综合能源系统多能流联合仿真技术研究

孙浩，陈永华

（南瑞集团有限公司，南京211100）

0 引言

能源发展与经济社会发展紧密联系、高度融合，决定了能源供需与经济、社会、环境、资源等密切相关。目前，我国能源转型正面临消费增速趋缓、传统产能过剩、环境问题突出、整体效率较低等问题［1-3］。为进一步推动经济发展，我国能源领域体制改革不断深化，电力、油气行业改革迈出重要步伐，竞争性环节市场更加开放，能源行业融合发展协调推进。在这样的大环境下，综合能源系统的概念被提出之后，立刻成为关注热点和研究焦点［4-6］。但保障行业长期健康发展的基础性技术问题尚未得到解决，实用化的综合能源系统统一建模与仿真技术手段尚未建立，目前学术界虽然建立了各类仿真建模模型和框架，但普遍存在元件库缺失、迭代求解算法复杂、未能得到严格验证等问题，离工程化实用尚有较大差距［7-9］。

国内方面，文献［10］基于能源集线器理论，构建热电联产系统模型，考虑了不同耦合形式和能源供应模式下的电力网络和燃气管网的相关约束，给出了区域综合能源系统的完全解耦、部分解耦和完全耦合的3 种运行模式，并提出了适用的混合潮流算法。文献［11］基于瞬时系统模拟程序（TRNSYS）设计了一套冷热电联供系统，研究结果为小型冷热电联供系统的配置设计与运行管理提供了参考。此外，文献［12］建立了冷、热、电三联供系统的能量流模型，并将其作为电网与天然气网的耦合节点，推导了适用于天然气网能量流计算的有限元节点法，提出了一种电-气耦合微能源的能量流计算方法。基于开源三相配电网潮流仿真软件openDSS和MATLAB 平台，对含冷、热、电联产系统（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）的微能源网进行综合仿真，分别计算了以电定热和以热定电2种典型运行方式下夏季典型日的逐时能量流。

国外方面，文献［13］对区域综合能源系统（IES）中的生产、传输、转换、存储和消费环节进行了稳态建模，提出了能量集线器（Energy Hub）的概念和数学模型，它是一个连接各子系统的广义元件，同时围绕这种能源耦合单元研究了设备的配置、潮流计算和调度问题。文献［14］以耦合能源系统为研究对象，基于能源集线器对多能流综合潮流进行系统解耦，通过对能源集线器的分配系数进行分析，探究了能源互补的协同效应。相关学者指出，Energy Hub概念和能量流理论有助于建立综合能源系统的通用理论分析框架。文献［15］详细研究了美国综合能源系统的经济性依赖问题，应用网络流建模仿真技术，实现了独自定义不同子系统的仿真时间和步长，求解效率高，在描述综合能源系统的高维特性上具有重要意义。

针对这一现状本文提出数字联合仿真的研究思路，利用MATLAB 和TRNYSY 软件之间的互联互通，优势互补，实现水、电、气、热系统的联合仿真，为解决区域综合能源示范应用中的技术难点提供支撑平台，同时也为综合能源其他技术提供切实可行的仿真解决方案。

1 仿真软件功能分析

目前，已有一些可用于综合能源仿真的商业化软件。这些软件在各自擅长的仿真领域的基础上，拓展了综合能源涉及的领域，初步具备综合能源仿真能力，可以满足规划、设计、节能分析等不同工作的需求。然而针对更为复杂的控制策略、优化运行等研究工作，依然无法实现水、电、气、热系统的联合仿真，而是采用各专业软件独立分析的方式。

其中，已经商业化的软件包括NEPLAN，HOMER，EnergyPlus，TRNSYS，以及PSS®SINCAL。除了HOMER 软件外，其他软件均为联合仿真提供了接口，其中EnergyPlus，TRNSYS 软件代码开源，有利于二次开发和联合数字仿真。

以上提到的5种软件均在不同程度上支持电力和热力的联合仿真。其中，PSS®SINCAL，NEPLAN支持天然气和供水仿真，可以实现电、热、气、水的部分联合仿真功能。5 种软件都支持区域级别的仿真，虽然PSS®SINCAL，NEPLAN 在区域级别的仿真性能表现优越，但不支持建筑物级别的仿真。在热力仿真方面，PSS®SINCAL，NEPLAN，TRNYSY 都有广泛应用。

2 联合仿真总体架构

2.1 TRNSYS仿真软件

TRNSYS（Transient System Simulation）软件是瞬时系统模拟程序，最早由美国威斯康星麦迪逊分校的Solar Energy 实验室（SEL）开发，并在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善。TRNSYS 软件在各个领域中的热工问题都有对应模块，可用于建筑物全年的逐时能耗分析、优化空调系统方案，以及太阳能系统、地源热泵系统、蓄热系统、冷热电联产系统、燃料电池和风力发电的模拟计算。

TRNSYS 的2017 版本正式加入了热电联产（CHP）元件库，涵盖燃气轮机、蒸汽轮机、吸收式制冷机、余热回收锅炉等热电联产系统的装置模型，可以实现分布式冷、热、电系统的仿真。

2.2 MATLAB/Simulink与TRNSYS联合仿真系统

Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无须大量书写程序，而只需要通过简单、直观的鼠标操作，即可构造出复杂的系统。其中，SimPowerSystems 隶属于Simulink 环境，元件库丰富，是电气专业经常使用的仿真软件，可用于电路、电力系统、电机、电力电子及大系统的分析等。

然而，目前Simulink 仿真工具并不涉及热力学仿真领域，部分涉及热力学的仿真计算无法实现，例如太阳能光热系统、地源热泵系统、燃气三联供系统，无法满足综合能源仿真的需求。

2.3 技术方案

经过2.2 节的分析，我们选择开源的TRNSYS软件，利用其丰富的热力学元件库，与MATLAB/Simulink 构建综合能源联合仿真平台，并在此基础上构建运行优化仿真平台，满足综合能源系统更深层次的仿真需求。

本文提出了基于TRNSYS 与MATLAB/Simulink软件平台建立面向建模仿真和运行优化相关的区域综合能源系统设备模型库，涵盖冷、热、电、气等各个专业模型，包括光伏，储能，冷、热、电三联供等多种耦合元件模型。运行优化仿真验证平台模块整体基于MATLAB 软件平台。联合仿真系统架构如图1 所示。其中，场景构建、数据输入，以及优化结果分析与展示基于MATLAB 自带的图形用户界面（GUI）的前端界面展示功能；针对既定场景与已知数据进行优化计算则利用MATLAB 平台调用核心算法包。

图1 联合仿真系统架构Fig.1 Architecture of the co-simulation system

3 TRNSYS建模与封装

TRNSYS中的Simulation Studio为模型的调用和仿真提供模拟平台，仿真时需要调用多个设备模型、控制模块、辅助工具模块、算法编辑模块等，正确地设定参数和链接才能完成仿真工作。以冷、热、电三联供系统仿真为例，软件建模如图2 所示。该模型涉及近30 个基本模块及参数配置，输入、输出环节众多。

如果是针对传统的冷、热、电三联供系统进行能耗分析及优化设计，上述建模仿真分析的环节是必要的。但对于联合仿真系统，冷、热、电三联供系统与综合能源系统之间仅仅处在电、冷、热、气几个参数的耦合，一旦三联供系统参数配置确定后，中间过程和复杂的建模过程对联合仿真的意义并不大。因此，合理地封装冷、热、电三联供系统，将其看作一个统一的模型，输入/输出在电、冷、热、气4个参数中选择，就能满足联合仿真的需求。通过不同工作模式（以热定电或以电定热）在TRNSYS中的Simulation Studio 平台搭建仿真模型，完成参数配置与优化后，将整个模型打包封装成针对联合仿真的特定功能模块。之后，MATLAB/Simulink 平台就可以将冷、热、电三联供系统当做一个模块来进行调用。

4 多能流联合数字建模仿真平台内部的数据交互

4.1 FMI接口方案

功能模型接口FMI（Functional Mock - up Interface）是独立于各类建模软件的标准接口协议，可用于集成不同软件建立的、不同详细程度的模型进行联合仿真。

图2 冷、热、电三联供系统建模Fig.2 Modeling of a CCHP system

FMI通过定义可扩展标记语言（XML）文件来描述仿真组建，通过应用程序接口（API）来定义接口。API 可以采用C 语言编写。基于FMI 协议封装后的模型为功能模型单元（FMU）。FMU 可以采用支持FMI 技术的仿真接口软件来实现，将不同仿真软件建立的仿真模型转换封装成FMU，封装后的FMU可以跨平台使用，实现联合仿真。MATLAB 与TRNSYS通过FMI的连接如图3所示。

图3 MATLAB与TRNSYS通过FMI的连接Fig.3 FMI interface connecting MATLAB and TRNSYS

4.2 TRNSYS的FMI接口

目前，已经有针对MATLAB，TRNSYS 等仿真软件的FMI 协议仿真软件接口程序。FMI++TRNSYS FMU Export Utility 是专门针对TRNSYSY 仿真模型的FMU 模型生成器。它是一款开源的独立运行的第三方软件程序，主要提供如下功能:

（1）通过与TRNSYS 内部FMI 适配器接口模型Type6139 的配合使用，实现对TRNSYS 软件内部仿真模型基于FMI协议的编译和封装。当TRNSYS 仿真模型在运行过程中，外部的其他仿真环境可以通过Type6139 实时与TRNSYS 仿真模型进行数据交互。

（2）提供图形化的用户界面，方便使用者生成XML模型描述文件、共享动态链接库（DLL）、添加天气实时变换的数据信息。

FMI++ TRNSYS FMU 导出工具是一个独立的工具，以FMI++库的代码和Boost C++库为基础，用于从TRNSYS 模型导出用于联合仿真的FMU。在TRNSYS 模型中，外部应用程序能够通过FMI 的模拟接口并利Type6139 访问。这个接口允许外部应用程序检索/发送来自/发送到TRNSYS 模型运行时的数据。FMI 接口适配器如图4 所示。通过软件的图形用户界面把建好的TRNSYS 模型导出为FMU文件，该文件包括XML 模型描述文件和共享库。可以指定附加文件（如天气文件）和导出变量的起始值。

FMI++库引入了前端、后端和适配器的概念，用于为各种各样的工具提供接口。前端通过被外部应用程序使用的具有主算法的FMI 组件与TRNSYS互动。FMI 接口适配器工作流程如图5 所示。通过前端，主算法能够控制仿真的执行（开始、停止、前进），并能够在运行时从TRNSYS 中检索/发送数据。后端是TRNSYS 和前端之间的通用网关，支持运行时控制和数据交换。此连接通过共享内存访问建立。适配器是仿真工具中使用后端的专用组件。Type6139 是TRNSYS 软件中一个自带模块的编号，该模块的作用相当于一个适配器。

图4 FMI接口适配器Fig.4 Interface adapter of FMI

图5 FMI接口适配器工作流程Fig.5 Work flow of an FMI interface adapter

4.3 TRNSYS模型Type6139

为了能够让TRNSYS 建立的仿真模型可以应用于其他仿真软件，实现联合仿真，TRNSYS 提供了与FMU 相对应的适配器接口模型Type6139。Type6139 分 为2 类 模 型:Type6139a 和Type6139b。功能见表1。

表1 Type6139功能Tab.1 Menu of Type6139 models

4.4 MATLAB的接口FMI

在MATLAB 中，FMI++ MATLAB 工具箱与其他和FMI 相关的工具箱不同，它不限于将FMU 导入Simulink 模型或从Simulink 模型导出FMU。相反，它允许使用MATLAB 提供的所有功能。它支持以下特性:

（1）将用于模型交换的FMU（FMI 1.0 和FMI 2.0）导入到MATLAB脚本中；

（2）将用于协同仿真的FMU（FMI 1.0）导入到MATLAB脚本中；

（3）将MATLAB 脚本导出为用于协同仿真的

FMU（FMI 1.0）。

5 区域综合能源的数字联合仿真

以南方某大学为仿真场景，确定综合能源系统仿真规模。校区内建筑类型众多，不仅有教学楼等公共建筑、宿舍楼等居住建筑，还有食堂、浴室等生活辅助建筑。存在冷、热、电、气多样化的用能需求，冬、夏2季冷、热负荷的需求极不均衡，电网负荷峰谷差较大。为高效满足用能需求，学校配置有CCHP 系统、分布式光伏。仿真场景系统如图6 所示，场景的设备参数见表2。

图6 仿真场景系统Fig.6 System diagram of the simulation scenario

表2 设备参数Tab.2 Parameters of the apparatus

在Simulink 仿真环境下，构建了微电网稳态模型，可实现1 年365 天的快速稳态仿真，包括光伏、储能、夏季和冬季负荷等。

因MATLAB 中不含有冷、热、电三联供系统的模型，所以在TRNSYS 中搭建三联供系统的仿真模型，按照以热定电的方式根据冷、热、电负荷需求配置系统。

TRNSYS 中三联供系统建模如图7 所示。调整参数，实现1 年365 天的稳态仿真，并将整个三联供系统通过Type6139 封装成三联供模块供MATLAB调用。TRNSYS 中的三联供仿真模型封装如图8所示。

图7 TRNSYS中三联供系统建模Fig.7 Modeling of CCHP system in TRNSYS

在完成以上工作之后，就可以在MATLAB 中通过FMI 接口调用三联供模块，与其他模型建立数据的连接，实现区域综合能源的MATLAB/Simulink 与TRNSYS 数字联合仿真，MATLAB 中的三联供模块的调用如图9所示。

图8 TRNSYS中三联供仿真模型封装Fig.8 Encapsulation of the CCHP simulation model in TRNSYS

图9 MATLAB中的三联供模块的调用Fig.9 Calling of CCHP module in MATLAB

6 结束语

本文针对区域综合能源仿真，提出了跨平台数字化联合仿真的技术方案，利用MATLAB 和TRNSYS 实现区域综合能源的数字联合仿真。采用模型封装的思想，将复杂的三联供系统封装成为固定输入、输出的模块，并在MATLAB 中成功调用TRNSYS 中封装的三联供模块，实现了综合能源的数字联合仿真。本文的研究成果，可以进一步拓展应用，实现多软件平台的数字联合仿真，也为硬件在环仿真、物理模型仿真等后续工作提供了技术支撑。