智能電網(wǎng)智能感知技術(shù)的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

湯曉君，丁衛(wèi)東，呂泱宇，吳翊，李盛濤，崔新奇，王浩洋

(1.電氣設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，陜西 西安 710049；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

“三型兩網(wǎng)”是我國(guó)近年來電網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略計(jì)劃，其中“三型”指的是樞紐型、平臺(tái)型、共享型，“兩網(wǎng)”指的是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在物聯(lián)網(wǎng)?！叭汀笔悄繕?biāo)，“兩網(wǎng)”是抓手。相較于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)更傾向于基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，更貼合于我國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展初期的現(xiàn)狀，在國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)中處于更為重要的位置。然而，為了電網(wǎng)運(yùn)行更安全、管理更精準(zhǔn)、服務(wù)更優(yōu)質(zhì)，需要在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，開展泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)[1]，將云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)與電力系統(tǒng)相融合，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)。不論是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，還是泛在物聯(lián)網(wǎng)，智能傳感技術(shù)都是重要的建設(shè)基礎(chǔ)[1-8]。近年來提出的透明電網(wǎng)，目標(biāo)是獲得電網(wǎng)的全部信息，讓電網(wǎng)的信息透明化，以實(shí)現(xiàn)更高的智能化[2]，因此其建設(shè)也是以智能傳感為基礎(chǔ)。近年來，在信息領(lǐng)域出現(xiàn)了一個(gè)熱點(diǎn)名稱——智能感知，隨后這個(gè)詞迅速進(jìn)入電氣工程領(lǐng)域。相較于智能傳感，智能感知添加了“知”的內(nèi)容，結(jié)合人工智能，使得傳感技術(shù)更加自動(dòng)化、擬人化。

由此可見，智能電網(wǎng)和智能感知的交集將越來越大，但是目前業(yè)內(nèi)對(duì)智能感知的認(rèn)識(shí)還有些模糊。為此，本文首先探討智能電網(wǎng)和智能感知的概念與研究?jī)?nèi)容，然后介紹智能電網(wǎng)領(lǐng)域中智能感知方向的研究現(xiàn)狀，最后根據(jù)智能電網(wǎng)的研究目標(biāo)，探討智能電網(wǎng)中的智能感知技術(shù)的發(fā)展方向。

1 智能電網(wǎng)與智能感知

智能電網(wǎng)(smart grid)這一概念最早由美國(guó)電力研究學(xué)會(huì)(Electric Power Research Institute，EPRI)于2001年提出，并于2003年將未來電網(wǎng)定義為智能電網(wǎng)。從提出以來，智能電網(wǎng)的概念幾經(jīng)變化，目前有多個(gè)版本，尚無統(tǒng)一的定義。例如:清華大學(xué)盧強(qiáng)教授認(rèn)為，智能電網(wǎng)就是110 kV及以下電壓等級(jí)的智能電力系統(tǒng)[3]；梁衛(wèi)國(guó)教授認(rèn)為，智能電網(wǎng)是用數(shù)字信息技術(shù)來優(yōu)化電能質(zhì)量的電網(wǎng)[4]。盡管定義不一，但智能電網(wǎng)建設(shè)的主導(dǎo)思想基本相同，都是期望通過數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將能源資源(煤炭、水力、光能、風(fēng)能等)開發(fā)、輸送、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換(發(fā)電)、輸電、配電、供電、售電、服務(wù)、儲(chǔ)能與電力能源終端用戶的各種電氣設(shè)備與其他用能設(shè)施連接在一起,通過智能化控制手段實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供能、對(duì)應(yīng)供能、互助供能和互補(bǔ)供能，將能源利用效率、能源供應(yīng)安全提高到一個(gè)全新水平，將污染物與溫室氣體排放降低到環(huán)境可接受的程度，使用戶成本和產(chǎn)業(yè)投資達(dá)到合理的狀態(tài)[2]。

與智能電網(wǎng)相比，“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”中的“堅(jiān)強(qiáng)”主要體現(xiàn)在“特高壓骨干網(wǎng)”的物理基礎(chǔ)和“各級(jí)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)”管理上，體現(xiàn)在“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合上，本質(zhì)上是智能電網(wǎng)的一個(gè)子集[4]。智能電網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，它以下層堅(jiān)強(qiáng)電力網(wǎng)絡(luò)為支撐，與上層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，應(yīng)用信息融合，實(shí)現(xiàn)質(zhì)效提升與融通發(fā)展，這也是本文討論智能感知的應(yīng)用范疇是智能電網(wǎng)而不是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的原因。

智能感知目前也尚無統(tǒng)一的概念。一般認(rèn)為，其本質(zhì)上是傳感與人工智能的結(jié)合，不僅包括通過傳感器獲取外部信息的能力，也包括通過記憶、學(xué)習(xí)、推理、判斷等過程，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知環(huán)境、對(duì)象類別與屬性的能力。從詞義的理解，智能感知應(yīng)該包含3個(gè)部分——感、知和智能。

“感”即傳感，傳感器就是能感知規(guī)定的物理量，并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或者裝置?！耙?guī)定的物理量”一般指的就是被測(cè)物理量；“規(guī)律”指的就是傳感器的工作原理；“可用信號(hào)”指的就是電信號(hào)，或便于轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的參數(shù)與信號(hào)，或數(shù)字化信號(hào)[9]。例如全光纖電流傳感器，其規(guī)定的物理量是電流，規(guī)律是磁光效應(yīng)，可用信號(hào)是光信號(hào)，通過光電轉(zhuǎn)換，可將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。從傳感器的定義可以看出，輸出信號(hào)只是反映了被測(cè)量信息的信號(hào)，其可靠性如何、受到的干擾有多大等并不清楚。為提高傳感器測(cè)得結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性等性能，將傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了智能傳感器技術(shù)，傳感器也就變成了智能傳感器系統(tǒng)[9]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 智能電網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Smart grid architecture diagram

實(shí)際上，智能傳感器系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)具備網(wǎng)絡(luò)連接，在工作流程上具備了記憶、學(xué)習(xí)、推理、判斷等過程。例如，智能血壓計(jì)就包括抗干擾設(shè)計(jì)、根據(jù)年齡層推理、最終做出判斷等過程[9]。

“知”即知道，是由某些技術(shù)手段所達(dá)到的一種擬人化的行為模式，具體指智能傳感器系統(tǒng)中的智能化達(dá)到的性能，除了提高可靠性等傳統(tǒng)傳感器性能外，還能由測(cè)得信號(hào)通過邏輯推理等，直接給出結(jié)論。顯然，智能感知中的“感知”，本質(zhì)上是包含邏輯推理、分類與決策的智能傳感，和傳感器定義中的“感知”并非一個(gè)概念，而是有更深的內(nèi)涵。

相對(duì)于傳統(tǒng)的感知，智能感知還有更高層次的功能。傳統(tǒng)的智能傳感器系統(tǒng)主要針對(duì)某個(gè)或幾個(gè)“規(guī)定的物理量”而言，目的是得到更為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，以及初步的推理、分類與決策功能，其獲取的信息相對(duì)有限，需要進(jìn)行的推理、分類、決策功能有限。智能感知?jiǎng)t是獲取更多的傳感信息，由之產(chǎn)生新的特征信息，通過多個(gè)特征信息組合進(jìn)行全方位的推理與判斷，形成更高層次的結(jié)論，其理論基礎(chǔ)是基于大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)的感知對(duì)象特征提取，以及基于各種特征的類生物機(jī)制的推理方法等。例如：攝像頭只是一個(gè)視覺傳感器；智能化視覺傳感器則可以自動(dòng)對(duì)焦，根據(jù)場(chǎng)景調(diào)整感光度，得到清晰的圖像，甚至給出初步的判斷結(jié)果，例如光線強(qiáng)度與光譜分布等；而單目智能視覺系統(tǒng)還可以進(jìn)行人臉識(shí)別，在給定的范圍內(nèi)，識(shí)別出圖像的具體目標(biāo)人物；雙目智能視覺系統(tǒng)則可完全模擬人的視覺，在識(shí)別人的同時(shí)，還可識(shí)別其與攝像頭之間的距離。這樣的視覺系統(tǒng)首先要獲取識(shí)別目標(biāo)的清晰圖像，這是常規(guī)智能傳感器實(shí)現(xiàn)的功能，然后經(jīng)過圖像的處理與特征提取，與樣本集比對(duì)分析計(jì)算，才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，其智能化比傳統(tǒng)的智能傳感器明顯有大幅提升。如果說人臉還可以通過偽裝來蒙混的話，那么再結(jié)合人的聲音識(shí)別、氣味識(shí)別、虹膜識(shí)別、指紋識(shí)別，則幾乎可以實(shí)現(xiàn)100%正確率的身份識(shí)別，這樣的感知能力提升幅度更大。

在人工智能系統(tǒng)迅速發(fā)展的今天，智能感知在機(jī)器視覺、指紋識(shí)別、目標(biāo)識(shí)別、人臉識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、虹膜識(shí)別、掌紋識(shí)別、態(tài)勢(shì)感知、智能搜索、航天測(cè)控等諸多領(lǐng)域取得了許多輝煌的成就。

2 智能電網(wǎng)中智能感知技術(shù)的研究現(xiàn)狀

從第1章中討論的智能感知所需要達(dá)成的目標(biāo)來看，其涉及的技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)、人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)。此外，由于有些應(yīng)用需要網(wǎng)絡(luò)獲取信息，因此還涉及通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全等。例如機(jī)場(chǎng)的人臉識(shí)別，攝像頭位于機(jī)場(chǎng)內(nèi)部，旅客的人臉信息則需要通過網(wǎng)絡(luò)獲取。電力設(shè)備有機(jī)組合、協(xié)同工作，其相互之間的數(shù)據(jù)通信需按照一定的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)，因此協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)也是智能電網(wǎng)中智能感知技術(shù)的研究工作內(nèi)容。智能感知與智能電網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)如圖3所示。

LPWAN—低功耗廣域網(wǎng)，low-power wide-area network的縮寫；NIST—國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，National Institute of Standards and Technology的縮寫；CMS—內(nèi)容管理系統(tǒng)，content management system的縮寫；GIS—地理信息系統(tǒng)，geographic information system的縮寫；MMW—維修管理站，maintenace management workstation的縮寫；EMS—能量管理系統(tǒng)，energy management system的縮寫；CIS—用戶信息系統(tǒng)，consumer information system的縮寫；OMS—停機(jī)管理系統(tǒng)，outage management system的縮寫。

2.1 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是信息領(lǐng)域的三大支柱(傳感、通信與計(jì)算機(jī))之一。智能電網(wǎng)需要感知眾多的狀態(tài)信息，除了用最為重要的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的電壓、電流實(shí)時(shí)信息[10]進(jìn)行決策外，還需要利用微氣象、溫度、桿塔傾斜、覆冰、舞動(dòng)、弧垂、風(fēng)偏、局部放電、介質(zhì)損耗、絕緣氣體、泄漏電流、振動(dòng)及壓力等多種傳感器及智能終端的廣泛部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣主設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境與其他輔助信息的采集，支撐電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行過程的信息全面感知及智能應(yīng)用[11-12]。為了推動(dòng)智能傳感技術(shù)的發(fā)展，亟需從傳感原理、材料、器件、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)處理和綜合應(yīng)用上進(jìn)行突破[5,13]。

從原理、材料的角度來解決傳感器問題，幾乎可以從根本上解決一些問題，例如光纖溫度傳感器、光纖電流傳感器等可從根本上解決測(cè)量環(huán)境電磁場(chǎng)干擾問題；但這種解決方案周期長(zhǎng)，難度大，投入也大。從器件、數(shù)據(jù)處理和綜合應(yīng)用方面解決問題，則可能相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，例如從測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)結(jié)合數(shù)據(jù)處理的角度，分別提出了自校正直流電壓檢測(cè)方法[14]、大電流傳感器方案[15]與偽雙極直流輸配電線路單極接地故障定位方法[16]，這種解決方案無需新材料，利用現(xiàn)有材料與器件就能解決直流電壓檢測(cè)中的漂移問題，以及電磁感應(yīng)式大電流傳感器笨重、體積大的問題等。因此，不同的傳感器技術(shù)各有千秋，需要全面發(fā)展。

自特高壓輸電線路建成后，國(guó)家電網(wǎng)有限公司近兩年立項(xiàng)的科研項(xiàng)目中，測(cè)量技術(shù)方面的項(xiàng)目占比居高不下，這也反映了電工領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)傳感技術(shù)的重視。但與信息技術(shù)三大支柱的另外兩大支柱相比，傳感器技術(shù)的發(fā)展一直相對(duì)緩慢。智能電網(wǎng)對(duì)傳感器適應(yīng)能力等方面要求更為苛刻，例如耐高溫、抗電磁干擾等，因此傳感器技術(shù)的發(fā)展存在著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2.2 通信技術(shù)

目前，智能電網(wǎng)應(yīng)用中的遠(yuǎn)程通信主要釆用電力線載波、無線專網(wǎng)、光纖專網(wǎng)及3G/4G移動(dòng)通信技術(shù)等，本地網(wǎng)絡(luò)則主要采用ZigBee、WirelessHART、藍(lán)牙、工業(yè)Wi-Fi等無線通信方式。對(duì)于高電磁輻射環(huán)境，本地網(wǎng)絡(luò)則采用光纖通信等。隨著5G通信技術(shù)的推廣應(yīng)用，其因支撐高帶寬、高容量及低延時(shí)等感知需求[17]，在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用也將加速發(fā)展。智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

此外，為了滿足能耗小、高度分散的電力傳感器連接，還開展了LPWAN應(yīng)用研究[18-19]，包括LoRa、Sigfox、NB-IoT等，為多參量感知提供組網(wǎng)、通信技術(shù)方案，通過多源數(shù)據(jù)融合，支撐缺陷診斷、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)等應(yīng)用[13]。無人值守的智能化變電站已經(jīng)在某些區(qū)域進(jìn)行試點(diǎn)，通過短距離工業(yè)通信技術(shù)建立變電站傳感測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，部署溫度、濕度、磁控感應(yīng)、水浸、振動(dòng)等感知傳感器，采集傳感數(shù)據(jù)[20]，以多維數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)變電站的全方位監(jiān)控，提高變電站運(yùn)行的可靠度。除了變電站方面的應(yīng)用，結(jié)合邊緣計(jì)算等云計(jì)算模型，LPWAN可應(yīng)用于電力終端設(shè)備的監(jiān)測(cè)，例如針對(duì)電力塔桿傾斜、移動(dòng)、振動(dòng)等的檢測(cè)，預(yù)防電力事故的發(fā)生，同時(shí)也可應(yīng)用于新能源發(fā)電的監(jiān)測(cè)，推動(dòng)分布式能源發(fā)電并網(wǎng)[21]。

圖4 智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Communication network of smart grid

總體而言，高帶寬、高容量、低延時(shí)、低功耗、低成本形成的“兩高三低”，是智能電網(wǎng)中通信技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全

2014年Havex木馬攻擊[22]和2015年烏克蘭電網(wǎng)停電[23]均是典型的由于信息系統(tǒng)遭受破壞而引發(fā)的真實(shí)案例，自這2次事故以來，智能電網(wǎng)中的信息安全問題日益受到電氣領(lǐng)域?qū)＜业闹匾暋?/p>

近年來，智能電網(wǎng)中主要采用的網(wǎng)絡(luò)安全方案包括匿名密鑰分發(fā)方案[24]、身份驗(yàn)證和授權(quán)方案[25]、基于SM2協(xié)議、基于哈希的智能電網(wǎng)消息認(rèn)證碼密鑰協(xié)議解決方案[26]、基于計(jì)算Diffie-Hellman問題和雙線性映射的智能電網(wǎng)密鑰建立和匿名認(rèn)證解決方案、基于多因素的身份認(rèn)證方案[27]等。這些方法各有千秋，甚至有共同的缺陷，因此一直有新的方案被提出。例如：由于智能電網(wǎng)通信的輕量級(jí)和高效性要求，上述方案中使用的密碼算法效率較低；此外，上述方案只能實(shí)現(xiàn)單向認(rèn)證，無法避免虛假的智能控制中心(攻擊者)對(duì)智能終端的惡意控制和操作。在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中，只有同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向身份認(rèn)證和會(huì)話密鑰生成，才能保證智能電網(wǎng)終端與智能電網(wǎng)控制中心之間的安全通信。為此，張志強(qiáng)在考慮設(shè)備性能和數(shù)字簽名情況下，提出了基于多因素的身份認(rèn)證方案與基于身份的新密鑰建立協(xié)議，保障數(shù)據(jù)在傳輸、存儲(chǔ)和使用過程中的機(jī)密性、完整性和可用性[28]；為保證惡性數(shù)據(jù)注入攻擊在電網(wǎng)運(yùn)行中能被高效實(shí)時(shí)檢測(cè)處理，劉鑫蕊等提出一套面向監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)和相量測(cè)量單元(phasor measurement unit，PMU)混合量測(cè)的智能電網(wǎng)惡性數(shù)據(jù)在線防御流程[29]。這些工作提高了智能電網(wǎng)中感知系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性。

除了上述網(wǎng)絡(luò)安全措施外，區(qū)塊鏈[30]是加強(qiáng)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全的另一種選擇，但是這種方法增大了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，成本較高。同時(shí)還必須意識(shí)到網(wǎng)絡(luò)安全問題將永遠(yuǎn)是智能感知的關(guān)注點(diǎn)之一。

2.4 協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)

要使來自于不同供貨商的電網(wǎng)設(shè)備能協(xié)同工作，協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的。這種協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)(尤其是互操作性標(biāo)準(zhǔn))需要由學(xué)術(shù)組織、行業(yè)協(xié)會(huì)、國(guó)家或國(guó)際組織主持制訂發(fā)布。

自提出智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略計(jì)劃以來，IEEE在2010年就開始致力于制訂一套智能電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和互通原則(IEEE 2030)[31]。與此同時(shí)，國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission，IEC)[32]和NIST也在為開發(fā)這些標(biāo)準(zhǔn)作出巨大努力。國(guó)內(nèi)電網(wǎng)企業(yè)也為此做了大量工作。以通信為例，其內(nèi)容就涉及智能電網(wǎng)用戶端通信系統(tǒng)[33]、電力通信光纜安裝[34]、通信網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估[35]、通信機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)及接口技術(shù)[36]、通信運(yùn)行管理[37]、通信站運(yùn)行維護(hù)[38]等。此外，國(guó)家電網(wǎng)有限公司還制訂了《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議》[39]《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)微功率無線網(wǎng)通信協(xié)議》[40]等協(xié)議。這些協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)的制訂與發(fā)布，確保了智能電網(wǎng)建設(shè)的順利進(jìn)行。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，還會(huì)有更多的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)推出。

2.5 人工智能與大數(shù)據(jù)分析

智能感知的本質(zhì)是傳感器與人工智能大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合，智能感知的出現(xiàn)得益于深度學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜新興人工智能算法理論等的突破，以及以圖形處理單元(graphics processing unit，GPU)、張量處理單元(tensor processing unit，TPU)為代表的高計(jì)算力技術(shù)的發(fā)展，為人工智能與大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供了技術(shù)支撐[41]；因此，人工智能與大數(shù)據(jù)分析在智能感知中占據(jù)重要的地位。

目前，人工智能與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域已有廣泛研究，技術(shù)方面包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理[42]、大數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)以及大數(shù)據(jù)分析決策技術(shù)[43]等，應(yīng)用方面包括發(fā)電調(diào)度[43]、數(shù)據(jù)調(diào)度與快速分發(fā)[44]等。

人工智能和大數(shù)據(jù)分析在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用目前還處于起步階段。隨著人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)硬件性能的提高、傳感器技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用將越來越廣。例如：在發(fā)電部分，為推行風(fēng)能、太陽能等清潔能源的協(xié)調(diào)利用，建立風(fēng)光預(yù)測(cè)、設(shè)備故障診斷、優(yōu)化調(diào)度等的人工智能系統(tǒng)；在用電部分，為提高電力部門的經(jīng)濟(jì)效益，建立基于數(shù)據(jù)挖掘的電力營(yíng)銷系統(tǒng)[45]；為減少電力損耗，提高供電可靠性，建立基于用電采集信息的防竊電系統(tǒng)。上述潛在的應(yīng)用場(chǎng)景都可以為傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行過程中問題的解析方法提供新的思路。

3 智能電網(wǎng)中智能感知技術(shù)存在的挑戰(zhàn)

我國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展迅猛，智能感知技術(shù)的發(fā)展也如火如荼，但整體而言智能電網(wǎng)中的智能感知技術(shù)還處于起步階段，未來的發(fā)展還面臨諸多的挑戰(zhàn)，包括業(yè)內(nèi)對(duì)智能感知的認(rèn)識(shí)、傳感器技術(shù)、信息獲取系統(tǒng)的構(gòu)建與性能評(píng)價(jià)、電網(wǎng)的故障發(fā)展機(jī)理與狀態(tài)表征、信息傳輸與大數(shù)據(jù)處理等。

3.1 對(duì)電網(wǎng)智能感知的認(rèn)知

電網(wǎng)的感知系統(tǒng)主要是為電網(wǎng)的安全運(yùn)行保駕護(hù)航，本身不直接產(chǎn)生效益，或者說產(chǎn)生的效益相對(duì)有限。從近年來國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)的立項(xiàng)項(xiàng)目來看，電網(wǎng)企業(yè)目前對(duì)感知系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)非常重視，但項(xiàng)目的長(zhǎng)期落實(shí)可能還會(huì)受到傳統(tǒng)觀念的沖擊，特別是實(shí)施部門、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人對(duì)智能感知的作用的認(rèn)知。如果無法徹底轉(zhuǎn)變觀念，那么智能電網(wǎng)的建設(shè)將受到極大影響。

此外，人們希望使用電子設(shè)備能像使用手機(jī)一樣簡(jiǎn)單，但是對(duì)于電網(wǎng)的智能感知系統(tǒng)來說，這是不太現(xiàn)實(shí)的。其原因主要在于手機(jī)的應(yīng)用環(huán)境和人們用手機(jī)的習(xí)慣等相對(duì)而言非常接近，而感知系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和及其性能要求則千變?nèi)f化。例如，水力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子間距的監(jiān)測(cè)、火電廠鍋爐風(fēng)門開度的監(jiān)測(cè)均屬于間距監(jiān)測(cè)，但前者所處的環(huán)境電磁場(chǎng)非常強(qiáng)，后者則屬于高溫多塵環(huán)境。間距測(cè)量方法包括電容法、電感法、光學(xué)法等，顯然前者不可以采用電容法和電感法，因?yàn)檫@2種方法受環(huán)境電磁干擾嚴(yán)重；而后者則由于高溫與灰塵環(huán)境，不便采用光學(xué)法和電容法。此外，即使工作原理相同，傳感器的型號(hào)也千差萬別，性能指標(biāo)也不盡相同。因此，在智能電網(wǎng)應(yīng)用中，要求技術(shù)開發(fā)人員既要熟悉現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，又要熟悉檢測(cè)所用傳感器的原理、性能指標(biāo)要求等，否則可能導(dǎo)致感知系統(tǒng)配置錯(cuò)誤，帶來的后果將非常嚴(yán)重。例如，如果選用渦流傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子間距，由于渦流傳感器本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)遠(yuǎn)比環(huán)境磁場(chǎng)弱，監(jiān)測(cè)的結(jié)果基本是錯(cuò)的，那么根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置調(diào)整的結(jié)果也是錯(cuò)的，一旦發(fā)生轉(zhuǎn)子和定子剮蹭，則機(jī)組報(bào)廢，而由此引發(fā)的大停電所帶來的損失遠(yuǎn)比機(jī)組報(bào)廢的損失更大。

由此可見，智能感知的應(yīng)用可大幅提升“兩網(wǎng)”的性能，同時(shí)對(duì)技術(shù)人員的要求也大幅提升。

3.2 高性價(jià)比傳感器的開發(fā)

智能電網(wǎng)中智能感知系統(tǒng)的建設(shè)需要大量的傳感器。雖然目前傳感器的品種很多，性能也提高很快，但相對(duì)于智能電網(wǎng)的需求，依然存在諸多不足。

國(guó)內(nèi)電力傳感器企業(yè)規(guī)模參差不齊，小型企業(yè)占比近70%，產(chǎn)品以低端為主，傳感器的質(zhì)量、功能、性價(jià)比均需提高，特別是高端產(chǎn)品自給率不足。同時(shí)，電力傳感器的產(chǎn)品品種、系列以及電力傳感技術(shù)體系亟待完善[13]。

a)壽命。電力設(shè)備的壽命大多幾十年，甚至上百年，而許多傳感器或監(jiān)測(cè)儀器的使用壽命可能只有幾年，甚至更短。傳感器的頻繁更換將使電網(wǎng)的智能感知系統(tǒng)的價(jià)值大打折扣，例如，光學(xué)電壓傳感器在光源正常工作時(shí)壽命應(yīng)不少于10 a，但目前傳感器所用發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)光源的連續(xù)工作壽命一般約50 000 h(約5.7 a)，而半導(dǎo)體激光源(laser diode，LD)的正常工作壽命通常小于LED，一般不超過25 000 h(約2.9 a)。

b)帶寬。常規(guī)的被測(cè)信號(hào)，特別是機(jī)械信號(hào)，其帶寬相對(duì)較低，達(dá)到kHz級(jí)已經(jīng)是比較高的頻率，而且其分量幅值往往會(huì)隨著頻率的增大而減小。但是電信號(hào)比較特殊，其信號(hào)帶寬跨度非常大，同時(shí)信號(hào)的各頻率分量幅值往往與頻率沒有確定關(guān)系。例如，不同形式的放電，高頻分量的電流幅值可能比低頻分量還要大。如果傳感器的帶寬不夠高，由于信號(hào)中高頻分量的衰減，測(cè)得的信號(hào)失真度將非常大，難以反映真實(shí)情況。

c)體積與重量。電網(wǎng)需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)眾多，監(jiān)測(cè)環(huán)境各異，因此需要的傳感器不止數(shù)量多，種類也不同，目前的傳感器在體積和重量方面依然無法滿足需求。例如，如果可以在架空線上安裝電流互感器，則很容易解決傳輸線路故障的定位問題；但是現(xiàn)有電流互感器的體積和重量過大，在架空線上安裝電流互感器是難以實(shí)現(xiàn)的。

d)抗干擾能力。抗干擾能力也稱環(huán)境適應(yīng)能力。電力設(shè)備的工作環(huán)境往往比較惡劣，除了強(qiáng)電磁場(chǎng)之外，還包括高溫、風(fēng)吹日曬、冰封雪蓋、沙塵侵蝕等惡劣環(huán)境。這就要求智能電網(wǎng)中的傳感器必須有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。我國(guó)地域遼闊，各區(qū)域環(huán)境差異很大，要開發(fā)具有全天候適應(yīng)能力的傳感器系統(tǒng)，難度進(jìn)一步加大。例如GIS分解氣體的分析，由于氣體本身極不穩(wěn)定，如果取樣到實(shí)驗(yàn)室分析，其組分濃度已發(fā)生變化，無法反映真實(shí)情況，而在線監(jiān)測(cè)則由于強(qiáng)電磁干擾和高壓力等原因尚未實(shí)現(xiàn)。

e)價(jià)格。任何系統(tǒng)的建設(shè)都要考慮其性價(jià)比。完整智能電網(wǎng)的建成，依賴于大量傳感器的使用。如果某些電網(wǎng)狀態(tài)智能感知系統(tǒng)中的傳感器價(jià)格過高，則可能無法實(shí)現(xiàn)大面積安裝，其結(jié)果是智能電網(wǎng)的不完整。例如，輸電線路跨越距離長(zhǎng)，架設(shè)環(huán)境復(fù)雜多變，具有分布式特性，而現(xiàn)階段對(duì)輸電線的監(jiān)測(cè)只是選取了部分重要的節(jié)點(diǎn)和分段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到廣域監(jiān)測(cè)的水平。

信息技術(shù)的三大支柱包括傳感器、通信與計(jì)算機(jī)。相對(duì)于另外兩大支柱的跨越式發(fā)展，傳感器的研發(fā)由于涉及材料、工藝、測(cè)試與驗(yàn)證等多方面的學(xué)科(如圖5所示)，其發(fā)展一直較為緩慢，這可能會(huì)成為制約智能電網(wǎng)建設(shè)的一個(gè)瓶頸。

虛線表示流程中的問題反饋。

3.3 信息獲取系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)與構(gòu)建

測(cè)量理論與技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，雖然近年來一直取得了不俗的進(jìn)展，但理論依然不夠完善，甚至缺陷很明顯。這種缺陷主要體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)測(cè)量不確定度問題和交叉敏感問題。

目前一直沿用的測(cè)量理論體系主要是建立在靜態(tài)測(cè)量基礎(chǔ)上，而在線監(jiān)測(cè)大多是動(dòng)態(tài)測(cè)量，被測(cè)信號(hào)一直在變化，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域這種情況尤其突出，被測(cè)信號(hào)的頻帶甚至可能比測(cè)量?jī)x器的帶寬還要寬。靜態(tài)測(cè)量的理論應(yīng)用到動(dòng)態(tài)測(cè)量，由于條件改變，其適用性可能受到限制，致使測(cè)量結(jié)果可信度差，甚至是錯(cuò)誤的。雖然二十多年前就有學(xué)者開展了動(dòng)態(tài)測(cè)量不確定度的評(píng)估方法研究，但至今仍不成熟?，F(xiàn)有的動(dòng)態(tài)測(cè)量不確定度評(píng)估方法主要應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域。這是由于機(jī)械領(lǐng)域的信號(hào)帶寬往往小于傳感器帶寬，而且信號(hào)的幅值往往隨著頻率的增大而減小。電信號(hào)則不然，有的放電電流信號(hào)帶寬可達(dá)GHz級(jí)別，絕大多數(shù)電流傳感器是無法檢測(cè)的。

選擇性是傳感器的重要性能指標(biāo)。對(duì)于測(cè)量者來說，希望幾乎所有的傳感器都只對(duì)1個(gè)參數(shù)敏感，這樣其輸出信號(hào)干擾自然就少。但現(xiàn)實(shí)情況并非如此，例如，幾乎所有的傳感器都存在溫度漂移問題。為此，需要采用補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫档徒徊婷舾?，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。但是，在交叉敏感情況下構(gòu)建的多傳感器系統(tǒng)的不確定度由于參量多、涉及建模方法等原因，至今沒有完善的評(píng)估方法。

測(cè)量理論與技術(shù)的不完善直接導(dǎo)致智能電網(wǎng)中感知系統(tǒng)的構(gòu)建缺少依據(jù)與指導(dǎo)方針。未來需要建立完整的電網(wǎng)感知系統(tǒng)，包括傳感計(jì)量、故障智能診斷、性能監(jiān)測(cè)、信息傳輸?shù)龋唧w如圖6所示。測(cè)量理論與技術(shù)的缺乏，使得智能電網(wǎng)中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)與構(gòu)建面臨巨大考驗(yàn)。

3.4 電網(wǎng)故障的發(fā)展機(jī)理與表征

傳感只是得到信號(hào)，而感知?jiǎng)t需要通過測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行特征提取、邏輯推理和決策等運(yùn)算。對(duì)于智能電網(wǎng)，這些運(yùn)算往往需要電網(wǎng)故障的發(fā)展機(jī)理、表征電網(wǎng)故障類型與發(fā)展等級(jí)的表征方法等知識(shí)。雖然相關(guān)理論近年來已經(jīng)在多方面取得進(jìn)展，但依然不夠完善，許多電網(wǎng)故障機(jī)理還不夠透明，在發(fā)展初期的信號(hào)甚至無法探測(cè)或表征。例如感應(yīng)式電流互感器，我國(guó)幾乎每年都會(huì)發(fā)生電流互感器爆炸事故，但只能在事故發(fā)生后分析原因，還沒有特別好的早期故障表征與監(jiān)測(cè)方法。

目前有采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法來擬合電力設(shè)備的故障發(fā)展模型[10]，從建模的角度來說，就是為了得到1個(gè)函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法本質(zhì)上是“暗箱子”建模法，在大量樣本的基礎(chǔ)上通過“有教師學(xué)習(xí)”來確定函數(shù)的輸入輸出特性。這樣的方法存在3個(gè)方面的問題：首先是樣本問題，如果樣本不足以表征函數(shù)的特性，那么很難得到準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系；其次是所選擇的逼近函數(shù)結(jié)構(gòu)的確定、響應(yīng)函數(shù)的選擇，需要大量經(jīng)驗(yàn)，而這種經(jīng)驗(yàn)沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)依據(jù)；再者，得到的函數(shù)復(fù)雜而不太準(zhǔn)確。例如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近1個(gè)正切函數(shù)，如果采用徑向基網(wǎng)絡(luò)，隱層響應(yīng)函數(shù)是高斯函數(shù)，這需要用許多隱層節(jié)點(diǎn)才能得到比較高的函數(shù)逼近準(zhǔn)確度，而且只能在有限范圍內(nèi)得到比較準(zhǔn)確的逼近結(jié)果。若采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行函數(shù)逼近，隱層直接用正切函數(shù)，那么隱層只要1個(gè)節(jié)點(diǎn)即可，而且是全范圍逼近，準(zhǔn)確度還很高。要準(zhǔn)確地選擇正切函數(shù)做隱層節(jié)點(diǎn)，前提就是被逼近函數(shù)的整個(gè)響應(yīng)過程是非常清晰的，在電力設(shè)備故障診斷中，這其實(shí)就是故障的發(fā)展機(jī)理與表征。由此可見，電力設(shè)備的故障發(fā)展機(jī)理研究在智能電網(wǎng)的建設(shè)中依然非常重要。

圖6 電網(wǎng)智能感知系統(tǒng)Fig.6 Power grid intelligent perception system

3.5 信息傳輸

智能電網(wǎng)中的信息傳輸，主要存在傳輸速度和信息安全2個(gè)方面的挑戰(zhàn)。

3.5.1 傳輸速度

雖然光纖通信、5G、行波通信等信息傳輸技術(shù)均取得了重大突破，但對(duì)于智能電網(wǎng)而言，目前依然存在2個(gè)方面的挑戰(zhàn)：首先，電信號(hào)的傳輸速度非?？?，這就使得電氣災(zāi)害相對(duì)于其他災(zāi)害而言，其傳播速度快得多。一旦發(fā)生電氣故障，如果沒能快速感知并快速切斷相關(guān)線路，那么后果可能會(huì)非常嚴(yán)重。按照智能電網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)，這類故障是應(yīng)該避免的，這就對(duì)信息傳輸提出了新的挑戰(zhàn)。其次，電網(wǎng)的智能感知所需的信號(hào)可能是其他臺(tái)區(qū)甚至其他地區(qū)的信號(hào)，而不只是當(dāng)?shù)販y(cè)得的信號(hào)。由于信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸，不太可能有專用信號(hào)傳輸線，難以保證信號(hào)的實(shí)時(shí)性。

3.5.2 信息安全

隨著智能電網(wǎng)的深入推廣，電網(wǎng)信息化進(jìn)一步普及，在為電力部門與用戶提供更優(yōu)質(zhì)服務(wù)的同時(shí)，也帶來了許多潛在隱患。例如，若在用電信息采集過程中有第三方實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)量裝置的控制，將導(dǎo)致電力部門與用戶的雙向損失，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電力設(shè)備的損壞[46]。

如果說對(duì)智能電網(wǎng)中的智能感知網(wǎng)絡(luò)的攻擊是矛的話，那么網(wǎng)絡(luò)的安全防御就是盾。一方面，沒有哪種盾可以防御一切武器的攻擊，要造出合適的盾，首先得清楚攻擊方式，這使得造盾總是滯后于造矛；另一方面，造盾的成本遠(yuǎn)比造矛的成本高。如何快速造出廉價(jià)有效的盾，是智能電網(wǎng)中信息安全方面的一大挑戰(zhàn)。

3.6 大數(shù)據(jù)信息處理

計(jì)算機(jī)技術(shù)近年來取得了多次跨越式發(fā)展，超級(jí)服務(wù)器、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)層出不窮。但是相對(duì)于電力系統(tǒng)數(shù)量龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)而言，現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)信息處理能力依然不足。這主要有大數(shù)據(jù)方法本身和計(jì)算速度2個(gè)方面的原因。

大數(shù)據(jù)處理已廣泛應(yīng)用于發(fā)電調(diào)度、數(shù)據(jù)調(diào)度與快速分發(fā)等方向，但是，這種應(yīng)用的背景條件是目前所獲得信息量相對(duì)有限，主要是電信號(hào)方面的信息。如果整個(gè)電網(wǎng)真的像2.1節(jié)提到的那樣，開始收集微氣象、溫度、桿塔傾斜、覆冰、舞動(dòng)、弧垂、風(fēng)偏、局部放電、介質(zhì)損耗、絕緣氣體、泄漏電流、振動(dòng)及壓力等信息，那么從所有這些信息匯聚成的海量數(shù)據(jù)中提取有效信息就像大海撈針；因此，對(duì)大數(shù)據(jù)處理方法提出了更高的要求。大數(shù)據(jù)技術(shù)開發(fā)者不但要掌握大數(shù)據(jù)技術(shù)，還要熟悉各種電網(wǎng)的各類電力設(shè)備運(yùn)行特性、故障特征、整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行，以及對(duì)所感知系統(tǒng)的構(gòu)建等。由于電力設(shè)備的故障類型眾多，特征各異，參數(shù)監(jiān)測(cè)方法五花八門，要獲得完美的智能電網(wǎng)的大數(shù)據(jù)信息處理能力非常困難。

雖然計(jì)算機(jī)硬件從單核發(fā)展到多核，計(jì)算能力得到了很大的飛躍，但是相對(duì)于電網(wǎng)的大數(shù)據(jù)量來說，其計(jì)算能力依然不足。例如，以電能表為例，1個(gè)省的電能表數(shù)量是以千萬計(jì)的，即使1 h采集1次數(shù)據(jù)，全省1 d的數(shù)據(jù)量即可達(dá)到數(shù)億級(jí)別，如果要將全省1年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的電能表數(shù)據(jù)集中起來處理，由于數(shù)量龐大，那是非常困難的。電能統(tǒng)計(jì)分析的實(shí)時(shí)性要求還不算高，如果數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)配置夠高，給予足夠的時(shí)間，也可能還能應(yīng)付；但若要對(duì)全省電網(wǎng)進(jìn)行暫態(tài)分析，由于實(shí)時(shí)性要求高，現(xiàn)有技術(shù)難以滿足要求。

4 結(jié)束語

智能感知技術(shù)是我國(guó)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)的基礎(chǔ)，其發(fā)展目前還處于起步階段，由于其涉及的面非常寬，不但包括傳感器技術(shù)、電力系統(tǒng)故障診斷，還包括通信、人工智能等，對(duì)業(yè)內(nèi)技術(shù)人員提出了非常高的要求。同時(shí)，智能感知對(duì)其所涉及的各方面技術(shù)的要求也非常高，使得其發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)也很多、很嚴(yán)峻。此外，由于智能感知需在多方面技術(shù)的協(xié)作下才能實(shí)現(xiàn)，考慮到工程領(lǐng)域的水桶理論，其發(fā)展也將是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。