淺析智能電網(wǎng)與人工智能的融合應(yīng)用

何雨晨 林巧月

引言

現(xiàn)代信息通信技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和人工智能等技術(shù)手段，為電力系統(tǒng)的管理和運(yùn)行提供了新的思路和解決方案。隨著能源需求的不斷增長和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，智能電網(wǎng)作為一種創(chuàng)新的電力供應(yīng)和管理體系備受關(guān)注。智能電網(wǎng)的興起得益于先進(jìn)的信息通信技術(shù)以及人工智能的快速發(fā)展。人工智能的出現(xiàn)為智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)和進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的支持和驅(qū)動力。

一、智能電網(wǎng)概述

（一）智能電網(wǎng)的定義和特點(diǎn)

智能電網(wǎng)（Smart Grid）是一種基于先進(jìn)技術(shù)和信息通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代化電網(wǎng)系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，將傳統(tǒng)的單向電力傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向能量交互，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化管理。智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，不僅能夠從發(fā)電站向用戶傳輸電能，也能夠?qū)⒂脩舢a(chǎn)生的電力反饋到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)能源共享。智能電網(wǎng)充分利用分布式能源資源，將可再生能源（如太陽能、風(fēng)能等）融入電力系統(tǒng)中，減少對傳統(tǒng)燃煤、石油等非可再生能源的依賴。通過對電網(wǎng)資源進(jìn)行二次加工，可以實(shí)現(xiàn)能源資源的優(yōu)化利用[1]。利用智能電網(wǎng)技術(shù)，對能源的實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)控，可以降低能源的損耗，提高能源的利用效率。同時(shí)，通過智能電網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)能源的靈活分配和優(yōu)化配置。通過二次加工電網(wǎng)資源，可以促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和清潔能源的大規(guī)模接入。智能電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對能源使用的智能化監(jiān)測和控制，提高工業(yè)生產(chǎn)過程中能源的利用效率，并優(yōu)化能源的配置，減少能源的消耗和環(huán)境污染。在智能電網(wǎng)構(gòu)建中，從資源分布入手，建設(shè)合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率是非常重要的。在智能電網(wǎng)構(gòu)建中，應(yīng)根據(jù)資源分布情況合理規(guī)劃電源種類和位置，優(yōu)化能源的配置和利用。充分利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源資源，布局相應(yīng)的發(fā)電設(shè)施，增加清潔能源比例，電網(wǎng)建設(shè)需要大量的輸電線路、變電設(shè)備和變壓器等電力設(shè)備。在智能電網(wǎng)構(gòu)建中，需要根據(jù)電力需求的分布情況和負(fù)荷需求，規(guī)劃設(shè)備的布局和容量，避免資源的浪費(fèi)和不足。智能電網(wǎng)鼓勵用戶積極參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行和管理，通過交互性的技術(shù)手段，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到自己的用電情況、電費(fèi)情況以及節(jié)能建議等信息，從而了解自己的用電行為，主動參與電網(wǎng)的管理和運(yùn)營。智能電網(wǎng)可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求，通過交互性的技術(shù)手段進(jìn)行個性化調(diào)整和優(yōu)化。

（二）智能電網(wǎng)的發(fā)展歷程

1.傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)階段（1819-1998年）

傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)階段可以劃分為早期電力工業(yè)發(fā)展階段（1819-1882 年）和傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)大發(fā)展階段的電力工業(yè)階段 （1882-1998年），這階段發(fā)明了發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器及其他設(shè)備，形成了電力技術(shù)和電力工業(yè)。在電力工業(yè)的早期階段，主要通過燃煤發(fā)電和水力發(fā)電。電力由中央發(fā)電站通過高壓輸電線路傳送到城市和工業(yè)用電者。由于交流電可以通過變壓器進(jìn)行高壓輸電和遠(yuǎn)距離傳輸，因此成為主要的電力傳輸方式。隨著發(fā)電機(jī)的技術(shù)改進(jìn)促使發(fā)電效率提高，電力系統(tǒng)逐漸構(gòu)建起由發(fā)電廠、變電站、輸電線路和配電網(wǎng)等組成的電力網(wǎng)絡(luò)。因此，電力傳輸和運(yùn)行控制技術(shù)在電力工業(yè)階段得到了重大的突破和創(chuàng)新。

2.智能電網(wǎng)技術(shù)的萌芽階段（1998-2006年）

美國電科院于1998年提出了復(fù)雜交互式系統(tǒng)的概念，在2002年又提出了“聰明的電網(wǎng)”概念。在這一階段，智能電網(wǎng)的概念逐漸形成，相關(guān)技術(shù)開始得到初步應(yīng)用。智能計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用使得用電信息可以實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測。在智能電網(wǎng)的萌芽階段，通信技術(shù)的發(fā)展為電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制提供了可能。無線通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使得電力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和遠(yuǎn)程操作。在這一階段，數(shù)據(jù)管理和分析技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，為智能電網(wǎng)的運(yùn)行提供強(qiáng)大的支持。

3.智能電網(wǎng)技術(shù)的興起與發(fā)展階段（2006年至今）

2006年后，智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展邁入新的時(shí)代，許多國家和地區(qū)開始展開智能電網(wǎng)的研究和試點(diǎn)項(xiàng)目。2007年，華東電網(wǎng)公司啟動了以提升大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力為目的的智能互動電網(wǎng)可行性研究項(xiàng)目，啟動了高級調(diào)度中心和統(tǒng)一信息平臺等智能電網(wǎng)試點(diǎn)工程。隨著技術(shù)的成熟和試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，智能電網(wǎng)技術(shù)開始得到全面應(yīng)用。許多地區(qū)和城市啟動智能電網(wǎng)的建設(shè)，涉及電力輸配、儲能、能源管理等方面，智能電網(wǎng)市場也逐漸形成，各類企業(yè)和服務(wù)提供商參與其中。

（三）智能電網(wǎng)的分類

智能電網(wǎng)可分為智能變電站，智能配電網(wǎng)，智能電能表，智能交互終端，智能調(diào)度，智能家電，智能用電樓宇，智能城市用電網(wǎng)，智能發(fā)電系統(tǒng)，新型儲能系統(tǒng)等多個部分。智能變電站是一種利用信息和通信技術(shù)、數(shù)字化和自動化控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，對傳統(tǒng)的變電站進(jìn)行升級和改造的現(xiàn)代化電力設(shè)施。智能變電站充分應(yīng)用傳感器、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測和控制系統(tǒng)等信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對變電站各部分設(shè)備和電力系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。通過數(shù)據(jù)采集和分析，智能變電站可以迅速獲取電網(wǎng)故障信息，提高故障處理的速度和準(zhǔn)確性。智能配電網(wǎng)是一種通過應(yīng)用先進(jìn)的信息和通信技術(shù)、自動化控制技術(shù)和數(shù)字化管理技術(shù)等，對傳統(tǒng)的配電網(wǎng)進(jìn)行升級和改造的現(xiàn)代化電力系統(tǒng)。智能配電網(wǎng)支持太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電和儲能系統(tǒng)等大規(guī)模的分布式能源接入。能夠使分布式能源與傳統(tǒng)的中央發(fā)電系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能源的有效利用和可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，應(yīng)用先進(jìn)的傳感器、智能儀器儀表和通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理,可以監(jiān)測配電設(shè)備和電力負(fù)荷等信息，并通過數(shù)據(jù)分析和處理，提供準(zhǔn)確的配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和電力需求的預(yù)測[2]。智能城市用電網(wǎng)采用智能化的電網(wǎng)設(shè)備和供電系統(tǒng)，通過智能傳感器和通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電力負(fù)荷、電力供應(yīng)和能源消耗情況，并支持大規(guī)模的分布式能源接入，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式能源與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展。智能城市用電網(wǎng)通過智能電表和電能管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理電力負(fù)荷的需求和消耗情況，可以自動調(diào)節(jié)電力負(fù)荷。

二、人工智能的概述

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是一種模擬和模仿人類智能的技術(shù)和理論。通過模擬和實(shí)現(xiàn)自然語言理解、學(xué)習(xí)、推理和問題解決等人類認(rèn)知能力，使機(jī)器能夠具備類似人類的智能，并能夠自主地進(jìn)行決策和執(zhí)行任務(wù)。人工智能是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和算法，對大量數(shù)據(jù)的分析和模式識別，讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠從中學(xué)習(xí)，并自動改善預(yù)測和決策功能。深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一種特殊方法，采用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過層次化的特征提取和處理，能夠處理大規(guī)模的圖像、語音和自然語言等復(fù)雜數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)高精度的分類和識別。自然語言處理是讓計(jì)算機(jī)理解和處理人類的自然語言，包括語音識別、文本理解、機(jī)器翻譯和自動問答等任務(wù)，使計(jì)算機(jī)能夠與人類進(jìn)行交流和交互。專家系統(tǒng)[3]是一種基于知識庫和推理機(jī)制的人工智能系統(tǒng)，模擬人類專家的知識和推理過程，能夠分析和解決特定領(lǐng)域的問題。廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、金融風(fēng)控、工程設(shè)計(jì)和智能機(jī)器人等領(lǐng)域。智能機(jī)器人是結(jié)合人工智能和機(jī)器人技術(shù)的產(chǎn)物，能夠感知環(huán)境、處理信息、做出決策并執(zhí)行任務(wù)。

三、智能電網(wǎng)與人工智能的融合應(yīng)用

（一）智能調(diào)度與管控

智能電網(wǎng)依托結(jié)構(gòu)化的語義知識庫，能夠較為綜合地應(yīng)對電網(wǎng)運(yùn)行日常任務(wù)，制定檢修與發(fā)電計(jì)劃。智能調(diào)度與管控旨在通過整合電力系統(tǒng)的各個部分和多種能源資源，通過智能化的決策和控制策略，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行。通過人工智能算法，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析與預(yù)測模型，對電力負(fù)荷、可再生能源、市場需求等進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，以便進(jìn)行智能化的能源調(diào)度和優(yōu)化。預(yù)測結(jié)果能夠指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行，提高系統(tǒng)的資源利用效率。基于人工智能算法，通過對電力系統(tǒng)的各種參數(shù)和狀態(tài)的分析，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的供需平衡、頻率控制、電壓調(diào)控等運(yùn)行決策和調(diào)度，并實(shí)時(shí)反饋和優(yōu)化。同時(shí)，人工智能可以應(yīng)用于能量存儲管理中，通過實(shí)時(shí)和預(yù)測數(shù)據(jù)以及學(xué)習(xí)算法，優(yōu)化能量存儲的充放電策略，提高能源的利用效率和系統(tǒng)的性能。人工智能算法可以應(yīng)用于智能電網(wǎng)的市場交易與能源價(jià)格預(yù)測中，通過對市場需求、供應(yīng)和定價(jià)進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)對潛在風(fēng)險(xiǎn)的識別、評估和預(yù)警，并采取相應(yīng)的控制策略。

（二）智能巡檢與監(jiān)測

傳統(tǒng)的人工巡回檢查工作方式具有勞動強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、工作環(huán)境惡劣、容易受到氣象環(huán)境干擾等特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測。智能電網(wǎng)與人工智能的融合應(yīng)用中，智能巡檢與監(jiān)測是關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。智能巡檢與監(jiān)測通過人工智能技術(shù)和傳感器數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障診斷和預(yù)測。在智能電網(wǎng)中，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取電力設(shè)備和系統(tǒng)的電壓、電流、溫度、振動等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)會作為輸入供給人工智能算法，用于分析和評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。基于傳感器數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，智能電網(wǎng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識別和異常檢測，系統(tǒng)可以自動發(fā)現(xiàn)和診斷設(shè)備中的異常情況。同時(shí)，通過使用歷史數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，智能電網(wǎng)可以進(jìn)行設(shè)備故障的預(yù)測和預(yù)警。這使得系統(tǒng)可以提前采取維護(hù)措施，避免電力設(shè)備故障和停機(jī)時(shí)間的損失。利用人工智能算法和設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，智能電網(wǎng)可以智能化地制定巡檢和優(yōu)化計(jì)劃。通過對設(shè)備使用情況、維護(hù)歷史和設(shè)備健康狀態(tài)的綜合分析，系統(tǒng)可以制定最優(yōu)的維護(hù)和巡檢策略。

（三）故障診斷與修復(fù)

按照以往的人工檢修方式，帶電作業(yè)不僅危險(xiǎn)，最后效果也常常差強(qiáng)人意。智能電網(wǎng)利用傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集電力系統(tǒng)電流、電壓、頻率等運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)分析，再利用人工智能算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的挖掘，尋找異常信號和故障。借助人工智能技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，一旦檢測到故障，智能電網(wǎng)可以利用人工智能算法進(jìn)行快速準(zhǔn)確的故障定位，并對設(shè)備的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定故障發(fā)生的位置，進(jìn)而采取相應(yīng)的修復(fù)措施[4]。同時(shí)，分析大量的歷史故障數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠從中學(xué)習(xí)和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)前故障情況，推薦最佳的修復(fù)策略。通過引入人工智能技術(shù)，電網(wǎng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)智能化自檢，即設(shè)備通過內(nèi)置的傳感器和自主算法，自動監(jiān)測和分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、性能指標(biāo)和健康狀況。借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，指揮中心可以對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析。通過對歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的比對和分析，人工智能算法可以準(zhǔn)確地判斷設(shè)備的健康狀況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除電網(wǎng)設(shè)備故障。

四、智能電網(wǎng)的發(fā)展前景及挑戰(zhàn)

智能電網(wǎng)未來的發(fā)展必須與環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，從環(huán)境角度來看，智能電網(wǎng)的發(fā)展需要注重可持續(xù)能源的利用和環(huán)境保護(hù)，降低碳排放和環(huán)境污染。從社會角度來看，智能電網(wǎng)的發(fā)展則必須兼顧社會的需求和福利，這樣可以推動能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和升級，促進(jìn)能源的公平分配和合理利用，滿足不同社會群體的能源需求。從經(jīng)濟(jì)角度來看，智能電網(wǎng)可以優(yōu)化能源調(diào)度和資源配置，提高能源的利用效率和生產(chǎn)效率，降低能源的成本。云計(jì)算是智能電網(wǎng)的另一個未來發(fā)展趨勢，是將計(jì)算、存儲和通信網(wǎng)絡(luò)作為一個整體性共享資源，為用戶提供高效率的服務(wù)，并為智能電網(wǎng)提供動態(tài)全局性網(wǎng)絡(luò)平臺，促使智能電網(wǎng)的不同參與者能夠有效合作運(yùn)行。云計(jì)算的核心理念是將計(jì)算和存儲資源從本地轉(zhuǎn)移到云端，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問和管理。同時(shí)支持大量的數(shù)據(jù)存儲和處理需求，提供強(qiáng)大的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)分析能力。通過物聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，可以通過傳感器獲取大量的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并以可視化的方式呈現(xiàn)給用戶[5]。

AI技術(shù)在各類應(yīng)用場景中數(shù)據(jù)積累情況不一，智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)研究和應(yīng)用也起步未久，確實(shí)面臨著數(shù)據(jù)樣本不足的挑戰(zhàn)。然而，在小樣本的情況下，仍然可以基于一些方法和技術(shù)來開展智能電網(wǎng)的AI應(yīng)用研究。通過從其他相關(guān)領(lǐng)域或類似任務(wù)中獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征學(xué)習(xí)和模型訓(xùn)練，從而遷移到智能電網(wǎng)的小樣本數(shù)據(jù)集上。

結(jié)語

本文深入討論智能電網(wǎng)的定義和特點(diǎn)，并分析智能電網(wǎng)的分類，探討不同類型智能電網(wǎng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。同時(shí)強(qiáng)調(diào)人工智能在智能電網(wǎng)中的作用和意義。最后分析智能電網(wǎng)與人工智能的融合應(yīng)用。希望通過智能電網(wǎng)和人工智能的融合，我們可以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的智能化管理和優(yōu)化，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)綠色、低碳的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。希望對相關(guān)領(lǐng)域的研究有所幫助。