括稳态特性分析、动态特性分析和能流计算等，可得到购电功率、售电功率、用能成本等参数及其变化特性，通过计算得到电冷热气等能流的时空分布情况。根据仿真结果用能成本变化，为综合能源系统的能量分配方案提供理论支撑，有效提高能源综合利用率，实现综合能源系统优化运行。
[0065]
本实施例中，包含电动汽车、储能设备、新能源并网和需求响应拓展单元的所述预先构建的综合能源系统的能量枢纽仿真模型的数学模型如下：
[0066][0067]
上式中，l为综合能源系统的输出负荷矩阵，l
t
为新能源并网输出能量，δl为需求侧响应引起的负荷变化量，l
ev
为电动汽车的能量输出量，c为供能-负荷耦合矩阵，s为储能负荷的耦合矩阵，d为能源参与需求响应时对能源输出的影响系数矩阵，p为综合能源系统的能量输入矩阵，pr为新能源能量输入量，e为储能形式的存储量向量，h为用户的用电响应行为矩阵，ε为辅助状态变量矩阵，c
ev
为电动汽车的供能耦合矩阵，s
ev
为电动汽车的储能耦合矩阵，p
ev
为电动汽车的能量输入量，e
ev
为电动汽车的能量存储量。
[0068]
在一个实施方式中，本发明考虑季节差异对负荷特性的影响，引入电能、制冷和天然气分配系数，提出能量枢纽模型如附图2所示，若当前季节为冬季，则所述供能-负荷耦合矩阵的数学模型为：否则，所述供能-负荷耦合矩阵的数学模型为：其中，η
t
、分别为变压器燃气锅炉的转换效率，为天然气转换为热能的转换效率，为空调制冷效率，为天然气转换为电能的转换效率，λ、β、v为电能、制冷和天然气的分配比例，为空调制热效率，η
ar
为制冷机的转换效率。
[0069]
其中，所述综合能源系统的能量输入矩阵的数学模型如下：
[0070]
p＝[p
e,eh p
g,eh
]
t
[0071]
上式中，p
e,eh
为输入的电功率，p
g,eh
为输入的天然气。
[0072]
在一个实施方式中，当电动汽车的运行状态为行驶状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为：(1 0 0 0)
t
；当电动汽车的运行状态为加油状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为： (0 1 0 0)
t
；当电动汽车的运行状态为充电负荷状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为： (0 0 1 0)
t
；当电动汽车的运行状态为并网服务状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为： (0 0 0 1)
t
。
[0073]
在一个实施方式中，所述需求侧响应引起的负荷变化量的数学模型如下：
[0074][0075]
上式中，d
nn
为能源n参与需求响应时对能源n输出的影响系数。
[0076]
本发明以某实际工厂综合能源系统为例，工厂中的主要能量转换设备包括：燃气轮机、余热锅炉、吸收式制冷机、电制冷空调、燃气锅炉、冰蓄冷装置以及各类蒸汽驱动设备等，并引入电池储能、新能源(以光伏为例)等设备。在工厂的生产过程中，涉及到冷、热、电、气4种能源形式的耦合与转换，其供能架构如图3所示。
[0077]
本算例只考虑夏季和冬季典型日的负荷情况，夏季冷负荷需求量较大，热负荷需求量较小，其中的电制冷空调只提供冷负荷，不提供热负荷，吸收式制冷机也将系统中多余的热能转化为冷能，其余架构形式保持不变，夏季供能典型架构如图4所示。冬季热负荷需求量较大，冷负荷需求量较小，空调、微型燃气轮机、燃气锅炉、吸收式制冷机均提供热负荷，少量冷负荷只由蓄冷装置提供，冬季典型用能架构如图5所示。
[0078]
工厂用能成本主要包括设备运行维护成本、购电成本、储能折旧成本、燃料成本、购热成本及启停成本，其计算表达式如下：
[0079]catc
＝c
om
+c
es
+c
hs
+c
bw
+cf+c
ss
[0080]
式中：c
om
表示运行维护成本；c
es
表示购电成本；c
hs
表示购热成本；c
bw
表示储能折旧成本；cf表示燃料成本；c
ss
表示启停成本。
[0081]
基于扩展能量枢纽模型对工厂的用能过程进行仿真分析，将仿真得到的工厂用户综合能本与传统仿真方法得到的工厂用能成本进行对比，得到夏季工厂用能成本曲线和冬季工厂用能成本曲线如下图6和图7所示。从图中可以看出夏季典型日成本降低3600元，冬季典型日成本降低14800元，因此，本发明所述仿真方法相比传统仿真方法通过提高仿真精度，降低了工厂用能成本，。因此考虑季节差异对综合能源系统影响，为能量分配提供了更优的解决方案，实现了用能成本的减少。且考虑了光伏为代表的新能源、储能电池参与到系统运行，拓宽了模型的适用范围。
[0082]
实施例2
[0083]
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种综合能源系统的扩展能量枢纽仿真装置，如图8所示，所述综合能源系统的扩展能量枢纽仿真装置包括：
[0084]
获取模块，用于获取待分析综合能源系统中的设备参数；
[0085]
分析模块，用于将所述设备参数代入预先构建的综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型，并基于所述综合能源系统的扩展能量枢纽仿真模型对所述待分析综合能源系统进行仿真分析，得到仿真结果。
[0086]
优选的，所述设备参数包括下述中的至少一种：供能-负荷耦合矩阵、储能-负荷的耦合矩阵、能源参与需求响应时对能源输出的影响系数矩阵、综合能源系统的能量输入矩阵、新能源能量输入量、储能存储量、用户的用电响应行为矩阵、辅助状态变量矩阵、电动汽车的供能耦合矩阵、电动汽车的储能耦合矩阵、电动汽车的能量输入量、电动汽车的能量存储量。
[0087]
优选的，所述对所述待分析综合能源系统进行仿真分析，得到仿真结果的过程中，
仿真结果包括下述中的至少一种：购电功率变化曲线、售电功率变化曲线、用能成本变化曲线。
[0088]
优选的，所述预先构建的综合能源系统的能量枢纽仿真模型的数学模型如下：
[0089][0090]
上式中，l为综合能源系统的输出负荷矩阵，l
t
为新能源并网输出能量，δl为需求侧响应引起的负荷变化量，l
ev
为电动汽车的能量输出量，c为供能-负荷耦合矩阵，s为储能负荷的耦合矩阵，d为能源参与需求响应时对能源输出的影响系数矩阵，p为综合能源系统的能量输入矩阵，pr为新能源能量输入量，e为储能形式的存储量向量，h为用户的用电响应行为矩阵，ε为辅助状态变量矩阵，c
ev
为电动汽车的供能耦合矩阵，s
ev
为电动汽车的储能耦合矩阵，p
ev
为电动汽车的能量输入量，e
ev
为电动汽车的能量存储量。
[0091]
进一步的，若当前季节为冬季，则所述供能-负荷耦合矩阵的数学模型为：否则，所述供能-负荷耦合矩阵的数学模型为：其中，η
t
、分别为变压器燃气锅炉的转换效率，为天然气转换为热能的转换效率，为空调制冷效率，为天然气转换为电能的转换效率，λ、β、v为电能、制冷和天然气的分配比例，为空调制热效率，η
ar
为制冷机的转换效率。
[0092]
进一步的，所述综合能源系统的能量输入矩阵的数学模型如下：
[0093]
p＝[p
e,eh p
g,eh
]
t
[0094]
上式中，p
e,eh
为输入的电功率，p
g,eh
为输入的天然气。
[0095]
进一步的，当电动汽车的运行状态为行驶状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为： (1 0 0 0)
t
；当电动汽车的运行状态为加油状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为： (0 1 0 0)
t
；当电动汽车的运行状态为充电负荷状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为： (0 0 1 0)
t
；当电动汽车的运行状态为并网服务状态时，所述辅助状态变量矩阵分别为： (0 0 0 1)
t
。
[0096]
进一步的，所述需求侧响应引起的负荷变化量的数学模型如下：
[0097][0098]
上式中，d
nn
为能源n参与需求响应时对能源n输出的影响系数。
[0099]
实施例3
[0100]
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specificintegrated circuit，asic)、现成可编程门阵列 (field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中一种综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法的步骤。
[0101]
实施例4
[0102]
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质 (memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器 (non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中一种综合能源系统的扩展能量枢纽仿真方法的步骤。
[0103]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0104]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和 /或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和 /或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0105]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0106]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0107]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。