基于平行控制的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)管理方法研究

吳鋒棒

(中國(guó)石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東 青島 266000)

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，關(guān)乎國(guó)家根本。如何在確保人類社會(huì)能源可持續(xù)供應(yīng)的同時(shí)減少用能過(guò)程中的環(huán)境污染，是當(dāng)今世界各國(guó)能源問(wèn)題研究的核心。近年來(lái)，中國(guó)能源工業(yè)發(fā)展面臨的安全、效率與環(huán)境問(wèn)題日益突出，亟需提高能源利用效率，并實(shí)現(xiàn)可再生能源規(guī)模化開發(fā)，以緩和日益凸顯的能源需求增長(zhǎng)與能源緊缺、環(huán)境保護(hù)之間的矛盾。

為適應(yīng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要和人類社會(huì)能源領(lǐng)域的變革，全面支持清潔能源和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。綜合能源系統(tǒng)的出現(xiàn)，打破了原有的各供能系統(tǒng)單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)設(shè)計(jì)和獨(dú)立運(yùn)行的既有模式，轉(zhuǎn)而進(jìn)行社會(huì)能源系統(tǒng)的一體化規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化[1]。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)將成為未來(lái)能源生產(chǎn)應(yīng)用的主要形式，與傳統(tǒng)獨(dú)立單一的能源系統(tǒng)相比，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)涉及多種能源生產(chǎn)、傳輸、應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)，表現(xiàn)出完整的物理屬性、信息屬性和社會(huì)屬性，是典型的信息物理社會(huì)系統(tǒng)[2]，這也使得綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化管理相比傳統(tǒng)能源系統(tǒng)更加復(fù)雜。

一方面，在綜合能源系統(tǒng)中，多種能源耦合復(fù)雜，且隨著用戶側(cè)供能單元如屋頂光伏等的建設(shè)，以及用戶的服務(wù)需求和能源利用形式的變化，能源用戶逐漸從被動(dòng)參與者向主動(dòng)參與者轉(zhuǎn)變，能量流動(dòng)的方向和方式也逐漸多樣化。

另一方面，信息物理社會(huì)系統(tǒng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是信息，在能源價(jià)格、環(huán)保引導(dǎo)、安全指引等社會(huì)信息的影響下，能源消費(fèi)者的行為和心理更加復(fù)雜。例如，隨著階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)的推行，用戶將獲得更多的激勵(lì)，改變用電行為，對(duì)用電成本將更加敏感；用戶希望獲得更加及時(shí)準(zhǔn)確的電價(jià)信息，也對(duì)能源服務(wù)商的服務(wù)水平提出了更高要求；提高能效和環(huán)保將逐漸成為影響需求側(cè)用電行為的重要因素。

多種能源的耦合以及信息-物理-社會(huì)層面的耦合為綜合能源系統(tǒng)的管理優(yōu)化帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，因此，充分考慮人類社會(huì)信息對(duì)能源生產(chǎn)消費(fèi)的深遠(yuǎn)影響，建設(shè)與用戶友好互動(dòng)的綜合能源系統(tǒng)，為用戶提供及時(shí)準(zhǔn)確的能源信息，滿足多元化客戶需求，并在該基礎(chǔ)上合理調(diào)配多種能源，實(shí)現(xiàn)高效用能和綠色低碳，將是未來(lái)區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)的發(fā)展方向。

目前大多數(shù)的研究工作主要圍繞某個(gè)單一系統(tǒng)或者某個(gè)工作點(diǎn)展開，無(wú)法充分反映能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，致使系統(tǒng)運(yùn)行保守。傳統(tǒng)的單一能源系統(tǒng)的管理優(yōu)化也很少涉及信息層面和社會(huì)層面的問(wèn)題，基于預(yù)測(cè)模型的系統(tǒng)仿真沒(méi)有考慮到人類的社會(huì)活動(dòng)和能源負(fù)荷中存在的大量社會(huì)信息[2]。能源本質(zhì)上為人類社會(huì)服務(wù)，其生產(chǎn)和使用具有人類社會(huì)屬性，因此對(duì)于能源的研究必須涉及人類社會(huì)信息與能源供用的關(guān)系，在該過(guò)程中，計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)以及人工智能等信息科學(xué)和技術(shù)將成為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)管理中不可或缺的重要組成部分。

1 復(fù)雜系統(tǒng)和平行控制概述

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng)，體現(xiàn)出兩個(gè)重要特征：

1)不可分離性。由于各種能源相互耦合，在生產(chǎn)與傳輸過(guò)程中互相轉(zhuǎn)化，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的全局行為無(wú)法通過(guò)對(duì)其部分系統(tǒng)的獨(dú)立分析來(lái)分析和優(yōu)化。相反，系統(tǒng)作為一個(gè)整體決定其各部分的行為。

2)不可預(yù)測(cè)性。由于能源的社會(huì)屬性和人類社會(huì)行為的不確定性，整個(gè)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)無(wú)法用傳統(tǒng)模型精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，尤其對(duì)于擁有可再生能源如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等的綜合能源系統(tǒng)，供給側(cè)和需求側(cè)的雙重不確定性使得系統(tǒng)的全局預(yù)測(cè)更加困難。

對(duì)于綜合能源系統(tǒng)面臨的管理和優(yōu)化問(wèn)題，沒(méi)有一成不變、一勞永逸的解決方案。理想的解決方案應(yīng)該具有適應(yīng)性，并能夠從實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程和經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題中學(xué)習(xí)。針對(duì)現(xiàn)代控制理論無(wú)法控制復(fù)雜系統(tǒng)的問(wèn)題，平行控制理論為復(fù)雜系統(tǒng)的控制研究提供了一個(gè)全新的思路和視角。

平行控制在傳統(tǒng)的小閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了考慮社會(huì)要素的大閉環(huán)控制，構(gòu)成了平行控制系統(tǒng)的實(shí)際部分(實(shí)際系統(tǒng))，在該基礎(chǔ)上，建立與實(shí)際系統(tǒng)等價(jià)的人工系統(tǒng)，從而構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，即平行控制系統(tǒng)[3-4]。平行控制理論的核心是ACP方法體系，主要包括人工系統(tǒng)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行控制，即： 建立與實(shí)際系統(tǒng)等價(jià)的人工系統(tǒng)；通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)分析和評(píng)估系統(tǒng)；通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)和人工系統(tǒng)的平行運(yùn)行進(jìn)行控制和管理。ACP方法是在綜合集成科學(xué)和綜合研討體系技術(shù)的基礎(chǔ)之上，把信息、心理、仿真、決策等融為一體，為研究復(fù)雜性和控制與管理復(fù)雜系統(tǒng)提出的思路和方法。

2 基于平行控制的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)管理方法

平行系統(tǒng)是指由某一個(gè)自然的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)。從數(shù)學(xué)建模，計(jì)算機(jī)仿真模擬，到虛擬現(xiàn)實(shí)，實(shí)質(zhì)上都是應(yīng)用平行系統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、控制和綜合。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的管理目標(biāo)是在滿足需求側(cè)用能的前提下，根據(jù)即時(shí)狀態(tài)、環(huán)境信息，做出智能決策，提高能源利用效率，尤其是可再生能源的利用效率，合理應(yīng)用儲(chǔ)能資源，優(yōu)化油、電、氣、熱等能源的調(diào)配。

依據(jù)平行控制理論，本文構(gòu)建了如圖1所示的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)管理架構(gòu)。

圖1 基于平行控制的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)管理框架示意

作為信息物理社會(huì)系統(tǒng)，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)可以劃分為物理層、信息層和社會(huì)層三個(gè)層面。物理層包含供能、能量傳輸和用能的物理設(shè)備，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸至信息層。社會(huì)層包含與能源相關(guān)的角色劃分、交易、預(yù)測(cè)信息等，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至信息層。信息層是實(shí)際系統(tǒng)信息的綜合。

實(shí)現(xiàn)平行控制的重點(diǎn)是搭建基于云計(jì)算的虛擬人工系統(tǒng)。虛擬人工系統(tǒng)主要包含3個(gè)層級(jí)： 數(shù)據(jù)庫(kù)層級(jí)、特征抽取/知識(shí)合成層級(jí)和計(jì)算/模擬系統(tǒng)層級(jí)。數(shù)據(jù)庫(kù)層級(jí)包含多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，分別接收來(lái)自實(shí)際系統(tǒng)信息層的各類數(shù)據(jù)，并從時(shí)間、空間、不同物理標(biāo)簽和社會(huì)標(biāo)簽等多維度出發(fā)進(jìn)行分類整理。特征抽取/知識(shí)合成層級(jí)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)于社會(huì)層面的部分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行自然語(yǔ)言處理，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特征抽取和知識(shí)合成，進(jìn)而建立第三層級(jí)。計(jì)算/模擬系統(tǒng)層級(jí)可以理解為實(shí)際綜合能源系統(tǒng)在虛擬空間中的映射，是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的解析。在計(jì)算/模擬系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn)，獲得優(yōu)化控制策略，并反饋至綜合能源服務(wù)的提供商或管理者。所生成策略除了傳統(tǒng)系統(tǒng)中面向物理層的控制策略，還包含面向社會(huì)層的引導(dǎo)策略，如在能耗較高時(shí)引導(dǎo)居民節(jié)約用能等，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)優(yōu)化方法中需求側(cè)管理的不足。策略執(zhí)行后，各類數(shù)據(jù)變化實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，虛擬人工系統(tǒng)在新數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上判斷策略執(zhí)行效果，并進(jìn)行智能更新，不斷趨近實(shí)際系統(tǒng)，為下一步的優(yōu)化做準(zhǔn)備。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在充分考慮綜合能源系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上，提出了基于平行控制的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)管理方法，構(gòu)建與實(shí)際系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的虛擬人工系統(tǒng)，采用語(yǔ)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)。虛擬人工系統(tǒng)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，實(shí)現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)智能管理。