計(jì)算機(jī)科學(xué)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

溫詩華

摘要：文章介紹了智能電網(wǎng)的相關(guān)概念、特點(diǎn)和相關(guān)技術(shù)，并介紹了計(jì)算機(jī)科學(xué)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，重點(diǎn)針對云計(jì)算、數(shù)字圖像處理、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能和軟件工程等計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)提出了一些建議，為我國智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)科學(xué)；智能電網(wǎng)；云計(jì)算；數(shù)字圖像處理；數(shù)據(jù)挖掘；人工智能 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM76 文章編號：1009-2374（2016）21-0047-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.023

1 概述

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人類逐漸步入信息化時代。在此過程中所引起的信息革命給許多傳統(tǒng)行業(yè)帶來了巨大的沖擊，信息化時代的四大特點(diǎn)——智能化、電子化、全球化、非群體化成為了許多行業(yè)變革的風(fēng)向標(biāo)。而信息化時代的代表性象征——計(jì)算機(jī)在各行各業(yè)中的必要性與日俱增，在電力行業(yè)中也不可避免。

而電力行業(yè)作為關(guān)乎國計(jì)民生的傳統(tǒng)行業(yè)，在信息化時代中也面臨著如何更高效地利用能源、如何更安全可靠地供電、如何更好地了解用戶需求等諸多方面的新挑戰(zhàn)，于是“智能電網(wǎng)”的概念應(yīng)運(yùn)而生。

2 智能電網(wǎng)

2.1 智能電網(wǎng)的概念

智能電網(wǎng)是將信息技術(shù)，如通信技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)等融入電力系統(tǒng)之中，使整個電力系統(tǒng)更加安全可控，成為高效智能的新型電網(wǎng)。由于各國的國情不同，因此各個國家對智能電網(wǎng)的具體要求也會有不同的側(cè)重點(diǎn)。因?yàn)槲覈€是一個發(fā)展中國家，與國外發(fā)達(dá)國家的電力工業(yè)已步入成熟期不同，我國在發(fā)展智能電網(wǎng)的同時，還需要加強(qiáng)骨干電網(wǎng)建設(shè)。因此除了要建設(shè)能夠充分滿足用戶對電力的需求和優(yōu)化資源配置，確保電力供應(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，滿足環(huán)保約束，保證電能質(zhì)量，適應(yīng)電力市場化發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)外，我國的智能電網(wǎng)建設(shè)還需要滿足以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)高度協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.2 智能電網(wǎng)的特點(diǎn)

智能電網(wǎng)一般包括有以下七個特點(diǎn)：

2.2.1 能量互聯(lián)網(wǎng)：智能電網(wǎng)要求實(shí)現(xiàn)供電方和用戶之間的交互，構(gòu)建多向電力流，它主要由能量管理系統(tǒng)和配電管理系統(tǒng)組成。其中能量管理系統(tǒng)提供整個電網(wǎng)的實(shí)時狀態(tài)信息，并根據(jù)實(shí)時信息選擇最優(yōu)發(fā)電方案，減少輸電損耗，維護(hù)系統(tǒng)可靠性以確保供電穩(wěn)定；配電管理系統(tǒng)提供配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時狀態(tài)信息，允許供電方遠(yuǎn)程控制斷電的隔離與恢復(fù)，管理可再生能源發(fā)電。

2.2.2 降低損耗：智能電網(wǎng)能夠基于“能量互聯(lián)網(wǎng)”中的實(shí)時信息，根據(jù)用戶的需求來供電，通過電壓控制來降低電力損耗。同時還可以沿輸電線放置傳感器和電容器，通過無功負(fù)載控制來減少電力損耗。減少電力損耗的同時還會降低二氧化碳的排放量，使電網(wǎng)系統(tǒng)更加低碳環(huán)保。

2.2.3 融入可再生能源發(fā)電：目前可再生能源發(fā)電的最大缺點(diǎn)在于可變性過大，產(chǎn)電不穩(wěn)定。智能電網(wǎng)能夠通過儲電技術(shù)，在產(chǎn)電過剩時將多余電能存儲起來，在供不應(yīng)求時再通過智能電網(wǎng)的自動化技術(shù)供能，進(jìn)而解決可再生能源產(chǎn)電不穩(wěn)定的問題。

2.2.4 減少輸電阻塞：智能電網(wǎng)能夠檢測輸電線的實(shí)時度數(shù)，在可能發(fā)生輸電阻塞時，傳感器和控制器會及時地重新安排電力輸送線路，使得電力能夠最大限度地流過線路而不發(fā)生阻塞。

2.2.5 分布式發(fā)電：通過智能電網(wǎng)的雙向電力流，用戶自行通過太陽能、風(fēng)能等可再生能源產(chǎn)生的電力可以出售給供電方，流入配電網(wǎng)絡(luò)中，使電網(wǎng)系統(tǒng)在用電高峰期可以為用戶提供更穩(wěn)定的供電服務(wù)。

2.2.6 自愈：智能電網(wǎng)能夠基于實(shí)時測量的概率風(fēng)險(xiǎn)評估確定最有可能失敗的設(shè)備、發(fā)電廠和線路，及時進(jìn)行隔離和恢復(fù)，從而減少大面積用電故障的出現(xiàn)。同時，智能電網(wǎng)還能實(shí)時分析電網(wǎng)的整體健康水平，及時觸發(fā)可能導(dǎo)致電網(wǎng)故障發(fā)展的早期預(yù)警，并根據(jù)具體情況確定是否立即進(jìn)行檢查或采取相應(yīng)措施。

2.2.7 用戶需求管理：智能電網(wǎng)能夠通過智能電表實(shí)時通知用戶其電力消費(fèi)成本、實(shí)時電價、電網(wǎng)的狀況、計(jì)劃停電信息等信息，使用戶可以根據(jù)這些信息制定自己的電力使用方案，繼而通過影響用戶需求來促進(jìn)電力供求平衡。

2.3 智能電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)

智能電網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)主要包括集成的通信技術(shù)、先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的電網(wǎng)設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制技術(shù)以及決策支持和可視化技術(shù)。

3 計(jì)算機(jī)科學(xué)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

在電網(wǎng)智能化的過程中，計(jì)算機(jī)是必不可少的。而計(jì)算機(jī)科學(xué)在智能電網(wǎng)中也有諸多應(yīng)用，其中云計(jì)算、數(shù)字圖像處理、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能和軟件工程這些計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)技術(shù)在智能電網(wǎng)中尤為重要。

3.1 云計(jì)算

云計(jì)算是分布式計(jì)算的一種特殊形式，根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的定義，云計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)隨時隨地、便捷、按需地從可配置計(jì)算資源共享池中獲取所需的資源，資源可以快速供給和釋放，使管理的工作和服務(wù)提供者的介入降低至最少。

云計(jì)算技術(shù)能夠整合優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)中的各種異構(gòu)資源，如電力系統(tǒng)中的監(jiān)控維護(hù)資源、配電管理資源和市場運(yùn)營資源等。利用云計(jì)算支持廣泛企業(yè)計(jì)算和普適性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠構(gòu)建更加高效的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源的自動化管理。例如利用Google的Borg能夠使大量服務(wù)器協(xié)調(diào)工作，繼而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的可靠性管理。

而智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，更需要通過云計(jì)算來實(shí)現(xiàn)分布式存儲和管理。利用云計(jì)算來實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的分布式存儲，可以通過冗余存儲和高可靠性軟件來提高數(shù)據(jù)的可靠性，并能較好地達(dá)到成本、可靠性和性能的最佳平衡。例如利用Google的GFS文件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余存儲，并大幅度降低主服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，使系統(tǒng)IO高度并行工作，從而提高系統(tǒng)的整體性能。智能電網(wǎng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)種類眾多，而云計(jì)算的數(shù)據(jù)管理技術(shù)能夠較好地滿足智能電網(wǎng)信息平臺數(shù)據(jù)種類繁多的海量服務(wù)請求，因此云計(jì)算能夠高效地管理智能電網(wǎng)信息平臺中的多元數(shù)據(jù)。例如，利用Google的BigTable，通過一個巨大的分布式多維數(shù)據(jù)表，將數(shù)據(jù)都作為對象，并通過關(guān)鍵字、列關(guān)鍵字和時間戳來進(jìn)行索引，滿足各類數(shù)據(jù)的性能要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的高效管理。

為了保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定，智能電網(wǎng)需要通過大規(guī)模的電力系統(tǒng)計(jì)算來監(jiān)控整個電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算、故障計(jì)算、拓?fù)浞治?、?shù)據(jù)挖掘與智能決策等，計(jì)算量極大，而云計(jì)算可以為智能電網(wǎng)提供高性能的并行計(jì)算與分析服務(wù)。例如利用Google的MapRduce，可實(shí)現(xiàn)針對大規(guī)模數(shù)據(jù)集的并行計(jì)算。

3.2 數(shù)字圖像處理

數(shù)字圖像處理是指通過計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)、復(fù)原、分割以及提取特征等處理，從而改善圖示信息，以便人們解釋或機(jī)器自動理解。

在智能電網(wǎng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中有不少的數(shù)據(jù)都是圖像數(shù)據(jù)，例如對輸電線路狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測常常通過線路圖像/視頻監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對輸電線路狀態(tài)全天候全方位的實(shí)時監(jiān)控，采用智能化和自動化的手段來代替人工是必然的趨勢。但原始圖像中包含的噪聲太多了，價值密度低，難以用于智能識別。在這種情況下，可以通過數(shù)字圖像處理中的灰度變換、直方圖修正、小波包去噪、圖像銳化以及邊緣檢測等處理方式來增強(qiáng)圖像對比度，去除噪聲，加強(qiáng)圖像的輪廓特征，以便于特征的提取和識別，進(jìn)而產(chǎn)生價值密度較高的特征數(shù)據(jù)集，為輸電線路狀態(tài)的智能識別過程做好圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

3.3 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是指從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中的、人們事先不知道的，但又是潛在有用的信息和知識的過程。數(shù)據(jù)挖掘的方法包括分類、聚類、關(guān)聯(lián)分析、預(yù)測等。

由于智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)類型繁多、價值密度低以及處理速度快的特點(diǎn)，智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)屬于無法在一定時間內(nèi)用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具對其內(nèi)容進(jìn)行抓取、管理和處理的“大數(shù)據(jù)”，需要通過數(shù)據(jù)挖掘來提取其中隱含的有價值的信息，從而實(shí)現(xiàn)對整個電網(wǎng)系統(tǒng)多角度、多層次的精確感知。例如，通過對長期的、大量的用戶用電數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，對不同地區(qū)以及不同用戶進(jìn)行分類，可以得到有助于優(yōu)化配電調(diào)度的信息，并能為電費(fèi)定價調(diào)整提供參考；由于在當(dāng)今社會中各行業(yè)的發(fā)展都離不開能源的使用，因此對用電數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘甚至還可以歸納總結(jié)出各種指標(biāo)增長率與社會用電情況的一般規(guī)律，便于政府了解和預(yù)測社會各行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及用能情況，為政府決策提供參考。而通過對長期的、大量的電動汽車充電數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，可以為充電站的布點(diǎn)提供參考。通過對長期的、大量的可再生能源發(fā)電情況進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，有利于降低可再生能源產(chǎn)電不穩(wěn)定對供電網(wǎng)絡(luò)的影響，進(jìn)而更好地融入可再生能源發(fā)電。此外，數(shù)據(jù)挖掘還有利于用戶能效的分析管理、業(yè)務(wù)拓展分析、供電輿情監(jiān)測預(yù)警分析、電力系統(tǒng)的故障預(yù)測和狀態(tài)檢修、短期電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測、城市電網(wǎng)規(guī)劃等。智能電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特性表明了數(shù)據(jù)挖掘在智能電網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。

3.4 人工智能

根據(jù)著名人工智能科學(xué)家Michael R.Genesereth和Nils J.Nilsson在1987年提出的定義，人工智能是研究智能行為的科學(xué)，它的最終目的是建立關(guān)于自然智能實(shí)體行為的理論和指導(dǎo)創(chuàng)造具有智能行為的人工制品。人工智能是一門研究如何將人的智能轉(zhuǎn)化為機(jī)器智能或者用機(jī)器來模擬或?qū)崿F(xiàn)人的智能的學(xué)科。

數(shù)據(jù)挖掘在智能電網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用，而數(shù)據(jù)挖掘需要人工智能技術(shù)來提供數(shù)據(jù)分析的技術(shù)支持，因此人工智能在智能電網(wǎng)中也有著十分重要的應(yīng)用。例如，通過構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對經(jīng)過數(shù)字圖像處理所得的典型線路狀態(tài)的監(jiān)控圖像特征數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練識別來實(shí)現(xiàn)輸電線路狀態(tài)的智能識別。除了故障診斷外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可應(yīng)用于智能控制、繼電保護(hù)、優(yōu)化運(yùn)算等

方面。

除了為數(shù)據(jù)挖掘提供數(shù)據(jù)分析的技術(shù)支持外，人工智能還可以通過人類專家提供的經(jīng)驗(yàn)和知識來構(gòu)建相應(yīng)的專家系統(tǒng)，如電網(wǎng)故障診斷和調(diào)度處理專家系統(tǒng)和操作票專家系統(tǒng)等，模擬人類專家解決問題的過程來進(jìn)行決策，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動化和智能化。

而采用遺傳算法、粒子群算法等進(jìn)化算法求解諸如發(fā)電廠和輸電線架設(shè)的規(guī)劃問題以及電力系統(tǒng)中各種控制參數(shù)的最優(yōu)解等問題或利用模糊集理論來處理電力系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)精確控制的復(fù)雜問題，也是人工智能在智能電網(wǎng)中的重要應(yīng)用。

3.5 軟件工程

根據(jù)Fritz Bauer在NATO會議上給出的定義，軟件工程是建立和使用一套合理的工程原則，以便獲得經(jīng)濟(jì)的軟件，這種軟件是可靠的，可以在實(shí)際機(jī)器上高效的

運(yùn)行。

為了便于管理和使用，無論是供電管理方還是用戶方都會希望通過一個穩(wěn)定可靠，功能完備，并具有友好人機(jī)界面的軟件來方便操作。因此在建設(shè)智能電網(wǎng)的過程中勢必需要開發(fā)相應(yīng)的軟件，軟件工程便應(yīng)用于其中。尤其是對用戶端而言，在移動設(shè)備使用越來越廣泛的今天，開發(fā)相應(yīng)的移動端的APP無疑能夠更好地促進(jìn)用戶參與到交互過程中。一個針對用戶個體，能夠?qū)崟r顯示如電力消費(fèi)成本、實(shí)時電價、電網(wǎng)狀況、計(jì)劃停電信息等的智能電表提示信息，結(jié)合數(shù)字家庭技術(shù)，能夠遠(yuǎn)程控制家電開關(guān)以便于用戶隨時隨地調(diào)整自己的用電情況，并整合線上業(yè)務(wù)申請、繳納電費(fèi)等功能的APP能夠極大程度地減輕用戶的操作負(fù)擔(dān)，方便用戶的使用，使智能電網(wǎng)更加高效智能。

4 結(jié)語

計(jì)算機(jī)科學(xué)在智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用使電力行業(yè)在信息化時代中能夠更好地應(yīng)對各種新挑戰(zhàn)，為整個社會的發(fā)展帶來深遠(yuǎn)的影響。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）