企業(yè)智慧能源管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與探討

郝 飛，鄭 狄，陳素君，莊懷東，陳根軍，唐 浩

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063210）

1 冶金企業(yè)能源管理概況

冶金企業(yè)的能源管理經(jīng)歷了單機(jī)設(shè)備與工序級的能源管理、基于能源介質(zhì)平衡的能源管理兩個主要階段[1]，并向著基于全流程優(yōu)化與系統(tǒng)節(jié)能思想的能源管理方向發(fā)展。能源管理包括能源在線監(jiān)測、重要耗能設(shè)備的能效分析和參數(shù)調(diào)整、工序及生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制、一體化軟件集成平臺、多能源介質(zhì)管理及優(yōu)化分析等。然而，由于能源系統(tǒng)要為生產(chǎn)工藝及流程服務(wù)，能源系統(tǒng)的建模、參數(shù)的在線優(yōu)化、能耗設(shè)備的優(yōu)化控制、能源介質(zhì)的優(yōu)化調(diào)度都不能隨意按照優(yōu)化目標(biāo)來進(jìn)行；生產(chǎn)及作業(yè)計劃的調(diào)整、檢修時間的不確定、誤工時間的粗放管理都增加了能源系統(tǒng)優(yōu)化的難度。因此，鋼鐵行業(yè)需要在“工業(yè)4.0”和“智能制造2025”的體系框架下，開展企業(yè)智慧能源體系及示范工程的建設(shè)，以跨界思維突破原來能源系統(tǒng)“重監(jiān)視管理，輕優(yōu)化調(diào)度”的管理模式，提升能源系統(tǒng)的綜合利用效率。

智慧能源是將先進(jìn)信息和通信技術(shù)、智能控制和優(yōu)化技術(shù)與現(xiàn)代能源供應(yīng)、儲運(yùn)、消費(fèi)技術(shù)深度融合，通過數(shù)字化、自動化、信息化、互動化、智能化、精確計量、廣泛交互、自律控制等功能，實現(xiàn)能源的優(yōu)化決策及廣域協(xié)調(diào)[2]。其中，自動化、信息化、數(shù)字化和精確計量是能源系統(tǒng)的基本特征，也是實現(xiàn)智慧能源的基本要素。智慧能源通過信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber Physical Systems）實現(xiàn)系統(tǒng)各主體間的信息互動，促進(jìn)“信息互聯(lián)”和“兩化深度融合”，實現(xiàn)能源系統(tǒng)運(yùn)行和調(diào)控的互動化、智能化、自律控制和廣泛交互，見圖1。

圖1 智慧能源基本特征之間的關(guān)系

本文根據(jù)冶金企業(yè)智慧能源的實際需求，借鑒電力、交通、化工、能源互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗[3-6]，對企業(yè)智慧能源的建設(shè)方案進(jìn)行探索，并給出智慧能源的設(shè)計思路和系統(tǒng)方案；同時，以鋼鐵企業(yè)為主要研究對象，提出了基于能源路徑的多能源介質(zhì)、多目標(biāo)、多模態(tài)的優(yōu)化導(dǎo)航技術(shù)，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和論述，旨在優(yōu)化管控系統(tǒng)的體系架構(gòu)，促進(jìn)智慧能源相關(guān)理念和技術(shù)的應(yīng)用實踐。

1 智慧能源的發(fā)展

1.1 發(fā)展概述

制造流程工業(yè)能源系統(tǒng)的發(fā)展可以劃分為模擬化、數(shù)字化、虛擬化、智能化4個階段，見圖2。

圖2 鋼鐵智慧能源技術(shù)的發(fā)展

在模擬化階段，制造流程工業(yè)暴露出能源管控深度不足、計量精度不夠、數(shù)據(jù)處理頻度過長、決策支持強(qiáng)度待提升、缺乏一體化多應(yīng)用支持平臺、能源管理體系不健全等問題。

在數(shù)字化階段，制造流程工業(yè)通過數(shù)字化手段提升了生產(chǎn)、設(shè)備、調(diào)度、決策等各環(huán)節(jié)的管控力度，達(dá)到控制精準(zhǔn)、管理到位的目的，并為實現(xiàn)生產(chǎn)全流程閉環(huán)控制與智能化管理打下基礎(chǔ)。

虛擬化階段，旨在實際系統(tǒng)和人工系統(tǒng)之間建立健康的評估反饋機(jī)制，搭建一座信息交互的橋梁，并不斷促進(jìn)兩類系統(tǒng)的融合。在這一階段，通過優(yōu)化控制、培訓(xùn)學(xué)習(xí)等手段的具體實現(xiàn)，形成了能源系統(tǒng)中的平行管理系統(tǒng)、平行評估系統(tǒng)和平行培訓(xùn)系統(tǒng)，加強(qiáng)了調(diào)度運(yùn)行人員對鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程、能源系統(tǒng)的運(yùn)行特征及智能化調(diào)度的深刻認(rèn)識和實踐。

而在智能化階段，智能控制、智能決策和智能調(diào)度是其三大實現(xiàn)方式，需要采用新技術(shù)、跨界思維和不同行業(yè)先進(jìn)理念，在云平臺技術(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、知識自動化、先進(jìn)控制策略、智能運(yùn)維和全流程系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建適合鋼鐵企業(yè)全流程的智能化管理體系和管控系統(tǒng)。

1.2 發(fā)展方向

1.2.1 一體化協(xié)同管控

一體化協(xié)同管控立足于智慧能源本身，關(guān)注制造流程、生產(chǎn)過程、能源管理，整合生產(chǎn)、能源、物流、銷售、財務(wù)等資源。橫向?qū)⑽锪鞴芾?、生產(chǎn)調(diào)度、環(huán)保監(jiān)測、安防監(jiān)控等信息進(jìn)行整合，實現(xiàn)各個中心間的協(xié)同和信息主體的互動響應(yīng)；縱向采集各工藝系統(tǒng)、設(shè)備、用能用戶的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一體化的集中監(jiān)控和智慧監(jiān)盤、能源調(diào)度的知識決策分析、基于能源路徑的優(yōu)化導(dǎo)航、精細(xì)化的能源管理，提高全息感知和多專業(yè)交互能力。

以某鋼鐵企業(yè)為例，該企業(yè)整個能源中心的數(shù)據(jù)包括了主體生產(chǎn)工藝的過程控制數(shù)據(jù)、動力能源系統(tǒng)的計量數(shù)據(jù)、巡檢調(diào)度的流程化數(shù)據(jù)、物流管理中心的運(yùn)輸和存儲數(shù)據(jù)、ERP系統(tǒng)的生產(chǎn)訂單及合同數(shù)據(jù)，因此需要建立一體化的協(xié)同管控平臺把各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)管好、用好，發(fā)揮數(shù)據(jù)本身的最大價值，提升能源中心的協(xié)作能力，見圖3。

圖3 一體化協(xié)同管控

1.2.2知識型調(diào)度管控

人工決策嚴(yán)重依賴高水平、經(jīng)驗型的工作者，操作決策具有主觀性和差異性。知識決策源自于知識自動化的發(fā)展，旨在通過機(jī)器實現(xiàn)基于知識自動處理的建模、控制、優(yōu)化及調(diào)度決策的理論、方法和技術(shù)，其包括了數(shù)據(jù)歸集、知識獲取、知識表示、知識重組、知識關(guān)聯(lián)和知識推理。從統(tǒng)計機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)控制到平行控制，知識自動化領(lǐng)域獲得了快速的發(fā)展，也推進(jìn)了知識決策支持技術(shù)的不斷進(jìn)步。

鋼鐵企業(yè)只有實現(xiàn)具有智能的知識自動化系統(tǒng)，發(fā)展適合自身需求的知識決策支持技術(shù)，才能提升鋼鐵制造工業(yè)化水平，解決工業(yè)生產(chǎn)高效化和綠色發(fā)展的核心問題。某鋼鐵企業(yè)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動、知識決策、多智能體等人工智能技術(shù)，對能源系統(tǒng)進(jìn)行建模、推理和控制。結(jié)合現(xiàn)有多種機(jī)器學(xué)習(xí)的優(yōu)點，充分利用了平行控制和平行管理的理論和特點，建立多類型的人工系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)，如燃?xì)鈱＜蚁到y(tǒng)、供水專家系統(tǒng)、蒸汽專家系統(tǒng)、供電專家系統(tǒng)等，把數(shù)據(jù)和經(jīng)驗知識化、規(guī)則化、智能化，為實現(xiàn)基于能源路徑的多能源介質(zhì)、多目標(biāo)、多模態(tài)的優(yōu)化導(dǎo)航體系打下基礎(chǔ)。

1.2.3 多能源介質(zhì)的綜合優(yōu)化

多種能源介質(zhì)的優(yōu)化分析是以各個子系統(tǒng)的優(yōu)化分析結(jié)果為基礎(chǔ)，采用分層遞階的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層優(yōu)化分解。以上述鋼鐵企業(yè)為例，其具體實現(xiàn)步驟包括：

1）建立各工序的工序能耗模型。該企業(yè)主工序主要可分為焦化、石灰窯、燒結(jié)、球團(tuán)、高爐、噴煤、鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐、鋼包精煉、RH精煉、CAS精煉、連鑄、加熱爐、熱軋、冷軋、熱處理等。據(jù)此建立各個工序的能耗模型，能耗模型中要涵蓋本工序所需要的主要能源介質(zhì)及具體的數(shù)量，并將物料也作為能耗模型中的一部分。

2）建立能量需求模型和回收能量模型。把各個工序需要的能量需求綜合起來，建立平衡關(guān)系，確定能量回收利用模型。

3）建立焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣循環(huán)利用中關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行動態(tài)仿真，了解相關(guān)關(guān)鍵量測點的變化，如：建立煤氣柜的數(shù)學(xué)模型，分析計算煤氣流量的波動、分析煤氣柜位的變化趨勢和管網(wǎng)壓力波動情況。

4）分介質(zhì)能源優(yōu)化分析。結(jié)合生產(chǎn)工藝流程和各種能源介質(zhì)的流程網(wǎng)絡(luò)模型，分別通過對煤氣介質(zhì)、蒸汽介質(zhì)、電力能源的優(yōu)化分析，蒸汽—水的調(diào)控分析得到分介質(zhì)的優(yōu)化分析結(jié)果。

5）多種能源介質(zhì)的綜合優(yōu)化分析。采用分層遞階的優(yōu)化調(diào)度算法，根據(jù)介質(zhì)關(guān)聯(lián)度，將介質(zhì)分為燃?xì)?、蒸汽—電、技術(shù)氣體—壓縮空氣、水4種介質(zhì)。對這4種介質(zhì)，可以先單獨建立優(yōu)化和調(diào)配方案和制定優(yōu)化算法，然后在按照它們彼此間的關(guān)系建立分級遞階協(xié)調(diào)求解。綜合優(yōu)化程序框圖見圖4。

圖4 綜合優(yōu)化程序框圖

2 智慧能源的實踐路徑

鋼鐵企業(yè)智慧能源的技術(shù)發(fā)展不僅需要充分挖掘自身潛力，還需要借鑒其他行業(yè)的技術(shù)成果為我所用，進(jìn)行融合創(chuàng)新，實現(xiàn)信息互聯(lián)，打造鋼鐵行業(yè)完全自主化的智慧調(diào)控與服務(wù)平臺。對內(nèi)降本增效、對外互通互聯(lián)，充分利用電力市場改革、綜合能源快速發(fā)展的契機(jī)，有效促進(jìn)能源和信息深度融合，實現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源的綜合梯級利用。

2.1 智慧能源的設(shè)計思路

鋼鐵企業(yè)智慧能源的設(shè)計思路包括智慧能源導(dǎo)航路徑生成、智慧能源優(yōu)化導(dǎo)航、智慧能源互動響應(yīng)、智慧能源智能化控制4個方面，見圖5。

圖5 智慧能源的設(shè)計思路

1）智慧能源導(dǎo)航路徑生成：借助高德地圖，建立不同能源介質(zhì)的能源路徑圖，基于CPS建模理念將數(shù)字化地圖和流程網(wǎng)絡(luò)模型融入到能源系統(tǒng)中，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化建模和動態(tài)展示。

2）智慧能源優(yōu)化導(dǎo)航：借鑒無人駕駛技術(shù)，優(yōu)化能源系統(tǒng)的導(dǎo)航模式，建立實時態(tài)導(dǎo)航，提高調(diào)度員的運(yùn)行調(diào)度水平；通過歷史反演導(dǎo)航模式對歷史事件的發(fā)生和處理進(jìn)行評估分析，總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)急處理能力；結(jié)合能源短期供需預(yù)測預(yù)測數(shù)據(jù)，形成能源系統(tǒng)未來態(tài)研究場景，合理安排能源供應(yīng)路徑和數(shù)量，進(jìn)一步提高能源的利用效率。

3）智慧能源互動響應(yīng)：借助云服務(wù)，結(jié)合云技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理分析，通過手機(jī)App，在移動作業(yè)、智能運(yùn)維、指標(biāo)管理考核等方面建立標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程、智能化和互動化的運(yùn)維手段、實時監(jiān)督的能源管理考核指標(biāo)體系，實現(xiàn)能源各級人員工作的流程化、智能化和自律控制。

4）智慧能源智能化控制：借鑒智慧電廠經(jīng)驗，基于無人值守的實際需求，建立能源區(qū)域、管網(wǎng)和主要設(shè)備的三維模型，結(jié)合視頻監(jiān)控，提高鋼鐵企業(yè)重要安全區(qū)域的數(shù)字化和自動化水平。

2.2 智慧能源的系統(tǒng)方案

基于鋼鐵企業(yè)智慧能源的設(shè)計思路，為了實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新，在自主知識產(chǎn)權(quán)的能源管控平臺的基礎(chǔ)上，在平臺軟件、支撐技術(shù)上進(jìn)行深度的研究和開發(fā)[7-11]，形成了“1個中心+6種支撐技術(shù)”的軟件體系架構(gòu)。

“1個中心”為一體化全景數(shù)據(jù)采集和分析中心，實現(xiàn)各類能源數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、歸集、展示和管理，充分利用數(shù)據(jù)中心的多元數(shù)據(jù)，建立信息能源系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)平臺，將數(shù)學(xué)模型、統(tǒng)計分析融入到大數(shù)據(jù)分析中，結(jié)合生產(chǎn)管理經(jīng)驗開發(fā)專家系統(tǒng)或智能制造系統(tǒng)，通過不斷地模擬和學(xué)習(xí)，提升系統(tǒng)的實用化和智能化，提高整個能源系統(tǒng)的運(yùn)維水平。

“6種支撐技術(shù)”分別為能源介質(zhì)流程網(wǎng)絡(luò)建模與仿真、統(tǒng)計分析與知識決策、專家系統(tǒng)支持與服務(wù)、智慧能源管理、三維GIS服務(wù)與展現(xiàn)、云服務(wù)架構(gòu)支持，為實現(xiàn)智慧能源導(dǎo)航路徑生成、優(yōu)化導(dǎo)航、互動響應(yīng)、智能化控制提供技術(shù)支撐：1）能源介質(zhì)流程網(wǎng)絡(luò)建模與仿真將能源系統(tǒng)連接起來，形成智慧能源的導(dǎo)航路徑，其結(jié)合廠區(qū)的能源系統(tǒng)實際位置布局，力求真實準(zhǔn)確地反映能源的實際路徑。2）在表現(xiàn)方式上，其結(jié)合最新的展示技術(shù)，融合三維GIS服務(wù)與展現(xiàn)，體現(xiàn)出不同能源的特征，并為優(yōu)化導(dǎo)航打下基礎(chǔ)。3）統(tǒng)計分析與知識決策、專家系統(tǒng)支持與服務(wù)共同為智慧能源優(yōu)化導(dǎo)航服務(wù)，通過不同用戶的應(yīng)用場景分析，構(gòu)建實時優(yōu)化導(dǎo)航、歷史反演評估、未來態(tài)優(yōu)化導(dǎo)航、平行態(tài)優(yōu)化導(dǎo)航4種導(dǎo)航模式，并覆蓋煤氣系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)等能源介質(zhì)。4）智慧能源管理將能源導(dǎo)航路徑、網(wǎng)絡(luò)化模型、設(shè)備能效和參數(shù)優(yōu)化、能源介質(zhì)產(chǎn)消預(yù)測、能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度等內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來，并通過數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的手段進(jìn)行展示和集成，滿足智慧能源廣泛交互和自律控制的要求。5）在云服務(wù)架構(gòu)下，通過開發(fā)手機(jī)App軟件，增強(qiáng)能源系統(tǒng)的實時互動，打通上下游及不同專業(yè)之間的信息壁壘，實現(xiàn)互聯(lián)互通和流程化作業(yè)。

2.3 能源優(yōu)化導(dǎo)航的實現(xiàn)方法

鋼鐵企業(yè)的智慧能源要充分利用鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)流程多層次性、多尺度性、有序性和混沌性的特點，建立基于能源路徑的多能源介質(zhì)、多目標(biāo)、多模態(tài)的優(yōu)化導(dǎo)航，實現(xiàn)基于能量流網(wǎng)絡(luò)仿真的鋼鐵工業(yè)多能源介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配[12]。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，圍繞智慧能源的優(yōu)化導(dǎo)航，對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和探討，分別從能源路徑的構(gòu)建、綜合運(yùn)行駕駛艙、知識決策、優(yōu)化導(dǎo)航4個主要方面進(jìn)行論述，力求改變現(xiàn)在能源系統(tǒng)的現(xiàn)狀，融入更多的跨界思維和理念，在智能制造的框架上，提升能源系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用深度和廣度。

2.3.1 能源路徑的構(gòu)建

鋼鐵智慧能源導(dǎo)航路徑簡稱為 “能源路徑”，是實現(xiàn)優(yōu)化導(dǎo)航的基礎(chǔ)，要能反映不同能源介質(zhì)的能量流、物質(zhì)流和信息流，要把能源系統(tǒng)中的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、緩沖、消耗等各個環(huán)節(jié)連接起來，形成一個完整的能源路徑；并能夠根據(jù)設(shè)備狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)動態(tài)連接和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?。同時，能源路徑是各種能源介質(zhì)傳輸?shù)耐ǖ?，也受到壓力、平衡、檢修和計劃等諸多約束。這些參數(shù)或信息都需要在能源路徑中通過定義狀態(tài)顏色來進(jìn)行渲染。因此，需要引入冶金流程工程學(xué)中的流程網(wǎng)絡(luò)理論[13]，將鋼鐵制造流程中性質(zhì)不同的各種工序，按照“流”“網(wǎng)絡(luò)”“流程網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行劃分，將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單化、立體化，明確流程網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)生節(jié)點、終止結(jié)點、匯集結(jié)點、中間結(jié)點；同時，通過連結(jié)器將上述結(jié)點連接起來，通過“程序”將能源系統(tǒng)中各種形式的序、規(guī)則、策略和途徑的集合形式化，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動整個網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。

在智慧能源中需要完成煤氣、蒸汽、電力、水和技術(shù)氣體等子系統(tǒng)的能源路徑構(gòu)建，因此需要采用一種能反映不同“流”的通用的拓?fù)淠Ｐ?，實現(xiàn)人機(jī)界面模型、工藝設(shè)備物理模型、數(shù)據(jù)庫模型的統(tǒng)一管理和維護(hù)，為各種能源介質(zhì)的優(yōu)化導(dǎo)航提供最真實的能源路徑。文獻(xiàn)[14]提供了一種鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)流程網(wǎng)絡(luò)建模方法，實現(xiàn)了基于流程網(wǎng)絡(luò)的圖模庫一體化建模和拓?fù)浞治?，解決了能源介質(zhì)優(yōu)化分析中的“連接”問題[14]。文獻(xiàn)[15]通過拓?fù)浞治?、管網(wǎng)仿真等技術(shù)將能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，并將其應(yīng)用到煤氣系統(tǒng)的建模、網(wǎng)絡(luò)分析、供需分析和優(yōu)化調(diào)度，取得了較好的應(yīng)用效果，值得借鑒[15]。

2.3.2 綜合運(yùn)行駕駛艙

綜合運(yùn)行駕駛艙提供能源系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視和預(yù)警、信息挖掘、輔助決策與控制，服務(wù)于系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行和調(diào)度決策。在與各種能源介質(zhì)的能源路徑、實時數(shù)據(jù)和決策信息相結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過綜合運(yùn)行駕駛艙的人機(jī)界面能對能源系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和決策，為優(yōu)化導(dǎo)航提供一站式全景操控場所，將智能調(diào)度的運(yùn)行監(jiān)控、管理維護(hù)、分析決策相融合，利用現(xiàn)代計算機(jī)圖形技術(shù)、動畫現(xiàn)實技術(shù)等可視化技術(shù)，將復(fù)雜的調(diào)度需求通過動態(tài)、靈活、實物化的方式進(jìn)行展示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與警示，并支持靈活控制和智能調(diào)度，為智慧能源的可測、可視、可控和可愈提供人機(jī)界面和操控基礎(chǔ)[16]。為了實現(xiàn)智慧能源的優(yōu)化導(dǎo)航，需要建立能源系統(tǒng)的綜合運(yùn)行駕駛艙，縱向按照能源發(fā)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、緩沖、消耗5個環(huán)節(jié)，橫向按照安全指標(biāo)、優(yōu)質(zhì)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)保指標(biāo)4個維度進(jìn)行指標(biāo)的分類和構(gòu)建；結(jié)合知識自動化的數(shù)據(jù)驅(qū)動理念，通過3大驅(qū)動引擎（運(yùn)行KPI引擎、決策分析引擎、運(yùn)行操作引擎），將數(shù)據(jù)、計算、優(yōu)化、流程有機(jī)結(jié)合起來，實現(xiàn)“前端監(jiān)控”與“后端優(yōu)化”的實時互動。

2.3.3 優(yōu)化導(dǎo)航的實現(xiàn)

能源路徑的構(gòu)建解決了能源系統(tǒng)的 “路”的問題，綜合運(yùn)行駕駛艙提供了一輛可以滿足無人駕駛的“車”，知識決策是一個通過數(shù)據(jù)和事件驅(qū)動的“引擎”，優(yōu)化導(dǎo)航的實現(xiàn)要借鑒高德地圖中的目標(biāo)設(shè)定、多路徑規(guī)劃、多目標(biāo)導(dǎo)航、分析預(yù)警、信息推送、路況實時播報等功能，將冶金流程工程學(xué)與節(jié)能系統(tǒng)理論結(jié)合起來，把系統(tǒng)性的建模技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)的軟件化、多維場景的人機(jī)界面展示、多尺度的能源預(yù)測、專家系統(tǒng)和知識決策、多能源介質(zhì)的優(yōu)化調(diào)度等方面研究成果真正利用起來，建立基于能源路徑的多能源介質(zhì)、多模態(tài)、多目標(biāo)的優(yōu)化導(dǎo)航體系，推動智慧能源管理的發(fā)展和應(yīng)用實踐：1）多能源介質(zhì)。應(yīng)包括煤氣、蒸汽、電力、水、技術(shù)氣體等能源系統(tǒng)，采用基于流程網(wǎng)絡(luò)的圖模庫一體化建模技術(shù)，實現(xiàn)各種能源介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)化建模，完成能源路徑的構(gòu)建。2）多目標(biāo)。根據(jù)各種能源介質(zhì)的優(yōu)化分析需求，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，例如最小運(yùn)行成本、最大發(fā)電、生產(chǎn)優(yōu)先、放散最小、能耗最小、能效最高等，可以充分利用以往的研究成果，通過智慧能源的管控平臺提供的云服務(wù)架構(gòu)，實現(xiàn)邊界控制和多源計算。3）多模態(tài)。按照時間維度分為實時態(tài)、歷史反演、未來態(tài)、平行態(tài)4種能源的運(yùn)行場景，并通過數(shù)據(jù)中心構(gòu)建各個模態(tài)的數(shù)據(jù)集合，保證各種模態(tài)下優(yōu)化導(dǎo)航的可達(dá)性。

2.4 案例分析

以某鋼鐵企業(yè)煤氣系統(tǒng)實時態(tài)導(dǎo)航為例，簡述優(yōu)化導(dǎo)航的具體實現(xiàn)過程。

1）首先建立煤氣系統(tǒng)的流程網(wǎng)絡(luò)模型，通過管網(wǎng)將相關(guān)的工序和設(shè)備都連接起來，形成了能源產(chǎn)、輸、配、用的完整網(wǎng)路，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化煤氣系統(tǒng)，完成能源路徑的構(gòu)建，其中包括了4種不同的種類的煤氣：焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、天然氣，并以不同的拓?fù)漕伾M(jìn)行區(qū)分。

2）工序設(shè)備和管網(wǎng)的建模，并能夠根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管網(wǎng)仿真，以評估操作后管網(wǎng)的壓力、節(jié)點流量和供給用戶的煤氣參數(shù)的變化。

3）對于包含多種煤氣的管網(wǎng)仿真需要對混合后的煤氣的熱值、成分等信息有精確的測量，這樣仿真的結(jié)果才可用。

4）在煤氣系統(tǒng)發(fā)生一個事件擾動時，如“20 min后#1高爐休風(fēng)”，在這樣的一個簡單的運(yùn)行場景中，優(yōu)化導(dǎo)航利用后臺軟件提供豐富的知識決策引擎進(jìn)行計算分析，具體流程為：（1）獲取未來要發(fā)生的擾動事件，獲取方式一般是來自于設(shè)備的計劃數(shù)據(jù)，包括作業(yè)計劃、檢修計劃、臨時事故處理計劃等；（2）選擇優(yōu)化目標(biāo)“煤氣不足調(diào)整”，重新進(jìn)行煤氣的優(yōu)化分配，此時需要知道能源路徑中相關(guān)設(shè)備在未來一段時間內(nèi)的煤氣發(fā)生和消耗情況，因此需要獲取到超短期負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，進(jìn)行多周期的滾動優(yōu)化，以判斷如何進(jìn)行相應(yīng)的煤氣消耗量調(diào)整；（3）調(diào)度員根據(jù)知識決策信息進(jìn)行綜合判斷，提前通知相關(guān)方；（4）操作前調(diào)度員可以保存當(dāng)前操作界面到能源管理斷面（EMSCASE），這樣所有的模型、數(shù)據(jù)都被存儲到一個文件中；（5）操作后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)度員再保存一個EMSCASE，為事后就做研究分析和評估提供研究場景；（6）調(diào)取保存的EMSCASE斷面到研究態(tài)，進(jìn)行優(yōu)化操作和培訓(xùn)，提高調(diào)度水平。在這里引入了EMSCASE的管理，將擾動時刻的發(fā)生時刻、處理過程和評估結(jié)果，按照時間斷面保存到數(shù)據(jù)中心，可以通過歷史反演進(jìn)行重現(xiàn)，并可以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：1）智慧能源的發(fā)展首先要具有“物理分布、邏輯統(tǒng)一”的全新架構(gòu)自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件平臺，需要構(gòu)建統(tǒng)一的支撐平臺，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、分析存儲、平衡分析、優(yōu)化調(diào)度、基礎(chǔ)能源管理等基本功能；可以整合多能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，挖掘信息和數(shù)據(jù)價值，全面提升智慧能源信息處理和智能決策能力，實現(xiàn) “全業(yè)務(wù)信息感知、全系統(tǒng)協(xié)同控制、全過程在線決策、全時空優(yōu)化平衡、全方位負(fù)荷調(diào)度”的愿景。2）平臺要支持能源系統(tǒng)流程網(wǎng)絡(luò)建模、機(jī)理建模和數(shù)據(jù)建模手段，具有能源系統(tǒng)管網(wǎng)建模和仿真功能，為能源路徑的構(gòu)建和優(yōu)化導(dǎo)航打下基礎(chǔ)。3）要具備完全自主化的集成能力，從硬件平臺、操作系統(tǒng)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、軟件平臺、功能應(yīng)用等都可以靈活配置和即插即用。4）要建立基于能源路徑的多能源介質(zhì)、多目標(biāo)、多模態(tài)的能源系統(tǒng)優(yōu)化導(dǎo)航體系，需要知識決策、專家經(jīng)驗和優(yōu)化調(diào)度算法作為后臺的驅(qū)動引擎，需要進(jìn)行不斷的收集、積累和創(chuàng)新，需要更多人去關(guān)注和研究。5）要以全流程能源系統(tǒng)的理念對能源系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，要充分挖掘自身潛力，在智能制造的框架下，以跨界思維借鑒其他行業(yè)的技術(shù)成果，促進(jìn)能源管控的技術(shù)發(fā)展和融合創(chuàng)新，形成完整全面、實用高效的智慧能源管理體系和技術(shù)應(yīng)用。