摘要：分析推動工業(yè)進程和能源進程交互發(fā)展的因素和趨勢, 結合能源互聯網的發(fā)展要求, 提出了建立能源5.0 的迫切性和必要性. 著重討論了在網絡化之后, 能源系統(tǒng)呈現的社會性問題, 認為在傳統(tǒng)方式之外, 必須引入人類社會學、管理學等軟科學進行分析建模; 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, 明確了能源5.0、基于社會物理信息系統(tǒng)(Cyber-physical-social system, CPSS)的平行能源是等價的概念. 指出能源5.0 核心是構建與實際能源系統(tǒng)同構的虛擬人工能源系統(tǒng), 通過虛擬人工能源系統(tǒng)的計算實驗, 確定優(yōu)化控制策略, 引導實際能源系統(tǒng)運行, 并使虛擬人工系統(tǒng)和實際系統(tǒng)平行執(zhí)行、共同演化, 形成智能能源系統(tǒng).最后以華電集團已經完成的分布式能源5.0 示范項目和正在實施的火力發(fā)電5.0 項目及智能家居能源系統(tǒng), 探討了能源5.0 的研究內容、技術途徑及應用前景.

關鍵詞：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), 社會物理信息系統(tǒng)

1.能源系統(tǒng)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(tǒng)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\能量守恒", 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. 即盡管能量是守恒的, 盡管物質是不滅的, 但能量的質量將會衰減, 有效、優(yōu)質、便于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(yè)發(fā)展離不開能源的支撐, 同時能源的發(fā)展也離不開工業(yè)技術的支持, 同時能源行業(yè)也屬于工業(yè)的一個門類. 隨著工業(yè)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(tǒng), 使能源的開發(fā)、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(xù)發(fā)展.本論文正是基于能源熵和信息熵平衡的觀念,考慮能源生產消費的全過程中的設備、系統(tǒng)、管控、及社會等因素, 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,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(yè)發(fā)展歷程

工業(yè)進程從機械化、電氣化、信息化、網絡化到平行化發(fā)展歷程(圖1), 可以看出其推動力在于工業(yè)技術的不斷進步. 工業(yè)1.0, 核心設備蒸汽機出現, 使人類社會從手工業(yè)進入初級工業(yè)的機械化時代; 工業(yè)2.0, 核心設備電機等電力設備設施的出現, 引領工業(yè)進入電氣化時代; 工業(yè)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(yè)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(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(tǒng)的融合、并使工業(yè)與人類社會充分融合, 形成了更為復雜的系統(tǒng), 即社會物理信息系統(tǒng)(Cyber-physical-social system,CPSS), 該系統(tǒng)的核心設備是虛擬人工系統(tǒng), 運行模式將引領工業(yè)進入平行化時代.

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)技術的支撐, 屬于原始能源階段; 在工業(yè)1.0 技術推動下, 能源行業(yè)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 的主要標志; 工業(yè)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(fā)電機實現電力系統(tǒng)及廣泛的電機驅動系統(tǒng), 能源進入了電氣化時代. 隨著工業(yè)3.0 的信息化技術在電力系統(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能源系統(tǒng)的影響. 目前電力系統(tǒng)采用發(fā)電跟隨負荷的基本控制模式, 致使電力呈現垂直化管理、運行低效等特征. 特別是在風光大量接入、分布式發(fā)展、電動車儲能等需求推動和工業(yè)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。

可以看出正是由于能源本身具有熵增的趨勢,致使方便使用的能源越來越少, 因而必須借助于不斷發(fā)展的先進工業(yè)技術, 充分利用風光等各種能源,采用多能源互補模式, 才能實現能源的安全供應. 因而借助于互聯網+, 提出了能源5.0. 充分利用工業(yè)5.0 的平行理論和技術, 應用于能源行業(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, 使多能耦合復雜; 基于能源價格、環(huán)保排放、安全等社會信息,人類消費能源的行為和心理更為復雜; 能源轉換和使用設備的信息化、能源耦合系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計曲線, 沒有考慮人類活動和習慣與電力負荷和發(fā)電的交互影響. 人類活動屬于社會學范疇, 能源負荷中存在大量的社會信息, 需要采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, 分析信息對物理系統(tǒng)的作用, 無法展開對工業(yè)系統(tǒng)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(yè)4.0 的理論和技術, 同樣會陷入困境.特別指出的是, 由于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系, 且能源互聯網進一步將各種能源集成、各種通信方式綜合、信息和能源聯系更為密切, 使人類選擇和使用能源的心理、經濟、決策等更為復雜多樣. 如果僅采用4.0 的概念而不考慮復雜人類行為和社會信息對能源系統(tǒng)的影響, 則能源系統(tǒng)的運行會陷入更大的困境. 因此迫切需要采用能源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(tǒng)主要有: 鍋爐、蒸汽機、汽輪機、發(fā)電機、電動機及各種用電設備等形成的復雜設備和系統(tǒng). 近年來發(fā)展的分布式能源、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復雜性. 能源系統(tǒng)必然受到能源內在規(guī)律的支配,如電力系統(tǒng)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(tǒng)的規(guī)劃、設計、安裝、運行控制、維修管理等各個環(huán)節(jié), 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(tǒng), 使能源系統(tǒng)表現出社會特性. 如在火力發(fā)電的鍋爐控制中, 同樣鍋爐運行狀態(tài), 不同操作人員及操作人員在不同時段, 統(tǒng)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(tài)下, 操作人員對鍋爐效率影響更大.

b) 負荷特性的社會屬性

當采用電力需求側管理時, 人類會基于電價, 調整用電需要, 使負荷隨人類活動、習慣及心理發(fā)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(tǒng)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) 污染安全節(jié)能等社會政策法規(guī)信息

能源系統(tǒng)規(guī)劃由資源、環(huán)境、經濟和人口等制約, 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, 風光等可再生能源比重顯著增加, 對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提出了嚴峻挑戰(zhàn), 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(zhàn). 如何讓火電系統(tǒng)在接受并實現來自于政府、社會或者同行業(yè)先進機組的有關比對信息, 如風光接入比例、排放要求、系統(tǒng)及機組的對標節(jié)能等社會信息, 實現火力發(fā)電系統(tǒng)的柔性控制, 會成為火電機組運行的新常態(tài). 因此火電等能源系統(tǒng)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(fā)、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(guī)劃和設計信息系統(tǒng), 利用信息系統(tǒng)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. 采用信息技術, 可以使能源更有效地使用, 等價于能量的增加, 即能源本身具有信息屬性.柴油發(fā)電機組

從能源生產過程中看, 能源系統(tǒng)受到傳感、計算、控制、監(jiān)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(tǒng)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(huán)節(jié),使能源具有社會信息屬性.

2.2 人工系統(tǒng)的提出

在工業(yè)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(tǒng)的深度融合、沒有實現電力CPS 系統(tǒng), 因

此提出了電力CPS 的概念和框架. 能源4.0 要實現CPS, 需要研究信息和物理系統(tǒng)的融合, 特別是信息對物理系統(tǒng)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(tǒng)電力主要是基于電力流進行電力能源的規(guī)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)的影響, 從而指導能源系統(tǒng)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, 實現這一涉及能源、信息和社會的復雜耦合系統(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) 屬于社會學、經濟學、人類行為學的范疇, 需要從社會學、經濟學、行為學角度建立負荷模型, 傳統(tǒng)電網的負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工作點展開, 仿真不能充分反映電力系統(tǒng)運行狀況、致使系統(tǒng)運行保守, 特別是隨著能源互聯網發(fā)展、多能耦合、需求側管理等使電力能源系統(tǒng)呈現更嚴重非線性, 電力運行狀態(tài)多變, 傳統(tǒng)的仿真技術很難可信實現.

此外, 信息與物理和社會系統(tǒng)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(tài)、環(huán)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(tǒng)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(tǒng)中存在信息的不確定性、人類的社會復雜特性, 使系統(tǒng)更復雜, 傳統(tǒng)的牛頓定律需要過渡到默頓定律, 由控制到引導, 必須采用人工系統(tǒng)進行研究.

在計算機或網絡空間中實現虛擬人工能源系統(tǒng),采用語義、數據驅動等建模方式, 實現人工系統(tǒng)的驅動. 虛擬人工能源系統(tǒng)必須和實際能源系統(tǒng)相互作用, 相互反饋, 平行執(zhí)行. 虛擬人工能源系統(tǒng)可以反映實體能源系統(tǒng)的運行、同時更能根據虛擬空間的優(yōu)化結果, 引導實體能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行. 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), 即在信息空間實現虛擬人工能源系統(tǒng). 正如美國國家儀器公司提出\軟件即儀器" 的理念, 將虛擬儀器引入測試領域引起儀器革命一樣, 將虛擬人工能源系統(tǒng)引入復雜能源系統(tǒng)控制, 必將引起能源系統(tǒng)的革命.

2.3 知識自動化

隨著工業(yè)處理對象的復雜性和企業(yè)管理要求的提高, 工業(yè)自動化系統(tǒng)經歷了手動控制、單回路、多回路、DCS、MES 及ERP 等過程, 主要解放了人類的體力, 實現了人類對工業(yè)系統(tǒng)的掌控. 在虛擬人工系統(tǒng)中, 存在大量物理數據、社會信息, 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海量大數據進行有效分析, 因此需要建立知識自動化系統(tǒng), 采用數據驅動、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(tǒng)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(tǒng)的傳感、監(jiān)控數據; 信息控制作用下,物理系統(tǒng)會產生更多相關數據; 虛擬人工系統(tǒng)數據的社會計算數據及人工系統(tǒng)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(tǒng)建模很難, 同時也無\真" 可仿,傳統(tǒng)的仿真和控制不再適應, 需要采用知識自動化的理論、方法和技術. 讓數據說話, 成為構筑平行系統(tǒng)中虛擬人工系統(tǒng)關鍵.

CPSS 的關注點和關鍵內容:

科學問題: 傳統(tǒng)計算和物理模型相互獨立,CPSS 要求統(tǒng)一的建模理論, 實現計算、物理和社會的動態(tài)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(tǒng)的平行運行.

技術問題: 基于上述科學問題, 研究新的規(guī)劃、設計、分析和實驗工具, 體現交互和演化行為, 可采用社會計算、平行執(zhí)行策略.

工程問題: 系統(tǒng)架構、設計、集成、可操作性等.注意合理安排物理系統(tǒng)的時間管理、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)建立方式已經不適應虛擬人工世界的構建. 需要采用基于大數據解析的復雜系統(tǒng)分析方法, 包括: 基于人工系統(tǒng)的建模方法、計算實驗與系統(tǒng)分析和評估、平行執(zhí)行與系統(tǒng)控制管理的實現.

ACP 的含義:

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

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

計算實驗(C): 對于電力電價和人類社會負荷,少量可用統(tǒng)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(tǒng)的各種模態(tài)的結果. 社會計算必須基于人工社會, 采用人工智能建模, 而不是傳統(tǒng)的利用計算機對社會建模.

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, 計算控制復雜性增加, 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)務流和人的確定操作模式, 進行建模,因此仍屬于傳統(tǒng)的建模方式, 不屬于社會計算.

能源5.0 中, 人、社會、發(fā)電系統(tǒng)、設備、負荷、信息系統(tǒng)、經濟、環(huán)境、安全等系統(tǒng)復雜程度大增.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(tǒng)影響的模型, 因此傳統(tǒng)的建模計算方式已經不適應, 必須借助于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(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)和實體能源系統(tǒng)組成一對平行能源系統(tǒng), 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(fā)電的實際系統(tǒng)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(tǒng)仿真意義上的讓人工系統(tǒng)逼近實際流程, 而是通過社會計算、比較、發(fā)現更優(yōu)化的運行狀態(tài), 引導實際系統(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)相關目標的不確定性, 化多樣為歸一, 使復雜變簡單, 以此實現火力發(fā)電的智慧靈巧管理.

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

過虛實互動, 以平行執(zhí)行(P), 引導和管理物理過程.

3) 平行系統(tǒng)的控制

ACP 給出了復雜能源系統(tǒng)的人工伴生系統(tǒng), 實際與人工系統(tǒng)基于ACP 組合互動之后, 將整合虛實子系統(tǒng)的資源和能力, 形成一個新的、整體功能和性能更加優(yōu)越的集成系統(tǒng)(CPSS),進而對實際系統(tǒng)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(tǒng)通過觀察和評估, 不斷基于數據構造人工模型、反復計算實驗, 從而實現平行執(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(tǒng)可采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(tǒng)能夠根據環(huán)境條件及自身狀態(tài), 自主優(yōu)化模型. 計算實驗是仿真模擬的升華, 是分析、預測和選擇復雜決策的途徑, 也是確保復雜情況下能夠正確聚焦(Focus)的手段. 平行執(zhí)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(tǒng)、計算實驗、平行執(zhí)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. 因此采用ACP 實現AFC, 可以在各種復雜情況下優(yōu)化系統(tǒng)、提出目標、并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(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、計算、控制、調度等信息; 能源社會系統(tǒng)的人類社會活動、消費習慣、操作、社會節(jié)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(tǒng)、計算實驗及平行執(zhí)行中形成的數據和信息.

P 包括: 物理能源系統(tǒng)和社會用能系統(tǒng).

S 包括: 人類社會系統(tǒng), 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(tǒng)中采用多智能體等技術形成的人工社會內容.

平行能源系統(tǒng): 虛擬人工系統(tǒng)能反映并引導物理能源系統(tǒng)優(yōu)化運行, 同時人工系統(tǒng)基于數據驅動,引導虛擬人工系統(tǒng)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(tǒng)(虛擬空間) 是實際系統(tǒng)(物理空間) 的伴生系統(tǒng). 它集成了外部物理世界的大數據資源和虛擬人工世界的內部信息系統(tǒng)的數據和模型, 實時跟蹤記錄信息, 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, 實質是CPSS. 由于CPSS 系統(tǒng)含有大量人類社會信息以及前述傳統(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, 進而采用平行系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)趨勢下, 能源系統(tǒng)將更為復雜, 能源互聯網沒有提出構建虛擬人工系統(tǒng)的概念. 本文提出構建虛擬人工系統(tǒng)、采用社會計算和平行執(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(tǒng)的能源生產消費的工業(yè)自動化領域, 包括底層過程控制系統(tǒng)(DCS)、生產執(zhí)行系統(tǒng)(MES) 及企業(yè)資源規(guī)劃管理系統(tǒng)(ERP).右側為本文提出的虛擬人工系統(tǒng), 對應的知識自動化領域. 采用構建人工系統(tǒng)、計算實驗和平行執(zhí)行(ACP), 實現對工業(yè)自動化系統(tǒng)的建模、計算和控制; 基于ACP 的虛擬人工系統(tǒng)和工業(yè)自動化系統(tǒng)形成社會物理信息系統(tǒng)(CPSS); 采用ACP 反復觀察評估后, 通過虛實平行互動, 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)對實際系統(tǒng)實施閉環(huán)有效的控制與管理.

虛擬人工系統(tǒng)從工業(yè)自動化領域通過大反饋獲得能源系統(tǒng)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. 知識自動化基于ACP、CPSS 及AFC 等建模、計算和控制過程, 形成優(yōu)化的控制決策、通過大閉環(huán)引導實際能源系統(tǒng)優(yōu)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(yè)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(yōu)化的決策. 如在接受各類社會信息、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(tǒng)的可靠運行, 通過比對可以獲得優(yōu)化物理能源管理生產的優(yōu)化控制策略, 從而指導工業(yè)自動化的運行.

3.3 架構和平臺

系統(tǒng)架構分為六層:

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

數據采集與信息形成層: 分成兩個部分, 一是目前已有的工業(yè)自動化系統(tǒng)及信息系統(tǒng), 主要包括DCS 系統(tǒng)、MES 系統(tǒng)及企業(yè)級ERP 系統(tǒng). 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,并作用于物理能源系統(tǒng), 稱為感知和執(zhí)行; 感知和執(zhí)行層產生的信息包含大量的人與社會因素, 需通過大數據分析、云計算和社會計算, 形成有效的信息.

存儲層:將數據采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(yè)自動化系統(tǒng)已有相關數據庫，此處單列存儲層, 是為了便于從功能上描述架構層級.

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

解析層: 基于特征抽取及知識合成層獲得的知識和特征, 建立虛擬人工系統(tǒng)各環(huán)節(jié)模型和系統(tǒng)模型, 實現虛擬人工系統(tǒng)的構建, 完成對實際系統(tǒng)的解析.

平行控制層: 基于虛擬人工系統(tǒng)模型, 采用計算實驗, 獲得優(yōu)化控制策略, 采用平行執(zhí)行模式, 實現對虛擬人工系統(tǒng)和實際系統(tǒng)的同步反饋. 平行執(zhí)行對實際能源系統(tǒng), 可以通過工業(yè)自動化系統(tǒng)和感知及執(zhí)行環(huán)節(jié), 修改系統(tǒng)運行優(yōu)化設定值, 引導人與社會的活動; 可以采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(zhí)行可以調整虛擬人工系統(tǒng)的模型、參數、運行方式, 使虛擬人工系統(tǒng)與實際系統(tǒng)一致, 為下一步引導實際系統(tǒng)做準備.

注2. 對象層、數據采集與信息形成層和存儲層, 既是傳統(tǒng)工業(yè)自動化的組成, 同時也是虛擬人工系統(tǒng)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 分布式能源系統(tǒng)的智能監(jiān)控和平行管理

中國華電集團建有國家能源局批準的國內唯一分布式能源技術研發(fā)中心, 針對公司的分布式能源發(fā)展戰(zhàn)略, 結合某分布式能源站項目, 集團公司提出采用能源5.0 理念, 從規(guī)劃設計、運行控制到示范建設, 分階段、分步驟實施分布式能源5.0. 該分布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范項目, 能源站主要由燃氣輪機、汽輪機、余熱鍋爐、工業(yè)熱負荷和空調冷(熱) 負荷等組成. 華電集團將自主研發(fā)的智能決策優(yōu)化技術成功應用于該項目, 有效體現了能源5.0 的理念和運行過程.

分布式能源智能決策技術包括數字智能優(yōu)化平臺和智能決策優(yōu)化系統(tǒng)(圖7). 前者主要應用于設計優(yōu)化階段, 后者主要應用于運行優(yōu)化階段. 數字智能優(yōu)化平臺將動態(tài)的工藝系統(tǒng)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布式能源機組運行的影響, 并進行自動尋優(yōu)計算, 給出最合適的設備型號、最優(yōu)機組組合方式和最佳的運行模式, 為設計高水平的分布式能源站提供了技術保障. 智能決策優(yōu)化系統(tǒng)以負荷動態(tài)優(yōu)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(huán)保性的綜合指標最優(yōu)為目標, 有機融合了負荷預測、在線辨識、數學建模、智能尋優(yōu)、安全通訊、最優(yōu)控制等先進技術, 形成了分布式能源系統(tǒng)運行優(yōu)化的智能化解決方案, 以提高分布式能源站經濟高效安全可靠運營水平.

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

智能設計優(yōu)化平臺采用多層級、模塊化的數學建模方法和面向對象的編程方法, 運用Mat-lab/Simulink, 開發(fā)了集建模、模擬、優(yōu)化、控制系統(tǒng)設計于一體的智能數字仿真優(yōu)化軟件研發(fā)平臺.該平臺包括分布式能源系統(tǒng)設備的數學模型以及系統(tǒng)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(yōu)模塊, 可利用系統(tǒng)集成的優(yōu)化方法和系統(tǒng)運行的最優(yōu)控制策略進行動態(tài)仿真與優(yōu)化(圖8).

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

于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(yōu)化系統(tǒng)(Intelligent decisionoptimization system, iDOS) 的開發(fā)。

智能運行決策優(yōu)化系統(tǒng)是基于CPSS 和工業(yè)互聯網架構, 從系統(tǒng)層面分析入手, 以優(yōu)化、決策、控制和管理的數據\集成與融合" 為技術主導, 采用理論分析、數值模擬和實驗研究相結合的研究方法,提出分布式能源系統(tǒng)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(tǒng)按照最優(yōu)方式運行(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)已在華電集團某分布式能源站上線運行, 其系統(tǒng)設計結構如圖10 所示.該系統(tǒng)主要由一套實時可組態(tài)決策優(yōu)化軟件及相應硬件設備組成, 分為能效站、優(yōu)化站、控制機柜三個部分.

能效站負責對機組運行數據的采集、分析、計算和管理, 主要包括采集機組的負荷信息、能耗信息以及過程數據等, 對廠區(qū)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(fā)布, 并將相關設備性能計算的結果共享給優(yōu)化站.

優(yōu)化站基于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(yōu)化指令. 決策優(yōu)化指令通過iDOS 控制機柜下達至DCS/DEH 控制系統(tǒng), 完成機組的運行優(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、能源轉型、風光等可再生新能源的大規(guī)模發(fā)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(tǒng)已經成為典型的CPSS 系統(tǒng). 華電集團認為, 智能化火力發(fā)電技術須結合電力工業(yè)發(fā)展的新趨勢、新常態(tài), 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(jié)" 的總目標, 使機組在不同負荷區(qū)都具有最佳的工作狀況, 實現柔性發(fā)電. 需要深入研究在柔性發(fā)電下, 火力發(fā)電涉及的煤質分析、存儲、煤倉管理、鍋爐、汽機、發(fā)電機、排放、安全等環(huán)節(jié). 由于上游涉及煤質來源廣泛、成分復雜多變, 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(tǒng)及各個環(huán)節(jié)設備十分必要, 因此建立火力發(fā)電5.0 勢在必行.

華電公司的主業(yè)是火力發(fā)電, 為使主業(yè)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(guī)劃了火力發(fā)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(fā)電領域已開展重要和難點設備的相關虛擬人工系統(tǒng)的工作:

1) 鍋爐燃燒虛擬人工系統(tǒng)構建

鍋爐燃燒系統(tǒng)是火力發(fā)電的核心、是最復雜的單元. 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、排放的關系等。工作流程如圖11.

虛擬人工鍋爐與熱態(tài)實驗方式的優(yōu)勢比較如圖12.

2) 機組協調系統(tǒng)的虛擬人工系統(tǒng)

機組協調控制是火力發(fā)電的關鍵環(huán)節(jié),規(guī)劃建立實現火電機組協調優(yōu)化的虛擬人工系統(tǒng). 采用大數據挖掘技術, 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; 采用知識發(fā)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(tǒng)和DCS 中的協調控制系統(tǒng)之間采用信息交互, 實現數據驅動; 采用平行引導, 實現平行執(zhí)行. 設置投入/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

在信息管理的虛擬人工系統(tǒng)中, 同樣需要建設與傳統(tǒng)信息系統(tǒng)對應的虛擬人工系統(tǒng)的信息系統(tǒng),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(tǒng)等, 及時反饋現場信息, 在后臺知識庫和遠程專家指導下, 進行現場作業(yè);

運營管理協同化: 業(yè)務戰(zhàn)略驅動業(yè)務模型、業(yè)務模型驅動業(yè)務流程、業(yè)務流程驅動火力發(fā)電系統(tǒng)的運行, 形成流程高度集成、業(yè)務高度協同、價值全局最優(yōu);

運營決策科學化: 根據歷史、實時及預測數據,采用數據驅動方式, 實現事前科學預測、事中動態(tài)改進、事后全面分析.

例如當環(huán)保部門根據氣象數據, 提出了具體的環(huán)保指標信息要求后, 虛擬的運行決策系統(tǒng)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; 虛擬運行管理層基于其人工流程,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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)和設備, 從而引導實際系統(tǒng)按優(yōu)化方式運行.

4.3 智能家居的能源系統(tǒng)設計和運行管理

傳統(tǒng)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(jié)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(jié)能方案, 包括通過移動端推送能源賬單, 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等, 可以減少用戶電費支出、實現電網消峰填谷.

隨著家庭分布式光伏發(fā)電、家用儲能及家用電動車的發(fā)展, 家庭和商業(yè)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(fā)電電源向電網提供電力電量) 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、波動和隨機性, 形成光伏功率的不穩(wěn)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(fā)電的不穩(wěn)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(yè)用電占比的急劇增加, 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(fā)出了家用壁掛式儲能(電) 產品, 與SolarCity 光伏設備廠家聯合采用該儲能產品, 解決了家用光伏功率不穩(wěn)定, 并可做移動電源使用. 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(tǒng)的有效管理, 需要獲得分布式光伏發(fā)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、社會性特征, 是復雜系統(tǒng). 需要采用虛擬人工系統(tǒng)進行家居能源系統(tǒng)的設計、運行和管理, 才能有效管理家居能源系統(tǒng).

1) 能源系統(tǒng)設計

根據當地天氣狀況、建筑特點、負荷狀況、電價信息, 確定光伏和儲能. 基于天氣變化、光伏板運行老化、電池技術進步和運行狀況、負荷特征及參與需求側響應等, 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)的經濟性, 實現系統(tǒng)的最佳設計. 該系統(tǒng)需要適應天氣變化、負荷變化及人類個性化和社會性影響, 屬于開放系統(tǒng). 可以基于虛擬人工系統(tǒng), 采用信息熵引導能源熵實現優(yōu)化設計.

2) 能源系統(tǒng)的運行控制

采集實際系統(tǒng)的各種運行信息, 采用數據驅動,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(tǒng)運行控制智能體等, 組成家居能源系統(tǒng)的運行控制多智能體系統(tǒng). 基于歷史、實時和預測信息, 與虛擬人工的設計系統(tǒng)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, 進而采用平行執(zhí)行, 引導家居能源系統(tǒng)運行, 實現家庭能源管理, 如對家庭用電器的深度控制; 基于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(jié)能方案等.

5 結論與展望

本文結合工業(yè)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(tǒng)的仿真技術已不再適用, 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, 并說明能源5.0、社會物理信息系統(tǒng)(CPSS) 及平行能源三者在應用中的一致性. 最后將能源5.0 理論和技術應用于具體案例中, 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(tǒng)為核心和紐帶, 具有\(zhòng)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復雜互聯系統(tǒng), 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(guī)?；约芭c人類密切關聯的需求側響應的基礎架構和可靠依托, 是第三次工業(yè)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(jié)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(tǒng)中. 因此能源互聯網就形成典型的社會物理信息系統(tǒng), 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(zhí)行過程, 進行動態(tài)監(jiān)控,從而掌控能源流、信息流、人工系統(tǒng)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(guī)律、能源流的物理規(guī)律、人工系統(tǒng)的知識規(guī)律相互深度融合, 從而引導能源系統(tǒng)符合社會需求、排放要求、具有個性化的優(yōu)化運行.在能源互聯網中, 電力系統(tǒng)是核心和紐帶. 為實現電力系統(tǒng)的柔性運行, 火力發(fā)電作為電力系統(tǒng)的主力機組, 其柔性運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、從集中式走向分布式, 充分實現能源互聯網, 實現能源5.0。