作為全球領先的數學計算軟件開發商，MathWorks開發出兩大對全球有深遠影響的產品平臺。一個是被稱為“工程師和科學家的語言”的編程環境MATLAB，一個是用于系統設計、仿真和測試的圖形化環境Simulink。MATLAB和Simulink作為基礎研發工具，已廣泛用于汽車、航空航天、通信、電子及工業自動化等行業。如今，包括風電、光伏、儲能、新能源汽車在內的綠色能源應用技術領域也早已廣泛地利用MATLAB和Simulink進行電網的穩定性分析，大數據處理，測試，仿真以及自動化的代碼生成等。MathWorks同時開發出對應的電池模型、電機模型等附加產品，助力與能源直接/間接相關的行業加速實現全球碳中和目標。

MathWorks中國區行業市場經理李靖遠先生近日為中國媒體帶來一場精彩的線上發布會，分享MathWorks在全新的碳中和時代背景下，如何從能源生產、能源傳輸和能源利用三大環節幫助全球綠色能源客戶實現產品設計的數字化技術創新。

加速能源變革

世界能源發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從化石能源轉向風電、光伏、水電、核電等可再生能源，能源載體是電、氫、儲能等，應用領域是新能源汽車、戶用光伏等。

在談及碳中和的實現方式時，李靖遠表示，實際上實現整個碳中和主要包含三大環節，第一部分是能源生產，為實現碳中和，2050年將非化石能源（風電、光伏、水電、核電）占比從35%提高至90%，我們需要大力發展儲能技術，減少棄風/光率，在光伏、風電、儲能方面多投入。第二部分是能源傳輸，優化電網結構設計保證電力系統安全穩定高效運行，采用FACT, 特高壓HVDC等提高電網傳輸效率降低損耗。第三部分是能源利用，加速電氣化進程，減少非必要的能源消耗量，實現工業節能、建筑節能、交通節能等開發并使用碳封存技術以降低碳排放量。

MathWorks的主要客戶中有能源行業、工業機械行業等與能源直接相關的行業，也有軌道交通、汽車、半導體的生產制造和金屬，材料與礦業，甚至醫療設備等跟能源行業息息相關的行業。李靖遠隨后分享MathWorks綠色能源行業的客戶使用MATLAB和Simulink的案例情況，無論是在魁北克風電廠中的應用，EVLO開發磷酸鐵鋰電池，Malta利用鹽和冷卻液開發能源存儲，芬蘭電網在MATLAB中使用PMU數據分析電網穩定性，Transpower利用儲量管理工具確保新西蘭國家電網的可靠性，使用基于模型的設計來建造特斯拉跑車的實踐，還是電力行業的大數據和AI、數字孿生設計，MathWorks都在其中發揮了重要作用。

助力綠色能源客戶低碳轉型

綠色能源企業如何使用MathWorks的產品，從能源生產、能源傳輸和能源利用各個環節去開發自己的數字化產品？

首先是能源生產環節，一類是風電和光伏，一類是儲能。比如魁北克水電公司建立風電廠模型。魁北克水電公司致力于開發、使用水力發電和風能發電。但是在新風電場上線使用之前必須要考慮三個關鍵因素，即與電網的并網，預測發電量，并確保整個電力系統的安全、可靠運行。這就必須確定當新的風電場連接到電網時，需要多少設備，如靜態無功補償器(SVCs)等，同時對電機瞬態和電磁瞬態穩定性(EMTs)進行分析，來確保電網和風電場之間動態相互作用的穩定性。魁北克水電需要對單個風機的控制系統和輸出功率進行建模，然后對整個風電場的70-100臺風機進行仿真，以驗證風電場的聚合性能，最后仿真風電場與電網的交互作用。

為了解決這些問題，工程師們使用SimPowerSystems的發電機、整流器、電容器、諧波濾波器和其他電力電子模塊在Simulink中建立風力發電機模型，還建立了發電機控制系統的Simulink模型。為了研究穩定性，在Simulink中使用雙質量塊系統模型對風機進行了力學仿真，該模型考慮了葉片的變槳和扭轉效應等細節。魁北克水電公司的工程師們組裝了一個由73個單獨的風機模型和連接它們的電網組成的整個風電場的Simulink模型對風電場性能進行仿真。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仿真環境。最終快速、便捷、高效地完成了系統仿真、測試，確保了風電場性能及并網的安全性。

然后是能源傳輸環節。比如芬蘭國家電網在MATLAB中使用PMU數據分析電網穩定性。因為整個電力實時監控系統中，數據來源于監控和數據采集系統(SCADA)和相量測量單元(PMU)。但是對于復雜的系統，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，芬蘭國家電網將MATLAB與OSI PI數據庫集成，使利用PI系統的數據源與MATLAB執行的數學分析相結合成為可能，從而利用MATLAB的強大功能訪問SCADA系統和PMU數據來完成電力系統的數據挖掘、可視化、實時檢測系統干擾和異常、以及生成報告等一系列任務。進一步提高了控制中心操作人員的實時監控能力和技術專家的電力系統分析能力。

最后是能源利用環節。我們可以通過工業節能、交通節能和建筑節能進行能源合理利用。比如澳大利亞BuildingIQ公司開發大型建筑暖通空調系統HVAC能源優化的前瞻性算法。BuildingIQ公司與澳大利亞國家科學研究機構，利用MATLAB和Simulink聯合開發了一個預測性能源模型。它利用MATLAB里面的預測性算法以及機器學習、深度學習采集大量數據，對建筑節能的優化進行分析，最后制定出最優化的算法，并且在云端環境進行部署。

另外，整個電動汽車行業幾乎都在大量使用MATLAB和Simulink進行數據分析，以及基于模型的設計開發整個電力控制系統。早在2005年，特斯拉就開始使用基于模型設計的MathWorks工具來建模和模擬車輛，分析性能并評估設計權衡。小到一個電機控制，大到整車的性能評估都是基于MathWorks模型的設計。建立模型的好處顯而易見，就是使用標定系統模型，提高仿真精度；在沒有使用物理原型的情況下測試數百種動力系統配置，測試在各種工況下的整車性能；模擬多領域效應，實現電池技術的巨大進步。

推動電力行業客戶數字化轉型

MathWorks在電力行業主要有兩大應用，一類是大數據和人工智能，一類是數字孿生設計。其中，大數據和人工智能應用主要有四個維度。第一個維度是數據分析和機器學習，客戶可以通過PMU（Phasor measurement unit）實時采集電網的動態數據在MATLAB中進行定量的電網穩定性分析；第二個維度是圖像處理和深度學習，客戶可以通過無人機遙感圖像實現電力系統實時巡檢；第三個維度是能源交易和風險管理，由于它跟天氣、能源狀況、溫度，甚至歷史價格、戰爭狀態等都有關系，定義一個最優化的合理化曲線非常復雜，比如RWE，萊茵集團，歐洲能源集團可以通過運行MonteCarlo仿真進行能源交易估值和風險評估等；第四個維度是預測性維護也叫設備健康管理，通過MATLAB的預測性維護工具箱，識別故障、設計狀態指示器，并估算關鍵設備（如變壓器、電纜、斷路器、發電機等）的剩余使用壽命，設備需要進行維護的時間節點，變周期性維護為預測性維護，可以極大地降低成本，提高效率。目前在電力行業已得到廣泛應用。

根據IDC數據顯示，2020年全球數字孿生市場規模達到52.2億美元，到2024年其市場規模有望達到212.8億美元。未來市場發展潛力巨大。MathWorks在數字孿生設計的應用上同樣有四個維度。第一個是可再生與分布式能源并網，由于光伏、風電、水電等可再生能源產生的電力不穩定，在并網的過程中，怎么樣去校驗它是否會對整個電網產生波動，這是非常關鍵的一個因素。李靖遠表示，客戶可以使用Simscape Electric評估具有分布式能源(DER)系統的性能。建模并并行運行多工況條件下的并網響應，以評估系統是否滿足并網規則；第二個是能源管理系統（EMS），使用MATLAB和Simulink可以構建數據驅動的基于物理實體的模型，建模并進行設備性能仿真，設計算法以實現設備的最佳控制；第三個是數字孿生基于模型的應用，小到一個設備，大到一個風電廠，都可以使用MATLAB和Simulink創建設備和系統的數字孿生模型，以執行預測性維護和系統優化；第四個是部署，所有的大數據、人工智能及數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、云端等，為實際的生產、運營服務。

李靖遠認為未來電力系統發展的重點領域會是并網、利用AI進行電網分析，以及監測與控制。從并網的角度來說，進行可再生能源和電池存儲并網，需要設計和仿真電氣、機械和控制系統，開發和優化經濟調度算法，如果用于大型系統級仿真還需要與其他工具如PSSE和PSCAD集成；使用PMU數據對整個電廠或系統進行驗證，需要構建物理系統的數字孿生模型，并且將現場響應與模擬響應進行匹配，運行多個場景并執行自動參數估計；IEEE1547合規性監測，需要檢查是否符合現場測量數據，設計控制器/保護性措施是否符合并網準則。從利用AI技術進行電網分析的角度來說，包括設備的性能管理，能源與價格的預測等。從監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。我們需要開發電氣系統模型并部署到硬件上，執行控制系統的硬件在環(HIL)測試，以驗證其在實時系統下的響應的魯棒性，系統的穩定性等，同時可以利用云端集成實現數字化轉型。

綜上所述，從多域系統建模到多種數據的支持，再到一些參數預估，優化，控制系統設計，深度學習和機器學習等，MathWorks都提供了成熟的算法工具箱來幫助綠色能源企業建立其產品。并且在企業構建好算法之后，MathWorks的產品還可以自動生成代碼，無需手工干預，極大地提高了工作效率。

“未來電力系統開發大致分成文本分析，多域物理系統建模，大數據和物聯網，云端部署，實時仿真，人工智能應用，以及像圖像/信號處理七大方面”，李靖遠說：“從數據集成到利用人工智能AI去進行建模，到系統設計，再到部署一個完整的工具鏈，MathWorks可以完整地呈現給客戶，這也是為什么我們在全球電力行業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，幫助客戶建立標準化的開發流程來適應團隊協作的需求，以及通過從全球客戶獲得的經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，任務艱巨，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可再生能源技術，最大限度地緩解氣候變化，賦能綠色能源革命。