3.1 IES-SIM主要仿真功能
3.1.1 功能介绍
1. 数据库
数据库包含市面上典型常见的综合能源设备、线路/管道数据，形成模板数据库，以供用户调用。不仅配置有市场上较为典型的综合能源设备运行参数，而且支持用户自定义设备参数与模板，更具操作的灵活性。
图3-1 IES-SIM设备运行参数数据库
2. 模型库
模型库包含50余种基础设备模型库和5种多能流网络（电、气、冷、热、蒸汽）模型库。其中，基础设备模型库包含了可再生能源发电设备（风力、光伏等分布式能源）、储能设备、联供设备、制冷设备、制热设备的稳态/动态模型。按照用能与传输特性，可将设备分为：用能设备与传输/控制设备。对于用能设备，按照终端用能种类又可分为：电设备、气设备、热设备、冷设备、蒸汽设备共5种。设备类别见表3-1，具体设备模型与参数填写步骤见第六章。
| 分类 | 设备名称 |
|---|
| 电设备 | 光伏，柴油发电机，燃煤机组，电网连接点，蓄电池，风机，燃料电池，燃气轮机，热电厂，电负荷 |
| 气设备 | 储气罐，气源，气负荷 |
| 热设备 | 余热回收，水-水换热器，水-水换热站，蒸汽-水换热器，蒸汽-水换热站，蓄热罐，热泵，燃气轮机，燃气锅炉，电锅炉，建筑物，热负荷 |
| 冷设备 | 吸收式制冷机，吸附式制冷机，蓄冷罐，电制冷机，冷负荷 |
| 蒸汽设备 | 储蒸汽罐，热电厂，蒸汽负荷 |
| 传输/控制设备 | 电总线，气总线，热总线，冷总线，蒸汽总线，电力线，供气管道，供热管道，供冷管道，供蒸汽管道，水泵，阀门，隔离开关，变压器，耗气型压缩机，耗电型压缩机，调压器，调压站 |
3. 策略库
针对电、气、冷、热、蒸汽多种能流网络进行单网独立-多网耦合的稳/动态仿真，支持单能源/多能源并行解算。多能流仿真策略库见表3-2。
表3-2 多能流仿真策略库 | 能流 | 简述 | 算法 |
|---|
| 电力系统潮流 | 与单一电网解算方法相同 | 牛拉法、PQ解耦法等 |
| 冷网热网能流 | 稳态 | 供热网络依赖热媒（热水）流动实现能量输送，热网状态由水力模型与热力模型共同描述。水力模型是代数方程组，热力模型是偏微分-代数方程组。目前常用的热网稳态模型有延时-损耗模型、分段线性模型等。 | 基于线性化热力模型的冷/热网稳态能流求解方法 |
| 动态 | 热网稳态模型仅描述热网稳定运行状态，无法反应热媒温度动态变化的情况。对于动态过程可建立描述温度动态变化的热网动态模型，如节点法模型和偏微分方程模型等。 | 混合分辨率建模方法 |
| 气网能流 | 稳态 | 天然气管网以气态进行传输，速度最慢，损耗较少。对于稳态模型，认为单一管道内天然气的流动参数不随时间发生变化。常见气网稳态能流计算模型有稳态等温和稳态非等温两种。其区别在于是否考虑单一管道内天然气温度随距离的变化。 | 等温：节点法、环网法、环能法；
非等温：数值积分算法
|
| 动态 | 考虑天然气参数随时间的变化时，需建立天然气管网的动态能流模型，包括动态等温模型和动态非等温模型两种。 | 中心隐式差分法 |
| 蒸汽能流 | 稳态 | 与热网类似，蒸汽网状态由水力模型与热力模型共同描述。但是，对于热蒸汽网，其水力和热力工况受密度、定压比热等状态参数相互影响，故水力模型和热力模型均为偏微分方程。通过利用理想气体或饱和蒸汽的性质可以得到不同的简化模型。 | 节点方程法、解环方程法、解管段方程法 |
| 动态 | 对于热蒸汽网，可将管道参数用集中参数表示，建立统一、高精度的集中参数模型。 | 隐式Euler算法、线性迭代方法和稀疏矩阵算法 |
| 最优潮流 | | 计及能流约束、设备运行约束，最优能流以区域运行成本为经济性目标，以碳排放考虑环保性目标，以系统供能故障频率考虑可靠性优化，以综合能源利用率考虑综合能效优化，实现最优能流控制。 | 各类优化算法 |
4. 典型场景库
针对高比例可再生能源接入模式、风光储型运行模式、单能源网络独立供能模式、多区域互联模式等典型案例，配置电气冷热多能流网络典型运行案例库，为系统的运行仿真提供案例支撑。
3.1.2 仿真架构
1. 系统模型的搭建
本平台采用图形化建模方式，用户只需按照规则将需仿真的综合能源系统中各个设备拖入画布中，并用线路/管道连成拓扑结构，最后将计算所需的所有参数填写到软件系统中，系统即可自动进行解算。
用户连接拓扑图后，可依次点击设备图标进行数据录入。特别地，仿真平台还支持多时间断面的时序仿真，用户可下载Excel模板进行数据的批量录入。
数据输入完成后，用户可点击单断面仿真按钮或者时序仿真按钮进行仿真，仿真完成后，支持断面/时序数据的结果展示，用户可自由查看所有设备和线路/管道的仿真结果以及结果分析。
2. 在线计算的实现
根据能源转换关系，本平台针对耦合仿真算例设置各网计算顺序为：冷、热、蒸汽、电、气，电热/蒸汽联产设备采用“以热定电”模式。
为了实现对综合能源系统的实时监测，仿真平台配备实时计算功能，可以从数据库中实时获取综合能源系统的运行数据，并将计算结果实时写回数据库并在前端界面进行展示，主要显示信息为各设备及线路/管道的主要运行参数，方便用户对综合能源系统进行管理。
在线计算过程如图3-2所示，利用平台所提供的图形化建模功能为给定的综合能源系统建立拓扑，在线计算开始后由仿真平台自动连接到实时数据库，根据设定的仿真步长读取计算所需的数据，平台在后端计算完成后将结果写入数据库并在前端展示。
为确保数据的真实性和完整性，本平台建设基于自身监测、管理、业务和维护需求的内部系统数据库服务器和专用通信交互模型，将传感器采集到的信息传输至信息采集服务器，然后通过专用光纤与内部系统交互，设计标准化的通用数据通信模型。
从技术实现角度，本数据库使用redis，采用key-value的方式存储各节点数据。key-value分布式存储系统查询速度快、存放数据量大、支持高并发，非常适合通过主键进行查询。前端放置组件以后即将组件相关数据传送至数据库，进行即时生成即时传送，以加快运算请求。
图3-2 在线计算流程图
3. 仿真数据的展示
综合能源系统模型在IES-SIM的画布搭建完成后，前端解析网络拓扑并进行数据解耦，形成各单能源网络数据json，传至后端调用算法进行仿真，将各网数据按冷、热、蒸汽、电、气顺序在线仿真后，形成各能源网络运行结果json，回传至前端进行数据展示。仿真数据展示分断面仿真结果与时序仿真结果展示。断面/时序仿真结果支持单设备右侧数据框展示及综合能源系统全景展示。
3.2 测试具备条件
根据合同，应完成多能耦合综合能源系统仿真与测试平台（IES-SIM）的设计、制造、试验、包装、供货和服务等技术要求，且现场应满足电源条件。
3.3 测试准备工作
3.3.1 电源安全检查
对实验用220V交流电源进行安全检查，确保云平台设备和服务器上电运行的安全可靠。实验用220V电源进线开关位于低压室，开关合闸前应确保下游配电变压器附件无人，并且实验室进出线柜开关全部处于分闸状态，进线柜两路开关机械互锁应当完好。
3.3.2 平台测试
对每个单体进行调试，包括Web界面功能测试、通信系统功能测试、后端算法仿真测试，确保单体系统运行正常。
3.3.3 系统联调
搭建典型算例，将IES-SIM中Web画布数据信息搜集并校验，发送到后端服务器中，检查数据格式是否正确、数据是否存在范围错误/未填。经正确的拓扑数据下的算法仿真后，检查仿真结果是否符合理论分析结果、返回前端数据格式是否正确、返回数据是否全面无疏漏。前端调用后端返回运行结果数据，在“运行结果”界面进行展示，检查数据与设备是否对应、数据是否存在小数点位数不够问题。最终，在云平台处进行联调操作，判断典型算例是否成功仿真、结果展示是否正确且稳定。
3.4 仿真步骤
3.4.1 项目文件新建
打开工具栏“文件”，下拉菜单中选择“新建项目”，并命名项目名；在所建项目中，右键“新建文件”，命名文件，形成空白画布。具体步骤见图3-3。
(a) “新建项目”
(b) 命名项目名
(a) “新建文件”
(d) 命名文件
(e) 空白画布
图3-3 项目文件新建
3.4.2 系统建模
在系统建模工具下搭建要进行测试的网络拓扑模型，其中设备出入口必通过逻辑连接线与母线相接，线路/管道为物理连接线，属性为设备。示意图见图3-4。
图3-4 系统建模
所搭建系统模型支持用户自定义设备参数、数据库模板数据导入等功能，见图3-5。
(a) 用户自定义参数
(b) 模板数据导入
图3-5 参数设置
搭建完网络，点击左上角“保存按钮”保存算例，见图3-6。
(a) “保存”按钮
(b) “保存成功”
图3-6 保存算例
3.4.3 系统编译
用户根据需求在Web端可视化界面中搭建仿真模型、设置模型参数、进行模型编译、生成仿真曲线等操作，然后上位机将仿真模型转换为可读取的json数据格式传递给后端算法服务器。
3.4.4 开始进行仿真
在Web界面选择需要进行的测试算例，选择左上角“断面仿真”或者“时序仿真”按钮启动仿真，前端解析网络拓扑并进行数据解耦，形成各单能源网络数据json，传至后端调用算法进行仿真，将各网数据按冷、热、蒸汽、电、气顺序在线仿真后，形成各能源网络运行结果json，回传至前端进行数据展示。界面下方为运行日历，自动分析算例能源网络类型，并显示仿真进程。若参数、拓扑正确，则显示“仿真成功”；若存在错误，则显示“仿真失败”。见图3-7。
(a) 断面仿真
(b) 时序仿真
(c) 仿真成功
(d) 仿真失败
图3-7 运行仿真分析
3.4.5 仿真结束
仿真算例执行结束，可打开菜单栏“仿真结果”中的“断面仿真结果”或“时序仿真结果”，也可点击右上角“查看仿真结果”，查看综合能源系统全景仿真结果图，并进行测试后的结果分析。若未进行断面仿真，则无法调出运行结果界面，并弹窗显示“未进行断面仿真”。见图3-8。
(a) 单断面仿真结果
(b) 时序仿真结果
(c) “未进行断面仿真”
图3-8 综合能源系统全景仿真结果
可直接点击对应设备，显示该设备仿真结果，见图3-9。
图3-9 单设备仿真结果
3.4.6 运行结束
运行结束，则点击右上角“结束运行”按钮，否则将无法进行下一次仿真并弹窗显示“正在仿真，请稍等”，见图3-10。
(a) “结束运行”
(b) “正在仿真，请稍等”
图3-10 运行结束