碳中和、碳達(dá)峰將會(huì)是未來10～20年各行各業(yè)的主旋律之一，主要涉及到能源結(jié)構(gòu)的改革和整體效率的提升。如何在各個(gè)環(huán)節(jié)和節(jié)點(diǎn)上，幫助客戶提高能源利用效率、加速實(shí)現(xiàn)碳中和是MathWorks關(guān)注的重點(diǎn)，當(dāng)前也已經(jīng)有各種不同類型客戶使用MathWorks提供的方案實(shí)現(xiàn)了升級(jí)轉(zhuǎn)型。MathWorks將如何助力碳中和實(shí)現(xiàn)？針對(duì)這一話題，MathWorks中國(guó)區(qū)行業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理李靖遠(yuǎn)進(jìn)行了分享。
從能源產(chǎn)生、傳輸和利用三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)碳中和
要減少碳排放，需要從整個(gè)能量的產(chǎn)生、傳輸和利用三個(gè)階段上都進(jìn)行改革和優(yōu)化。
在能源產(chǎn)生的階段，需要提高社會(huì)整體的可再生能源的在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的占比。據(jù)悉我國(guó)目前的非化石能源占比僅為35%左右，要實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，這個(gè)占比在2050年需要提升至90%。因?yàn)榭稍偕茉吹奶匦裕@種能源的產(chǎn)生和使用過程中還必須要分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)參與來實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”。
在風(fēng)電和光伏這些可再生能源生產(chǎn)方面，大部分客戶都會(huì)使用到MathWorks的解決方案。
因?yàn)轱L(fēng)電的能量產(chǎn)生具有季節(jié)的波動(dòng)性，所以提前預(yù)判好能量的變化，才能將風(fēng)電能量并網(wǎng)后對(duì)于主電網(wǎng)的波動(dòng)影響降到最低。加拿大最大的水電公司魁北克水電就是使用MATLAB和Simulink去建立整個(gè)風(fēng)電廠的模型，對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電氣、機(jī)械和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，來進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真和功率測(cè)試，來保證并網(wǎng)的可靠性。
在光伏領(lǐng)域一個(gè)典型的案例來自美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，他們采用MATLAB和Simulink模擬整個(gè)Hawaii的微電網(wǎng)。分布式能源和微電網(wǎng)是目前電網(wǎng)發(fā)展的重要的方向，分布式能源怎樣合理的利用能源配比達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，怎樣去設(shè)計(jì)微電網(wǎng)容量是非常關(guān)鍵的問題。Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過Simulink對(duì)Hawaii微電網(wǎng)進(jìn)行建模和仿真，測(cè)試在很多種極限工況下整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)，找到最經(jīng)濟(jì)合理和最安全運(yùn)行的電池容量平衡點(diǎn)。
在儲(chǔ)能的實(shí)際應(yīng)用上，有多種不同的技術(shù)方向，這里介紹三種。較為常見的是電化學(xué)的儲(chǔ)能方式，加拿大EVLO公司采用磷酸鐵鋰電池來做儲(chǔ)能系統(tǒng)。在其魁北克因紐特社區(qū)的一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，包括1700塊太陽(yáng)能電池能量，為超過40座建筑、電動(dòng)汽車去充電。EVLO公司使用MATLAB和Simulink去對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行建模和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)電池控制系統(tǒng)安全監(jiān)控，對(duì)其電流輸出進(jìn)行一些必要安全控制。
另一種儲(chǔ)能的技術(shù)方向是熔鹽儲(chǔ)能，通過熱力變換來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。清潔能源發(fā)電后給熔鹽加熱，把能量存儲(chǔ)起來；用電時(shí)再通過冷卻罐把熱量釋放出來，達(dá)到一個(gè)能量存儲(chǔ)和循環(huán)的目的。專注于該領(lǐng)域的Malta公司也是使用MATLAB和Simulink來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和測(cè)試。
還有一種儲(chǔ)能的技術(shù)方向是飛輪儲(chǔ)能。美國(guó)Teraloop公司利用MATLAB和Simulink對(duì)空心飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真并網(wǎng)過程，確保飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在并網(wǎng)過程中的安全可靠性。
在能源傳輸?shù)碾A段，MATLAB和Simulink同樣也可以發(fā)揮巨大的作用。電網(wǎng)的監(jiān)控是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，效率、穩(wěn)定性、波動(dòng)性、機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)以及在線潮流計(jì)算等都需要實(shí)時(shí)監(jiān)控。電力系統(tǒng)會(huì)通過SCADA系統(tǒng)去監(jiān)控這些實(shí)時(shí)信息，MATLAB可以去實(shí)時(shí)讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)里的電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)，對(duì)它進(jìn)行分析，來檢測(cè)電力系統(tǒng)的異常和干擾。芬蘭電網(wǎng)就是采用MATLAB里的這些算法來進(jìn)行測(cè)試仿真，最后部署在SCADA系統(tǒng)里對(duì)整個(gè)芬蘭電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控。
另一個(gè)能量傳輸階段的案例來自于能源系統(tǒng)中的能源分配。上海電氣在其分布式能源系統(tǒng)構(gòu)建平臺(tái)上，需要在供電側(cè)合理分配風(fēng)電、火電和水電的配比，并與用電側(cè)的需求相匹配，達(dá)到最高效節(jié)能的狀態(tài)。采用MATLAB可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)采集分析，通過曲線擬和工具箱、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，輸出的軟件產(chǎn)品通過MathWorks的Production Server部署到整個(gè)上海電氣的分布式能源系統(tǒng)中。
在特高壓直流高壓輸電方向上的一個(gè)典型案例來自Alstom，在其開發(fā)HVDC系統(tǒng)的過程中需要采用模型設(shè)計(jì)來為建立保護(hù)算法建模、仿真、驗(yàn)證和最后一鍵代碼生成。若采用傳統(tǒng)的方法，一個(gè)保護(hù)算法都需要話費(fèi)6個(gè)月的時(shí)間來進(jìn)行C語(yǔ)言的開發(fā)和測(cè)試，而使用MATLAB僅僅用一周就完成了整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
此外新西蘭Transpower公司也利用儲(chǔ)量管理工具來保證其國(guó)家電網(wǎng)的可靠性。利用Simulink界面去建立控制算法，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模型中進(jìn)行優(yōu)化。運(yùn)行超過1000種極端工況測(cè)試，來調(diào)整出其最可靠的一套參數(shù)配置。并且在電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行的過程中，每15分鐘就會(huì)全息運(yùn)行一次整個(gè)測(cè)試仿真過程，來對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保其電網(wǎng)時(shí)刻保持安全可靠。
在能源的利用側(cè)，需要盡量減少在使用過程中的浪費(fèi)和碳排放。據(jù)悉大型商業(yè)建筑能耗要占到全球建筑能耗的30%，但其中的暖通系統(tǒng)的效率往往很低。澳大利亞BuildingIQ公司利用MATLAB里的預(yù)測(cè)性算法和機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法對(duì)建筑節(jié)能進(jìn)行了優(yōu)化分析，制定出最優(yōu)化的算法并在云端環(huán)境進(jìn)行部署，提高了暖通系統(tǒng)的效率。另一個(gè)廣泛的例子是在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，需要MATLAB和Simulink進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)整個(gè)電力控制系統(tǒng)。特斯拉早在2005年開始就使用MathWorks的工具構(gòu)建電動(dòng)汽車的模型，進(jìn)行性能評(píng)估。
碳中和驅(qū)動(dòng)下，電力系統(tǒng)未來發(fā)展方向
在上文提及的諸多案例中可以看到，MathWorks的模擬和仿真軟件在整個(gè)能量過程中都發(fā)揮著重要的作用。在電力行業(yè)的應(yīng)用上，李靖遠(yuǎn)總結(jié)為兩大板塊：大數(shù)據(jù)和AI、數(shù)字孿生設(shè)計(jì)。其中每一板塊又分為四大維度。
大數(shù)據(jù)和AI板塊的第一個(gè)維度是數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，比如利用PMU數(shù)據(jù)來分析電網(wǎng)的穩(wěn)定性；第二是圖形處理和深度學(xué)習(xí)，比如對(duì)實(shí)時(shí)電力系統(tǒng)通過圖形處理方式進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢；第三是能源交易和風(fēng)險(xiǎn)管理，使用MATLAB進(jìn)行能源交易的最優(yōu)化曲線定價(jià)方面的探索；第四是預(yù)測(cè)性維護(hù)，解決了傳統(tǒng)周期性維護(hù)的缺點(diǎn)，減少宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。
數(shù)字孿生設(shè)計(jì)的第一個(gè)維度是可再生能源和分布式能源并網(wǎng)問題，減少對(duì)于電網(wǎng)的波動(dòng)沖擊；第二是能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的方案；第三是基于模型的數(shù)字孿生應(yīng)用，從一個(gè)小設(shè)備到一個(gè)大的系統(tǒng)都可以進(jìn)行模型仿真；第四是實(shí)現(xiàn)桌面仿真之外的部署，通過工具箱自動(dòng)生成優(yōu)化代碼，部署到GPU、嵌入式系統(tǒng)和云端等。
結(jié)合碳中和帶來的能源結(jié)構(gòu)的變化，MathWorks總結(jié)了未來電力系統(tǒng)發(fā)展的三大重點(diǎn)領(lǐng)域：并網(wǎng)、利用AI進(jìn)行電網(wǎng)分析、監(jiān)測(cè)與控制。并且針對(duì)這三大重點(diǎn)領(lǐng)域推出了相應(yīng)的解決方案。
由于可再生能源的特點(diǎn)，在其并網(wǎng)需要考慮幾個(gè)問題，一是并網(wǎng)過程中減少對(duì)于電網(wǎng)的沖擊；二是優(yōu)化分配整個(gè)電網(wǎng)的不同能源配比；三是實(shí)時(shí)地對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)。使用MATLAB和Simulink可以設(shè)計(jì)和仿真各種不同的清潔能源系統(tǒng)；通過PMU數(shù)據(jù)來對(duì)電廠或整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證；通過仿真的方式來判斷對(duì)于電網(wǎng)是否會(huì)有沖擊和影響，例如檢查是否符合IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)。
在AI技術(shù)的應(yīng)用方面 ，針對(duì)電網(wǎng)的分析、設(shè)備的性能管理和能源價(jià)格預(yù)測(cè)等方面都可以發(fā)揮價(jià)值。例如建立物理設(shè)備的數(shù)字孿生模型來進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)，利用AI預(yù)測(cè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的符合、發(fā)電量和電價(jià)，在云端進(jìn)行實(shí)時(shí)分析等。
實(shí)時(shí)監(jiān)控方面，李靖遠(yuǎn)表示所有的產(chǎn)品在到實(shí)際系統(tǒng)之前都要進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)再試試情況下相應(yīng)的魯棒性和穩(wěn)定性，避免直接使用到系統(tǒng)上產(chǎn)生問題。同時(shí)MathWorks也提供大量的方式讓用戶來進(jìn)行云端等位置的部署。
總結(jié)起來，MATLAB和Simulink提供了諸多關(guān)鍵功能來賦能未來電力行業(yè)發(fā)展，其中參數(shù)估計(jì)、自動(dòng)代碼生成、優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等功能都在前文的案例介紹中有過設(shè)計(jì)，在此不再贅述。
雖然MATLAB和Simulink是通用的軟件工具，但在電力系統(tǒng)開發(fā)方面，MathWorks是提供了一條完整的工具鏈，覆蓋從文本分析、多域物理系統(tǒng)建模、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)，云端部署、實(shí)時(shí)仿真、人工智能應(yīng)用、圖像和信號(hào)處理七大方面內(nèi)容。李靖遠(yuǎn)表示，“這個(gè)工具鏈涵蓋了我們從數(shù)據(jù)集成到利用人工智能AI去進(jìn)行建模、到系統(tǒng)設(shè)計(jì)、到部署，一個(gè)完整的工具鏈呈現(xiàn)給我們的用戶，這也是為什么我們?cè)谌螂娏π袠I(yè)得到了客戶大量使用的一個(gè)原因。”
總結(jié)
由雙碳驅(qū)動(dòng)下變革升級(jí)的電力行業(yè)，是未來十年二十年最值得投入、最有發(fā)展前景的行業(yè)。從能源生產(chǎn)、傳輸?shù)阶詈蟮哪茉词褂茫琈athWorks在全球已經(jīng)有幾千個(gè)不同的客戶案例。憑借著長(zhǎng)期以來積累的客戶和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，加上人工智能和數(shù)字孿生的服務(wù)，MathWorks將會(huì)加速整個(gè)行業(yè)的數(shù)字化產(chǎn)品升級(jí)轉(zhuǎn)型，加速碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
