一、系統概述

　　綜合能源仿真優化平臺由綜合智慧能源規劃與設計平臺SimuIES和大型科學計算與仿真支撐平臺SimuWorks兩個軟件包組成。

　　SimuIES由大風科技與清華大學聯合研發，得到北京市科委“設計之都”專項的大力支持。它涵蓋全國各省市區地理信息、氣象、地質、建筑能耗數據，實現能源數據同地理信息的高度融合。它可以根據區域或能源站冷、熱、電負荷的需求以及能源條件，通過自動方案尋優或者手工方案尋優的方式，對多種能源方案及不同運行策略，計算全年能耗、運行費用、碳排放等指標，并完成技術經濟分析，實現單目標或多目標的仿真尋優。其中自動方案尋優主要用于優化設計（新建），手工方案尋優既可以用于優化設計（新建和改造），也可以用于能源診斷。無論采用哪種方式，生成的方案都是以數學模型的方式呈現出來，該數學模型即對應于虛擬系統（對于優化設計，為擬新建或改造后的系統）或實際系統（對于能源診斷，為當前存在的系統）的數字孿生模型。

　　SimuWorks由大風科技自主研發并擁有完全的知識產權，獲得了科技部和財政部的創新基金資助，并通過國家軟件評測中心的高級軟件確認測試。它采用高性能的實時網絡數據庫，支持圖形化的組態建模方法，擁有豐富的能源、動力、電力系統相關設備的高精度數學模型，以及流體網絡和電氣潮流計算的實時算法庫，先后成功應用于“九五”至“十三五”科技攻關、“863”計劃、及“兩機”國家重大專項項目。將SimuIES生成的數字孿生模型，在SimuWorks上仿真運行，可以實現系統的離線優化運行。如果進一步與實際系統連接，還可以實現在線優化運行。

　　大風科技與華電集團、清華大學、北京市煤熱院等聯合申報的科技成果——基于數字孿生的高效綜合能源系統關鍵技術及應用，榮獲中國電力企業聯合會頒發的“2021年度電力科技創新獎”一等獎。該成果于2021年5月份通過了中電聯組織的專家鑒定（中電聯鑒字[2021]第172號），鑒定意見為“總體技術性能達到國際先進水平”，規劃設計軟件“填補了國內綜合能源領域工業設計軟件的空白”，“SimuWorks可對標國外領先軟件”等。

　　通過將SimuIES和SimuWorks結合使用，綜合能源仿真優化平臺可以用于綜合能源系統的優化設計、能源診斷和優化運行，下面就這幾項功能分別加以說明。

二、優化設計

　　優化設計主要使用SimuIES的自動方案尋優功能實現，以下根據設計過程，對功能逐項加以說明。SimuIES的主界面如下圖所示：

　　1. 負荷需求分析

　　跟據建筑物的建筑面積、負荷指標、逐時負荷系數、氣象數據等，可計算每一棟建筑的全年8760小時逐時負荷需求（包含冷負荷、熱負荷及電負荷）。每一個地塊內的所有建筑的逐時負荷累加，即得到地塊的逐時負荷。每一個能源站供能范圍內的所有地塊的逐時負荷累加，即得到能源站的逐時負荷。整個區域內所有地塊的逐時負荷累加，即得到區域整體的逐時負荷。

　　根據項目所在地區，氣象數據可以從基礎數據庫中直接查詢得到；負荷指標和逐時負荷系數則根據建筑類型，將基礎數據庫中查詢的數據作為默認值，用戶可以根據實際情況進行修改。如下圖所示為某典型日的逐時冷負荷：

　　2. 能源條件統計分析

　　首先，根據項目的實際情況，設定一次能源、淺層地溫（地源熱泵）、水源熱泵、空氣源熱泵、電熱水鍋爐，太陽能等各種能源的資源條件。然后，根據資源條件和可利用率，計算各種能源條件對應的設備最大裝機容量。其中太陽能的年峰值日照小時數和年輻射量的默認值從基礎數據庫中獲取，可根據需要進行手工手改。

　　以淺層地溫能為例，對應的設備為土壤源熱泵，可在夏天制冷，冬天供熱。根據實際勘測結果，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，軟件根據以上數據計算出熱泵制冷/供熱的最大裝機容量，即根據現有條件能夠提供的最大制冷/供熱負荷。在后面進行方案尋優時，方案中土壤源熱泵的負荷不允許超過這個最大裝機容量。

　　一般情況下，一次能源（主要是天然氣，市政電網也歸到一次能源）供應量充足，可認為無限制。

　　下圖是以圖形方式展現出來的能源條件統計信息：

　　3. 能源方案自動優化

　　SimuIES支持單目標優化和多目標優化，優化目標包括運行費用最低、投資收益率最高、環境效益最好等，如下圖所示：

　　尋優算法基于SimuWorks提供的數字孿生模型和仿真功能實現，在負荷需求分析和能源條件統計分析的前提下，根據實際需求設定優化目標，即可自動得到優化方案，包括設備選型、數量、參數以及儲能方案等，如下圖所示：

　　在自動尋優過程中，會針對某種可能的方案執行如下兩個步驟，并將其結果作為優化的依據：

　　1）運行策略優化及分析

　　根據優化目標，針對8760小時每一個小時的負荷需求，得到方案對應的逐時最佳運行策略，如下圖所示：

　　在逐時最佳運行策略的基礎上，計算全年的運行能耗及費用，如下圖所示：

　　2）技經分析

　　計算方案各項投資額，根據設定確定貸款計劃和資金使用計劃，計算年運行收入及其他成本，再考慮上一步得到的年能耗費用，得到各年的現金流量表及其他各類財務報表，最終計算內部收益率。技經數據匯總如下圖所示：

　　4. 能源方案手工優化

　　對于全新方案設計，大多數情況下使用自動優化功能就可以了。但在某些特殊情況下，如指定選擇某種類型的設備，或者希望看看自己所設想方案的效果等，就要用到手工優化功能了。另外，對于項目改造，也需要首先手工輸入已有方案，然后在此基礎上實現方案的自動優化。

　　在進行自動方案優化的時候，會將手工給定的設備和參數作為邊界條件，根據負荷需求和能源條件，通過運行策略優化及分析和技經分析過程，尋找與其他設備的最佳組合方案。

　　5. 報告輸出

　　對于最終選定的最優方案，可以自動生成Word格式的可行性報告，包括裝機、全年能耗及運行費用分析、技經分析等，如下圖所示：

　　還可以根據需要生成Excel格式的主設備報告，包含了單臺設備全年運行情況分析數據，如下圖所示：

三、能源診斷

　　能源診斷主要使用SimuIES的手工方案尋優功能實現，然后針對存在的問題，對運行策略進行優化或者對系統進行優化改造。

　　1. 建立數字孿生模型

　　根據能源系統當前的實際構成，利用SimuIES進行手工組態，生成實際系統對應的能源方案。對于SimuIES模型數據庫中不存在的設備，需要建立其數學模型并加入數據庫。該過程所生成的數字孿生模型稱為機理模型，所采用的設備數據來自于SimuIES的數據庫和運行廠家的設計數據。

　　為了保證數字孿生模型與實際系統的一致性，還需要在該機理模型的基礎上，利用大數據方法對實際設備運行數據的分析結果進行修正和完善。

　　2. 進行分析和診斷

　　利用所建立的數字孿生模型，針對歷史負荷需求數據，計算最佳運行策略，并與歷史運行策略進行對比分析，發現當前運行策略中存在的不足和可能的最大潛力，作為優化運行的依據。也可以在已有方案的基礎上，進一步按照前述能源方案手工優化的方法，對系統進行優化改造。

四、優化運行

　　將優化設計或者能源診斷過程中生成的數字孿生模型，在SimuWorks上仿真運行，可以用于實現系統的優化運行。根據仿真系統是否與實際系統在線連接，可以分為離線優化運行和在線優化運行兩種方式。

　　1. 離線優化運行

　　將第二天的負荷預測數據輸入仿真系統，根據優化目標（如效率最高、碳排放最低或者二次能源利用率最高等等），通過數字孿生模型的優化計算，找到最優的運行策略，并應用與實際系統，該過程就稱為離線優化運行。

　　由于數字孿生模型為動態模型，除了可以用于對運行策略進行優化外，還可以用于控制策略優化，實現動態負荷調整過程中的最優控制。

　　2. 在線優化運行

　　在離線優化的基礎上，可以將仿真系統通過數據通訊接口與實際系統相連，在線不間斷地獲取冷、熱、電負荷的需求，通過數字孿生模型的快速優化求解，實時確定最佳運行策略。

　　進一步，可以向控制系統發送最佳控制策略，使得負荷動態過程的調整能夠做到快速和平穩，從而實現系統的最優控制。