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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.
b) 负荷特性的社会属性
当采用电力需求侧管理时, 人类会基于电价, 调整用电需要, 使负荷随人类活动、习惯及心理发生变化; 随着电动车逐步增加, 电力负荷特性会随着人类出行需求、思维判断、电价、交通状况等呈现出时空移动可变负荷; 随着能源系统中储热储电设备和容量的增加, 人民可以更方便选择储能备用、用能、及与电网的交互, 达到低成本用能和可靠用能, 显然人们的智力和判断在此过程中起着重要作用. 因此负荷特性表现出强烈的社会性.
c) 污染安全节能等社会政策法规信息
能源系统规划由资源、环境、经济和人口等制约, 随着能源熵逐步增大, 多能源的优化控制更迫切. 随着国家大力发展可再生能源的政策, 风光等可再生能源比重显著增加, 对电力系统的稳定运行提出了严峻挑战, 迫切需要火电机组变工况运行. 因此对火力机组在变工况运行下保持高效率低排放提出了更大挑战. 如何让火电系统在接受并实现来自于政府、社会或者同行业先进机组的有关比对信息, 如风光接入比例、排放要求、系统及机组的对标节能等社会信息, 实现火力发电系统的柔性控制, 会成为火电机组运行的新常态. 因此火电等能源系统的运行表现为社会属性.
3) 能源的信息属性(C)
从能源熵定义看, 在能源不断开发、能源具有熵增的趋势, 表现出能源质量的不断下降的信息. 因此迫切需要规划和设计信息系统, 利用信息系统重构能源过程, 使得能源熵增减缓. 从这个意义上说, 信息也是能源, 连有些政治家也称: 信息也是石油. 采用信息技术, 可以使能源更有效地使用, 等价于能量的增加, 即能源本身具有信息属性.
从能源生产过程中看, 能源系统受到传感、计算、控制、监控、能量管理及调度等信息的作用, 使能源流与信息流强烈耦合, 反映出信息流对能源设备运行及能源流具有支配作用, 使能源具有信息属性.
能源系统的社会属性也使得众多社会信息及人类的思维判断等深刻影响能源的生产消费各个环节,使能源具有社会信息属性.
2.2 人工系统的提出
在工业和能源3.0 时代, 如目前的电力设计中,使得电力流设计和信息流设计分离、没有实现信息物理系统的深度融合、没有实现电力CPS 系统, 因
此提出了电力CPS 的概念和框架. 能源4.0 要实现CPS, 需要研究信息和物理系统的融合, 特别是信息对物理系统的作用, 但目前还没有提供具体
的理论和技术.能源物质属性中,着重研究能源转换、能源互补、梯级利用、清洁替代和电力替代中的能源流过程. 传统电力主要是基于电力流进行电力能源的规划设计, 而能源信息属性中, 着重研究信息控制、能源管理调度等对能源物质属性的影响和流程再造,这是传统电力能源设计所没有考虑或很少考虑的信息流对电力流的影响; 能源的社会属性, 使能源的生产消费具有更大的机动性和柔性, 能充分接纳波动的风光等新能源、充分适应负荷需求的变化、满足节能和排放要求等. 而人类活动和社会相关信息具有社会性、不确定性, 需要从社会学、管理学、经济学和人类行为学等领域研究社会信息对能源系统的影响, 从而指导能源系统的设计、运行、维护.
上述能源的物质、信息和社会属性的融合交互关系是传统电力仿真系统还没有开展、也无法完成的工作, 迫切需要能源革命性的理论和方法, 实现这一涉及能源、信息和社会的复杂耦合系统的管理和控制. 因此提出采用平行系统的思想, 建立人工能源系统.
为了说明建立人工系统的必要性, 首先需要讨论传统仿真技术的主要不足:
人类社会性影响(如价格激励机制、人类消费习惯及决策等) 属于社会学、经济学、人类行为学的范畴, 需要从社会学、经济学、行为学角度建立负荷模型, 传统电网的负荷建模策略很难建立该模型. 另外电力系统是非线性系统, 目前的电力仿真主要围绕某个工作点展开, 仿真不能充分反映电力系统运行状况、致使系统运行保守, 特别是随着能源互联网发展、多能耦合、需求侧管理等使电力能源系统呈现更严重非线性, 电力运行状态多变, 传统的仿真技术很难可信实现.
此外, 信息与物理和社会系统深度融合, 在运行的不同层次和不同时段上, 融合的过程都是实时变化的, 必须根据即时状态、环境信息, 形成新结构新模型, 做出智能决策, 是\随机应变" 的设计, 与概率方法不同, 这是无法事先预定的, 而传统仿真的基本方法是确定论或概率方法、需要事先设置、是“程式化" 的设计.
因此社会物理信息系统中存在信息的不确定性、人类的社会复杂特性, 使系统更复杂, 传统的牛顿定律需要过渡到默顿定律, 由控制到引导, 必须采用人工系统进行研究.
在计算机或网络空间中实现虚拟人工能源系统,采用语义、数据驱动等建模方式, 实现人工系统的驱动. 虚拟人工能源系统必须和实际能源系统相互作用, 相互反馈, 平行执行. 虚拟人工能源系统可以反映实体能源系统的运行、同时更能根据虚拟空间的优化结果, 引导实体能源系统的优化运行. 由于该虚拟人工系统属于Cyber 空间, 同样也列入信息空间(C), 即在信息空间实现虚拟人工能源系统. 正如美国国家仪器公司提出\软件即仪器" 的理念, 将虚拟仪器引入测试领域引起仪器革命一样, 将虚拟人工能源系统引入复杂能源系统控制, 必将引起能源系统的革命.
