前沿科普 | 智能電網(wǎng)，智在何方？

近段時間，中央氣象臺已連續(xù)發(fā)布高溫紅色預(yù)警。21 個省級電網(wǎng)負荷創(chuàng)歷史新高，除東北外其余 5 個區(qū)域電網(wǎng)均創(chuàng)新高。

進入 7 月以來，華東、華中、四川盆地較常年同期偏高 1-3 ℃，局部地區(qū)氣溫創(chuàng)歷史極值。國家能源局相關(guān)負責(zé)人表示，受近期極端高溫影響，全國統(tǒng)調(diào)最高負荷 8 月 2 日— 5 日連續(xù) 4 天創(chuàng)新高。截至目前，有 21 個省級電網(wǎng)負荷創(chuàng)歷史新高，除東北外其余 5 個區(qū)域電網(wǎng)均創(chuàng)新高。

近年，隨著電網(wǎng)工程建設(shè)的增加，我國發(fā)電總量也在穩(wěn)定增長。2021年全國發(fā)電總量為81122億千瓦時，同比2020年增漲6.41%。2020年全國發(fā)電總量為76236億千瓦時，同比增漲4.05%。

表1 2012～2021年分產(chǎn)業(yè)用電量（單位：億千瓦時）

Q: 我國電網(wǎng)的構(gòu)建過程中面臨哪些挑戰(zhàn)，如何利用智能電網(wǎng)突破現(xiàn)有瓶頸？

韓譯鋒博士: 目前，我國電網(wǎng)構(gòu)建面臨的挑戰(zhàn)主要可以概括為能源分布不均衡、環(huán)境污染和能源安全。利用先進的通信、信息和控制技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動化、數(shù)字化、互動化為特征的統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)，能夠大幅度提升輸電、變電、配電和供電各環(huán)節(jié)智能化與自動化水平。

具體地，在能源分布不平衡、能源運輸壓力大的問題上，我國智能電網(wǎng)通過特高壓網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提升“西電東送、北電南供”的運輸效率。

在環(huán)境污染問題上，由于我國對化石能源依賴較高，其產(chǎn)生的環(huán)境污染等問題日益嚴重，新型智能電網(wǎng)實施“以電代煤、以電代油、電從遠方來”電能替代發(fā)展戰(zhàn)略。

在能源安全問題上，我國智能電網(wǎng)建設(shè)可以提高我國電力占終端能源消費的比重，實現(xiàn)輸煤輸電并舉，使得兩種能源輸送方式之間形成一種相互保障格局，并降低對國外石油的依存度。

Q: 當前社會用電需求大，電力資源緊缺，智能電網(wǎng)可以在哪些方面解決資源緊缺與節(jié)能減排問題呢？

韓譯鋒博士: 目前，智能電網(wǎng)可以從電網(wǎng)運行和能源轉(zhuǎn)型兩個方面入手嘗試解決資源緊缺和節(jié)能減排的問題。

具體地，在電網(wǎng)運行過程中，智能電網(wǎng)通過引入深度學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生、知識圖譜等技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行故障，為電力系統(tǒng)提供海量數(shù)據(jù)的深度感知、高速分析與推理決策能力，保障用電高峰時期電能的高質(zhì)量供應(yīng)，維護電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

同樣地，在能源轉(zhuǎn)型方面，基于大數(shù)據(jù)分析與專家系統(tǒng)的智能信息處理技術(shù)為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新型發(fā)電技術(shù)提供更加精準的預(yù)測與感知能力，推動電網(wǎng)向更加清潔低碳的能源轉(zhuǎn)型，緩解資源緊缺與節(jié)能減排的問題。

作者：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院?韓譯鋒博士

1 什么是智能電網(wǎng)？

說到智能電網(wǎng)，相信很多人會把智能電網(wǎng)簡單的認識為利用計算機軟件對電網(wǎng)進行智能化管控。但是，智能電網(wǎng)包含的內(nèi)容遠不止于此。智能電網(wǎng)簡單來說就是“減少甚至無需人工介入，可自我感知并調(diào)整”的電網(wǎng)，它通常以高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用先進的傳感測量技術(shù)、控制方法以及決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定運行。

2 智能電網(wǎng)的“智”體現(xiàn)在哪些方面？

與傳統(tǒng)的電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)主要依賴先進的計算機信息技術(shù)對電網(wǎng)進行管理和控制，使其擁有了智慧化的特征，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 智慧化感知與融合

智慧化感知與融合是通過先進的傳感測量設(shè)備全面獲取與電網(wǎng)運行狀態(tài)相關(guān)的多源異構(gòu)物理信息，并采用自主學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)融合等方法提升數(shù)據(jù)的準確性和高效性，降低后續(xù)數(shù)據(jù)處理的成本。

(2) 智慧化分析與處理

智慧化分析與處理是指利用感知得到的信息，借助機器學(xué)習(xí)和人工智能等前沿技術(shù)，將這些數(shù)字化信息進一步提升到可以認知的層次，例如，可通過攝像頭獲取電網(wǎng)的全景信息，及時發(fā)現(xiàn)、預(yù)見可能發(fā)生的故障。

(3) 智慧化控制與決策

智慧化控制與決策是指通過感知信息的高度集成、共享與利用，采用先進控制理論與方法，為運行管理提供全面、完整和精細的電網(wǎng)控制，同時能夠提供相應(yīng)的輔助決策支持、控制實施方案和應(yīng)對預(yù)案。

(4) 智慧化診斷與恢復(fù)

3 智能電網(wǎng)的“智”主要通過哪些技術(shù)來實現(xiàn)？

智能電網(wǎng)以傳統(tǒng)物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，高度融合了現(xiàn)代先進的傳感測量技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)、現(xiàn)代控制理論等。

(1) 傳感測量技術(shù)

智能電網(wǎng)中傳感測量技術(shù)主要通過可見光攝像頭、紅外攝像頭或者其他傳感器等硬件設(shè)備，測量與采集設(shè)備狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)/動態(tài)電網(wǎng)數(shù)據(jù)、運行環(huán)境等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處理、控制與決策和診斷與恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。

(2) 現(xiàn)代通訊技術(shù)

智能電網(wǎng)中的現(xiàn)代通訊技術(shù)主要采用高效率、完全集成的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)電網(wǎng)信息的實時傳輸與動態(tài)交互，在協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)發(fā)、送、變、配、用電等組成部分的聯(lián)合運轉(zhuǎn)及保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定、可靠的運行方面發(fā)揮了重要的作用。

(3) 人工智能技術(shù)

智能電網(wǎng)中的人工智能技術(shù)作為建設(shè)過程中的重要驅(qū)動力，通過計算機視覺、數(shù)字孿生、知識圖譜、自然語言處理等技術(shù)，實現(xiàn)了虛實交互、協(xié)同調(diào)度、智能分析、推理決策等多重功能，為新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建提供了重要支撐。

(4) 先進控制技術(shù)

4 智能電網(wǎng)的“智”是如何服務(wù)電網(wǎng)的？

目前，智能電網(wǎng)的“智”廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)的無人化巡檢運維、智能化管控以及數(shù)字化平臺建設(shè)等幾個方面：

(1) 變電站智能巡檢系統(tǒng)

變電站智能巡檢系統(tǒng)旨在綜合調(diào)用站內(nèi)的智能設(shè)備與缺陷檢測算法，實現(xiàn)電氣設(shè)備運行狀態(tài)的自動巡檢，降低人工巡檢成本，提高電力系統(tǒng)巡檢智能運維的頻率與效率。站內(nèi)的固定攝像頭、巡檢機器人等自動執(zhí)行預(yù)設(shè)的巡檢計劃，及時發(fā)現(xiàn)故障并預(yù)警，保障了電網(wǎng)的安全運行。

(2) 變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)

變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)以三維數(shù)字孿生支撐新型運檢管控模式。通過構(gòu)建與現(xiàn)實物理設(shè)備相對應(yīng)的數(shù)字孿生體，實現(xiàn)全息模擬、動態(tài)監(jiān)控、實時診斷與精準預(yù)測，推動智能電網(wǎng)可視化進程，實現(xiàn)數(shù)字化運維和智能化管控，保障大電網(wǎng)安全運行。

(3) 電力大數(shù)據(jù)人工智能平臺

為實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的高效管理及電力智能模型的開發(fā)與部署，電網(wǎng)研究部門通過綜合調(diào)用計算資源、建立數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建電力大數(shù)據(jù)人工智能平臺。平臺支撐眾多電力人工智能模型開發(fā)，如變電站設(shè)備缺陷檢測模型、設(shè)備智能測溫模型等。此外，平臺支持大規(guī)模服務(wù)器及邊緣計算設(shè)備中的電力智能模型部署，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供多類型計算設(shè)備支撐。

5 智能電網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢？

依賴計算機視覺、知識圖譜、自然語言處理等技術(shù)，新一代電力系統(tǒng)將進一步增強感知能力、分析能力與推理能力，在電力大數(shù)據(jù)背景下實現(xiàn)主動學(xué)習(xí)、自動分析、自主決策，構(gòu)建更加智能的電網(wǎng)系統(tǒng)，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。此外，智能電網(wǎng)中的數(shù)字孿生系統(tǒng)將現(xiàn)實世界中的電氣設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)映射到數(shù)字系統(tǒng)中，實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的實時反饋、跟蹤、分析與決策，為電網(wǎng)提供更加可靠的智能化服務(wù)。

參考文獻

(1) 齊冬蓮, 韓譯鋒, 周自強, 閆云鳳. 基于視頻圖像的輸變電設(shè)備外部缺陷檢測技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 電子與信息學(xué)報. doi: 10.11999/JEIT211588

(2) 王成山, 李鵬. 分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010, 34(02): 14-23.

(3) 周孝信, 陳樹勇, 魯宗相, 黃彥浩, 馬士聰, 趙強. 能源轉(zhuǎn)型中我國新一代電力系統(tǒng)的技術(shù)特征[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2018, 38(07): 1893-1904.

(4) 鞠平,周孝信等. “智能電網(wǎng)+”研究綜述[J]. 電力自動化設(shè)備, 2018, 38(05): 2-11.

(5) 丁怡婷. 智能電網(wǎng)，提供強勁電力支撐[N]. 人民日報, 2022-08-04(015).

策劃 | 馬秀強

校對 | 融媒體工作室