基于人工智能的電力系統(tǒng)自動化控制策略研究

北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司 楊鵬翔 宗 楊 馬 躍

人工智能技術(shù)可以提高電力系統(tǒng)的運行效率和可靠性，通過智能化的控制算法和自動化系統(tǒng)，電力系統(tǒng)運行可以更加精確和穩(wěn)定。借助人工智能技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測和診斷電力系統(tǒng)的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，快速定位，并采取相應(yīng)措施，從而避免或減少故障和停電的發(fā)生。此外，人工智能技術(shù)還可以優(yōu)化電力系統(tǒng)的負(fù)荷管理和能源分配，實現(xiàn)能源的合理利用和節(jié)約。人工智能在電力系統(tǒng)自動化控制中的應(yīng)用是電力行業(yè)發(fā)展的重要方向，對于提高電力系統(tǒng)的運行效率和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 電力系統(tǒng)自動化中的人工智能控制技術(shù)類型

1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能的計算模型。在電力系統(tǒng)自動化控制中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用于繼電保護、負(fù)荷檢測和主設(shè)備保護等方面。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用于電力市場調(diào)度、能量管理和電力負(fù)荷預(yù)測等領(lǐng)域。通過使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，電力系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高效、更可靠地運行，提高供電質(zhì)量和穩(wěn)定性。此外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可以與其他智能技術(shù)結(jié)合，如遺傳算法和模糊邏輯控制，以實現(xiàn)更智能化的電力系統(tǒng)管理和優(yōu)化[1]。不僅如此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以從靜態(tài)和動態(tài)兩種角度對控制范圍內(nèi)的系統(tǒng)或設(shè)備進行實時監(jiān)控，通過收集的數(shù)據(jù)信息判斷系統(tǒng)和設(shè)備的運行狀態(tài)及有無異常。

1.2 模糊控制理論

模糊邏輯是基于人類思維方式進行運算或搜索，通過采集設(shè)備運行的歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)有數(shù)據(jù)，可以對設(shè)備未來的運行數(shù)據(jù)進行模糊預(yù)測及運算，而后基于預(yù)測結(jié)果分析電力系統(tǒng)和設(shè)備的未來運行狀態(tài)，找出未來電力系統(tǒng)和設(shè)備可能存在的問題，大幅度降低發(fā)生未知問題的系統(tǒng)和設(shè)備的維修難度。在電力系統(tǒng)自動化控制中，模糊控制理論可以用于優(yōu)化電力系統(tǒng)的負(fù)荷管理和能源分配。通過將模糊控制器應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，可以更好地應(yīng)對負(fù)荷變化和能源波動，從而提高電力系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。模糊控制理論的主要思想是將模糊概念引入控制系統(tǒng)中，通過模糊集合和模糊規(guī)則來描述系統(tǒng)的行為和控制策略。與傳統(tǒng)的精確控制方法相比，模糊控制理論具有更強的適應(yīng)性和魯棒性，能夠處理不完全信息和不確定性因素。在電力系統(tǒng)中，由于負(fù)荷和能源的波動性，傳統(tǒng)的精確控制方法往往難以滿足實際需求，而模糊控制理論可以更好地應(yīng)對這些變化，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。模糊控制器的設(shè)計通常包括模糊化、模糊推理和去模糊化三個步驟。首先，將輸入和輸出變量模糊化，將其轉(zhuǎn)化為模糊集合，以便能夠進行模糊推理。其次，通過模糊推理，根據(jù)模糊規(guī)則來確定系統(tǒng)的控制策略。最后，通過去模糊化將模糊輸出轉(zhuǎn)化為具體的控制信號，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的控制[2]。

1.3 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一種基于專家知識的計算機程序，可以模擬專家的決策過程。在電力系統(tǒng)自動化控制中，專家系統(tǒng)可以用于繼電保護、電力運行規(guī)劃和實際控制等方面。專家系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中扮演著重要角色，能夠利用專家的經(jīng)驗和知識，進行智能決策，提高電力系統(tǒng)的效率和可靠性。通過收集和整理大量的專家知識，專家系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地分析電力系統(tǒng)的運行狀況，并根據(jù)專家知識進行決策。這些決策可以幫助電力系統(tǒng)進行繼電保護，確保電力系統(tǒng)的安全運行。同時，專家系統(tǒng)也可以參與電力系統(tǒng)的運行規(guī)劃，優(yōu)化電力系統(tǒng)的負(fù)荷管理和能源分配，實現(xiàn)能源的合理利用和節(jié)約。在電力系統(tǒng)的實際控制過程中，專家系統(tǒng)可以提供實時的決策支持，幫助電力系統(tǒng)運營商進行智能化的控制，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。專家系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)需要綜合考慮電力系統(tǒng)的特點和需求，以及收集和整理專家的知識和經(jīng)驗，建立專家知識庫。設(shè)計合適的決策算法和推理機制，以便將專家知識轉(zhuǎn)化為實際的決策。最后，需要進行系統(tǒng)的實時監(jiān)測和優(yōu)化，以確保專家系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 專家系統(tǒng)

2 基于人工智能的電力系統(tǒng)自動化控制策略

2.1 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)自動化控制

第一，繼電保護通過應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以建立一套智能的繼電保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確地檢測電力系統(tǒng)中的各種故障，并采取相應(yīng)的措施來保護主要設(shè)備。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)和記憶大量不同類型的故障模式，通過與實際情況進行比對，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的故障診斷和定位，從而顯著提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。除此之外，智能繼電保護系統(tǒng)還可以自動分析電力系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，提供詳細(xì)的故障報告和數(shù)據(jù)分析，為系統(tǒng)運維人員提供有價值的參考和決策依據(jù)。因此，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能繼電保護系統(tǒng)是電力系統(tǒng)領(lǐng)域的一項重要創(chuàng)新，將為電力系統(tǒng)的運行和維護帶來巨大的改進和提升。

第二，負(fù)荷檢測通過應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中各個負(fù)荷的準(zhǔn)確監(jiān)測和預(yù)測。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)和記憶大量的負(fù)荷數(shù)據(jù)，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行模式識別和預(yù)測，從而幫助運維人員更好地了解電力系統(tǒng)的負(fù)荷需求，并進行合理的負(fù)荷調(diào)節(jié)和優(yōu)化，提高電力系統(tǒng)的效率和節(jié)能性。

第三，主設(shè)備保護通過應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以建立一套智能的主設(shè)備保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確地檢測主要設(shè)備的運行狀態(tài)，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀Ｗo其免受損壞或故障。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)和記憶主要設(shè)備的運行特征，從而能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，并通過與設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行比對，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的故障診斷和定位。通過這樣的智能主設(shè)備保護系統(tǒng)，可以提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，確保電力系統(tǒng)的正常運行。

2.2 基于模糊控制理論的電力系統(tǒng)自動化控制

在電力系統(tǒng)中，模糊控制理論的應(yīng)用可以通過以下技術(shù)操作實現(xiàn)。一是模糊規(guī)則庫的建立：需要根據(jù)電力系統(tǒng)的特性和需求，構(gòu)建一個包含模糊規(guī)則的規(guī)則庫。這些規(guī)則庫描述了輸入變量和輸出變量之間的關(guān)系，以及如何根據(jù)輸入信息推斷出模糊輸出。規(guī)則庫的建立需要根據(jù)專家知識和實際數(shù)據(jù)進行，確保規(guī)則庫能夠準(zhǔn)確地描述電力系統(tǒng)的運行特征[3]。二是模糊化：要對輸入變量進行模糊化處理。模糊化是將輸入變量轉(zhuǎn)化為模糊集合的過程，以便在模糊規(guī)則庫中進行推理。通過定義隸屬度函數(shù)，將輸入值映射到模糊集合上，以表示輸入變量的模糊程度。三是模糊推理：利用模糊規(guī)則庫和模糊化的輸入變量進行推理，得到模糊輸出。在模糊推理過程中，通過計算模糊規(guī)則的匹配度和模糊輸出的隸屬度函數(shù)，確定模糊輸出的模糊程度和權(quán)重。四是去模糊化：將模糊輸出轉(zhuǎn)化為具體的控制信號。去模糊化是將模糊輸出轉(zhuǎn)化為實際值的過程。常用的去模糊化方法包括最大隸屬度法和平均值法。根據(jù)模糊輸出的隸屬度函數(shù)，確定最終的控制信號。五是控制信號的應(yīng)用：將去模糊化后的控制信號應(yīng)用于電力系統(tǒng)，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的精確控制。根據(jù)具體的控制需求，調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)或執(zhí)行相應(yīng)的操作，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和性能優(yōu)化。

此外，隨著人工智能技術(shù)的不斷進步，模糊控制理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。通過將模糊控制器與其他智能技術(shù)相結(jié)合，可以進一步提高電力系統(tǒng)的控制性能和效率。例如，將模糊控制器與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的智能化控制和優(yōu)化。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)和記憶大量的數(shù)據(jù)，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行模式識別和預(yù)測，從而實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的智能化控制和優(yōu)化。

2.3 基于專家系統(tǒng)的電力系統(tǒng)自動化控制

在電力系統(tǒng)中，專家系統(tǒng)是通過模擬人類專家的知識和經(jīng)驗，幫助電力系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的運行和管理。專家系統(tǒng)可以在電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要作用，包括繼電保護、電力運行規(guī)劃和實際控制等方面。

第一，在繼電保護過程中，應(yīng)用相關(guān)的專家系統(tǒng)可以提供準(zhǔn)確的故障診斷和定位。專家系統(tǒng)可以根據(jù)輸入的故障信息，分析電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備狀態(tài)，并推斷出可能的故障位置和原因。通過與專家知識庫中的規(guī)則進行匹配，專家系統(tǒng)能夠給出準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果，并及時采取措施進行故障處理，保證電力系統(tǒng)的安全運行。第二，在電力運行規(guī)劃的過程中，應(yīng)用相關(guān)的專家系統(tǒng)可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度和負(fù)荷管理。專家系統(tǒng)可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實時信息，預(yù)測未來的負(fù)荷需求，并制訂出最佳的運行策略。通過與專家知識庫中的規(guī)則進行匹配和推理，專家系統(tǒng)能夠給出合理的負(fù)荷調(diào)節(jié)方案，并提供決策支持，提高電力系統(tǒng)的效率和節(jié)能性。第三，在電力系統(tǒng)的實際控制過程中，應(yīng)用相關(guān)的專家系統(tǒng)可以實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)。專家系統(tǒng)可以通過與實時數(shù)據(jù)進行比對和分析，判斷電力系統(tǒng)是否處于正常運行狀態(tài)，并根據(jù)專家知識庫中的規(guī)則，及時采取控制措施來調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的各個參數(shù)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外專家系統(tǒng)的應(yīng)用還可以減少人為錯誤和決策延遲，提高電力系統(tǒng)的響應(yīng)速度和決策準(zhǔn)確性[4]。

3 電力系統(tǒng)自動化中智能技術(shù)發(fā)展趨勢

第一，智能化實時控制是電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。通過使用人工智能技術(shù)，如機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，電力系統(tǒng)可以實現(xiàn)更精確、更高效的實時控制。智能化實時控制可以幫助電力系統(tǒng)快速響應(yīng)實時需求和變化，提高供電質(zhì)量和穩(wěn)定性[5]。通過實時監(jiān)測和分析電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，智能化實時控制可以自動調(diào)整電力系統(tǒng)的運行參數(shù)，優(yōu)化能源分配和負(fù)荷管理。第二，人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)故障診斷方面的應(yīng)用也越來越重要。通過使用機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析方法，電力系統(tǒng)可以實時監(jiān)測和診斷潛在問題和故障。人工智能故障診斷技術(shù)可以幫助電力系統(tǒng)快速定位和解決故障，減少停電時間和損失。通過分析電力系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，人工智能故障診斷可以提供準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果，并根據(jù)診斷結(jié)果采取相應(yīng)的措施，保障電力系統(tǒng)的安全和可靠運行。第三，綜合智能控制是將多種智能技術(shù)結(jié)合用于電力系統(tǒng)自動化控制的一種方法。通過將機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、模糊控制等智能技術(shù)相互結(jié)合，電力系統(tǒng)可以實現(xiàn)更智能化、更高效地控制。綜合智能控制可以將不同的智能技術(shù)進行優(yōu)勢互補，提高電力系統(tǒng)的運行效率和可靠性。通過綜合智能控制，電力系統(tǒng)可以實現(xiàn)更精確的負(fù)荷管理、優(yōu)化能源分配和協(xié)調(diào)控制，從而提高電力系統(tǒng)的整體性能和可持續(xù)發(fā)展能力。

4 結(jié)語

總之，人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)自動化控制方面的應(yīng)用為電力行業(yè)帶來了許多新的機會和挑戰(zhàn)。通過多樣化人工智能技術(shù)的合理規(guī)劃應(yīng)用，可以幫助電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、實現(xiàn)故障預(yù)測和診斷，并提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，人工智能還可以優(yōu)化電力系統(tǒng)的負(fù)荷管理和能源分配，實現(xiàn)能源的合理利用。