一、系統(tǒng)概述

　　綜合能源仿真優(yōu)化平臺(tái)由綜合智慧能源規(guī)劃與設(shè)計(jì)平臺(tái)SimuIES和大型科學(xué)計(jì)算與仿真支撐平臺(tái)SimuWorks兩個(gè)軟件包組成。

　　SimuIES由大風(fēng)科技與清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)，得到北京市科委“設(shè)計(jì)之都”專(zhuān)項(xiàng)的大力支持。它涵蓋全國(guó)各省市區(qū)地理信息、氣象、地質(zhì)、建筑能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)同地理信息的高度融合。它可以根據(jù)區(qū)域或能源站冷、熱、電負(fù)荷的需求以及能源條件，通過(guò)自動(dòng)方案尋優(yōu)或者手工方案尋優(yōu)的方式，對(duì)多種能源方案及不同運(yùn)行策略，計(jì)算全年能耗、運(yùn)行費(fèi)用、碳排放等指標(biāo)，并完成技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，實(shí)現(xiàn)單目標(biāo)或多目標(biāo)的仿真尋優(yōu)。其中自動(dòng)方案尋優(yōu)主要用于優(yōu)化設(shè)計(jì)（新建），手工方案尋優(yōu)既可以用于優(yōu)化設(shè)計(jì)（新建和改造），也可以用于能源診斷。無(wú)論采用哪種方式，生成的方案都是以數(shù)學(xué)模型的方式呈現(xiàn)出來(lái)，該數(shù)學(xué)模型即對(duì)應(yīng)于虛擬系統(tǒng)（對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)，為擬新建或改造后的系統(tǒng)）或?qū)嶋H系統(tǒng)（對(duì)于能源診斷，為當(dāng)前存在的系統(tǒng)）的數(shù)字孿生模型。

　　SimuWorks由大風(fēng)科技自主研發(fā)并擁有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，獲得了科技部和財(cái)政部的創(chuàng)新基金資助，并通過(guò)國(guó)家軟件評(píng)測(cè)中心的高級(jí)軟件確認(rèn)測(cè)試。它采用高性能的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，支持圖形化的組態(tài)建模方法，擁有豐富的能源、動(dòng)力、電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的高精度數(shù)學(xué)模型，以及流體網(wǎng)絡(luò)和電氣潮流計(jì)算的實(shí)時(shí)算法庫(kù)，先后成功應(yīng)用于“九五”至“十三五”科技攻關(guān)、“863”計(jì)劃、及“兩機(jī)”國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目。將SimuIES生成的數(shù)字孿生模型，在SimuWorks上仿真運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的離線(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。如果進(jìn)一步與實(shí)際系統(tǒng)連接，還可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。

　　大風(fēng)科技與華電集團(tuán)、清華大學(xué)、北京市煤熱院等聯(lián)合申報(bào)的科技成果——基于數(shù)字孿生的高效綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用，榮獲中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)頒發(fā)的“2021年度電力科技創(chuàng)新獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)。該成果于2021年5月份通過(guò)了中電聯(lián)組織的專(zhuān)家鑒定（中電聯(lián)鑒字[2021]第172號(hào)），鑒定意見(jiàn)為“總體技術(shù)性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平”，規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件“填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)綜合能源領(lǐng)域工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的空白”，“SimuWorks可對(duì)標(biāo)國(guó)外領(lǐng)先軟件”等。

　　通過(guò)將SimuIES和SimuWorks結(jié)合使用，綜合能源仿真優(yōu)化平臺(tái)可以用于綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、能源診斷和優(yōu)化運(yùn)行，下面就這幾項(xiàng)功能分別加以說(shuō)明。

二、優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　優(yōu)化設(shè)計(jì)主要使用SimuIES的自動(dòng)方案尋優(yōu)功能實(shí)現(xiàn)，以下根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)功能逐項(xiàng)加以說(shuō)明。SimuIES的主界面如下圖所示：

　　1. 負(fù)荷需求分析

　　跟據(jù)建筑物的建筑面積、負(fù)荷指標(biāo)、逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)、氣象數(shù)據(jù)等，可計(jì)算每一棟建筑的全年8760小時(shí)逐時(shí)負(fù)荷需求（包含冷負(fù)荷、熱負(fù)荷及電負(fù)荷）。每一個(gè)地塊內(nèi)的所有建筑的逐時(shí)負(fù)荷累加，即得到地塊的逐時(shí)負(fù)荷。每一個(gè)能源站供能范圍內(nèi)的所有地塊的逐時(shí)負(fù)荷累加，即得到能源站的逐時(shí)負(fù)荷。整個(gè)區(qū)域內(nèi)所有地塊的逐時(shí)負(fù)荷累加，即得到區(qū)域整體的逐時(shí)負(fù)荷。

　　根據(jù)項(xiàng)目所在地區(qū)，氣象數(shù)據(jù)可以從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中直接查詢(xún)得到；負(fù)荷指標(biāo)和逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)則根據(jù)建筑類(lèi)型，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)的數(shù)據(jù)作為默認(rèn)值，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改。如下圖所示為某典型日的逐時(shí)冷負(fù)荷：

　　2. 能源條件統(tǒng)計(jì)分析

　　首先，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，設(shè)定一次能源、淺層地溫（地源熱泵）、水源熱泵、空氣源熱泵、電熱水鍋爐，太陽(yáng)能等各種能源的資源條件。然后，根據(jù)資源條件和可利用率，計(jì)算各種能源條件對(duì)應(yīng)的設(shè)備最大裝機(jī)容量。其中太陽(yáng)能的年峰值日照小時(shí)數(shù)和年輻射量的默認(rèn)值從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取，可根據(jù)需要進(jìn)行手工手改。

　　以淺層地溫能為例，對(duì)應(yīng)的設(shè)備為土壤源熱泵，可在夏天制冷，冬天供熱。根據(jù)實(shí)際勘測(cè)結(jié)果，輸入可打孔面積、可打孔面積利用率、鉆孔深度、孔間距、夏季/冬季單位延米換熱量、制冷/供熱COP，軟件根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算出熱泵制冷/供熱的最大裝機(jī)容量，即根據(jù)現(xiàn)有條件能夠提供的最大制冷/供熱負(fù)荷。在后面進(jìn)行方案尋優(yōu)時(shí)，方案中土壤源熱泵的負(fù)荷不允許超過(guò)這個(gè)最大裝機(jī)容量。

　　一般情況下，一次能源（主要是天然氣，市政電網(wǎng)也歸到一次能源）供應(yīng)量充足，可認(rèn)為無(wú)限制。

　　下圖是以圖形方式展現(xiàn)出來(lái)的能源條件統(tǒng)計(jì)信息：

　　3. 能源方案自動(dòng)優(yōu)化

　　SimuIES支持單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)包括運(yùn)行費(fèi)用最低、投資收益率最高、環(huán)境效益最好等，如下圖所示：

　　尋優(yōu)算法基于SimuWorks提供的數(shù)字孿生模型和仿真功能實(shí)現(xiàn)，在負(fù)荷需求分析和能源條件統(tǒng)計(jì)分析的前提下，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，即可自動(dòng)得到優(yōu)化方案，包括設(shè)備選型、數(shù)量、參數(shù)以及儲(chǔ)能方案等，如下圖所示：

　　在自動(dòng)尋優(yōu)過(guò)程中，會(huì)針對(duì)某種可能的方案執(zhí)行如下兩個(gè)步驟，并將其結(jié)果作為優(yōu)化的依據(jù)：

　　1）運(yùn)行策略?xún)?yōu)化及分析

　　根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)8760小時(shí)每一個(gè)小時(shí)的負(fù)荷需求，得到方案對(duì)應(yīng)的逐時(shí)最佳運(yùn)行策略，如下圖所示：

　　在逐時(shí)最佳運(yùn)行策略的基礎(chǔ)上，計(jì)算全年的運(yùn)行能耗及費(fèi)用，如下圖所示：

　　2）技經(jīng)分析

　　計(jì)算方案各項(xiàng)投資額，根據(jù)設(shè)定確定貸款計(jì)劃和資金使用計(jì)劃，計(jì)算年運(yùn)行收入及其他成本，再考慮上一步得到的年能耗費(fèi)用，得到各年的現(xiàn)金流量表及其他各類(lèi)財(cái)務(wù)報(bào)表，最終計(jì)算內(nèi)部收益率。技經(jīng)數(shù)據(jù)匯總?cè)缦聢D所示：

　　4. 能源方案手工優(yōu)化

　　對(duì)于全新方案設(shè)計(jì)，大多數(shù)情況下使用自動(dòng)優(yōu)化功能就可以了。但在某些特殊情況下，如指定選擇某種類(lèi)型的設(shè)備，或者希望看看自己所設(shè)想方案的效果等，就要用到手工優(yōu)化功能了。另外，對(duì)于項(xiàng)目改造，也需要首先手工輸入已有方案，然后在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)方案的自動(dòng)優(yōu)化。

　　在進(jìn)行自動(dòng)方案優(yōu)化的時(shí)候，會(huì)將手工給定的設(shè)備和參數(shù)作為邊界條件，根據(jù)負(fù)荷需求和能源條件，通過(guò)運(yùn)行策略?xún)?yōu)化及分析和技經(jīng)分析過(guò)程，尋找與其他設(shè)備的最佳組合方案。

　　5. 報(bào)告輸出

　　對(duì)于最終選定的最優(yōu)方案，可以自動(dòng)生成Word格式的可行性報(bào)告，包括裝機(jī)、全年能耗及運(yùn)行費(fèi)用分析、技經(jīng)分析等，如下圖所示：

　　還可以根據(jù)需要生成Excel格式的主設(shè)備報(bào)告，包含了單臺(tái)設(shè)備全年運(yùn)行情況分析數(shù)據(jù)，如下圖所示：

三、能源診斷

　　能源診斷主要使用SimuIES的手工方案尋優(yōu)功能實(shí)現(xiàn)，然后針對(duì)存在的問(wèn)題，對(duì)運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化或者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

　　1. 建立數(shù)字孿生模型

　　根據(jù)能源系統(tǒng)當(dāng)前的實(shí)際構(gòu)成，利用SimuIES進(jìn)行手工組態(tài)，生成實(shí)際系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的能源方案。對(duì)于SimuIES模型數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在的設(shè)備，需要建立其數(shù)學(xué)模型并加入數(shù)據(jù)庫(kù)。該過(guò)程所生成的數(shù)字孿生模型稱(chēng)為機(jī)理模型，所采用的設(shè)備數(shù)據(jù)來(lái)自于SimuIES的數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行廠(chǎng)家的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

　　為了保證數(shù)字孿生模型與實(shí)際系統(tǒng)的一致性，還需要在該機(jī)理模型的基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)方法對(duì)實(shí)際設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析結(jié)果進(jìn)行修正和完善。

　　2. 進(jìn)行分析和診斷

　　利用所建立的數(shù)字孿生模型，針對(duì)歷史負(fù)荷需求數(shù)據(jù)，計(jì)算最佳運(yùn)行策略，并與歷史運(yùn)行策略進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前運(yùn)行策略中存在的不足和可能的最大潛力，作為優(yōu)化運(yùn)行的依據(jù)。也可以在已有方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步按照前述能源方案手工優(yōu)化的方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

四、優(yōu)化運(yùn)行

　　將優(yōu)化設(shè)計(jì)或者能源診斷過(guò)程中生成的數(shù)字孿生模型，在SimuWorks上仿真運(yùn)行，可以用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。根據(jù)仿真系統(tǒng)是否與實(shí)際系統(tǒng)在線(xiàn)連接，可以分為離線(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行和在線(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行兩種方式。

　　1. 離線(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行

　　將第二天的負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng)，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)（如效率最高、碳排放最低或者二次能源利用率最高等等），通過(guò)數(shù)字孿生模型的優(yōu)化計(jì)算，找到最優(yōu)的運(yùn)行策略，并應(yīng)用與實(shí)際系統(tǒng)，該過(guò)程就稱(chēng)為離線(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。

　　由于數(shù)字孿生模型為動(dòng)態(tài)模型，除了可以用于對(duì)運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化外，還可以用于控制策略?xún)?yōu)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中的最優(yōu)控制。

　　2. 在線(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行

　　在離線(xiàn)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可以將仿真系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口與實(shí)際系統(tǒng)相連，在線(xiàn)不間斷地獲取冷、熱、電負(fù)荷的需求，通過(guò)數(shù)字孿生模型的快速優(yōu)化求解，實(shí)時(shí)確定最佳運(yùn)行策略。

　　進(jìn)一步，可以向控制系統(tǒng)發(fā)送最佳控制策略，使得負(fù)荷動(dòng)態(tài)過(guò)程的調(diào)整能夠做到快速和平穩(wěn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。