区域综合能源系统仿真平台研发现状及技术路线初探曾鸣1，刘英新1，王星1，董厚琦1，张志刚2，霍现旭21. 新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206；2. 国网天津市电力公司，天津 300010摘 要构建区域综合能源系统是中国能源系统转型的重要发展方向，开展区域综合能源系统仿真能够为其规划、运行优化和运营策略制定提供科学的模拟测验和理论支撑。随着“互联网”智慧能源示范项目和多能互补集成示范工程的开展，中国区域综合能源系统的建设和发展已取得初步进展。同时，国内外在相关仿真平台的研发领域也取得了较为丰富的研究成果，但也存在系统规划边界和优化目标不全面等诸多问题。系统梳理了区域综合能源系统仿真的基本内容、研发现状及存在问题，在此基础上，对综合能源系统仿真的技术路线及其实现思路进行全面探讨，以期为综合能源系统仿真相关研究的深入提供参考和借鉴。关键词区域综合能源系统；仿真平台；研发现状；技术路线；实现思路中图分类号 TM71 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2019020640 引言综合能源系统具体是指在一定区域内利用先进的技术及管理模式，在能源生产、传输、存储及消纳等各个环节中，实现电、气、热、冷等各类能源互补利用、协调优化的能源系统形态，一般以园区级的区域型综合能源系统为主要形态[1-2]。然而，传统的园区配电、输气、供热独立型能源系统向区域综合能源系统转型的理论基础和实践应用尚未成熟，通过开展区域综合能源系统仿真，能够分析系统中多能流耦合特性及运行效率，为系统提供规划优化、运行优化和市场交易策略制定的决策参考。因此，开展区域综合能源系统建模仿真的研究，具有较高的研究价值和实际意义[3]。当前，国内外对综合能源系统仿真也都进行了一定的研究。在综合能源系统规划仿真方面，文献[4]围绕区域综合能源系统规划仿真，构建了系统协同规划模型，并对系统经济性进行评估。文献[5]在已有研究的基础上,对综合能源系统中建模仿真、规划运行、协同调度及效益评价等关键技术和问题进行梳理和归纳。文献[6]提出系统化的园区能源互联网规划方法的理论框架以及关键要素。文献[7]基于电-气-热多种能源耦合的系统框架，分析了区域综合能源系统的运行经济性，并提出了一种多目标优化调度方法。文献[8]针对中国未来新能源大规模、大范围输送配置趋势，提出送受端新能源区域互联消纳能力分析模型，从满足送受端系统净负荷爬坡需求角度提出了送受端电网系统灵活性综合评价方法。在设备运行特性及管网潮流仿真方面，文献[9]实现了综合能源系统多能流的统一求解。文献[10]建立的模型可反映天然气管道内气体状态的动态变化过程。文献[11]将电力-天然气综合系统的连续潮流分析的计算处理方法延伸到综合能源系统的潮流计算中。文献[12-14]对美国综合能源系统在中期运行时间范围内的经济依赖性问题应用网络流建模技术做了较为详细的研究。文献[15]基于电力系统分析综合程序（PSASP）的图模一体化平台，其功能包含电力系统生产模拟分析、能量流稳态计算和动态仿真。在市场交易仿真方面，文献[16]针对区域综合能源系统多主体、高耦合的特点，提出了一种由能源供能商、配网运营商和用户组成的多主体双层博弈互动模型。文收稿日期2019−02−18； 修回日期2019−05−10。基金项目中央高校基本科研业务费专项资金2017XS108；国家电网公司总部科技项目SGTJDK00DWJS1800015。第 52 卷 第 6 期中国电力Vol. 52, No. 62019 年 6 月ELECTRIC POWER Jun. 201987献[17]建立了含能源运营商、分布式光伏及用户3类市场主体参与的主体利益均衡非合作博弈模型。文献[18]提出了面向能源局域网的余量市场交易模式及其具体交易流程。在性能及效益评估仿真方面，文献[19]围绕以配电系统为核心的区域综合能源系统，构建了涵盖能源环节、装置环节、配电网环节和用户环节的效率评估指标体系，并采用网络分析法（ANP）反熵权等方法对区域综合能源系统展开综合评估。文献[20]对当前综合能源系统的效益评价指标体系和评价方法进行了较为全面的梳理。总体而言，国内外在区域综合能源系统的规划环节、运行环节、市场交易环节以及性能和综合效益评估具备了一定的研究基础，但是仍旧面临系统规划边界和目标不全面、多能流解析计算困难、系统多模态/多场景运行工况仿真困难、多维约束优化问题求解困难、市场交易机制不明确、效益评估标准尚未建立等诸多问题。基于此，本文在已有研究基础上，系统梳理区域综合能源系统仿真的基本内容、研发现状及存在问题，并对区域综合能源系统仿真的技术路线及其实现思路进行全面探讨，以期为综合能源系统仿真相关研究、应用的开展提供参考。1 综合能源系统仿真的基本内容及研发现状1.1 区域综合能源系统仿真的基本内容区域综合能源系统仿真平台具体可以涵盖园区级电-热-气-冷综合能源系统的规划方案可行性仿真验证、设备运行性能及网络潮流仿真、综合能源市场交易仿真以及综合效益评估仿真4部分内容，各部分相互联系，具体联系如图1所示，共同构成区域综合能源系统的闭环优化。（1）区域综合能源系统规划方案可行性仿真。根据需求侧用户对电-热-气-冷等各类能源的负荷需求特性及区域内的自然资源属性（风速、光照等），考虑各类系统约束和异质能源耦合机制，开展综合能源系统的容量配置、设备优选、管网结构优化、技术经济性评估等规划功能仿真，得出系统中的负荷与分布式新能源出力预测结果以及各类能源出力/耦合/储运设备的容量配置方案、设备优选方案、技术经济性评估结果，辅助决策综合能源系统规划。（2）设备运行性能及网络潮流仿真。根据区域综合能源系统中各类设备的物理模型和电-热-气传输网络的潮流计算模型，考虑不同用户需求、运行工况以及市场交易场景，开展区域综合能源系统的设备运行仿真及网络的潮流计算仿真，模拟设备运行的输入输出参数变化和综合能源系统网络的电、热、气潮流情况，辅助决策区域综合能源系统运行的可靠性验证和策略优化。（3）区域综合能源市场交易仿真。借鉴分布式能源交易、天然气和热力交易机制，设计区域综合能源交易的可行市场机制，构建综合能源市场交易模型，开展区域综合能源交易仿真，具体包括对电、热、气等能量交易以及辅助服务、期货等类型交易的交易流程、报价情况和出清过程的仿真，验证相关交易机制的有效性并辅助决策主体对交易策略的制定。（4）系统性能及效益评估仿真。根据能够反映综合能源系统运行可靠性、经济性和环保性的开始输入多能源负荷需求、投资成本、能源价格、自然环境、设备参数等数据综合能源交易仿真交易仿真结果规划仿真模块；运行仿真模块；交易仿真模块；效益评估模块基于 两高三低 的优化目标选择单目标或多目标基于单目标/多目标求解算法的区域综合能源系统规划优化模型求解区域综合能源系统规划优化方案区域综合能源系统电力潮流解析、水力及热力计算区域综合能源系统运行性能及效益评估是否满足优化目标否是输出区域综合能源系统规划优化方案 图 1 区域综合能源系统仿真基本内容Fig. 1 Basic contents of regional integrated energysystem simulation中国电力第 52 卷88效益类指标，以及系统中电-热-气-冷供/用/储能设备和管网运行性能指标，结合区域综合能源系统运行仿真结果、实际运行效果，采用传统主、客观赋权评估方法或智能化评估方法，评估区域综合能源系统运行的经济性、环保性及有效性及设备、管网性能，评估结果可以作为规划、运行方案修正的参考，指导系统持续优化。1.2 综合能源系统仿真平台的研发现状及存在问题目前，国内外开发的综合能源系统相关平台多以能源监测平台、综合能源服务管理平台为主。综合能源系统仿真平台研发方面，已有高校、科研机构及能源企业围绕综合能源系统仿真的某一、多个模块进行了仿真平台的开发并进行了应用，如清华大学能源互联网研究院研发的能源互联网规划云平台Cloud EIP、华北电力大学研发的综合能源系统仿真平台以及部分能源企业自主研发的CCHP、微网仿真平台，还未开发出综合能源市场交易仿真和性能及效益评估的平台工具。已有平台大多应用于高校科研、企业开展系统运营，但仍未达到满足辅助决策、市场化推广的要求，尚未应用于政府部门政策制定参考、设计院等业务部门规划业务开展等领域，主要问题在于以下几个方面。（1）系统规划边界和目标不全面。现有的区域综合能源系统规划以电热气设备容量规划和配电系统的网络规划优化为主，对区域综合能源系统整体层面的出力/耦合/储运设备与电热气传输网络优化的考虑较少，且规划的区域边界、能量类型、优化目标缺乏统一的考虑，考虑的目标主要有系统经济性最优、可靠性最优或节能减排效果最佳，以单目标优化为主。而区域综合能源系统规划方案的制定一方面需要满足区域内的电、热、气、冷等多种能量需求；另一方面要实现对系统源-网-荷-储各环节的容量、选点优化，更要以围绕综合能源系统的“两高三低”目标为核心，即系统综合能效的提高、系统运行可靠性的提高、用户用能成本的降低、系统碳排放的降低和系统其他污染物排放的降低。（2）多能流解析计算困难。区域综合能源系统中热、气网络分析虽然均满足广义基尔霍夫定律，但为了揭示能流传输过程中的变化和状态参数分布机理，必须考虑异质能流之间的差异，如热水属于不可压缩牛顿流体、天然气属于可压缩牛顿流体，故而需要结合网络的拓扑结构、管网参数、能流参数，从时间和空间对能流网络的界面状态参数与能量参数的分布加以分析，梳理系统的拓扑结构、各系统通过源节点、中间节点和终端节点的互补耦合方式。由于能流之间品味不同、时间惯性不同、耦合方式不同，且存在诸多不确定因素，大幅增加了耦合机理研究的难度。（3）系统多模态、多场景运行工况仿真困难。园区级电-热-气-冷综合能源系统的联合运行涉及多耦合设备、多网络节点，在设备耦合侧各异质能源间的耦合特性与耦合设备类型相关，不同耦合设备组合运行场景下耦合机制具有很大差异性，在网络传输侧热-气-冷等物理工质的加热、加压、传输特性和电的变压、传输特性在时间、空间维度上存在较大差异。不同耦合设备运行场景的复杂性，多异质能源传输网络协同传输工况的差异性，导致系统仿真的边界场景复杂、变量因素增多、决策可行域难以确定，已有仿真平台尚未实现对区域综合能源的能质类型、耦合机理、工况场景、工质特性的全面考虑。（4）多目标、强约束优化问题求解困难。上面提到，区域综合能源系统的优化问题大多是以多目标为主的优化问题，且需要兼顾除了传统电力系统约束之外的天然气系统约束、热力系统约束等复杂约束条件，同时，多目标、强约束的系统优化问题往往是非线性的，在目标设置不合理、约束条件较为苛刻的情境下往往存在难以求解甚至是无解的情况。因此，需要在传统多目标优化算法的基础上，进行一定的模型简化和算法的创新，以得出综合能源系统多目标、强约束优化问题的可行解。（5）市场交易规则不明确。开展综合能源市场交易仿真的关键问题在于如何设计合理的综合能源市场交易机制。目前，国内外也尚未发布面向综合能源系统电-热-气等多类型能源的市场交易机制，已有研究建立的市场交易模型往往是面向特定的交易场景，难以涵盖综合能源市场交易的各类场景。因此，需要设计较为可行的涵盖综合能源系统电-热-气等多类型能源的市场交易模型，以开展综合能源的交易流程、报价情况和出清过程仿真。第 6 期 曾鸣等区域综合能源系统仿真平台研发现状及技术路线初探89（6）系统性能及效益评估标准不清晰。开展综合能源系统效益和性能评估的关键在于评估其各项效益是否满足投资主体、运营主体及用户的需求以及设备性能是否满足系统运行的要求。目前，国内外对综合能源系统运行的综合效益及其设备性能、管网可靠性评估均开展了较为丰富的研究，构建了涉及系统各环节、各设备的效益和性能评估指标体系并提出了相应的评估方法，但缺少综合能源系统效益及性能评估标准的相关成果，如何确定其效益是否满足需求、性能是否满足要求缺乏系统、科学的标准参考。因此，需要结合综合能源系统相关项目实践情况或仿真情况，尽快建立相关的标准体系。2 区域综合能源系统仿真的技术路线及实施建议2.1 区域综合能源系统规划/运行优化仿真实现思路结合国内外开展电力系统仿真、热力仿真及天然气系统仿真的常用方法，提出区域综合能源系统规划与运行优化仿真的基本思路为“系统拓扑分析与基础模型构建→优化模型构建及算法实现→系统仿真环境搭建→系统规划及运行优化仿真”，其技术路线如图2所示。（1）系统拓扑分析与基础模型构建。分析区域综合能源系统中的设备构成及能源传输网络结构，形成系统的理论拓扑。在此基础上，分析综合能源系统中电-热-气-冷多类型能源供/用/储能设备的物理输入、输出特性及转换效率，如装机容量、出力水平、压缩功率、储能效率等方面，以及电-热-气-冷多类型能源传输网络的物理特性，如电网的变电容量、线损等，热力管网的口径、长度、传热系数等，天然气管网的口径、摩擦系数、弯道拐角等参数，构建综合能源系统的基础设备物理模型（能量转换模型）和管网物理模型（电力潮流、水力、热力计算模型）。（2）优化模型构建及算法实现。结合系统的物理特性模型，考虑系统运行的经济性、可靠性、高效性以及低碳排放、低污染物排放等目标，建立综合能源系统的规划、运行优化的目标函数，考虑电-热-气-冷的容量限制、供需平衡、出力爬坡、转换效率等约束条件，构建综合能源系统的规划、运行优化模型。采用多目标化单目标、非线性问题降维等数学处理方法，结合传统优化求解算法，进行综合能源系统规划、运行优化模型的求解。（3）系统仿真环境搭建。开展综合能源系统仿真包含电、热、气、冷多种能流，涉及电气学、流体力学、热力学等多个学科，因此需要选择能够满足多能流、多学科交叉的综合性仿真工具，可以通过Matlab Simulink或C语言进行系统仿真环境的搭建和算法编译。（4）系统规划及运行优化仿真。在以上工作的基础上，按照系统运行的不同能流属性，搜集数据，开展综合能源系统的电、热、气、冷供/用/储能设备和传输网络的联合仿真；按照能流相应的不同时间尺度，搜集数据，开展综合能源系统电力子模块的暂态、稳态仿真和热力子系统、天然气子系统等的瞬时工况、稳定工况仿真。2.2 综合能源交易仿真及效益评估仿真实现思路（1）综合能源交易仿真的实现思路为“交易类型分析→交易模型构建及算法设计→交易仿真环境搭建”，其技术路线如图3所示。首先，从综合能源市场中的交易标的物类型、交易主体构成及各主体之间的交易关系等维度确定综合能源交易类型，其中，交易标的物可以包括电、热、气、冷等能量，也可以包括调峰、调频等辅助服务交易以及能源期货交易；交综合能源系统规划/运行优化仿真技术路线优化模型构建及算法实现优化 多 目标函数构建及约束条件设计非线性问题降维处理、多目标化单目标及求解算法设计系统拓扑分析与基础模型构建能量生产出力/耦合转换模型配电网潮流分析模型管网水力、热力模型仿真环境搭建及平台开发设备、管网模型的模块搭建求解算法的语言编程实现Matlab、C 语言等负荷需求、自然条件等基础数据输入优化模型求解与多能流潮流仿真系统规划及运行优化仿真图 2 区域综合能源系统规划/运行优化仿真技术路线Fig. 2 Technical route of regional integrated energysystem planning/operation optimization simulation中国电力第 52 卷90易主体大体包括综合能源服务商、细分的各类能源的生产商、细分的综合能源管网运营商以及用户；各类主体之间形成电、热、气、冷等能量的交易关系、综合能源增值服务交易以及能量传输服务交易等市场交易关系。其次，借鉴国内外电、热、气、冷能量交易的现有市场机制，考虑不同能源品味、价值以及交易发生的时间尺度（实时、日内、日前、月度、年度交易等），设计综合能源市场交易机制，包括各交易标的物的报价方法、出清算法等方面，构建综合能源市场交易模型。最后，借助Matlab Simulink或C语言等开发工具，搭建综合能源市场交易仿真环境，并采用市场调研和蒙特卡洛模拟相结合的方法，提炼市场交易数据（时间节点、交易量、报价等）作为输入，开展综合能源市场交易仿真。（2）综合能源系统性能/效益评估仿真实现思路。首先，依据行业标准、设备规格参数，梳理总结电、热、气、冷供/用/储能设备及各类传输管网运行的性能参数要求，形成涵盖综合能源系统各类设备、管网的性能参数表/参数手册，构建综合能源系统运行性能评估指标体系。此外，依据国内外相关研究、实践中考虑的主要效益类型，从综合能源系统运营的经济效益、环保效益及社会效益等维度构建综合能源系统效益评估指标体系。其次，综合德尔菲法等主观赋权方法和熵权法等客观赋权方法，构建综合能源系统性能/效益评估模型，并利用Matlab、C语言等开发工具，研发综合能源系统性能/效益评估仿真功能模块。最后，广泛调研综合能源系统实践案例，搜集数据开展综合能源系统运行性能/效益评估，归纳梳理，形成可推广的综合能源系统运行性能/效益评估标准体系，如图4所示。3 结论与展望随着能源革命和能源供给侧改革的不断深入以及“互联网”智慧能源和多能互补集成优化等示范项目的开展，中国区域综合能源系统的规模不断扩大，其能够带来的经济、环境和社会效益也将日益明显。在此背景下，开展区域综合能源系统的规划方案可行性验证、运行优化、市场交易及性能和效益评估的仿真工作，能够为区域综合能源系统的进一步发展提供有效的理论方法和工具支撑。在已有研究的基础上，本文系统梳理了区域综合能源系统仿真的基本内容、研发现状，深入分析了造成现有仿真不成熟的6个方面关键问题，在此基础上，对未来区域综合能源系统仿真实现的技术路线及思路进行全面探讨，以期为区域综合能源系统仿真相关研究的深入提供参考和借鉴。参考文献鲁刚. 中国能源互联网发展基本特征[J]. 中国电力, 2018, 51817–23.LU Gang. 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State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300010Abstract Regional integrated energy system is an important development direction of Chinas energy system transation. Thesimulation of regional integrated energy system can provide scientific simulation test and theoretical support for its planning,operation optimization and operation strategy ulation. With the development of the “Internet “ smart energy demonstrationproject and the multi-energy complementary integration demonstration project, initial progress has been made in the construction anddevelopment of the regional integrated energy system in China. At the same time, abundant research results have been achieved inthe field of regional integrated energy system simulation both at home and abroad, but there are still many problems, such asincomplete optimization objectives and planning boundary, etc. In this paper, the basic content, research status and existing problemsof the regional integrated energy system simulation plat are systematically analyzed. On this basis, the technical route andrealization ideas of the integrated energy system simulation are discussed comprehensively, with a view to providing a reference forthe in-depth study of the integrated energy system simulation.This work is supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities No.2017XS108 and the Science and TechnologyProject of SGCC No.SGTJDK00DWJS1800015.Keywords regional integrated energy system; simulation plat; research status; technical route; realization ideas上接第86页Key Problems and Prospects of Integrated EnergySystem for Green Ecological TownshipsHE Wei1, CHEN Bo1, ZENG Wei1, WANG Dan2, HE Guixiong3, WEI Wei2, GUO Li2, LEI Yang21. State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute, Nanchang 330096, China;2. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China;3. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, ChinaAbstract As an important part of economic and social development, townships have their own unique characteristics in naturalresource, energy utilization characteristics and energy infrastructure conditions compared with cities. Based on an analysis of thecharacteristics and existing problems of green ecological townships with a consideration of the to