基于平行控制的区域综合能源系统管理方法研究

吴锋棒

(中国石油化工股份有限公司 青岛安全工程研究院，山东 青岛 266000)

能源是人类生存和发展的基础，是国民经济的命脉，关乎国家根本。如何在确保人类社会能源可持续供应的同时减少用能过程中的环境污染，是当今世界各国能源问题研究的核心。近年来，中国能源工业发展面临的安全、效率与环境问题日益突出，亟需提高能源利用效率，并实现可再生能源规模化开发，以缓和日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、环境保护之间的矛盾。

为适应未来经济社会发展的需要和人类社会能源领域的变革，全面支持清洁能源和低碳经济发展，综合能源系统应运而生。综合能源系统的出现，打破了原有的各供能系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，转而进行社会能源系统的一体化规划设计和运行优化[1]。

区域综合能源系统将成为未来能源生产应用的主要形式，与传统独立单一的能源系统相比，区域综合能源系统涉及多种能源生产、传输、应用的各个环节，表现出完整的物理属性、信息属性和社会属性，是典型的信息物理社会系统[2]，这也使得综合能源系统的优化管理相比传统能源系统更加复杂。

一方面，在综合能源系统中，多种能源耦合复杂，且随着用户侧供能单元如屋顶光伏等的建设，以及用户的服务需求和能源利用形式的变化，能源用户逐渐从被动参与者向主动参与者转变，能量流动的方向和方式也逐渐多样化。

另一方面，信息物理社会系统的关键驱动因素是信息，在能源价格、环保引导、安全指引等社会信息的影响下，能源消费者的行为和心理更加复杂。例如，随着阶梯电价和峰谷电价的推行，用户将获得更多的激励，改变用电行为，对用电成本将更加敏感；用户希望获得更加及时准确的电价信息，也对能源服务商的服务水平提出了更高要求；提高能效和环保将逐渐成为影响需求侧用电行为的重要因素。

多种能源的耦合以及信息-物理-社会层面的耦合为综合能源系统的管理优化带来新的挑战，因此，充分考虑人类社会信息对能源生产消费的深远影响，建设与用户友好互动的综合能源系统，为用户提供及时准确的能源信息，满足多元化客户需求，并在该基础上合理调配多种能源，实现高效用能和绿色低碳，将是未来区域综合能源管理系统的发展方向。

目前大多数的研究工作主要围绕某个单一系统或者某个工作点展开，无法充分反映能源系统的运行状况，致使系统运行保守。传统的单一能源系统的管理优化也很少涉及信息层面和社会层面的问题，基于预测模型的系统仿真没有考虑到人类的社会活动和能源负荷中存在的大量社会信息[2]。能源本质上为人类社会服务，其生产和使用具有人类社会属性，因此对于能源的研究必须涉及人类社会信息与能源供用的关系，在该过程中，计算机科学、控制技术、通信网络以及人工智能等信息科学和技术将成为区域综合能源系统管理中不可或缺的重要组成部分。

1 复杂系统和平行控制概述

区域综合能源系统是典型的复杂系统，体现出两个重要特征：

1)不可分离性。由于各种能源相互耦合，在生产与传输过程中互相转化，区域综合能源系统的全局行为无法通过对其部分系统的独立分析来分析和优化。相反，系统作为一个整体决定其各部分的行为。

2)不可预测性。由于能源的社会属性和人类社会行为的不确定性，整个区域综合能源系统的状态无法用传统模型精准预测，尤其对于拥有可再生能源如光伏发电、风力发电等的综合能源系统，供给侧和需求侧的双重不确定性使得系统的全局预测更加困难。

对于综合能源系统面临的管理和优化问题，没有一成不变、一劳永逸的解决方案。理想的解决方案应该具有适应性，并能够从实际系统的运行过程和经验问题中学习。针对现代控制理论无法控制复杂系统的问题，平行控制理论为复杂系统的控制研究提供了一个全新的思路和视角。

平行控制在传统的小闭环控制的基础上，增加了考虑社会要素的大闭环控制，构成了平行控制系统的实际部分(实际系统)，在该基础上，建立与实际系统等价的人工系统，从而构成双闭环控制系统，即平行控制系统[3-4]。平行控制理论的核心是ACP方法体系，主要包括人工系统、计算实验和平行控制，即： 建立与实际系统等价的人工系统；通过计算实验分析和评估系统；通过实际系统和人工系统的平行运行进行控制和管理。ACP方法是在综合集成科学和综合研讨体系技术的基础之上，把信息、心理、仿真、决策等融为一体，为研究复杂性和控制与管理复杂系统提出的思路和方法。

2 基于平行控制的区域综合能源系统管理方法

平行系统是指由某一个自然的现实系统和对应的一个或多个虚拟或理想的人工系统所组成的共同系统。从数学建模，计算机仿真模拟，到虚拟现实，实质上都是应用平行系统方法进行设计、分析、控制和综合。

区域综合能源系统的管理目标是在满足需求侧用能的前提下，根据即时状态、环境信息，做出智能决策，提高能源利用效率，尤其是可再生能源的利用效率，合理应用储能资源，优化油、电、气、热等能源的调配。

依据平行控制理论，本文构建了如图1所示的区域综合能源系统管理架构。

图1 基于平行控制的区域综合能源系统管理框架示意

作为信息物理社会系统，区域综合能源系统可以划分为物理层、信息层和社会层三个层面。物理层包含供能、能量传输和用能的物理设备，通过物联网将设备数据传输至信息层。社会层包含与能源相关的角色划分、交易、预测信息等，通过互联网将相关数据传输至信息层。信息层是实际系统信息的综合。

实现平行控制的重点是搭建基于云计算的虚拟人工系统。虚拟人工系统主要包含3个层级： 数据库层级、特征抽取/知识合成层级和计算/模拟系统层级。数据库层级包含多个数据库，分别接收来自实际系统信息层的各类数据，并从时间、空间、不同物理标签和社会标签等多维度出发进行分类整理。特征抽取/知识合成层级，采用大数据技术进行数据处理和数据挖掘，对于社会层面的部分数据，进行自然语言处理，在此基础上，运用机器学习、强化学习等人工智能技术，实现特征抽取和知识合成，进而建立第三层级。计算/模拟系统层级可以理解为实际综合能源系统在虚拟空间中的映射，是对实际系统的解析。在计算/模拟系统中进行计算实验，获得优化控制策略，并反馈至综合能源服务的提供商或管理者。所生成策略除了传统系统中面向物理层的控制策略，还包含面向社会层的引导策略，如在能耗较高时引导居民节约用能等，弥补了传统优化方法中需求侧管理的不足。策略执行后，各类数据变化实时上传至数据库，虚拟人工系统在新数据的基础上判断策略执行效果，并进行智能更新，不断趋近实际系统，为下一步的优化做准备。

3 结束语

本文在充分考虑综合能源系统特征的基础上，提出了基于平行控制的区域综合能源系统管理方法，构建与实际系统相对应的虚拟人工系统，采用语义、数据驱动等建模方式,实现人工系统的驱动。虚拟人工系统和实际能源系统相互作用、相互反馈、平行执行，虚拟人工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，实现了综合能源系统的动态智能管理。