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, 結合能源互聯(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(zhù)重討論了在網(wǎng)絡(luò )化之后, 能源系統呈現的社會(huì )性問(wèn)題, 認為在傳統方式之外, 必須引入人類(lèi)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根本不同于傳統仿真系統等理念, 只有利用虛擬人工模型, 采用平行系統, 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(Cyber-physical-social system, CPSS)的平行能源是等價(jià)的概念. 指出能源5.0 核心是構建與實(shí)際能源系統同構的虛擬人工能源系統, 通過(guò)虛擬人工能源系統的計算實(shí)驗, 確定優(yōu)化控制策略, 引導實(shí)際能源系統運行, 并使虛擬人工系統和實(shí)際系統平行執行、共同演化, 形成智能能源系統.最后以華電集團已經(jīng)完成的分布式能源5.0 示范項目和正在實(shí)施的火力發(fā)電5.0 項目及智能家居能源系統, 探討了能源5.0 的研究?jì)热?、技術(shù)途徑及應用前景.

關(guān)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(huì )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(gè)物理化學(xué)的概念, 能源消耗是一種物理化學(xué)現象. 根據中國的《能源百科全書(shū)》:“能源是可以直接或經(jīng)轉換提供人類(lèi)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, 且可以相互轉換的能量源泉, 是自然界中能為人類(lèi)提供某種形式能量的物質(zhì)資源.能源轉換的主要科學(xué)依據是牛頓定律、電磁定律、熱力學(xué)定律等. 其中熱力學(xué)第一定律認為在一個(gè)熱力學(xué)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(chǎn)生, 也不能毀滅. 其基本觀(guān)念是\物質(zhì)不滅" 和\能量守恒", 且物質(zhì)的轉化存在一定的條件和邊界. 熱力學(xué)第二定律的基本觀(guān)念是能量只能沿著(zhù)耗散的方向轉化, 因此熱力學(xué)第二定律又稱(chēng)\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(lái)越少, 無(wú)效、低品位、難以再利用和成本昂貴的能量將會(huì )越來(lái)越多.

工業(yè)發(fā)展離不開(kāi)能源的支撐, 同時(shí)能源的發(fā)展也離不開(kāi)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(mén)類(lèi). 隨著(zhù)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, 使能源的開(kāi)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(fā)展.本論文正是基于能源熵和信息熵平衡的觀(guān)念,考慮能源生產(chǎn)消費的全過(guò)程中的設備、系統、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整合, 使能源流和信息流充分融合、互動(dòng),實(shí)現信息、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, 核心設備蒸汽機出現, 使人類(lèi)社會(huì )從手工業(yè)進(jìn)入初級工業(yè)的機械化時(shí)代; 工業(yè)2.0, 核心設備電機等電力設備設施的出現, 引領(lǐng)工業(yè)進(jìn)入電氣化時(shí)代; 工業(yè)3.0, 計算機和微電子芯片的出現, 實(shí)現了人腦部分功能, 進(jìn)入了信息化時(shí)代; 工業(yè)4.0, 核心設備路由器出現, 將眾多計算機互聯(lián), 進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò )化時(shí)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(yè)5.0, 網(wǎng)絡(luò )化應用的加深, 特別是互聯(lián)網(wǎng)+, 進(jìn)一步加深信息和物理系統的融合、并使工業(yè)與人類(lèi)社會(huì )充分融合, 形成了更為復雜的系統, 即社會(huì )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(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(wú)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(shù)驅動(dòng), 能源進(jìn)入了3.0 時(shí)代, 主要是發(fā)電機實(shí)現電力系統及廣泛的電機驅動(dòng)系統, 能源進(jìn)入了電氣化時(shí)代. 隨著(zhù)工業(yè)3.0 的信息化技術(shù)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(fēng)光大量接入、分布式發(fā)展、電動(dòng)車(chē)儲能等需求推動(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,致使方便使用的能源越來(lái)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,采用多能源互補模式, 才能實(shí)現能源的安全供應. 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(méi)有完全實(shí)現的情況下, 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(lái), 使多能耦合復雜; 基于能源價(jià)格、環(huán)保排放、安全等社會(huì )信息,人類(lèi)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、能源耦合系統互動(dòng)、人類(lèi)社會(huì )信息對能源生產(chǎn)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(huì )及社會(huì )信息方面, 能源4.0 很少考慮且很難考慮. 目前就電力負荷來(lái)說(shuō), 僅是給出負荷的統計曲線(xiàn), 沒(méi)有考慮人類(lèi)活動(dòng)和習慣與電力負荷和發(fā)電的交互影響. 人類(lèi)活動(dòng)屬于社會(huì )學(xué)范疇, 能源負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(lèi)社會(huì )服務(wù)的, 其生產(chǎn)和使用打上了強烈的人類(lèi)社會(huì )屬性. 因此研究能源4.0 必須計及人類(lèi)社會(huì )信息與能源的關(guān)系, 因此需要研究能源5.0.

在信息和物理系統的融合作用方面, 傳統CPS系統還沒(méi)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(wú)法展開(kāi)對工業(yè)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(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(lèi)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(lèi)選擇和使用能源的心理、經(jīng)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(lèi)行為和社會(huì )信息對能源系統的影響, 則能源系統的運行會(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

2.1 能源的屬性

1) 能源的物質(zhì)屬性(P)

能源的物質(zhì)屬性表現為, 能源來(lái)源主要有: 煤炭、石油、天然氣等化石能源; 水力、風(fēng)力、太陽(yáng)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、機械動(dòng)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(fā)電機、電動(dòng)機及各種用電設備等形成的復雜設備和系統. 近年來(lái)發(fā)展的分布式能源、儲能、冷熱電聯(lián)產(chǎn)及電動(dòng)車(chē)等更增加了能源生產(chǎn)和使用設備的多樣性復雜性. 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(shí)平衡, 使得能源的物質(zhì)屬性表現出強的關(guān)聯(lián)性和因果律.

2) 能源的社會(huì )屬性(S)

能源的社會(huì )屬性主要表現在三個(gè)方面:

a) 人類(lèi)參與能源生產(chǎn)的社會(huì )特性

在能源生產(chǎn)過(guò)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(gè)環(huán)節, 均有人類(lèi)參與. 人類(lèi)的知識水平、技能及主觀(guān)意識和心情都會(huì )影響到能源系統, 使能源系統表現出社會(huì )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(shí)段, 統計結果表明會(huì )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(huì )屬性

當采用電力需求側管理時(shí), 人類(lèi)會(huì )基于電價(jià), 調整用電需要, 使負荷隨人類(lèi)活動(dòng)、習慣及心理發(fā)生變化; 隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)逐步增加, 電力負荷特性會(huì )隨著(zhù)人類(lèi)出行需求、思維判斷、電價(jià)、交通狀況等呈現出時(shí)空移動(dòng)可變負荷; 隨著(zhù)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(wǎng)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(guò)程中起著(zhù)重要作用. 因此負荷特性表現出強烈的社會(huì )性.

c) 污染安全節能等社會(huì )政策法規信息

能源系統規劃由資源、環(huán)境、經(jīng)濟和人口等制約, 隨著(zhù)能源熵逐步增大, 多能源的優(yōu)化控制更迫切. 隨著(zhù)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(zhù)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并實(shí)現來(lái)自于政府、社會(huì )或者同行業(yè)先進(jìn)機組的有關(guān)比對信息, 如風(fēng)光接入比例、排放要求、系統及機組的對標節能等社會(huì )信息, 實(shí)現火力發(fā)電系統的柔性控制, 會(huì )成為火電機組運行的新常態(tài). 因此火電等能源系統的運行表現為社會(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(kāi)發(fā)、能源具有熵增的趨勢, 表現出能源質(zhì)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(guò)程, 使得能源熵增減緩. 從這個(gè)意義上說(shuō), 信息也是能源, 連有些政治家也稱(chēng): 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)電機組

從能源生產(chǎn)過(guò)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(huì )屬性也使得眾多社會(huì )信息及人類(lèi)的思維判斷等深刻影響能源的生產(chǎn)消費各個(gè)環(huán)節,使能源具有社會(huì )信息屬性.

2.2 人工系統的提出

在工業(yè)和能源3.0 時(shí)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(méi)有實(shí)現信息物理系統的深度融合、沒(méi)有實(shí)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(shí)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(méi)有提供具體

的理論和技術(shù).能源物質(zhì)屬性中,著(zhù)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(guò)程. 傳統電力主要是基于電力流進(jìn)行電力能源的規劃設計, 而能源信息屬性中, 著(zhù)重研究信息控制、能源管理調度等對能源物質(zhì)屬性的影響和流程再造,這是傳統電力能源設計所沒(méi)有考慮或很少考慮的信息流對電力流的影響; 能源的社會(huì )屬性, 使能源的生產(chǎn)消費具有更大的機動(dòng)性和柔性, 能充分接納波動(dòng)的風(fēng)光等新能源、充分適應負荷需求的變化、滿(mǎn)足節能和排放要求等. 而人類(lèi)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)濟學(xué)和人類(lèi)行為學(xué)等領(lǐng)域研究社會(huì )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(zhì)、信息和社會(huì )屬性的融合交互關(guān)系是傳統電力仿真系統還沒(méi)有開(kāi)展、也無(wú)法完成的工作, 迫切需要能源革命性的理論和方法, 實(shí)現這一涉及能源、信息和社會(huì )的復雜耦合系統的管理和控制. 因此提出采用平行系統的思想, 建立人工能源系統.

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

人類(lèi)社會(huì )性影響(如價(jià)格激勵機制、人類(lèi)消費習慣及決策等) 屬于社會(huì )學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、人類(lèi)行為學(xué)的范疇, 需要從社會(huì )學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、行為學(xué)角度建立負荷模型, 傳統電網(wǎng)的負荷建模策略很難建立該模型. 另外電力系統是非線(xiàn)性系統, 目前的電力仿真主要圍繞某個(gè)工作點(diǎn)展開(kāi), 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(zhù)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)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(xiàn)性, 電力運行狀態(tài)多變, 傳統的仿真技術(shù)很難可信實(shí)現.

此外, 信息與物理和社會(huì )系統深度融合, 在運行的不同層次和不同時(shí)段上, 融合的過(guò)程都是實(shí)時(shí)變化的, 必須根據即時(shí)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(wú)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(huì )物理信息系統中存在信息的不確定性、人類(lèi)的社會(huì )復雜特性, 使系統更復雜, 傳統的牛頓定律需要過(guò)渡到默頓定律, 由控制到引導, 必須采用人工系統進(jìn)行研究.

在計算機或網(wǎng)絡(luò )空間中實(shí)現虛擬人工能源系統,采用語(yǔ)義、數據驅動(dòng)等建模方式, 實(shí)現人工系統的驅動(dòng). 虛擬人工能源系統必須和實(shí)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(shí)體能源系統的運行、同時(shí)更能根據虛擬空間的優(yōu)化結果, 引導實(shí)體能源系統的優(yōu)化運行. 由于該虛擬人工系統屬于Cyber 空間, 同樣也列入信息空間(C), 即在信息空間實(shí)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(lǐng)域引起儀器革命一樣, 將虛擬人工能源系統引入復雜能源系統控制, 必將引起能源系統的革命.

2.3 知識自動(dòng)化

隨著(zhù)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(dòng)化系統經(jīng)歷了手動(dòng)控制、單回路、多回路、DCS、MES 及ERP 等過(guò)程, 主要解放了人類(lèi)的體力, 實(shí)現了人類(lèi)對工業(yè)系統的掌控. 在虛擬人工系統中, 存在大量物理數據、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(lèi)的智力很難對海量大數據進(jìn)行有效分析, 因此需要建立知識自動(dòng)化系統, 采用數據驅動(dòng)、多智能體等人工智能技術(shù), 解放人類(lèi)的智力, 實(shí)現對虛擬人工系統的掌控.

1) CPSS 基礎

能源5.0 時(shí)代會(huì )出現大量的數據, 進(jìn)入大數據時(shí)代. 物理系統的傳感、監控數據; 信息控制作用下,物理系統會(huì )產(chǎn)生更多相關(guān)數據; 虛擬人工系統數據的社會(huì )計算數據及人工系統的建模、推理和控制; 泛在的社會(huì )大數據及社會(huì )政策等信息的建模和人類(lèi)行為的數據等. 傳統建模很難, 同時(shí)也無(wú)\真" 可仿,傳統的仿真和控制不再適應, 需要采用知識自動(dòng)化的理論、方法和技術(shù). 讓數據說(shuō)話(huà), 成為構筑平行系統中虛擬人工系統關(guān)鍵.

CPSS 的關(guān)注點(diǎn)和關(guān)鍵內容:

科學(xué)問(wèn)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(shí)現計算、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)際系統的平行運行.

技術(shù)問(wèn)題: 基于上述科學(xué)問(wèn)題, 研究新的規劃、設計、分析和實(shí)驗工具, 體現交互和演化行為, 可采用社會(huì )計算、平行執行策略.

工程問(wèn)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(shí)間管理、物理系統和虛擬系統的并發(fā)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(jīng)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分析方法, 包括: 基于人工系統的建模方法、計算實(shí)驗與系統分析和評估、平行執行與系統控制管理的實(shí)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、可執行的過(guò)程.

人工系統(A): 數據來(lái)自于實(shí)體物理世界, 采用數據驅動(dòng)和語(yǔ)義建模, 采用默頓定律, 構建信息和行為之間的反饋; 數據來(lái)自于虛擬世界, 通過(guò)數據挖掘, 發(fā)現海量信息的\民意", 讓數據來(lái)說(shuō)話(huà).

計算實(shí)驗(C): 對于電力電價(jià)和人類(lèi)社會(huì )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(huì )計算" 方法. 通過(guò)集成深度計算、群體廣度計算、歷史經(jīng)驗計算等社會(huì )計算, 可以獲得虛擬人工系統的各種模態(tài)的結果. 社會(huì )計算必須基于人工社會(huì ), 采用人工智能建模, 而不是傳統的利用計算機對社會(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—多機組聯(lián)合控制|總線(xiàn)化網(wǎng)絡(luò )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)節模型、甚至ERP 系統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,因此仍屬于傳統的建模方式, 不屬于社會(huì )計算.

能源5.0 中, 人、社會(huì )、發(fā)電系統、設備、負荷、信息系統、經(jīng)濟、環(huán)境、安全等系統復雜程度大增.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(xiàn)性, 且需要建立經(jīng)濟學(xué)、管理學(xué)、人類(lèi)行為學(xué)對能源系統影響的模型, 因此傳統的建模計算方式已經(jīng)不適應, 必須借助于社會(huì )計算實(shí)現從定性到定量的分析, 評估人、社會(huì )、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(shí)體能源系統組成一對平行能源系統, 虛實(shí)互動(dòng)構成新型反饋控制機制; 物理過(guò)程與人工計算過(guò)程的平行交互; 通過(guò)虛實(shí)互動(dòng)進(jìn)行求解.

ACP 流程: 針對火力發(fā)電的實(shí)際系統流程, 構造人工流程, 使來(lái)自物理、社會(huì )及信息社會(huì )的知識經(jīng)驗形式化、計算化、可視化, 以在線(xiàn)嵌入和實(shí)時(shí)反饋的方式實(shí)現描述解析、預測解析和誘導解析的功能.目標就是促使實(shí)際流程趨向人工流程(即主動(dòng)控制技術(shù),不是傳統仿真意義上的讓人工系統逼近實(shí)際流程, 而是通過(guò)社會(huì )計算、比較、發(fā)現更優(yōu)化的運行狀態(tài), 引導實(shí)際系統逼近人工系統), 從而借助人工流程減少火力發(fā)電系統相關(guān)目標的不確定性, 化多樣為歸一, 使復雜變簡(jiǎn)單, 以此實(shí)現火力發(fā)電的智慧靈巧管理.

ACP 步驟: 利用人工系統(A) 對復雜問(wèn)題(物理、社會(huì )、信息) 建模; 利用計算實(shí)驗(C) 對復雜現象進(jìn)行分析和評估; 將人工系統和實(shí)際系統并舉, 通

過(guò)虛實(shí)互動(dòng), 以平行執行(P), 引導和管理物理過(guò)程.

3) 平行系統的控制

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

為實(shí)現ACP 的可操作性, 如圖3 所示, 需要虛擬人工系統通過(guò)觀(guān)察和評估, 不斷基于數據構造人工模型、反復計算實(shí)驗, 從而實(shí)現平行執行的策略.在這一過(guò)程中, 人工系統可被視為傳統數學(xué)或解析建模之擴展, 是廣義的知識模型, 是落實(shí)各種各樣的靈捷性(Agility) 的基礎. 人工系統可采用多智能體技術(shù)等智能技術(shù)構建多層次的智能模型, 使系統能夠根據環(huán)境條件及自身狀態(tài), 自主優(yōu)化模型. 計算實(shí)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. 平行執行是自適應控制和許多管理思想與方法的進(jìn)一步推廣, 是一種通過(guò)虛實(shí)互動(dòng)而構成的新型反饋控制機制,由此可以指導行動(dòng)、鎖定目標,保證過(guò)程的收斂(Convergence). 因此人工系統、計算實(shí)驗、平行執行是靈捷、聚焦、收斂的基礎, 靈捷、聚焦、收斂是實(shí)現ACP 理念的有效控制手段. 因此采用ACP 實(shí)現AFC, 可以在各種復雜情況下優(yōu)化系統、提出目標、并進(jìn)而有效的具體控制實(shí)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(jìn)一步納入社會(huì )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(huì )系統的人類(lèi)社會(huì )活動(dòng)、消費習慣、操作、社會(huì )節能排放安全等社會(huì )信息. 2) 虛擬人工世界: 虛擬空間的人工系統、計算實(shí)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(huì )用能系統.

S 包括: 人類(lèi)社會(huì )系統, 包括人類(lèi)社會(huì )的實(shí)體活動(dòng), 受人類(lèi)習慣、思維、經(jīng)濟學(xué)、管理學(xué)和社會(huì )學(xué)等支配. 也包括虛擬人工系統中采用多智能體等技術(shù)形成的人工社會(huì )內容.

平行能源系統: 虛擬人工系統能反映并引導物理能源系統優(yōu)化運行, 同時(shí)人工系統基于數據驅動(dòng),引導虛擬人工系統運行. 因而實(shí)現虛擬人工世界和實(shí)際能源世界平行運行. 人工系統(虛擬空間) 是實(shí)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(shí)時(shí)跟蹤記錄信息, 按需描述系統的狀態(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 系統含有大量人類(lèi)社會(huì )信息以及前述傳統仿真無(wú)法求解的因素, 為求解CPSS, 提出了虛擬人工系統的概念, 進(jìn)而采用平行系統的技術(shù)方法. 因此可以認為CPSS、能源5.0、平行能源三個(gè)概念在應用中可以等價(jià)通用.

由此可以看出, 本文的CPSS 系統與目前的能源互聯(lián)網(wǎng)是根本不同的概念. 能源互聯(lián)網(wǎng)強調了多能互補、電力核心紐帶、梯級利用及”互聯(lián)網(wǎng)+" 的概念, 沒(méi)有闡述引入社會(huì )信息、人類(lèi)的行為學(xué)等對能源系統的深刻影響. 特別是針對能源互聯(lián)網(wǎng)及在\互聯(lián)網(wǎng)+" 引入能源系統趨勢下, 能源系統將更為復雜, 能源互聯(lián)網(wǎng)沒(méi)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、采用社會(huì )計算和平行執行這一新的理論和方法解決傳統仿真技術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題.

3.2 能源5.0 的管理

為實(shí)現虛實(shí)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(chǎn)消費的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域, 包括底層過(guò)程控制系統(DCS)、生產(chǎn)執行系統(MES) 及企業(yè)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(dòng)化領(lǐng)域. 采用構建人工系統、計算實(shí)驗和平行執行(ACP), 實(shí)現對工業(yè)自動(dòng)化系統的建模、計算和控制; 基于A(yíng)CP 的虛擬人工系統和工業(yè)自動(dòng)化系統形成社會(huì )物理信息系統(CPSS); 采用ACP 反復觀(guān)察評估后, 通過(guò)虛實(shí)平行互動(dòng), 形成靈敏、聚焦、收斂(AFC) 的分析、決策和執行過(guò)程, 最終利用虛擬系統對實(shí)際系統實(shí)施閉環(huán)有效的控制與管理.

虛擬人工系統從工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域通過(guò)大反饋獲得能源系統的物理、現場(chǎng)運行及社會(huì )信息等大數據,通過(guò)數據驅動(dòng)和語(yǔ)義建模, 進(jìn)入知識自動(dòng)化領(lǐng)域. 知識自動(dòng)化基于A(yíng)CP、CPSS 及AFC 等建模、計算和控制過(guò)程, 形成優(yōu)化的控制決策、通過(guò)大閉環(huán)引導實(shí)際能源系統優(yōu)化運行.

知識自動(dòng)化領(lǐng)域完全在虛擬的計算機或網(wǎng)絡(luò )空間, 可以根據工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的大數據,充分分析數據、進(jìn)行各種計算實(shí)驗、從而獲得優(yōu)化的決策. 如在接受各類(lèi)社會(huì )信息、物理能源信息、排放節能信息后, 虛擬人工系統可充分進(jìn)行各種計算實(shí)驗進(jìn)行比對, 在比對過(guò)程中不會(huì )干擾物理能源系統的可靠運行, 通過(guò)比對可以獲得優(yōu)化物理能源管理生產(chǎn)的優(yōu)化控制策略, 從而指導工業(yè)自動(dòng)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(chǎn)到消費的各個(gè)環(huán)節, 包含人及社會(huì )對能源系統的影響.

數據采集與信息形成層: 分成兩個(gè)部分, 一是目前已有的工業(yè)自動(dòng)化系統及信息系統, 主要包括DCS 系統、MES 系統及企業(yè)級ERP 系統. 二是在互聯(lián)網(wǎng)和多種通訊模式下, 人與社會(huì )對能源的互動(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, 稱(chēng)為感知和執行; 感知和執行層產(chǎn)生的信息包含大量的人與社會(huì )因素, 需通過(guò)大數據分析、云計算和社會(huì )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(mén)別類(lèi)存入生產(chǎn)數據、辦公數據庫等數據庫中.

注1. 目前的工業(yè)自動(dòng)化系統已有相關(guān)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(yǔ)言處理、機器學(xué)習、計算智能方法等人工智能技術(shù), 實(shí)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, 建立虛擬人工系統各環(huán)節模型和系統模型, 實(shí)現虛擬人工系統的構建, 完成對實(shí)際系統的解析.

平行控制層: 基于虛擬人工系統模型, 采用計算實(shí)驗, 獲得優(yōu)化控制策略, 采用平行執行模式, 實(shí)現對虛擬人工系統和實(shí)際系統的同步反饋. 平行執行對實(shí)際能源系統, 可以通過(guò)工業(yè)自動(dòng)化系統和感知及執行環(huán)節, 修改系統運行優(yōu)化設定值, 引導人與社會(huì )的活動(dòng); 可以采用軟件定義機器模式, 使現場(chǎng)傳感器根據所需, 實(shí)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(shí)際系統一致, 為下一步引導實(shí)際系統做準備.

注2. 對象層、數據采集與信息形成層和存儲層, 既是傳統工業(yè)自動(dòng)化的組成, 同時(shí)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 分布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準的國內唯一分布式能源技術(shù)研發(fā)中心, 針對公司的分布式能源發(fā)展戰略, 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, 從規劃設計、運行控制到示范建設, 分階段、分步驟實(shí)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(shù)成功應用于該項目, 有效體現了能源5.0 的理念和運行過(guò)程.

分布式能源智能決策技術(shù)包括數字智能優(yōu)化平臺和智能決策優(yōu)化系統(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(dòng)態(tài)的工藝系統數學(xué)模型與負荷預測模型無(wú)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(jìn)行自動(dòng)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(shù)保障. 智能決策優(yōu)化系統以負荷動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配為核心, 以實(shí)現經(jīng)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(xiàn)辨識、數學(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運行優(yōu)化的智能化解決方案, 以提高分布式能源站經(jīng)濟高效安全可靠運營(yíng)水平.

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

智能設計優(yōu)化平臺采用多層級、模塊化的數學(xué)建模方法和面向對象的編程方法, 運用Mat-lab/Simulink, 開(kāi)發(fā)了集建模、模擬、優(yōu)化、控制系統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設備的數學(xué)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(jià)

格成本模塊及智能尋優(yōu)模塊, 可利用系統集成的優(yōu)化方法和系統運行的最優(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, 能夠對擬建的分布式能源工程進(jìn)行系統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(jīng)濟效益.

2) 智能運行決策優(yōu)化系統(Intelligent decisionoptimization system, iDOS) 的開(kāi)發(fā)。

智能運行決策優(yōu)化系統是基于CPSS 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構, 從系統層面分析入手, 以?xún)?yōu)化、決策、控制和管理的數據\集成與融合" 為技術(shù)主導, 采用理論分析、數值模擬和實(shí)驗研究相結合的研究方法,提出分布式能源系統決策控制與能源管理一體化運營(yíng)的最佳解決方案, 確保系統按照最優(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 系統已在華電集團某分布式能源站上線(xiàn)運行, 其系統設計結構如圖10 所示.該系統主要由一套實(shí)時(shí)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(gè)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(guò)程數據等, 對廠(chǎng)區的逐時(shí)負荷及逐日負荷做出預測, 對各機組設備的能耗及性能進(jìn)行計算和管理發(fā)布, 并將相關(guān)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(shí)時(shí)性能計算結果, 以全廠(chǎng)經(jīng)濟效益最大為目標, 以機組能效為約束條件, 通過(guò)在線(xiàn)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(guò)iDOS 控制機柜下達至DCS/DEH 控制系統, 完成機組的運行優(yōu)化控制.

4.2 火力發(fā)電的智能監控和平行管理規劃

在能源革命、能源轉型、風(fēng)光等可再生新能源的大規模發(fā)展、核能、電動(dòng)車(chē)等移動(dòng)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(jīng)成為典型的CPSS 系統. 華電集團認為, 智能化火力發(fā)電技術(shù)須結合電力工業(yè)發(fā)展的新趨勢、新常態(tài), 著(zhù)力提高機組安全性、自適應性、自診斷、主動(dòng)預防維護性和可操作性等, 實(shí)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(shí)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(zhì)分析、存儲、煤倉管理、鍋爐、汽機、發(fā)電機、排放、安全等環(huán)節. 由于上游涉及煤質(zhì)來(lái)源廣泛、成分復雜多變, 下游電力負荷受社會(huì )負荷及排放等需求約束, 中游各個(gè)設備, 如鍋爐以煤定爐的設計理念,致使實(shí)際運行偏離設計, 因此精確調控、智慧化運行系統及各個(gè)環(huán)節設備十分必要, 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(chǎng)進(jìn)行試點(diǎn)工作, 初步規劃了火力發(fā)電5.0 的框架、研究?jì)热?、?shí)施辦法.

下面是集團近期在火力發(fā)電領(lǐng)域已開(kāi)展重要和難點(diǎn)設備的相關(guān)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(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(shí)現虛擬平行鍋爐. 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)驗方式的優(yōu)勢比較如圖12.

2) 機組協(xié)調系統的虛擬人工系統

機組協(xié)調控制是火力發(fā)電的關(guān)鍵環(huán)節,規劃建立實(shí)現火電機組協(xié)調優(yōu)化的虛擬人工系統. 采用大數據挖掘技術(shù), 分析煤質(zhì)變化、司爐經(jīng)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(shù), 實(shí)現虛擬人工的協(xié)調控制模型. 如圖13, 虛擬人工系統和DCS 中的協(xié)調控制系統之間采用信息交互, 實(shí)現數據驅動(dòng); 采用平行引導, 實(shí)現平行執行. 設置投入/切除環(huán)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(shí)時(shí)數據及未來(lái)的預測數據.

運行操作知識自動(dòng)化: 利用手持移動(dòng)設備、現場(chǎng)信息系統等, 及時(shí)反饋現場(chǎng)信息, 在后臺知識庫和遠程專(zhuān)家指導下, 進(jìn)行現場(chǎng)作業(yè);

運營(yíng)管理協(xié)同化: 業(yè)務(wù)戰略驅動(dòng)業(yè)務(wù)模型、業(yè)務(wù)模型驅動(dòng)業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)流程驅動(dòng)火力發(fā)電系統的運行, 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);

運營(yíng)決策科學(xué)化: 根據歷史、實(shí)時(shí)及預測數據,采用數據驅動(dòng)方式, 實(shí)現事前科學(xué)預測、事中動(dòng)態(tài)改進(jìn)、事后全面分析.

例如當環(huán)保部門(mén)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依據該指標, 首先根據運營(yíng)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(jìn)一步分解指標到運行操作層; 運行操作自動(dòng)化層根據實(shí)體能源各環(huán)節和機組設備的歷史、實(shí)時(shí)及預測數據, 通過(guò)社會(huì )計算方式, 確定將該指標分解到各環(huán)節和設備, 從而引導實(shí)際系統按優(yōu)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(hù)側, 將用戶(hù)所需的冷熱電等耦合起來(lái), 根據人類(lèi)的生活習慣、電網(wǎng)電價(jià)及其它信息進(jìn)行運行管理, 可以實(shí)現節能降耗、電網(wǎng)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(guò)移動(dòng)端推送能源賬單, 群發(fā)節能貼士類(lèi)郵件, 提供管控家用恒溫器的軟件服務(wù)等, 可以減少用戶(hù)電費支出、實(shí)現電網(wǎng)消峰填谷.

隨著(zhù)家庭分布式光伏發(fā)電、家用儲能及家用電動(dòng)車(chē)的發(fā)展, 家庭和商業(yè)用電在用電量、電力、用電時(shí)刻及運行方式(可作為電網(wǎng)負荷從電網(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)和隨機性, 形成光伏功率的不穩定性; 電動(dòng)車(chē)與人的出行習慣、駕駛習慣及交通狀況密切相關(guān), 具有典型的社會(huì )性; 儲能既為電動(dòng)車(chē)提供電能、也可解決光伏發(fā)電的不穩定性, 同時(shí)給用戶(hù)錯時(shí)用更便宜的電提供了支撐. 隨著(zhù)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(lǐng)域, 特別是美國特斯拉公司開(kāi)發(fā)出了家用壁掛式儲能(電) 產(chǎn)品, 與SolarCity 光伏設備廠(chǎng)家聯(lián)合采用該儲能產(chǎn)品, 解決了家用光伏功率不穩定, 并可做移動(dòng)電源使用. 該公司的目標就是實(shí)現光伏+ 用戶(hù)儲能+ 電動(dòng)車(chē)+ 能源控制軟件, 實(shí)現“顛覆汽車(chē)", 還要”顛覆電網(wǎng)" 的目標.

為了實(shí)現家居能源系統的有效管理, 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(zhù)的個(gè)性化、社會(huì )性特征, 是復雜系統. 需要采用虛擬人工系統進(jìn)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、建筑特點(diǎn)、負荷狀況、電價(jià)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(shù)進(jìn)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(jīng)濟性, 實(shí)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(lèi)個(gè)性化和社會(huì )性影響, 屬于開(kāi)放系統. 可以基于虛擬人工系統, 采用信息熵引導能源熵實(shí)現優(yōu)化設計.

2) 能源系統的運行控制

采集實(shí)際系統的各種運行信息, 采用數據驅動(dòng),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(dòng)車(chē)智能體、配電網(wǎng)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. 基于歷史、實(shí)時(shí)和預測信息, 與虛擬人工的設計系統互動(dòng), 在虛擬人工設計的搜索空間中, 通過(guò)社會(huì )計算, 獲得最佳運行控制策略, 進(jìn)而采用平行執行, 引導家居能源系統運行, 實(shí)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(gè)性化電價(jià)、節能方案等.

5 結論與展望

本文結合工業(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(shuō)明能源5.0、社會(huì )物理信息系統(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(shù)應用于具體案例中, 驗證能源5.0 的理論架構和技術(shù)正確性.

當前我國正處在能源革命的關(guān)鍵時(shí)期, 能源互聯(lián)網(wǎng)是以電力系統為核心和紐帶, 具有\橫向多能互補, 縱向源網(wǎng)荷儲協(xié)調" 以及能源流和信息流雙向流動(dòng)強耦合的復雜互聯(lián)系統, 從而可以實(shí)現整個(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)現充分接納波動(dòng)的可再生能源、電動(dòng)車(chē)規?；约芭c人類(lèi)密切關(guān)聯(lián)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(xué)、社會(huì )學(xué)、心理學(xué)融入用戶(hù)行為模型, 將人類(lèi)社會(huì )泛在的節能、安全、排放、經(jīng)濟等信息, 以及人類(lèi)的思維、習慣、行為等因素納入能源互聯(lián)網(wǎng)系統中. 因此能源互聯(lián)網(wǎng)就形成典型的社會(huì )物理信息系統, 即能源5.0.

通過(guò)能源5.0, 可以實(shí)現: 對物理能源世界、虛擬人工世界以及兩者平行執行過(guò)程, 進(jìn)行動(dòng)態(tài)監控,從而掌控能源流、信息流、人工系統過(guò)程; \以網(wǎng)絡(luò )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(huì )需求、排放要求、具有個(gè)性化的優(yōu)化運行.在能源互聯(lián)網(wǎng)中, 電力系統是核心和紐帶. 為實(shí)現電力系統的柔性運行, 火力發(fā)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(fā)電需要5.0 化, 即基于互聯(lián)網(wǎng)模式, 參與電網(wǎng)的運行控制, 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)現能源互聯(lián)網(wǎng), 實(shí)現能源5.0。