鐘崴，王麗騰，趙宏飛，戴哲，林小杰,3*，俞自濤

（1.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江省 杭州市 310027；2.浙江大學(xué)上海高等研究院，上海市 浦東新區(qū) 201203；3.浙江大學(xué)嘉興研究院，浙江省 嘉興市 314000）

0 引言

近年來，隨著多能互補(bǔ)，集成優(yōu)化等技術(shù)的推廣，綜合能源系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，供需協(xié)調(diào)水平、能源利用率不斷提高。在“30·60”碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下，能源電力規(guī)劃與相關(guān)政策制定應(yīng)遵循未來中國能源電力“清潔化、綜合化、智慧化、去中心化”的創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)。高效能源配置、減少化石燃料資源和集成間歇性可再生能源已成為能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、環(huán)境友好的核心目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑是在能源領(lǐng)域推廣綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system, IES），打破各能源子系統(tǒng)間的壁壘，從而統(tǒng)一提供能源載體來滿足末端生產(chǎn)生活不同消費(fèi)者的能源需求，提高整體系統(tǒng)性能[1]。與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)不同，綜合能源系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要考慮區(qū)域內(nèi)各類生產(chǎn)生活負(fù)荷發(fā)展。傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法是圍繞單一能流（如冷、熱、電、氣）開展以供為主的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是綜合能源系統(tǒng)具有多能耦合、“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體的特性，其所需要的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法并非傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的簡單集成。針對(duì)單一能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法難以直接用于綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，難以滿足未來能源系統(tǒng)的多元化、低碳化轉(zhuǎn)型需求。綜合能源系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)多種能源的綜合開發(fā)利用，可以在規(guī)劃、運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)不同能源系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高能效降低費(fèi)用[2]。同時(shí)，綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，需要考慮多能源互補(bǔ)的物理特性、能源系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)協(xié)同的跨學(xué)科性質(zhì)、涵蓋能源系統(tǒng)全生命周期過程的管理設(shè)計(jì)理念，并體現(xiàn)了系統(tǒng)工程與系統(tǒng)科學(xué)的屬性。

在系統(tǒng)工程科學(xué)領(lǐng)域，中國科學(xué)家錢學(xué)森提出了針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的從定性到定量綜合集成和分析方法，這一方法是系統(tǒng)工程學(xué)方法在中國的萌芽與具體實(shí)踐，其技術(shù)路線如圖1所示。該方法主要是針對(duì)非線性的復(fù)雜大系統(tǒng)而提出的系統(tǒng)工程方法。該方法提出，當(dāng)定量分解已無法描述系統(tǒng)時(shí)，需要專家的定性經(jīng)驗(yàn)判斷與建模仿真的定量評(píng)估相結(jié)合來開展系統(tǒng)研究，這一方法已經(jīng)成功應(yīng)用于中國航天器制造、導(dǎo)彈系統(tǒng)制造等需要多學(xué)科多領(lǐng)域協(xié)作的復(fù)雜系統(tǒng)裝備制造過程。

圖1 綜合集成方法用于決策支持問題研究Fig. 1 Comprehensive integration method used in decision support problem research

針對(duì)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃，超出了傳統(tǒng)能源系統(tǒng)規(guī)劃的學(xué)科邊界，體現(xiàn)為對(duì)一個(gè)涵蓋能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、產(chǎn)業(yè)多層級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)開展動(dòng)態(tài)演變的規(guī)劃。其規(guī)劃設(shè)計(jì)可以引入系統(tǒng)工程學(xué)的方法，從而指導(dǎo)面向新一代能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)工程方法簡介

傳統(tǒng)綜合集成的系統(tǒng)工程主要應(yīng)用在產(chǎn)品開發(fā)的早期，并主要采用基于文檔的系統(tǒng)工程（documentbased system engineering, DBSE）方法。這一方法在早期系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。但是隨著對(duì)象的日趨復(fù)雜（如航天器、復(fù)雜武器系統(tǒng)），傳統(tǒng)的DBSE不僅會(huì)造成工程周期和設(shè)計(jì)成本陡增，在規(guī)格規(guī)范等文件的編寫過程中消耗了許多精力和時(shí)間，也會(huì)在系統(tǒng)早期的設(shè)計(jì)過程中容易忽略需求的確認(rèn)和驗(yàn)證階段，與后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)、制造和維護(hù)階段的產(chǎn)品生命周期管理（product life-cycle managment, PLM）數(shù)據(jù)脫節(jié)。2006年國際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)正式提出基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）概念，在傳統(tǒng)系統(tǒng)工程應(yīng)用基礎(chǔ)之上進(jìn)行系統(tǒng)工程應(yīng)用范式的升級(jí)。2009年后，有學(xué)者進(jìn)一步提出采用MBSE的方法，在整個(gè)系統(tǒng)全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)基于模型的開發(fā)與管理。MBSE進(jìn)一步關(guān)注系統(tǒng)性，不僅考慮系統(tǒng)本身過程的演變，也考慮整體及局部構(gòu)成的相互關(guān)系，及系統(tǒng)和環(huán)境之間的交互[3]。相比DBSE，MBSE所需求的標(biāo)準(zhǔn)化的模型描述能夠?qū)崿F(xiàn)需求分析、設(shè)計(jì)解決、驗(yàn)證確認(rèn)、優(yōu)化調(diào)控。表1是DBSE方法與MBSE方法的比較[4]。

表1 MBSE與DBSE對(duì)比表Table 1 MBSE and DBSE comparison

國際系統(tǒng)工程學(xué)對(duì)MBSE的定義是：“基于模型的系統(tǒng)工程本質(zhì)是通過形式化的建模手段，從概念設(shè)計(jì)階段開始就能夠支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，并持續(xù)貫穿整個(gè)開發(fā)過程和后續(xù)的生命周期階段?！盡BSE是一種典型的系統(tǒng)工程方法，是面向整個(gè)系統(tǒng)周期以模型為中心的研制管理方法，廣泛用于復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)，其模型描述貫穿整個(gè)開發(fā)階段和后期驗(yàn)證優(yōu)化階段，能夠?qū)崿F(xiàn)縮短工期和降低綜合成本等目標(biāo)[7]。

這一方法在當(dāng)前的航天航空、國防、汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。舉例而言，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，高復(fù)雜性、高研發(fā)成本、長研發(fā)周期等因素制約其發(fā)展，利用MBSE方法，識(shí)別復(fù)雜產(chǎn)品在各類運(yùn)行場(chǎng)景下需提供的能力，保證問題域的完整性和正確性，進(jìn)行運(yùn)行場(chǎng)景定義，用例場(chǎng)景分析、功能分析、邏輯系統(tǒng)架構(gòu)的模型構(gòu)建、系統(tǒng)架構(gòu)分析、聯(lián)合仿真等架構(gòu)，顯著增加了細(xì)化程度，滿足航空產(chǎn)品的研發(fā)要求，為系統(tǒng)安全性提供了支撐[5]。在導(dǎo)彈研發(fā)中存在的問題也可由MBSE提供良好解決方案，通過建模支持導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)分析全過程包括CAD設(shè)計(jì)、CAE分析、測(cè)驗(yàn)驗(yàn)證等流程。以模型庫為基礎(chǔ)，針對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程和集成驗(yàn)證過程，統(tǒng)一建模聯(lián)合仿真[6]。在汽車制造領(lǐng)域，產(chǎn)品定義已經(jīng)從概念設(shè)計(jì)演變?yōu)橐豁?xiàng)持續(xù)的進(jìn)程，進(jìn)行全生命周期系統(tǒng)工程。其MBSE產(chǎn)品定義方法包括需求管理、參數(shù)管理、功能和系統(tǒng)建模、多領(lǐng)域架構(gòu)，以此來做出更好的管理決策。

對(duì)MBSE而言，不同的建模領(lǐng)域或應(yīng)用領(lǐng)域需要采用不同的模型，不同產(chǎn)業(yè)的不同項(xiàng)目在選擇方法論時(shí)不可以照搬現(xiàn)有的理論模型。MBSE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言需要根據(jù)不同產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展，建模工具需要根據(jù)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)和原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行選擇，在能源系統(tǒng)中這一模型體現(xiàn)為滿足多種能源介質(zhì)供需平衡的物理模型。

與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法相比，MBSE的設(shè)計(jì)使用系統(tǒng)建模語言（SysML）進(jìn)行構(gòu)建，目前常用的SysML工具有Enterprise Architect、Papyrus SysML、Rational Rhapsody、Magic Draw，主要用于航天航空、國防軍工、軌道交通等領(lǐng)域。SysML替代原有的文檔，使用系統(tǒng)建模語言方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化，使計(jì)算機(jī)進(jìn)行更高效的處理，可以有效減少工程學(xué)科之間不同的系統(tǒng)和軟件之間處理方法的差異。建模領(lǐng)域可能包括產(chǎn)品的系統(tǒng)、機(jī)械、設(shè)備硬件、軟件方面，或產(chǎn)品的不同階段，如需求、設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試、制造或維護(hù)階段；模型類型取決于具體應(yīng)用領(lǐng)域，如能源系統(tǒng)、通信、飛行器航天器設(shè)計(jì)、車輛設(shè)計(jì)。各數(shù)字孿生模型的名稱和應(yīng)用場(chǎng)合梳理見表2[8]。

表2 數(shù)字孿生模型概覽Table 2 Overview of digital twin models

同時(shí)，MBSE應(yīng)用于能源系統(tǒng)時(shí)相當(dāng)于動(dòng)態(tài)行為，使用模型可以從多個(gè)角度分析問題，在規(guī)劃設(shè)計(jì)的早期進(jìn)行反復(fù)的驗(yàn)證和確認(rèn)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和貼合性，保證規(guī)劃的優(yōu)化效果一步到位，減少額外的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)支出，此外基于模型的系統(tǒng)工程中大部分單元可以進(jìn)行重用，減少了新建工程的工作量[9]。將MBSE方法應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)，可有效的解決系統(tǒng)全生命周期過程中設(shè)計(jì)，規(guī)劃，運(yùn)行等問題。

2 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與MBSE

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃運(yùn)行基于“以熱定電”原則，現(xiàn)有的工作普遍是通過構(gòu)建含多機(jī)組聯(lián)合供電的調(diào)度模型，根據(jù)傳統(tǒng)規(guī)劃模式求解最低成本進(jìn)行，并通過仿真模擬驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)性[10]。相比之下，綜合能源系統(tǒng)要求研究人員更關(guān)注系統(tǒng)整體的能源綜合利用率。

在這一方面，研究人員圍繞“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”等開展了研究，在綜合能源系統(tǒng)各個(gè)細(xì)分模塊及領(lǐng)域提出了系列新的能源系統(tǒng)構(gòu)架、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，為現(xiàn)有能源系統(tǒng)向綜合能源轉(zhuǎn)型提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。Gustavo等研究了具有熱能儲(chǔ)罐的大型冷水機(jī)組閉環(huán)調(diào)度問題，將預(yù)測(cè)方法和模型應(yīng)用于園區(qū)綜合能源系統(tǒng)開展調(diào)度優(yōu)化，同時(shí)明確考慮了冷凍回水溫度對(duì)能量平衡的影響，優(yōu)化方案效果明顯[11]。鄭亞鋒等提出了一種考慮風(fēng)光不確定性的綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)規(guī)劃模型[12]。通過結(jié)合序列分布概率的典型曲線挖掘方法獲得風(fēng)光的典型出力曲線，減小可再生能源出力描述不確定性對(duì)配置的影響。任洪波等將博弈論思想引入優(yōu)化規(guī)劃中，基于設(shè)備全壽命周期視角確定收益，通過求解該博弈的Nash均衡，使得最大化博弈方或聯(lián)盟收益的同時(shí)，滿足各類負(fù)荷的供需平衡[13]。馬義明等針對(duì)碳排放污染問題，考慮碳交易機(jī)制，提出新型基于熱電聯(lián)產(chǎn)和碳捕集系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的綜合能源系統(tǒng)模型，提高IES中可再生能源消納能力，降低了碳排放和運(yùn)行成本[14]。劉敦楠等提出了一種雙層協(xié)同優(yōu)化方法，以最低成本為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行，通過上下層模型更新迭代實(shí)現(xiàn)優(yōu)化[15]。劉瑞等提出了電站-電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃模型及其求解方法[16]?？紤]了配電網(wǎng)、燃?xì)馀潆娋W(wǎng)、熱力配電網(wǎng)和能源站的約束條件，以費(fèi)用最低為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化配置。李計(jì)勇等通過引入能量樞紐來整合IES各部件和能量流的關(guān)系，采用統(tǒng)一建模的方法，降低了成本和計(jì)算時(shí)間[17]。

綜合能源系統(tǒng)所依托的多能流系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括：①多能流混合建模；②多能流系統(tǒng)規(guī)劃；③多能流智能調(diào)控；④多能流協(xié)調(diào)優(yōu)化；⑤多能耦合評(píng)估指標(biāo)[18]。簡而言之，綜合能源通過圍繞用能需求逐步開展系統(tǒng)建設(shè)、投產(chǎn)等，通過滿足不同階段的末端多樣化用能需求實(shí)現(xiàn)價(jià)值。然而，正如Yin等人指出，目前制約綜合能源項(xiàng)目開展大規(guī)模推廣的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于多能系統(tǒng)的規(guī)劃優(yōu)化，即在項(xiàng)目早期，缺乏滿足多能耦合綜合利用的系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)方法[19]。這一方法需要能靈活分解和處理多能源子系統(tǒng)間協(xié)同、能源與產(chǎn)業(yè)協(xié)同、全生命周期過程不同階段之間協(xié)同，解決典型的系統(tǒng)工程問題。而從對(duì)象而言，綜合能源的規(guī)劃設(shè)計(jì)過程與航空系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相似，都可歸為復(fù)雜系統(tǒng)工程問題。故而，可以采用MBSE來解決綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃問題。

3 采用MBSE的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 MBSE規(guī)劃設(shè)計(jì)方法

在物理信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，各類系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)均可采用MBSE規(guī)劃方法進(jìn)行。MBSE規(guī)劃方法的5個(gè)關(guān)鍵步驟如下：

1）根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景提出相應(yīng)的MBSE標(biāo)準(zhǔn)；

2）研究合理的MBSE方法和指標(biāo)集成系統(tǒng)硬件、軟件模型；

3）搭建集成仿真、分析的架構(gòu)模型，并進(jìn)行可視化；

4）建立具有明確定義的MBSE理論、本體、形式化體系；

5）構(gòu)建跨領(lǐng)域的分布式可靠模型庫。

其中，在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃實(shí)踐過程中應(yīng)用較多的模型化方法是系統(tǒng)工程的V字模型[20]。舉例而言，在航天器設(shè)計(jì)中的V字模型流程中，首先由設(shè)計(jì)人員進(jìn)行系統(tǒng)可行性研究需求說明，然后對(duì)需求進(jìn)行具體描述，產(chǎn)生需求的書面說明。之后，開發(fā)人員開展總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，測(cè)試人員設(shè)計(jì)出系統(tǒng)測(cè)試案例?？傮w設(shè)計(jì)完成后，開發(fā)人員根據(jù)總體設(shè)計(jì)對(duì)軟件開展詳細(xì)設(shè)計(jì)，測(cè)試人員根據(jù)總體設(shè)計(jì)得出集成測(cè)試用例。詳細(xì)設(shè)計(jì)之后，開發(fā)人員根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行編碼或模擬仿真，測(cè)試人員根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)得出單元設(shè)備測(cè)試用例。編碼完成之后，測(cè)試人員根據(jù)單元測(cè)試用例對(duì)設(shè)定軟件的測(cè)試單元進(jìn)行測(cè)試，單元設(shè)備測(cè)試完成之后，進(jìn)行集成測(cè)試，然后進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，最后進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試；驗(yàn)收完成后可以實(shí)現(xiàn)其工業(yè)或商業(yè)用途。

3.2 采用MBSE的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃總體圍繞數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化規(guī)劃和綜合評(píng)價(jià)三個(gè)環(huán)節(jié)展開。能源系統(tǒng)的設(shè)備選型選址、容量匹配、運(yùn)行方式都存在MBSE規(guī)劃設(shè)計(jì)的需求。借鑒機(jī)電一體化系統(tǒng)的V字模型，能源行業(yè)采用MBSE的規(guī)劃設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 采用MBSE的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)路線Fig. 2 Technical route of integrated energy system planning using MBSE

數(shù)據(jù)分析主要包括供熱制冷負(fù)荷模擬計(jì)算、根據(jù)區(qū)域可用能源資源分析、當(dāng)前能源系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景分析。首先應(yīng)用數(shù)據(jù)的調(diào)研測(cè)算和需求方提供的熱電冷氣等相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，依據(jù)綜合能源系統(tǒng)供熱制冷負(fù)荷模擬計(jì)算模型，合理選擇簡化計(jì)算或精確模擬的方法進(jìn)行規(guī)劃區(qū)域負(fù)荷估算，獲得負(fù)荷輸入數(shù)據(jù)；根據(jù)區(qū)域能源資源稟賦，選擇資源利用組合為后續(xù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提升優(yōu)化潛力。

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)完成后需要對(duì)每一個(gè)能源子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定供能方式和供能網(wǎng)絡(luò)，子系統(tǒng)包括供熱系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)、垃圾處理系統(tǒng)等。設(shè)計(jì)流程如圖3所示，綜合能源中各個(gè)子系統(tǒng)的單元設(shè)備實(shí)現(xiàn)由多種設(shè)備進(jìn)行耦合，例如熱-電-冷三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以作為三類子系統(tǒng)的供能設(shè)備，地?zé)岜眯枰倭康碾娏┙o作為熱、冷的供能設(shè)備[21]。同時(shí)，綜合能源子系統(tǒng)的仿真模型，由數(shù)據(jù)建模和機(jī)理建模結(jié)合使用獲得初步仿真模型。進(jìn)一步，通過軟硬件的配合，在設(shè)備層設(shè)置實(shí)際測(cè)點(diǎn)，對(duì)綜合能源系統(tǒng)具體參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合實(shí)際參數(shù)進(jìn)行仿真模型的外推擬合。再由模型對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行運(yùn)行檢測(cè)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，使最終的模型與實(shí)際的誤差在允許范圍以內(nèi)。與其他能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃不同的是，這一過程通過多個(gè)子系統(tǒng)仿真模型的整合，來達(dá)到數(shù)字孿生的目標(biāo)，包含子系統(tǒng)底層測(cè)試和上層的集成測(cè)試，能夠適應(yīng)更多的需求和不確定性。完成模型構(gòu)建后，進(jìn)行能源系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)即集成測(cè)試，用統(tǒng)一的建模語言進(jìn)行軟件分析與測(cè)試，得到規(guī)定評(píng)價(jià)指標(biāo)下的評(píng)價(jià)結(jié)果，滿足需求方的需求后即可完成驗(yàn)收確認(rèn)，交付運(yùn)行。

圖3 采用MBSE的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃流程Fig. 3 Integrated energy system planning process using MBSE

3.3 平臺(tái)和案例

按照上述理念指導(dǎo)的綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)，可梳理為下述流程：首先要收集工業(yè)園區(qū)規(guī)劃時(shí)期的園區(qū)建設(shè)規(guī)劃圖、產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、區(qū)域、產(chǎn)業(yè)和園區(qū)目前發(fā)展?fàn)顩r以及現(xiàn)階段能源供應(yīng)和消耗的數(shù)據(jù)，開展調(diào)研獲取資料。其次，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，獲取某一區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)、當(dāng)?shù)氐哪茉词袌?chǎng)情況以及考慮可以使用的設(shè)備類型和設(shè)備詳細(xì)參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。通過負(fù)荷指標(biāo)估算或者負(fù)荷模型預(yù)測(cè)獲得多元用能負(fù)荷需求，如：不同季節(jié)典型日的日照強(qiáng)度、風(fēng)速、濕度和溫度，以及不同季節(jié)的典型日用電負(fù)荷、日用熱負(fù)荷、日供暖負(fù)荷、日用冷負(fù)荷以及日熱水負(fù)荷等數(shù)據(jù)，以及電網(wǎng)的分時(shí)購電價(jià)格、售電價(jià)格、冷熱售價(jià)、蒸汽價(jià)格、供暖價(jià)格、多種燃料的購買價(jià)格等相關(guān)信息。通過各層級(jí)信息的綜合，構(gòu)建數(shù)字孿生模型。最終，在規(guī)劃主體層面，主體可以是經(jīng)濟(jì)性、可再生能源消納、安全性、全生命周期的碳排放等各類模型。這一規(guī)劃可以通過調(diào)用算法服務(wù)，依托數(shù)字孿生模型開展，最終獲取期望的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案。支撐這一流程的平臺(tái)如圖4所示。

圖4 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 4 System architecture of integrated energy system planning and design platform

本方法前期已經(jīng)用于杭州某醫(yī)藥港產(chǎn)業(yè)小鎮(zhèn)的綜合能源規(guī)劃[22]。小鎮(zhèn)包含醫(yī)藥研發(fā)、制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也包含生活商業(yè)區(qū)塊，是一個(gè)典型多階段生產(chǎn)生活統(tǒng)籌的綜合能源系統(tǒng)場(chǎng)景。該產(chǎn)業(yè)小鎮(zhèn)在二期規(guī)劃中需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)部分企業(yè)的退出與新企業(yè)入住，并對(duì)一期規(guī)劃中無法滿足當(dāng)前需求的設(shè)備容量配置進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。在第一期中，涉及到選址、設(shè)備容量、可再生能源消納方式的設(shè)計(jì)。在第二期規(guī)劃中，則進(jìn)一步涉及到設(shè)備容量的置換與更新、儲(chǔ)能儲(chǔ)熱設(shè)備的設(shè)計(jì)以及伴隨產(chǎn)業(yè)變化的用能點(diǎn)的重新設(shè)計(jì)和布局。通過建立數(shù)字孿生模型，在以經(jīng)濟(jì)成本和碳排放多目標(biāo)規(guī)劃的最優(yōu)解集中方案選取，實(shí)現(xiàn)了規(guī)劃主體決策方的主觀擇優(yōu)，滿足主體在不同階段對(duì)于經(jīng)濟(jì)性和碳排放的不同偏好需求，最終實(shí)現(xiàn)了規(guī)劃期內(nèi)的總投資收益率和減排量的提升，能源循環(huán)利用率超過45%，最高可達(dá)55%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了面向10個(gè)重要能源用戶進(jìn)行了多能源選址尋優(yōu)，驗(yàn)證了MBSE綜合能源系統(tǒng)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方法的有效性和可用性。

4 討論與分析

MBSE的核心是模型。在能源系統(tǒng)中采用MBSE需要不斷更新能源系統(tǒng)的模型庫，形成數(shù)字孿生模型，并在多方面為能源系統(tǒng)賦能。如，其追溯和迭代特性會(huì)推動(dòng)系統(tǒng)的提效減碳、提高新能源技術(shù)創(chuàng)新的完整性，可以在能量的梯級(jí)利用、余熱高效利用等工藝流程協(xié)助系統(tǒng)完成技術(shù)重組；在碳捕集與封存（carbon capture and storage, CCS）全流程碳處理方面，可以使得碳核算更加準(zhǔn)確[23]。綜合能源數(shù)字孿生平臺(tái)是兩個(gè)系統(tǒng)，其不僅是能源系統(tǒng)的鏡像，是包含了更多層級(jí)和內(nèi)容的一個(gè)完整的反映能源系統(tǒng)演變及其與外界關(guān)聯(lián)關(guān)系的全過程模型。通過建立數(shù)字模型將驗(yàn)證后的操作和行動(dòng)應(yīng)用于能源系統(tǒng)，建模仿真只是其中的一部分，需要保證模型的正確性和環(huán)境數(shù)據(jù)的完整性。同時(shí)，與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)出現(xiàn)“設(shè)計(jì)-運(yùn)行-維護(hù)”的脫節(jié)不同，采用MBSE的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃供需采用統(tǒng)一語言表達(dá)、模塊化管理、有機(jī)更新，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)管理的全生命周期，如圖5所示。全生命周期內(nèi)綜合能源系統(tǒng)供需不匹配的特性、階段性、間斷性、隨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整變化的特性對(duì)園區(qū)能源系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃帶來困難，采用基于模型系統(tǒng)工程的綜合能源規(guī)劃方法，把底層的設(shè)備模型集成起來，形成了一個(gè)完整的架構(gòu)模型，模型能夠共享，統(tǒng)一的建模語言幫助提高了不同領(lǐng)域技術(shù)人員的協(xié)同效率和各個(gè)能源系統(tǒng)的協(xié)同合作。采用MBSE的能源系統(tǒng)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)體系貫穿了從概念設(shè)計(jì)到系統(tǒng)開發(fā)及后期報(bào)廢和循環(huán)利用的能源系統(tǒng)全生命周期，能夠打通系統(tǒng)中不同單元，實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科應(yīng)用的協(xié)同和能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)上的集成。

圖5 綜合能源數(shù)字孿生平臺(tái)Fig. 5 Integrated energy digital twin platform

具體到應(yīng)用場(chǎng)景，在綜合能源系統(tǒng)的全生命周期中，可以制定正規(guī)的模型開發(fā)和使用計(jì)劃，并按照企業(yè)或項(xiàng)目流程規(guī)范正式地開發(fā)、集成和展示模型，確保模型是精確的、完整的、可信的和可重用的?；谀Ｐ拖到y(tǒng)工程的綜合能源規(guī)劃不僅強(qiáng)調(diào)將基于模型的方法應(yīng)用在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，還要把基于模型的方法應(yīng)用到子系統(tǒng)和設(shè)備層。模型初期的準(zhǔn)確性會(huì)隨著時(shí)間變化、能源系統(tǒng)的逐步投產(chǎn)、設(shè)備的更新而出現(xiàn)失準(zhǔn)問題，因此建模仿真本身需要保持更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源系統(tǒng)全生命周期內(nèi)各個(gè)階段實(shí)際運(yùn)行特性的預(yù)測(cè)和應(yīng)用。能源系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)維、管理、檢修、服務(wù)、控制機(jī)制也將不同程度地影響系統(tǒng)與外界之間的交互，需要在數(shù)字孿生模型中加以體現(xiàn)。對(duì)于實(shí)際綜合能源系統(tǒng)，其建設(shè)往往需要多個(gè)周期才能完成，每個(gè)周期內(nèi)的規(guī)劃設(shè)計(jì)約束、目標(biāo)、導(dǎo)向都會(huì)發(fā)生變化。相比現(xiàn)有的模型研究，反映這一過程的數(shù)字孿生模型一方面要包括綜合能源系統(tǒng)各個(gè)部件系統(tǒng)從開發(fā)到后期退出和循環(huán)利用的能源系統(tǒng)全生命周期（如圖5所示），另一方面也要包含各個(gè)周期和階段內(nèi)系統(tǒng)和外界之間的互相影響，如圖6所示。

圖6 數(shù)字孿生逐期演變圖Fig. 6 Digital twin staging flow diagram

需要指出的是，相對(duì)于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)，全生命周期評(píng)價(jià)新型能源系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)收集非常困難，而目前中國類似的原材料數(shù)據(jù)庫還不夠完善，經(jīng)常存在滯后性，客觀上阻礙了能源系統(tǒng)全生命周期分析的研究。需要結(jié)合信息化技術(shù)，對(duì)各類特殊工況、故障數(shù)據(jù)積累，不斷修正和拓展模型的涵蓋范圍，直至構(gòu)建涵蓋全生命周期過程的數(shù)字孿生模型。

5 總結(jié)與展望

MBSE綜合能源系統(tǒng)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方法對(duì)于中國“雙碳”目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要意義。在這一轉(zhuǎn)型中，支撐可再生能源的綜合能源系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢(shì)。相比于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)，綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)引入MBSE方法可以進(jìn)一步打破能源間、能源與產(chǎn)業(yè)間、規(guī)劃全過程各個(gè)階段間的壁壘。而為了支撐這一技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，MBSE核心的模型支撐應(yīng)當(dāng)是貫穿系統(tǒng)全生命周期的數(shù)字孿生模型，這一模型可采用MBSE方法中V字型結(jié)構(gòu)模型開展，從而可涵蓋外界對(duì)系統(tǒng)的影響過程、系統(tǒng)內(nèi)部的各層級(jí)影響機(jī)制、系統(tǒng)整體的全生命周期過程對(duì)外界的影響。

對(duì)于能源產(chǎn)業(yè)而言，基于MBSE的綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)方法可同時(shí)影響能源的生產(chǎn)和消費(fèi)兩個(gè)環(huán)節(jié)，將推進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化，積累生產(chǎn)側(cè)數(shù)據(jù)，支撐推動(dòng)碳排放計(jì)算和碳交易市場(chǎng)化，并支撐能源與產(chǎn)業(yè)的協(xié)同。采用MBSE手段對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，打破行業(yè)壁壘，提供能源系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的全方位多領(lǐng)域多學(xué)科的統(tǒng)一描述，全方位提高能源利用效率，對(duì)于能源行業(yè)的未來發(fā)展，“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施具有實(shí)際意義。