人工智能技術在電力系統中的應用與展望

張軻　張凱

摘要：在環境污染日趨嚴重，化石能源逐漸枯竭的背景下，能源系統的發展趨向于清潔化、智能化，我國已將智慧能源的發展提升為國家戰略。電力系統作為能源系統的核心環節，應用廣泛，具有較強的調節能力且控制復雜，其智能化程度將決定能源系統的智能化水平。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、存儲、消費多種特性的新型能源終端高比例接入電網，現代電力系統呈現出復雜非線性、強不確定性、強耦合性等特點，傳統建模、優化、控制技術存在諸多局限性，人工智能技術將是解決復雜系統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應用的發展脈絡;然后根據人工智能在電力系統的應用熱點領域，闡述人工智能技術在電力系統調度、規劃以及電力市場等方面的應用，并對各重點研究內容的未來方向進行展望。

關鍵詞：人工智能;電力系統;智慧能源;能源互聯網;可再生能源;優化控制

0引言

隨著社會的發展和技術的進步，能源結構從單一傳統能源向多源清潔能源轉變，而未來分布式電源大規模接入的不確定性、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的結構趨向復雜和靈活。同時伴隨我國市場經濟的深入及智能電網的興起，電力市場交易方式的變革是其發展的必然產物。在此情況下，電力系統呈現出復雜非線性、不確定性、時空差異性等特點，使傳統分析方法在電力系統調度、規劃、交易方式等方面將面臨諸多挑戰^[1]。以先進的傳感器技術和計算機技術作為支撐的人工智能技術可能會改變傳統的分析方法，形成一種更為靈活和自主的新模式，有助于促進現代電力系統的安全、經濟和可靠性的發展。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人工智能技術概述

人工智能技術的基礎包括知識表示、推理、搜索、規劃^[2]，其是由計算機科學、控制論、信息論、神經生理學、心理學和語言學等多學科相互交叉融合進而發展起來的一門綜合性前沿學科。

1.1 人工智能技術應用框架

依據不同的人工智能技術應用環節和能源環節，將人工智能技術在電力系統中的應用分別與兩類環節的映射圖歸納。根據人工智能技術應用環節的不同，將其分為感知、決策、執行3個環節。感知環節主要是信息的獲取過程，體現為信息獲取、辨識、預處理、分類、預測等功能的實現。決策環節主要是根據數據、模型等信息進行綜合分析，體現為優化、博弈、推理、知識獲取等過程。執行過程是實現系統的自主閉環控制、保護、自愈等功能，體現為控制、調度、保護、恢復等過程。以此為基礎衍生出了人工智能技術的3個應用環節與電力系統應用領域的映射關系。

為了實現智慧能源的核心環節，即能源的生產、傳輸、存儲、消費4個環節的互聯互通，人工智能技術與能源網絡各環節技術融合的問題亦為研究熱點。因此，從能源的生產、傳輸、存儲、消費的角度總結了各類人工智能技術的應用，包括專家系統、深度學習、對抗學習、強化學習、圖像處理、多智能體技術在內的各類人工智能方法被應用于能源系統。隨著分布式能源的高比例滲透，分布式儲能形式的介入，利用人工智能技術實現新能源功率預測、線路運行狀態評估、需求響應等問題有利于提高新能源的消納水平及實現源、網、荷、儲各環節的協同控制。能源網絡的結構復雜度促使網絡的安全穩定問題更為突出，利用人工智能技術所進行的復雜系統建模分析、設備及線路風險評估、故障診斷將提升系統的整體安全性能。而針對能源系統模型的不確定性和隨機性，結合人工智能技術實現離線分析、在線匹配的控制策略將有效解決傳統方法所存在的準確性、時效性方面的不足。同時，結合人工智能技術所進行的微網、電動汽車等系統的綜合規劃可滿足能源網絡的智能化需求。

2 人工智能技術在電力系統中的應用

隨著能源結構變革，新能源產業得到快速發展，分布式能源的高比例滲透以及電動汽車大規模接入使電網結構更為復雜和靈活，存在不確定性大、非線性強、耦合關系復雜等特點。電網呈現智能化發展趨勢，其對電力系統應用技術的要求趨向于高效、簡單、可靠。而傳統技術存在可靠性不高、缺少長久驗證、機理不清等問題。因此，人工智能技術憑借其優勢和特點，已成為解決復雜電力系統問題的有力措施，是提升新一代電力系統安全、可靠、經濟性的有效工具。在研究進程中，人工智能技術首先在電力系統調度、規劃、交易等領域得到廣泛的應用。

2.1人工智能技術與電力系統調度

針對規模龐大、結構復雜的現代電力系統，調度的主要目的是保障系統的安全運行，保證用戶的供電可靠性，同時提高系統的經濟性^[3]。其根本問題是解決復雜網絡的有約束優化問題，在數學模型上根據調度目標設定目標函數及滿足網絡物理運行的約束條件，并運用優化方法制定最優運行方案。基于人工智能技術的調度方法，對應于電力系統的調度功能，電力系統調度問題可分為機組組合優化、機組調度優化等。

2.2人工智能技術與電力系統規劃

電力系統規劃的主要目在于，在對未來電力波動、負荷曲線和電力分布情況實施預測的前提下，研究未來一段時間內電源和輸電線路的投產情況。結合各人工智能技術特點^[4]，在電力系統規劃中的應用主要體現在電源規劃、電網規劃、源網協調規劃等方面。

2.3人工智能技術與電力市場

電力市場是應用計算機、現代化測量和通信設備，以電價交易為基礎，電力生產者和消費者采用協商、競價等方式對電力資源進行優化配置，實現供需平衡的機制。隨著電力交易變革，所帶來的電力系統優化決策問題更為復雜，人工智能技術在解決此類問題中發揮了重要作用。人工智能技術在電力市場中的應用主要體現在發電側、配電側、用戶側的電力交易決策等方面.

基于人工智能技術的電力市場研究已經得到了高度的關注，為該方向的發展奠定了一定基礎，未來研究工作可以從以下幾方面進一步深化：1） 電力交易機制將依據市場形勢發生變化。目前用戶與供電公司的電力交易多為點對面的形式，點對點的交易方式也將是未來的發展趨勢，同時智能用戶的參與也使得交易更加復雜多變。在此情況下，對市場激勵下產生的電價進行預測，提高對用戶供電的靈活性和可靠性服務，開發先進的市場清算軟件等問題應進一步探究。因此，考慮如何應用人工智能技術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） 配電側分布式電源的大規模接入使電力交易主體數量增多，隨機性更強，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象的出現，電力的生產和消費也趨向于分布式結構。分布式人工智能技術的應用究更為深入，尤其以區塊鏈技術為主導，其作為新興的分布式數據庫技術，與傳統技術相比具有成本低、安全性高的特點，可實現電力交易的去中心化管理，在未來的電力系統中也會有較大的應用空間。

3 總結

在智慧能源的大力倡導下，未來能源系統發展的關鍵點是產能、儲能、用能一體化發展，更多能源生產、轉化、傳輸、儲存、消費環節將通過信息技術進行深入融合，推動能源系統高效運行。當前，人工智能技術對于解決現代電力系統所含有的非線性、不確定性強、耦合性強、多變量等特點的問題具有較好的適應性和靈活性，對于提高電力系統的運行效率，提高其安全可靠性以及智能化水平將起到重要作用。在此基礎上，人工智能技術也將更多地滲透入能源系統，以真正實現智慧能源的智能化.智能電網和能源互聯網作為新一代能源變革的重要載體，在智慧能源的發展中占據著核心和引領地位。能源互聯網的主要功能將是以智能電網、人工智能技術、云計算、物聯網、大數據和移動互聯網為支撐，基于信息、物理、社會三者深度融合結構，實現能源的優化決策和廣域協調，框架如圖4所示。為此，人工智能技術與能源互聯網技術的融合，將賦予傳統能源網絡智能化的功能。

本文總結了人工智能技術在電力系統中的典型應用，并對未來可能的研究方向進行了展望，旨在推動人工智能技術在電力系統理論研究和實際應用中的發展。

參考文獻

[1] 蔡自興.人工智能及其應用[M]。北京： 清華大學出版社， 2004： 8-20.

[2] 周志華.機器學習[M]。北京： 清華大學出版社， 2016：12-35.

[3] 孫秋野， 滕菲， 張化光。能源互聯網及其關鍵控制問題[J]。自動化學報， 2017， 43（2）： 176-194.

[4] Takeuchi A， Hayashi T， Nozaki Y， et al。Optimalscheduling using metaheuristics for energy networks[J].IEEE Trans on Smart Grid， 2012， 3（2）： 968-974.

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、新能源發電。