前沿科普 | 智能电网，智在何方？

编者按

近段时间，中央气象台已连续发布高温红色预警。21 个省级电网负荷创历史新高，除东北外其余 5 个区域电网均创新高。

进入 7 月以来，华东、华中、四川盆地较常年同期偏高 1-3 ℃，局部地区气温创历史极值。国家能源局相关负责人表示，受近期极端高温影响，全国统调最高负荷 8 月 2 日— 5 日连续 4 天创新高。截至目前，有 21 个省级电网负荷创历史新高，除东北外其余 5 个区域电网均创新高。

近年，随着电网工程建设的增加，我国发电总量也在稳定增长。2021年全国发电总量为81122亿千瓦时，同比2020年增涨6.41%。2020年全国发电总量为76236亿千瓦时，同比增涨4.05%。

2012～2021年全国全社会用电量及增速情况（单位：亿千瓦时，%）

表1 2012～2021年分产业用电量（单位：亿千瓦时）

数据来源：中电联历年《中国电力行业年度发展报告》

可以看到，随着国民经济的快速发展，电力需求不断增长，电网规模急速扩大，对电力系统的信息处理技术提出了更高的要求，尤其遇到极端天气等，情况更是如此。在新型智能电网建设过程中，电力数据规模呈爆炸式增长，海量数据的处理与分析耗费了大量人力、物力，具有效率低、实时性差、数据存储成本高等缺点。近年来，随着人工智能、机器视觉、智能控制与决策等新理论与新方法的不断提出，为建设下一代智能电网提供了良好的契机。《电子与信息学报》邀请到浙江大学电气工程学院韩译锋博士，就智能电网的一些典型问题，作科普讲解。此外，《电子与信息学报》推出的“面向面向智能电网应用的信息处理关键技术研究”专题已接近尾声，预计将在未来两期内（11/12）择期出版。同时，专题相关的前沿论坛直播也将在《电子与信息学报》微信视频号同期开展，敬请关注！

Q: 我国电网的构建过程中面临哪些挑战，如何利用智能电网突破现有瓶颈？

韩译锋博士: 目前，我国电网构建面临的挑战主要可以概括为能源分布不均衡、环境污染和能源安全。利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、数字化、互动化为特征的统一的坚强智能电网，能够大幅度提升输电、变电、配电和供电各环节智能化与自动化水平。

具体地，在能源分布不平衡、能源运输压力大的问题上，我国智能电网通过特高压网络建设提升“西电东送、北电南供”的运输效率。

在环境污染问题上，由于我国对化石能源依赖较高，其产生的环境污染等问题日益严重，新型智能电网实施“以电代煤、以电代油、电从远方来”电能替代发展战略。

在能源安全问题上，我国智能电网建设可以提高我国电力占终端能源消费的比重，实现输煤输电并举，使得两种能源输送方式之间形成一种相互保障格局，并降低对国外石油的依存度。

Q: 当前社会用电需求大，电力资源紧缺，智能电网可以在哪些方面解决资源紧缺与节能减排问题呢？

韩译锋博士: 目前，智能电网可以从电网运行和能源转型两个方面入手尝试解决资源紧缺和节能减排的问题。

具体地，在电网运行过程中，智能电网通过引入深度学习、数字孪生、知识图谱等技术，及时发现电网运行故障，为电力系统提供海量数据的深度感知、高速分析与推理决策能力，保障用电高峰时期电能的高质量供应，维护电网稳定运行。

同样地，在能源转型方面，基于大数据分析与专家系统的智能信息处理技术为风力发电、光伏发电等新型发电技术提供更加精准的预测与感知能力，推动电网向更加清洁低碳的能源转型，缓解资源紧缺与节能减排的问题。

作者：浙江大学电气工程学院 韩译锋博士

早期居民用电不稳定，家庭日常受电力波动影响，导致家用电器时常损坏甚至大规模停电频繁发生。得益于国家对智能电网的投入建设，保障了电能的可靠供应。

1 什么是智能电网？

说到智能电网，相信很多人会把智能电网简单的认识为利用计算机软件对电网进行智能化管控。但是，智能电网包含的内容远不止于此。智能电网简单来说就是“减少甚至无需人工介入，可自我感知并调整”的电网，它通常以高速双向通信网络为基础，采用先进的传感测量技术、控制方法以及决策支持系统，实现电网的可靠、安全、经济、高效、稳定运行。

2 智能电网的“智”体现在哪些方面？

与传统的电网相比，智能电网主要依赖先进的计算机信息技术对电网进行管理和控制，使其拥有了智慧化的特征，主要体现在以下几个方面：

(1) 智慧化感知与融合

智慧化感知与融合是通过先进的传感测量设备全面获取与电网运行状态相关的多源异构物理信息，并采用自主学习和数据融合等方法提升数据的准确性和高效性，降低后续数据处理的成本。

(2) 智慧化分析与处理

智慧化分析与处理是指利用感知得到的信息，借助机器学习和人工智能等前沿技术，将这些数字化信息进一步提升到可以认知的层次，例如，可通过摄像头获取电网的全景信息，及时发现、预见可能发生的故障。

(3) 智慧化控制与决策

智慧化控制与决策是指通过感知信息的高度集成、共享与利用，采用先进控制理论与方法，为运行管理提供全面、完整和精细的电网控制，同时能够提供相应的辅助决策支持、控制实施方案和应对预案。

(4) 智慧化诊断与恢复

智慧化诊断是指通过测量和分析故障后电网中电流、电压等电气量以及保护和断路器动作的开关量变化信息，识别故障元件。智慧化恢复是指无需或仅需少量人为干预，实现电力网络中存在问题元器件的隔离或使其恢复正常运行（可以类比人体的免疫系统，无需或者仅需特定的药物辅助，就能恢复正常的身体机能）。良好的诊断与恢复策略对于缩短故障时间，防止事故扩大具有重要意义。

3 智能电网的“智”主要通过哪些技术来实现？

智能电网以传统物理电网为基础，高度融合了现代先进的传感测量技术、现代通讯技术、人工智能技术、现代控制理论等。

(1) 传感测量技术

智能电网中传感测量技术主要通过可见光摄像头、红外摄像头或者其他传感器等硬件设备，测量与采集设备状态、稳态/动态电网数据、运行环境等多源异构数据，为后续的数据分析与处理、控制与决策和诊断与恢复提供数据支撑。

(2) 现代通讯技术

智能电网中的现代通讯技术主要采用高效率、完全集成的双向通信网络，实现电网信息的实时传输与动态交互，在协调电力系统发、送、变、配、用电等组成部分的联合运转及保证电网安全、经济、稳定、可靠的运行方面发挥了重要的作用。

(3) 人工智能技术

智能电网中的人工智能技术作为建设过程中的重要驱动力，通过计算机视觉、数字孪生、知识图谱、自然语言处理等技术，实现了虚实交互、协同调度、智能分析、推理决策等多重功能，为新型电力系统的构建提供了重要支撑。

(4) 先进控制技术

智能电网中的先进控制技术是指通过分析、诊断和预测状态，确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法，为智能电网中输电、配电和用户侧提供高效的控制方法。

4 智能电网的“智”是如何服务电网的？

目前，智能电网的“智”广泛应用在电力系统的无人化巡检运维、智能化管控以及数字化平台建设等几个方面：

(1) 变电站智能巡检系统

变电站智能巡检系统旨在综合调用站内的智能设备与缺陷检测算法，实现电气设备运行状态的自动巡检，降低人工巡检成本，提高电力系统巡检智能运维的频率与效率。站内的固定摄像头、巡检机器人等自动执行预设的巡检计划，及时发现故障并预警，保障了电网的安全运行。

(2) 变电站数字孪生系统

变电站数字孪生系统以三维数字孪生支撑新型运检管控模式。通过构建与现实物理设备相对应的数字孪生体，实现全息模拟、动态监控、实时诊断与精准预测，推动智能电网可视化进程，实现数字化运维和智能化管控，保障大电网安全运行。

(3) 电力大数据人工智能平台

为实现电力数据的高效管理及电力智能模型的开发与部署，电网研究部门通过综合调用计算资源、建立数据库，构建电力大数据人工智能平台。平台支撑众多电力人工智能模型开发，如变电站设备缺陷检测模型、设备智能测温模型等。此外，平台支持大规模服务器及边缘计算设备中的电力智能模型部署，为智能电网的发展提供多类型计算设备支撑。

5 智能电网的未来发展趋势？

依赖计算机视觉、知识图谱、自然语言处理等技术，新一代电力系统将进一步增强感知能力、分析能力与推理能力，在电力大数据背景下实现主动学习、自动分析、自主决策，构建更加智能的电网系统，保障电力系统安全稳定运行。此外，智能电网中的数字孪生系统将现实世界中的电气设备与网络映射到数字系统中，实现运行数据的实时反馈、跟踪、分析与决策，为电网提供更加可靠的智能化服务。

参考文献

(1) 齐冬莲, 韩译锋, 周自强, 闫云凤. 基于视频图像的输变电设备外部缺陷检测技术及其应用现状[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT211588

(2) 王成山, 李鹏. 分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(02): 14-23.

(3) 周孝信, 陈树勇, 鲁宗相, 黄彦浩, 马士聪, 赵强. 能源转型中我国新一代电力系统的技术特征[J]. 中国电机工程学报, 2018, 38(07): 1893-1904.

(4) 鞠平,周孝信等. “智能电网+”研究综述[J]. 电力自动化设备, 2018, 38(05): 2-11.

(5) 丁怡婷. 智能电网，提供强劲电力支撑[N]. 人民日报, 2022-08-04(015).

作者 | 韩译锋

策划 | 马秀强

校对 | 融媒体工作室

审核 | 陈 倩