區(qū)域綜合能源深度融合一體化模型研究

唐文蔣曄王卉

1.上海方融科技有限責(zé)任公司

2.煙臺市地理信息中心

0 引言

在能源危機(jī)和環(huán)境問題引發(fā)全球性能源革命的大背景下，如何在確保人類社會能源可持續(xù)供應(yīng)的同時減少用能過程中的環(huán)境污染，是當(dāng)今世界各國共同關(guān)心的問題。習(xí)近平總書記提出能源革命和供給側(cè)改革發(fā)展理念，要求建設(shè)清潔、低碳、安全、高效的現(xiàn)代能源體系，國家能源局發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，我國的能源轉(zhuǎn)型發(fā)展要突出能源的清潔性、高效性、安全性和可持續(xù)性，著力推動現(xiàn)代能源體系建設(shè)。同時，隨著新電改的不斷深入，電網(wǎng)企業(yè)也將逐步向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型。在此背景下，基于多能融合的綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）是指一定區(qū)域內(nèi)的能源系統(tǒng)利用先進(jìn)的物理信息技術(shù)和創(chuàng)新管理模式，整合區(qū)域內(nèi)清潔能源、天然氣、電能、熱能等多種能源資源，實(shí)現(xiàn)多異質(zhì)能源子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運(yùn)行、協(xié)同管理、交互響應(yīng)和互補(bǔ)互濟(jì)，在滿足系統(tǒng)內(nèi)多元化用能需求的同時，有效提升能源利用效率、促進(jìn)能源可持續(xù)發(fā)展的新型一體化區(qū)域型能源系統(tǒng)[1]。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)是能源工業(yè)發(fā)展的全新形態(tài)，其關(guān)鍵技術(shù)、業(yè)態(tài)及模式等正處于起步和探索發(fā)展階段，技術(shù)體系的形成以及各種技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)踐，不僅取決于技術(shù)本身的成熟度，還與技術(shù)的依賴性和技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性及社會效益，以及國家戰(zhàn)略、復(fù)雜的外部環(huán)境密切相關(guān)。考慮到這些因素，對綜合能源深度融合一體化模型技術(shù)研究，有助于政策制定者合理地利用政策資源，為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展提供良好的政策環(huán)境。

1 研究背景及意義

為貫徹落實(shí)“四個革命、一個合作”的國家能源安全戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)力爭2030年前“碳達(dá)峰”、2060年前“碳中和”目標(biāo)，“十四五”期間“風(fēng)光儲”等可再生能源將成為能源消費(fèi)的主體。園區(qū)作為企業(yè)和人口相對集中的工作場所，在我國能源革命的產(chǎn)業(yè)政策助推下，也逐步開展“虛擬電廠”“風(fēng)光儲”“光儲充”“冷熱電三聯(lián)供”等能源利用創(chuàng)新模式研究及試點(diǎn)示范項(xiàng)目建設(shè)，在能源安全利用、綠色低碳節(jié)能方面，收到很好效果。

利用先進(jìn)的信息技術(shù)，加強(qiáng)區(qū)域綜合能源頂層設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成架構(gòu)設(shè)計(jì)，開展綜合能源關(guān)鍵技術(shù)研究，進(jìn)行綜合能源深度融合一體化模型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域多能深度融合的一體化平臺解決方案，通過平臺資源的系統(tǒng)性調(diào)優(yōu)，探討區(qū)域能源互聯(lián)互通互濟(jì)互保的安全利用、經(jīng)濟(jì)低碳優(yōu)化應(yīng)用模式，滿足國家“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的能源發(fā)展理念和“碳達(dá)峰、碳中和”既定目標(biāo)，這是本文研究的背景和意義。

對區(qū)域能源開展綜合能源深度融合一體化模型設(shè)計(jì)研究，分析“風(fēng)光儲水電氣”等能源特征，以及各能源系統(tǒng)的“能源流、業(yè)務(wù)流、信息流、數(shù)據(jù)流”系統(tǒng)集成特征，進(jìn)行演繹、歸納、總結(jié)，形成以IEC 61970 CIM〔CIM(Common Information Model）〔公共信息模型〕的電力模型為基礎(chǔ)的多能互聯(lián)互補(bǔ)e-CIM能源標(biāo)準(zhǔn)模型，對下能源數(shù)據(jù)采集層提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理和匯聚，對上應(yīng)用層提供符合國際標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)，有利于從信息化角度真正滿足不斷延展、無限接入的多能深度融合和互聯(lián)、互通、互濟(jì)、互保應(yīng)用，促進(jìn)我國能源利用的能源生產(chǎn)方、能源服務(wù)商、能源利用方、能源集成商、政府監(jiān)管部門等相關(guān)方參與的生態(tài)圈健康發(fā)展。

2 模型研究

本文研究根據(jù)IEC 61970 CIM電網(wǎng)模型標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合果蠅優(yōu)化算法，開展綜合能源深度融合模型研究，利用統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language,UML）和Enterprise Architect建模工具設(shè)計(jì)，建立一套區(qū)域綜合能源一體化信息模型，解決區(qū)域各能源系統(tǒng)之間的松耦合孤島問題，實(shí)現(xiàn)區(qū)域“風(fēng)光儲冷熱水電氣”的“源輸配用儲”協(xié)同優(yōu)化的能源互聯(lián)、互通、互濟(jì)、互保，支撐橫向數(shù)據(jù)融合和縱向數(shù)據(jù)貫通，對外統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 CIM建模

CIM是一個抽象模型，描述電力系統(tǒng)元件的開放性標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)提供了一套面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)公共信息的模型。由于模型的抽象性，使得它與實(shí)現(xiàn)語言無關(guān)。CIM用對象類和屬性及它們之間的關(guān)系來表示電力系統(tǒng)資源和描述電力企業(yè)的所有主要對象，特別是那些與電力運(yùn)行有關(guān)的對象。CIM方便了實(shí)現(xiàn)不同集成商獨(dú)立開發(fā)EMS應(yīng)用，多個獨(dú)立開發(fā)EMS系統(tǒng)之間的集成，以及EMS系統(tǒng)和其他涉及電力系統(tǒng)運(yùn)行的不同方面的系統(tǒng)，例如發(fā)電或配電管理系統(tǒng)之間的集成。這是通過定義一種基于CIM的公共語言（即語法和語義），使得這些應(yīng)用或系統(tǒng)能夠不依賴于信息的內(nèi)部表示而訪問公共數(shù)據(jù)和交換信息來實(shí)現(xiàn)的。

2.2 e-CIM模型建立

以IEC 61970 CIM模型設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，開展對“風(fēng)光儲水氣”等e-CIM模型設(shè)計(jì)，擴(kuò)展CIM的11個模型包[2]，分別是：Core（核心包）、Topology（拓?fù)浒ires（管線包）、Meas（量測包）、Load-Model（負(fù)荷模型包）、Domain（空間域包）、Assets（資產(chǎn)包）、Customers（用戶包）、Outage（停用包）、Protection（保護(hù)包）、SCADA（監(jiān)視控制及數(shù)據(jù)采集包）。各包之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 各包之間的關(guān)系圖

在遵循IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合能源實(shí)際情況，對CIM模型進(jìn)行能源擴(kuò)展，添加了許多新的類。

2.2.1 Core（核心包）

核心包包含IdentifiedObject（標(biāo)識對象）、PowerSystemResource（能源系統(tǒng)資源）、EquipmentContainer（設(shè)備容器）、ConductingEquipment（導(dǎo)通設(shè)備）等對象類型。同時，核心包還定義了Substation（能源站)、VoltageLevel(電壓等級)、BaseVoltage(基準(zhǔn)電壓)、BasePower(基準(zhǔn)功率)等許多應(yīng)用公用的模型類。

核心包被所有應(yīng)用系統(tǒng)共享，它不依賴于其他任何包，但是絕大多數(shù)包都有依賴于核心包的關(guān)聯(lián)（Association）和泛化（Generalization）關(guān)系。核心包的主框架圖如圖2所示。

圖2 核心包的主框架圖

2.2.2 HydroEnergy(水能)包

水對象包以核心包為基礎(chǔ)，通過能源系統(tǒng)資源、水泵、輸送系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)水e-CIM模型的構(gòu)建（見圖3）。

圖3 水能擴(kuò)展包圖

2.2.3 GasEnergy（氣能）包

氣能對象包以核心包為基礎(chǔ)，通過能源系統(tǒng)資源、氣站、輸送設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)氣e-CIM模型的構(gòu)建（見圖4）。

圖4 氣能擴(kuò)展包圖

2.2.4 其他能源模型

為適應(yīng)多能互聯(lián)互通，針對新能源（光伏、風(fēng)電等）作了相關(guān)模型擴(kuò)充（見圖5、圖6），比如：

圖5 光伏擴(kuò)展包圖

圖6 風(fēng)電擴(kuò)展包圖

光伏模型中擴(kuò)充了實(shí)體類：EXT_PVArray（光伏組串）、EXT_PVCombing（匯流箱）、EXT_PVGeneratingUnit（光伏發(fā)電單元）、EXT_INVERTER（逆變器）、EXT_MINIINVERIER（微逆）等。

風(fēng)電模型中擴(kuò)充了實(shí)體類：EXT_WindHeatExchanger（風(fēng)電散熱器）、EXT_WindTurbine（風(fēng)機(jī)）、EXT_WindSyncGenerator（風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)）、EXT_WindAsynGenerator（風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)）、EXT_WindAsynchronousMachine（異步電機(jī)）等。

3 區(qū)域綜合能源深度融合一體化模型e-CIM實(shí)踐

3.1 園區(qū)綜合能源現(xiàn)狀分析

江蘇某醫(yī)院園區(qū)規(guī)劃總面積12.36 km2，專變?nèi)萘?2.17 MVA，最大負(fù)荷40.46 MW，其年用電量為1.03億kWh，公變?nèi)萘?6.41 MVA，年用電量為0.19億kWh；1-7月合計(jì)使用蒸汽13 696 t，全年蒸汽量約23 500 t；每日用水量約為93.3 m3；在冷熱負(fù)荷方面，共有各類建筑空調(diào)冷負(fù)荷總計(jì)13.477 MW，空調(diào)熱負(fù)荷總計(jì)5.015 MW；日內(nèi)車輛停放次數(shù)將達(dá)到500輛，最大充電功率達(dá)到480 kW；園區(qū)還有部分光伏、風(fēng)電和儲能。

3.2 園區(qū)綜合能源e-CIM模型一體化設(shè)計(jì)[3]

對園區(qū)綜合能源涉及的能源體系進(jìn)行圖文一體化建模設(shè)計(jì)(見圖7），對參與能源利用的各種設(shè)備設(shè)施進(jìn)行空間拓?fù)潢P(guān)系關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)架的互聯(lián)互通，設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)掛接，便于實(shí)時監(jiān)管展示，以及拓?fù)淠苄Х治觥⑻寂欧欧治鲱A(yù)警。

圖7 綜合能源圖文一體化建模設(shè)計(jì)

3.3 園區(qū)綜合能源e-CIM模型一體化展示效果

通過統(tǒng)一e-CIM模型全景可視展示（見圖8），構(gòu)建覆蓋電/水/氣/熱 全能源、配電/空調(diào)/照明/動力全對象的能源與設(shè)備模型，全過程、全景化、全時段的能源數(shù)據(jù)采集、分析與診斷。

圖8 綜合能源圖文一體化展示

多場景科學(xué)用能調(diào)控，通過用能場景（中央空調(diào)、多聯(lián)機(jī)、照明、排風(fēng)）的實(shí)時感知與智能算法，實(shí)現(xiàn)用能設(shè)備的場景化協(xié)同智能控制，設(shè)備綜合能效提升15%。

4 總結(jié)

本文主要講述了綜合能源一體化e-CIM模型建模方法、過程以及成果，為e-CIM模型多能深度融合的建設(shè)創(chuàng)造了條件，也是綜合能源服務(wù)平臺建設(shè)的一部分，同時實(shí)現(xiàn)了EMS（能源管理系統(tǒng)）的應(yīng)用軟件組件化和開放化，能即插即用和互聯(lián)互通，使系統(tǒng)之間的集成更加容易。這不僅大大節(jié)約了能源系統(tǒng)的開發(fā)和系統(tǒng)之間的集成時間，使設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更簡單、更清晰、更可靠，同時也節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，具有非常重要的意義。一體化綜合能源e-CIM模型的建立和運(yùn)用，為全國建立一體化綜合能源e-CIM模型和深度融合體系提供了基礎(chǔ)，為建立全國綜合能源服務(wù)平臺創(chuàng)造了條件。

區(qū)域綜合能源深度融合一體化模型研究，將對我國能源行業(yè)各種業(yè)務(wù)的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)生根本的影響。首先，可以強(qiáng)力支撐規(guī)劃、生產(chǎn)、營銷等各項(xiàng)業(yè)務(wù)的開展，在能源基礎(chǔ)建設(shè)和能源行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能創(chuàng)新發(fā)展中將發(fā)揮戰(zhàn)略性作用；其次，將推動各類能源應(yīng)用系統(tǒng)的集成和信息共享，融合當(dāng)前的管理大區(qū)和控制大區(qū)，促進(jìn)智能電網(wǎng)、水網(wǎng)、氣網(wǎng)的深度融合；再次，為基于全景能源數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淦脚_的應(yīng)用，如調(diào)度管理、規(guī)劃管理、生產(chǎn)管理、營銷管理等的完善改造，提供已經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、原則和平臺。

本文研究成果將極大推動區(qū)域能源集團(tuán)化、集約化、精益化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，對新能源利用、能源雙控、“雙碳”預(yù)警等方面深度應(yīng)用提供參考價(jià)值。