數(shù)字經(jīng)濟(jì)背景下智能電力系統(tǒng)創(chuàng)新研究的思路

于毓佳

（廣西壯族自治區(qū)海洋研究院，廣西 南寧 530022）

0 引言

近年來，全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)體量不斷增加，在國民經(jīng)濟(jì)中的地位持續(xù)提升，已成為世界經(jīng)濟(jì)增長的潛力所在[1]。《“十四五”國家信息化規(guī)劃》中提出，到2025年，數(shù)字中國建設(shè)取得決定性進(jìn)展，信息化發(fā)展水平大幅躍升，發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)成為世界經(jīng)濟(jì)增長的新動能[2]。電力作為國家的支柱能源，在國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展中起著重要作用。近年來，我國逐漸建起了以特高壓為骨干網(wǎng)架和以各級電網(wǎng)為分區(qū)的中國特色電網(wǎng)[3]。而與此同時，基于節(jié)能減排目的的風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等分布式發(fā)電也逐漸加入公共電網(wǎng)。面對這一局面，傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)以及控制措施已經(jīng)難以支持如此多的發(fā)展要求。針對電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的這些挑戰(zhàn)，智能電網(wǎng)被認(rèn)為是有效的解決方案。智能電網(wǎng)是以先進(jìn)的信息、通信和控制技術(shù)為手段，以堅強(qiáng)的電網(wǎng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，構(gòu)建貫穿發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度全部環(huán)節(jié)和全電壓等級的電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展體系[4]。

近年來，國家電網(wǎng)公司全面推行“三集五大”體系建設(shè)，對電網(wǎng)運(yùn)行的各類基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)控數(shù)據(jù)提出了更高的要求，高壓電力線路在線實時監(jiān)控顯然也更為重要，以往的常規(guī)在線監(jiān)測已無法滿足未來智能電網(wǎng)和“三集五大”體系建設(shè)的要求。隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中變電站內(nèi)的不斷實踐和完善，高壓電力線路在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)也必然成為未來線路在線監(jiān)測的一個重要方向[5]。

電力行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備是多種多樣的，它們包括發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)斷路器、線路斷路開關(guān)、升壓和降壓變壓器、隔離和非隔離母線槽、電壓互感器柜、中壓開關(guān)設(shè)備和電機(jī)等[6]。這些系統(tǒng)會承受過大的負(fù)載、正常的磨損和充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境條件，這些條件可能導(dǎo)致熱故障或電氣故障。因此，加強(qiáng)對電力設(shè)備的監(jiān)測與電力系統(tǒng)的智能分析，發(fā)展智能電力系統(tǒng)與智能電網(wǎng)，不僅能夠保證供電的安全性與可靠性，降低輸電網(wǎng)的電能損耗，減少用戶的電費(fèi)支出，還有助于提高能源利用效率，減小環(huán)境污染，促進(jìn)節(jié)能減排，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

智能電網(wǎng)的建設(shè)，核心是要突破電氣信息關(guān)鍵技術(shù)的研究與科技創(chuàng)新，比如智能電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化、智能電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測、電力系統(tǒng)智能監(jiān)測與故障分析等。經(jīng)過文獻(xiàn)查閱與分析，本文將從智能電網(wǎng)的這三個科技創(chuàng)新研究方向進(jìn)行簡單的總結(jié)與探討。

1 智能電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化

傳統(tǒng)的集中式能量管理優(yōu)化方法可擴(kuò)展性差，且受限于有限的計算和通信能力，難以適用于融合了微電網(wǎng)和大量分布式單元的智能電網(wǎng)。智能化調(diào)度使電網(wǎng)管理更加簡潔、高效，不僅能提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還能提高供電質(zhì)量，實現(xiàn)供電系統(tǒng)靈活運(yùn)行，以更好地滿足社會電力應(yīng)用需求[7]。

智能電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化的具體研究方向包括停電后機(jī)組的恢復(fù)決策、電網(wǎng)調(diào)度與優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化、最優(yōu)潮流、微電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化等。目前可用于此研究方向的開放數(shù)據(jù)集有IEEE4、5、14、30、57、118、300、1047節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和BetterGrids電網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)等，其主要研究手段是基于Matlab仿真，采用的研究方法及理論基礎(chǔ)包括圖論、遺傳算法、蒙特卡洛樹搜索、稀疏自動編碼器、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、近似動態(tài)規(guī)劃算法等。選擇此研究方向的優(yōu)點(diǎn)是能緊扣電力系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，解決智能電網(wǎng)的核心控制問題；缺點(diǎn)是國內(nèi)外已有大量學(xué)者在研究，較難取得突出性成果。

2 智能電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測

電力負(fù)荷預(yù)測是電力系統(tǒng)規(guī)劃的重要組成部分，也是電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)，其對電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行都極其重要[8]。電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測是近年來的熱門研究方向，也是智能電網(wǎng)的核心技術(shù)之一。尤其是隨著風(fēng)電、光電等可再生能源的利用，給電網(wǎng)帶來了波動性、隨機(jī)性和不確定性，如何做好電網(wǎng)負(fù)荷的智能預(yù)測，提高預(yù)測精度，也是當(dāng)前相關(guān)研究人員比較關(guān)注的問題。

智能電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測的具體研究方向包括短期負(fù)荷預(yù)測、長期負(fù)荷預(yù)測、風(fēng)電功率預(yù)測等。可用于此研究方向的開放數(shù)據(jù)目前有：歐美風(fēng)電、太陽能和負(fù)荷等時間序列數(shù)據(jù)、印度的每日發(fā)電量（2017-2020）數(shù)據(jù)、電工數(shù)學(xué)建模競賽負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)、GEFCom2012負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)等。其主要研究手段依然是基于Matlab仿真或人工智能算法模擬，主要研究方法包括：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、回歸法、粒子群算法、極限學(xué)習(xí)機(jī)、混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等。選擇此研究方向的優(yōu)點(diǎn)是緊扣電氣工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題，并能充分結(jié)合可再生能源利用、分布式發(fā)電、微網(wǎng)等新興應(yīng)用領(lǐng)域。缺點(diǎn)及難點(diǎn)大概有兩個方面：①國內(nèi)外已有大量學(xué)者在研究，創(chuàng)新較困難；②公開數(shù)據(jù)集部分?jǐn)?shù)據(jù)可能不全（缺少部分屬性），影響預(yù)測結(jié)果的精度。

3 電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測與故障分析

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及國家電網(wǎng)公司“統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)”的重大戰(zhàn)略性發(fā)展，輸電線路大量建設(shè)，電力網(wǎng)絡(luò)也越來越龐大，隨之而來的則是電力線路路況越來越復(fù)雜，線路維護(hù)難度越來越高，巡檢量急劇增大，通常采用的人工線路巡檢模式已較難滿足實際需要。電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)經(jīng)歷了經(jīng)驗診斷、對比診斷、工廠綜合診斷、遠(yuǎn)程診斷4個階段。對智能電網(wǎng)而言，電網(wǎng)的自愈特征是其主要特征之一，為了實現(xiàn)智能電網(wǎng)的自愈功能，提高對電力系統(tǒng)的監(jiān)測與故障分析能力是必要措施。

電力系統(tǒng)智能監(jiān)測與故障分析的具體研究方向包括：絕緣子缺陷檢測、電力設(shè)備銹蝕檢測、電塔螺絲脫落檢測、電力線路故障檢測、各式電力表讀數(shù)識別等。可用于此研究方向的公開數(shù)據(jù)集有人工智能算法大賽發(fā)布的絕緣子缺陷數(shù)據(jù)、電力線路巡檢視頻、各式電力表數(shù)據(jù)等，另外，借助于無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可根據(jù)具體需求運(yùn)用無人機(jī)航拍自行采集大量數(shù)據(jù)。研究此方向通常采用tensorflow、caffe、pytorch、matlab等工具，常用的研究方法和理論包括：Faster R-CNN、深度遷移學(xué)習(xí)、孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生成對抗網(wǎng)絡(luò)、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Finetune、metric、匹配網(wǎng)絡(luò)、原型網(wǎng)絡(luò)、元學(xué)習(xí)、遞歸記憶模型、meta-learning LSTM、模型無關(guān)自適應(yīng)等。選擇此研究方向的優(yōu)點(diǎn)主要有：①有大量成熟的機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)框架可使用；②數(shù)據(jù)簡單易處理，無需太多電氣行業(yè)專業(yè)知識；③目前屬于比較新的研究方向，其在電氣行業(yè)的應(yīng)用目前研究成果較少，且各種新算法層出不窮，易創(chuàng)新。其主要缺點(diǎn)是正常樣本數(shù)據(jù)易獲取，但設(shè)備缺陷、系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)較少且難以獲取。

4 配電網(wǎng)自然災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警

2018年10月10日，習(xí)近平在中央財經(jīng)委員會第三次會議中強(qiáng)調(diào)：加強(qiáng)自然災(zāi)害防治關(guān)系國計民生，要建立高效科學(xué)的自然災(zāi)害防治體系，提高全社會自然災(zāi)害防治能力，為保護(hù)人民群眾生命財產(chǎn)安全和國家安全提供有力保障。《國務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)國家綜合防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃（2016-2020年）的通知》提出：加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)科技支撐能力建設(shè)，推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、地理信息、移動通信等新理念新技術(shù)、新方法的應(yīng)用，提高防災(zāi)減災(zāi)能力。

針對配電網(wǎng)多災(zāi)種智能監(jiān)測預(yù)警中存在的“體系不健全、感知不協(xié)同、預(yù)警不智能、平臺不靈性”等四大挑戰(zhàn)，重點(diǎn)研究方向包括以下5個方面的內(nèi)容：①面向多災(zāi)種的配電網(wǎng)智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系；②不同災(zāi)害環(huán)境下的智能監(jiān)測終端研制及協(xié)同感知技術(shù)研究；③極端自然災(zāi)害條件下的基于北斗短報文的應(yīng)急通信系統(tǒng)研究；④不同自然災(zāi)害環(huán)境下電網(wǎng)的風(fēng)險評估和智能預(yù)警模型研究；⑤具有時空數(shù)據(jù)分析功能的配電網(wǎng)多災(zāi)種智能監(jiān)測預(yù)警平臺的研發(fā)及應(yīng)用示范。

方向一：面向多災(zāi)種的配電網(wǎng)智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系研究

針對災(zāi)情多維立體感知與災(zāi)害智能預(yù)警尚未深度耦合的難點(diǎn)，以及復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)急通信的需求，研究包括“感知層”“網(wǎng)絡(luò)層”“平臺層”“應(yīng)用層”一體的配電網(wǎng)多災(zāi)種智能監(jiān)測預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)，提升極端情況下的應(yīng)急組網(wǎng)通信能力，優(yōu)化天地一體觀測資源的配置，設(shè)計基于云-邊-端的配電網(wǎng)多災(zāi)種監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺。

方向二：不同災(zāi)害環(huán)境下的智能監(jiān)測終端研制及協(xié)同感知技術(shù)研究

針對各種復(fù)雜災(zāi)害機(jī)理和災(zāi)害發(fā)生時環(huán)境多樣性的特點(diǎn)，研制涵蓋洪澇、臺風(fēng)、山體滑坡、線路覆冰等多類型監(jiān)測終端，研究復(fù)雜環(huán)境下多類型觀測資源一體化協(xié)同調(diào)度機(jī)制，針對不同類型的監(jiān)測項目可采用不同的組合方式，提供最優(yōu)、最可靠、最有效的監(jiān)測方案。在可能發(fā)生自然災(zāi)害的區(qū)域結(jié)合水文地質(zhì)條件，合理布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，形成整體的自然災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)測系統(tǒng)實時顯示監(jiān)測點(diǎn)的變化情況，如風(fēng)速、降雨量、地表變形、覆冰厚度等，在災(zāi)害發(fā)生時提供預(yù)警功能，確保危險區(qū)域發(fā)生災(zāi)害前及時有效地應(yīng)急響應(yīng)。

方向三：極端自然災(zāi)害條件下的基于北斗短報文的應(yīng)急通信系統(tǒng)研究

研究連接人、車、物、監(jiān)測終端和指揮調(diào)度中心的通信方案，融合北斗短報文/4G/5G/LoRa/NB-lot等多種通信方式，保障監(jiān)測區(qū)域與指揮調(diào)度中心之間的通信暢通。主要有以下兩種通信場景：

（1）研究連接監(jiān)測區(qū)域的人、車、物、監(jiān)測終端的通信方案：在公網(wǎng)通訊基礎(chǔ)設(shè)施遭受破壞時，通信方式以基于系留無人機(jī)的小型化升空應(yīng)急通信系統(tǒng)為主，融合LoRa/NB-lot等通信方式提供語音對講、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)，可滿足災(zāi)區(qū)現(xiàn)場應(yīng)急搶修通信保障需求，助力災(zāi)害發(fā)生后的現(xiàn)場應(yīng)急搶修有序、高效、快速完成。

（2）研究連接監(jiān)測區(qū)域與指揮調(diào)度中心的通信方案：在公網(wǎng)通訊基礎(chǔ)設(shè)施遭受破壞時，通信網(wǎng)絡(luò)中斷，影響正常搶險救災(zāi)的指揮調(diào)度，針對此問題，研究基于北斗短報文的應(yīng)急通信系統(tǒng)，提供全天候、全天時、全覆蓋的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，保障災(zāi)區(qū)現(xiàn)場與調(diào)度指揮中心的通信暢通，實現(xiàn)通信覆蓋無盲區(qū)，應(yīng)急工作無死角，指令暢通無障礙。

方向四：不同自然災(zāi)害環(huán)境下電網(wǎng)的風(fēng)險評估和智能預(yù)警模型研究

梳理監(jiān)測區(qū)域歷史臺風(fēng)、覆冰、洪澇、冰災(zāi)等不同自然災(zāi)害環(huán)境下電網(wǎng)場景的典型災(zāi)損場景及災(zāi)損信息，將地理環(huán)境、風(fēng)速、溫度、降水、時間等災(zāi)害關(guān)鍵因素結(jié)合電網(wǎng)設(shè)備損壞、線路跳閘、負(fù)荷損失等受損情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，結(jié)合國家防災(zāi)預(yù)警分級、電網(wǎng)公司防風(fēng)防汛和應(yīng)急響應(yīng)等相關(guān)規(guī)程，對電網(wǎng)不同災(zāi)害環(huán)境下的災(zāi)損情況進(jìn)行分級，研究不同自然災(zāi)害環(huán)境下的風(fēng)險評估體系。

針對自然災(zāi)害環(huán)境下電網(wǎng)監(jiān)測與配置的多源時空數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析難題，研究提出不同災(zāi)害下電網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警、災(zāi)損評估的技術(shù)流程和算法模型，確立不同災(zāi)害的電網(wǎng)風(fēng)險評估指標(biāo)體系，形成災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測和災(zāi)情預(yù)測模擬的技術(shù)應(yīng)用體系，實現(xiàn)對電網(wǎng)設(shè)備遭受自然災(zāi)害的綜合風(fēng)險進(jìn)行評估定級，分析電網(wǎng)設(shè)備本體抵御自然災(zāi)害的能力，自主初步研判線路跳閘原因，輔助開展災(zāi)害應(yīng)急處置決策。

方向五：具有時空數(shù)據(jù)分析功能的配電網(wǎng)多災(zāi)種智能監(jiān)測預(yù)警平臺研究

為提高自然災(zāi)害下配電網(wǎng)災(zāi)害災(zāi)損的評估預(yù)警能力，解決配電網(wǎng)自然災(zāi)害監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)資源整合不及時、數(shù)據(jù)分析時空關(guān)聯(lián)度不高、風(fēng)險預(yù)警不精準(zhǔn)等問題，研究基于遙感數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、北斗位置數(shù)據(jù)、傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的、統(tǒng)一時空基準(zhǔn)的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以一張圖模式建設(shè)集多態(tài)時空數(shù)據(jù)分析為一體的配電網(wǎng)多災(zāi)種智能監(jiān)測預(yù)警平臺，并實現(xiàn)以下建設(shè)目標(biāo)：

（1）實現(xiàn)建立自然災(zāi)害導(dǎo)致電網(wǎng)故障的知識圖譜，并在平臺中以可視化方式展示災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理和過程；

（2）實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警及自然環(huán)境類在線監(jiān)測設(shè)備歷史數(shù)據(jù)與趨勢分析，按照時間尺度展示相關(guān)災(zāi)害發(fā)展趨勢；

（3）完成整合監(jiān)測預(yù)警及自然環(huán)境類在線監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)資源，按照分層疊加、分類篩選、分級顯示的方式，在一張圖中展示電網(wǎng)設(shè)備及災(zāi)害分布情況；

（4）完成匯總監(jiān)測預(yù)警歷史數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)設(shè)備，統(tǒng)計各類自然災(zāi)害的歷史數(shù)據(jù)及引發(fā)的電網(wǎng)故障信息。

5 結(jié)語

綜上所述，智能電力系統(tǒng)的創(chuàng)新研究方向包括但不限于以上四個領(lǐng)域。其中，智能電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化能提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和故障快速恢復(fù)能力，對于配合可再生能源的使用也十分重要；智能電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，能大幅提高能源利用率，節(jié)約電網(wǎng)運(yùn)營成本，兩者均具有十分重要的現(xiàn)實研究意義；而電力系統(tǒng)智能監(jiān)測與故障分析作為智能電網(wǎng)的一部分，不僅能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低電力系統(tǒng)的故障率，且由于其與目前火熱的人工智能技術(shù)深度結(jié)合，其本身亦具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性和先進(jìn)性，是值得深入研究的一個重點(diǎn)方向之一。

此外，除了上述介紹的四個創(chuàng)新研究方向之外，智能電網(wǎng)建設(shè)還有許多其它的關(guān)鍵技術(shù)有待突破，如特高壓防雷絕緣技術(shù)、特高壓交/直流輸電技術(shù)、智能輸變電裝備技術(shù)、柔性輸電新型電力電子器件及應(yīng)用技術(shù)、大規(guī)模交/直流混合電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)、可再生能源發(fā)電友好接入技術(shù)、大容量儲能技術(shù)、微網(wǎng)等。為保障國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，必須加強(qiáng)新技術(shù)和新裝備的研究，為建設(shè)安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔低碳、靈活智能的現(xiàn)代化電網(wǎng)提供有力的保障。