基于平行控制的區域綜合能源系統管理方法研究

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供應的同時減少用能過程中的環境污染，是當今世界各國能源問題研究的核心。近年來，中國能源工業發展面臨的安全、效率與環境問題日益突出，亟需提高能源利用效率，并實現可再生能源規模化開發，以緩和日益凸顯的能源需求增長與能源緊缺、環境保護之間的矛盾。

為適應未來經濟社會發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展，綜合能源系統應運而生。綜合能源系統的出現，打破了原有的各供能系統單獨規劃、單獨設計和獨立運行的既有模式，轉而進行社會能源系統的一體化規劃設計和運行優化[1]。

區域綜合能源系統將成為未來能源生產應用的主要形式，與傳統獨立單一的能源系統相比，區域綜合能源系統涉及多種能源生產、傳輸、應用的各個環節，表現出完整的物理屬性、信息屬性和社會屬性，是典型的信息物理社會系統[2]，這也使得綜合能源系統的優化管理相比傳統能源系統更加復雜。

一方面，在綜合能源系統中，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，信息物理社會系統的關鍵驅動因素是信息，在能源價格、環保引導、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的管理優化帶來新的挑戰，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，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，實現高效用能和綠色低碳，將是未來區域綜合能源管理系統的發展方向。

目前大多數的研究工作主要圍繞某個單一系統或者某個工作點展開，無法充分反映能源系統的運行狀況，致使系統運行保守。傳統的單一能源系統的管理優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域綜合能源系統管理中不可或缺的重要組成部分。

1 復雜系統和平行控制概述

區域綜合能源系統是典型的復雜系統，體現出兩個重要特征：

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，區域綜合能源系統的全局行為無法通過對其部分系統的獨立分析來分析和優化。相反，系統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，整個區域綜合能源系統的狀態無法用傳統模型精準預測，尤其對于擁有可再生能源如光伏發電、風力發電等的綜合能源系統，供給側和需求側的雙重不確定性使得系統的全局預測更加困難。

對于綜合能源系統面臨的管理和優化問題，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，并能夠從實際系統的運行過程和經驗問題中學習。針對現代控制理論無法控制復雜系統的問題，平行控制理論為復雜系統的控制研究提供了一個全新的思路和視角。

平行控制在傳統的小閉環控制的基礎上，增加了考慮社會要素的大閉環控制，構成了平行控制系統的實際部分(實際系統)，在該基礎上，建立與實際系統等價的人工系統，從而構成雙閉環控制系統，即平行控制系統[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、計算實驗和平行控制，即： 建立與實際系統等價的人工系統；通過計算實驗分析和評估系統；通過實際系統和人工系統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提出的思路和方法。

2 基于平行控制的區域綜合能源系統管理方法

平行系統是指由某一個自然的現實系統和對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統所組成的共同系統。從數學建模，計算機仿真模擬，到虛擬現實，實質上都是應用平行系統方法進行設計、分析、控制和綜合。

區域綜合能源系統的管理目標是在滿足需求側用能的前提下，根據即時狀態、環境信息，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所示的區域綜合能源系統管理架構。

圖1 基于平行控制的區域綜合能源系統管理框架示意

作為信息物理社會系統，區域綜合能源系統可以劃分為物理層、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，通過互聯網將相關數據傳輸至信息層。信息層是實際系統信息的綜合。

實現平行控制的重點是搭建基于云計算的虛擬人工系統。虛擬人工系統主要包含3個層級： 數據庫層級、特征抽取/知識合成層級和計算/模擬系統層級。數據庫層級包含多個數據庫，分別接收來自實際系統信息層的各類數據，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，實現特征抽取和知識合成，進而建立第三層級。計算/模擬系統層級可以理解為實際綜合能源系統在虛擬空間中的映射，是對實際系統的解析。在計算/模擬系統中進行計算實驗，獲得優化控制策略，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系統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約用能等，彌補了傳統優化方法中需求側管理的不足。策略執行后，各類數據變化實時上傳至數據庫，虛擬人工系統在新數據的基礎上判斷策略執行效果，并進行智能更新，不斷趨近實際系統，為下一步的優化做準備。

3 結束語

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