从工业4.0 到能源5.0：智能能源系统的概念、内涵及体系框架-北极星火力发电网

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摘要：分析推动工业进程和能源进程交互发展的因素和趋势, 结合能源互联网的发展要求, 提出了建立能源5.0 的迫切性和必要性. 着重讨论了在网络化之后, 能源系统呈现的社会性问题, 认为在传统方式之外, 必须引入人类社会学、管理学等软科学进行分析建模; 指出了虚拟人工系统根本不同于传统仿真系统等理念, 只有利用虚拟人工模型, 采用平行系统, 才能建立能源5.0. 阐述了能源5.0 的理论、框架和技术, 明确了能源5.0、基于社会物理信息系统(Cyber-physical-social system, CPSS)的平行能源是等价的概念. 指出能源5.0 核心是构建与实际能源系统同构的虚拟人工能源系统, 通过虚拟人工能源系统的计算实验, 确定优化控制策略, 引导实际能源系统运行, 并使虚拟人工系统和实际系统平行执行、共同演化, 形成智能能源系统.最后以华电集团已经完成的分布式能源5.0 示范项目和正在实施的火力发电5.0 项目及智能家居能源系统, 探讨了能源5.0 的研究内容、技术途径及应用前景.

关键词：能源5.0, 人工能源系统, 平行能源系统, 智能能源系统, 社会物理信息系统

1.能源系统的再认识

1.1 能源概念

能源是一个物理化学的概念, 能源消耗是一种物理化学现象. 根据中国的《能源百科全书》:“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源". 能源是一种呈多种形式的, 且可以相互转换的能量源泉, 是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源.能源转换的主要科学依据是牛顿定律、电磁定律、热力学定律等. 其中热力学第一定律认为在一个热力学系统内, 能量可转换, 即可从一种形式转变成另一种形式, 但不能自行产生, 也不能毁灭. 其基本观念是\物质不灭" 和\能量守恒", 且物质的转化存在一定的条件和边界. 热力学第二定律的基本观念是能量只能沿着耗散的方向转化, 因此热力学第二定律又称\熵定律", 能量具有熵增特性. 即尽管能量是守恒的, 尽管物质是不灭的, 但能量的质量将会衰减, 有效、优质、便于利用和低成本的能量会越来越少, 无效、低品位、难以再利用和成本昂贵的能量将会越来越多.

工业发展离不开能源的支撑, 同时能源的发展也离不开工业技术的支持, 同时能源行业也属于工业的一个门类. 随着工业技术和信息技术进步, 人们可以充分利用信息控制技术有效控制能源系统, 使能源的开发、变换、使用和管理更加科学化, 即在有意的信息熵的控制下, 使能源熵增速度减缓, 从熵的角度, 实现能源熵和信息熵的平衡, 从而有效利用资源, 控制能源熵增的速率, 保持能源的可持续发展.本论文正是基于能源熵和信息熵平衡的观念,考虑能源生产消费的全过程中的设备、系统、管控、及社会等因素, 提出在更大范围更大程度上更加深入的系统整合, 使能源流和信息流充分融合、互动,实现信息、物理(能源) 和社会的深度融合, 即迈入能源5.0 的时代.

1.2 工业发展历程

工业进程从机械化、电气化、信息化、网络化到平行化发展历程(图1), 可以看出其推动力在于工业技术的不断进步. 工业1.0, 核心设备蒸汽机出现, 使人类社会从手工业进入初级工业的机械化时代; 工业2.0, 核心设备电机等电力设备设施的出现, 引领工业进入电气化时代; 工业3.0, 计算机和微电子芯片的出现, 实现了人脑部分功能, 进入了信息化时代; 工业4.0, 核心设备路由器出现, 将众多计算机互联, 进入了网络化时代, 使得信息和物理系统融合加深, 形成了信息物理系统(Cyber-physical system,CPS); 工业5.0, 网络化应用的加深, 特别是互联网+, 进一步加深信息和物理系统的融合、并使工业与人类社会充分融合, 形成了更为复杂的系统, 即社会物理信息系统(Cyber-physical-social system,CPSS), 该系统的核心设备是虚拟人工系统, 运行模式将引领工业进入平行化时代.

1.3 能源发展历程

能源1.0 是自然能源阶段, 主要是自然光和薪柴等自然能源的使用, 无需工业技术的支撑, 属于原始能源阶段; 在工业1.0 技术推动下, 能源行业进入了2.0 时代, 蒸汽机将化石能源转化为热能和机械能, 机械能和热能的应用是能源2.0 的主要标志; 工业2.0 的电力需求以及技术驱动, 能源进入了3.0 时代, 主要是发电机实现电力系统及广泛的电机驱动系统, 能源进入了电气化时代. 随着工业3.0 的信息化技术在电力系统的推广, 目前的电力系统本身具有较高的信息化水平, 但较少考虑一次能源和终端能源使用对能源系统的影响. 目前电力系统采用发电跟随负荷的基本控制模式, 致使电力呈现垂直化管理、运行低效等特征. 特别是在风光大量接入、分布式发展、电动车储能等需求推动和工业4.0 技术提供的互联网支撑下, 能源进入了能源互联网时代,即能源4.0。

可以看出正是由于能源本身具有熵增的趋势,致使方便使用的能源越来越少, 因而必须借助于不断发展的先进工业技术, 充分利用风光等各种能源,采用多能源互补模式, 才能实现能源的安全供应. 因而借助于互联网+, 提出了能源5.0. 充分利用工业5.0 的平行理论和技术, 应用于能源行业, 形成平行能源。

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。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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