[论文解读] A Reference Architecture for the American Multi-Modal Energy System

Dakota J. Thompson, Amro M. Farid|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2020

Global Energy and Sustainability Research参考文献 97被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于SysML的美国多模式能源系统（AMES）参考架构，整合电力系统、天然气、石油和煤炭系统，以支持可持续能源转型的基于模型的系统工程（MBSE）。该架构基于S&P Global Platts和EIA数据集构建，保持不变，同时支持可再生能源整合、能效提升和电气化等情景的动态实例化，从而支持韧性分析与政策模拟。

ABSTRACT

The American Multimodal Energy System (AMES) is a system-of-systems comprised of four separate but interdependent infrastructure systems: the electric grid, the natural gas system, the oil system, and the coal system. Their interdependence creates the need to better understand the underlying architecture in order to pursue a more sustainable, resilient and accessible energy system. Collectively, these requirements necessitate a sustainable energy transition that constitute a change in the AMES instantiated architecture; although it leaves its reference architecture largely unchanged. Consequently, from a model-based systems engineering perspective, identifying the underlying reference architecture becomes a high priority. This paper defines a reference architecture for the AMES and its four component energy infrastructures in a single SysML model. The architecture includes (allocated) block definition and activity diagrams for each infrastructure. The reference architecture was developed from the S&P Global Platts (GIS) Map Data Pro data set and the EIA Annual Energy Outlook dataset. This reference architecture serves as the foundation from which to accurately and consistently create mathematical model of the AMES.

研究动机与目标

• 为包含相互依赖的电力、天然气、石油和煤炭系统的美国多模式能源系统（AMES）建立一个稳定、不变的参考架构。
• 通过定义模拟能源系统转型的通用结构与行为基础，支持基于模型的系统工程（MBSE）。
• 通过形式化系统边界、组件、功能和接口，实现AMES的一致且精确的数学建模。
• 通过在可持续发展目标下实例化不同技术构成，促进结构韧性与政策影响的分析。
• 通过提供可重用框架，指导可持续能源转型，以评估脱碳路径，包括可再生能源整合、效率提升和电气化。

提出的方法

• 使用块定义图（BDDs）和活动图，基于SysML开发参考架构，以建模四个能源系统的结构与行为。
• 整合S&P Global Platts（GIS Map Data Pro）和EIA年度能源展望数据，使架构建立在真实基础设施与能源流数据基础之上。
• 在模型中分配系统功能与资源，以表示能源基础设施间的价值链与相互依赖关系。
• 支持将SysML模型转换为异功能图（HFGs），以在组件失效或遭受攻击的情景下进行结构韧性分析。
• 在相同参考框架内支持多种情景的实例化，如可再生能源增加、能效提升和电气化。
• 通过为设备模型分配一致的时间分辨率，支持多能流的仿真与优化，以实现能源类型的联合优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为复杂且相互依赖的美国多模式能源系统（AMES）定义一个稳定且可重用的参考架构？
• RQ2 基于SysML的AMES模型在多大程度上能够支持能源转型路径的一致性数学建模与仿真？
• RQ3 在通过实例化系统配置建模的条件下，AMES的结构韧性如何随技术构成或组件故障的变化而变化？
• RQ4 该参考架构能否支持跨能源、水和基础设施系统的协同策略分析，以克服传统权衡？
• RQ5 该不变参考架构如何适应脱碳过程中的动态变化，如可再生能源渗透率提高和电气化？

主要发现

• AMES参考架构为电力系统、天然气、石油和煤炭系统及其相互依赖关系提供了稳定、不变的SysML建模基础。
• 该架构支持多样化能源转型情景的一致实例化，包括可再生能源发电增加、能效提升以及全行业电气化。
• 从SysML模型导出的异功能图（HFGs）可实现对组件退化或攻击下结构韧性的量化分析。
• 该参考架构通过在各学科和组织间保持共享、标准化的模型，支持政策影响与基础设施规划的仿真。
• 该模型可用于识别同时增强成本、可靠性和可持续性的协同策略，克服基础设施锁定与三重困境权衡。
• 尽管源数据集假设数据平稳性，该架构仍支持动态情景分析与长期转型建模，且不失保真度。