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，是國民經濟的命脈，關乎國家根本。如何在確保人類社會能源可持續(xù)供應的同時減少用能過程中的環(huán)境污染，是當今世界各國能源問題研究的核心。近年來，中國能源工業(yè)發(fā)展面臨的安全、效率與環(huán)境問題日益突出，亟需提高能源利用效率，并實現(xiàn)可再生能源規(guī)?；_發(fā)，以緩和日益凸顯的能源需求增長與能源緊缺、環(huán)境保護之間的矛盾。

為適應未來經濟社會發(fā)展的需要和人類社會能源領域的變革，全面支持清潔能源和低碳經濟發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)應運而生。綜合能源系統(tǒng)的出現(xiàn)，打破了原有的各供能系統(tǒng)單獨規(guī)劃、單獨設計和獨立運行的既有模式，轉而進行社會能源系統(tǒng)的一體化規(guī)劃設計和運行優(yōu)化[1]。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)將成為未來能源生產應用的主要形式，與傳統(tǒng)獨立單一的能源系統(tǒng)相比，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)涉及多種能源生產、傳輸、應用的各個環(huán)節(jié)，表現(xiàn)出完整的物理屬性、信息屬性和社會屬性，是典型的信息物理社會系統(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)更加復雜。

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

另一方面，信息物理社會系統(tǒng)的關鍵驅動因素是信息，在能源價格、環(huán)保引導、安全指引等社會信息的影響下，能源消費者的行為和心理更加復雜。例如，隨著階梯電價和峰谷電價的推行，用戶將獲得更多的激勵，改變用電行為，對用電成本將更加敏感；用戶希望獲得更加及時準確的電價信息，也對能源服務商的服務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用電行為的重要因素。

多種能源的耦合以及信息-物理-社會層面的耦合為綜合能源系統(tǒng)的管理優(yōu)化帶來新的挑戰(zhàn)，因此，充分考慮人類社會信息對能源生產消費的深遠影響，建設與用戶友好互動的綜合能源系統(tǒng)，為用戶提供及時準確的能源信息，滿足多元化客戶需求，并在該基礎上合理調配多種能源，實現(xiàn)高效用能和綠色低碳，將是未來區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)的發(fā)展方向。

目前大多數的研究工作主要圍繞某個單一系統(tǒng)或者某個工作點展開，無法充分反映能源系統(tǒng)的運行狀況，致使系統(tǒng)運行保守。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層面的問題，基于預測模型的系統(tǒng)仿真沒有考慮到人類的社會活動和能源負荷中存在的大量社會信息[2]。能源本質上為人類社會服務，其生產和使用具有人類社會屬性，因此對于能源的研究必須涉及人類社會信息與能源供用的關系，在該過程中，計算機科學、控制技術、通信網絡以及人工智能等信息科學和技術將成為區(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)是典型的復雜系統(tǒng)，體現(xiàn)出兩個重要特征：

1)不可分離性。由于各種能源相互耦合，在生產與傳輸過程中互相轉化，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的全局行為無法通過對其部分系統(tǒng)的獨立分析來分析和優(yōu)化。相反，系統(tǒng)作為一個整體決定其各部分的行為。

2)不可預測性。由于能源的社會屬性和人類社會行為的不確定性，整個區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)無法用傳統(tǒng)模型精準預測，尤其對于擁有可再生能源如光伏發(fā)電、風力發(fā)電等的綜合能源系統(tǒng)，供給側和需求側的雙重不確定性使得系統(tǒng)的全局預測更加困難。

對于綜合能源系統(tǒng)面臨的管理和優(yōu)化問題，沒有一成不變、一勞永逸的解決方案。理想的解決方案應該具有適應性，并能夠從實際系統(tǒng)的運行過程和經驗問題中學習。針對現(xiàn)代控制理論無法控制復雜系統(tǒng)的問題，平行控制理論為復雜系統(tǒng)的控制研究提供了一個全新的思路和視角。

平行控制在傳統(tǒng)的小閉環(huán)控制的基礎上，增加了考慮社會要素的大閉環(huán)控制，構成了平行控制系統(tǒng)的實際部分(實際系統(tǒng))，在該基礎上，建立與實際系統(tǒng)等價的人工系統(tǒng)，從而構成雙閉環(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)、計算實驗和平行控制，即： 建立與實際系統(tǒng)等價的人工系統(tǒng)；通過計算實驗分析和評估系統(tǒng)；通過實際系統(tǒng)和人工系統(tǒng)的平行運行進行控制和管理。ACP方法是在綜合集成科學和綜合研討體系技術的基礎之上，把信息、心理、仿真、決策等融為一體，為研究復雜性和控制與管理復雜系統(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)是指由某一個自然的現(xiàn)實系統(tǒng)和對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)。從數學建模，計算機仿真模擬，到虛擬現(xiàn)實，實質上都是應用平行系統(tǒng)方法進行設計、分析、控制和綜合。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的管理目標是在滿足需求側用能的前提下，根據即時狀態(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，合理應用儲能資源，優(yōu)化油、電、氣、熱等能源的調配。

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

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、信息層和社會層三個層面。物理層包含供能、能量傳輸和用能的物理設備，通過物聯(lián)網將設備數據傳輸至信息層。社會層包含與能源相關的角色劃分、交易、預測信息等，通過互聯(lián)網將相關數據傳輸至信息層。信息層是實際系統(tǒng)信息的綜合。

實現(xiàn)平行控制的重點是搭建基于云計算的虛擬人工系統(tǒng)。虛擬人工系統(tǒng)主要包含3個層級： 數據庫層級、特征抽取/知識合成層級和計算/模擬系統(tǒng)層級。數據庫層級包含多個數據庫，分別接收來自實際系統(tǒng)信息層的各類數據，并從時間、空間、不同物理標簽和社會標簽等多維度出發(fā)進行分類整理。特征抽取/知識合成層級，采用大數據技術進行數據處理和數據挖掘，對于社會層面的部分數據，進行自然語言處理，在此基礎上，運用機器學習、強化學習等人工智能技術，實現(xiàn)特征抽取和知識合成，進而建立第三層級。計算/模擬系統(tǒng)層級可以理解為實際綜合能源系統(tǒng)在虛擬空間中的映射，是對實際系統(tǒng)的解析。在計算/模擬系統(tǒng)中進行計算實驗，獲得優(yōu)化控制策略，并反饋至綜合能源服務的提供商或管理者。所生成策略除了傳統(tǒng)系統(tǒng)中面向物理層的控制策略，還包含面向社會層的引導策略，如在能耗較高時引導居民節(jié)約用能等，彌補了傳統(tǒng)優(yōu)化方法中需求側管理的不足。策略執(zhí)行后，各類數據變化實時上傳至數據庫，虛擬人工系統(tǒng)在新數據的基礎上判斷策略執(zhí)行效果，并進行智能更新，不斷趨近實際系統(tǒng)，為下一步的優(yōu)化做準備。

3 結束語

本文在充分考慮綜合能源系統(tǒng)特征的基礎上，提出了基于平行控制的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)管理方法，構建與實際系統(tǒng)相對應的虛擬人工系統(tǒng)，采用語義、數據驅動等建模方式,實現(xiàn)人工系統(tǒng)的驅動。虛擬人工系統(tǒng)和實際能源系統(tǒng)相互作用、相互反饋、平行執(zhí)行，虛擬人工系統(tǒng)可以反映實體能源系統(tǒng)的運行，同時更能根據虛擬空間的優(yōu)化結果,引導實體能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行，實現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)的動態(tài)智能管理。