CN112631144B - 一种综合能源实时数字物理混合仿真*** - Google Patents
一种综合能源实时数字物理混合仿真*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种综合能源实时数字物理混合仿真***，包括物理实体和数字仿真***；其中，物理实体用于对各种能源子***进行监控与调度；数字仿真***用于基于电磁暂态的电力***仿真对电网进行仿真模拟，以及采用TRNEdit子***对综合能源子***进行仿真模拟；同时还实现了各仿真模块的协同仿真。物理实体和数字仿真***通过数字物理混合仿真接口相连，通过实时的仿真数据，驱动综合能源***管控平台，实现***的实时数据驱动与数字物理混合仿真。
Description
技术领域
本发明属于综合能源***技术领域，特别涉及一种综合能源实时数字物理混合仿真***。
背景技术
综合能源***由社会供能网络和终端综合能源单元***构成，将电力、燃气、供热/供冷、供氢等能源环节与交通、信息等支撑***有机融合，使不同能源之间的协同调度，实现能源高效利用、满足用户多种能源需求、提高社会供能可靠性和安全性。随着新技术、新设备的不断发展和应用，综合能源***的基本架构也在不断进步和衍变，其能够带来的经济、环境和社会效益也将日益明显。
在我国综合能源***理论研究不断深入和试点项目有序落地的背景下，需要开发综合能源***建模与仿真技术。公开号CN109191017A-一种综合能源***的仿真方法、装置、设备及存储介质，公开了一种基于多代理的综合能源***的仿真方法，通过对综合能源***中的能源供应商和用户进行建模，即通过能源供应商的第一目标函数和第一数据建立第一代理模型，通过用户的第二目标函数和第二数据建立第二代理模型，然后利用Q算法在综合能源***的运行规则下对第一数据、第一代理模型和第二数据和第二代理模型进行修正，达到对综合能源***进行仿真的目的。但是该技术未提出数字物理混合的仿真方法。
目前，未有涉及综合能源***实时数字物理混合实时仿真的相关技术与实现方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种综合能源实时数字物理混合仿真***，通过实时的仿真数据，驱动综合能源***管控平台，实现***的实时数据驱动与数字物理混合仿真。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种综合能源实时数字物理混合仿真***，包括物理实体，数字仿真***和数字物理混合仿真接口；
所述数字仿真***包括仿真器和仿真工作站；所述仿真工作站用于搭建电力***仿真模型和综合能源子***仿真模型；所述仿真器用于基于仿真模型进行仿真计算；
所述物理实体包括能效管理***和与之相连的综合能源控制设备；所述能效管理***用于根据仿真器的计算结果对综合能源控制设备进行控制操作；
所述数字物理混合仿真接口用于进行物理实体与数字仿真***间采集数据和控制指令的传输。
进一步的，所述数字物理混合仿真接口以太网的形式连接数字仿真***与物理实体；或者根据需要采用AI/0、DI/O、CAN、光纤、USB和485/232接口方式中的一种。
进一步的，所述仿真器包括综合能源***实时仿真支撑环境、仿真模块和协同仿真模块；
所述综合能源***实时仿真支撑环境用于为仿真模块提供设备参数及网络拓扑结构，存储仿真模块计算结果以及对仿真模块和协同仿真模块进行管理；
所述仿真模块用于基于仿真工作站搭建的仿真模型对电力***和综合能源子***进行仿真计算；
所述综合能源子***是指，
将综合能源***根据终端综合能源***在空间上所属区域划分为不同区域；
其中不同区域的区域电网、区域天然气网和区域热网即为对应不同层次的综合能源子***；
所述协同仿真模块用于进行各仿真模块间的时间协同。
进一步的，所述综合能源***实时仿真支撑环境包括：
实时仿真通信总线，用于为综合能源***实时仿真支撑环境与仿真模块之间，以及与协同仿真模块之间提供数据与时间访问接口；
实时数据库，用于保存综合能源***整体信息模型以及子***信息模型；所述综合能源***整体信息模型用于保存综合能源***中各综合能源控制设备参数、多种供能形式的网络拓扑及其耦合关系、以及综合能源***中各综合能源控制设备状态数据；所述子***信息模型用于保存仿真模块每步的仿真结果，一个子***信息模型负责一个仿真模块；
文件***，用于进行综合能源***网络拓扑图形及各仿真模块图形静态信息的保存；
仿真时序控制服务模块，用于控制多个仿真模块间的时间同步；
以及，
仿真管理服务模块，用于进行信息模型创建、修改与加载，仿真启动、暂停和停止控制，以及管理用户和提供人机数据交互服务。
进一步的，所述实时仿真通信总线提供基于C/C++、Python和Java的API，API中封装实时数据库访问接口、文件访问接口、以及模块间消息交互接口。
进一步的，所述各子***信息模型间根据各子***间的连接关系通过实时仿真通信总线形成相同的连接关系，各子***信息模型通过调用与之存在连接关系的子***信息模型的数据发送给该子***仿真模块，进行各子***仿真模块输出数据的交互。
进一步的，所述仿真时序控制服务模块具体用于，
根据用户下发的仿真时序消息，协同多个仿真模块按交互次序推进仿真计算；
所述仿真时序消息带有时间戳，各仿真模块根据当前接收的仿真时序消息时间戳推进仿真计算。
进一步的，所述仿真模块包括电力***仿真模块和综合能源子***仿真模块；
所述电力***仿真模块采用基于电磁暂态的电力***仿真对电网进行仿真模拟；
所述综合能源子***仿真模块采用TRNEdit模块对综合能源子***进行仿真计算；所述TRNEdit模块基于TRNSYS生成，不同区域不同层次的综合能源子***分配不同的综合能源子***仿真模块。
进一步的，所述协同仿真模块包括电力协同仿真模块和TRNSYS协同仿真模块；
所述电力协同仿真模块基于C++开发，用于对实时仿真通信总线进行访问，从仿真时序控制服务模块获取仿真时序消息，根据仿真时序消息时间戳推进电力***仿真模块进行仿真计算；以及，从实时数据库中获取电力***仿真计算所需要的信息参数并将电力***仿真每步计算结果发送至该***对应的信息模型；
所述TRNSYS协同仿真模块基于FORTRON与C++的混合开发，用于对实时仿真通信总线进行访问，从仿真时序控制服务模块获取仿真时序消息，根据仿真时序消息时间戳推进综合能源子***仿真模块进行仿真计算；以及，从实时数据库中获取综合能源子***仿真计算所需要的信息参数并将该子***仿真每步计算结果发送至对应的信息模型。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种适用于多能互补综合能源***的数字物理混合实时仿真***，通过物理实体对各种能源子***进行监控与调度；通过数字仿真***对电网进行仿真模拟，以及采用TRNEdit子***对综合能源子***进行仿真模拟；通过实时的仿真数据，驱动综合能源***管控平台，实现***的实时数据驱动与数字物理混合仿真。本发明提了一种全新的模拟手段和试验方法，有效实现综合能源技术的推广应用，满足综合能源领域从业人员的培训需求。
附图说明
图1为本发明中综合能源实时数字物理混合仿真***结构图；
图2为本发明中综合能源***联合仿真架构。
具体实施方式
本发明提供一种综合能源实时数字物理混合仿真***，可实现对一体化建模与互补调控技术的有效性和可行性进行仿真验证。参见图1，本发明的数字物理混合仿真***包括物理实体和数字仿真两部分。物理实体为真实的综合能源能效管理***和控制设备，通过数字物理混合仿真接口与数字仿真部分连接，构成半实物仿真平台。
具体的，
物理实体部分包括真实的能效管理***，连接真实的综合能源控制设备，实现热能、冷能、电能、化学能、机械能、太阳能、风能、储能等多种能源的监控与调度。
数字仿真部分包括仿真器和仿真工作站，仿真工作站实现基于电力***仿真软件和Trnsys仿真软件的仿真模型搭建，仿真过程监视、控制和操作等；仿真器内实现综合能源***的数字仿真计算。
数字物理混合仿真接口：主要通过以太网的形式连接数字仿真与物理实体，可根据需要扩展AI/0、DI/O、CAN、光纤、USB、485/232等多种接口方式，实现数字仿真与物理实体间采集数据和控制指令的传输。
仿真器的计算结果通过数字物理混合仿真接口发送至能效管理***，能效管理***通过根据仿真结果对综合能源控制设备进行控制操作，实现***的实时数据驱动与数字物理混合仿真。
综合能源***的数字仿真计算通过多仿真软件联合仿真实现，综合能源***联合仿真架构如图2所示，该仿真架构通过仿真器实现。综合能源***联合仿真以综合能源***实时仿真支撑环境（简称“仿真支撑环境”）为基础，通过开发各种协同仿真模块（一个电力协同仿真模块和多个TRNSYS协同仿真模块），将电力***仿真模块、综合能源仿真模块TRNSYS等多种仿真模块实现一体化集成。其中，电力***仿真模块用于对电力***进行仿真，综合能源仿真模块TRNSYS用于对综合能源子***进行仿真。
每个协同仿真模块对应一个仿真模块，各协同仿真模块负责各自仿真模块与仿真支撑环境的数据交互，并在仿真时序控制服务模块控制下实现与其它仿真模块间的仿真时间同步。其中，电力协同仿真模块负责电力***仿真模块，一个TRNSYS协同仿真模块负责一个综合能源仿真模块TRNSYS。
具体的，
综合能源***实时仿真支撑环境是综合能源***联合仿真架构的基础，它由实时仿真通信总线、实时数据库、文件***、仿真时序控制服务模块和仿真管理服务模块组成。具体功能如下：
实时仿真通信总线用于为综合能源***实时仿真支撑环境中各模块与各仿真模块（电力***仿真模块、综合能源仿真模块TRNSYS）提供统一的数据与时间访问接口。实时仿真通信总线对外提供基于C/C++、Python、Java等语言的API，API封装了实时数据库访问、文件访问、模块间消息交互等各种接口。
实时数据库用于保存综合能源***整体信息模型以及子***信息模型；所述综合能源***整体信息模型用于保存综合能源***中各综合能源控制设备参数、多种供能形式的网络拓扑及其耦合关系、以及综合能源***中各综合能源控制设备状态数据；所述子***信息模型用于保存仿真模块每步的仿真结果，一个子***信息模型负责一个仿真模块。
各子***信息模型间根据各子***间的连接关系通过实时仿真通信总线形成相同的连接关系，通过存在连接关系的子***信息模型间的数据相互调用实现各子***仿真模块间的数据交互。
仿真时序控制服务模块用于控制多个仿真模块间的时间同步。具体的，仿真时序控制服务模块接受用户的仿真控制策略，通过接收和发送仿真时序消息来协同多个仿真模块按交互次序推进仿真计算过程。仿真时序消息带有时间戳，仿真模块根据当前接收的仿真时序消息时间戳来推进仿真计算。
仿真管理服务模块用于提供综合能源***实时仿真支撑环境的管理服务功能，如综合能源***整体信息模型，子***信息模型的创建、修改与加载等服务，仿真启动、暂停、停止等控制，用户管理及人机数据交互服务等功能。
文件***用于综合能源***网络拓扑图形及各仿真模块图形等静态信息的保存。
具体的，
综合能源***联合仿真架构充分考虑了能源互联网/综合能源***的物理形态，能源互联网由区域电网、区域天然气网、区域热网、以及大量的终端综合能源***共同构成，其中区域电网、区域天然气网、区域热网分属不同的能源***，具有分层的特点；大量的终端综合能源***在空间上分属不同区域，通过区域电网、区域天然气网、区域热网相互耦合，具有分区的特点。联合仿真架构将不同层次的能源网仿真和不同区域的综合能源仿真分配给不同的单一能源仿真模块来完成，通过对多个单一能源仿真模块的协同控制实现仿真时序的协同和每步耦合数据的交互，实现对整个能源互联网和综合能源***运行特征的模拟，以克服不同能源***仿真尺度差异给综合能源仿真带来的难题。
电力***仿真模块用于采用基于电磁暂态原理的电力***仿真软件对电网进行仿真模拟，基于C++开发电力协同仿真模块负责实现对实时仿真通信总线的访问，完成数据与仿真时序消息的收发。
综合能源***采用TRNSYS完成综合能源中冷热***的模拟。多个综合能源子***的仿真是由多个TRNEdit子***完成仿真，TRNEdit子***由模拟软件TRNSYS生成，是可脱离TRNSYS软件独立运行的综合能源仿真***。每个TRNEdit子***通过TRNSYS协同仿真模块实现对实时仿真通信总线的访问。TRNSYS协同仿真模块基于FORTRON与C++的混合编程技术研发，该模块在TRNSYS中作为一个用户扩展仿真模块（TYPE），通过***建模可加入到每个TRNEdit子***的仿真场景计算序列中。TRNSYS协同仿真模块一方面采集TRNEdit子***仿真模块的输出数据，通过访问实时仿真通信总线将数据存入实时数据库中该子***所对应的信息模型，并从实时数据库中读取与该子***有连接关系的子***信息的模型中的数据发送给TRNEdit子***仿真模块；另一方面，TRNSYS协同仿真模块与仿真时序控制服务模块进行仿真时序消息交互，实现协同仿真。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种综合能源实时数字物理混合仿真***，其特征在于，包括物理实体，数字仿真***和数字物理混合仿真接口；
所述数字仿真***包括仿真器和仿真工作站；所述仿真工作站用于搭建电力***仿真模型和综合能源子***仿真模型；所述仿真器用于基于仿真模型进行仿真计算；
所述仿真器包括综合能源***实时仿真支撑环境、仿真模块和协同仿真模块；
所述综合能源***实时仿真支撑环境用于为仿真模块提供设备参数及网络拓扑结构，存储仿真模块计算结果以及对仿真模块和协同仿真模块进行管理；所述综合能源***实时仿真支撑环境包括：
实时仿真通信总线，用于为综合能源***实时仿真支撑环境与仿真模块之间，以及与协同仿真模块之间提供数据与时间访问接口；
实时数据库，用于保存综合能源***整体信息模型以及子***信息模型；所述综合能源***整体信息模型用于保存综合能源***中各综合能源控制设备参数、多种供能形式的网络拓扑及其耦合关系、以及综合能源***中各综合能源控制设备状态数据；所述子***信息模型用于保存仿真模块每步的仿真结果，一个子***信息模型负责一个仿真模块；
文件***，用于进行综合能源***网络拓扑图形及各仿真模块图形静态信息的保存；
仿真时序控制服务模块，用于控制多个仿真模块间的时间同步；根据用户下发的仿真时序消息，协同多个仿真模块按交互次序推进仿真计算；所述仿真时序消息带有时间戳，各仿真模块根据当前接收的仿真时序消息时间戳推进仿真计算；
以及，
仿真管理服务模块，用于进行信息模型创建、修改与加载，仿真启动、暂停和停止控制，以及管理用户和提供人机数据交互服务；
所述仿真模块用于基于仿真工作站搭建的仿真模型对电力***和综合能源子***进行仿真计算；所述综合能源子***是指：将综合能源***根据终端综合能源***在空间上所属区域划分为不同区域；其中不同区域的区域电网、区域天然气网和区域热网即为对应不同层次的综合能源子***；
所述协同仿真模块用于进行各仿真模块间的时间协同；
所述物理实体包括能效管理***和与之相连的综合能源控制设备；所述能效管理***用于根据仿真器的计算结果对综合能源控制设备进行控制操作；
所述数字物理混合仿真接口用于进行物理实体与数字仿真***间采集数据和控制指令的传输。
2.根据权利要求1所述的一种综合能源实时数字物理混合仿真***，其特征在于，所述数字物理混合仿真接口以太网的形式连接数字仿真***与物理实体；或者根据需要采用AI/0、DI/O、CAN、光纤、USB和485/232接口方式中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种综合能源实时数字物理混合仿真***，其特征在于，所述实时仿真通信总线提供基于C/C++、Python和Java的API，API中封装实时数据库访问接口、文件访问接口、以及模块间消息交互接口。
4.根据权利要求1所述的一种综合能源实时数字物理混合仿真***，其特征在于，所述各子***信息模型间根据各子***间的连接关系通过实时仿真通信总线形成相同的连接关系，各子***信息模型通过调用与之存在连接关系的子***信息模型的数据发送给该子***仿真模块，进行各子***仿真模块输出数据的交互。
5.根据权利要求1所述的一种综合能源实时数字物理混合仿真***，其特征在于，所述仿真模块包括电力***仿真模块和综合能源子***仿真模块；
所述电力***仿真模块采用基于电磁暂态的电力***仿真对电网进行仿真模拟；
所述综合能源子***仿真模块采用TRNEdit模块对综合能源子***进行仿真计算；所述TRNEdit模块基于TRNSYS生成，不同区域不同层次的综合能源子***分配不同的综合能源子***仿真模块。
6.根据权利要求5所述的一种综合能源实时数字物理混合仿真***，其特征在于，所述协同仿真模块包括电力协同仿真模块和TRNSYS协同仿真模块；
所述电力协同仿真模块基于C++开发，用于对实时仿真通信总线进行访问，从仿真时序控制服务模块获取仿真时序消息，根据仿真时序消息时间戳推进电力***仿真模块进行仿真计算；以及，从实时数据库中获取电力***仿真计算所需要的信息参数并将电力***仿真每步计算结果发送至该***对应的信息模型；
所述TRNSYS协同仿真模块基于FORTRON与C++的混合开发，用于对实时仿真通信总线进行访问，从仿真时序控制服务模块获取仿真时序消息，根据仿真时序消息时间戳推进综合能源子***仿真模块进行仿真计算；以及，从实时数据库中获取综合能源子***仿真计算所需要的信息参数并将该子***仿真每步计算结果发送至对应的信息模型。
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