摘要：分析推動(dòng)工業(yè)進(jìn)程和能源進(jìn)程交互發(fā)展的因素和趨勢(shì), 結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求, 提出了建立能源5.0 的迫切性和必要性. 著重討論了在網(wǎng)絡(luò)化之后, 能源系統(tǒng)呈現(xiàn)的社會(huì)性問題, 認(rèn)為在傳統(tǒng)方式之外, 必須引入人類社會(huì)學(xué)、管理學(xué)等軟科學(xué)進(jìn)行分析建模; 指出了虛擬人工系統(tǒng)根本不同于傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)等理念, 只有利用虛擬人工模型, 采用平行系統(tǒng), 才能建立能源5.0. 闡述了能源5.0 的理論、框架和技術(shù), 明確了能源5.0、基于社會(huì)物理信息系統(tǒng)(Cyber-physical-social system, CPSS)的平行能源是等價(jià)的概念. 指出能源5.0 核心是構(gòu)建與實(shí)際能源系統(tǒng)同構(gòu)的虛擬人工能源系統(tǒng), 通過虛擬人工能源系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn), 確定優(yōu)化控制策略, 引導(dǎo)實(shí)際能源系統(tǒng)運(yùn)行, 并使虛擬人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)平行執(zhí)行、共同演化, 形成智能能源系統(tǒng).最后以華電集團(tuán)已經(jīng)完成的分布式能源5.0 示范項(xiàng)目和正在實(shí)施的火力發(fā)電5.0 項(xiàng)目及智能家居能源系統(tǒng), 探討了能源5.0 的研究?jī)?nèi)容、技術(shù)途徑及應(yīng)用前景.

關(guān)鍵詞：能源5.0, 人工能源系統(tǒng), 平行能源系統(tǒng), 智能能源系統(tǒng), 社會(huì)物理信息系統(tǒng)

1.能源系統(tǒng)的再認(rèn)識(shí)

1.1 能源概念

能源是一個(gè)物理化學(xué)的概念, 能源消耗是一種物理化學(xué)現(xiàn)象. 根據(jù)中國的《能源百科全書》:“能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)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(zhuǎn)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(zhì)資源.能源轉(zhuǎn)換的主要科學(xué)依據(jù)是牛頓定律、電磁定律、熱力學(xué)定律等. 其中熱力學(xué)第一定律認(rèn)為在一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi), 能量可轉(zhuǎn)換, 即可從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式, 但不能自行產(chǎn)生, 也不能毀滅. 其基本觀念是\物質(zhì)不滅" 和\能量守恒", 且物質(zhì)的轉(zhuǎn)化存在一定的條件和邊界. 熱力學(xué)第二定律的基本觀念是能量只能沿著耗散的方向轉(zhuǎn)化, 因此熱力學(xué)第二定律又稱\熵定律", 能量具有熵增特性. 即盡管能量是守恒的, 盡管物質(zhì)是不滅的, 但能量的質(zhì)量將會(huì)衰減, 有效、優(yōu)質(zhì)、便于利用和低成本的能量會(huì)越來越少, 無效、低品位、難以再利用和成本昂貴的能量將會(huì)越來越多.

工業(yè)發(fā)展離不開能源的支撐, 同時(shí)能源的發(fā)展也離不開工業(yè)技術(shù)的支持, 同時(shí)能源行業(yè)也屬于工業(yè)的一個(gè)門類. 隨著工業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)進(jìn)步, 人們可以充分利用信息控制技術(shù)有效控制能源系統(tǒng), 使能源的開發(fā)、變換、使用和管理更加科學(xué)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(shí)現(xiàn)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(xù)發(fā)展.本論文正是基于能源熵和信息熵平衡的觀念,考慮能源生產(chǎn)消費(fèi)的全過程中的設(shè)備、系統(tǒng)、管控、及社會(huì)等因素, 提出在更大范圍更大程度上更加深入的系統(tǒng)整合, 使能源流和信息流充分融合、互動(dòng),實(shí)現(xiàn)信息、物理(能源) 和社會(huì)的深度融合, 即邁入能源5.0 的時(shí)代.

1.2 工業(yè)發(fā)展歷程

工業(yè)進(jìn)程從機(jī)械化、電氣化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化到平行化發(fā)展歷程(圖1), 可以看出其推動(dòng)力在于工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步. 工業(yè)1.0, 核心設(shè)備蒸汽機(jī)出現(xiàn), 使人類社會(huì)從手工業(yè)進(jìn)入初級(jí)工業(yè)的機(jī)械化時(shí)代; 工業(yè)2.0, 核心設(shè)備電機(jī)等電力設(shè)備設(shè)施的出現(xiàn), 引領(lǐng)工業(yè)進(jìn)入電氣化時(shí)代; 工業(yè)3.0, 計(jì)算機(jī)和微電子芯片的出現(xiàn), 實(shí)現(xiàn)了人腦部分功能, 進(jìn)入了信息化時(shí)代; 工業(yè)4.0, 核心設(shè)備路由器出現(xiàn), 將眾多計(jì)算機(jī)互聯(lián), 進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代, 使得信息和物理系統(tǒng)融合加深, 形成了信息物理系統(tǒng)(Cyber-physical system,CPS); 工業(yè)5.0, 網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的加深, 特別是互聯(lián)網(wǎng)+, 進(jìn)一步加深信息和物理系統(tǒng)的融合、并使工業(yè)與人類社會(huì)充分融合, 形成了更為復(fù)雜的系統(tǒng), 即社會(huì)物理信息系統(tǒng)(Cyber-physical-social system,CPSS), 該系統(tǒng)的核心設(shè)備是虛擬人工系統(tǒng), 運(yùn)行模式將引領(lǐng)工業(yè)進(jìn)入平行化時(shí)代.

1.3 能源發(fā)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(yè)技術(shù)的支撐, 屬于原始能源階段; 在工業(yè)1.0 技術(shù)推動(dòng)下, 能源行業(yè)進(jìn)入了2.0 時(shí)代, 蒸汽機(jī)將化石能源轉(zhuǎn)化為熱能和機(jī)械能, 機(jī)械能和熱能的應(yīng)用是能源2.0 的主要標(biāo)志; 工業(yè)2.0 的電力需求以及技術(shù)驅(qū)動(dòng), 能源進(jìn)入了3.0 時(shí)代, 主要是發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)及廣泛的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 能源進(jìn)入了電氣化時(shí)代. 隨著工業(yè)3.0 的信息化技術(shù)在電力系統(tǒng)的推廣, 目前的電力系統(tǒng)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(duì)能源系統(tǒng)的影響. 目前電力系統(tǒng)采用發(fā)電跟隨負(fù)荷的基本控制模式, 致使電力呈現(xiàn)垂直化管理、運(yùn)行低效等特征. 特別是在風(fēng)光大量接入、分布式發(fā)展、電動(dòng)車儲(chǔ)能等需求推動(dòng)和工業(yè)4.0 技術(shù)提供的互聯(lián)網(wǎng)支撐下, 能源進(jìn)入了能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,即能源4.0。

可以看出正是由于能源本身具有熵增的趨勢(shì),致使方便使用的能源越來越少, 因而必須借助于不斷發(fā)展的先進(jìn)工業(yè)技術(shù), 充分利用風(fēng)光等各種能源,采用多能源互補(bǔ)模式, 才能實(shí)現(xiàn)能源的安全供應(yīng). 因而借助于互聯(lián)網(wǎng)+, 提出了能源5.0. 充分利用工業(yè)5.0 的平行理論和技術(shù), 應(yīng)用于能源行業(yè), 形成平行能源。

1.4 能源5.0 提出必要性和緊迫性

本文認(rèn)為: 在能源4.0 還沒有完全實(shí)現(xiàn)的情況下, 迫切需要提出能源5.0. 主要原因:能源互聯(lián)網(wǎng)將多種能源連接起來, 使多能耦合復(fù)雜; 基于能源價(jià)格、環(huán)保排放、安全等社會(huì)信息,人類消費(fèi)能源的行為和心理更為復(fù)雜; 能源轉(zhuǎn)換和使用設(shè)備的信息化、能源耦合系統(tǒng)互動(dòng)、人類社會(huì)信息對(duì)能源生產(chǎn)消費(fèi)的影響等, 使信息控制對(duì)能源系統(tǒng)的影響更為深刻.

在社會(huì)及社會(huì)信息方面, 能源4.0 很少考慮且很難考慮. 目前就電力負(fù)荷來說, 僅是給出負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)曲線, 沒有考慮人類活動(dòng)和習(xí)慣與電力負(fù)荷和發(fā)電的交互影響. 人類活動(dòng)屬于社會(huì)學(xué)范疇, 能源負(fù)荷中存在大量的社會(huì)信息, 需要采用社會(huì)學(xué)的方式建模分析. 特別是能源的本質(zhì)就表明能源就是為人類社會(huì)服務(wù)的, 其生產(chǎn)和使用打上了強(qiáng)烈的人類社會(huì)屬性. 因此研究能源4.0 必須計(jì)及人類社會(huì)信息與能源的關(guān)系, 因此需要研究能源5.0.

在信息和物理系統(tǒng)的融合作用方面, 傳統(tǒng)CPS系統(tǒng)還沒有找到可靠可信的理論和方法, 分析信息對(duì)物理系統(tǒng)的作用, 無法展開對(duì)工業(yè)系統(tǒng)的CPS 深度融合的機(jī)理和控制方法研究. 如果能源4.0 沿用工業(yè)4.0 的理論和技術(shù), 同樣會(huì)陷入困境.特別指出的是, 由于能源本身的社會(huì)屬性, 與人類社會(huì)的活動(dòng)及社會(huì)信息的密切耦合關(guān)系, 且能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步將各種能源集成、各種通信方式綜合、信息和能源聯(lián)系更為密切, 使人類選擇和使用能源的心理、經(jīng)濟(jì)、決策等更為復(fù)雜多樣. 如果僅采用4.0 的概念而不考慮復(fù)雜人類行為和社會(huì)信息對(duì)能源系統(tǒng)的影響, 則能源系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)陷入更大的困境. 因此迫切需要采用能源5.0 的相關(guān)理論和技術(shù)。

2 能源5.0 的理論基礎(chǔ)

2.1 能源的屬性

1) 能源的物質(zhì)屬性(P)

能源的物質(zhì)屬性表現(xiàn)為, 能源來源主要有: 煤炭、石油、天然氣等化石能源; 水力、風(fēng)力、太陽能、生物質(zhì)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(jī)械動(dòng)力和電力等. 能源轉(zhuǎn)換、使用設(shè)備和系統(tǒng)主要有: 鍋爐、蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及各種用電設(shè)備等形成的復(fù)雜設(shè)備和系統(tǒng). 近年來發(fā)展的分布式能源、儲(chǔ)能、冷熱電聯(lián)產(chǎn)及電動(dòng)車等更增加了能源生產(chǎn)和使用設(shè)備的多樣性復(fù)雜性. 能源系統(tǒng)必然受到能源內(nèi)在規(guī)律的支配,如電力系統(tǒng)中的功率瞬時(shí)平衡, 使得能源的物質(zhì)屬性表現(xiàn)出強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和因果律.

2) 能源的社會(huì)屬性(S)

能源的社會(huì)屬性主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:

a) 人類參與能源生產(chǎn)的社會(huì)特性

在能源生產(chǎn)過程中, 從能源系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行控制、維修管理等各個(gè)環(huán)節(jié), 均有人類參與. 人類的知識(shí)水平、技能及主觀意識(shí)和心情都會(huì)影響到能源系統(tǒng), 使能源系統(tǒng)表現(xiàn)出社會(huì)特性. 如在火力發(fā)電的鍋爐控制中, 同樣鍋爐運(yùn)行狀態(tài), 不同操作人員及操作人員在不同時(shí)段, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明會(huì)引起鍋爐效率至少0.5% 以上的變化, 特別是當(dāng)鍋爐運(yùn)行在非額定狀態(tài)下, 操作人員對(duì)鍋爐效率影響更大.

b) 負(fù)荷特性的社會(huì)屬性

當(dāng)采用電力需求側(cè)管理時(shí), 人類會(huì)基于電價(jià), 調(diào)整用電需要, 使負(fù)荷隨人類活動(dòng)、習(xí)慣及心理發(fā)生變化; 隨著電動(dòng)車逐步增加, 電力負(fù)荷特性會(huì)隨著人類出行需求、思維判斷、電價(jià)、交通狀況等呈現(xiàn)出時(shí)空移動(dòng)可變負(fù)荷; 隨著能源系統(tǒng)中儲(chǔ)熱儲(chǔ)電設(shè)備和容量的增加, 人民可以更方便選擇儲(chǔ)能備用、用能、及與電網(wǎng)的交互, 達(dá)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(fù)荷特性表現(xiàn)出強(qiáng)烈的社會(huì)性.

c) 污染安全節(jié)能等社會(huì)政策法規(guī)信息

能源系統(tǒng)規(guī)劃由資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和人口等制約, 隨著能源熵逐步增大, 多能源的優(yōu)化控制更迫切. 隨著國家大力發(fā)展可再生能源的政策, 風(fēng)光等可再生能源比重顯著增加, 對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn), 迫切需要火電機(jī)組變工況運(yùn)行. 因此對(duì)火力機(jī)組在變工況運(yùn)行下保持高效率低排放提出了更大挑戰(zhàn). 如何讓火電系統(tǒng)在接受并實(shí)現(xiàn)來自于政府、社會(huì)或者同行業(yè)先進(jìn)機(jī)組的有關(guān)比對(duì)信息, 如風(fēng)光接入比例、排放要求、系統(tǒng)及機(jī)組的對(duì)標(biāo)節(jié)能等社會(huì)信息, 實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電系統(tǒng)的柔性控制, 會(huì)成為火電機(jī)組運(yùn)行的新常態(tài). 因此火電等能源系統(tǒng)的運(yùn)行表現(xiàn)為社會(huì)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(fā)、能源具有熵增的趨勢(shì), 表現(xiàn)出能源質(zhì)量的不斷下降的信息. 因此迫切需要規(guī)劃和設(shè)計(jì)信息系統(tǒng), 利用信息系統(tǒng)重構(gòu)能源過程, 使得能源熵增減緩. 從這個(gè)意義上說, 信息也是能源, 連有些政治家也稱: 信息也是石油. 采用信息技術(shù), 可以使能源更有效地使用, 等價(jià)于能量的增加, 即能源本身具有信息屬性.柴油發(fā)電機(jī)組

從能源生產(chǎn)過程中看, 能源系統(tǒng)受到傳感、計(jì)算、控制、監(jiān)控、能量管理及調(diào)度等信息的作用, 使能源流與信息流強(qiáng)烈耦合, 反映出信息流對(duì)能源設(shè)備運(yùn)行及能源流具有支配作用, 使能源具有信息屬性.

能源系統(tǒng)的社會(huì)屬性也使得眾多社會(huì)信息及人類的思維判斷等深刻影響能源的生產(chǎn)消費(fèi)各個(gè)環(huán)節(jié),使能源具有社會(huì)信息屬性.

2.2 人工系統(tǒng)的提出

在工業(yè)和能源3.0 時(shí)代, 如目前的電力設(shè)計(jì)中,使得電力流設(shè)計(jì)和信息流設(shè)計(jì)分離、沒有實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)的深度融合、沒有實(shí)現(xiàn)電力CPS 系統(tǒng), 因

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

的理論和技術(shù).能源物質(zhì)屬性中,著重研究能源轉(zhuǎn)換、能源互補(bǔ)、梯級(jí)利用、清潔替代和電力替代中的能源流過程. 傳統(tǒng)電力主要是基于電力流進(jìn)行電力能源的規(guī)劃設(shè)計(jì), 而能源信息屬性中, 著重研究信息控制、能源管理調(diào)度等對(duì)能源物質(zhì)屬性的影響和流程再造,這是傳統(tǒng)電力能源設(shè)計(jì)所沒有考慮或很少考慮的信息流對(duì)電力流的影響; 能源的社會(huì)屬性, 使能源的生產(chǎn)消費(fèi)具有更大的機(jī)動(dòng)性和柔性, 能充分接納波動(dòng)的風(fēng)光等新能源、充分適應(yīng)負(fù)荷需求的變化、滿足節(jié)能和排放要求等. 而人類活動(dòng)和社會(huì)相關(guān)信息具有社會(huì)性、不確定性, 需要從社會(huì)學(xué)、管理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和人類行為學(xué)等領(lǐng)域研究社會(huì)信息對(duì)能源系統(tǒng)的影響, 從而指導(dǎo)能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù).

上述能源的物質(zhì)、信息和社會(huì)屬性的融合交互關(guān)系是傳統(tǒng)電力仿真系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)這一涉及能源、信息和社會(huì)的復(fù)雜耦合系統(tǒng)的管理和控制. 因此提出采用平行系統(tǒng)的思想, 建立人工能源系統(tǒng).

為了說明建立人工系統(tǒng)的必要性, 首先需要討論傳統(tǒng)仿真技術(shù)的主要不足:

人類社會(huì)性影響(如價(jià)格激勵(lì)機(jī)制、人類消費(fèi)習(xí)慣及決策等) 屬于社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、人類行為學(xué)的范疇, 需要從社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、行為學(xué)角度建立負(fù)荷模型, 傳統(tǒng)電網(wǎng)的負(fù)荷建模策略很難建立該模型. 另外電力系統(tǒng)是非線性系統(tǒng), 目前的電力仿真主要圍繞某個(gè)工作點(diǎn)展開, 仿真不能充分反映電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況、致使系統(tǒng)運(yùn)行保守, 特別是隨著能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、多能耦合、需求側(cè)管理等使電力能源系統(tǒng)呈現(xiàn)更嚴(yán)重非線性, 電力運(yùn)行狀態(tài)多變, 傳統(tǒng)的仿真技術(shù)很難可信實(shí)現(xiàn).

此外, 信息與物理和社會(huì)系統(tǒng)深度融合, 在運(yùn)行的不同層次和不同時(shí)段上, 融合的過程都是實(shí)時(shí)變化的, 必須根據(jù)即時(shí)狀態(tài)、環(huán)境信息, 形成新結(jié)構(gòu)新模型, 做出智能決策, 是\隨機(jī)應(yīng)變" 的設(shè)計(jì), 與概率方法不同, 這是無法事先預(yù)定的, 而傳統(tǒng)仿真的基本方法是確定論或概率方法、需要事先設(shè)置、是“程式化" 的設(shè)計(jì).

因此社會(huì)物理信息系統(tǒng)中存在信息的不確定性、人類的社會(huì)復(fù)雜特性, 使系統(tǒng)更復(fù)雜, 傳統(tǒng)的牛頓定律需要過渡到默頓定律, 由控制到引導(dǎo), 必須采用人工系統(tǒng)進(jìn)行研究.

在計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)空間中實(shí)現(xiàn)虛擬人工能源系統(tǒng),采用語義、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等建模方式, 實(shí)現(xiàn)人工系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng). 虛擬人工能源系統(tǒng)必須和實(shí)際能源系統(tǒng)相互作用, 相互反饋, 平行執(zhí)行. 虛擬人工能源系統(tǒng)可以反映實(shí)體能源系統(tǒng)的運(yùn)行、同時(shí)更能根據(jù)虛擬空間的優(yōu)化結(jié)果, 引導(dǎo)實(shí)體能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行. 由于該虛擬人工系統(tǒng)屬于Cyber 空間, 同樣也列入信息空間(C), 即在信息空間實(shí)現(xiàn)虛擬人工能源系統(tǒng). 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(cè)試領(lǐng)域引起儀器革命一樣, 將虛擬人工能源系統(tǒng)引入復(fù)雜能源系統(tǒng)控制, 必將引起能源系統(tǒng)的革命.

2.3 知識(shí)自動(dòng)化

隨著工業(yè)處理對(duì)象的復(fù)雜性和企業(yè)管理要求的提高, 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)經(jīng)歷了手動(dòng)控制、單回路、多回路、DCS、MES 及ERP 等過程, 主要解放了人類的體力, 實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)工業(yè)系統(tǒng)的掌控. 在虛擬人工系統(tǒng)中, 存在大量物理數(shù)據(jù)、社會(huì)信息, 具有較大的不確定性、冗余性、不一致性, 僅依靠人類的智力很難對(duì)海量大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析, 因此需要建立知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng), 采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、多智能體等人工智能技術(shù), 解放人類的智力, 實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬人工系統(tǒng)的掌控.

1) CPSS 基礎(chǔ)

能源5.0 時(shí)代會(huì)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù), 進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代. 物理系統(tǒng)的傳感、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù); 信息控制作用下,物理系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生更多相關(guān)數(shù)據(jù); 虛擬人工系統(tǒng)數(shù)據(jù)的社會(huì)計(jì)算數(shù)據(jù)及人工系統(tǒng)的建模、推理和控制; 泛在的社會(huì)大數(shù)據(jù)及社會(huì)政策等信息的建模和人類行為的數(shù)據(jù)等. 傳統(tǒng)建模很難, 同時(shí)也無\真" 可仿,傳統(tǒng)的仿真和控制不再適應(yīng), 需要采用知識(shí)自動(dòng)化的理論、方法和技術(shù). 讓數(shù)據(jù)說話, 成為構(gòu)筑平行系統(tǒng)中虛擬人工系統(tǒng)關(guān)鍵.

CPSS 的關(guān)注點(diǎn)和關(guān)鍵內(nèi)容:

科學(xué)問題: 傳統(tǒng)計(jì)算和物理模型相互獨(dú)立,CPSS 要求統(tǒng)一的建模理論, 實(shí)現(xiàn)計(jì)算、物理和社會(huì)的動(dòng)態(tài)交互、時(shí)空一致、處理不確定性, 使CPSS交互演化, 形成虛擬和實(shí)際系統(tǒng)的平行運(yùn)行.

技術(shù)問題: 基于上述科學(xué)問題, 研究新的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析和實(shí)驗(yàn)工具, 體現(xiàn)交互和演化行為, 可采用社會(huì)計(jì)算、平行執(zhí)行策略.

工程問題: 系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計(jì)、集成、可操作性等.注意合理安排物理系統(tǒng)的時(shí)間管理、物理系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)的并發(fā)性等.

2) ACP 提出

由上述分析可知, 傳統(tǒng)的仿真模型和仿真系統(tǒng)建立方式已經(jīng)不適應(yīng)虛擬人工世界的構(gòu)建. 需要采用基于大數(shù)據(jù)解析的復(fù)雜系統(tǒng)分析方法, 包括: 基于人工系統(tǒng)的建模方法、計(jì)算實(shí)驗(yàn)與系統(tǒng)分析和評(píng)估、平行執(zhí)行與系統(tǒng)控制管理的實(shí)現(xiàn).

ACP 的含義:

ACP 的核心就是把復(fù)雜的CPSS 中虛的部分,分解成可定量、可計(jì)算、可執(zhí)行的過程.

人工系統(tǒng)(A): 數(shù)據(jù)來自于實(shí)體物理世界, 采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和語義建模, 采用默頓定律, 構(gòu)建信息和行為之間的反饋; 數(shù)據(jù)來自于虛擬世界, 通過數(shù)據(jù)挖掘, 發(fā)現(xiàn)海量信息的\民意", 讓數(shù)據(jù)來說話.

計(jì)算實(shí)驗(yàn)(C): 對(duì)于電力電價(jià)和人類社會(huì)負(fù)荷,少量可用統(tǒng)計(jì)定量分析, 多數(shù)難以抽象為數(shù)值模型,必須用\社會(huì)計(jì)算" 方法. 通過集成深度計(jì)算、群體廣度計(jì)算、歷史經(jīng)驗(yàn)計(jì)算等社會(huì)計(jì)算, 可以獲得虛擬人工系統(tǒng)的各種模態(tài)的結(jié)果. 社會(huì)計(jì)算必須基于人工社會(huì), 采用人工智能建模, 而不是傳統(tǒng)的利用計(jì)算機(jī)對(duì)社會(huì)建模.

如火力發(fā)電: 人力操作—單元單回路操作—單元多回路—多機(jī)組聯(lián)合控制|總線化網(wǎng)絡(luò)化—DCS—ERP. 計(jì)算控制模式不斷擴(kuò)大, 計(jì)算控制復(fù)雜性增加, 其各環(huán)節(jié)模型、甚至ERP 系統(tǒng)的管理模型也是基于業(yè)務(wù)流和人的確定操作模式, 進(jìn)行建模,因此仍屬于傳統(tǒng)的建模方式, 不屬于社會(huì)計(jì)算.

能源5.0 中, 人、社會(huì)、發(fā)電系統(tǒng)、設(shè)備、負(fù)荷、信息系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、安全等系統(tǒng)復(fù)雜程度大增.由于能源流與信息流的深度融合、工作狀態(tài)多變、存在嚴(yán)重非線性, 且需要建立經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、人類行為學(xué)對(duì)能源系統(tǒng)影響的模型, 因此傳統(tǒng)的建模計(jì)算方式已經(jīng)不適應(yīng), 必須借助于社會(huì)計(jì)算實(shí)現(xiàn)從定性到定量的分析, 評(píng)估人、社會(huì)、信息及能源系統(tǒng)的之間相互深度融合的模型.

平行執(zhí)行(P): 虛擬人工能源系統(tǒng)和實(shí)體能源系統(tǒng)組成一對(duì)平行能源系統(tǒng), 虛實(shí)互動(dòng)構(gòu)成新型反饋控制機(jī)制; 物理過程與人工計(jì)算過程的平行交互; 通過虛實(shí)互動(dòng)進(jìn)行求解.

ACP 流程: 針對(duì)火力發(fā)電的實(shí)際系統(tǒng)流程, 構(gòu)造人工流程, 使來自物理、社會(huì)及信息社會(huì)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)形式化、計(jì)算化、可視化, 以在線嵌入和實(shí)時(shí)反饋的方式實(shí)現(xiàn)描述解析、預(yù)測(cè)解析和誘導(dǎo)解析的功能.目標(biāo)就是促使實(shí)際流程趨向人工流程(即主動(dòng)控制技術(shù),不是傳統(tǒng)仿真意義上的讓人工系統(tǒng)逼近實(shí)際流程, 而是通過社會(huì)計(jì)算、比較、發(fā)現(xiàn)更優(yōu)化的運(yùn)行狀態(tài), 引導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)逼近人工系統(tǒng)), 從而借助人工流程減少火力發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)目標(biāo)的不確定性, 化多樣為歸一, 使復(fù)雜變簡(jiǎn)單, 以此實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電的智慧靈巧管理.

ACP 步驟: 利用人工系統(tǒng)(A) 對(duì)復(fù)雜問題(物理、社會(huì)、信息) 建模; 利用計(jì)算實(shí)驗(yàn)(C) 對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行分析和評(píng)估; 將人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)并舉, 通

過虛實(shí)互動(dòng), 以平行執(zhí)行(P), 引導(dǎo)和管理物理過程.

3) 平行系統(tǒng)的控制

ACP 給出了復(fù)雜能源系統(tǒng)的人工伴生系統(tǒng), 實(shí)際與人工系統(tǒng)基于ACP 組合互動(dòng)之后, 將整合虛實(shí)子系統(tǒng)的資源和能力, 形成一個(gè)新的、整體功能和性能更加優(yōu)越的集成系統(tǒng)(CPSS),進(jìn)而對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理與控制.

為實(shí)現(xiàn)ACP 的可操作性, 如圖3 所示, 需要虛擬人工系統(tǒng)通過觀察和評(píng)估, 不斷基于數(shù)據(jù)構(gòu)造人工模型、反復(fù)計(jì)算實(shí)驗(yàn), 從而實(shí)現(xiàn)平行執(zhí)行的策略.在這一過程中, 人工系統(tǒng)可被視為傳統(tǒng)數(shù)學(xué)或解析建模之?dāng)U展, 是廣義的知識(shí)模型, 是落實(shí)各種各樣的靈捷性(Agility) 的基礎(chǔ). 人工系統(tǒng)可采用多智能體技術(shù)等智能技術(shù)構(gòu)建多層次的智能模型, 使系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境條件及自身狀態(tài), 自主優(yōu)化模型. 計(jì)算實(shí)驗(yàn)是仿真模擬的升華, 是分析、預(yù)測(cè)和選擇復(fù)雜決策的途徑, 也是確保復(fù)雜情況下能夠正確聚焦(Focus)的手段. 平行執(zhí)行是自適應(yīng)控制和許多管理思想與方法的進(jìn)一步推廣, 是一種通過虛實(shí)互動(dòng)而構(gòu)成的新型反饋控制機(jī)制,由此可以指導(dǎo)行動(dòng)、鎖定目標(biāo),保證過程的收斂(Convergence). 因此人工系統(tǒng)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)、平行執(zhí)行是靈捷、聚焦、收斂的基礎(chǔ), 靈捷、聚焦、收斂是實(shí)現(xiàn)ACP 理念的有效控制手段. 因此采用ACP 實(shí)現(xiàn)AFC, 可以在各種復(fù)雜情況下優(yōu)化系統(tǒng)、提出目標(biāo)、并進(jìn)而有效的具體控制實(shí)現(xiàn)目標(biāo).

3 平行能源體系及平臺(tái)

3.1 能源5.0 形成

能源5.0 就是在能源4.0 (CPS) 的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步納入社會(huì)信息、虛擬空間的人工系統(tǒng)信息, 從而形成CPSS 系統(tǒng).

C 包括: 1) 物理世界中的信息系統(tǒng), 如物理能源系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、計(jì)算、控制、調(diào)度等信息; 能源社會(huì)系統(tǒng)的人類社會(huì)活動(dòng)、消費(fèi)習(xí)慣、操作、社會(huì)節(jié)能排放安全等社會(huì)信息. 2) 虛擬人工世界: 虛擬空間的人工系統(tǒng)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)及平行執(zhí)行中形成的數(shù)據(jù)和信息.

P 包括: 物理能源系統(tǒng)和社會(huì)用能系統(tǒng).

S 包括: 人類社會(huì)系統(tǒng), 包括人類社會(huì)的實(shí)體活動(dòng), 受人類習(xí)慣、思維、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)和社會(huì)學(xué)等支配. 也包括虛擬人工系統(tǒng)中采用多智能體等技術(shù)形成的人工社會(huì)內(nèi)容.

平行能源系統(tǒng): 虛擬人工系統(tǒng)能反映并引導(dǎo)物理能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行, 同時(shí)人工系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),引導(dǎo)虛擬人工系統(tǒng)運(yùn)行. 因而實(shí)現(xiàn)虛擬人工世界和實(shí)際能源世界平行運(yùn)行. 人工系統(tǒng)(虛擬空間) 是實(shí)際系統(tǒng)(物理空間) 的伴生系統(tǒng). 它集成了外部物理世界的大數(shù)據(jù)資源和虛擬人工世界的內(nèi)部信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和模型, 實(shí)時(shí)跟蹤記錄信息, 按需描述系統(tǒng)的狀態(tài).

正如工業(yè)4.0 是CPS 一樣, 能源5.0 是從工業(yè)發(fā)展序列提出的, 實(shí)質(zhì)是CPSS. 由于CPSS 系統(tǒng)含有大量人類社會(huì)信息以及前述傳統(tǒng)仿真無法求解的因素, 為求解CPSS, 提出了虛擬人工系統(tǒng)的概念, 進(jìn)而采用平行系統(tǒng)的技術(shù)方法. 因此可以認(rèn)為CPSS、能源5.0、平行能源三個(gè)概念在應(yīng)用中可以等價(jià)通用.

由此可以看出, 本文的CPSS 系統(tǒng)與目前的能源互聯(lián)網(wǎng)是根本不同的概念. 能源互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)了多能互補(bǔ)、電力核心紐帶、梯級(jí)利用及”互聯(lián)網(wǎng)+" 的概念, 沒有闡述引入社會(huì)信息、人類的行為學(xué)等對(duì)能源系統(tǒng)的深刻影響. 特別是針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)及在\互聯(lián)網(wǎng)+" 引入能源系統(tǒng)趨勢(shì)下, 能源系統(tǒng)將更為復(fù)雜, 能源互聯(lián)網(wǎng)沒有提出構(gòu)建虛擬人工系統(tǒng)的概念. 本文提出構(gòu)建虛擬人工系統(tǒng)、采用社會(huì)計(jì)算和平行執(zhí)行這一新的理論和方法解決傳統(tǒng)仿真技術(shù)無法解決的問題.

3.2 能源5.0 的管理

為實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的平行控制, 能源5.0 平行管理如圖5.

圖5 左側(cè)為目前傳統(tǒng)的能源生產(chǎn)消費(fèi)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域, 包括底層過程控制系統(tǒng)(DCS)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES) 及企業(yè)資源規(guī)劃管理系統(tǒng)(ERP).右側(cè)為本文提出的虛擬人工系統(tǒng), 對(duì)應(yīng)的知識(shí)自動(dòng)化領(lǐng)域. 采用構(gòu)建人工系統(tǒng)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行(ACP), 實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的建模、計(jì)算和控制; 基于ACP 的虛擬人工系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)形成社會(huì)物理信息系統(tǒng)(CPSS); 采用ACP 反復(fù)觀察評(píng)估后, 通過虛實(shí)平行互動(dòng), 形成靈敏、聚焦、收斂(AFC) 的分析、決策和執(zhí)行過程, 最終利用虛擬系統(tǒng)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)實(shí)施閉環(huán)有效的控制與管理.

虛擬人工系統(tǒng)從工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域通過大反饋獲得能源系統(tǒng)的物理、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及社會(huì)信息等大數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和語義建模, 進(jìn)入知識(shí)自動(dòng)化領(lǐng)域. 知識(shí)自動(dòng)化基于ACP、CPSS 及AFC 等建模、計(jì)算和控制過程, 形成優(yōu)化的控制決策、通過大閉環(huán)引導(dǎo)實(shí)際能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行.

知識(shí)自動(dòng)化領(lǐng)域完全在虛擬的計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)空間, 可以根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的大數(shù)據(jù),充分分析數(shù)據(jù)、進(jìn)行各種計(jì)算實(shí)驗(yàn)、從而獲得優(yōu)化的決策. 如在接受各類社會(huì)信息、物理能源信息、排放節(jié)能信息后, 虛擬人工系統(tǒng)可充分進(jìn)行各種計(jì)算實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比對(duì), 在比對(duì)過程中不會(huì)干擾物理能源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行, 通過比對(duì)可以獲得優(yōu)化物理能源管理生產(chǎn)的優(yōu)化控制策略, 從而指導(dǎo)工業(yè)自動(dòng)化的運(yùn)行.

3.3 架構(gòu)和平臺(tái)

系統(tǒng)架構(gòu)分為六層:

對(duì)象層: 對(duì)應(yīng)物理能源系統(tǒng), 包括從能源生產(chǎn)到消費(fèi)的各個(gè)環(huán)節(jié), 包含人及社會(huì)對(duì)能源系統(tǒng)的影響.

數(shù)據(jù)采集與信息形成層: 分成兩個(gè)部分, 一是目前已有的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)及信息系統(tǒng), 主要包括DCS 系統(tǒng)、MES 系統(tǒng)及企業(yè)級(jí)ERP 系統(tǒng). 二是在互聯(lián)網(wǎng)和多種通訊模式下, 人與社會(huì)對(duì)能源的互動(dòng),將更加便捷和密切. 會(huì)經(jīng)Internet 等收集大量信息,并作用于物理能源系統(tǒng), 稱為感知和執(zhí)行; 感知和執(zhí)行層產(chǎn)生的信息包含大量的人與社會(huì)因素, 需通過大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算和社會(huì)計(jì)算, 形成有效的信息.

存儲(chǔ)層:將數(shù)據(jù)采集和信息形成層形成的數(shù)據(jù)分門別類存入生產(chǎn)數(shù)據(jù)、辦公數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫中.

注1. 目前的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)已有相關(guān)數(shù)據(jù)庫，此處單列存儲(chǔ)層, 是為了便于從功能上描述架構(gòu)層級(jí).

特征抽取及知識(shí)合成層: 采用自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算智能方法等人工智能技術(shù), 實(shí)現(xiàn)特征抽取和知識(shí)合成.

解析層: 基于特征抽取及知識(shí)合成層獲得的知識(shí)和特征, 建立虛擬人工系統(tǒng)各環(huán)節(jié)模型和系統(tǒng)模型, 實(shí)現(xiàn)虛擬人工系統(tǒng)的構(gòu)建, 完成對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的解析.

平行控制層: 基于虛擬人工系統(tǒng)模型, 采用計(jì)算實(shí)驗(yàn), 獲得優(yōu)化控制策略, 采用平行執(zhí)行模式, 實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)的同步反饋. 平行執(zhí)行對(duì)實(shí)際能源系統(tǒng), 可以通過工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和感知及執(zhí)行環(huán)節(jié), 修改系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化設(shè)定值, 引導(dǎo)人與社會(huì)的活動(dòng); 可以采用軟件定義機(jī)器模式, 使現(xiàn)場(chǎng)傳感器根據(jù)所需, 實(shí)現(xiàn)不同功能. 平行執(zhí)行可以調(diào)整虛擬人工系統(tǒng)的模型、參數(shù)、運(yùn)行方式, 使虛擬人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)一致, 為下一步引導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)做準(zhǔn)備.

注2. 對(duì)象層、數(shù)據(jù)采集與信息形成層和存儲(chǔ)層, 既是傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化的組成, 同時(shí)也是虛擬人工系統(tǒng)的組成. 此部分形成的數(shù)據(jù)、信息可以共享.

4 能源5.0 的案例

4.1 分布式能源系統(tǒng)的智能監(jiān)控和平行管理

中國華電集團(tuán)建有國家能源局批準(zhǔn)的國內(nèi)唯一分布式能源技術(shù)研發(fā)中心, 針對(duì)公司的分布式能源發(fā)展戰(zhàn)略, 結(jié)合某分布式能源站項(xiàng)目, 集團(tuán)公司提出采用能源5.0 理念, 從規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制到示范建設(shè), 分階段、分步驟實(shí)施分布式能源5.0. 該分布式能源項(xiàng)目是國家能源局和美國能源部合作的中美能源示范項(xiàng)目, 能源站主要由燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、余熱鍋爐、工業(yè)熱負(fù)荷和空調(diào)冷(熱) 負(fù)荷等組成. 華電集團(tuán)將自主研發(fā)的智能決策優(yōu)化技術(shù)成功應(yīng)用于該項(xiàng)目, 有效體現(xiàn)了能源5.0 的理念和運(yùn)行過程.

分布式能源智能決策技術(shù)包括數(shù)字智能優(yōu)化平臺(tái)和智能決策優(yōu)化系統(tǒng)(圖7). 前者主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)優(yōu)化階段, 后者主要應(yīng)用于運(yùn)行優(yōu)化階段. 數(shù)字智能優(yōu)化平臺(tái)將動(dòng)態(tài)的工藝系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與負(fù)荷預(yù)測(cè)模型無縫集成, 能夠模擬負(fù)荷變化對(duì)分布式能源機(jī)組運(yùn)行的影響, 并進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)計(jì)算, 給出最合適的設(shè)備型號(hào)、最優(yōu)機(jī)組組合方式和最佳的運(yùn)行模式, 為設(shè)計(jì)高水平的分布式能源站提供了技術(shù)保障. 智能決策優(yōu)化系統(tǒng)以負(fù)荷動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配為核心, 以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、能源綜合利用效率、安全性和環(huán)保性的綜合指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo), 有機(jī)融合了負(fù)荷預(yù)測(cè)、在線辨識(shí)、數(shù)學(xué)建模、智能尋優(yōu)、安全通訊、最優(yōu)控制等先進(jìn)技術(shù), 形成了分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的智能化解決方案, 以提高分布式能源站經(jīng)濟(jì)高效安全可靠運(yùn)營水平.

1) 智能設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)(Intelligent design opti-mization tool, iDOT) 的開發(fā)。

智能設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)采用多層級(jí)、模塊化的數(shù)學(xué)建模方法和面向?qū)ο蟮木幊谭椒? 運(yùn)用Mat-lab/Simulink, 開發(fā)了集建模、模擬、優(yōu)化、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)于一體的智能數(shù)字仿真優(yōu)化軟件研發(fā)平臺(tái).該平臺(tái)包括分布式能源系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型以及系統(tǒng)仿真模型, 涵蓋負(fù)荷分析模塊、機(jī)組性能模塊、價(jià)

格成本模塊及智能尋優(yōu)模塊, 可利用系統(tǒng)集成的優(yōu)化方法和系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)控制策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真與優(yōu)化(圖8).

該平臺(tái)具備通用的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫, 部件模型可裝配, 系統(tǒng)功能可擴(kuò)展, 能夠?qū)M建的分布式能源工程進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)匹配和控制方案優(yōu)化設(shè)計(jì), 有助

于提高能源綜合利用效率和能源站經(jīng)濟(jì)效益.

2) 智能運(yùn)行決策優(yōu)化系統(tǒng)(Intelligent decisionoptimization system, iDOS) 的開發(fā)。

智能運(yùn)行決策優(yōu)化系統(tǒng)是基于CPSS 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu), 從系統(tǒng)層面分析入手, 以優(yōu)化、決策、控制和管理的數(shù)據(jù)\集成與融合" 為技術(shù)主導(dǎo), 采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的研究方法,提出分布式能源系統(tǒng)決策控制與能源管理一體化運(yùn)營的最佳解決方案, 確保系統(tǒng)按照最優(yōu)方式運(yùn)行(圖9).

3) 分布式能源站iDOS 的工程示范

分布式能源站iDOS 系統(tǒng)已在華電集團(tuán)某分布式能源站上線運(yùn)行, 其系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖10 所示.該系統(tǒng)主要由一套實(shí)時(shí)可組態(tài)決策優(yōu)化軟件及相應(yīng)硬件設(shè)備組成, 分為能效站、優(yōu)化站、控制機(jī)柜三個(gè)部分.

能效站負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、分析、計(jì)算和管理, 主要包括采集機(jī)組的負(fù)荷信息、能耗信息以及過程數(shù)據(jù)等, 對(duì)廠區(qū)的逐時(shí)負(fù)荷及逐日負(fù)荷做出預(yù)測(cè), 對(duì)各機(jī)組設(shè)備的能耗及性能進(jìn)行計(jì)算和管理發(fā)布, 并將相關(guān)設(shè)備性能計(jì)算的結(jié)果共享給優(yōu)化站.

優(yōu)化站基于能效站給出的預(yù)測(cè)負(fù)荷及機(jī)組的實(shí)時(shí)性能計(jì)算結(jié)果, 以全廠經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo), 以機(jī)組能效為約束條件, 通過在線計(jì)算, 得到機(jī)組的最佳運(yùn)行方式, 給出相應(yīng)的運(yùn)行決策優(yōu)化指令. 決策優(yōu)化指令通過iDOS 控制機(jī)柜下達(dá)至DCS/DEH 控制系統(tǒng), 完成機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化控制.

4.2 火力發(fā)電的智能監(jiān)控和平行管理規(guī)劃

在能源革命、能源轉(zhuǎn)型、風(fēng)光等可再生新能源的大規(guī)模發(fā)展、核能、電動(dòng)車等移動(dòng)負(fù)荷出現(xiàn)、儲(chǔ)能(電和熱)、電力改革以及電力能源安全形勢(shì)等趨勢(shì)下, 大能源電力系統(tǒng)已經(jīng)成為典型的CPSS 系統(tǒng). 華電集團(tuán)認(rèn)為, 智能化火力發(fā)電技術(shù)須結(jié)合電力工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)、新常態(tài), 著力提高機(jī)組安全性、自適應(yīng)性、自診斷、主動(dòng)預(yù)防維護(hù)性和可操作性等, 實(shí)現(xiàn)\超低能耗、超低排放、智能調(diào)節(jié)" 的總目標(biāo), 使機(jī)組在不同負(fù)荷區(qū)都具有最佳的工作狀況, 實(shí)現(xiàn)柔性發(fā)電. 需要深入研究在柔性發(fā)電下, 火力發(fā)電涉及的煤質(zhì)分析、存儲(chǔ)、煤倉管理、鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)、排放、安全等環(huán)節(jié). 由于上游涉及煤質(zhì)來源廣泛、成分復(fù)雜多變, 下游電力負(fù)荷受社會(huì)負(fù)荷及排放等需求約束, 中游各個(gè)設(shè)備, 如鍋爐以煤定爐的設(shè)計(jì)理念,致使實(shí)際運(yùn)行偏離設(shè)計(jì), 因此精確調(diào)控、智慧化運(yùn)行系統(tǒng)及各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)備十分必要, 因此建立火力發(fā)電5.0 勢(shì)在必行.

華電公司的主業(yè)是火力發(fā)電, 為使主業(yè)引導(dǎo)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(jìn)行試點(diǎn)工作, 初步規(guī)劃了火力發(fā)電5.0 的框架、研究?jī)?nèi)容、實(shí)施辦法.

下面是集團(tuán)近期在火力發(fā)電領(lǐng)域已開展重要和難點(diǎn)設(shè)備的相關(guān)虛擬人工系統(tǒng)的工作:

1) 鍋爐燃燒虛擬人工系統(tǒng)構(gòu)建

鍋爐燃燒系統(tǒng)是火力發(fā)電的核心、是最復(fù)雜的單元. 明確了建立基于虛擬人工模擬的鍋爐燃燒優(yōu)化及其控制研究, 實(shí)現(xiàn)虛擬平行鍋爐. 建立三維溫度場(chǎng)分析模型、煤質(zhì)分析、火焰與氧氣、排放的關(guān)系等。工作流程如圖11.

虛擬人工鍋爐與熱態(tài)實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)勢(shì)比較如圖12.

2) 機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)的虛擬人工系統(tǒng)

機(jī)組協(xié)調(diào)控制是火力發(fā)電的關(guān)鍵環(huán)節(jié),規(guī)劃建立實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組協(xié)調(diào)優(yōu)化的虛擬人工系統(tǒng). 采用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù), 分析煤質(zhì)變化、司爐經(jīng)驗(yàn)、負(fù)荷變化、排放要求等, 形成虛擬人工模型; 采用知識(shí)發(fā)現(xiàn)等人工智能技術(shù), 實(shí)現(xiàn)虛擬人工的協(xié)調(diào)控制模型. 如圖13, 虛擬人工系統(tǒng)和DCS 中的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)之間采用信息交互, 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng); 采用平行引導(dǎo), 實(shí)現(xiàn)平行執(zhí)行. 設(shè)置投入/切除環(huán)節(jié)是為了增加系統(tǒng)的可靠性.

3) 虛擬人工系統(tǒng)的信息架構(gòu)

在信息管理的虛擬人工系統(tǒng)中, 同樣需要建設(shè)與傳統(tǒng)信息系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的虛擬人工系統(tǒng)的信息系統(tǒng),其架構(gòu)分為四層(如圖14).

智能IT 平臺(tái): 基礎(chǔ)信息平臺(tái), 提供各種運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及未來的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù).

運(yùn)行操作知識(shí)自動(dòng)化: 利用手持移動(dòng)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)信息系統(tǒng)等, 及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)信息, 在后臺(tái)知識(shí)庫和遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)下, 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè);

運(yùn)營管理協(xié)同化: 業(yè)務(wù)戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)模型、業(yè)務(wù)模型驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)流程驅(qū)動(dòng)火力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行, 形成流程高度集成、業(yè)務(wù)高度協(xié)同、價(jià)值全局最優(yōu);

運(yùn)營決策科學(xué)化: 根據(jù)歷史、實(shí)時(shí)及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式, 實(shí)現(xiàn)事前科學(xué)預(yù)測(cè)、事中動(dòng)態(tài)改進(jìn)、事后全面分析.

例如當(dāng)環(huán)保部門根據(jù)氣象數(shù)據(jù), 提出了具體的環(huán)保指標(biāo)信息要求后, 虛擬的運(yùn)行決策系統(tǒng)依據(jù)該指標(biāo), 首先根據(jù)運(yùn)營決策的人工流程, 將指標(biāo)分解到虛擬運(yùn)行管理層; 虛擬運(yùn)行管理層基于其人工流程,進(jìn)一步分解指標(biāo)到運(yùn)行操作層; 運(yùn)行操作自動(dòng)化層根據(jù)實(shí)體能源各環(huán)節(jié)和機(jī)組設(shè)備的歷史、實(shí)時(shí)及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù), 通過社會(huì)計(jì)算方式, 確定將該指標(biāo)分解到各環(huán)節(jié)和設(shè)備, 從而引導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)按優(yōu)化方式運(yùn)行.

4.3 智能家居的能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理

傳統(tǒng)的用電家居主要包括空調(diào)、冰箱、照明等電器設(shè)備, 這些設(shè)備在用戶側(cè), 將用戶所需的冷熱電等耦合起來, 根據(jù)人類的生活習(xí)慣、電網(wǎng)電價(jià)及其它信息進(jìn)行運(yùn)行管理, 可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、電網(wǎng)友好、參與需求側(cè)管理等. 如目前Opower 公司擁有四成美國家庭的能源消費(fèi)數(shù)據(jù), 與電氣公司合作, 獲取家庭消費(fèi)者的能源使用數(shù)據(jù), 為電氣公司提供面向消費(fèi)群體的節(jié)能方案, 包括通過移動(dòng)端推送能源賬單, 群發(fā)節(jié)能貼士類郵件, 提供管控家用恒溫器的軟件服務(wù)等, 可以減少用戶電費(fèi)支出、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)消峰填谷.

隨著家庭分布式光伏發(fā)電、家用儲(chǔ)能及家用電動(dòng)車的發(fā)展, 家庭和商業(yè)用電在用電量、電力、用電時(shí)刻及運(yùn)行方式(可作為電網(wǎng)負(fù)荷從電網(wǎng)獲取電力電量、也可作為發(fā)電電源向電網(wǎng)提供電力電量) 等方面都發(fā)生了更大變化[55]. 分布式光伏的一次能源具有間隙、波動(dòng)和隨機(jī)性, 形成光伏功率的不穩(wěn)定性; 電動(dòng)車與人的出行習(xí)慣、駕駛習(xí)慣及交通狀況密切相關(guān), 具有典型的社會(huì)性; 儲(chǔ)能既為電動(dòng)車提供電能、也可解決光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性, 同時(shí)給用戶錯(cuò)時(shí)用更便宜的電提供了支撐. 隨著家庭和商業(yè)用電占比的急劇增加, 需要研究其電力需求響應(yīng)特性及需求側(cè)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(lǐng)域, 特別是美國特斯拉公司開發(fā)出了家用壁掛式儲(chǔ)能(電) 產(chǎn)品, 與SolarCity 光伏設(shè)備廠家聯(lián)合采用該儲(chǔ)能產(chǎn)品, 解決了家用光伏功率不穩(wěn)定, 并可做移動(dòng)電源使用. 該公司的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)光伏+ 用戶儲(chǔ)能+ 電動(dòng)車+ 能源控制軟件, 實(shí)現(xiàn)“顛覆汽車", 還要”顛覆電網(wǎng)" 的目標(biāo).

為了實(shí)現(xiàn)家居能源系統(tǒng)的有效管理, 需要獲得分布式光伏發(fā)電的預(yù)測(cè)、用能習(xí)慣、出行交通狀況、參與需求側(cè)的響應(yīng)特性等. 家居用能大多具有顯著的個(gè)性化、社會(huì)性特征, 是復(fù)雜系統(tǒng). 需要采用虛擬人工系統(tǒng)進(jìn)行家居能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理, 才能有效管理家居能源系統(tǒng).

1) 能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r、建筑特點(diǎn)、負(fù)荷狀況、電價(jià)信息, 確定光伏和儲(chǔ)能. 基于天氣變化、光伏板運(yùn)行老化、電池技術(shù)進(jìn)步和運(yùn)行狀況、負(fù)荷特征及參與需求側(cè)響應(yīng)等, 建立各環(huán)節(jié)的智能體模型, 形成虛擬人工的多智能體系統(tǒng), 分析系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì). 該系統(tǒng)需要適應(yīng)天氣變化、負(fù)荷變化及人類個(gè)性化和社會(huì)性影響, 屬于開放系統(tǒng). 可以基于虛擬人工系統(tǒng), 采用信息熵引導(dǎo)能源熵實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì).

2) 能源系統(tǒng)的運(yùn)行控制

采集實(shí)際系統(tǒng)的各種運(yùn)行信息, 采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),形成光伏預(yù)測(cè)智能體、光伏控制智能體、電池控制和管理智能體、負(fù)荷智能體、電動(dòng)車智能體、配電網(wǎng)智能體及系統(tǒng)運(yùn)行控制智能體等, 組成家居能源系統(tǒng)的運(yùn)行控制多智能體系統(tǒng). 基于歷史、實(shí)時(shí)和預(yù)測(cè)信息, 與虛擬人工的設(shè)計(jì)系統(tǒng)互動(dòng), 在虛擬人工設(shè)計(jì)的搜索空間中, 通過社會(huì)計(jì)算, 獲得最佳運(yùn)行控制策略, 進(jìn)而采用平行執(zhí)行, 引導(dǎo)家居能源系統(tǒng)運(yùn)行, 實(shí)現(xiàn)家庭能源管理, 如對(duì)家庭用電器的深度控制; 基于生活習(xí)慣的大數(shù)據(jù)分析, 提供能效分析和建議、個(gè)性化電價(jià)、節(jié)能方案等.

5 結(jié)論與展望

本文結(jié)合工業(yè)和能源進(jìn)程, 分析在能源熵逐漸增加和能源\互聯(lián)網(wǎng)+" 時(shí)代, 傳統(tǒng)的仿真技術(shù)已不再適用, 指出了發(fā)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(shù), 并說明能源5.0、社會(huì)物理信息系統(tǒng)(CPSS) 及平行能源三者在應(yīng)用中的一致性. 最后將能源5.0 理論和技術(shù)應(yīng)用于具體案例中, 驗(yàn)證能源5.0 的理論架構(gòu)和技術(shù)正確性.

當(dāng)前我國正處在能源革命的關(guān)鍵時(shí)期, 能源互聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心和紐帶, 具有\(zhòng)橫向多能互補(bǔ), 縱向源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)" 以及能源流和信息流雙向流動(dòng)強(qiáng)耦合的復(fù)雜互聯(lián)系統(tǒng), 從而可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)的\清潔替代、電力替代". 能源互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)充分接納波動(dòng)的可再生能源、電動(dòng)車規(guī)?；约芭c人類密切關(guān)聯(lián)的需求側(cè)響應(yīng)的基礎(chǔ)架構(gòu)和可靠依托, 是第三次工業(yè)革命的核心內(nèi)容. 需要將管理學(xué)、社會(huì)學(xué)、心理學(xué)融入用戶行為模型, 將人類社會(huì)泛在的節(jié)能、安全、排放、經(jīng)濟(jì)等信息, 以及人類的思維、習(xí)慣、行為等因素納入能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中. 因此能源互聯(lián)網(wǎng)就形成典型的社會(huì)物理信息系統(tǒng), 即能源5.0.

通過能源5.0, 可以實(shí)現(xiàn): 對(duì)物理能源世界、虛擬人工世界以及兩者平行執(zhí)行過程, 進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控,從而掌控能源流、信息流、人工系統(tǒng)過程; \以網(wǎng)絡(luò)為中心" 代替\以設(shè)備為中心" 的管理和控制模式;信息流的信息規(guī)律、能源流的物理規(guī)律、人工系統(tǒng)的知識(shí)規(guī)律相互深度融合, 從而引導(dǎo)能源系統(tǒng)符合社會(huì)需求、排放要求、具有個(gè)性化的優(yōu)化運(yùn)行.在能源互聯(lián)網(wǎng)中, 電力系統(tǒng)是核心和紐帶. 為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的柔性運(yùn)行, 火力發(fā)電作為電力系統(tǒng)的主力機(jī)組, 其柔性運(yùn)行和控制具有核心地位, 因此火力發(fā)電需要5.0 化, 即基于互聯(lián)網(wǎng)模式, 參與電網(wǎng)的運(yùn)行控制, 使電網(wǎng)從垂直化走向水平化、從集中式走向分布式, 充分實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng), 實(shí)現(xiàn)能源5.0。