text: AI研习丨智能电网大数据技术研究及应用
  文/陈文静，邓春宇本文总结了中国电力科学研究院王继业主编的《智能电网大数据》主要内容，系统概述了智能电网理论基础和技术框架，展现了智能电网大数据在提高电网接纳新能源的能力、提高电网安全稳定性和供电可靠性、提高电网运行经济性，以及提高智能电网对用户和社会的服务水平四个方面应用前景，展望了智能电网大数据未来发展趋势。关键字智能电网；技术架构；新能源消纳；电网安全自 2012 年以来，大数据在世界范围内掀起持续的热潮，受到广泛关注，应用范围越来越广。《智能电网大数据》总结提出大数据是多领域交叉学科技术，有其哲学和数学基础。大数据是协调人类精神和外在物质世界的媒介和手段，数学知识和思想的运用贯穿于大数据的整个过程。数学为大数据模型的建立提供思想框架，例如提取和挖掘多个复杂系统的关联所带来的高价值信息运用的降维思想。数学为大数据的数据处理提供理论工具，例如可基于插值法与逼近论将15 分钟一次的智能电表离散数据绘制成连续的用电曲线；分析多用户用电特征，则需要解决随机图的动力系统问题，这属于动力系统与随机过程的交叉领域；匹配用户用电信息和供电台区的关联关系，需要引入关系矩阵等离散数学理论。智能电网运行过程中每时每刻都在产生大量数据，这些数据主要来自部署的各种监测、计量和控制系统，如图 1 所示。由于智能电网的开放性，天气、气候、用户、交通、环境、社会经济、政策法规等方面的外部数据也与智能电网的发展和运行密切关联，有着重要的应用价值。除此之外，为支撑智能电网规划、运行、建设，电力公司及其科研机构积累了大量的仿真计算、试验、实验和监测数据，对智能电网规划和运行中的决策也能提供重要依据。图 1 智能电网数据采集与管理系统这些数据共同构成的数据集，具有数量大、复杂多样、分散放置等特点，具有大数据的基本特征。狭义上，将这一数据集称为智能电网大数据；更广泛的意义上，谈及智能电网大数据，也指与智能电网大数据相关的理论、技术和方法。智能电网大数据技术涉及到数据的采集、存储、处理、分析挖掘、可视化、安全与隐私保护等诸多环节，各环节采用的技术和方法也日新月异。在广泛调研、深入分析和应用实践的基础上，基于大数据的信息链，并结合现有大数据研究成果和智能电网的特点，构建如图 2 所示的智能电网大数据技术架构，包括数据采集、数据存储、数据处理、数据分析挖掘、数据可视化和数据安全与隐私保护等关键部分。图 2 智能电网大数据技术架构智能电网的发展目标是以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置，确保电力供应的安全性、可靠性和经济性，满足环保约束，保证电能质量，适应电力市场化发展为目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。如图 3 所示，智能电网大数据对上述目标的实现可起到全面的支撑作用，因此也必然具有非常广阔的应用前景，《智能电网大数据》系统从提高电网接纳新能源的能力、提高电网安全稳定性和供电可靠性、提高电网运行经济性以及提高智能电网对用户和社会的服务水平四个方面，分析智能电网大数据的应用前景。风、光等新能源具有间歇性和波动性等特点，给电网规划和运行带来了新挑战。借助大数据技术，分析天气、温度、风速、光照等气象因素与新能源出力的关联关系，可提高新能源发电的预测精度；对用户用电数据和社会经济数据进行多尺度分析和关联分析，可实现负荷的精细化预测；可对需求响应资源、储能系统等灵活源进行评估和状态预测，为电网规划和运行决策提供依据。科学合理地规划电网是电网安全可靠的保障。负荷预测是电网规划的重要依据。通过对用电采集系统大数据，以及社会经济数据的分析，可更准确地掌握用电负荷分布和变化规律，提高中长期负荷预测准确度。电网中存在的设备过载情况及安全稳定薄弱环节，需要通过电网扩展规划消除。基于电网运行监测数据，识别系统的薄弱环节，及时发现电网中存在的设备过载隐患及系统安全稳定风险，为电网规划提供决策支持。基 于 广 域 量 测 系 统（Wide Area Measurement System，WAMS）的大电网安全稳定分析预警和控制系统是保证大电网安全的有效措施。国内外电力系统现已部署了大量的同步相量测量单元（Phasor Measurement Unit，PMU），建立了 WAMS 系统。将 WAMS 数据和调度运行数据相结合，采用数据驱动的大数据分析方法，不需物理建模，即可快速判断系统稳定性，定位风险所在，为保证大电网安全稳定提供强有力的辅助分析手段。影响配电网可靠性的因素很多，如电网结构、设备质量、负载水平、自动化水平和运行管理水平等，如何识别出关键影响因素，以较小的代价最大程度提高配电网的可靠性水平，是电力公司关注的问题。基于运行、监测和检测数据，并与外部数据相结合，利用大数据技术，可识别影响配电网可靠性水平的关键因素，为系统改造、升级，进而提高配电网可靠性提供依据。保障设备安全是避免事故发生，提高电网安全稳定性和可靠性的基础。天气变化、季节轮替、节假日造成的人口流动和生活方式的改变，都会造成负荷的变化，进而引起潮流的改变，同时也会带来设备负载率的改变，威胁到设备的安全性或降低设备利用率。基于天气、环境数据和电力设备实时监测数据，利用大数据技术可分析预测负荷变化规律，对设备的安全性威胁做出预测。利用大数据技术，基于历史运行数据，参考天气、环境等外部数据，对系统设备的运行效率进行多维度精细化分析，探寻提高系统运行效率的措施，提高运行经济性。合理的设备检修是提高设备利用率的措施之一。通过分析运行工况、气象条件、消缺和检修操作等因素对设备状态的影响，以及设备运行的风险水平，可实现检修策略的优化，指导状态检修的深入开展。优化电网无功和电压控制、降低电网损耗、防止窃电现象的发生等，都是提高电网运营经济性的有效措施，大数据技术在这些应用中可发挥重要作用。需求响应的实施，既有利于电网安全稳定，促进新能源的发展，又可使用户获利。需求响应不仅需要适当的技术支撑，更需要合理的机制给用户以激励。基于用户用电数据和其他外部数据，可对用户用电类型、分布特点、用户参与需求响应的能力和愿望进行分析，为制定需求响应机制提供参考。通过用电数据和用户本身的经济社会数据的分析，也可为节能服务、事故后停电恢复等其他类型的用户服务提供支撑，提高用户满意度。通过用户用电数据与国民经济政策数据的关联分析，还可向政府提供经济发展形势预测、政策评估等服务，扩宽电网企业的业务范围。大数据给人们带来了新的认知和能力，而智能电网大数据的发展必将对智能电网的完善化发展产生更为深远的影响。（1）未来智能电网数据将继续呈现爆发式增长。随着电力信息物理系统的融合，遍布电网的智能终端、传感、用能终端，以及无处不在的物联网络、多点高频次的信息采集，构建起全过程多维数据，将展现全新电网智能化架构。（2）信息新技术与大数据共同成为智能电网发展的支撑主体。物联网、云计算、人工智能技术将分层次共享融合，作为成熟先进的数据处理加工与分析计算功能主体，全面支撑电网的管理和运行。（3）天空地一体化通信体系成为智能电网发展的支撑网络。信息通信网络将成为多维、立体、融合的通信网络并与电网系统融合运行，未来的电力信息通信网络面向端到端的链接和数据的承载传送，涵盖光纤、无线、卫星为主的一体化新一代通信体系将发挥基础性和引领性的保障作用。（4）智能电网将向基于数据的智能化决策支撑方向演进。电网从规划投资到资产管理，从安全运行到经济运营，随着大数据工作在智能电网各个领域的深入开展，智能化的决策模式将逐步形成，智能化系统提供的决策依据不再是简单的数据和报表，而是根据需求和智能化的分析计算后给出定制化的决策建议，依靠强大的数据基础和智能引擎支撑电网发展与运营。（参考文献略）选自《中国人工智能学会通讯》2021年第11卷第11期智慧能源专题