多元用户互动的能源互联网硬件在环仿真_陈朋.pdf

第 12 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.12 No.4Apr.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology多元用户互动的能源互联网硬件在环仿真陈朋1，周鹏鹏1，李志勇1，郝正航2，张彦兵1，李蕾1（1许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000；2贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025）摘要：近年来，随着能源互联网技术的不断发展，亟需能够实现能源互联网仿真的方法作为研究基础。本文在此背景下提出了一种基于RTplus(一种实时仿真软件)的多元用户互动的能源互联网实时仿真建模方法，其上位机实现信息通信网络的模拟，下位机依托MATLAB/SIMULINK中多种能源的基础元件库，采用基于现场典型数据的建模方法实现了电、热系统关键设备的建模，能够11复现现场能量波动，与仿真平台连接的能源互联网设备能够以更接近现场的方式闭环测试。最后，本工作以某国家重点研发项目中大型工业园区配用电关键设备能量管理系统为例，搭建硬件在环仿真平台，验证了所提实时仿真建模方法的正确性。关键词：能源互联网；能量管理系统；混合仿真；RTplus；查表法；硬件在环doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0544 中图分类号：TK 02 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）04-1168-08HIL simulation of energy internet based on multiuser interactionCHEN Peng1,ZHOU Pengpeng1,LI Zhiyong1,HAO Zhenghang2,ZHANG Yanbing1,LI Lei1(1KETOP Co.,Ltd.,Xuchang 461000,Henan,China;2School of electrical engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China)Abstract:In recent years,with the development of energy Internet technology,there is a need for simulation methods to research energy Internet.Thus,this paper proposes a simulation modeling method for energy Internet based on RTplus(a real-time simulation software).In this method,the host computer of RTplus realizes the simulation of an information communication network.The server computer of RTplus depends on the basic component of multiple energy sources in MATLAB/SIMULINK.The modeling method for key equipment for electrical and thermal systems is based on on-site typical data.This method could recur on-site energy fluctuations completely.The energy Internet equipment connected to the simulation platform could be hardware-in-the-loop(HIL)tested in a more on-site manner.This paper uses an energy management system,which is the key equipment for distribution networks in a large industrial park,as an example.Finally,the correctness of the 储能系统与工程收稿日期：2022-09-23；修改稿日期：2022-11-30。基金项目：第二批国家级新工科研究与实践项目（E-NYDQHGC20202227）。第一作者：陈朋（1986），男，硕士，工程师，从事电力系统仿真试验研究工作，E-mail：；通讯作者：郝正航，博士，教授，从事电力系统稳定、风力发电等研究工作，E-mail：。引用本文：陈朋,周鹏鹏,李志勇,等.多元用户互动的能源互联网硬件在环仿真J.储能科学与技术,2023,12(4):1168-1175.Citation：CHEN Peng,ZHOU Pengpeng,LI Zhiyong,et al.HIL simulation of energy internet based on multiuser interactionJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(4):1168-1175.第 4 期陈朋等：多元用户互动的能源互联网硬件在环仿真simulation modeling method was verified using an HIL simulation platform.Keywords:energy internet;energy management system;hybrid simulation;RTplus;look up table method;HIL随着“互联网+”概念的提出，以互联网思维和方法实现的能源互联网1综合了互联网、ICT技术、可再生新型能源、电力系统、天然气及交通网络等多个行业2，是近几年研究的热点。目前，能源互联网面临着广域内分布式设备的协调与控制、电力系统与交通系统的融合、电力系统与天然气网络的融合、信息物理建模及安全等几个方面的挑战3。能源互联网的发展也带动了能量管理系统4-5、虚拟电厂6等新型能量管理设备的进一步发展，但是这些控制设备及系统大多没有经过闭环的仿真测试，其控制策略、高级应用等未经过完整、严格的考核。能源互联网及设备亟需建立能源互联网整体性、系统性实验研究环境作为研究基础7。能源互联网仿真建模包括电、热、气、通信8等各个领域。目前，多个软件混合仿真成为其主要研究趋势。文献9提出由MATLAB协调NS-2、OpenDSS软件并承担最优潮流计算等功能。文献10采用高层体系结构支持 PSCAD/EMTDC、PSLF 和 NS2 三个仿真器的联合运行。文献11-12提出了全局事件驱动混合仿真(GECO)方案。文献13提出了城市能源互联网实时仿真的顶层设计。文献14提出了基于HLA技术与Agent代理技术的多软件混合仿真方案。文献15基于MATLAB与OpenDSS实现了电、热、气网络的仿真。文献16实现了综合能源系统快速通信网络建模与仿真。文献17采用模块化思想，提出了一种光伏-通信联合仿真方法，以保证仿真的精确性。但是这些混合仿真系统都是非实时仿真，以理论研究为主，不具有实时运行和硬件在环测试能力。文献18提出一种实时混合仿真系统SMRT，通过智能接口卡实现时序控制与后台运算，将不同软件连接到一起协同运行。文献19建立了基于RT-LAB和OPNET的电力信息物理系统实时仿真平台。这些平台能够实现实时仿真，但没有考虑现场数据的使用，可能导致仿真结果与现场数据不符，影响进一步研究与试验。也有文献20-21提出搭建半实物甚至实物系统对能源互联网系统及其设备进行研究。文献22多将模型层与现场设备进行通信，读取历史及实时数据，然后利用深度学习、聚类分析、数字孪生等方法优化仿真模型参数。这些方法更加关注的是更上层的功能，如系统规划、优化控制等，与现场物理层通信时操作难度大，不利于推广应用。以上仿真方法多从电力与信息系统建模实时仿真或能源互联网非实时仿真入手，鲜有针对园区级的能源互联网设备硬件在环实时仿真研究。本文立足于园区级源、荷、储等分布式资源，提出了一种基于RTplus的多元用户互动能源互联网实时仿真平台，采用MATLAB/SIMULINK软件提供的丰富模块库，无需混合多个行业的仿真软件，便于操作，并可接入实物(能量管理系统、虚拟电厂等)进行硬件在环仿真，实现源、荷、储等与控制调度系统及上级电网的多元互动等研究。本文首先提出采用现场典型历史数据导入模型的查表法建模，精准模拟设备外特性，对于复杂的耦合设备23建模，通过查表法简化建模，并没有丢失设备的外特性，满足能量管理设备的硬件在环测试需求，在此基础上给出了电、热关键设备建模方法，并搭建了某工业园区电、热能源互联网模型；然后给出了基于RTplus的园区级信息通信仿真的实现方法；最后将某国家重点研发项目中大型工业园区配用电关键设备-能量管理系统与本实时仿真系统互联构成硬件在环仿真平台，验证了该仿真系统的正确性。1 能源互联网多元用户实时仿真建模1.1基于现场数据的建模方法能源互联网是一个庞大的多能源网络，需要多行业配合完成建模，可使用独立的实时仿真软件开发，也可使用各行业软件独立开发，然后通过接口逻辑实现统一仿真，但是模型开发及配合难度极大。本文提出一种基于RTplus的实时仿真建模方法，该方法基于SIMULINK实现多种能源的建模。采用基于时间的现场数据查表法以及耦合设备数据查表法(图1)，降低了建模难度，设备特性更接近现场。“时间”的引入可以实现仿真模型任意时间断面数据的快速切换，而采用现场设备驱动，可11692023 年第 12 卷储能科学与技术以让园区关口功率更完美地匹配现场工况，为能量管理系统、虚拟电厂等硬件在环仿真研究奠定基础。图1中，时间逻辑模块每24 h重新计时，通过基于时间的现场数据查表得到设备的输入信息(如光照、风速、功率等)。设备级建模以其自身特性为主搭建模型，对于复杂耦合设备可结合现场数据查表实现建模。1.2电力系统仿真建模电力系统是能源互联网仿真的关键之一24，本文采用机电暂态仿真方法实现其仿真建模。交流电网与设备模型之间的接口通过采集电网电压及设备运行有功、无功计算电流值，通过可控电流源注入到交流电网中实现。该接口首先测量线电压Vab与Vbc，根据式(1)计算得到A相电压复数值：Va=13(Vab-e-j 2 3 Vbc)(1)设备输出的有功P与无功Q，计算得到功率S：S=P+jQ(2)根据S以及Va计算注入到接口中A、B相的电流值：|Ia=23-S VaIb=Ia e-j 2 3(3)以储能建模为例(图2)：现场储能根据功能定位不同，其充放电曲线也大不相同，因此可将现场储能的24 h充放电有功曲线直接导入到模型中，通过交流网接口向电网注入功率。针对采用积分实现的SOC不能跳变问题，将每一时刻对应的SOC值提前计算后导入模型，作为储能积分逻辑的初始化数据，当时间跳变，储能SOC状态同时跳变，实现了储能状态的切换。另外，根据储能的现场功率数据可以反向校核并优化储能模型的充放电效率、容量等参数。对于其他电力系统模型采用类似的建模方法。例如光伏建模，将当地光照强度的24 h数据导入模型，乘以光伏板面积和转换效率得到光伏的输出功率注入到电网中；风机建模是将风速数据导入模型，根据风速判断最大功率跟踪区、功率恒定区或风速过大切机等逻辑，并将风速折算成功率注入电网；其他简单负载则直接将功率曲线注入到电网中。1.3水蒸气系统仿真建模SIMULINK中的Simscape模型库提供了机械、电力、液体、蒸汽、气体等领域的设备模型，本文基于 Simscape 中的 Two-Phase Fluid 模块库实现了水蒸气系统的仿真。在此，以热电联产机组25及减温减压器为例介绍建模过程。减温减压器在蒸汽系统中不可或缺，本文采用可控压力源与流量