張少卿, 王 彬, 符 楊, 郭慶來, 盛同天, 孫宏斌

(1. 上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院, 上海市 200090; 2. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市 100084)

0 引言

近年來,能源互聯(lián)網(wǎng)成為能源領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢之一,相較于傳統(tǒng)能源系統(tǒng),能源互聯(lián)網(wǎng)有著多能互補(bǔ)、各類能源耦合更為緊密的特點[1-3]。在現(xiàn)階段的能源系統(tǒng)中,仍存在多個管理主體,比如電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)分屬不同的公司管理[4],這造成了電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)間的信息孤島。為了更好地發(fā)揮能源互聯(lián)網(wǎng)多能互補(bǔ)的優(yōu)勢,實現(xiàn)電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)聯(lián)合潮流計算[5-6]、優(yōu)化調(diào)度[7]、安全評估等功能[8],以及開發(fā)多能流能量管理系統(tǒng)(EMS),就需要打破電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)間的信息孤島。本文以工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)為例,旨在研究工業(yè)園區(qū)綜合能源控制中心和工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)間的信息交互問題。

在工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)中,供熱網(wǎng)絡(luò)遵循熱力學(xué)和流體力學(xué)定律,涵蓋熱力和水力兩大模型,主要變量有流量、壓力、溫度等[9-10]。文獻(xiàn)[11-12]對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的原理進(jìn)行了描述,并建立了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[13]詳細(xì)地描述了減溫減壓裝置的工作原理。文獻(xiàn)[14]建立了蒸汽管道的水力模型和熱力模型,并給出實際算例驗證了模型的可行性。文獻(xiàn)[15]給出了連續(xù)調(diào)節(jié)閥的水力模型,并詳細(xì)分析了在流量變化的情況下,閥門流量特性對閥門控制能力的影響。在熱力系統(tǒng)中,關(guān)于計算模型的研究已經(jīng)十分成熟,但在用于信息交互的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型方面的研究仍是空白。

國際電工委員會(IEC)組織制定的IEC 61970系列標(biāo)準(zhǔn),在經(jīng)過一系列的檢驗與發(fā)展后,已經(jīng)成為電力系統(tǒng)信息交互標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)[16]。文獻(xiàn)[17]通過對公共信息模型(CIM)的擴(kuò)展,增加了直流輸電系統(tǒng)的模型,滿足了直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行控制的需要,并將交直流潮流計算嵌入EMS。文獻(xiàn)[18]擴(kuò)展了有源配電網(wǎng)系統(tǒng)的CIM,引入了配電網(wǎng)三相模型,設(shè)計算例并進(jìn)行了CIM/可擴(kuò)展標(biāo)記語言(XML)的導(dǎo)出和導(dǎo)入對模型加以驗證。文獻(xiàn)[19-20]對原有的CIM進(jìn)行擴(kuò)展,建立了包括風(fēng)電、光伏、燃料電池、儲能的分布式發(fā)電系統(tǒng)模型,滿足了微電網(wǎng)EMS的需要。這些研究進(jìn)一步推動了電力系統(tǒng)信息交互標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展。

由于熱力系統(tǒng)運(yùn)行管理模式較為粗放,信息化程度較低,故可借鑒電力系統(tǒng)信息交互標(biāo)準(zhǔn)化的成熟經(jīng)驗,采用面向?qū)ο蟮慕７椒?擴(kuò)展CIM實現(xiàn)對工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的建模。本文在文獻(xiàn)調(diào)研和多次深入的實地調(diào)研基礎(chǔ)上,對工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究,設(shè)計出工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)與工業(yè)園區(qū)綜合能源控制中心信息交互所需要的類和類的屬性。所擴(kuò)展的類主要描述了四方面內(nèi)容:①各個傳熱設(shè)備的連接拓?fù)淠Ｐ?②工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)中的量測類型和量測量;③工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)中的典型設(shè)備和各個設(shè)備的運(yùn)行外特性;④工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的設(shè)備容器模型。

1 工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)總體建模方案

工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)是指工業(yè)供熱系統(tǒng)中供熱介質(zhì)為水蒸汽,從熱源處攜帶熱量,依靠自身壓力,經(jīng)過蒸汽管道輸送至熱用戶的系統(tǒng)。供熱蒸汽能夠滿足多種生產(chǎn)工藝的用熱需求,用戶多為工業(yè)用戶。典型的工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)Fig.1 Typical steam heating system in industrial park

典型工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)供汽過程如下。

1)蒸汽的產(chǎn)生:首先熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提供蒸汽,蒸汽經(jīng)過止回閥,通向供熱蒸汽混合聯(lián)箱進(jìn)行混合,蒸汽混合后通往不同的供熱支路,經(jīng)過減溫減壓裝置進(jìn)行減溫減壓。

2)蒸汽的輸送:降溫降壓后的蒸汽通過安全閥,正常情況下安全閥閉合,若減溫減壓裝置故障,裝置出口處蒸汽壓力超過安全閥的動作設(shè)定值,則安全閥開啟,部分蒸汽排空,保護(hù)了蒸汽管道。蒸汽管道中裝有連續(xù)調(diào)節(jié)閥,能夠通過改變閥門開合度,調(diào)節(jié)通過蒸汽管道的蒸汽流量。蒸汽經(jīng)過蒸汽管道,輸送到用戶側(cè)。

3)蒸汽的使用:用戶側(cè)裝有止供閥,若欠費時,熱力公司通過關(guān)閉止供閥停止對用戶供汽,正常狀態(tài)下,該閥門處于全開狀態(tài)。輸送到用戶側(cè)的蒸汽先進(jìn)入儲氣罐,再經(jīng)過減溫減壓裝置,降溫降壓后蒸汽的溫度、壓力滿足用戶需求,可被使用。

2 工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ?/h2>

在電力系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ椭?為了描述導(dǎo)電連接關(guān)系,設(shè)計了導(dǎo)電設(shè)備類、端點類和連接節(jié)點類。導(dǎo)電設(shè)備具有單個或多個端點,每個端點連接到一個連接節(jié)點,連接節(jié)點可以連接任意數(shù)目的端點,從而實現(xiàn)了導(dǎo)電設(shè)備的互聯(lián)。連接節(jié)點可以是拓?fù)涔?jié)點的成員,拓?fù)鋶u包含拓?fù)涔?jié)點。拓?fù)涔?jié)點和拓?fù)鋶u是根據(jù)拓?fù)涮幚斫Y(jié)果建立的[21]。

類比于電力系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ?建立了工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ?擴(kuò)展的類見附錄A表A1。圖2是電力系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ秃凸I(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ偷腃IM框圖,描述了各個類之間的關(guān)系。

圖2 拓?fù)淠Ｐ虲IM框圖Fig.2 CIM block diagram of topology model

在電力系統(tǒng)中,拓?fù)涮幚硎歉鶕?jù)線路和開關(guān)的連接狀態(tài)進(jìn)行的;在工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)中,拓?fù)涮幚硎歉鶕?jù)管道和實際的閥門位置(指的是閥門開或合)進(jìn)行的。

3 工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)量測模型

工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的量測模型可以復(fù)用IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)中的量測模型。工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)中主要的量測量有溫度、壓力、流量、閥門位置和閥門開合度。量測可以通過兩種方式附著到設(shè)備上:①包含于一個PowerSystemResource類,即量測關(guān)聯(lián)于具體的設(shè)備;②通過與傳熱設(shè)備的一個熱端點關(guān)聯(lián)。附錄A圖A1描繪了工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)量測模型的擴(kuò)展部分。圖1展示了放置傳感器的典型位置和量測類型。工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)中量測關(guān)聯(lián)方式如表1所示。

表1 工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)量測關(guān)聯(lián)方式Table 1 Measurement correlation method of steam heating system in industrial park

在系統(tǒng)實際運(yùn)行中,減溫減壓裝置和蒸汽管道首端的溫度、壓力、流量和末端的溫度、壓力、流量不同,故推薦將溫度、壓力、流量這三種類型的量測關(guān)聯(lián)到熱端點上,將閥門位置關(guān)聯(lián)到具體的閥門上,閥門開合度關(guān)聯(lián)到連續(xù)調(diào)節(jié)閥門上。

4 工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)典型設(shè)備模型

4.1 熱源側(cè)典型設(shè)備

熱源側(cè)的典型設(shè)備主要有熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、供熱蒸汽混合聯(lián)箱和減溫減壓裝置。

4.1.1熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組根據(jù)熱電比是否可調(diào)可以分為兩類:背壓式和抽凝式。背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組將汽輪機(jī)中高溫高壓蒸汽做功后剩余的尾汽用以供熱。抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組抽取部分高壓缸中做功后的蒸汽用以供熱,抽取蒸汽的位置靈活,可以是汽輪機(jī)高壓缸出口處,也可以是汽輪機(jī)再熱器出口處。抽凝式機(jī)組抽取供熱蒸汽的流量可以調(diào)節(jié),在機(jī)組燃料輸入不變的情況下,機(jī)組輸出供熱蒸汽的流量和輸出電功率呈反向一次函數(shù)關(guān)系。在Production包中擴(kuò)展CogeneratingUnit類來描述熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組,類屬性的詳細(xì)說明見附錄A表A2。在Domian包中擴(kuò)展FlowRate類來描述流量,流量指單位時間內(nèi)傳輸蒸汽的質(zhì)量。擴(kuò)展OutputConditionCurve類來描述熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱出力和電出力的可行域,用以熱電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度,詳情可參考文獻(xiàn)[22];在Domian包中擴(kuò)展CogeneratingUnitType類來描述熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組類型,該枚舉類的屬性定義見附錄A表A3。

4.1.2供熱蒸汽混合聯(lián)箱

當(dāng)供熱機(jī)組多于一臺時,應(yīng)配備供熱蒸汽混合聯(lián)箱。不同熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供出的蒸汽在溫度、壓力上可能存在差異,所以蒸汽需要先通向供熱蒸汽混合聯(lián)箱進(jìn)行混合,再以統(tǒng)一的溫度、壓力向減溫減壓裝置輸送。類似于電力系統(tǒng)中的母線。在Wires包中擴(kuò)展SteamMixingBox類來描述供熱蒸汽混合聯(lián)箱,類屬性的詳細(xì)說明見附錄A表A4。 屬性maxPres體現(xiàn)了供熱蒸汽混合聯(lián)箱所允許的最高工作壓力,當(dāng)箱內(nèi)蒸汽壓力大于該值時,可能會對設(shè)備造成損傷,減少設(shè)備使用壽命,甚至造成安全事故。該屬性可以為供熱系統(tǒng)安全評估提供依據(jù)。

4.1.3減溫減壓裝置

減溫減壓裝置的簡化原理見附錄A圖A2。減溫減壓裝置中減溫系統(tǒng)采用霧化噴嘴將高壓減溫水注入,霧化后的低溫減溫水與高溫一次蒸汽混合,達(dá)到減溫的目的?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電動閥的閥門開合度來調(diào)節(jié)霧化減溫水的流量,從而改變二次蒸汽的溫度。減壓系統(tǒng)則是通過改變電動閥的閥門開合度來達(dá)到不同的減壓效果。在Wires包中擴(kuò)展TemperatureAndPressureReducer類描述減溫減壓裝置,該類屬性的詳細(xì)說明見附錄A表A5。

一次蒸汽溫度、壓力過高會對設(shè)備造成損傷,為了保護(hù)減溫減壓裝置的安全,通入的一次蒸汽溫度、壓力具有設(shè)計上限。在減溫系統(tǒng)中,減溫水的溫度和壓力都是不可調(diào)節(jié)的,不能通過改變減溫水的溫度改變二次蒸汽的溫度。抽象出調(diào)節(jié)器的概念,可以通過調(diào)節(jié)器,改變二次蒸汽的溫度、壓力。在系統(tǒng)實際運(yùn)行中,二次蒸汽的溫度、壓力會偏離設(shè)定值,在一定的范圍內(nèi)波動。擴(kuò)展Regulator類描述調(diào)節(jié)器,該類屬性的詳細(xì)說明見附錄A表A6。

4.2 熱網(wǎng)側(cè)典型設(shè)備

熱網(wǎng)側(cè)的設(shè)備主要有蒸汽管道和各式閥門。閥門從運(yùn)行特性上主要可以分為兩類:連續(xù)調(diào)節(jié)閥門和0-1閥門。

4.2.1蒸汽管道

蒸汽管道是傳輸供熱蒸汽的重要設(shè)備。在對蒸汽管道建模時除了描述管道的物理特性,還要描述供熱蒸汽在蒸汽管道中的傳輸特性。

1)蒸汽管道的水力模型

蒸汽在管道中傳輸?shù)膲毫p失主要由兩部分組成:①供熱蒸汽在蒸汽管道中傳輸時,由于和蒸汽管道內(nèi)壁摩擦,造成蒸汽壓力下降,這部分損失稱為沿程損失;②當(dāng)蒸汽流過管道的三通、彎頭、閥門等附件時,因為流動方向或流通面積的改變,也會造成壓力下降,這部分損失稱為局部損失[23-24]。

2)蒸汽管道的熱力模型

蒸汽管道內(nèi)層為工作鋼管,外面包裹了多層保溫層[14]。熱量的傳導(dǎo)過程如下:①首先供熱蒸汽和鋼管管壁對流換熱;②熱量在鋼管和各保溫層之間進(jìn)行熱傳導(dǎo);③管道外壁與外界進(jìn)行對流換熱。蒸汽管道實際敷設(shè)的方式不同,外界環(huán)境不同。如蒸汽管道的敷設(shè)方式為直埋時,外界環(huán)境為土壤[25]。

在Wires包中擴(kuò)展SteamPipe類來描述蒸汽管道;擴(kuò)展Insulation類描述蒸汽管道的保溫層;擴(kuò)展InsulationType類來描述蒸汽管道保溫層的材料類型,各類屬性的詳細(xì)說明見附錄A表A7。

在工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)實際運(yùn)行中,管道內(nèi)蒸汽的流量不能超過設(shè)定的限制,否則會對蒸汽管道產(chǎn)生損傷,甚至有可能出現(xiàn)安全事故,該屬性用于供熱系統(tǒng)安全評估。沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)分別用于計算供熱蒸汽在蒸汽管道中傳輸產(chǎn)生的沿程壓損和局部壓損;蒸汽管道的敷設(shè)方式、熱傳遞系數(shù)和保溫層的熱傳遞系數(shù)、厚度用于計算供熱蒸汽在蒸汽管道中傳輸產(chǎn)生的熱量損失;上述屬性提供了熱力系統(tǒng)潮流計算所需的重要參數(shù)。在Domain包中擴(kuò)展LayingType類來描述蒸汽管道的敷設(shè)方式,附錄A表A8列出了該枚舉類的屬性定義。蒸汽管道在Wires包中的CIM框圖見附錄A圖A3。

4.2.2連續(xù)調(diào)節(jié)閥門

連續(xù)調(diào)節(jié)閥門是指開合度可以連續(xù)調(diào)節(jié),能夠改變蒸汽管道中蒸汽流量、壓力的閥門。連續(xù)調(diào)節(jié)閥門通過連接智能型電動執(zhí)行器,實現(xiàn)開合度的連續(xù)可調(diào)(一般精度為1%)。因為在工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的實際運(yùn)行中,連續(xù)調(diào)節(jié)閥門不改變系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系,只改變蒸汽管道中傳輸蒸汽的流量和壓力,所以連續(xù)調(diào)節(jié)閥門將作為管道的一部分進(jìn)行建模。在Wires包中擴(kuò)展FlowController類來描述管道中控制蒸汽流量的連續(xù)調(diào)節(jié)閥門,類屬性的詳細(xì)說明見附錄A表A9。

在保持連續(xù)調(diào)節(jié)閥閥前后壓力差不變的理想情況下,相對流量(閥門任意開合度下的流量與閥門全開時流量的比值)與相對開合度(閥門任意開合度與閥門全開時開合度的比值)有一定的函數(shù)關(guān)系[10]。在已知閥門相對開合度情況下,可以根據(jù)上述函數(shù)關(guān)系,計算出經(jīng)過連續(xù)調(diào)節(jié)后供熱蒸汽的流量。擴(kuò)展FlowCharacterCurve類來描述連續(xù)調(diào)節(jié)閥門的理想流量特性。

4.2.30-1閥門

0-1閥門是指工作狀態(tài)只有全開、全關(guān)兩種情況,不能人為調(diào)整閥門開合度的閥門。0-1閥門從功能作用上主要可以分為以下四類。

1)安全閥:布置在減溫減壓裝置末端和蒸汽管道首端之間,當(dāng)蒸汽壓力大于安全閥整定壓力時,閥門動作,排出部分蒸汽以保護(hù)蒸汽管道,安全閥整定壓力通常為二次蒸汽壓力的1.1～1.2倍。

2)止回閥:當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出現(xiàn)事故或緊急關(guān)閉時,止回閥能夠迅速關(guān)閉,有效防止汽輪機(jī)尾部蒸汽和冷凝水倒灌,保護(hù)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組安全。

3)截止閥:用來隔斷汽源,但關(guān)閉時間長。

4)止供閥:布置在熱網(wǎng)末端,用戶側(cè)的入口處。止供閥采用預(yù)付費系統(tǒng),一旦某用戶斷繳欠費,系統(tǒng)將自動發(fā)出指令將閥門關(guān)掉,停止對該用戶供汽。該閥門平時運(yùn)行在全開狀態(tài)。

在Wires包中擴(kuò)展Valve,SafetyValve,CheckValve類分別描述0-1閥門、安全閥和止回閥。各閥門類屬性的詳細(xì)說明見附錄A表A10。在Domain包中擴(kuò)展ValveType類來描述0-1閥門分類,附錄A表A11 列出了該枚舉類的屬性定義。擴(kuò)展EquivalentHeatLoad類來描述故障情況下安全閥打開時向空氣中排出的蒸汽;該類繼承于HeatTransferEquipment類。繼承關(guān)系見附錄A圖A4。

4.3 熱負(fù)荷側(cè)典型設(shè)備

熱負(fù)荷側(cè)的典型設(shè)備有儲汽罐、減溫減壓裝置和熱用戶。由于儲汽罐和減溫減壓裝置的作用都是令供熱蒸汽更好地滿足熱用戶的生產(chǎn)工藝,可以將這兩個設(shè)備合并建模成恒溫恒壓裝置。

4.3.1恒溫恒壓裝置

在工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)中,儲氣罐的主要作用有兩點:①當(dāng)熱用戶用汽量變化時,儲氣罐能夠保證用戶蒸汽壓力穩(wěn)定;②熱用戶是間歇性熱負(fù)荷時,儲氣罐可以瞬間釋放蒸汽。熱負(fù)荷側(cè)減溫減壓裝置的作用是對蒸汽管道輸送來的蒸汽進(jìn)行減溫減壓,使減溫減壓后的蒸汽達(dá)到生產(chǎn)工藝的要求。將上述兩設(shè)備合并建模成恒溫恒壓裝置。在Wires包中擴(kuò)展ConstantTemperatureAndPressureDevice來描述恒溫恒壓裝置,該類詳細(xì)屬性見附錄A表A12。

4.3.2熱用戶

蒸汽供熱系統(tǒng)中的熱用戶多為工業(yè)用戶,不同用戶所需蒸汽的溫度、壓力不同。在Wires包中擴(kuò)展HeatConsumer類描述熱用戶,HeatConsumer類的具體屬性見附錄A表A13。由于工業(yè)用戶生產(chǎn)工藝的需要,終端供熱蒸汽的溫度和壓力必須在一定范圍內(nèi)。

4.4 工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)設(shè)備容器模型

為了更好地實現(xiàn)對工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的監(jiān)測與控制,在Core包中擴(kuò)展SteamPressureLevel類來描述同一蒸汽壓力等級下的設(shè)備集合。該類屬性的詳細(xì)說明見附錄A表A14。SteamPressureLevel類主要定義了蒸汽壓力上、下限,可以根據(jù)限值識別部分故障設(shè)備,如減溫減壓裝置故障導(dǎo)致二次蒸汽壓力過高;蒸汽管道泄漏導(dǎo)致管道內(nèi)蒸汽壓力過低等。為提供可供參考的工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)基準(zhǔn)壓力值,在Core包中擴(kuò)展BaseSteamPressure類,該類屬性的詳細(xì)說明見附錄A表A15。一臺減溫減壓裝置可連接兩個不同的蒸汽壓力等級,園區(qū)中可能有多臺減溫減壓裝置,可擴(kuò)展DecompressionStation類來包含多個蒸汽壓力等級,工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)設(shè)備容器模型的CIM框圖見附錄A圖A5。

4.5 蒸汽供熱系統(tǒng)設(shè)備關(guān)系圖

本文從熱源側(cè)、熱網(wǎng)側(cè)、熱負(fù)荷側(cè)三個方面描述了工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的典型設(shè)備,工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)設(shè)備關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)設(shè)備CIM框圖Fig.3 CIM block diagram of equipment for steam heating system in industrial park

5 算例分析

本文以某實際熱電廠改造后的工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)為例。工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)的連接關(guān)系如圖4所示。圖中,紅色部分代表蒸汽供熱系統(tǒng),藍(lán)色部分代表輸電系統(tǒng)。藍(lán)色圓圈部分是Terminal類的實例,nd1至nd4是ConnectivityNode類的實例,黑色圓圈部分是HeatTerminal類的實例,hnd1至hnd13是HeatConnectivityNode類的實例,其他設(shè)備類都以中文形式在圖中標(biāo)出。本文擴(kuò)展了圖4中工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的全部設(shè)備類,擴(kuò)展實例的屬性和關(guān)聯(lián)見附錄B表B1至表B23。表中的屬性和關(guān)聯(lián)皆在上文提及?？梢?本文所擴(kuò)展的CIM可以覆蓋住工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的典型設(shè)備。

圖4 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)Fig.4 Integrated energy system of industrial park

6 結(jié)語

本文以工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)為研究對象,打破了電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)間的信息孤島,實現(xiàn)了不同系統(tǒng)間的信息交互,探討了一種面向工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化建模方案。主要工作如下:①類比于電力系統(tǒng)中的拓?fù)淠Ｐ?擴(kuò)展出工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的拓?fù)淠Ｐ?②復(fù)用了IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)中的量測模型,詳細(xì)描述了量測的關(guān)聯(lián)方式;③借鑒電力系統(tǒng)設(shè)備容器模型,建立了工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)設(shè)備容器模型;④設(shè)計了工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)中典型設(shè)備的類和屬性,擴(kuò)展了工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的設(shè)備模型,并給出實例加以驗證。

本項工作下一步的研究重點:①在工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建模的研究基礎(chǔ)上,擴(kuò)展含冷/熱/電/氣的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化模型[26];②針對含城市供暖的熱電綜合能源系統(tǒng)[27-28],進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 孫宏斌,郭慶來,潘昭光.能源互聯(lián)網(wǎng):理念、架構(gòu)與前沿展望[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(19):1-8.DOI:10.7500/AEPS20150701007.

SUN Hongbin, GUO Qinglai, PAN Zhaoguang. Energy Internet: concept, architecture and frontier outlook[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(19): 1-8. DOI: 10.7500/AEPS20150701007.

[2] 張濤,張福興,張彥.面向能源互聯(lián)網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2016,40(1):146-155.

ZHANG Tao, ZHANG Fuxing, ZHANG Yan. Study on energy management system of energy internet[J]. Power System Technology, 2016, 40(1): 146-155.

[3] 楊方,白翠粉,張義斌.能源互聯(lián)網(wǎng)的價值與實現(xiàn)架構(gòu)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2015,35(14):3495-3502.

YANG Fang, BAI Cuifeng, ZHANG Yibin. Research on the value and implementation framework of energy internet[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(14): 3495-3502.

[4] 孫宏斌,潘昭光,郭慶來.多能流能量管理研究:挑戰(zhàn)與展望[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(15):1-8.DOI:10.7500/AEPS20160522006.

SUN Hongbin, PAN Zhaoguang, GUO Qinglai. Energy management for multi-energy flow: challenges and prospects[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(15): 1-8. DOI: 10.7500/AEPS20160522006.

[5] LIU Xuezhi. Combined analysis of electricity and heat networks[D]. UK: Cardiff University, 2013.

[6] GEIDL M, ANDERSSON G. Optimal power flow of multiple energy carriers[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2007, 22(1): 145-155.

[7] LI Zhigang, WU Wenchuan, SHAHIDEHPOUR, et al. Combined heat and power dispatch considering pipeline energy storage of district heating network[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2015, 1(7): 12-22.

[8] 潘昭光,孫宏斌,郭慶來.面向能源互聯(lián)網(wǎng)的多能流靜態(tài)安全分析方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2016,40(6):1627-1634.

PAN Zhaoguang, SUN Hongbin, GUO Qinglai. Energy internet oriented static security analysis method for multi-energy flow[J]. Power System Technology, 2016, 40(6): 1627-1634.

[9] 田玉卓,閆全英,趙秉文.供熱工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[10] 石兆玉.供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)與控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1994.

[11] LI Zhigang, WU Wenchuan, WANG Jianhui, et al. Transmission-constrained unit commitment considering combined electricity and district heating networks[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2015, 2(7): 480-492.

[12] WANG Haichao, YIN Wusong, ABDOLLAHI E, et al. Modeling and optimization of CHP based district heating system with renewable energy production and energy storage[J]. Applied Energy, 2015, 159: 401-421.

[13] 徐妮娜.鋼鐵企業(yè)蒸汽系統(tǒng)能效評估方法研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2014.

[14] 李國俊.寶鋼蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化研究[D].上海:上海理工大學(xué),2008.

[15] 許海翔,周建旭.閥門的流量特性對系統(tǒng)瞬變流分析的影響[J].水電能源科學(xué),2016,34(3):185-188.

XU Haixiang, ZHOU Jianxu. Influce of vlave’s flow characteristics on system transient flow[J]. Water Resources and Power, 2016, 34(3): 185-188.

[16] 米為民,韋凌霄,錢靜,等.基于CIM XML的電網(wǎng)模型合并方法在北京電力公司調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(10):33-37.

MI Weimin, WEI Lingxiao, QIAN Jing, et al. Application of CIM&XML based combination method of power network models in dispatching system of Beijing electric power corporation[J]. Power System Technology, 2008, 32(10): 33-37.

[17] 劉崇茹,張伯明,孫宏斌,等.包含直流輸電系統(tǒng)的公用信息模型的擴(kuò)展[J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(20):52-56.

LIU Chongru, ZHANG Boming, SUN Hongbin, et al. The extension of the common information model to analysis and control of AC/DC power system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2004, 28(20): 52-56.

[18] 吳文傳,劉鵬飛,張屹,等.有源配電網(wǎng)公共信息模型擴(kuò)展及其標(biāo)準(zhǔn)算例系統(tǒng)設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,36(9):155-161.

WU Wenchuan, LIU Pengfei, ZHANG Yi, et al. CIM extension of active distribution network and design of its standard example[J]. Power System Technology, 2012, 36(9): 155-161.

[19] 丁明,張征凱,畢銳.面向分布式發(fā)電系統(tǒng)的CIM擴(kuò)展[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(20):83-87.

DING Ming, ZHANG Zhengkai, BI Rui. Distributed generation system oriented CIM extension[J]. Automation of Electric Power Systems, 2008, 32(20): 83-87.

[20] 夏天雷,王林青,江全元.基于IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)光儲建模方案[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(19):9-14.DOI:10.7500/AEPS20141130004.

XIA Tianlei, WANG Linqing, JIANG Quanyuan. IEC 61970 standard based modeling scheme of wind power, photovoltaic power, energy storage[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(19): 9-14. DOI: 10.7500/AEPS20141130004.

[21] 能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(EMS-API)第301部分:公共信息模型(CIM)基礎(chǔ):DL/T 890.301—2016[S].北京:中國電力出版社,2016.

[22] 李志剛.消納大規(guī)模風(fēng)電的互聯(lián)電網(wǎng)多維協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法研究[D].北京:清華大學(xué),2016.

[23] FU Xueqian, SUN Hongbin, GUO Qinlai, et al. Probabilistic power flow analysis considering the dependence between power and heat[J]. Applied Energy, 2017, 191: 582-592.

[24] 秦芳芳.供熱管網(wǎng)水力計算模型研究[D].北京:華北電力大學(xué),2008.

[25] DUQUETTE J, ROWE A, WILD P. Thermal performance of a steady state physical pipe model for simulating district heating grids with variable flow[J].Applied Energy, 2016, 178: 383-393.

[26] THANHTUNG H A, ZHANG Y, THANG V V, et al. Energy hub modeling to minimize residential energy costs considering solar energy and BESS[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2017, 5(3): 389-399.

[27] SHEN X, HAN Y, ZHU S, et al. Comprehensive power-supply planning for active distribution system considering cooling, heating and power load balance[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2015, 3(4): 485-493.

[28] LIU W, WEN F, XUE Y. Power-to-gas technology in energy systems: current status and prospects of potential operation strategies[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2017, 5(3): 439-450.