人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與展望

張軻　張凱

摘要：在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，化石能源逐漸枯竭的背景下，能源系統(tǒng)的發(fā)展趨向于清潔化、智能化，我國已將智慧能源的發(fā)展提升為國家戰(zhàn)略。電力系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，應(yīng)用廣泛，具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力且控制復(fù)雜，其智能化程度將決定能源系統(tǒng)的智能化水平。伴隨著分布式電源、電動汽車、分布式儲能元件等具有能源生產(chǎn)、存儲、消費(fèi)多種特性的新型能源終端高比例接入電網(wǎng)，現(xiàn)代電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出復(fù)雜非線性、強(qiáng)不確定性、強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)建模、優(yōu)化、控制技術(shù)存在諸多局限性，人工智能技術(shù)將是解決復(fù)雜系統(tǒng)控制與決策問題的有效措施。鑒于此，首先梳理人工智能在電力系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展脈絡(luò);然后根據(jù)人工智能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用熱點(diǎn)領(lǐng)域，闡述人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)調(diào)度、規(guī)劃以及電力市場等方面的應(yīng)用，并對各重點(diǎn)研究內(nèi)容的未來方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：人工智能;電力系統(tǒng);智慧能源;能源互聯(lián)網(wǎng);可再生能源;優(yōu)化控制

0引言

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，能源結(jié)構(gòu)從單一傳統(tǒng)能源向多源清潔能源轉(zhuǎn)變，而未來分布式電源大規(guī)模接入的不確定性、不同類型的能源終端相互耦合以及多種能源的時空不同步特征使電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜和靈活。同時伴隨我國市場經(jīng)濟(jì)的深入及智能電網(wǎng)的興起，電力市場交易方式的變革是其發(fā)展的必然產(chǎn)物。在此情況下，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出復(fù)雜非線性、不確定性、時空差異性等特點(diǎn)，使傳統(tǒng)分析方法在電力系統(tǒng)調(diào)度、規(guī)劃、交易方式等方面將面臨諸多挑戰(zhàn)^[1]。以先進(jìn)的傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)作為支撐的人工智能技術(shù)可能會改變傳統(tǒng)的分析方法，形成一種更為靈活和自主的新模式，有助于促進(jìn)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠性的發(fā)展。人工智能將是解決這一類控制與決策問題的有效措施之一。

1人工智能技術(shù)概述

人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)包括知識表示、推理、搜索、規(guī)劃^[2]，其是由計算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)和語言學(xué)等多學(xué)科相互交叉融合進(jìn)而發(fā)展起來的一門綜合性前沿學(xué)科。

1.1 人工智能技術(shù)應(yīng)用框架

依據(jù)不同的人工智能技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)和能源環(huán)節(jié)，將人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分別與兩類環(huán)節(jié)的映射圖歸納。根據(jù)人工智能技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)的不同，將其分為感知、決策、執(zhí)行3個環(huán)節(jié)。感知環(huán)節(jié)主要是信息的獲取過程，體現(xiàn)為信息獲取、辨識、預(yù)處理、分類、預(yù)測等功能的實(shí)現(xiàn)。決策環(huán)節(jié)主要是根據(jù)數(shù)據(jù)、模型等信息進(jìn)行綜合分析，體現(xiàn)為優(yōu)化、博弈、推理、知識獲取等過程。執(zhí)行過程是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自主閉環(huán)控制、保護(hù)、自愈等功能，體現(xiàn)為控制、調(diào)度、保護(hù)、恢復(fù)等過程。以此為基礎(chǔ)衍生出了人工智能技術(shù)的3個應(yīng)用環(huán)節(jié)與電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的映射關(guān)系。

為了實(shí)現(xiàn)智慧能源的核心環(huán)節(jié)，即能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費(fèi)4個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，人工智能技術(shù)與能源網(wǎng)絡(luò)各環(huán)節(jié)技術(shù)融合的問題亦為研究熱點(diǎn)。因此，從能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費(fèi)的角度總結(jié)了各類人工智能技術(shù)的應(yīng)用，包括專家系統(tǒng)、深度學(xué)習(xí)、對抗學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、圖像處理、多智能體技術(shù)在內(nèi)的各類人工智能方法被應(yīng)用于能源系統(tǒng)。隨著分布式能源的高比例滲透，分布式儲能形式的介入，利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)新能源功率預(yù)測、線路運(yùn)行狀態(tài)評估、需求響應(yīng)等問題有利于提高新能源的消納水平及實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲各環(huán)節(jié)的協(xié)同控制。能源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度促使網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定問題更為突出，利用人工智能技術(shù)所進(jìn)行的復(fù)雜系統(tǒng)建模分析、設(shè)備及線路風(fēng)險評估、故障診斷將提升系統(tǒng)的整體安全性能。而針對能源系統(tǒng)模型的不確定性和隨機(jī)性，結(jié)合人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)離線分析、在線匹配的控制策略將有效解決傳統(tǒng)方法所存在的準(zhǔn)確性、時效性方面的不足。同時，結(jié)合人工智能技術(shù)所進(jìn)行的微網(wǎng)、電動汽車等系統(tǒng)的綜合規(guī)劃可滿足能源網(wǎng)絡(luò)的智能化需求。

2 人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著能源結(jié)構(gòu)變革，新能源產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，分布式能源的高比例滲透以及電動汽車大規(guī)模接入使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜和靈活，存在不確定性大、非線性強(qiáng)、耦合關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)。電網(wǎng)呈現(xiàn)智能化發(fā)展趨勢，其對電力系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的要求趨向于高效、簡單、可靠。而傳統(tǒng)技術(shù)存在可靠性不高、缺少長久驗(yàn)證、機(jī)理不清等問題。因此，人工智能技術(shù)憑借其優(yōu)勢和特點(diǎn)，已成為解決復(fù)雜電力系統(tǒng)問題的有力措施，是提升新一代電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)性的有效工具。在研究進(jìn)程中，人工智能技術(shù)首先在電力系統(tǒng)調(diào)度、規(guī)劃、交易等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2.1人工智能技術(shù)與電力系統(tǒng)調(diào)度

針對規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的現(xiàn)代電力系統(tǒng)，調(diào)度的主要目的是保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，保證用戶的供電可靠性，同時提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性^[3]。其根本問題是解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的有約束優(yōu)化問題，在數(shù)學(xué)模型上根據(jù)調(diào)度目標(biāo)設(shè)定目標(biāo)函數(shù)及滿足網(wǎng)絡(luò)物理運(yùn)行的約束條件，并運(yùn)用優(yōu)化方法制定最優(yōu)運(yùn)行方案?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)的調(diào)度方法，對應(yīng)于電力系統(tǒng)的調(diào)度功能，電力系統(tǒng)調(diào)度問題可分為機(jī)組組合優(yōu)化、機(jī)組調(diào)度優(yōu)化等。

2.2人工智能技術(shù)與電力系統(tǒng)規(guī)劃

電力系統(tǒng)規(guī)劃的主要目在于，在對未來電力波動、負(fù)荷曲線和電力分布情況實(shí)施預(yù)測的前提下，研究未來一段時間內(nèi)電源和輸電線路的投產(chǎn)情況。結(jié)合各人工智能技術(shù)特點(diǎn)^[4]，在電力系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃、源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃等方面。

2.3人工智能技術(shù)與電力市場

電力市場是應(yīng)用計算機(jī)、現(xiàn)代化測量和通信設(shè)備，以電價交易為基礎(chǔ)，電力生產(chǎn)者和消費(fèi)者采用協(xié)商、競價等方式對電力資源進(jìn)行優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)供需平衡的機(jī)制。隨著電力交易變革，所帶來的電力系統(tǒng)優(yōu)化決策問題更為復(fù)雜，人工智能技術(shù)在解決此類問題中發(fā)揮了重要作用。人工智能技術(shù)在電力市場中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在發(fā)電側(cè)、配電側(cè)、用戶側(cè)的電力交易決策等方面.

基于人工智能技術(shù)的電力市場研究已經(jīng)得到了高度的關(guān)注，為該方向的發(fā)展奠定了一定基礎(chǔ)，未來研究工作可以從以下幾方面進(jìn)一步深化：1） 電力交易機(jī)制將依據(jù)市場形勢發(fā)生變化。目前用戶與供電公司的電力交易多為點(diǎn)對面的形式，點(diǎn)對點(diǎn)的交易方式也將是未來的發(fā)展趨勢，同時智能用戶的參與也使得交易更加復(fù)雜多變。在此情況下，對市場激勵下產(chǎn)生的電價進(jìn)行預(yù)測，提高對用戶供電的靈活性和可靠性服務(wù)，開發(fā)先進(jìn)的市場清算軟件等問題應(yīng)進(jìn)一步探究。因此，考慮如何應(yīng)用人工智能技術(shù)解決綜合考慮上述要素及其作用的較為完備的電力交易模型和方法體系是未來需深入研究的方向.2） 配電側(cè)分布式電源的大規(guī)模接入使電力交易主體數(shù)量增多，隨機(jī)性更強(qiáng)，由此造成對電力交易的管理難度加大。同時，伴隨電力體制的改革將是未來更多大用戶直購電現(xiàn)象的出現(xiàn)，電力的生產(chǎn)和消費(fèi)也趨向于分布式結(jié)構(gòu)。分布式人工智能技術(shù)的應(yīng)用究更為深入，尤其以區(qū)塊鏈技術(shù)為主導(dǎo)，其作為新興的分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有成本低、安全性高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電力交易的去中心化管理，在未來的電力系統(tǒng)中也會有較大的應(yīng)用空間。

3 總結(jié)

在智慧能源的大力倡導(dǎo)下，未來能源系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)是產(chǎn)能、儲能、用能一體化發(fā)展，更多能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、傳輸、儲存、消費(fèi)環(huán)節(jié)將通過信息技術(shù)進(jìn)行深入融合，推動能源系統(tǒng)高效運(yùn)行。當(dāng)前，人工智能技術(shù)對于解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)所含有的非線性、不確定性強(qiáng)、耦合性強(qiáng)、多變量等特點(diǎn)的問題具有較好的適應(yīng)性和靈活性，對于提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，提高其安全可靠性以及智能化水平將起到重要作用。在此基礎(chǔ)上，人工智能技術(shù)也將更多地滲透入能源系統(tǒng)，以真正實(shí)現(xiàn)智慧能源的智能化.智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)作為新一代能源變革的重要載體，在智慧能源的發(fā)展中占據(jù)著核心和引領(lǐng)地位。能源互聯(lián)網(wǎng)的主要功能將是以智能電網(wǎng)、人工智能技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和移動互聯(lián)網(wǎng)為支撐，基于信息、物理、社會三者深度融合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化決策和廣域協(xié)調(diào)，框架如圖4所示。為此，人工智能技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合，將賦予傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)智能化的功能。

本文總結(jié)了人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，并對未來可能的研究方向進(jìn)行了展望，旨在推動人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)理論研究和實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展。

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作者簡介：張軻（199.12-），男，漢族，河南沈丘，碩士，（助理工程師），主要研究方向：智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電。