华电公司的主业是火力发电,为使主业引导电力5.0主流,华电公司已选定信息化程度较好的某电厂进行试点工作,初步规划了火力发电5.0的框架、研究内容、实施办法.
下面是集团近期在火力发电领域已开展重要和难点设备的相关虚拟人工系统的工作:
1)锅炉燃烧虚拟人工系统构建
锅炉燃烧系统是火力发电的核心、是最复杂的单元.明确了建立基于虚拟人工模拟的锅炉燃烧优化及其控制研究,实现虚拟平行锅炉.建立三维温度场分析模型、煤质分析、火焰与氧气、排放的关系等。工作流程如图11.
虚拟人工锅炉与热态实验方式的优势比较如图12.
2)机组协调系统的虚拟人工系统
机组协调控制是火力发电的关键环节,规划建立实现火电机组协调优化的虚拟人工系统.采用大数据挖掘技术,分析煤质变化、司炉经验、负荷变化、排放要求等,形成虚拟人工模型;采用知识发现等人工智能技术,实现虚拟人工的协调控制模型.如图13,虚拟人工系统和DCS中的协调控制系统之间采用信息交互,实现数据驱动;采用平行引导,实现平行执行.设置投入/切除环节是为了增加系统的可靠性.
3)虚拟人工系统的信息架构
在信息管理的虚拟人工系统中,同样需要建设与传统信息系统对应的虚拟人工系统的信息系统,其架构分为四层(如图14).
智能IT平台:基础信息平台,提供各种运行的历史数据、实时数据及未来的预测数据.
运行操作知识自动化:利用手持移动设备、现场信息系统等,及时反馈现场信息,在后台知识库和远程专家指导下,进行现场作业;
运营管理协同化:业务战略驱动业务模型、业务模型驱动业务流程、业务流程驱动火力发电系统的运行,形成流程高度集成、业务高度协同、价值全局最优;
运营决策科学化:根据历史、实时及预测数据,采用数据驱动方式,实现事前科学预测、事中动态改进、事后全面分析.
例如当环保部门根据气象数据,提出了具体的环保指标信息要求后,虚拟的运行决策系统依据该指标,首先根据运营决策的人工流程,将指标分解到虚拟运行管理层;虚拟运行管理层基于其人工流程,进一步分解指标到运行操作层;运行操作自动化层根据实体能源各环节和机组设备的历史、实时及预测数据,通过社会计算方式,确定将该指标分解到各环节和设备,从而引导实际系统按优化方式运行.
4.3智能家居的能源系统设计和运行管理
传统的用电家居主要包括空调、冰箱、照明等电器设备,这些设备在用户侧,将用户所需的冷热电等耦合起来,根据人类的生活习惯、电网电价及其它信息进行运行管理,可以实现节能降耗、电网友好、参与需求侧管理等.如目前Opower公司拥有四成美国家庭的能源消费数据,与电气公司合作,获取家庭消费者的能源使用数据,为电气公司提供面向消费群体的节能方案,包括通过移动端推送能源账单,群发节能贴士类邮件,提供管控家用恒温器的软件服务等,可以减少用户电费支出、实现电网消峰填谷.
随着家庭分布式光伏发电、家用储能及家用电动车的发展,家庭和商业用电在用电量、电力、用电时刻及运行方式(可作为电网负荷从电网获取电力电量、也可作为发电电源向电网提供电力电量)等方面都发生了更大变化[55].分布式光伏的一次能源具有间隙、波动和随机性,形成光伏功率的不稳定性;电动车与人的出行习惯、驾驶习惯及交通状况密切相关,具有典型的社会性;储能既为电动车提供电能、也可解决光伏发电的不稳定性,同时给用户错时用更便宜的电提供了支撑.随着家庭和商业用电占比的急剧增加,需要研究其电力需求响应特性及需求侧管理.目前有多家公司,如美国EnerNoc、新西兰Powershop、德国GreenPacket和ParceOne等公司投资该领域,特别是美国特斯拉公司开发出了家用壁挂式储能(电)产品,与SolarCity光伏设备厂家联合采用该储能产品,解决了家用光伏功率不稳定,并可做移动电源使用.该公司的目标就是实现光伏+用户储能+电动车+能源控制软件,实现“颠覆汽车",还要”颠覆电网"的目标.
为了实现家居能源系统的有效管理,需要获得分布式光伏发电的预测、用能习惯、出行交通状况、参与需求侧的响应特性等.家居用能大多具有显著的个性化、社会性特征,是复杂系统.需要采用虚拟人工系统进行家居能源系统的设计、运行和管理,才能有效管理家居能源系统.
1)能源系统设计
根据当地天气状况、建筑特点、负荷状况、电价信息,确定光伏和储能.基于天气变化、光伏板运行老化、电池技术进步和运行状况、负荷特征及参与需求侧响应等,建立各环节的智能体模型,形成虚拟人工的多智能体系统,分析系统的经济性,实现系统的最佳设计.该系统需要适应天气变化、负荷变化及人类个性化和社会性影响,属于开放系统.可以基于虚拟人工系统,采用信息熵引导能源熵实现优化设计.
2)能源系统的运行控制
采集实际系统的各种运行信息,采用数据驱动,形成光伏预测智能体、光伏控制智能体、电池控制和管理智能体、负荷智能体、电动车智能体、配电网智能体及系统运行控制智能体等,组成家居能源系统的运行控制多智能体系统.基于历史、实时和预测信息,与虚拟人工的设计系统互动,在虚拟人工设计的搜索空间中,通过社会计算,获得最佳运行控制策略,进而采用平行执行,引导家居能源系统运行,实现家庭能源管理,如对家庭用电器的深度控制;基于生活习惯的大数据分析,提供能效分析和建议、个性化电价、节能方案等.
5结论与展望
本文结合工业和能源进程,分析在能源熵逐渐增加和能源\互联网+"时代,传统的仿真技术已不再适用,指出了发展能源5.0的必要性和迫切性,提出了能源5.0的理论、框架和技术,并说明能源5.0、社会物理信息系统(CPSS)及平行能源三者在应用中的一致性.最后将能源5.0理论和技术应用于具体案例中,验证能源5.0的理论架构和技术正确性.
当前我国正处在能源革命的关键时期,能源互联网是以电力系统为核心和纽带,具有\横向多能互补,纵向源网荷储协调"以及能源流和信息流双向流动强耦合的复杂互联系统,从而可以实现整个能源网络的\清洁替代、电力替代".能源互联网是实现充分接纳波动的可再生能源、电动车规模化以及与人类密切关联的需求侧响应的基础架构和可靠依托,是第三次工业革命的核心内容.需要将管理学、社会学、心理学融入用户行为模型,将人类社会泛在的节能、安全、排放、经济等信息,以及人类的思维、习惯、行为等因素纳入能源互联网系统中.因此能源互联网就形成典型的社会物理信息系统,即能源5.0.
通过能源5.0,可以实现:对物理能源世界、虚拟人工世界以及两者平行执行过程,进行动态监控,从而掌控能源流、信息流、人工系统过程;\以网络为中心"代替\以设备为中心"的管理和控制模式;信息流的信息规律、能源流的物理规律、人工系统的知识规律相互深度融合,从而引导能源系统符合社会需求、排放要求、具有个性化的优化运行.在能源互联网中,电力系统是核心和纽带.为实现电力系统的柔性运行,火力发电作为电力系统的主力机组,其柔性运行和控制具有核心地位,因此火力发电需要5.0化,即基于互联网模式,参与电网的运行控制,使电网从垂直化走向水平化、从集中式走向分布式,充分实现能源互联网,实现能源5.0。
