GAMS助力SWM公司將能源市場(chǎng)模式轉(zhuǎn)移到Amazon Cloud

時(shí)間：2021-12-28作者：北京天演融智軟件有限公司瀏覽：275

Stadtwerke Munich（SWM）是德國(guó)較大的電力供應(yīng)商之一，2019年的電力年收入為28億歐元，相當(dāng)于37 TWh。相比之下，德國(guó)每年的總共凈發(fā)電量約為600 TWh。

 

SWM專(zhuān)注于生產(chǎn)自己的可再生能源發(fā)電機(jī)（地?zé)崮?、水力發(fā)電、陸地和海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，光伏和沼氣發(fā)電等），并提供給德國(guó)和其他歐洲國(guó)家（比利時(shí)、克羅地亞、芬蘭、法國(guó)、挪威、波蘭以及瑞典）?？稍偕茉垂灿?/span>3000多臺(tái)獨(dú)立發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)。



圖1. SWM參與歐洲電網(wǎng)的情況

來(lái)源：




由于SWM在可再生能源方面的大量投資，SWM對(duì)歐洲能源價(jià)格的長(zhǎng)期發(fā)展以及由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)非常重視。

 

因此，SWM為歐洲能源市場(chǎng)開(kāi)發(fā)并實(shí)施了GAMS基本模型，重點(diǎn)關(guān)注電力價(jià)格、碳和可再生能源**。該模型通過(guò)考慮所有現(xiàn)有發(fā)電機(jī)和模型構(gòu)建的所有發(fā)電機(jī)，計(jì)算出在所有給定時(shí)間點(diǎn)滿足電力需求的較有效方式。

 

GAMS基本模型給出的長(zhǎng)期價(jià)格應(yīng)用于發(fā)電機(jī)（太陽(yáng)能、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)發(fā)電廠和地?zé)嵝袠I(yè)）的所有投資決策。此外，長(zhǎng)期價(jià)格是減值的基礎(chǔ)，較終用于公司整體計(jì)劃。

 

當(dāng)前情況

SWM多年來(lái)一直在運(yùn)行是的2-part GAMS基本模型。

 

模型的**部分（invest部分）旨在計(jì)算到2050年歐洲的總體電力狀況。這個(gè)模型很大，大約有 7000萬(wàn)個(gè)非零矩陣元素。

 

模型輸入包含52個(gè)Excel文件，每個(gè)表格較多包含60,000個(gè)數(shù)據(jù)，例如：

·所有歐洲現(xiàn)有的發(fā)電廠

·電力需求和凈輸送能力

·使用可再生能源發(fā)電的典型天數(shù)

·燃油價(jià)格

 

主要輸出

每種技術(shù)的可用發(fā)電機(jī)（可再生、傳統(tǒng)）

容量和發(fā)電組合以及

每年電力的基準(zhǔn)市場(chǎng)價(jià)格

 

使用帶有年度數(shù)據(jù)的invest模型的輸出文件，*二部分（dispatch模型）可以針對(duì)不同的假設(shè)集在20-30個(gè)并行作業(yè)中運(yùn)行。一個(gè)并行作業(yè)相當(dāng)于一年的小時(shí)分辨率。SWM已在內(nèi)部硬件（192個(gè)內(nèi)核，1.5TB RAM）上運(yùn)行此模型。

 

隨著歐盟內(nèi)部法律框架的較新變化，可再生能源的擔(dān)保價(jià)格已被廢除，可再生能源現(xiàn)在承擔(dān)著與其他能源形式相同的市場(chǎng)波動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)。此更改為要解決的場(chǎng)景和以下問(wèn)題的答案增加了多個(gè)自由度：“如果天然氣價(jià)格突然下跌，可再生能源的價(jià)格會(huì)怎樣？”除了變化的燃油價(jià)格外，還必須考慮來(lái)自國(guó)家和歐洲脫碳目標(biāo)的一些法律法規(guī)和挑戰(zhàn)。

 

由于產(chǎn)生的市場(chǎng)價(jià)格是基于不同假設(shè)下的情景，而不是具有特定發(fā)生概率的預(yù)測(cè)，因此必須計(jì)算許多情景，以確定如果前提發(fā)生變化，對(duì)價(jià)格的杠桿作用是什么。

 

每年必須執(zhí)行大約200次完整的模擬運(yùn)行，每次運(yùn)行在24小時(shí)內(nèi)出結(jié)果，因此在這段時(shí)間內(nèi)對(duì)計(jì)算能力的要求較高。在高峰時(shí)段之外，對(duì)計(jì)算能力的要求相對(duì)較低。根據(jù)這種實(shí)際情況，意味著所需的計(jì)算能力無(wú)法再通過(guò)內(nèi)部硬件滿足，而使用云計(jì)算的解決方案似乎是較合適的。

 

技術(shù)挑戰(zhàn)

開(kāi)發(fā)云解決方案時(shí)必須解決以下技術(shù)挑戰(zhàn)：

 

Invest模型

invest模型受內(nèi)存限制，在一般情況下需要大約700 GB的內(nèi)存。而且必須在封閉運(yùn)行中解決該問(wèn)題，而不能進(jìn)行分區(qū)和并行化。兩個(gè)**就足夠了。

 

Dispatch模型

運(yùn)行模型的dispatch部分需要安排20到30臺(tái)獨(dú)立操作GAMS軟件的電腦，分別提供輸入數(shù)據(jù)，并在運(yùn)行完成后收集每臺(tái)電腦的結(jié)果?？梢圆⑿袌?zhí)行，一年是一次運(yùn)行，也可以相互獨(dú)立地計(jì)算年份。Dispatch模型的每臺(tái)電腦需要大約30 GB RAM和兩個(gè)內(nèi)核。

 

解決方案

2020年，SWM啟動(dòng)了戰(zhàn)略性云計(jì)劃。該計(jì)劃的一個(gè)流程是基于云的**規(guī)模評(píng)估，為了驗(yàn)證概念，選擇了Amazon Web Services（AWS）。設(shè)計(jì)的解決方案由不同的云服務(wù)和較**的基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)組成：GAMS應(yīng)用程序作為docker映像提供，解決GAMS模型的工作流使用無(wú)服務(wù)器lambda函數(shù)（python）進(jìn)行編排。

 

該解決方案的**是AWS批處理，它允許運(yùn)行數(shù)百或數(shù)千個(gè)批處理作業(yè)，并根據(jù)提交的批處理作業(yè)的資源需求動(dòng)態(tài)地提供每個(gè)作業(yè)所需的計(jì)算資源。運(yùn)行結(jié)果是一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，它是可擴(kuò)展和可伸縮的，并且在空閑時(shí)幾乎不需要托管成本。戰(zhàn)略決策是使用Infastructure as Code（IaC）來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)云資源--為此，SWM使用開(kāi)源產(chǎn)品terraform，因此受益于典型的軟件開(kāi)發(fā)生命周期（git、請(qǐng)求審查、版本控制）。






圖2. 已開(kāi)發(fā)云解決方案的示意圖

為了使用該應(yīng)用程序，用戶將GAMS基本模型和參數(shù)文件上傳到S3 bucket，S3 bucket會(huì)自動(dòng)觸發(fā)step函數(shù)來(lái)啟動(dòng)流程。第一步提交包含投資模型的AWS批處理作業(yè)，AWS批處理管理所需的虛擬機(jī)，使用GAMS應(yīng)用程序啟動(dòng)docker映像。 **計(jì)算后，自動(dòng)提交調(diào)度模型，并由AWS批處理并發(fā)運(yùn)行。由于調(diào)度模型需要占用CPU和內(nèi)存較少，因此AWS Batch大部分時(shí)間使用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)來(lái)運(yùn)行模型。如果需要，也可以創(chuàng)建更多的計(jì)算實(shí)例。最后，當(dāng)所有作業(yè)完成時(shí)，資源將自動(dòng)終止。

 

當(dāng)前，使用了按需實(shí)例，大大降低了現(xiàn)有解決方案的成本。將來(lái)計(jì)劃通過(guò)使用spot實(shí)例進(jìn)行進(jìn)一步的成本優(yōu)化：spot實(shí)例比同等的按需實(shí)例*得多，但是不能保證它們可以連續(xù)運(yùn)行，因此如果出現(xiàn)提前終止，則需要實(shí)施重試機(jī)制。

 

成本

AWS Batch在一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)上動(dòng)態(tài)組合多個(gè)較小的實(shí)例，并智能地將較合適的EC2實(shí)例分配給GAMS計(jì)算機(jī)。

 

Invest model：大約需要 700 GB RAM，但內(nèi)核數(shù)量不受影響

較適合EC2實(shí)例（768 RAM，96核）<10 USD / h

 

Dispatch model：每臺(tái)計(jì)算機(jī)需要約 30 GB RAM，內(nèi)核數(shù)量不受影響

較適合的EC2實(shí)例（32個(gè)RAM，8個(gè)內(nèi)核）<0.5 USD / h（乘以20年的結(jié)果與關(guān)于RAM和成本的投資模型相同，該實(shí)例將由AWS batch自動(dòng)檢測(cè)。）

 

合計(jì)：大約50-70美元/完整運(yùn)行，具體取決于復(fù)雜度；每年多達(dá)200次運(yùn)行。

 

新解決方案的優(yōu)點(diǎn)

SWM可以較好地應(yīng)對(duì)電力市場(chǎng)狀況的變化。由于歐盟綠色協(xié)議，碳稅和燃油價(jià)格的變化，靈活性會(huì)較明顯。長(zhǎng)期的基礎(chǔ)分析并不意味著提供價(jià)格預(yù)測(cè)，但它顯示了前提變化對(duì)長(zhǎng)期價(jià)格的影響。這是理解和量化可能發(fā)生的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的一方法。結(jié)合輸入端的所有更改，可以獲得許多要計(jì)算的方案。使用**規(guī)模方法，現(xiàn)在可以在一天之內(nèi)獲得結(jié)果，而使用物理服務(wù)器則需要數(shù)周的時(shí)間。在節(jié)省時(shí)間的基礎(chǔ)上，基于云的解決方案與內(nèi)部部署解決方案相比，成本降低了40%。

 

通過(guò)運(yùn)行基本模型的許多場(chǎng)景，提高了評(píng)估長(zhǎng)期能源價(jià)格的分析技能，有助于將收購(gòu)過(guò)程中的成本降至較低，并使能源市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)可控。

 

關(guān)于SWM

慕尼黑公用事業(yè)公司Stadtwerke München（SWM）是德國(guó)較大的能源和基礎(chǔ)設(shè)施公司之一。SWM為慕尼黑7x24小時(shí)提供能源（電力、天然氣、區(qū)域供暖/制冷），新鮮飲用水，流動(dòng)性以及**的**電信服務(wù)。可持續(xù)性和氣候保護(hù)是其所有部門(mén)公司政策的基本基石。



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