作為全球領(lǐng)先的數(shù)學(xué)計算軟件開發(fā)商，MathWorks開發(fā)出兩大對全球有深遠(yuǎn)影響的產(chǎn)品平臺。一個是被稱為“工程師和科學(xué)家的語言”的編程環(huán)境MATLAB，一個是用于系統(tǒng)設(shè)計、仿真和測試的圖形化環(huán)境Simulink。MATLAB和Simulink作為基礎(chǔ)研發(fā)工具，已廣泛用于汽車、航空航天、通信、電子及工業(yè)自動化等行業(yè)。如今，包括風(fēng)電、光伏、儲能、新能源汽車在內(nèi)的綠色能源應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域也早已廣泛地利用MATLAB和Simulink進(jìn)行電網(wǎng)的穩(wěn)定性分析，大數(shù)據(jù)處理，測試，仿真以及自動化的代碼生成等。MathWorks同時開發(fā)出對應(yīng)的電池模型、電機模型等附加產(chǎn)品，助力與能源直接/間接相關(guān)的行業(yè)加速實現(xiàn)全球碳中和目標(biāo)。

MathWorks中國區(qū)行業(yè)市場經(jīng)理李靖遠(yuǎn)先生近日為中國媒體帶來一場精彩的線上發(fā)布會，分享MathWorks在全新的碳中和時代背景下，如何從能源生產(chǎn)、能源傳輸和能源利用三大環(huán)節(jié)幫助全球綠色能源客戶實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)新。

加速能源變革

世界能源發(fā)展的整體趨勢是從高碳能源向低碳、無碳能源演變。第三次能源革命中能源生產(chǎn)從化石能源轉(zhuǎn)向風(fēng)電、光伏、水電、核電等可再生能源，能源載體是電、氫、儲能等，應(yīng)用領(lǐng)域是新能源汽車、戶用光伏等。

在談及碳中和的實現(xiàn)方式時，李靖遠(yuǎn)表示，實際上實現(xiàn)整個碳中和主要包含三大環(huán)節(jié)，第一部分是能源生產(chǎn)，為實現(xiàn)碳中和，2050年將非化石能源（風(fēng)電、光伏、水電、核電）占比從35%提高至90%，我們需要大力發(fā)展儲能技術(shù)，減少棄風(fēng)/光率，在光伏、風(fēng)電、儲能方面多投入。第二部分是能源傳輸，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效運行，采用FACT, 特高壓HVDC等提高電網(wǎng)傳輸效率降低損耗。第三部分是能源利用，加速電氣化進(jìn)程，減少非必要的能源消耗量，實現(xiàn)工業(yè)節(jié)能、建筑節(jié)能、交通節(jié)能等開發(fā)并使用碳封存技術(shù)以降低碳排放量。

MathWorks的主要客戶中有能源行業(yè)、工業(yè)機械行業(yè)等與能源直接相關(guān)的行業(yè)，也有軌道交通、汽車、半導(dǎo)體的生產(chǎn)制造和金屬，材料與礦業(yè)，甚至醫(yī)療設(shè)備等跟能源行業(yè)息息相關(guān)的行業(yè)。李靖遠(yuǎn)隨后分享MathWorks綠色能源行業(yè)的客戶使用MATLAB和Simulink的案例情況，無論是在魁北克風(fēng)電廠中的應(yīng)用，EVLO開發(fā)磷酸鐵鋰電池，Malta利用鹽和冷卻液開發(fā)能源存儲，芬蘭電網(wǎng)在MATLAB中使用PMU數(shù)據(jù)分析電網(wǎng)穩(wěn)定性，Transpower利用儲量管理工具確保新西蘭國家電網(wǎng)的可靠性，使用基于模型的設(shè)計來建造特斯拉跑車的實踐，還是電力行業(yè)的大數(shù)據(jù)和AI、數(shù)字孿生設(shè)計，MathWorks都在其中發(fā)揮了重要作用。

助力綠色能源客戶低碳轉(zhuǎn)型

綠色能源企業(yè)如何使用MathWorks的產(chǎn)品，從能源生產(chǎn)、能源傳輸和能源利用各個環(huán)節(jié)去開發(fā)自己的數(shù)字化產(chǎn)品？

首先是能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)，一類是風(fēng)電和光伏，一類是儲能。比如魁北克水電公司建立風(fēng)電廠模型?？笨怂姽局铝τ陂_發(fā)、使用水力發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電。但是在新風(fēng)電場上線使用之前必須要考慮三個關(guān)鍵因素，即與電網(wǎng)的并網(wǎng)，預(yù)測發(fā)電量，并確保整個電力系統(tǒng)的安全、可靠運行。這就必須確定當(dāng)新的風(fēng)電場連接到電網(wǎng)時，需要多少設(shè)備，如靜態(tài)無功補償器(SVCs)等，同時對電機瞬態(tài)和電磁瞬態(tài)穩(wěn)定性(EMTs)進(jìn)行分析，來確保電網(wǎng)和風(fēng)電場之間動態(tài)相互作用的穩(wěn)定性。魁北克水電需要對單個風(fēng)機的控制系統(tǒng)和輸出功率進(jìn)行建模，然后對整個風(fēng)電場的70-100臺風(fēng)機進(jìn)行仿真，以驗證風(fēng)電場的聚合性能，最后仿真風(fēng)電場與電網(wǎng)的交互作用。

為了解決這些問題，工程師們使用SimPowerSystems的發(fā)電機、整流器、電容器、諧波濾波器和其他電力電子模塊在Simulink中建立風(fēng)力發(fā)電機模型，還建立了發(fā)電機控制系統(tǒng)的Simulink模型。為了研究穩(wěn)定性，在Simulink中使用雙質(zhì)量塊系統(tǒng)模型對風(fēng)機進(jìn)行了力學(xué)仿真，該模型考慮了葉片的變槳和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等細(xì)節(jié)?？笨怂姽镜墓こ處焸兘M裝了一個由73個單獨的風(fēng)機模型和連接它們的電網(wǎng)組成的整個風(fēng)電場的Simulink模型對風(fēng)電場性能進(jìn)行仿真。使用Simulink Coder，該團隊從他們的Simulink和SimPowerSystems模型中生成C代碼，在含32個處理器的超級計算機上運行Hypersim仿真環(huán)境。最終快速、便捷、高效地完成了系統(tǒng)仿真、測試，確保了風(fēng)電場性能及并網(wǎng)的安全性。

然后是能源傳輸環(huán)節(jié)。比如芬蘭國家電網(wǎng)在MATLAB中使用PMU數(shù)據(jù)分析電網(wǎng)穩(wěn)定性。因為整個電力實時監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)來源于監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)和相量測量單元(PMU)。但是對于復(fù)雜的系統(tǒng)，工程師們并不總是清楚哪個分析算法對特定的問題最有效，所以就需要通過系統(tǒng)仿真的方式去驗證各種算法。為了解決這個問題，芬蘭國家電網(wǎng)將MATLAB與OSI PI數(shù)據(jù)庫集成，使利用PI系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源與MATLAB執(zhí)行的數(shù)學(xué)分析相結(jié)合成為可能，從而利用MATLAB的強大功能訪問SCADA系統(tǒng)和PMU數(shù)據(jù)來完成電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘、可視化、實時檢測系統(tǒng)干擾和異常、以及生成報告等一系列任務(wù)。進(jìn)一步提高了控制中心操作人員的實時監(jiān)控能力和技術(shù)專家的電力系統(tǒng)分析能力。

最后是能源利用環(huán)節(jié)。我們可以通過工業(yè)節(jié)能、交通節(jié)能和建筑節(jié)能進(jìn)行能源合理利用。比如澳大利亞BuildingIQ公司開發(fā)大型建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)HVAC能源優(yōu)化的前瞻性算法。BuildingIQ公司與澳大利亞國家科學(xué)研究機構(gòu)，利用MATLAB和Simulink聯(lián)合開發(fā)了一個預(yù)測性能源模型。它利用MATLAB里面的預(yù)測性算法以及機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)采集大量數(shù)據(jù)，對建筑節(jié)能的優(yōu)化進(jìn)行分析，最后制定出最優(yōu)化的算法，并且在云端環(huán)境進(jìn)行部署。

另外，整個電動汽車行業(yè)幾乎都在大量使用MATLAB和Simulink進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以及基于模型的設(shè)計開發(fā)整個電力控制系統(tǒng)。早在2005年，特斯拉就開始使用基于模型設(shè)計的MathWorks工具來建模和模擬車輛，分析性能并評估設(shè)計權(quán)衡。小到一個電機控制，大到整車的性能評估都是基于MathWorks模型的設(shè)計。建立模型的好處顯而易見，就是使用標(biāo)定系統(tǒng)模型，提高仿真精度；在沒有使用物理原型的情況下測試數(shù)百種動力系統(tǒng)配置，測試在各種工況下的整車性能；模擬多領(lǐng)域效應(yīng)，實現(xiàn)電池技術(shù)的巨大進(jìn)步。

推動電力行業(yè)客戶數(shù)字化轉(zhuǎn)型

MathWorks在電力行業(yè)主要有兩大應(yīng)用，一類是大數(shù)據(jù)和人工智能，一類是數(shù)字孿生設(shè)計。其中，大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用主要有四個維度。第一個維度是數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)，客戶可以通過PMU（Phasor measurement unit）實時采集電網(wǎng)的動態(tài)數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行定量的電網(wǎng)穩(wěn)定性分析；第二個維度是圖像處理和深度學(xué)習(xí)，客戶可以通過無人機遙感圖像實現(xiàn)電力系統(tǒng)實時巡檢；第三個維度是能源交易和風(fēng)險管理，由于它跟天氣、能源狀況、溫度，甚至歷史價格、戰(zhàn)爭狀態(tài)等都有關(guān)系，定義一個最優(yōu)化的合理化曲線非常復(fù)雜，比如RWE，萊茵集團，歐洲能源集團可以通過運行MonteCarlo仿真進(jìn)行能源交易估值和風(fēng)險評估等；第四個維度是預(yù)測性維護也叫設(shè)備健康管理，通過MATLAB的預(yù)測性維護工具箱，識別故障、設(shè)計狀態(tài)指示器，并估算關(guān)鍵設(shè)備（如變壓器、電纜、斷路器、發(fā)電機等）的剩余使用壽命，設(shè)備需要進(jìn)行維護的時間節(jié)點，變周期性維護為預(yù)測性維護，可以極大地降低成本，提高效率。目前在電力行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)IDC數(shù)據(jù)顯示，2020年全球數(shù)字孿生市場規(guī)模達(dá)到52.2億美元，到2024年其市場規(guī)模有望達(dá)到212.8億美元。未來市場發(fā)展?jié)摿薮?。MathWorks在數(shù)字孿生設(shè)計的應(yīng)用上同樣有四個維度。第一個是可再生與分布式能源并網(wǎng)，由于光伏、風(fēng)電、水電等可再生能源產(chǎn)生的電力不穩(wěn)定，在并網(wǎng)的過程中，怎么樣去校驗它是否會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生波動，這是非常關(guān)鍵的一個因素。李靖遠(yuǎn)表示，客戶可以使用Simscape Electric評估具有分布式能源(DER)系統(tǒng)的性能。建模并并行運行多工況條件下的并網(wǎng)響應(yīng)，以評估系統(tǒng)是否滿足并網(wǎng)規(guī)則；第二個是能源管理系統(tǒng)（EMS），使用MATLAB和Simulink可以構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的基于物理實體的模型，建模并進(jìn)行設(shè)備性能仿真，設(shè)計算法以實現(xiàn)設(shè)備的最佳控制；第三個是數(shù)字孿生基于模型的應(yīng)用，小到一個設(shè)備，大到一個風(fēng)電廠，都可以使用MATLAB和Simulink創(chuàng)建設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，以執(zhí)行預(yù)測性維護和系統(tǒng)優(yōu)化；第四個是部署，所有的大數(shù)據(jù)、人工智能及數(shù)字孿生算法都可以通過自動代碼生成，MathWorks提供的ProductionServer，WebApplicationServer等工具可以輕松地部署到GPU、嵌入式系統(tǒng)、云端等，為實際的生產(chǎn)、運營服務(wù)。

李靖遠(yuǎn)認(rèn)為未來電力系統(tǒng)發(fā)展的重點領(lǐng)域會是并網(wǎng)、利用AI進(jìn)行電網(wǎng)分析，以及監(jiān)測與控制。從并網(wǎng)的角度來說，進(jìn)行可再生能源和電池存儲并網(wǎng)，需要設(shè)計和仿真電氣、機械和控制系統(tǒng)，開發(fā)和優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度算法，如果用于大型系統(tǒng)級仿真還需要與其他工具如PSSE和PSCAD集成；使用PMU數(shù)據(jù)對整個電廠或系統(tǒng)進(jìn)行驗證，需要構(gòu)建物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，并且將現(xiàn)場響應(yīng)與模擬響應(yīng)進(jìn)行匹配，運行多個場景并執(zhí)行自動參數(shù)估計；IEEE1547合規(guī)性監(jiān)測，需要檢查是否符合現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，設(shè)計控制器/保護性措施是否符合并網(wǎng)準(zhǔn)則。從利用AI技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)分析的角度來說，包括設(shè)備的性能管理，能源與價格的預(yù)測等。從監(jiān)測與控制的角度來說，包括在硬件或云上部署仿真模型和算法。我們需要開發(fā)電氣系統(tǒng)模型并部署到硬件上，執(zhí)行控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)(HIL)測試，以驗證其在實時系統(tǒng)下的響應(yīng)的魯棒性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性等，同時可以利用云端集成實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

綜上所述，從多域系統(tǒng)建模到多種數(shù)據(jù)的支持，再到一些參數(shù)預(yù)估，優(yōu)化，控制系統(tǒng)設(shè)計，深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)等，MathWorks都提供了成熟的算法工具箱來幫助綠色能源企業(yè)建立其產(chǎn)品。并且在企業(yè)構(gòu)建好算法之后，MathWorks的產(chǎn)品還可以自動生成代碼，無需手工干預(yù)，極大地提高了工作效率。

“未來電力系統(tǒng)開發(fā)大致分成文本分析，多域物理系統(tǒng)建模，大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)，云端部署，實時仿真，人工智能應(yīng)用，以及像圖像/信號處理七大方面”，李靖遠(yuǎn)說：“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，再到部署一個完整的工具鏈，MathWorks可以完整地呈現(xiàn)給客戶，這也是為什么我們在全球電力行業(yè)能被大量客戶使用的一個原因?！?

MathWorks始終專注于為全球客戶提供最高效的工程平臺，幫助客戶建立標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)流程來適應(yīng)團隊協(xié)作的需求，以及通過從全球客戶獲得的經(jīng)驗來幫助其他客戶解決工程的實際問題。正因為今后全球碳減排意義深遠(yuǎn)，任務(wù)艱巨，所以MathWorks希望能夠憑借MATLAB和Simulink軟件幫助更多綠色能源客戶開發(fā)可再生能源技術(shù)，最大限度地緩解氣候變化，賦能綠色能源革命。