從工業4.0 到能源5.0：智能能源系統的概念、內涵及體系框架

從工業4.0 到能源5.0:智能能源系統的概念、內涵及體系框架摘要：

關鍵詞：能源5.0, 人工能源系統, 平行能源系統, 智能能源系統, 社會物理信息系統

1.能源系統的再認識1.1 能源概念能源是一個物理化學的概念, 能源消耗是一種物理化學現象. 根據中國的《能源百科全書》:“能源是可以直接或經轉換提供人類所需的光、熱、動力等任一形式能量的載能體資源". 能源是一種呈多種形式的, 且可以相互轉換的能量源泉, 是自然界中能為人類提供某種形式能量的物質資源.能源轉換的主要科學依據是牛頓定律、電磁定律、熱力學定律等. 其中熱力學第一定律認為在一個熱力學系統內, 能量可轉換, 即可從一種形式轉變成另一種形式, 但不能自行產生, 也不能毀滅. 其基本觀念是\物質不滅" 和\能量守恆", 且物質的轉化存在一定的條件和邊界. 熱力學第二定律的基本觀念是能量只能沿著耗散的方向轉化, 因此熱力學第二定律又稱\熵定律", 能量具有熵增特性. 即儘管能量是守恆的, 儘管物質是不滅的, 但能量的質量將會衰減, 有效、優質、便於利用和低成本的能量會越來越少, 無效、低品位、難以再利用和成本昂貴的能量將會越來越多.

工業發展離不開能源的支撐, 同時能源的發展也離不開工業技術的支持, 同時能源行業也屬於工業的一個門類. 隨著工業技術和信息技術進步, 人們可以充分利用信息控制技術有效控制能源系統, 使能源的開發、變換、使用和管理更加科學化, 即在有意的信息熵的控制下, 使能源熵增速度減緩, 從熵的角度, 實現能源熵和信息熵的平衡, 從而有效利用資源, 控制能源熵增的速率, 保持能源的可持續發展.本論文正是基於能源熵和信息熵平衡的觀念,考慮能源生產消費的全過程中的設備、系統、管控、及社會等因素, 提出在更大範圍更大程度上更加深入的系統整合, 使能源流和信息流充分融合、互動,實現信息、物理(能源) 和社會的深度融合, 即邁入能源5.0 的時代.

1.2 工業發展歷程工業進程從機械化、電氣化、信息化、網絡化到平行化發展歷程(圖1), 可以看出其推動力在於工業技術的不斷進步. 工業1.0, 核心設備蒸汽機出現, 使人類社會從手工業進入初級工業的機械化時代; 工業2.0, 核心設備電機等電力設備設施的出現, 引領工業進入電氣化時代; 工業3.0, 計算機和微電子芯片的出現, 實現了人腦部分功能, 進入了信息化時代; 工業4.0, 核心設備路由器出現, 將眾多計算機互聯, 進入了網絡化時代, 使得信息和物理系統融合加深, 形成了信息物理系統(Cyber-physical system,CPS); 工業5.0, 網絡化應用的加深, 特別是互聯網+, 進一步加深信息和物理系統的融合、並使工業與人類社會充分融合, 形成了更為複雜的系統, 即社會物理信息系統(Cyber-physical-social system,CPSS), 該系統的核心設備是虛擬人工系統, 運行模式將引領工業進入平行化時代.

1.3 能源發展歷程能源1.0 是自然能源階段, 主要是自然光和薪柴等自然能源的使用, 無需工業技術的支撐, 屬於原始能源階段; 在工業1.0 技術推動下, 能源行業進入了2.0 時代, 蒸汽機將化石能源轉化為熱能和機械能, 機械能和熱能的應用是能源2.0 的主要標誌; 工業2.0 的電力需求以及技術驅動, 能源進入了3.0 時代, 主要是發電機實現電力系統及廣泛的電機驅動系統, 能源進入了電氣化時代. 隨著工業3.0 的信息化技術在電力系統的推廣, 目前的電力系統本身具有較高的信息化水平, 但較少考慮一次能源和終端能源使用對能源系統的影響. 目前電力系統採用發電跟隨負荷的基本控制模式, 致使電力呈現垂直化管理、運行低效等特徵. 特別是在風光大量接入、分佈式發展、電動車儲能等需求推動和工業4.0 技術提供的互聯網支撐下, 能源進入了能源互聯網時代,即能源4.0.

可以看出正是由於能源本身具有熵增的趨勢,致使方便使用的能源越來越少, 因而必須藉助於不斷髮展的先進工業技術, 充分利用風光等各種能源,

採用多能源互補模式, 才能實現能源的安全供應. 因而藉助於互聯網+, 提出了能源5.0. 充分利用工業5.0 的平行理論和技術, 應用於能源行業, 形成平行

能源.

1.4 能源5.0 提出必要性和緊迫性本文認為: 在能源4.0 還沒有完全實現的情況下, 迫切需要提出能源5.0. 主要原因:能源互聯網將多種能源連接起來, 使多能耦合複雜; 基於能源價格、環保排放、安全等社會信息,人類消費能源的行為和心理更為複雜; 能源轉換和使用設備的信息化、能源耦合系統互動、人類社會信息對能源生產消費的影響等, 使信息控制對能源系統的影響更為深刻.

在社會及社會信息方面, 能源4.0 很少考慮且很難考慮. 目前就電力負荷來說, 僅是給出負荷的統計曲線, 沒有考慮人類活動和習慣與電力負荷和發電的交互影響. 人類活動屬於社會學範疇, 能源負荷中存在大量的社會信息, 需要採用社會學的方式建模分析. 特別是能源的本質就表明能源就是為人類社會服務的, 其生產和使用打上了強烈的人類社會屬性. 因此研究能源4.0 必須計及人類社會信息與能源的關係, 因此需要研究能源5.0.

在信息和物理系統的融合作用方面, 傳統CPS系統還沒有找到可靠可信的理論和方法, 分析信息對物理系統的作用, 無法展開對工業系統的CPS 深度融合的機理和控制方法研究. 如果能源4.0 沿用工業4.0 的理論和技術, 同樣會陷入困境.特別指出的是, 由於能源本身的社會屬性, 與人類社會的活動及社會信息的密切耦合關係, 且能源互聯網進一步將各種能源集成、各種通信方式綜合、信息和能源聯繫更為密切, 使人類選擇和使用能源的心理、經濟、決策等更為複雜多樣. 如果僅採用4.0 的概念而不考慮複雜人類行為和社會信息對能源系統的影響, 則能源系統的運行會陷入更大的困境. 因此迫切需要採用能源5.0 的相關理論和技術。

2 能源5.0 的理論基礎2.1 能源的屬性1) 能源的物質屬性(P)

能源的物質屬性表現為, 能源來源主要有: 煤炭、石油、天然氣等化石能源; 水力、風力、太陽能、生物質能等可再生能源; 以及核電等. 能源的使用形式主要有: 冷、熱、光、機械動力和電力等. 能源轉換、使用設備和系統主要有: 鍋爐、蒸汽機、汽輪機、發電機、電動機及各種用電設備等形成的複雜設備和系統. 近年來發展的分佈式能源、儲能、冷熱電聯產及電動車等更增加了能源生產和使用設備的多樣性複雜性. 能源系統必然受到能源內在規律的支配,如電力系統中的功率瞬時平衡, 使得能源的物質屬性表現出強的關聯性和因果律.

2) 能源的社會屬性(S)

能源的社會屬性主要表現在三個方面:

a) 人類參與能源生產的社會特性

在能源生產過程中, 從能源系統的規劃、設計、安裝、運行控制、維修管理等各個環節, 均有人類參與. 人類的知識水平、技能及主觀意識和心情都會影響到能源系統, 使能源系統表現出社會特性. 如在火力發電的鍋爐控制中, 同樣鍋爐運行狀態, 不同操作人員及操作人員在不同時段, 統計結果表明會引起鍋爐效率至少0.5% 以上的變化, 特別是當鍋爐運行在非額定狀態下, 操作人員對鍋爐效率影響更大.

b) 負荷特性的社會屬性

當採用電力需求側管理時, 人類會基於電價, 調整用電需要, 使負荷隨人類活動、習慣及心理發生變化; 隨著電動車逐步增加, 電力負荷特性會隨著人類出行需求、思維判斷、電價、交通狀況等呈現出時空移動可變負荷; 隨著能源系統中儲熱儲電設備和容量的增加, 人民可以更方便選擇儲能備用、用能、及與電網的交互, 達到低成本用能和可靠用能, 顯然人們的智力和判斷在此過程中起著重要作用. 因此負荷特性表現出強烈的社會性.

c) 汙染安全節能等社會政策法規信息

能源系統規劃由資源、環境、經濟和人口等制約, 隨著能源熵逐步增大, 多能源的優化控制更迫切. 隨著國家大力發展可再生能源的政策, 風光等可再生能源比重顯著增加, 對電力系統的穩定運行提出了嚴峻挑戰, 迫切需要火電機組變工況運行. 因此對火力機組在變工況運行下保持高效率低排放提出了更大挑戰. 如何讓火電系統在接受並實現來自於政府、社會或者同行業先進機組的有關比對信息, 如風光接入比例、排放要求、系統及機組的對標節能等社會信息, 實現火力發電系統的柔性控制, 會成為火電機組運行的新常態. 因此火電等能源系統的運行表現為社會屬性.

3) 能源的信息屬性(C)

從能源熵定義看, 在能源不斷開發、能源具有熵增的趨勢, 表現出能源質量的不斷下降的信息. 因此迫切需要規劃和設計信息系統, 利用信息系統重構能源過程, 使得能源熵增減緩. 從這個意義上說, 信息也是能源, 連有些政治家也稱: 信息也是石油. 採用信息技術, 可以使能源更有效地使用, 等價於能量的增加, 即能源本身具有信息屬性.

從能源生產過程中看, 能源系統受到傳感、計算、控制、監控、能量管理及調度等信息的作用, 使能源流與信息流強烈耦合, 反映出信息流對能源設備運行及能源流具有支配作用, 使能源具有信息屬性.

能源系統的社會屬性也使得眾多社會信息及人類的思維判斷等深刻影響能源的生產消費各個環節,使能源具有社會信息屬性.

2.2 人工系統的提出在工業和能源3.0 時代, 如目前的電力設計中,使得電力流設計和信息流設計分離、沒有實現信息物理系統的深度融合、沒有實現電力CPS 系統, 因

此提出了電力CPS 的概念和框架. 能源4.0 要實現CPS, 需要研究信息和物理系統的融合, 特別是信息對物理系統的作用, 但目前還沒有提供具體

的理論和技術.能源物質屬性中,著重研究能源轉換、能源互補、梯級利用、清潔替代和電力替代中的能源流過程. 傳統電力主要是基於電力流進行電力能源的規劃設計, 而能源信息屬性中, 著重研究信息控制、能源管理調度等對能源物質屬性的影響和流程再造,這是傳統電力能源設計所沒有考慮或很少考慮的信息流對電力流的影響; 能源的社會屬性, 使能源的生產消費具有更大的機動性和柔性, 能充分接納波動的風光等新能源、充分適應負荷需求的變化、滿足節能和排放要求等. 而人類活動和社會相關信息具有社會性、不確定性, 需要從社會學、管理學、經濟學和人類行為學等領域研究社會信息對能源系統的影響, 從而指導能源系統的設計、運行、維護.

上述能源的物質、信息和社會屬性的融合交互關係是傳統電力仿真系統還沒有開展、也無法完成的工作, 迫切需要能源革命性的理論和方法, 實現這一涉及能源、信息和社會的複雜耦合系統的管理和控制. 因此提出採用平行系統的思想, 建立人工能源系統.

為了說明建立人工系統的必要性, 首先需要討論傳統仿真技術的主要不足:

人類社會性影響(如價格激勵機制、人類消費習慣及決策等) 屬於社會學、經濟學、人類行為學的範疇, 需要從社會學、經濟學、行為學角度建立負荷模型, 傳統電網的負荷建模策略很難建立該模型. 另外電力系統是非線性系統, 目前的電力仿真主要圍繞某個工作點展開, 仿真不能充分反映電力系統運行狀況、致使系統運行保守, 特別是隨著能源互聯網發展、多能耦合、需求側管理等使電力能源系統呈現更嚴重非線性, 電力運行狀態多變, 傳統的仿真技術很難可信實現.

此外, 信息與物理和社會系統深度融合, 在運行的不同層次和不同時段上, 融合的過程都是實時變化的, 必須根據即時狀態、環境信息, 形成新結構新模型, 做出智能決策, 是\隨機應變" 的設計, 與概率方法不同, 這是無法事先預定的, 而傳統仿真的基本方法是確定論或概率方法、需要事先設置、是“程式化" 的設計.

因此社會物理信息系統中存在信息的不確定性、人類的社會複雜特性, 使系統更復雜, 傳統的牛頓定律需要過渡到默頓定律, 由控制到引導, 必須採用人工系統進行研究.

在計算機或網絡空間中實現虛擬人工能源系統,採用語義、數據驅動等建模方式, 實現人工系統的驅動. 虛擬人工能源系統必須和實際能源系統相互作用, 相互反饋, 平行執行. 虛擬人工能源系統可以反映實體能源系統的運行、同時更能根據虛擬空間的優化結果, 引導實體能源系統的優化運行. 由於該虛擬人工系統屬於Cyber 空間, 同樣也列入信息空間(C), 即在信息空間實現虛擬人工能源系統. 正如美國國家儀器公司提出\軟件即儀器" 的理念, 將虛擬儀器引入測試領域引起儀器革命一樣, 將虛擬人工能源系統引入複雜能源系統控制, 必將引起能源系統的革命.

2.3 知識自動化隨著工業處理對象的複雜性和企業管理要求的提高, 工業自動化系統經歷了手動控制、單迴路、多回路、DCS、MES 及ERP 等過程, 主要解放了人類的體力, 實現了人類對工業系統的掌控. 在虛擬人工系統中, 存在大量物理數據、社會信息, 具有較大的不確定性、冗餘性、不一致性, 僅依靠人類的智力很難對海量大數據進行有效分析, 因此需要建立知識自動化系統, 採用數據驅動、多智能體等人工智能技術, 解放人類的智力, 實現對虛擬人工系統的掌控.

1) CPSS 基礎

能源5.0 時代會出現大量的數據, 進入大數據時代. 物理系統的傳感、監控數據; 信息控制作用下,物理系統會產生更多相關數據; 虛擬人工系統數據的社會計算數據及人工系統的建模、推理和控制; 泛在的社會大數據及社會政策等信息的建模和人類行為的數據等. 傳統建模很難, 同時也無\真" 可仿,傳統的仿真和控制不再適應, 需要採用知識自動化的理論、方法和技術. 讓數據說話, 成為構築平行系統中虛擬人工系統關鍵.

CPSS 的關注點和關鍵內容:

科學問題: 傳統計算和物理模型相互獨立,CPSS 要求統一的建模理論, 實現計算、物理和社會的動態交互、時空一致、處理不確定性, 使CPSS交互演化, 形成虛擬和實際系統的平行運行.

技術問題: 基於上述科學問題, 研究新的規劃、設計、分析和實驗工具, 體現交互和演化行為, 可採用社會計算、平行執行策略.

工程問題: 系統架構、設計、集成、可操作性等.注意合理安排物理系統的時間管理、物理系統和虛擬系統的併發性等.

2) ACP 提出

由上述分析可知, 傳統的仿真模型和仿真系統建立方式已經不適應虛擬人工世界的構建. 需要採用基於大數據解析的複雜系統分析方法, 包括: 基於人工系統的建模方法、計算實驗與系統分析和評估、平行執行與系統控制管理的實現.

ACP 的含義:

ACP 的核心就是把複雜的CPSS 中虛的部分,分解成可定量、可計算、可執行的過程.

人工系統(A): 數據來自於實體物理世界, 採用數據驅動和語義建模, 採用默頓定律, 構建信息和行為之間的反饋; 數據來自於虛擬世界, 通過數據挖掘, 發現海量信息的\民意", 讓數據來說話.

計算實驗(C): 對於電力電價和人類社會負荷,少量可用統計定量分析, 多數難以抽象為數值模型,必須用\社會計算" 方法. 通過集成深度計算、群體廣度計算、歷史經驗計算等社會計算, 可以獲得虛擬人工系統的各種模態的結果. 社會計算必須基於人工社會, 採用人工智能建模, 而不是傳統的利用計算機對社會建模.

如火力發電: 人力操作—單元單迴路操作—單元多回路—多機組聯合控制|總線化網絡化—DCS—ERP. 計算控制模式不斷擴大, 計算控制複雜性增加, 其各環節模型、甚至ERP 系統的管理模型也是基於業務流和人的確定操作模式, 進行建模,因此仍屬於傳統的建模方式, 不屬於社會計算.

能源5.0 中, 人、社會、發電系統、設備、負荷、信息系統、經濟、環境、安全等系統複雜程度大增.由於能源流與信息流的深度融合、工作狀態多變、存在嚴重非線性, 且需要建立經濟學、管理學、人類行為學對能源系統影響的模型, 因此傳統的建模計算方式已經不適應, 必須藉助於社會計算實現從定性到定量的分析, 評估人、社會、信息及能源系統的之間相互深度融合的模型.

平行執行(P): 虛擬人工能源系統和實體能源系統組成一對平行能源系統, 虛實互動構成新型反饋控制機制; 物理過程與人工計算過程的平行交互; 通過虛實互動進行求解.

ACP 流程: 針對火力發電的實際系統流程, 構造人工流程, 使來自物理、社會及信息社會的知識經驗形式化、計算化、可視化, 以在線嵌入和實時反饋的方式實現描述解析、預測解析和誘導解析的功能.目標就是促使實際流程趨向人工流程(即主動控制技術,不是傳統仿真意義上的讓人工系統逼近實際流程, 而是通過社會計算、比較、發現更優化的運行狀態, 引導實際系統逼近人工系統), 從而藉助人工流程減少火力發電系統相關目標的不確定性, 化多樣為歸一, 使複雜變簡單, 以此實現火力發電的智慧靈巧管理.

ACP 步驟: 利用人工系統(A) 對複雜問題(物理、社會、信息) 建模; 利用計算實驗(C) 對複雜現象進行分析和評估; 將人工系統和實際系統並舉, 通

過虛實互動, 以平行執行(P), 引導和管理物理過程.

3) 平行系統的控制

ACP 給出了複雜能源系統的人工伴生系統, 實際與人工系統基於ACP 組合互動之後, 將整合虛實子系統的資源和能力, 形成一個新的、整體功能和性能更加優越的集成系統(CPSS),進而對實際系統進行有效的管理與控制.

為實現ACP 的可操作性, 如圖3 所示, 需要虛擬人工系統通過觀察和評估, 不斷基於數據構造人工模型、反覆計算實驗, 從而實現平行執行的策略.在這一過程中, 人工系統可被視為傳統數學或解析建模之擴展, 是廣義的知識模型, 是落實各種各樣的靈捷性(Agility) 的基礎. 人工系統可採用多智能體技術等智能技術構建多層次的智能模型, 使系統能夠根據環境條件及自身狀態, 自主優化模型. 計算實驗是仿真模擬的昇華, 是分析、預測和選擇複雜決策的途徑, 也是確保複雜情況下能夠正確聚焦(Focus)的手段. 平行執行是自適應控制和許多管理思想與方法的進一步推廣, 是一種通過虛實互動而構成的新型反饋控制機制,由此可以指導行動、鎖定目標,保證過程的收斂(Convergence). 因此人工系統、計算實驗、平行執行是靈捷、聚焦、收斂的基礎, 靈捷、聚焦、收斂是實現ACP 理念的有效控制手段. 因此採用ACP 實現AFC, 可以在各種複雜情況下優化系統、提出目標、並進而有效的具體控制實現目標.

3 平行能源體系及平臺3.1 能源5.0 形成能源5.0 就是在能源4.0 (CPS) 的基礎上, 進一步納入社會信息、虛擬空間的人工系統信息, 從而形成CPSS 系統.

C 包括: 1) 物理世界中的信息系統, 如物理能源系統的監測、計算、控制、調度等信息; 能源社會系統的人類社會活動、消費習慣、操作、社會節能排放安全等社會信息. 2) 虛擬人工世界: 虛擬空間的人工系統、計算實驗及平行執行中形成的數據和信息.

P 包括: 物理能源系統和社會用能系統.

S 包括: 人類社會系統, 包括人類社會的實體活動, 受人類習慣、思維、經濟學、管理學和社會學等支配. 也包括虛擬人工系統中採用多智能體等技術形成的人工社會內容.

平行能源系統: 虛擬人工系統能反映並引導物理能源系統優化運行, 同時人工系統基於數據驅動,引導虛擬人工系統運行. 因而實現虛擬人工世界和實際能源世界平行運行. 人工系統(虛擬空間) 是實際系統(物理空間) 的伴生系統. 它集成了外部物理世界的大數據資源和虛擬人工世界的內部信息系統的數據和模型, 實時跟蹤記錄信息, 按需描述系統的狀態.

正如工業4.0 是CPS 一樣, 能源5.0 是從工業發展序列提出的, 實質是CPSS. 由於CPSS 系統含有大量人類社會信息以及前述傳統仿真無法求解的因素, 為求解CPSS, 提出了虛擬人工系統的概念, 進而採用平行系統的技術方法. 因此可以認為CPSS、能源5.0、平行能源三個概念在應用中可以等價通用.

由此可以看出, 本文的CPSS 系統與目前的能源互聯網是根本不同的概念. 能源互聯網強調了多能互補、電力核心紐帶、梯級利用及”互聯網+" 的概念, 沒有闡述引入社會信息、人類的行為學等對能源系統的深刻影響. 特別是針對能源互聯網及在\互聯網+" 引入能源系統趨勢下, 能源系統將更為複雜, 能源互聯網沒有提出構建虛擬人工系統的概念. 本文提出構建虛擬人工系統、採用社會計算和平行執行這一新的理論和方法解決傳統仿真技術無法解決的問題.

3.2 能源5.0 的管理為實現虛實結合的平行控制, 能源5.0 平行管理如圖5.

圖5 左側為目前傳統的能源生產消費的工業自動化領域, 包括底層過程控制系統(DCS)、生產執行系統(MES) 及企業資源規劃管理系統(ERP).右側為本文提出的虛擬人工系統, 對應的知識自動化領域. 採用構建人工系統、計算實驗和平行執行(ACP), 實現對工業自動化系統的建模、計算和控制; 基於ACP 的虛擬人工系統和工業自動化系統形成社會物理信息系統(CPSS); 採用ACP 反覆觀察評估後, 通過虛實平行互動, 形成靈敏、聚焦、收斂(AFC) 的分析、決策和執行過程, 最終利用虛擬系統對實際系統實施閉環有效的控制與管理.

虛擬人工系統從工業自動化領域通過大反饋獲得能源系統的物理、現場運行及社會信息等大數據,通過數據驅動和語義建模, 進入知識自動化領域. 知識自動化基於ACP、CPSS 及AFC 等建模、計算和控制過程, 形成優化的控制決策、通過大閉環引導實際能源系統優化運行.

知識自動化領域完全在虛擬的計算機或網絡空間, 可以根據工業自動化領域的大數據,充分分析數據、進行各種計算實驗、從而獲得優化的決策. 如在接受各類社會信息、物理能源信息、排放節能信息後, 虛擬人工系統可充分進行各種計算實驗進行比對, 在比對過程中不會干擾物理能源系統的可靠運行, 通過比對可以獲得優化物理能源管理生產的優化控制策略, 從而指導工業自動化的運行.

3.3 架構和平臺系統架構分為六層:

對象層: 對應物理能源系統, 包括從能源生產到消費的各個環節, 包含人及社會對能源系統的影響.

數據採集與信息形成層: 分成兩個部分, 一是目前已有的工業自動化系統及信息系統, 主要包括DCS 系統、MES 系統及企業級ERP 系統. 二是在互聯網和多種通訊模式下, 人與社會對能源的互動,將更加便捷和密切. 會經Internet 等收集大量信息,並作用於物理能源系統, 稱為感知和執行; 感知和執行層產生的信息包含大量的人與社會因素, 需通過大數據分析、雲計算和社會計算, 形成有效的信息.

存儲層:將數據採集和信息形成層形成的數據分門別類存入生產數據、辦公數據庫等數據庫中.

注1. 目前的工業自動化系統已有相關數據庫，此處單列存儲層, 是為了便於從功能上描述架構層級.

特徵抽取及知識合成層: 採用自然語言處理、機器學習、計算智能方法等人工智能技術, 實現特徵抽取和知識合成.

解析層: 基於特徵抽取及知識合成層獲得的知識和特徵, 建立虛擬人工系統各環節模型和系統模型, 實現虛擬人工系統的構建, 完成對實際系統的解析.

平行控制層: 基於虛擬人工系統模型, 採用計算實驗, 獲得優化控制策略, 採用平行執行模式, 實現對虛擬人工系統和實際系統的同步反饋. 平行執行對實際能源系統, 可以通過工業自動化系統和感知及執行環節, 修改系統運行優化設定值, 引導人與社會的活動; 可以採用軟件定義機器模式, 使現場傳感器根據所需, 實現不同功能. 平行執行可以調整虛擬人工系統的模型、參數、運行方式, 使虛擬人工系統與實際系統一致, 為下一步引導實際系統做準備.

注2. 對象層、數據採集與信息形成層和存儲層, 既是傳統工業自動化的組成, 同時也是虛擬人工系統的組成. 此部分形成的數據、信息可以共享.

4 能源5.0 的案例4.1 分佈式能源系統的智能監控和平行管理中國華電集團建有國家能源局批准的國內唯一分佈式能源技術研發中心, 針對公司的分佈式能源發展戰略, 結合某分佈式能源站項目, 集團公司提出採用能源5.0 理念, 從規劃設計、運行控制到示範建設, 分階段、分步驟實施分佈式能源5.0. 該分佈式能源項目是國家能源局和美國能源部合作的中美能源示範項目, 能源站主要由燃氣輪機、汽輪機、餘熱鍋爐、工業熱負荷和空調冷(熱) 負荷等組成. 華電集團將自主研發的智能決策優化技術成功應用於該項目, 有效體現了能源5.0 的理念和運行過程.

分佈式能源智能決策技術包括數字智能優化平臺和智能決策優化系統(圖7). 前者主要應用於設計優化階段, 後者主要應用於運行優化階段. 數字智能優化平臺將動態的工藝系統數學模型與負荷預測模型無縫集成, 能夠模擬負荷變化對分佈式能源機組運行的影響, 並進行自動尋優計算, 給出最合適的設備型號、最優機組組合方式和最佳的運行模式, 為設計高水平的分佈式能源站提供了技術保障. 智能決策優化系統以負荷動態優化分配為核心, 以實現經濟效益、能源綜合利用效率、安全性和環保性的綜合指標最優為目標, 有機融合了負荷預測、在線辨識、數學建模、智能尋優、安全通訊、最優控制等先進技術, 形成了分佈式能源系統運行優化的智能化解決方案, 以提高分佈式能源站經濟高效安全可靠運營水平.

1) 智能設計優化平臺(Intelligent design opti-mization tool, iDOT) 的開發。

智能設計優化平臺採用多層級、模塊化的數學建模方法和麵向對象的編程方法, 運用Mat-lab/Simulink, 開發了集建模、模擬、優化、控制系統設計於一體的智能數字仿真優化軟件研發平臺.該平臺包括分佈式能源系統設備的數學模型以及系統仿真模型, 涵蓋負荷分析模塊、機組性能模塊、價

格成本模塊及智能尋優模塊, 可利用系統集成的優化方法和系統運行的最優控制策略進行動態仿真與優化(圖8).

該平臺具備通用的系統數據庫, 部件模型可裝配, 系統功能可擴展, 能夠對擬建的分佈式能源工程進行系統設備參數匹配和控制方案優化設計, 有助

於提高能源綜合利用效率和能源站經濟效益.

2) 智能運行決策優化系統(Intelligent decisionoptimization system, iDOS) 的開發。

智能運行決策優化系統是基於CPSS 和工業互聯網架構, 從系統層面分析入手, 以優化、決策、控制和管理的數據\集成與融合" 為技術主導, 採用理論分析、數值模擬和實驗研究相結合的研究方法,提出分佈式能源系統決策控制與能源管理一體化運營的最佳解決方案, 確保系統按照最優方式運行(圖9).

3) 分佈式能源站iDOS 的工程示範

分佈式能源站iDOS 系統已在華電集團某分佈式能源站上線運行, 其系統設計結構如圖10 所示.該系統主要由一套實時可組態決策優化軟件及相應硬件設備組成, 分為能效站、優化站、控制機櫃三個部分.

能效站負責對機組運行數據的採集、分析、計算和管理, 主要包括採集機組的負荷信息、能耗信息以及過程數據等, 對廠區的逐時負荷及逐日負荷做出預測, 對各機組設備的能耗及性能進行計算和管理發佈, 並將相關設備性能計算的結果共享給優化站.

優化站基於能效站給出的預測負荷及機組的實時性能計算結果, 以全廠經濟效益最大為目標, 以機組能效為約束條件, 通過在線計算, 得到機組的最佳運行方式, 給出相應的運行決策優化指令. 決策優化指令通過iDOS 控制機櫃下達至DCS/DEH 控制系統, 完成機組的運行優化控制.

4.2 火力發電的智能監控和平行管理規劃在能源革命、能源轉型、風光等可再生新能源的大規模發展、核能、電動車等移動負荷出現、儲能(電和熱)、電力改革以及電力能源安全形勢等趨勢下, 大能源電力系統已經成為典型的CPSS 系統. 華電集團認為, 智能化火力發電技術須結合電力工業發展的新趨勢、新常態, 著力提高機組安全性、自適應性、自診斷、主動預防維護性和可操作性等, 實現\超低能耗、超低排放、智能調節" 的總目標, 使機組在不同負荷區都具有最佳的工作狀況, 實現柔性發電. 需要深入研究在柔性發電下, 火力發電涉及的煤質分析、存儲、煤倉管理、鍋爐、汽機、發電機、排放、安全等環節. 由於上游涉及煤質來源廣泛、成分複雜多變, 下游電力負荷受社會負荷及排放等需求約束, 中游各個設備, 如鍋爐以煤定爐的設計理念,致使實際運行偏離設計, 因此精確調控、智慧化運行系統及各個環節設備十分必要, 因此建立火力發電5.0 勢在必行.

華電公司的主業是火力發電, 為使主業引導電力5.0 主流, 華電公司已選定信息化程度較好的某電廠進行試點工作, 初步規劃了火力發電5.0 的框架、研究內容、實施辦法.

下面是集團近期在火力發電領域已開展重要和難點設備的相關虛擬人工系統的工作:

1) 鍋爐燃燒虛擬人工系統構建

鍋爐燃燒系統是火力發電的核心、是最複雜的單元. 明確了建立基於虛擬人工模擬的鍋爐燃燒優化及其控制研究, 實現虛擬平行鍋爐. 建立三維溫度場分析模型、煤質分析、火焰與氧氣、排放的關係等。工作流程如圖11.

虛擬人工鍋爐與熱態實驗方式的優勢比較如圖12.

2) 機組協調系統的虛擬人工系統

機組協調控制是火力發電的關鍵環節,規劃建立實現火電機組協調優化的虛擬人工系統. 採用大數據挖掘技術, 分析煤質變化、司爐經驗、負荷變化、排放要求等, 形成虛擬人工模型; 採用知識發現等人工智能技術, 實現虛擬人工的協調控制模型. 如圖13, 虛擬人工系統和DCS 中的協調控制系統之間採用信息交互, 實現數據驅動; 採用平行引導, 實現平行執行. 設置投入/切除環節是為了增加系統的可靠性.

3) 虛擬人工系統的信息架構

在信息管理的虛擬人工系統中, 同樣需要建設與傳統信息系統對應的虛擬人工系統的信息系統,其架構分為四層(如圖14).

智能IT 平臺: 基礎信息平臺, 提供各種運行的歷史數據、實時數據及未來的預測數據.

運行操作知識自動化: 利用手持移動設備、現場信息系統等, 及時反饋現場信息, 在後臺知識庫和遠程專家指導下, 進行現場作業;

運營管理協同化: 業務戰略驅動業務模型、業務模型驅動業務流程、業務流程驅動火力發電系統的運行, 形成流程高度集成、業務高度協同、價值全局最優;

運營決策科學化: 根據歷史、實時及預測數據,採用數據驅動方式, 實現事前科學預測、事中動態改進、事後全面分析.

例如當環保部門根據氣象數據, 提出了具體的環保指標信息要求後, 虛擬的運行決策系統依據該指標, 首先根據運營決策的人工流程, 將指標分解到虛擬運行管理層; 虛擬運行管理層基於其人工流程,進一步分解指標到運行操作層; 運行操作自動化層根據實體能源各環節和機組設備的歷史、實時及預測數據, 通過社會計算方式, 確定將該指標分解到各環節和設備, 從而引導實際系統按優化方式運行.

4.3 智能家居的能源系統設計和運行管理傳統的用電家居主要包括空調、冰箱、照明等電器設備, 這些設備在用戶側, 將用戶所需的冷熱電等耦合起來, 根據人類的生活習慣、電網電價及其它信息進行運行管理, 可以實現節能降耗、電網友好、參與需求側管理等. 如目前Opower 公司擁有四成美國家庭的能源消費數據, 與電氣公司合作, 獲取家庭消費者的能源使用數據, 為電氣公司提供面向消費群體的節能方案, 包括通過移動端推送能源賬單, 群發節能貼士類郵件, 提供管控家用恆溫器的軟件服務等, 可以減少用戶電費支出、實現電網消峰填谷.

隨著家庭分佈式光伏發電、家用儲能及家用電動車的發展, 家庭和商業用電在用電量、電力、用電時刻及運行方式(可作為電網負荷從電網獲取電力電量、也可作為發電電源向電網提供電力電量) 等方面都發生了更大變化[55]. 分佈式光伏的一次能源具有間隙、波動和隨機性, 形成光伏功率的不穩定性; 電動車與人的出行習慣、駕駛習慣及交通狀況密切相關, 具有典型的社會性; 儲能既為電動車提供電能、也可解決光伏發電的不穩定性, 同時給用戶錯時用更便宜的電提供了支撐. 隨著家庭和商業用電佔比的急劇增加, 需要研究其電力需求響應特性及需求側管理. 目前有多家公司, 如美國EnerNoc、新西蘭Powershop、德國GreenPacket 和ParceOne 等公司投資該領域, 特別是美國特斯拉公司開發出了家用壁掛式儲能(電) 產品, 與SolarCity 光伏設備廠家聯合採用該儲能產品, 解決了家用光伏功率不穩定, 並可做移動電源使用. 該公司的目標就是實現光伏+ 用戶儲能+ 電動車+ 能源控制軟件, 實現“顛覆汽車", 還要”顛覆電網" 的目標.

為了實現家居能源系統的有效管理, 需要獲得分佈式光伏發電的預測、用能習慣、出行交通狀況、參與需求側的響應特性等. 家居用能大多具有顯著的個性化、社會性特徵, 是複雜系統. 需要採用虛擬人工系統進行家居能源系統的設計、運行和管理, 才能有效管理家居能源系統.

1) 能源系統設計

根據當地天氣狀況、建築特點、負荷狀況、電價信息, 確定光伏和儲能. 基於天氣變化、光伏板運行老化、電池技術進步和運行狀況、負荷特徵及參與需求側響應等, 建立各環節的智能體模型, 形成虛擬人工的多智能體系統, 分析系統的經濟性, 實現系統的最佳設計. 該系統需要適應天氣變化、負荷變化及人類個性化和社會性影響, 屬於開放系統. 可以基於虛擬人工系統, 採用信息熵引導能源熵實現優化設計.

2) 能源系統的運行控制

採集實際系統的各種運行信息, 採用數據驅動,形成光伏預測智能體、光伏控制智能體、電池控制和管理智能體、負荷智能體、電動車智能體、配電網智能體及系統運行控制智能體等, 組成家居能源系統的運行控制多智能體系統. 基於歷史、實時和預測信息, 與虛擬人工的設計系統互動, 在虛擬人工設計的搜索空間中, 通過社會計算, 獲得最佳運行控制策略, 進而採用平行執行, 引導家居能源系統運行, 實現家庭能源管理, 如對家庭用電器的深度控制; 基於生活習慣的大數據分析, 提供能效分析和建議、個性化電價、節能方案等.

5 結論與展望本文結合工業和能源進程, 分析在能源熵逐漸增加和能源\互聯網+" 時代, 傳統的仿真技術已不再適用, 指出了發展能源5.0 的必要性和迫切性, 提出了能源5.0 的理論、框架和技術, 並說明能源5.0、社會物理信息系統(CPSS) 及平行能源三者在應用中的一致性. 最後將能源5.0 理論和技術應用於具體案例中, 驗證能源5.0 的理論架構和技術正確性.

當前我國正處在能源革命的關鍵時期, 能源互聯網是以電力系統為核心和紐帶, 具有\橫向多能互補, 縱向源網荷儲協調" 以及能源流和信息流雙向流動強耦合的複雜互聯繫統, 從而可以實現整個能源網絡的\清潔替代、電力替代". 能源互聯網是實現充分接納波動的可再生能源、電動車規模化以及與人類密切關聯的需求側響應的基礎架構和可靠依託, 是第三次工業革命的核心內容. 需要將管理學、社會學、心理學融入用戶行為模型, 將人類社會泛在的節能、安全、排放、經濟等信息, 以及人類的思維、習慣、行為等因素納入能源互聯網系統中. 因此能源互聯網就形成典型的社會物理信息系統, 即能源5.0.

通過能源5.0, 可以實現: 對物理能源世界、虛擬人工世界以及兩者平行執行過程, 進行動態監控,從而掌控能源流、信息流、人工系統過程; \以網絡為中心" 代替\以設備為中心" 的管理和控制模式;信息流的信息規律、能源流的物理規律、人工系統的知識規律相互深度融合, 從而引導能源系統符合社會需求、排放要求、具有個性化的優化運行.在能源互聯網中, 電力系統是核心和紐帶. 為實現電力系統的柔性運行, 火力發電作為電力系統的主力機組, 其柔性運行和控制具有核心地位, 因此火力發電需要5.0 化, 即基於互聯網模式, 參與電網的運行控制, 使電網從垂直化走向水平化、從集中式走向分佈式, 充分實現能源互聯網, 實現能源5.0。

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