基于人工智能技術(shù)的電網(wǎng)調(diào)控技術(shù)分析

酈麗華

（浙江育英職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

在新時期下，優(yōu)化了電網(wǎng)系統(tǒng)功能形態(tài)與技術(shù)特征，使用人工智能技術(shù)能科學(xué)地使用并管理調(diào)度經(jīng)驗、數(shù)據(jù)和知識，實現(xiàn)技術(shù)智能化的升級，使電網(wǎng)工作效率得到提高。所以，要對電網(wǎng)整體調(diào)控業(yè)務(wù)進行分析，研究人工智能技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)控中的性能與交互過程，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，使故障識別質(zhì)量得到提高。

1 電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)的框架設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

大數(shù)據(jù)技術(shù)為人工智能技術(shù)發(fā)展中的重點，因為歷史數(shù)據(jù)量比較大，將豐富數(shù)據(jù)樣本提供給機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法，訓(xùn)練模擬各個參數(shù)與要素。所以，人工智能技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)控中使用的重點為：

（1）收集整理電網(wǎng)運行過程中大量的數(shù)據(jù)，包括氣象環(huán)境、設(shè)備量測、地理位置、故障告警等多維度數(shù)據(jù)；

（2）使用運行日志、故障處置預(yù)案、調(diào)度操作規(guī)程、人工經(jīng)驗等非結(jié)構(gòu)化文本數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有知識進行模擬和學(xué)習(xí)；

（3）創(chuàng)建人工智能算法引擎；

（4）業(yè)務(wù)場景與人工智能算法結(jié)合，實現(xiàn)輔助決策和智能化。

針對上述分析，圖1為電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖1 電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of power grid regulation system

包括實時運行系統(tǒng)和智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)，實時運行系統(tǒng)在生產(chǎn)控制大區(qū)中部署，實時調(diào)度業(yè)務(wù)。在非所生產(chǎn)控制大區(qū)中實現(xiàn)智能運行系統(tǒng)的部署，從而實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)、規(guī)程的人工智能學(xué)習(xí)。在智能學(xué)習(xí)過程中，實現(xiàn)調(diào)度規(guī)程、日志、故障源等電網(wǎng)海量歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)自然語言處理、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法實現(xiàn)智能化學(xué)習(xí)引擎的創(chuàng)建，根據(jù)規(guī)則和數(shù)據(jù)結(jié)合的訓(xùn)練方法模擬調(diào)度員思維決策，實現(xiàn)電網(wǎng)態(tài)勢分析、智能決策和調(diào)度助手。

1.2 總體框架

基于人工智能技術(shù)的電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)匯集和管理、高性能計算架構(gòu)、業(yè)務(wù)場景和算法引擎。根據(jù)計算機設(shè)備、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成高性能計算架構(gòu)，通過CPU、TPU、GPU等混合架構(gòu)構(gòu)成計算機集群，解決多層次網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下訓(xùn)練時間過長的問題得到解決。數(shù)據(jù)匯聚層能夠匯集外部環(huán)境數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)調(diào)度大數(shù)據(jù)平臺的創(chuàng)建，為上層分析提供全維度數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)管理是基于數(shù)據(jù)匯集存儲數(shù)據(jù)，針對不同采樣頻率、結(jié)構(gòu)，使用的數(shù)據(jù)存儲方式各有不同。算法引擎層利用各種算法，包括隨機森林、知識圖譜、自然語言處理、聚類分析等算法封裝，提供給上層統(tǒng)一算法引擎支撐。根據(jù)現(xiàn)有調(diào)度規(guī)程、操作規(guī)范、運行經(jīng)驗實現(xiàn)知識庫的學(xué)習(xí)與理解，利用自然語言處理技術(shù)對日志、文本進行理解和學(xué)習(xí)，構(gòu)成知識化表達(dá)規(guī)則庫，圖2為電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)總體框架。

圖2 電網(wǎng)調(diào)度Fig.2 Power grid dispatching

2 電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)冗余部分建設(shè)，通過前置服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)成，在故障時能夠自動切換。主網(wǎng)絡(luò)為100 M以太網(wǎng)，使用4臺48口高性能三層交換機，使系統(tǒng)運行可靠性與安全性得到提高，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載得到降低。通過星型鏈接、服務(wù)器、工作站實現(xiàn)交換機的連接，在單一交換機中，系統(tǒng)存在故障時能夠使用以太網(wǎng)進行工作。如果系統(tǒng)沒有意外，兩個網(wǎng)絡(luò)能夠在可承受承載量中運行系統(tǒng)。如果某網(wǎng)絡(luò)分支存在意外的時候，會使網(wǎng)絡(luò)癱瘓，其他網(wǎng)絡(luò)要能夠承擔(dān)剩下網(wǎng)絡(luò)的通信量。在相同時間段之中，實現(xiàn)雙網(wǎng)配置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，也就是通信網(wǎng)絡(luò)與DIS網(wǎng)絡(luò)。

調(diào)控一體化系統(tǒng)要承載電網(wǎng)所有變電站設(shè)備信息接入，前置采集服務(wù)器具有較大的接入壓力，要保證系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，利用4臺HP rx6600雙核服務(wù)器作為服務(wù)器。在某臺交換機存在故障時，其他的服務(wù)器都能夠滿足系統(tǒng)的運行需求。其中的組柜硬件系統(tǒng)能夠滿足數(shù)據(jù)采集傳輸需求，通過調(diào)制解調(diào)器、終端服務(wù)器、數(shù)字隔離板、網(wǎng)絡(luò)通信隔離器構(gòu)成硬件，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線擴充。

SCADA數(shù)據(jù)處理服務(wù)器為調(diào)控一體化系統(tǒng)，還是設(shè)備運行監(jiān)視與監(jiān)控操作核心設(shè)備。系統(tǒng)要求SCADA服務(wù)器的處理能力與安全可靠性具備強大支撐作用，SCADA服務(wù)器的集控功能設(shè)計了加強自動電壓控制功能應(yīng)用軟件，主要包括綜合防誤功能軟件、責(zé)任區(qū)劃分軟件等。系統(tǒng)使用4臺8核高速服務(wù)器使高端服務(wù)器要求得到滿足，為了對CPU低負(fù)載率得到滿足，使所有SCADA服務(wù)器作為對方的備用，有效實現(xiàn)均分。

為了對應(yīng)用功能進行擴充，利用rx6600的JP服務(wù)器實現(xiàn)PAS服務(wù)器的設(shè)計，具有強大的服務(wù)功能，大部分和集控相關(guān)的高級應(yīng)用都有關(guān)系，包括狀態(tài)估計、潮流計算、負(fù)荷預(yù)警等。

在調(diào)控一體化系統(tǒng)工作時能夠?qū)崿F(xiàn)變電站的無人值班，在SCADA系統(tǒng)中上傳所有變電站設(shè)備運行信息。使數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲功能得到加強，利用兩臺服務(wù)器滿足系統(tǒng)對存儲空間的需求。其次，使磁盤陣列進行改進，對全數(shù)據(jù)存儲需求進行考慮，使陣列配置容量擴充。通過上述配置使互換功能得到實現(xiàn)，還要求數(shù)據(jù)自同步。

Web服務(wù)器功能也比較強大，通過調(diào)控一體化系統(tǒng)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)和畫面瀏覽，提供給用戶，還能夠?qū)χ飨到y(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性進行保證。Web服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲性能和容量具有嚴(yán)格的要求，并且用戶量與數(shù)據(jù)量在不斷增加。其次，還要滿足實際需求，利用兩臺HP雙核服務(wù)器。為了同步數(shù)據(jù)，主系統(tǒng)和web服務(wù)器通過正反方向連接裝置，使web服務(wù)器中的信息使客戶機隨機調(diào)用。

DTS子系統(tǒng)也稱之為調(diào)度培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，DTS服務(wù)器系統(tǒng)為HP rs6600服務(wù)，使調(diào)度人員進行仿真學(xué)習(xí)。不影響系統(tǒng)運行，DTS系統(tǒng)通過直觀圖形化操作進行實戰(zhàn)演習(xí)，進一步提高學(xué)員的事故處理能力。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計

電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)通信、變電站繼電保護信息管理、維護子系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)平臺和網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)構(gòu)成：

（1）網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)流傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理，滿足標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議；

（2）變電器繼電保護信息管理。實現(xiàn)和故障相關(guān)的錄波、保護等二次裝置動作信息的監(jiān)視、收集、報表統(tǒng)計與分析，為故障診斷、恢復(fù)、操作指導(dǎo)軟件提供基礎(chǔ)；

（3）高級應(yīng)用軟件。實現(xiàn)電網(wǎng)運行分析、優(yōu)化、計算等功能，使電力系統(tǒng)運行安全性得到提高；

（4）綜合數(shù)據(jù)平臺。為決策平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，還是全部高級應(yīng)用支撐平臺，包括系統(tǒng)全部穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，還包括變電站繼電保護信息管理系統(tǒng)的故障信息，結(jié)合故障信息和穩(wěn)態(tài)信息，提供給高級應(yīng)用軟件精準(zhǔn)、全面的信息；

（4）維護子系統(tǒng)。實現(xiàn)決策支持系統(tǒng)日常管理和維護等工作，使系統(tǒng)能夠正常的運行；

（5）高級應(yīng)用軟件子系統(tǒng)。實現(xiàn)電網(wǎng)運行分析、優(yōu)化和計算，使電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟性、安全性得到提高。

實時監(jiān)控和預(yù)警能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)控制、監(jiān)視、分析與評估，對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)進行分析、監(jiān)視和預(yù)警，保證電網(wǎng)安全運行。實時監(jiān)控和預(yù)警在使用過程中包括電網(wǎng)實時監(jiān)視與告警、穩(wěn)態(tài)分析、自動控制、輔助決策、電網(wǎng)動態(tài)預(yù)警、調(diào)度業(yè)務(wù)培訓(xùn)模擬與電網(wǎng)運行評估。實時監(jiān)控與預(yù)警能夠提供可視化手段和工具，使調(diào)度員直觀掌握電網(wǎng)實時的運行信息，及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行狀態(tài)變化和決策。可視化結(jié)合分析功能可將分析結(jié)果動態(tài)展示出來。

實時監(jiān)控和預(yù)警為電網(wǎng)實時調(diào)度業(yè)務(wù)技術(shù)支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)運行監(jiān)視全景化，通過安全調(diào)整、分析控制智能化、前瞻化。通過業(yè)務(wù)、空間和時間等多維度，對電網(wǎng)運行全方位實時監(jiān)視、智能報警與在線故障診斷；實時跟蹤并且分析電網(wǎng)運行變化，還要實現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化調(diào)整與控制；對電網(wǎng)運行風(fēng)險進行在線分析和評估，及時地發(fā)布預(yù)警、告警信息，并且提出緊急控制策略。

實時控制與預(yù)警類應(yīng)用包括電網(wǎng)自動控制、實時監(jiān)控和智能告警、調(diào)度運行輔助決策、在線穩(wěn)定分析、調(diào)度員培訓(xùn)模擬、網(wǎng)絡(luò)分析等。

調(diào)度計劃應(yīng)用能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)經(jīng)濟特性和電網(wǎng)安全綜合考慮，為調(diào)度計劃的編制、需求預(yù)測、考核補償、電能采集、評估分析、結(jié)算管理等提供技術(shù)支持。對電網(wǎng)安全進行保證，根據(jù)不同調(diào)度模式對發(fā)電計劃與檢修計劃進行優(yōu)化，統(tǒng)一電網(wǎng)運行安全性和經(jīng)濟性，使特大電網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定的運行。調(diào)度計劃主要包括申報計劃、預(yù)測分析、水庫調(diào)度、檢修計劃、考核結(jié)算和評估分析，調(diào)度計劃能夠提供多種自動決策，將調(diào)度計劃全景信息可視化地展現(xiàn)出來，對各個因素影響調(diào)度計劃進行分析，使調(diào)度計劃與運行人員掌握電網(wǎng)經(jīng)濟運行的規(guī)律，使大電網(wǎng)駕馭能力得到提高，將特大電網(wǎng)資源優(yōu)化配置潛力充分發(fā)揮出來。

調(diào)度計劃類能夠為調(diào)度計劃編制業(yè)務(wù)提供技術(shù)支持，實現(xiàn)多約束、多目標(biāo)、多時段的調(diào)度計劃自動編制、分析和優(yōu)化。提供大量智能決策工具滿足不同調(diào)度需求，實現(xiàn)從年、月、日的實時調(diào)度計劃銜接。編制多約束、多目標(biāo)的調(diào)度計劃和國家電網(wǎng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

Web發(fā)布能夠使系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)利用物理隔離在外網(wǎng)中發(fā)送，使電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)實時運行情況進行查看。傳統(tǒng)web發(fā)布要求客戶端用戶被動打開瀏覽器，對系統(tǒng)運行工況進行查看，對于工作比較忙的部門非常不方便。以此，本文設(shè)計智能web發(fā)布。能夠主動開啟瀏覽器告訴電網(wǎng)運行情況，針對故障嚴(yán)重程度分類，在相應(yīng)負(fù)責(zé)級別客戶端中反映出來。比如，在出現(xiàn)嚴(yán)重故障的時候，發(fā)布系統(tǒng)強制打開領(lǐng)導(dǎo)客戶端瀏覽器，利用聲光等多媒體技術(shù)對領(lǐng)導(dǎo)提醒。在出現(xiàn)平常故障的時候，不會主動反映到高級別客戶端，要不然頻繁的故障報警會影響到日常工作。智能web發(fā)布模塊能夠提高從調(diào)度員到各個職能部門對于突發(fā)事件協(xié)調(diào)和響應(yīng)的能力，圖3為智能web發(fā)布的流程。

圖3 智能web發(fā)布的流程Fig.3 Flow of intelligent web publishing

指揮系統(tǒng)協(xié)調(diào)能夠?qū)崿F(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)分析軟件調(diào)用邏輯和執(zhí)行順序，在復(fù)雜電網(wǎng)狀態(tài)變化的時候，對不同應(yīng)用軟件進行協(xié)調(diào)，使其通過合作方式實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)。在本系統(tǒng)中，此層協(xié)調(diào)合作性地表現(xiàn)為：作為故障診斷設(shè)置最高優(yōu)先級別，也就是啟動故障診斷的時候要將其他高級應(yīng)用停止；設(shè)置自動和手動兩種調(diào)用高級應(yīng)用優(yōu)先級，使手工設(shè)置到高一級；在程序設(shè)計過程中添加互斥量、信號量等線程同步的技術(shù)，從而使各個高級應(yīng)用能夠合理調(diào)用共享數(shù)據(jù)資源，圖4為指揮系統(tǒng)的整體運行框架。

圖4 指揮系統(tǒng)的整體運行框架Fig.4 The overall operational framework of command system

3 電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)的應(yīng)用實踐

3.1 系統(tǒng)平臺環(huán)境

針對本文設(shè)計的電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)，將Spark計算引擎作為核心，根據(jù)YARN作為統(tǒng)一調(diào)度協(xié)調(diào)資源管理器創(chuàng)建Hadoop集群環(huán)境，集群包括服務(wù)節(jié)點（Salve）和管理節(jié)點（Master），一個Hadoop分布式文件系統(tǒng)（HDFS）包括兩個名稱節(jié)點（NameNode）與三個以上數(shù)據(jù)節(jié)點（DataNode）構(gòu)成。將名稱節(jié)點作為主服務(wù)器，對文件系統(tǒng)管理并且實現(xiàn)訪問操作，集群中數(shù)據(jù)節(jié)點對存儲數(shù)據(jù)進行管理，表1為集群配置。

表1 集群配置Tab.1 Cluster configuration

3.2 系統(tǒng)測試

在測試過程之中，將東北區(qū)域電網(wǎng)作為背景，主要包括2 444個母線、141個發(fā)電機電源、758個負(fù)荷、2 583條線路。利用PSASP仿真得出東北電網(wǎng)基本潮流水平，逐漸增加全網(wǎng)負(fù)荷得出關(guān)鍵節(jié)點阻抗模穩(wěn)定指標(biāo)的變化趨勢，如圖5所示。對基本潮流水平下部分節(jié)點戴維南等值參數(shù)，圖6為計算結(jié)果。通過圖5可知，在負(fù)荷不斷增加的過程中，不同分區(qū)中阻抗模指標(biāo)不斷增加，并且逐漸接近于1，表示這個時候電網(wǎng)在負(fù)荷增加過程中逐漸接近輸電極限。

圖5 關(guān)鍵節(jié)點穩(wěn)定指標(biāo)Fig.5 Stability index of key nodes

圖6 計算結(jié)果Fig.6 Calculation result

圖6為此時電網(wǎng)部分節(jié)點關(guān)鍵參數(shù)戴維南等值參數(shù)，能夠看出電網(wǎng)基本關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，對靜態(tài)場景電網(wǎng)穩(wěn)定態(tài)勢情況進行評估，為調(diào)度員展示直觀形象。根據(jù)上述基本潮流水平實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)遼源出現(xiàn)大負(fù)荷擾動的設(shè)置，記錄之后連續(xù)30個周波擾動擴散范圍。通過分析表示，遼源點在出現(xiàn)大擾動之后的30個周波中，擾動范圍對吉林、本溪、新賓滿洲自治縣造成影響。

3.3 可視化設(shè)計展示

利用測試發(fā)現(xiàn)，在電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)中能夠看到清晰東北電網(wǎng)狀態(tài)變化。由此可知，科學(xué)的可視化效果能夠為電網(wǎng)態(tài)勢感知帶來幫助。以此在東北區(qū)域電網(wǎng)背景設(shè)計可視化概念圖如圖7所示，基于HTML5語言設(shè)計，在web中實現(xiàn)電網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)可視化界面實現(xiàn)開發(fā)。

圖7 智能調(diào)控系統(tǒng)概念圖Fig.7 Concept diagram of intelligent regulation system

4 結(jié)語

人工智能為電網(wǎng)調(diào)控領(lǐng)域高新技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)與模型聯(lián)合驅(qū)動優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)效率和質(zhì)量，將電網(wǎng)調(diào)控智能化與現(xiàn)代化的特點充分展現(xiàn)出來。所以，分析電網(wǎng)調(diào)控領(lǐng)域人工智能技術(shù)框架，通過故障分析、高速計算等技術(shù)對系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)與思路進行明確，實現(xiàn)智能決策優(yōu)化，使電網(wǎng)調(diào)控需求得到滿足。