本发明涉及一种用于控制电解槽工厂的操作的方法、系统、计算机程序产品和计算机可读介质。
背景技术:
1、确定电解槽工厂的最佳操作点通常是大的优化问题。
2、电解槽工厂可以被视为复杂能源系统中的耦合组件,该耦合组件耦合不同的网络,即电力网络、热网络、氢气网络和氧气网络。因此,在优化中可以考虑在电解槽工厂的电源侧和氢气、氧气、热量输出侧的很多方面。例如,可用的电网能量可以是有限的,或者可以馈送到各自的网络中的氢气、热量或氧气的上限可以存在。
3、此外,在优化中还可以考虑另外的方面,例如能量、氢气、氧气和热量的可用存储以及其各自的效率。
4、在优化中还可以考虑的另外的方面是电解槽模块的特性、操作条件或设备磨损等。
5、可选地,除了上述技术方面,在优化中还可以考虑涉及定价、合同义务等的方面。
6、目前,电解槽工厂通常不在理想操作点操作。虽然建模用于确定电解槽工厂和/或其组件的操作点,但是建模的结果通常是不准确的。不准确的建模可以导致电解槽模块的非最佳操作,例如在效率和/或磨损方面,并且还可以导致实际的电力需求和/或氢气、氧气和热量的输出,与预测不符,这可能导致技术问题,此外,在某些情况下,还可能导致合同和/或成本问题。例如,输出所需量的氢气、氧气和/或热量可能根本不可能,或在没有在非理想的操作条件下操作(例如在磨损和/或效率方面)的情况下或载没有以高于预期的成本购买电力的情况下不可能。
7、使用已知的方法,高准确度需要使用更复杂的模型,同时需要频繁地重新计算操作点,以便考虑不断变化的条件。因此,在许多情况下,为了在可用时间和计算资源方面的限制下获得健壮性和可解性,需要牺牲准确度。
8、本发明的目的是提供一种用于控制电解槽工厂的操作的方法,该方法减轻了至少一些上述缺点。
技术实现思路
1、目的由本发明实现。本发明提供了一种根据独立权利要求的方法、系统、计算机程序产品和计算机可读介质。优选实施例在从属权利要求中进行规定。
2、本发明提供了一种用于控制电解槽工厂的操作的计算机实现的方法。该方法包括(a)借助第一模型确定在预定的第一时间段内电解槽工厂的第一操作点,(b)借助第二模型来模拟电解槽工厂在预定的第二时间段内的针对第一操作点的操作,该第二时间段比第一时间段短并且包括在第一时间段内,第二模型是针对电解槽工厂的操作具有比第一模型更高的预测准确度的模型,以及(c)确定所模拟的操作是否满足预定要求。方法包括(d)在确定所模拟的操作不满足预定要求时,调整第一模型的一个或多个参数和/或一个或多个边界条件,以及(e)在确定所模拟的操作满足预定要求时,将第一操作点设置为预定的第二时间段内的目标操作点。
3、在本公开中,操作点是电解槽工厂在给定时间点操作的功率的值。在本公开中,操作点也被称为设定点或操作设定点。
4、第一操作点可以包括第二时间段内的所有操作点。操作点在第一时间段的不同时间可以不同。这可以被描述为操作点的函数,作为时间的函数。
5、如上所述,第二时间段包括在第一时间段中。例如,第一时间段和第二时间段可以同时开始并且延长至不同的时间点。作为示例,第一时间段可以是多日,特别是一个或多个星期,特别是一个或多个月,并且第二时间段可以是多个小时,特别是一天。因此,例如,第一时间段可以被分成长度相等或不同的连续的第二时间段。
6、第一模型和第二模型可以分别包括输入功率与氢气和/或氧气和/或热量输出之间的相互依赖性等的表示。
7、第一模型可以被视为长期规划模型。
8、例如,第一模型可以是基于第一参数确定操作点的模型,该第一参数可以包括外部参数,例如第一时间段内电网能量的预测可用性、预测的请求需求等。第一参数还可以包括表示一般电解槽工厂特性的参数,例如电解槽模块的数量和/或工厂的标称总体制氢效率。
9、例如,第一模型可以不考虑在单个模块的基础上表征电解槽工厂的参数。因此,参数的数量可以保持低,并且建模的计算成本可能不会太高。例如,模型可以是线性模型。因此,建模甚至可以以合理的计算资源消耗在较长的第一时间段内执行。然而,这种模型的准确度可以受到限制,例如由于没有考虑到单独模块的效率特性。
10、借助第一模型确定第一操作点可以包括在第一参数的基础上,可选地在一个或多个第一边界条件的基础上,执行操作点的优化。
11、第一模型可以预测未来的功耗和/或制氢曲线。第一模型可以允许解决优化问题以确定最佳操作点。
12、可选地,根据所选参数,第一模型可以被配置为保守模型。例如,第一模型可以被配置为低估氢气产量,例如即使模型不准确,也要确保总是生产所需的最小氢量。可替代地或附加地,第一模型可以被配置为低估氢气的可用存储体积,例如确保即使模型不准确,一些存储体积仍然可用。
13、例如,第二模型可以是基于第二参数确定操作点的模型,第二参数可以包括工厂内部参数,即表征电解槽工厂的参数,特别是包括在单独模块的基础上表征电解槽工厂的参数。可选地,它可以不考虑所有的工厂外部参数,例如第一模型所考虑的参数。
14、例如,第二模型可以是先前已经建立的工厂模型,例如在设置工厂以操作后,例如为了优化工厂设置和/或控制和/或优化工厂操作。
15、第二模型在预测由第一模型确定的操作点的效果时可能更准确。例如,它可以使用更多的参数和/或边界条件和/或相互依赖性和/或更合适的方程来表示工厂的操作。
16、电解槽工厂可以包括多个电解槽模块,并且每个电解槽模块都可以由多个特性表征,该特性可以由第二参数表示。此外,第二参数还可以包括表示一个或多个模块的当前状态的参数,例如温度等。因此,第二模型可以比第一模型考虑更大量的参数。因此,它可以产生更准确的结果。然而,借助第二模型进行的确定的计算成本也可以更高,例如由于其复杂性,以便在比第一模型更短的时间段内的计算有助于避免总体上过度的计算资源消耗。此外,第二参数可以包括比第一参数更多的动态参数。更短的时间段也允许更高的准确度。
17、第二模型可以被视为用于模拟第一模型操作点的短期模型。
18、借助第二模型模拟电解槽工厂的操作可以包括优化。作为示例,如果第二模型完全由来自第一模型的输出确定,则可以不需要优化。然而,特别是在第二模型不完全由来自第一模型的输出确定的情况下,模拟可以包括优化。换言之,例如在第二模型中存在自由参数的情况下,模拟可以包括优化。在这种情况下,第二模型具有一定的自由度。除非另有说明,否则本公开涉及需要具有和没有优化的模拟的模拟。
19、第二模型可以将第一操作点作为输入,并且基于(该)第二参数模拟电解槽工厂在第二时间段内的第一操作点的操作。方法包括确定所模拟的操作是否满足至少一个预定要求。要求可以满足一个或多个条件。例如,要满足的条件可以包括不违反一个或多个边界条件,例如参数的值保持高于和/或低于预定阈值,特别是保持在预定间隔内。例如,边界条件可以是与安全有关的要求,例如允许的温度范围。可替代地或附加地,要满足的条件可以包括由第一模型获得的电解槽工厂的建模操作与由第二模型获得的电解槽工厂的建模操作之间的差异保持低于预定阈值。
20、方法包括在确定所模拟的操作不满足预定要求时,调整第一模型的一个或多个参数和/或一个或多个边界条件,以及在确定所模拟的操作满足预定要求时,将第一操作点设置为预定的第二时间段内的目标操作点。例如,方法可以包括预测调整参数和/或一个或多个调整边界条件的预期结果,以确定调整。
21、本公开中的“在确定后”与“响应于确定”同义使用。
22、换言之,只有在发现由第一模型确定的操作点在应用更准确的第二模型时是可接受的情况下,这些操作点才会用于在第二时间段内操作电解槽工厂。否则,例如,如果基于第二模型确定由第一模型获得的操作点是不可接受的,或者换言之,确定至少在预定的第二时间段内需要校正的操作点,则使用不同的参数和/或边界条件借助第二模型对操作点进行的重新计算被触发,并且在此基础上,使用来自第二模型的更全面地描述工厂操作的结果对第一操作点进行校正。
23、因此,来自资源密集度较低的第二模型可以在产生准确结果的情况下使用,并且只有在结果不是最佳的情况下,才需要更多的计算资源。
24、因此,使用本公开的方法,可以在不显著增加总体计算资源消耗的情况下改进确定操作点的准确度。因此,本公开的方法至少解决了上述问题。
25、借助第一模型进行的确定的计算成本可以比借助第二模型进行的模拟的计算成本低。具体地,第一模型可以是线性模型,并且第二模型可以是非线性模型和/或可以考虑比第一模型更大量的参数。作为示例,第一模型可以假设不同操作点的恒定效率。这通常与现实不符,其中效率取决于操作点。
26、计算成本比另一个模型低的模型可以导致,与借助另一个模型确定操作点或模拟操作相比,借助该模型确定操作点或模拟操作需要更少的计算资源,特别是cpu和/或数据传输和/或内存使用。
27、例如,如上所述,借助第一模型和/或第二模型确定操作点可以包括解决优化问题。对于非线性模型、更大量的参数、建模的更长时间跨度和/或更精细的时间离散化,解决优化问题的计算成本变得更高。
28、通过在需要时只使用计算成本更高的模型来改进计算成本更低的模型,在不大幅增加计算资源的使用的情况下,可以确保改进的操作。
29、在本公开中,第一模型可以基于第一数据集确定操作点,其中第一数据集包括一个或多个工厂外部参数。第二模型可以基于第二数据集模拟电解槽工厂的操作,其中第二数据集包括一个或多个工厂特定的参数,这些参数未被包括在第一数据集中。
30、这允许两个模型有不同的主要目的。例如,第一模型的主要目的可以是在电解槽工厂的能力范围内,调整操作到工厂外部参数,这些工厂外部参数通常不一定会受工厂操作人员的影响。这些参数表示外部限制,包括技术限制,例如关于功率的可用性和可以由工厂输出(例如馈送到外部网络中)的可能氢气量。另外,可选地,它们还可以包括其他类型的限制,例如合同限制。除了技术限制,参数还可以可选地表示价格预测,例如对于功率和氢气。例如,第二模型的主要目的可以是确保电解槽工厂根据工厂内部参数进行最佳操作。例如,可以考虑模块特定的特性,例如效率曲线和/或预测的模块劣化,和/或总体工厂特性,例如总体效率曲线和/或预测的总体劣化。可替代地或附加地,可以考虑操作特定的参数,特别是与安全相关的参数。
31、例如,关于第二模型可以考虑的方面的示例是,例如在模块的基础上、生产率、功耗、温度、压力、斜坡行为、几个模块/堆栈之间的生产分布、劣化、机械应力、谐波、无功功率和/或氢气和氧气混合。这些参数可以遵循非线性关系。
32、高准确度优化可能需要对模块效率和劣化有高准确度理解。准确地反映这种理解的模型是复杂的,并且基于此的优化的计算成本可能更高。因此,即使第一模型考虑允许推导效率和预期劣化的参数,但是为了保持模型简单,模型也不会提供深入的表示,因此缺乏准确度。例如,信息可以是在安装时使用制造商数据表或测量结果获得的信息。然而,对于实际的电解槽模块,这些可能不准确,依赖性可能没有被完全考虑,参数的相互依赖性的影响和特定操作条件的影响可能没有被完全考虑,并且参数随时间的变化可能没有被完全反映。
33、还关于第一参数,例如工厂外部参数,其可以是第一数据集的部分,以及第二参数,例如工厂内部参数,其可以是第二数据集的部分,参考上述描述。
34、第一数据集和第二数据集可以部分重叠,即它们不需要相互排斥。例如,两个数据集都可以包括总体电解槽工厂标称特性,例如电解槽模块的数量和/或操作效率。
35、重叠可以允许来自第一模型和第二模型的结果更快地收敛。
36、在根据本公开的方法中,确定所模拟的操作是否满足预定要求可以包括对于一个或多个边界条件中的每个边界条件,确定所模拟的操作是否导致违反边界条件,并且如果确定没有违反任何边界条件,则确定所模拟的操作满足预定要求。
37、换言之,只有在没有违反任何边界条件的情况下,才确定满足预定要求。这是有利的,因为电解槽工厂的操作可以可靠地保持在安全和/或有效的操作范围内。
38、具体地,在确定所模拟的操作导致违反一个或多个边界条件的情况下,调整可以包括调整至少在第二时间段内第一模型的一个或多个相应的边界条件,并且可选地发出警告。
39、边界条件可以包括电解槽工厂特别是电解槽模块的操作参数,例如每个电解槽模块的最小和/或最大允许设定点和/或每个电解槽模块的允许操作温度。可以选择边界条件,以确保安全操作和/或减少磨损和/或最好地利用表征每个电解槽模块的效率曲线。后者表示随电解槽设定点变化的效率,例如在低设定点,效率可以相当低。
40、根据本公开,第一模型的“相应”边界条件可以是与第二模型中的边界条件相同的边界条件,例如在第二模型的边界条件直接适用于第一模型的情况下。当第二模型的参数也在第一模型中考虑时,可能会出现这种情况。第一模型的相应边界条件也可以是第一模型的参数的边界条件,该参数与第二模型的边界条件所适用的第二模型中的参数相关。例如,如果在第一模型中不考虑第二模型的参数,则与第二模型的参数相关的边界条件可以转换为第一模型的不同参数的相应边界条件。这相当于对第一模型的边界条件进行了间接调整。
41、例如,虽然第一模型可以不考虑电解槽模块的操作温度,但是第二模型中与操作温度有关的边界条件可以转换为相应的边界条件,例如关于总体制氢速率的边界条件。
42、边界条件的使用借助对操作的允许参数值施加限制,可以确保安全且可靠的操作。它们还可以用于根据边界条件所适用的参数改进准确度。
43、在某些情况下,本公开的方法可以不限于第一模型和第二模型的相同边界条件,而是可以应用相应的边界条件。这允许将大量的第一模型和第二模型组合,特别是在两个模型的重叠参数和参数兼容性方面没有限制性要求。
44、本公开的方法还可以包括确定电解槽工厂的第一操作,该操作由第一操作点表征,第一操作点在预定的第二时间段内借助第一模型确定,以及计算借助第一模型获得的第一操作与借助第二模型获得的所模拟的操作之间的差。具体地,确定所模拟的操作是否满足预定要求可以包括确定差是否满足预定的相似性要求,例如保持在预定限制内和/或低于预定阈值。
45、例如,工厂的操作可以至少由整个工厂的输入功率和氢气输出和/或制氢效率表征。表征操作的附加参数是可想到的。
46、在确定差不满足预定的相似性要求的情况下,调整可以包括调整第一模型的一个或多个参数。
47、作为示例,差可以是给定时间点的总体操作点的差或表示随时间变化的总体操作点的曲线之间的差。如上面还描述的调整参数可以允许第一模型的输出变得与第二模型的输出更相似。
48、上面允许改进总体准确度。例如,即使上述所有边界条件都得到满足,也可以借助减小差或换言之增加相似性来实现第一模型的准确度的另外的改进。
49、本公开的方法可以包括响应于所模拟的操作导致违反边界条件,用临时操作点临时覆盖第二时间段内的第一操作点,例如借助第二模型获得,以便对临时操作点的操作不会造成违反边界条件特别是任何边界条件。确定模拟导致违反可以是确定是否满足预定要求的部分。
50、在操作期间,可能会出现某些场景,其中用第一操作点操作工厂是非常不可取的,例如在安全、劣化和/或效率方面。这是由于第一模型没有考虑到电解槽工厂的所有内部参数,这在某些场景中可能会产生盲点。作为示例,当与安全关键参数(例如电解槽模块的操作温度)相关的违反边界条件是基于第二模型来确定时,使用第一操作点进行的操作可以导致电解槽工厂以不安全得方式操作。
51、具体地,响应于确定对第一模型的调整和借助第一模型重新计算操作点所需的预期时间超过预定阈值和/或响应于确定违反了安全关键边界条件,可以执行覆盖。
52、临时覆盖第一操作点并且使用临时操作点操作电解槽工厂,虽然在第一模型的优化目标方面可能不理想,但是可以确保电解槽工厂的安全、可靠和/或有效操作。
53、至少可以执行临时覆盖,直到确定调整已经导致了不会导致违反边界条件的所模拟的操作,该所模拟的操作边界条件特别满足预定要求。
54、具体地,一旦确定调整已经导致了所模拟的操作,该所模拟的操作不会导致违反边界条件特别是满足预定要求的边界条件,并且可选地,对边界条件的其他违反没有发生,临时覆盖便可以结束。
55、可选地,在覆盖第一操作点的同时,可以确定临时操作点,以便不违反第一模型和/或第二模型的边界条件,并且临时操作点保持尽可能靠近第一操作点。
56、本公开的方法可以包括至少重复步骤(a)至步骤(d),直到确定所模拟的操作满足预定要求。
57、也就是说,方法可以迭代地调整第一模型的一个或多个参数和/或一个或多个边界条件,并且在调整后,借助第一模型重新计算操作点。至少在满足预定要求之前可以这样做。一旦满足预定要求,重复便可以停止。这在计算资源方面是有利的。可替代地,步骤也可以在所模拟的操作满足预定要求时重复,例如用于监控和/或校正目的。例如,步骤可以在第二时间段内的预定时间或时间间隔重复。因此,可以改进准确度和可靠性。
58、本公开的方法可以包括在作为第二时间段的一个或多个附加时间段内,特别是在即将到来的时间段内的预定时间和/或预定时间间隔,执行步骤(a)至步骤(d),特别是执行上述方法步骤中任一项的方法步骤,该即将到来的时间段比第一时间段短并且包括在第一时间段中。
59、作为示例,第一时间段可以是若干天,并且每个第二时间段都可以是一天或更短。步骤(a)至步骤(d)然后可以在每天至少执行一次,例如在预定时间和/或在预定间隔,例如在24小时间隔。
60、上面允许确保在初始检查和潜在调整后,即在执行步骤(a)至步骤(d)一次后,第一模型随时间变化的准确性的改变被及时检测和校正。
61、本公开的方法可以包括以计算机可读的方式存储调整数据和/或基于(该)调整数据,特别是借助机器学习方法,对第一模型执行改进,改进特别地考虑了上下文信息。
62、例如,调整数据可以包括一个或多个调整参数和/或一个或多个调整边界条件和/或调整操作点,即使用调整参数和/或一个或多个调整边界条件基于第一模型而确定的操作点,和/或执行以获得调整参数和/或调整边界条件的调整步骤,并且可选地包括相关联的上下文数据,例如反映与第二时间段相关联的操作条件和/或环境因素。
63、改进第一模型可以包括在第二时间段后特别是甚至在第一时间段后的时间段内并且以这样的方式修改第一模型的参数和/或边界,以获得更准确的结果。
64、相关联的上下文数据可以是与一个或多个调整参数和/或一个或多个调整边界条件和/或调整操作点和/或执行以获得调整操作点的调整步骤相关联的上下文数据。
65、相关联的上下文数据可以包括允许时间段的分类的数据,例如日类、季节类、天气分类、与班次或生产计划有关的类。与具体类相关联的具体调整可以用于确定对第一模型的修改,该修改允许模型借助考虑所讨论的时间段的分类来进行改进的预测。
66、贴标签可以用于存储上下文数据和/或定义上下文数据与其余调整数据之间的关联。
67、如上所述提供和/或使用调整数据,第一模型可以在调整的基础上进行调整,以更好地反映电解槽工厂的实际操作,特别是在由上下文数据反映的具体情况下。
68、因此,可以改进第一模型的准确度,从而减少使用第二模型进行未来调整的需要。
69、在本公开的方法中,借助第二模型进行模拟可以包括对电解槽工厂的多个电解槽模块并行地执行电解槽模块级的独立模拟,并且随后,考虑到电解槽模块之间的相互依赖性以及可选地考虑到电解槽模块与电解槽工厂的其他设备之间的相互依赖性,将独立模拟的结果汇总。
70、换言之,可以执行模拟中所涉及的计算的至少部分并行化。这改进了总体性能,因此,这也意味着调整和随后的重新计算的延迟减少了。因此,总体操作更有效率,而且可能更安全。此外,在执行上述覆盖的情况下,可以减少执行覆盖的时间。
71、本发明还提供了一种系统,包括处理系统,被配置为执行本公开的任意方法。处理系统在本公开中也被称为计算系统。
72、系统还可以包括电解槽工厂的多个电解槽模块,处理系统被配置为控制电解槽模块的操作,使其在第二时间段内在目标操作点操作。
73、系统可以是或包括电解槽工厂。
74、系统可以被配置为提供电解槽模块的操作数据和/或规格数据,作为第一模型和/或第二模型的输入。
75、操作数据可以包括当前操作参数和/或历史操作参数。规格数据可以包括表示电解槽模块的特性的数据,例如由制造商提供的特性和/或从其和/或从操作数据推导出的特性。
76、电解槽模块可以被配置为直接提供操作数据和/或规格数据作为第一模型的输入,和/或操作数据和/或规格数据可以从数据存储工厂中检索,和/或操作数据可以借助监控设备获得。
77、本发明还提供了一种计算机程序,包括指令,当程序被计算机执行时,这些指令使计算机执行本公开的任意方法。
78、本发明还提供了一种计算机可读介质,包括指令,这些指令在被计算机执行时使计算机执行本公开的任意方法。
79、上面在方法的上下文中概述的特征和优点同样适用于本文中所描述的系统、计算机程序产品和计算机可读介质。
80、另外的特征、示例和优点将从参考附图的详细描述中变得显而易见。
1.一种用于控制电解槽工厂(1)的操作的计算机实现的方法,包括:
2.根据权利要求1所述的方法,其中借助所述第一模型进行的确定的计算成本比借助所述第二模型进行的模拟的计算成本低,具体地,其中所述第一模型是线性模型,并且所述第二模型是非线性模型和/或能够比所述第一模型考虑更多数目的参数。
3.根据权利要求1或2所述的方法,
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,还包括:
6.根据权利要求5所述的方法,其中在确定所述差不满足所述预定的相似性要求的情况下,所述调整包括调整所述第一模型的一个或多个参数。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括响应于确定所模拟的操作导致违反所述边界条件,特别是作为确定是否满足所述预定要求的一部分,
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括至少重复步骤(a)至步骤(d),直到确定所模拟的操作满足所述预定要求。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括在作为所述第二时间段的一个或多个附加时间段内,特别是在即将到来的时间段内的预定时间和/或预定时间间隔,执行步骤(a)至步骤(d),特别是执行根据前述权利要求任一项所述的方法中的步骤,所述即将到来的时间段比所述第一时间段短并且被包括在所述第一时间段中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括:
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中借助所述第二模型进行模拟包括针对所述电解槽工厂(1)的多个电解槽模块(2)并行地执行电解槽模块级的独立模拟,并且随后考虑到所述电解槽模块(2)之间的相互依赖性以及可选地考虑到所述电解槽模块(2)与所述电解槽工厂(1)的其他设备之间的相互依赖性,将所述独立模拟的结果汇总。
12.一种系统(1),包括处理系统(3),所述处理系统(3)被配置为执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
13.根据权利要求12所述的系统,还包括电解槽工厂的多个电解槽模块(2),所述处理系统被配置为控制所述电解槽模块的操作,以在所确定的第二时间段内在所述目标操作点处操作。
14.一种计算机可读介质,包括指令,所述指令在由计算机执行时,使所述计算机执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
15.一种计算机程序产品,包括指令,所述指令在由计算机执行时,使所述计算机执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。