北极星智能电网在线讯:摘要：分析推动工业进程和能源进程交互发展的因素和趋势,结合能源互联网的发展要求,提出了建立能源5.0的迫切性和必要性.着重讨论了在网络化之后,能源系统呈现的社会性问题,认为在传统方式之外,必须引入人类社会学、管理学等软科学进行分析建模;指出了虚拟人工系统根本不同于传统仿真系统等理念,只有利用虚拟人工模型,采用平行系统,才能建立能源5.0.阐述了能源5.0的理论、框架和技术,明确了能源5.0、基于社会物理信息系统(Cyber-physical-socialsystem,CPSS)的平行能源是等价的概念.指出能源5.0核心是构建与实际能源系统同构的虚拟人工能源系统,通过虚拟人工能源系统的计算实验,确定优化控制策略,引导实际能源系统运行,并使虚拟人工系统和实际系统平行执行、共同演化,形成智能能源系统.最后以华电集团已经完成的分布式能源5.0示范项目和正在实施的火力发电5.0项目及智能家居能源系统,探讨了能源5.0的研究内容、技术途径及应用前景.
关键词：能源5.0,人工能源系统,平行能源系统,智能能源系统,社会物理信息系统
1.能源系统的再认识
1.1能源概念
能源是一个物理化学的概念,能源消耗是一种物理化学现象.根据中国的《能源百科全书》:“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源".能源是一种呈多种形式的,且可以相互转换的能量源泉,是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源.能源转换的主要科学依据是牛顿定律、电磁定律、热力学定律等.其中热力学第一定律认为在一个热力学系统内,能量可转换,即可从一种形式转变成另一种形式,但不能自行产生,也不能毁灭.其基本观念是\物质不灭"和\能量守恒",且物质的转化存在一定的条件和边界.热力学第二定律的基本观念是能量只能沿着耗散的方向转化,因此热力学第二定律又称\熵定律",能量具有熵增特性.即尽管能量是守恒的,尽管物质是不灭的,但能量的质量将会衰减,有效、优质、便于利用和低成本的能量会越来越少,无效、低品位、难以再利用和成本昂贵的能量将会越来越多.
工业发展离不开能源的支撑,同时能源的发展也离不开工业技术的支持,同时能源行业也属于工业的一个门类.随着工业技术和信息技术进步,人们可以充分利用信息控制技术有效控制能源系统,使能源的开发、变换、使用和管理更加科学化,即在有意的信息熵的控制下,使能源熵增速度减缓,从熵的角度,实现能源熵和信息熵的平衡,从而有效利用资源,控制能源熵增的速率,保持能源的可持续发展.本论文正是基于能源熵和信息熵平衡的观念,考虑能源生产消费的全过程中的设备、系统、管控、及社会等因素,提出在更大范围更大程度上更加深入的系统整合,使能源流和信息流充分融合、互动,实现信息、物理(能源)和社会的深度融合,即迈入能源5.0的时代.
1.2工业发展历程
工业进程从机械化、电气化、信息化、网络化到平行化发展历程(图1),可以看出其推动力在于工业技术的不断进步.工业1.0,核心设备蒸汽机出现,使人类社会从手工业进入初级工业的机械化时代;工业2.0,核心设备电机等电力设备设施的出现,引领工业进入电气化时代;工业3.0,计算机和微电子芯片的出现,实现了人脑部分功能,进入了信息化时代;工业4.0,核心设备路由器出现,将众多计算机互联,进入了网络化时代,使得信息和物理系统融合加深,形成了信息物理系统(Cyber-physicalsystem,CPS);工业5.0,网络化应用的加深,特别是互联网+,进一步加深信息和物理系统的融合、并使工业与人类社会充分融合,形成了更为复杂的系统,即社会物理信息系统(Cyber-physical-socialsystem,CPSS),该系统的核心设备是虚拟人工系统,运行模式将引领工业进入平行化时代.
1.3能源发展历程
能源1.0是自然能源阶段,主要是自然光和薪柴等自然能源的使用,无需工业技术的支撑,属于原始能源阶段;在工业1.0技术推动下,能源行业进入了2.0时代,蒸汽机将化石能源转化为热能和机械能,机械能和热能的应用是能源2.0的主要标志;工业2.0的电力需求以及技术驱动,能源进入了3.0时代,主要是发电机实现电力系统及广泛的电机驱动系统,能源进入了电气化时代.随着工业3.0的信息化技术在电力系统的推广,目前的电力系统本身具有较高的信息化水平,但较少考虑一次能源和终端能源使用对能源系统的影响.目前电力系统采用发电跟随负荷的基本控制模式,致使电力呈现垂直化管理、运行低效等特征.特别是在风光大量接入、分布式发展、电动车储能等需求推动和工业4.0技术提供的互联网支撑下,能源进入了能源互联网时代,即能源4.0.
可以看出正是由于能源本身具有熵增的趋势,致使方便使用的能源越来越少,因而必须借助于不断发展的先进工业技术,充分利用风光等各种能源,
采用多能源互补模式,才能实现能源的安全供应.因而借助于互联网+,提出了能源5.0.充分利用工业5.0的平行理论和技术,应用于能源行业,形成平行能源.
1.4能源5.0提出必要性和紧迫性
本文认为:在能源4.0还没有完全实现的情况下,迫切需要提出能源5.0.主要原因:能源互联网将多种能源连接起来,使多能耦合复杂;基于能源价格、环保排放、安全等社会信息,人类消费能源的行为和心理更为复杂;能源转换和使用设备的信息化、能源耦合系统互动、人类社会信息对能源生产消费的影响等,使信息控制对能源系统的影响更为深刻.
在社会及社会信息方面,能源4.0很少考虑且很难考虑.目前就电力负荷来说,仅是给出负荷的统计曲线,没有考虑人类活动和习惯与电力负荷和发电的交互影响.人类活动属于社会学范畴,能源负荷中存在大量的社会信息,需要采用社会学的方式建模分析.特别是能源的本质就表明能源就是为人类社会服务的,其生产和使用打上了强烈的人类社会属性.因此研究能源4.0必须计及人类社会信息与能源的关系,因此需要研究能源5.0.
在信息和物理系统的融合作用方面,传统CPS系统还没有找到可靠可信的理论和方法,分析信息对物理系统的作用,无法展开对工业系统的CPS深度融合的机理和控制方法研究.如果能源4.0沿用工业4.0的理论和技术,同样会陷入困境.特别指出的是,由于能源本身的社会属性,与人类社会的活动及社会信息的密切耦合关系,且能源互联网进一步将各种能源集成、各种通信方式综合、信息和能源联系更为密切,使人类选择和使用能源的心理、经济、决策等更为复杂多样.如果仅采用4.0的概念而不考虑复杂人类行为和社会信息对能源系统的影响,则能源系统的运行会陷入更大的困境.因此迫切需要采用能源5.0的相关理论和技术。
2能源5.0的理论基础
2.1能源的属性
1)能源的物质属性(P)
能源的物质属性表现为,能源来源主要有:煤炭、石油、天然气等化石能源;水力、风力、太阳能、生物质能等可再生能源;以及核电等.能源的使用形式主要有:冷、热、光、机械动力和电力等.能源转换、使用设备和系统主要有:锅炉、蒸汽机、汽轮机、发电机、电动机及各种用电设备等形成的复杂设备和系统.近年来发展的分布式能源、储能、冷热电联产及电动车等更增加了能源生产和使用设备的多样性复杂性.能源系统必然受到能源内在规律的支配,如电力系统中的功率瞬时平衡,使得能源的物质属性表现出强的关联性和因果律.
2)能源的社会属性(S)
能源的社会属性主要表现在三个方面:
a)人类参与能源生产的社会特性
在能源生产过程中,从能源系统的规划、设计、安装、运行控制、维修管理等各个环节,均有人类参与.人类的知识水平、技能及主观意识和心情都会影响到能源系统,使能源系统表现出社会特性.如在火力发电的锅炉控制中,同样锅炉运行状态,不同操作人员及操作人员在不同时段,统计结果表明会引起锅炉效率至少0.5%以上的变化,特别是当锅炉运行在非额定状态下,操作人员对锅炉效率影响更大.
