综合能源仿真优化平台

一、系统概述

　　综合能源仿真优化平台由综合能源仿真规划设计平台IES Designer和大型科学计算与仿真支撑平台SimuWorks两个软件包组成，其中IES Designer由北京大风天利科技有限公司、北京市煤气热力工程设计院、清华大学能源与动力工程系联合设计开发，并得到北京市科委“设计之都”专项的大力支持；SimuWorks则为大风科技完全自主产权的产品。

　　IES Designer涵盖全国各省市区地理信息、气象、地质、建筑能耗数据，实现能源数据同地理信息的高度融合。它可以根据区域或能源站冷、热、电负荷的需求以及能源条件，通过自动方案寻优或者手工方案寻优的方式，对多种能源方案及不同运行策略，计算全年能耗、运行费用、碳排放等指标，并完成技术经济分析，实现单目标或多目标的仿真寻优。其中自动方案寻优主要用于优化设计（新建），手工方案寻优既可以用于优化设计（新建和改造），也可以用于能源诊断。无论采用哪种方式，生成的方案都是以数学模型的方式呈现出来，该数学模型即对应于虚拟系统（对于优化设计，为拟新建或改造后的系统）或实际系统（对于能源诊断，为当前存在的系统）的数字孪生模型。

　　SimuWorks由大风科技自主研发并拥有完全的知识产权，获得了科技部和财政部的创新基金资助，并通过国家软件评测中心的高级软件确认测试。它采用高性能的实时网络数据库，支持图形化的组态建模方法，拥有丰富的能源、动力、电力系统相关设备的高精度数学模型，以及流体网络和电气潮流计算的实时算法库，先后成功应用于“九五”至“十三五”科技攻关、“863”计划、及“两机”国家重大专项项目。将IES Designer生成的数字孪生模型，在SimuWorks上仿真运行，可以实现系统的离线优化运行。如果进一步与实际系统连接，还可以实现在线优化运行。

　　大风科技与华电集团、清华大学、北京市煤热院等联合申报的科技成果——基于数字孪生的高效综合能源系统关键技术及应用，荣获中国电力企业联合会颁发的“2021年度电力科技创新奖”一等奖。该成果于2021年5月份通过了中电联组织的专家鉴定（中电联鉴字[2021]第172号），鉴定意见为“总体技术性能达到国际先进水平”，“IES Designer填补了国内综合能源领域工业设计软件的空白”，“SimuWorks可对标国外领先软件”等。

　　通过将IES Designer和SimuWorks结合使用，综合能源仿真优化平台可以用于综合能源系统的优化设计、能源诊断和优化运行，下面就这几项功能分别加以说明。

二、优化设计

　　优化设计主要使用IES Designer的自动方案寻优功能实现，以下根据设计过程，对功能逐项加以说明。IES Designer的主界面如下图所示：

　　1. 负荷需求分析

　　跟据建筑物的建筑面积、负荷指标、逐时负荷系数、气象数据等，可计算每一栋建筑的全年8760小时逐时负荷需求（包含冷负荷、热负荷及电负荷）。每一个地块内的所有建筑的逐时负荷累加，即得到地块的逐时负荷。每一个能源站供能范围内的所有地块的逐时负荷累加，即得到能源站的逐时负荷。整个区域内所有地块的逐时负荷累加，即得到区域整体的逐时负荷。

　　根据项目所在地区，气象数据可以从基础数据库中直接查询得到；负荷指标和逐时负荷系数则根据建筑类型，将基础数据库中查询的数据作为默认值，用户可以根据实际情况进行修改。如下图所示为某典型日的逐时冷负荷：

　　2. 能源条件统计分析

　　首先，根据项目的实际情况，设定一次能源、浅层地温（地源热泵）、水源热泵、空气源热泵、电热水锅炉，太阳能等各种能源的资源条件。然后，根据资源条件和可利用率，计算各种能源条件对应的设备最大装机容量。其中太阳能的年峰值日照小时数和年辐射量的默认值从基础数据库中获取，可根据需要进行手工手改。

　　以浅层地温能为例，对应的设备为土壤源热泵，可在夏天制冷，冬天供热。根据实际勘测结果，输入可打孔面积、可打孔面积利用率、钻孔深度、孔间距、夏季/冬季单位延米换热量、制冷/供热COP，软件根据以上数据计算出热泵制冷/供热的最大装机容量，即根据现有条件能够提供的最大制冷/供热负荷。在后面进行方案寻优时，方案中土壤源热泵的负荷不允许超过这个最大装机容量。

　　一般情况下，一次能源（主要是天然气，市政电网也归到一次能源）供应量充足，可认为无限制。

　　下图是以图形方式展现出来的能源条件统计信息：

　　3. 能源方案自动优化

　　IES Designer支持单目标优化和多目标优化，优化目标包括运行费用最低、投资收益率最高、环境效益最好等，如下图所示：

　　寻优算法基于SimuWorks提供的数字孪生模型和仿真功能实现，在负荷需求分析和能源条件统计分析的前提下，根据实际需求设定优化目标，即可自动得到优化方案，包括设备选型、数量、参数以及储能方案等，如下图所示：

　　在自动寻优过程中，会针对某种可能的方案执行如下两个步骤，并将其结果作为优化的依据：

　　1）运行策略优化及分析

　　根据优化目标，针对8760小时每一个小时的负荷需求，得到方案对应的逐时最佳运行策略，如下图所示：

　　在逐时最佳运行策略的基础上，计算全年的运行能耗及费用，如下图所示：

　　2）技经分析

　　计算方案各项投资额，根据设定确定贷款计划和资金使用计划，计算年运行收入及其他成本，再考虑上一步得到的年能耗费用，得到各年的现金流量表及其他各类财务报表，最终计算内部收益率。技经数据汇总如下图所示：

　　4. 能源方案手工优化

　　对于全新方案设计，大多数情况下使用自动优化功能就可以了。但在某些特殊情况下，如指定选择某种类型的设备，或者希望看看自己所设想方案的效果等，就要用到手工优化功能了。另外，对于项目改造，也需要首先手工输入已有方案，然后在此基础上实现方案的自动优化。

　　在进行自动方案优化的时候，会将手工给定的设备和参数作为边界条件，根据负荷需求和能源条件，通过运行策略优化及分析和技经分析过程，寻找与其他设备的最佳组合方案。

　　5. 报告输出

　　对于最终选定的最优方案，可以自动生成Word格式的可行性报告，包括装机、全年能耗及运行费用分析、技经分析等，如下图所示：

 

　　还可以根据需要生成Excel格式的主设备报告，包含了单台设备全年运行情况分析数据，如下图所示：

三、能源诊断

　　能源诊断主要使用IES Designer的手工方案寻优功能实现，然后针对存在的问题，对运行策略进行优化或者对系统进行优化改造。

　　1. 建立数字孪生模型

　　根据能源系统当前的实际构成，利用IES Designer进行手工组态，生成实际系统对应的能源方案。对于IES Designer模型数据库中不存在的设备，需要建立其数学模型并加入数据库。该过程所生成的数字孪生模型称为机理模型，所采用的设备数据来自于IES Designer的数据库和运行厂家的设计数据。

　　为了保证数字孪生模型与实际系统的一致性，还需要在该机理模型的基础上，利用大数据方法对实际设备运行数据的分析结果进行修正和完善。

　　2. 进行分析和诊断

　　利用所建立的数字孪生模型，针对历史负荷需求数据，计算最佳运行策略，并与历史运行策略进行对比分析，发现当前运行策略中存在的不足和可能的最大潜力，作为优化运行的依据。也可以在已有方案的基础上，进一步按照前述能源方案手工优化的方法，对系统进行优化改造。

四、优化运行

　　将优化设计或者能源诊断过程中生成的数字孪生模型，在SimuWorks上仿真运行，可以用于实现系统的优化运行。根据仿真系统是否与实际系统在线连接，可以分为离线优化运行和在线优化运行两种方式。

　　1. 离线优化运行

　　将第二天的负荷预测数据输入仿真系统，根据优化目标（如效率最高、碳排放最低或者二次能源利用率最高等等），通过数字孪生模型的优化计算，找到最优的运行策略，并应用与实际系统，该过程就称为离线优化运行。

　　由于数字孪生模型为动态模型，除了可以用于对运行策略进行优化外，还可以用于控制策略优化，实现动态负荷调整过程中的最优控制。

　　2. 在线优化运行

　　在离线优化的基础上，可以将仿真系统通过数据通讯接口与实际系统相连，在线不间断地获取冷、热、电负荷的需求，通过数字孪生模型的快速优化求解，实时确定最佳运行策略。

　　进一步，可以向控制系统发送最佳控制策略，使得负荷动态过程的调整能够做到快速和平稳，从而实现系统的最优控制。