灵活可拓展的综合能源仿真系统及其多样化数据集构建策略和案例

2024紫金论电专题论坛 康园新型电力系统装备关键技术与系统安全稳定运行控制 1949 灵活可拓展的综合能源仿真系统及其多样化数据集构建策略和案例 汇报人：孙秋野 单位：沈阳工业大学 2024.7.14 报告提纲 1研究背景与研究自的 2系统构建原则与系统介绍 3多样化数据集构建 4基础应用测试案例与结果分析 5开源信息 1研究背景与研究目的 1.1能源电力转型与综合能源系统 ·科学建设新型电力系统：新型电力系统优势： 国家能源局 新型电力系换发展电力电源清洁化 电力系统柔性化 电力系统数字化 电力系统电力电子化 遇到挑战： 以“电源、电网、负荷、储能”为整体规划的新型电力运行为保证系统安全稳定和经济运行，新型电力系统面临灵活性， 模式可提高新能源发电量消纳能力和电网安全运行水平韧性、稳定性、可靠性、经济性等多项性能要求和挑战 能源电力转型转型面临挑战 综合能源系统(IntegratedEnergySystem，IEs）是融合清洁化、智能化、去中心化、综合化等新要素形成 的能源新业态，可以突破电力系统转型的瓶颈问题。 1研究背景与研究自的 1.2综合能源系统发展趋势 FREEDM项目提出了 瑞士“未来能源网络愿景”项目能量路由器的概念 20012003200720082011 美国发展综合能 源系统计划 2022 苏黎世联邦理工学院提德国提出e-energy计划美国的智能电网战略 出了能源枢纽的概念 司2017S20162012 2023 现代能源体系“十四五”规在互联网+中促进中国55个“互联网+”第三次工业革命中的 智慧能源发展的智慧能源（能源互联能源互联网概念 指导意见网）示范项目 全球能源互联网与清洁能源 综合能源系统优势打破能源子系统的体综合能源系统现状 多能耦合、可再生能源高效利 用、能源综合利用效率高。 制壁垒 破解清洁能源电力消 纳难题 综合能源系统已成为未来能 源发展的重要研究方向。 1研究背景与研究自的 1.3传统能源系统仿真案例 在能源领域的研究历程中，公共的能源系统仿真测试案例提供了标准化的公共资料这对 推动能源系统的研究与发展有看重要的影响 电力系统燃气系统热力系统 IEEE-118总线电力系统比利时20节点燃气系统巴厘岛32节点热力系统 IEEE-33总线电力系统15节点燃气系统14节点热力系统 18.1920.20 24 1研究背景与研究自的 1.3综合能源系统仿真测试案例 口现有综合能源测试系统典型结构口现有系统存在的不足 不实际：现有测试案例直接在多个独立的能源子系统之间添加耦合设备，没有具体的应用对象与研究场景，与实际系统的特征严重不符 不完整：现有测试案例中各能源子系统之间在覆盖的区域规模、系统容量、整体负荷等方面存在明显的等级差异，系统耦合假设不满足实际需求； 不匹配：在部分研究中采用的实际能源系统，往往出于隐 G1Q私性、保密性等原因，并不能够提供完整的系统结构、参数 或运行数据。 建立综合能源仿真系统： 研究目的 可满足综合能源系统多样化的研究需求 研究人员可以基于这些仿真测试系统对提出的新技术、新方法进行测试验证对推动综合能源系统的发展与应用具有重要意义 报告提纲 1研究背景与研究自的 2系统构建原则与系统介绍 3多样化数据集构建 4基础应用测试案例与结果分析 5开源信息 2系统构建原则与系统介绍 2.1系统构建原则 实原性 考虑实际区域的地理条件、资源票赋情况、用能行为特征 规范性 考虑国外、国家、省区市、行业、企业等相关设计规范 系统构建原则复杂性 节点规模较大、网络结构复杂、较多环节可参与、研究场景丰富 功能性 满足仿真测试需求、提供相关数据参考 灵活性 多种能源子系统+多种能源耦合设备+不同的可再生能源渗透率 2系统构建原则与系统介绍 2.1系统构建原则实原性 实原性：在系统的构建过程中，应考虑到系统中所包含的各个环节需受到实际外部环境条件的约束使其 符合实际能源系统的特征 地理条件实际区域（拓扑、等级）资源慕赋情况风光、气候、地理位置 总辐轮毂光伏 冷网射量风速压出力 气直射温风机 网辐射度湿度出力 热 网用能行为特征负荷类型 电电负荷气负荷热负荷冷负荷 网 居工商公充算力仓居工商公居工商公工算力仓 站 地理 实际民业业共电中心储民业业共民业业共业中心储 区域 2系统构建原则与系统介绍 2.1系统构建原则规范性 规范性：系统中包含的网络拓扑布局、能源设备配置系统参数设计等环节，在其构建过程中均参考了国外、国家、省区市、行业、企业等相关设计规范 相关设计规范：系统构建源网荷储： A中华人民共和国住房和城多 UDC 中华人民共和国国家标准GB CJJ342002电力线电节点 中华人民共和国中央人民政府燃气管道燃气节点 *SARARNESES 力网设计规范热管道 districtheatins 热节点 城市电力规划规范2002年版）提供参考冷管道冷节点 深蓝色表示电负荷节点绿色表示气负荷节点 华人民共和国国家标准 H 红色表示热负荷节点 GB50028淡蓝色表示冷负荷节点 镇燃气设计规范 （2020年版） DS配电站燃气站HS2热源站电储能热储能 10 2系统构建原则与系统介绍 2.1系统构建原则功能性与复杂性 功能性：系统能够满足综合能源系统多样化仿真测试的需求，如多能流计算测试、经济优化调度测试、系统性能评估等。可提供在研究工作中所必需的系统拓扑结构、系统参数、运行数据等资料 复杂性：系统具有一定的节点规模，网络结构较为复杂，有多个环节可以参与到系统调节中来，同时系统 在不同的研究领域中还设计了丰富的研究场景。 膜 系统线路参数 参数节点信息 [AT.]-a 流计算 ak ala仿真分析运据行 常规数据 综合能源仿直 经济 提供数据异常数据 优化电网气网 调度拓扑 测试结构热网 真测试系统 2系统构建原则与系统介绍 2.1系统构建原则灵活性 灵活性：系统内部包含了电、热、冷、气等多种能源子系统，多种能源耦合设备，以及不同的可再生能源渗透率情况，可根据研究需求，选择不同的能源子系统组合、能源设备组合、以及可再生能源占比等。 电、热、冷、气等多种能源子系统： 多种能源耦合设备：不同的可再生能源渗透率情况： P2G电转气单元电制冷电锅炉 40%60%80%100% CCHP冷热电联产单元燃气锅炉 2系统构建原则与系统介绍 2.2IES-133系统概况总体架构 系统总体介绍 系统类别：电-气-热-冷综合能源系统 系统规模：区域综合能源系统（面积约30平方千米） 系统构成：配电网、燃气网、供热网、供冷网 各子系统间的耦合设备 ◆系统基本参数： IES-133 综合能源系统 子系统 等级 最大设计负荷 峰值运行负荷 电 中压配电网：10kv 100MW 82MW 气 中压A级网：0.2MPa-0.4MPa 6010m3/h 5405m²/h 热 一级供热网：供水温度120℃，回水温度70℃ 58MW51MW 冷 一级供冷网：供水温度7℃，回水温度12℃ 15MW14.6MW 该仿真系统是基于中压配电网、中压燃气A级网 级供热网、一级供冷网，深度融合形成的区域级81.6 综合能源系统 13 2系统构建原则与系统介绍 2.2IES-133系统概况设计理念 储气微网用户 研究热点供气网络关键技术 供电网络 多需求微网电制氢天然气锅炉风光火电一体化 电、气、冷、热等微网 多种需求 多能流 多类异质能流耦合 机理复杂 发电机组 储电 冷热电循环泵源网荷储一体化 用户分布式新能源 多时间尺度热泵 用户热储能 电力、热力、燃气等 能流惯性差异大 多技术耦合供冷网络 储热 供热网络 多元化储能 需求响应负荷多种耦合设备 多种电源/储能/用能等耦合 用户微K储冷 综合能源系统总体设计思路示意图 综合考虑当前研究热点及关键技术，设计满足能源产输储用体化的综合能源仿真系统 14 2系统构建原则与系统介绍 2.2IES-133系统概况核心特征 IES-133系统多能互补传统化石能源、风光 等新能源 多网融合 电、气、热、冷不同能源子系统深度融合 满足能源生产、转换、利 多环节耦合用等各环节的设备紧 密耦合 分布式储能 分布式储电、储热 综合能源系统特征 可响应负荷 可中断负荷、可转移 负荷、可替代负荷 系统满足综合能源系统的核心特征一多能互补、多网融合、多环节耦合、分布式储能、可响应负荷 15 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络 综合能源仿真系统三元素 能源网络系统节点能源设备 配电燃气供热供冷能源供能源耦多元储多能负新能源多能耦分布式 网网网网应节点合节点 t 能节点 荷节点发电设备合设备储能设备 中压中压A级级级 高比例 大量大量分布式大量可调节 系统配备大量 电锅炉系统配备大量 配电网 燃气网供热网供冷网新能源节点 能源耦合 节点 储能节点负荷节点 风机电站光伏电站 分布式储能 109节点98节点101节点9节点锅炉 电制 110线路100线路101线路 8线路 清洁低碳多能协调灵活程度需求响应 冷机电储能 电转气 可发展可互补可调节可互动CCHP热储能 16 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络配电网 口配电网设计思路口拓扑结构 初始结构一辐射式结构 采用IEEE-33节点配电网、IEEE-69节点配电网等标准系统相同的辐射式结构 源端由N1节点处的配电站进行供电，共包含3条主干线 供电可靠性较差设 添加新的线路，即N9-N20线路 在N19节点和N27节点处分别接入1台集中式风机电站和1台CCHP单元 形成多变电站供电的单环网结构 在N35-N47之间设置联络线，采用闭环设计开环运行的方式 供电可靠 仿真系统综合考虑辐射式、环形式、联络线式三种接线方式设计配电网拓扑结构，有效提高系统可靠性 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络配电网 口配电网一拓扑结构口电力系统介绍 系统等级：10kV中压配电网 接线方式：辐射式、环形式、联络线式系统构成：109节点-110线路（含1条联络线）系统基本参数： 负荷节点 数量：58最大负荷：100MW峰值负荷：82MW 源节点 配电站：数量：1容量：100MVA 风机电站：数量：5总装机容量：27MW光伏电站：数量：15总装机容量：17.2MWCCHP:数量：1容量：20MW 配电网最终呈现形式109节点-110线路的10kv中压配电网 18 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络配电网 口配电网能流基本模型 电网交流模型节点功率平衡方程 AP,=PSP-VV,(GucosQu+BuysinQu)考虑耦合AP=PED+PHP-PEG-1,Vk=1,2.(N-1) jei设备 AQ;=QSP-VZV;(GujsinQuj-BiucosQu) AO,=OED-OEG-OCHP-OSHL,Vk=1,2,."*,(NEB-NEB.PV-1) jet 电力网络 泰勒 展开 CAP AP: 基本电力网络稳态潮流一一网络中各节点的有功功修正方程ao,av, 率、无功功率的功率注入和功率损耗达到平衡。aAP.aAP.auP.OAP AP08,av,av, 综合能源系统一一电力网络与气网、热网、冷网通过耦合设备实现了能量的链接，需计及耦合设备的产电和用电情况。 avav. AV,/V, 19 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络燃气网 口燃气网设计思路口拓扑结构 主干线采用环形布置保证基础可靠性 系统外围形成大环形结构 支路以辐射式结构接入到主干线 形成环形与辐射式相结合的稳定布局供气可靠 仿真系统采取环形辐射式相结合的布线方式设计燃气网，有效保证供气可靠性 20 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络燃气网 口燃气网一拓扑结构口燃气系统介绍 系统等级：中压A级网 布线方式：环形辐射式相结合 系统构成：98节点-98线路 压力范围：0.2MPa-0.4MPa 系统基本参数： 负荷节点 数量：50最大负荷：6010m3/h峰值负荷：5405m3/h 源节点 燃气站：数量：2容量：12000m3/h 电转气：